Điện nhiệt hạch có thể trở thành hiện thực nhờ các nỗ lực tư nhân

Gốc
Lần đầu tiên, một công ty nhiệt hạch hạt nhân tư nhân đã làm nóng hydro ở trạng thái plasma ở nhiệt độ lên đến 27 triệu độ F (15 triệu độ C) trong một lò phản ứng mới – tức là nóng hơn cả lõi Mặt trời.

Đại diện của Tokamak Energy (Anh Quốc) cho biết, thực nghiệm plasma này đã đánh dấu một cột mốc quan trọng trong những nỗ lực đưa công ty trở thành đơn vị đầu tiên trên thế giới có khả năng sản xuất và thương mại hóa điện từ phản ứng nhiệt hạch, dự kiến sẽ thành công vào năm 2030. Vào đầu tháng 6/2018, Tokama Energy đã chế tạo thành công lò phản ứng ST40 thực nghiệm, nơi phản ứng nhiệt hạch xảy ra trong một buồng chân không có từ trường mạnh.

Thành công của thí nghiệm này hứa hẹn một thí nghiệm về trạng thái plasma trong lò phản ứng ST40 thậm chí còn có nhiệt độ cao hơn vào năm tới, có thể là cao hơn 180 triệu độ F (100 triệu độ C) nhưng vẫn ở trạng thái nhiệt có thể kiểm soát được. Tokamak Energy đã lên kế hoạch thiết kế và chế tạo được một lò phản ứng có khả năng sản xuất một vài MW điện năng vào năm 2025. “Những số liệu trên quả thực rất tuyệt vời, và có lẽ đã vượt quá kỳ vọng của chúng tôi” – David Kingham, đồng sáng lập của Tokamak Energy – cho biết.

Tokamak Energy là một trong số những công ty năng lượng tư nhân trên thế giới được tài trợ để tạo ra các lò phản ứng nhiệt hạch năng lượng, dự kiến thành hiện thực trước thập niên 2040, thời điểm dự án lò phản ứng nhiệt hạch ITER của Pháp thành công nhưng phải mất thêm một thập kỷ nữa để tạo ra phản ứng nhiệt hạch bền vững; người ta lo ngại là khi đó cũng chưa chắc đã được áp dụng để tạo ra điện ngay.

Ngôi sao trong bình chứa

Phản ứng nhiệt hạch hạt nhân (hay tổng hợp hạt nhân) là quá trình kết hợp của hai hạt nhân nguyên tử hydro để tạo thành heli (nguyên tố mới nặng hơn) – nguồn gốc lý giải sự cháy sáng suốt hàng tỷ năm của Mặt trời và các ngôi sao khác trong vũ trụ, đây cũng là nguyên nhân giải thích vì sao một lò phản ứng nhiệt hạch thi thoảng được gọi là một “ngôi sao trong bình chứa”.

Các cường quốc hạt nhân vẫn tận dụng khả năng tạo ra năng lượng lớn của phản ứng phân hạch để chế tạo vũ khí nhiệt hạch – hay bom khinh khí (bom H) – với sức tàn phá khủng khiếp. Trong phản ứng này, với các thiết bị phân hạch plutonium, hydro được gia nhiệt đến nhiệt độ phân hạch nhằm tạo ra năng lượng có độ lớn gấp hàng trăm hoặc hàng nghìn lần bom phân hạch (bom A).

Phản ứng nhiệt hạch hứa hẹn mang lại tiềm năng phát điện gần như vô tận cho con người. Ảnh: Shutterstock

Trong khi đó, các dự án nhằm tạo ra phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát trên Trái đất – như của ITER hay Tokamak – cũng sẽ đốt nóng nhiên liệu hydro ở điều kiện nhiệt độ cao hơn và áp suất thấp hơn so với lõi Mặt trời. Nhiều ý kiến ủng hộ năng lượng nhiệt hạch tin rằng công nghệ này có thể khiến nhiều loại hình phát điện khác trở nên lỗi thời, nhờ tiềm năng tạo ra lượng điện khổng lồ nhưng chỉ cần một lượng tương đối ít các đồng vị hydro nặng là deuterium và tritium – vốn khá dồi dào trong nước biển.

