Nhiệt hạch lạnh là gì: tuyên bố năm 1989 của Fleischmann và Pons

Nhiệt hạch lạnh là tuyên bố rằng phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể xảy ra ở nhiệt độ phòng, trong một bình điện phân nước nặng với điện cực paladi. Martin Fleischmann và Stanley Pons công bố kết quả này tại họp báo ở Đại học Utah ngày 23/3/1989. Chỉ trong vài tháng, hàng loạt phòng thí nghiệm lớn lặp lại mà không thấy được dấu hiệu hạt nhân nào đáng tin, và giới khoa học kết luận chưa có bằng chứng thuyết phục.

Nhiệt hạch "nóng" và lời hứa của nhiệt hạch "lạnh"

Mặt Trời phát sáng nhờ nhiệt hạch: hạt nhân nhẹ hợp lại thành hạt nhân nặng hơn, toả ra năng lượng. Khó khăn là các hạt nhân đều mang điện dương nên đẩy nhau rất mạnh. Muốn chúng chạm được vào nhau, người ta cần nhiệt độ hàng chục triệu độ, như trong lòng Mặt Trời hay trong các lò tokamak thử nghiệm hiện nay. Đó là lý do năng lượng nhiệt hạch trên Trái Đất vẫn đang là mục tiêu nghiên cứu sau nhiều thập niên.

Nếu có cách làm nhiệt hạch trên mặt bàn, ở nhiệt độ phòng, với vài linh kiện điện hoá, thì đó sẽ là một cuộc cách mạng năng lượng. Chính vì phần thưởng lớn như vậy mà tuyên bố năm 1989 gây chấn động.

Thí nghiệm của Fleischmann và Pons

Martin Fleischmann là nhà điện hoá học người Anh tại Đại học Southampton, thành viên Hội Hoàng gia Anh, có những đóng góp được công nhận rộng rãi trong ngành. Stanley Pons là trưởng khoa Hoá ở Đại học Utah. Cả hai đều là nhà điện hoá có uy tín, không phải người ngoài nghề.

Thiết bị của họ khá đơn giản: một bình chứa nước nặng (D2O, nước mà hydro được thay bằng đồng vị deuteri), pha thêm muối liti để dẫn điện, một cực âm bằng paladi và một cực dương bằng platin. Cho dòng điện chạy qua, nước nặng bị điện phân và deuteri chui vào mạng tinh thể paladi, kim loại nổi tiếng hấp thụ được rất nhiều hydro.

Ý tưởng là: nếu nhồi đủ dày deuteri vào paladi, các hạt nhân deuteri có thể bị ép đủ gần để hợp nhất. Fleischmann và Pons báo cáo rằng bình của họ toả ra lượng nhiệt lớn hơn hẳn mức mà mọi phản ứng hoá học có thể giải thích, kèm một ít neutron và triti, những sản phẩm đặc trưng của phản ứng hạt nhân deuteri.

Họp báo trước, bài báo sau

Ngày 23/3/1989, Đại học Utah tổ chức họp báo công bố kết quả. Khi đó bài báo khoa học chưa được đăng; một ghi chú sơ bộ chỉ xuất hiện trên Journal of Electroanalytical Chemistry vài tuần sau. Bối cảnh thêm phần căng thẳng: cùng bang Utah, nhóm của Steven Jones ở Đại học Brigham Young cũng đang đo neutron từ deuteri trong kim loại, với mức tín hiệu nhỏ hơn rất nhiều và không hề tuyên bố có nhiệt dư. Áp lực về chuyện ai công bố trước, cùng với quyền lợi bằng sáng chế, góp phần đẩy kết quả ra công chúng sớm.

Họp báo trước khi có bài bình duyệt khiến các nhà khoa học khác phải lặp lại thí nghiệm dựa trên tin tức, ảnh chụp và vài mô tả rời rạc. Điều này làm loạt thử nghiệm đầu tiên vừa nhanh vừa hỗn loạn.

Thế giới lặp lại thí nghiệm

Trong những tuần sau đó, hàng trăm phòng thí nghiệm trên thế giới dựng bình điện phân paladi. Một vài nơi báo cáo thấy nhiệt dư hoặc neutron, rồi rút lại khi phát hiện lỗi đo. Các nhóm lớn có thiết bị tốt, như ở Viện Công nghệ California (Caltech), Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) và phòng thí nghiệm Harwell ở Anh, đều không tìm thấy dấu hiệu nào.

