ITER mở đường cho những kế hoạch còn choáng ngợp hơn

Theo đúng như kế hoạch, công nghệ từ ITER sẽ cho phép sản xuất điện từ năng lượng nhiệt hạch. Và cùng với đó, các quốc gia thành viên đã bắt đầu lên kế hoạch cho các thiết bị tiếp theo có khả năng tạo ra năng lượng điện có hiệu suất cao hơn cả ITER.

Liên minh ITER đã gọi bước tiếp theo này là giai đoạn DEMO và một số ý tưởng thiết kế cho các thiết bị DEMO đang được phát triển ở Châu Âu, Hoa Kỳ, Hàn Quốc và Trung Quốc. Các thiết bị ở giai đoạn DEMO được cho là đơn giản và ít tốn kém hơn ITER vì chúng sẽ được thiết kế để sản xuất điện hơn là nghiên cứu, hoạt động ở trạng thái ổn định hơn là thử nghiệm các trạng thái nhiệt hạch khác nhau. Trong số này, các thiết bị của Trung Quốc có thể được coi là gần đạt đến mục tiêu đi vào hoạt động nhất.

Được gọi là Lò phản ứng Thử nghiệm Kỹ thuật Nhiệt hạch Trung Quốc (CFETR), thiết bị này đang trong giai đoạn thiết kế và tạo mẫu công nghệ. CFETR sẽ lớn hơn ITER một chút với bán kính của lò tokamak vào khoảng 7 m. Giai đoạn đầu của dự án sẽ thực hiện phản ứng nhiệt hạch ở công suất khoảng 200 MW, nhưng sau đó nó sẽ được nâng cấp lên công suất nhiệt hạch ít nhất 2 GW và phát điện ròng 700 MW. Dự án sẽ được khởi công chính thức vào năm 2020 nhưng việc xây dựng cơ sở hạ tầng và các thành phần thiết bị đã bắt đầu tại địa điểm của dự án ở thành phố Hợp Phì, Trung Quốc.

Thiết bị DEMO của Châu Âu cũng được sử dụng như một nhà máy điện thử nghiệm với công suất phát từ 300 MW đến 500 MW. Lộ trình đạt được DEMO đã được EUROfusion - tổ chức về năng lượng nhiệt hạch của Châu Âu - đưa ra nhưng vị trí, thời điểm bắt đầu xây dựng và các chi tiết khác vẫn còn chưa được xác định.

Cho đến gần đây, tiến bộ về năng lượng nhiệt hạch ở Mỹ chủ yếu tập trung vào nghiên cứu khoa học về nhiệt hạch thuần túy. Tuy nhiên, Quốc hội Mỹ đã tăng mức trích lập cho Văn phòng Khoa học Năng lượng Nhiệt hạch (FES) của Bộ Năng lượng (DOE) 44% kể từ năm 2015 lên 671 triệu đô la trong năm tài chính 2020, và cùng với đó kinh phí mà Mỹ cam kết đóng góp cho dự án ITER cũng được tăng lên.

Tuy Mỹ vẫn là thành viên của ITER nhưng đồng thời cũng theo đuổi mục tiêu xây dựng một nhà máy nhiệt hạch thí điểm nhỏ gọn có khả năng phát điện cao hơn và chi phí vốn thấp hơn so với các thiết kế DEMO khác. Một số ý tưởng đang được triển khai như SPARC của MIT, Nhà máy điện hình cầu của Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton hay nhà máy Tokamak nhỏ gọn nâng cao của General Atomics. Các ý tưởng này sử dụng các lò phản ứng có công nghệ trường điện từ cao hơn, tăng định hình plasma và áp suất vận hành cao hơn để đạt được hiệu suất cao hơn ở quy mô nhỏ gọn hơn.

Hàng tỷ đô la rót vào công nghệ nhiệt hạch của các công ty tư nhân

ITER không phải là dự án duy nhất tạo ra sự phấn khích trong cộng đồng nghiên cứu nhiệt hạch. Ít nhất khoảng 10 công ty tư nhân mới thành lập đã bắt đầu nghiên cứu các phương pháp tiếp cận khác cho năng lượng nhiệt hạch trong thập kỷ qua. Một số phương pháp giam giữ từ tính đang được nghiên cứu và có thể tạo ra những đột phá đáng kể. Tất cả đều đang tìm kiếm những con đường dẫn đến phản ứng nhiệt hạch đơn giản và ít tốn kém hơn ITER.

