Nhiều công ty đua nhau làm ‘Mặt Trời nhân tạo’

Ngày 17/6, công ty General Fusion tuyên bố đang xây dựng một lò phản ứng nhiệt hạch tại phòng thí nghiệm nghiên cứu nhiệt hạch quốc gia Anh ở Culham. Công ty này cho biết họ hi vọng dự án sẽ đi vào hoạt động năm 2025.

Đây là thành viên mới nhất trong số các dự án lò phản ứng nhiệt hạch lớn trên thế giới, nhằm giải quyết nhu cầu năng lượng ngày càng cao của con người. Phần lớn các dự án nhắm tới thời gian hoạt động chính thức từ năm 2030-2040. Phản ứng nhiệt hạch từng được cho là công nghệ không bao giờ hoàn thành, nhưng theo Economist thì nó đang gần với thực tế hơn bao giờ hết.

Giải pháp mới cho năng lượng sạch

Được ví như những “Mặt Trời nhân tạo”, chúng áp dụng nguyên lý phản ứng nhiệt hạch hay hợp hạch giống Mặt Trời, yêu cầu đạt được nhiệt độ 100-200 triệu độ C bên trong lò, và chi phí lên đến hàng chục tỷ USD.

Phản ứng nhiệt hạch được các kỹ sư nghiên cứu từ những năm 1950, đến này vẫn chưa có lời giải đáp. ITER, siêu dự án nghiên cứu khoa học về năng lượng lớn nhất trên thế giới tới thời điểm hiện tại, là một trong những cách tiếp cận hứa hẹn nhất, với mục đích sử dụng phản ứng tổng hợp hạt nhân làm nguồn năng lượng.

Lò phản ứng nhiệt hạch của General Fusion là sự kết hợp giữa phản ứng tổng hợp và giam giữ từ tính, với hàng trăm piston bao quanh nguồn plasma để tạo ra áp lực lớn. Ảnh: General Fusion.

Để tạo ra điện, các nhà máy điện hạt nhân hiện nay dựa vào sự phân hạch, phân tách các nguyên tử nặng thành những nguyên tử nhẹ hơn. Sau đó, năng lượng được giải phóng để đun sôi nước thành hơi, làm quay các tua-bin tạo ra điện.

Ngược lại, thay vì phân tách nguyên tử, ở các nhà máy nhiệt hạch, nhiệt được tạo ra bằng cách kết hợp các nguyên tử nhẹ để tạo ra các nguyên tử nặng hơn.

Quá trình nhiệt hạch này giống như cách vận hành của Mặt Trời, có thể tạo ra nguồn năng lượng sạch vô hạn, hạn chế nguy cơ về công nghệ vũ khí hạt nhân, cũng như giảm thiểu chất thải phóng xạ so với quá trình phân hạch.

Tuy nhiên, để phản ứng nhiệt hạch xảy ra, cần nhiệt trên 100 triệu độ C để kết hợp hai đồng vị hydro là deuterium và tritium lại với nhau, từ đó thu được plasma.

“Trái với quá trình phân hạch, phản ứng nhiệt hạch khó thực hiện và duy trì hơn”, Christofer Mowry, CEO của General Fusion cho biết.

Bên trong lò phản ứng nhiệt hạch đang được thử nghiệm tại Trung Quốc. Ảnh: Xinhua.

Ý tưởng của General Fusion là sự kết hợp giữa phản ứng tổng hợp từ tính (MCF) và phản ứng tổng hợp giam giữ quán tính (ICF). Cách tiếp cận này được gọi là “nhiệt hạch mục tiêu từ tính”, khái niệm từ những năm 1960. Theo ông Mowry, bằng cách này, những hạn chế từ trường sẽ bị loại bỏ nhờ vào việc sử dụng xung điện mạnh tạo ra các đốm plasma ổn định trong lò phản ứng.

Tuy nhiên, các luồng plasma này chỉ kéo dài khoảng 20 mili giây, không đủ lâu để tạo nhiều năng lượng nếu đưa vào phản ứng MCF, nhưng lại đủ lâu để được nén như phản ứng ICF. Do đó, lò phản ứng General Fusion của Anh sẽ được lót bằng chì và lithium nóng chảy. Các piston dẫn động bằng khí sẽ nén lõi sau khi plasma được bơm vào, biến nó từ hình trụ thành hình cầu và tăng đáng kể tốc độ kết hợp nguyên tử.

Theo Mowry, công ty hy vọng sẽ hoàn thiện một lò phản ứng thương mại chính thức vào 2030, với giá 50 USD/MWh, để cạnh tranh với than vì năng lượng tái tạo sẽ rẻ hơn.

Thị trường đầy tính cạnh tranh

General Fusion không phải là công ty duy nhất theo đuổi thị trường nhiệt hạch thương mại. Vào ngày 8/4, TAE Technologies, một đối thủ có trụ sở tại California, được thành lập vào năm 1998, cho biết họ đã huy động được 280 triệu USD cho một lò phản ứng của riêng mình, nâng tổng số tiền đầu tư vào công ty lên 1,1 tỷ USD.

 

Lò phản ứng nhiệt hạch của TAE Technologies tại California. Ảnh: Techcrunch.

Lợi thế của nó là không tạo ra các neutron năng lượng cao, làm phức tạp quá trình kết hợp deuterium và tritium, thay vào đó là một phương pháp giam giữ từ tính không tạo ra từ trường hình xuyến nhưng vẫn tạo thành dòng plasma có hình xuyến.

Các đối thủ khác của General Fusion bao gồm hai công ty của Anh, First Light Fusion và Tokamak Energy, cả hai đều có trụ sở gần Culham và 2 công ty của Mỹ là Commonwealth Fusion Systems và Zap Energy.

Tuy nhiên, đây không phải hướng đi duy nhất của phản ứng nhiệt hạch, như Viện Vật lý Plasma, Max Planck, một cơ quan chính phủ Đức, đã thành công xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch Wendelstein-7x dạng “stellarator”, được dùng để duy trì khả năng kiểm soát phản ứng tổng hợp hạt nhân giam plasma nóng trong từ trường.

Hiện lò phản ứng này đang đợi phê duyệt từ Cơ quan quản lý hạt nhân của Đức. Dự kiến vào tháng 10 mọi thủ tục sẽ hoàn tất và chính thức đi vào hoạt động.

 

Lò phản ứng nhiệt hạch Wendelstein-7x dạng “stellarator” của Max Planck. Ảnh: Physicsworld.

Lò phản ứng của General Fusion tại Culham dự kiến mở cửa vào năm 2040. Stephen Dean, người điều hành Fusion Power Associates, một tổ chức nghiên cứu và giáo dục, General Fusion chọn Culham với mục đích tiếp cận thị trường một cách nhanh chóng.

Tiến sĩ Dean cho biết các công ty hiện tại sẽ sớm thành công trong việc xây dựng một lò phản ứng tạo ra năng lượng hữu ích.

Trái với tiềm năng của phản ứng nhiệt hạch, các lò phản ứng phân hạch tiên tiến vẫn được một số nhà đầu tư để ý. Cụ thể, vào ngày 2/6, TerraPower, một công ty được Bill Gates hậu thuẫn, đã công bố kế hoạch về một nhà máy hạt nhân công nghệ cao ở Wyoming. Đây là thị trường mang tính cạnh tranh cao đầy mạo hiểm cho các nhà đầu tư.