Tại hội nghị của Hội Vật lý Hoa Kỳ ở Baltimore đầu tháng 5/1989, một loạt báo cáo phủ định được trình bày liên tiếp. Từ đó, phần lớn giới vật lý coi tuyên bố ban đầu là không đứng được.

Những chỗ hở trong bằng chứng

Đo nhiệt: dễ sai hơn người ta tưởng

Đo chính xác nhiệt toả ra từ một bình điện phân trong nhiều ngày là việc khó. Nhiệt độ có thể không đều trong bình nếu khuấy không tốt, nhiệt kế đặt ở một chỗ có thể cho số khác chỗ khác. Khí hydro và oxy sinh ra từ điện phân có thể tái kết hợp với nhau và toả nhiệt, làm sai phép cân bằng năng lượng. Những yếu tố này được các nhóm phản biện chỉ ra từng điểm.

Neutron: quá ít và đo chưa chuẩn

Đây là lập luận nặng ký nhất. Phản ứng deuteri – deuteri đã được hiểu rõ từ lâu: khoảng một nửa số lần hợp nhất tạo ra một neutron. Nếu nhiệt dư cỡ vài watt thật sự đến từ phản ứng này, bình phải phát ra cỡ hàng nghìn tỉ neutron mỗi giây cho mỗi watt. Lượng bức xạ đó đủ gây nguy hiểm nghiêm trọng cho người đứng cạnh. Các nhà nghiên cứu vẫn khoẻ mạnh, nghĩa là lượng neutron thực tế nhỏ hơn mức cần thiết hàng tỉ lần.

Thêm nữa, nhà vật lý Richard Petrasso ở MIT phân tích phổ tia gamma mà nhóm Utah đưa ra làm bằng chứng neutron, và chỉ ra đỉnh tín hiệu không nằm đúng vị trí 2,22 MeV cũng không đúng hình dạng mà phản ứng bắt neutron trong nước phải tạo ra.

Không lặp lại được theo yêu cầu

Ngay cả những người tin vào hiện tượng cũng thừa nhận hiệu ứng "lúc có lúc không", phụ thuộc vào từng mẫu paladi. Một hiện tượng không ai làm lại được một cách đáng tin cậy thì rất khó trở thành kiến thức chung.

Mốc thời gian

Nhiệt hạch lạnh bây giờ ra sao

Một cộng đồng nhỏ vẫn tiếp tục nghiên cứu dưới tên gọi "phản ứng hạt nhân năng lượng thấp" (LENR). Họ có hội nghị riêng và một số nguồn tài trợ. Giới vật lý chính thống không cấm cản, nhưng vẫn chờ một thí nghiệm mà nhóm độc lập nào cũng làm lại được, với dấu hiệu hạt nhân rõ ràng. Đến nay điều đó chưa xảy ra.

Cần phân biệt với một khái niệm khác cũng có chữ "lạnh": nhiệt hạch xúc tác bằng hạt muon. Đây là hiện tượng có thật, đã được đo đạc từ thập niên 1950, nhưng tiêu tốn nhiều năng lượng để tạo muon hơn năng lượng thu về, nên chưa có giá trị phát điện. Nó không liên quan tới bình điện phân năm 1989.

Góc nhìn hôm nay: điều gì đã đúng trong cách khoa học phản ứng

Nhiệt hạch lạnh hay bị kể như một "bê bối", nhưng nhìn từ phía quy trình, hệ thống đã làm việc khá tốt. Trong vòng vài tháng, nhiều nhóm độc lập đã kiểm tra, các lỗi đo được chỉ ra cụ thể, và kết luận được rút ra công khai. Cái giá chủ yếu rơi vào uy tín cá nhân và thời gian của nhiều phòng thí nghiệm.

Những bài học được nhắc đi nhắc lại trong các khoá đạo đức nghiên cứu:

• Đừng công bố qua họp báo trước khi có bài được bình duyệt và mô tả đủ chi tiết để người khác làm lại.
• Một tuyên bố mâu thuẫn với vật lý hạt nhân đã kiểm chứng kỹ cần bằng chứng hạt nhân trực tiếp, không chỉ là nhiệt dư, vốn có thể đến từ nhiều nguồn.
• Kết quả "lúc được lúc không" là tín hiệu cần tìm biến số ẩn, thường là lỗi đo hoặc khác biệt mẫu, trước khi bàn tới quy luật mới.

Muốn đọc thêm, có cuốn Cold Fusion: The Scientific Fiasco of the Century của John Huizenga, người đồng chủ trì hội đồng DOE năm 1989, và chương về nhiệt hạch lạnh trong Voodoo Science của Robert Park.