Vì tất cả các công ty này đều thuộc sở hữu tư nhân nên các thông tin chi tiết đầy đủ về công nghệ và tình hình tài chính của họ là rất hạn chế nhưng ước tính ít nhất 1 tỷ đô la vốn đầu tư đã đổ vào các công ty tư nhân về nhiệt hạch.

TAE Technologies: TAE đã dành khoảng 20 năm để nghiên cứu một phương pháp được gọi là cấu hình đảo ngược trường (FRC). Công nghệ của TAE không dựa vào phản ứng tổng hợp Đơtêri-Triti (DT) mà thay vào đó tìm cách hợp nhất hai nguyên tố Hyđrô và Bo. Mặc dù đây là một phản ứng khó thực hiện hơn - đòi hỏi nhiệt độ ít nhất phải cao hơn một bậc - nó có lợi thế là không tạo ra các neutron năng lượng cao gây phức tạp cho phản ứng tổng hợp DT. FRC là một phương pháp giam giữ từ tính không tạo ra từ trường hình xuyến nhưng vẫn tạo thành dòng plasma có hình xuyến (Hình 1).

Hình 1. Mô hình hệ thống lò phản ứng nhiệt hạch sử dụng đảo ngược từ trường (FRC) của TAE. (nguồn: TAE Technologies)

TAE có trụ sở tại Irvine, California. Tổng số tiền tài trợ được công bố công khai của công ty này là 700 triệu đô la và ông lớn Google cũng là một trong những nhà đầu tư cho dự án này.

Commonwealth Fusion Systems (CFS): Là một nhánh của Trung tâm Khoa học Plasma và Nhiệt hạch của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), CFS đang theo đuổi một cách tiếp cận sử dụng tokamak khá thông thường nhưng tận dụng những tiến bộ công nghệ cao gần đây chưa được đưa vào ITER. Nổi bật nhất trong số này là việc sử dụng đất hiếm bari đồng ôxit (REBCO) siêu dẫn (ITER sử dụng niobi-thiếc). Người ta hy vọng công nghệ này sẽ cho phép tạo ra các nam châm nhỏ hơn, hiệu quả hơn và ít tốn kém hơn. CFS đang tiếp tục hợp tác với MIT để phát triển thiết kế lò tokamak nhỏ gọn có từ trường cao được gọi là SPARC có công suất nhiệt hạch từ 50 MW đến 100 MW ở Q bằng 3. Việc xây dựng SPARC dự kiến sẽ sớm bắt đầu.

General Fusion: Công ty có trụ sở tại Vancouver, British Columbia này đang theo đuổi một trong những cách tiếp cận mang tính cách mạng hơn gọi là phản ứng từ hóa mục tiêu nhiệt hạch (MTS). Ý tưởng của MTS là sử dụng một quả cầu chứa đầy Chì-Liti nóng chảy được khuấy tròn liên tục để tạo thành một dòng xoáy cũng như tạo ra một khoảng trống ở chính giữa khối cầu. Ở phía trên đỉnh của khối cầu này là máy bơm plasma, sẽ bơm các đồng vị Hyđrô đã được ion hóa (plasma Hyđrô) vào khoảng trống được tạo ra ở trên. Một hệ thống các piston hơi ở bên ngoài khối cầu sẽ được lập trình để cùng nén đồng thời tạo ra sóng xung kích trong quả cầu kim loại lỏng để nén plasma đến điều kiện nhiệt hạch. Năng lượng được giải phóng từ phản ứng nhiệt hạch sau đó sẽ được sử dụng để tạo ra điện. General Fusion được tài trợ bởi Giám đốc điều hành Amazon Jeff Bezos, Microsoft và một số quỹ đầu tư mạo hiểm khác.