“Với 50 kg tritium và 33 kg deuterium, chúng ta hoàn toàn có thể tạo ra 1 GW điện”, đủ đáp ứng nhu cầu điện của 700.000 ngôi nhà ở Mỹ trong suốt một năm, nhưng lại chỉ cần vài gram nhiên liệu hydro nặng, Kingham trích dẫn báo cáo của Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ.

Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới đều không phát thải khí nhà kính (CO2) như nhiệt điện than, tuy nhiên chúng lại chạy bằng nhiên liệu từ các nguyên tố nặng phóng xạ như uranium hay plutonium, vì thế vẫn phát sinh ra các chất thải nguy hại, cho nên cần phải được xử lý và lưu giữ đặc biệt cẩn thận.

Về lý thuyết, lò phản ứng nhiệt hạch sẽ sinh ra ít chất thải phóng xạ hơn lò phản ứng phân hạch và đòi hỏi nhiên liệu cũng ít hơn, điều đó có nghĩa là các thảm họa hạt nhân như Chernobyl hay sự cố Fukushima sẽ khó xảy ra hơn. Tuy nhiên, nhà vật lý hạt nhân kỳ cựu Daniel Jassby – chuyên nghiên cứu về phản ứng nhiệt hạch và từng làm việc tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma ở Princeton – cảnh báo, ITER và các lò phản ứng nhiệt hạch đang được thử nghiệm khác vẫn có thể tạo ra chất thải phóng xạ đáng kể.

Đường đến phản ứng nhiệt hạch hạt nhân

Kingham cho biết, lò phản ứng ST40 và các thế hệ lò phản ứng tương lai do Tokamak Energy lên kế hoạch chế tạo bằng việc sử dụng một thiết kế tokamak hình cầu có kết cầu nhỏ gọn, với một buồng chân không có hình dạng gần giống như khối cầu thay vì chiếc bánh donut (diện tích rộng hơn) như trong thiết kế của ITER.

Một bước tiến quan trọng khác của Tokamak là giải pháp sử dụng nam châm siêu dẫn trong điều kiện nhiệt độ siêu cao để tạo ra từ trường mạnh, yếu tố cần thiết để giữ trạng thái plasma siêu nóng khỏi ảnh hưởng đến thùng lò phản ứng. Các nam châm điện có chiều dài lên đến 2,1 m bao quanh lò phản ứng được làm mát bằng khí heli lỏng để có thể vận hành ở điều kiện nhiệt độ xuống đến âm 423,67 độ F (hay –253,15 độ C).

Chính ý tưởng sử dụng vật liệu từ tiên tiến này đã giúp Tokamak đạt được lợi thế đáng kể so với thiết kế lò phản ứng của ITER – hiện sử dụng nam châm điện năng lượng “xanh” (power-hungry electromagnet) để làm mát đến gần nhiệt độ không tuyệt đối (–459,67 độ F hay –273,15 độ C).

Hiện nay, bên cạnh ITER và Tokamak còn có các dự án lò phản ứng nhiệt hạch khác do General Fusion (trụ sở tại British Colombia, Canada) và TAE Technologies (trụ sở tại California, Mỹ) phát triển. Một công ty khác tên là Agni Energy (trụ sở tại Washington, Mỹ) cũng tuyên bố đã thực hiện thành công một thí nghiệm được tiến hành theo một cách tiếp cận khác mà vẫn kiểm soát được phản ứng nhiệt hạch hạt nhân: phản ứng tổng hợp hạt chân chùm đích (beam-target fusion).

Một trong những dự án tiên tiến nhất hiện đang được thực hiện tại bộ phận kỹ thuật Skunk Works của Lockheed Martin – người khổng lồ trong lĩnh vực quốc phòng và hàng không vũ trụ – ở California. Đại diện của Skunk Works đã tiết lộ về một lò phản ứng nhiệt hạch công suất 100 MW có khả năng cấp điện cho khoảng 100.000 ngôi nhà, đủ nhỏ để đặt trên một toa xe tải và có thể chở tới bất cứ đâu khi cần thiết.

Hải Đăng Theo Live Science