Công ty khởi nghiệp Pacific Fusion đang xây dựng một cỗ máy nhiệt hạch với mục tiêu sản xuất năng lượng thành công trong 4 năm tới.
Theo Nature, tại bang New Mexico (Mỹ), startup này đang trong quá trình lắp ráp hơn 150 tụ điện hình trụ có kích thước tương đương xe tải để tạo thành một cỗ máy phát năng lượng nhiệt hạch – năng lượng sinh ra khi hai hạt nhân nguyên tử nhẹ, như hydro, hợp nhất thành một hạt nhân nặng hơn, giống như cơ chế cung cấp năng lượng cho Mặt Trời.
Những tụ điện khổng lồ này sẽ được bố trí xung quanh một buồng phản ứng trung tâm, phóng điện đồng thời đến một viên nhiên liệu hydro chỉ lớn bằng hạt đậu ở chính giữa. Dòng điện cực lớn sẽ tạo ra một từ trường mạnh bao quanh và nén viên nhiên liệu. Khi đạt đủ nhiệt độ và áp suất, hạt nhân của các đồng vị hydro sẽ hợp nhất thành heli và giải phóng năng lượng.
“Công nghệ này sẽ tạo ra bước ngoặt đối với cả năng lượng nhiệt hạch lẫn các ứng dụng quốc phòng”, nhà vật lý Keith LeChien, Giám đốc công nghệ kiêm nhà đồng sáng lập Pacific Fusion, cho biết.
Pacific Fusion đặt mục tiêu sinh lợi năng lượng toàn hệ thống, tức cỗ máy tạo ra nhiều năng lượng hơn so với mức nó tiêu thụ, vào cuối thập kỷ này. Đây là cột mốc quan trọng trong quá trình phát triển một nhà máy điện nhiệt hạch có khả năng cung cấp năng lượng sạch vô hạn.
Công ty này là một trong hàng chục startup công nghệ nhiệt hạch đã huy động tổng cộng hơn 14 tỷ USD đầu tư trong vòng 5 năm qua. Riêng Pacific Fusion đã huy động hơn 1 tỷ USD kể từ khi được thành lập năm 2023. Làn sóng đầu tư này bắt đầu khi National Ignition Facility (NIF), một cơ sở nghiên cứu năng lượng của Mỹ, đạt được mốc sinh lợi năng lượng vào năm 2022. Theo The Guardian, bằng cách chiếu 192 tia laser vào một viên nhiên liệu hydro, NIF đã tạo ra nhiều năng lượng hơn so với bản thân các tia laser tiêu thụ, nhưng vẫn còn cách xa mức sinh lợi năng lượng nếu tính cả hệ thống vận hành.
Tuy nhiên kết quả này được xem là bằng chứng cho thấy giới nghiên cứu đang đi đúng hướng. Bài toán đặt ra là làm thế nào biến thí nghiệm đó thành một nhà máy điện thực tế có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm.
Một module trong máy phát năng lượng nhiệt hạch của Pacific Fusion. Ảnh: Nature
Một số công ty khởi nghiệp, trong đó có Pacific Fusion và First Light Fusion (Anh), đang tìm cách tái lập thành công của NIF nhưng sử dụng những xung điện cực lớn thay vì hàng loạt tia laser.
Theo LeChien, ưu thế của phương pháp này là hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn laser. Tại NIF, chưa đến 1% vận hành hệ thống truyền tới viên nhiên liệu hydro. Nguyên nhân là điện năng ban đầu dùng để cấp nguồn cho laser phải được chuyển đổi qua nhiều dạng năng lượng khác nhau – ánh sáng, tia X, động năng – trước khi tới được mục tiêu, xảy ra thất thoát. Xung điện tạo ra tác động trực tiếp hơn từ điện năng tới quá trình nén viên nhiên liệu, khoảng 12% năng lượng đầu vào có thể truyền tới mục tiêu.
Đại diện Pacific Fusion dự kiến cơ sở thử nghiệm sẽ sử dụng khoảng 80 megajoule điện năng cho mỗi lần “ép” nhiên liệu và tạo ra khoảng 100 megajoule năng lượng nhiệt hạch, qua đó sinh lợi về năng lượng toàn hệ thống.
Nhưng ngay cả khi thiết kế của Pacific Fusion hoạt động như dự kiến, mức năng lượng này cũng chỉ bằng khoảng một phần năm mức cần thiết để vận hành một nhà máy điện và vẫn cần nhiều nghiên cứu vật lý cơ bản để nâng cao sản lượng năng lượng.
Việc vận hành liên tục để tạo ra nguồn năng lượng nhiệt hạch ổn định cũng kéo theo hàng loạt thách thức kỹ thuật, chẳng hạn như làm sao để cỗ máy có thể bắn xung điện (tín hiệu điện áp) liên tục và nạp lại nhiên liệu sau mỗi lần bắn, bởi cụm nhiên liệu ở trung tâm sẽ bị phá hủy hoàn toàn sau mỗi lần.
Để thiết kế có thể vận hành như một nhà máy điện, các nhà nghiên cứu của công ty cho biết cỗ máy sẽ phải bắn và nạp lại nhiên liệu khoảng một lần mỗi giây, lặp lại liên tục không giới hạn. Trong khi đó, cỗ máy đang được xây dựng hiện chỉ bắn được một xung điện mỗi ngày.
Tuy đứng trước nhiều thách thức kỹ thuật, nhiệt hạch vẫn được đánh giá là nguồn năng lượng sạch tiềm năng trong tương lai do nguồn nguyên liệu rẻ và dồi dào, không phát thải và gần như không có các rủi ro về phóng xạ và chất thải. Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) dự báo năng lượng nhiệt hạch có thể chiếm 10-50% năng lượng tạo ra trên toàn cầu vào năm 2100, tùy thuộc vào các kịch bản chi phí khác nhau của công nghệ.
Nam Nguyễn tổng hợp
- Nhà máy ảo giúp Trung Quốc quản lý nhu cầu điện tăng vọt