Hình 2. Nguyên lý làm việc của lò phản ứng General Fusion. (nguồn General Fusion)

Tokamak Energy: Là một công ty của Anh, Tokamak Energy đang nghiên cứu về phản ứng nhiệt hạch từ tính nhưng sử dụng một tokamak có hình dạng cầu hơn dựa trên một ý tưởng được phát triển tại Mỹ và Anh. Thiết bị này được gọi là ST40, đã được đưa vào vận hành và đang được sử dụng cho mục đích nghiên cứu. Tokamak Energy tuyên bố đã đạt được nhiệt độ plasma lên tới 15 triệu độ C. Gần đây nhất, nó đã huy động được khoảng 86 triệu đô la trong vòng gọi vốn vào tháng 1 năm 2020.

Huy động nguồn lực xã hội đầu tư vào năng lượng nhiệt hạch: Cần chiến lược dài hạn

Phản ứng phân hạch hạt nhân thực tế lần đầu tiên được thực hiện vào những năm 1940, nhưng phải đến giữa những năm 1960, việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân mới bắt đầu trên quy mô lớn. Nếu đi theo lộ trình tương tự thì các dự án năng lượng nhiệt hạch thương mại quy mô lớn sẽ khó có thể xuất hiện trước những năm 2050, khoảng 20 năm sau khi ITER bắt đầu thực hiện được phản ứng DT.

Mặc dù bài báo này tập trung vào các yếu tố khoa học và kỹ thuật nhưng kinh tế và xã hội mới là các yếu tố quyết định cuối cùng của dự án. Các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ được xây dựng khi các nhà đầu tư và các tổ chức xã hội bắt đầu coi chúng là những khoản đầu tư đáng giá và rất khó để nói chính xác thời điểm đạt được điều này, trong khi nhiều khả năng điện từ các nhà máy nhiệt hạch đầu tiên sẽ có giá đắt hơn so với các nguồn tài nguyên khác, cũng giống như từng xảy ra với các dự án năng lượng tái tạo quy mô lớn.

Một yếu tố quan trọng khác là sự chấp nhận của công chúng, những nhận thức và quan niệm sai lầm về nhà máy điện hạt nhân phân hạch hiện tại cũng sẽ ảnh hưởng đến sự phát triển của năng lượng nhiệt hạch. Sự hiểu biết của công chúng về năng lượng nhiệt hạch hiện nay là khá ít ỏi và sự nhầm lẫn giữa phản ứng phân hạch và nhiệt hạch là rất phổ biến. Các chủ sở hữu nhà máy điện nhiệt hạch tương lai và cả cộng đồng nhiệt hạch sẽ cần phải chủ động cung cấp thông tin đại chúng về công nghệ này rất lâu trước khi bất kỳ công trình xây dựng thực tế nào bắt đầu.

Mục tiêu cắt giảm khí thải cacbon đang là chủ đề rất nóng trên toàn thế giới. Trong một môi trường như vậy, những lợi thế của năng lượng nhiệt hạch so với các nguồn năng lượng khác là rất hấp dẫn về mặt kinh tế và xã hội.

Thực hiện: Phạm Đức Trung

Nguồn tham khảo

1. Thomas Overton. May 31, 2020. “Fusion Energy Is Coming, and Maybe Sooner Than You Think”. POWER magazine. https://www.powermag.com/fusion-energy-is-coming-and-maybe-sooner-than-you-think/
2. Darrell Proctor. July 28, 2020. “Assembly Phase Underway for ITER Nuclear Project”. POWER magazine. https://www.powermag.com/assembly-phase-underway-for-iter-nuclear-project/
3. Project Underway. ITER. https://www.iter.org/construction/construction
4. Matthew Hole, Igor Bray. May 18, 2015. “Nuclear fusion, the clean power that will take decades to master”. https://theconversation.com/nuclear-fusion-the-clean-power-that-will-take-decades-to-master-41356
5. Nguyễn Hải, “Năng lượng nhiệt hạch không mới, tại sao công nghệ của General Fusion vẫn khiến tỷ phú Jeff Bezos đầu tư trăm triệu đô?”, Tri thức trẻ. http://ttvn.toquoc.vn/khoa-hoc/nang-luong-nhiet-hach-khong-moi-tai-sao-cong-nghe-cua-general-fusion-van-khien-ty-phu-jeff-bezos-dau-tu-tram-trieu-do-72019251219440256.htm