Phản ứng tổng hợp hạt nhân là quá trình trong đó hai hạt nhân nguyên tử nhẹ kết hợp với nhau tạo thành hạt nhân nặng hơn, giải phóng năng lượng trong quá trình này. Đây cũng là quá trình cung cấp năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao khác, cung cấp nguồn năng lượng khổng lồ. Không giống như phản ứng phân hạch hạt nhân, tách các nguyên tử nặng để giải phóng năng lượng, phản ứng tổng hợp kết hợp các nguyên tử này lại với nhau. Sự kết hợp có tiềm năng cung cấp nguồn năng lượng sạch gần như vô hạn, nếu nó có thể được kiểm soát và duy trì trên Trái đất.
Nói một cách đơn giản nhất, phản ứng tổng hợp hạt nhân liên quan đến sự hợp nhất hạt nhân của hai nguyên tử nhẹ, chẳng hạn như hydro, để tạo thành một nguyên tử nặng hơn, như helium. Khối lượng của nguyên tử thu được và các chất còn sót lại nhỏ hơn khối lượng của nguyên tử ban đầu. Theo phương trình của Einstein, \(E = mc^2\) , sự mất khối lượng này được chuyển thành một lượng lớn năng lượng, trong đó \(E\) là năng lượng sinh ra, \(m\) là khối lượng bị mất, và \(c\) là tốc độ ánh sáng.
Quá trình này đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cực cao để khắc phục lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt nhân tích điện dương. Trong lõi mặt trời, nơi phản ứng tổng hợp xảy ra một cách tự nhiên, nhiệt độ tăng vọt lên trên 15 triệu độ C và áp suất rất lớn, tạo điều kiện thích hợp cho các hạt nhân đến đủ gần để thực hiện phản ứng tổng hợp.
Có một số loại phản ứng nhiệt hạch có thể xảy ra, mỗi loại có chất phản ứng và sản phẩm khác nhau. Các phản ứng được biết đến và nghiên cứu nhiều nhất liên quan đến các đồng vị của hydro: deuterium ( \(D\) ) và tritium ( \(T\) ):
Trong bối cảnh phản ứng tổng hợp hạt nhân, phóng xạ đóng một vai trò quan trọng, đặc biệt trong các phản ứng liên quan đến tritium. Tritium là một đồng vị phóng xạ của hydro, có chu kỳ bán rã khoảng 12,3 năm, nghĩa là nó phân rã theo thời gian, giải phóng các hạt beta (electron) và biến đổi thành helium-3 ổn định. Phản ứng tổng hợp DT được đặc biệt quan tâm vì nó tạo ra một lượng năng lượng lớn một cách hiệu quả và neutron được giải phóng có thể được sử dụng để tạo ra nhiều tritium hơn từ lithium thông qua một quá trình được gọi là kích hoạt neutron:
\( \textrm{Liti-6} + \textrm{neutron} \rightarrow \textrm{triti} + \textrm{Heli-4} \)Việc đạt được phản ứng tổng hợp hạt nhân có kiểm soát trên Trái đất là một thách thức do các điều kiện khắc nghiệt cần thiết cho quá trình này. Hai cách tiếp cận chính đang được theo đuổi:
Phản ứng tổng hợp hạt nhân hứa hẹn một nguồn năng lượng sạch và gần như vô tận. Không giống như nhiên liệu hóa thạch, phản ứng tổng hợp không tạo ra khí nhà kính hoặc chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài. Nhiên liệu cho phản ứng tổng hợp, deuterium, có thể được chiết xuất từ nước biển, khiến nó gần như vô hạn, và tritium có thể được tạo ra từ lithium, một chất tương đối dồi dào. Một khi những thách thức về kỹ thuật và khoa học được vượt qua, phản ứng tổng hợp có thể tác động đáng kể đến việc sản xuất năng lượng toàn cầu, góp phần tạo nên một tương lai bền vững và trung hòa carbon.
Phản ứng tổng hợp hạt nhân đại diện cho thành tựu đỉnh cao của con người trong việc tìm kiếm các giải pháp năng lượng bền vững. Trong khi mặt trời thực hiện phản ứng tổng hợp một cách dễ dàng ở lõi của nó thì việc tái tạo quá trình này trên Trái đất trong những điều kiện được kiểm soát vẫn là một trong những thách thức khoa học và kỹ thuật lớn nhất trong thời đại chúng ta. Sự phát triển thành công của năng lượng nhiệt hạch sẽ đánh dấu một cột mốc quan trọng trong hành trình tìm kiếm nguồn năng lượng sạch, an toàn và vô tận, cách mạng hóa cách chúng ta cung cấp năng lượng cho thế giới.
