Phản ứng tổng hợp hạt nhân

Phản ứng tổng hợp hạt nhân hoặc phản ứng nhiệt hạch, phản ứng hợp hạch, trong vật lý học, là quá trình khi hai hạt nhân hợp lại với nhau để tạo thành một hạt nhân mới nặng hơn. Quá trình này đi kèm với phát thải hoặc hấp thu năng lượng, tùy thuộc vào khối lượng của các hạt nhân tham gia. Nhân sắt và nickel có năng lượng kết hợp nhân lớn hơn so với tất cả các nhân khác, do đó chúng có tính ổn định hơn. Khi các nguyên tử nhẹ hơn sắt và nickel kết hợp nhân, chúng phát thải năng lượng, trong khi với các nhân nặng hơn thì hấp thu năng lượng.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân là một trong hai loại phản ứng hạt nhân, loại còn lại là phản ứng phân hạch.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các nguyên tử nhẹ tạo nên ánh sáng của các ngôi sao và gây ra các vụ nổ hydro. Phản ứng tổng hợp hạt nhân của các nhân nặng diễn ra trong các điều kiện như siêu tân tinh (supernova). Phản ứng tổng hợp hạt nhân trong các sao và các hệ sao là quá trình chủ yếu tạo ra các nguyên tố hóa học tự nhiên.

Nhiên liệu thường được sử dụng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân là các đồng vị deuterium và tritium của hydro. Các đồng vị này có thể được chiết xuất dễ dàng từ thành phần của nước biển, hoặc tổng hợp không đắt đỏ từ nguyên tử hydro.

Để kết hợp các hạt nhân lại với nhau, cần một nguồn năng lượng rất lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như hydro. Điều này được giải thích là do các quá trình phản ứng rất khó thực hiện: bước đầu tiên là cần phải ion hóa các phân tử, ion hóa hoàn toàn tất cả các nguyên tử, đồng thời tách electron để biến nhiên liệu phản ứng thành plasma hạt nhân không có electron. Sau đó cần cung cấp một lượng năng lượng cực lớn để các hạt nhân vượt qua tương tác đẩy Coulomb để va vào nhau. Nhiệt độ cần thiết có thể lên đến hàng triệu độ C. Tuy nhiên, kết hợp các nguyên tử nhẹ để tạo ra các hạt nhân nặng hơn và phóng thích một neutron tự do sẽ giải phóng nhiều năng lượng hơn năng lượng nạp vào ban đầu khi hợp nhất hạt nhân. Điều này dẫn đến một quá trình phản ứng tự duy trì. Tuy nhiên, từ hạt nhân sắt trở đi, quá trình tổng hợp hạt nhân trở nên tốn nhiều năng lượng hơn là tỏa nhiệt. Việc cần nhiều năng lượng để khởi động thường đòi hỏi phải nâng nhiệt độ của hệ lên cao trước khi phản ứng xảy ra. Chính vì lý do này, phản ứng hợp hạch còn được gọi là phản ứng nhiệt hạch.

Năng lượng phóng thích từ phản ứng hạt nhân thường lớn hơn rất nhiều so với phản ứng hóa học, vì năng lượng liên kết giữ các hạt nhân với nhau lớn hơn nhiều so với năng lượng giữ các electron với nhân. Ví dụ, năng lượng để thêm 1 electron vào nhân là 13.6 eV, nhỏ hơn một phần triệu so với 17 MeV được giải phóng từ phản ứng D-T (deuterium-tritium, các đồng vị của hydro).

Ứng dụng

Hiện nay, nghiên cứu về tính khả thi của phương pháp tổng hợp hạt nhân như một nguồn cung cấp năng lượng thực tế đang được thực hiện với hy vọng kiểm soát tốc độ và lượng nhiệt của phản ứng. Với các vật liệu hiện nay, không có vật liệu nào có thể chịu được nhiệt độ rất cao của phản ứng - do đó, phản ứng hạt nhân hiện tại thường được thực hiện một cách không kiểm soát, dẫn đến lãng phí năng lượng. Một số nghiên cứu đang hướng đến việc sử dụng chùm laser hội tụ để nhắm vào nhiên liệu hạt nhân, ép chúng ở nhiệt độ rất cao để gây ra phản ứng, thay vì sử dụng nhiệt lượng tỏa ra từ phân hạch uranium như phương pháp truyền thống. Ngoài ra, có thể sử dụng từ trường bên ngoài để kiểm soát các hạt nhân, đảm bảo chúng không va chạm vào thành bình chứa, từ đó giữ cho phản ứng diễn ra với chi phí ít và hiệu quả cao.

Nếu việc áp dụng công nghệ năng lượng này thành công, nó sẽ trở thành nguồn năng lượng lý tưởng cho con người. Các đặc tính ưu việt như mật độ năng lượng cực cao (lớn hơn hàng tỷ lần so với các nhiên liệu hóa thạch, và hơn hàng chục lần so với nhiên liệu phân hạch), không gây ô nhiễm môi trường (nếu sử dụng các đồng vị hydro như deuteri, triti, sản phẩm thải là heli, một loại khí hiếm hoàn toàn không gây ảnh hưởng đến môi trường), và sự phát triển của công nghệ hạt nhân và tổng hợp đồng vị, nguồn nhiên liệu thô - hydro để tổng hợp deuteri và triti vô tận trong vũ trụ, là những lợi thế vượt trội của loại năng lượng này so với bất kỳ loại năng lượng nào khác.

• Phản ứng hạt nhân
• Phản ứng phân hạch