Làm cách nào để các "mặt trời thu nhỏ" cung cấp năng lượng sạch với giá rẻ?

Làm cách nào để các "mặt trời thu nhỏ" (nhà máy năng lượng hạt nhân hợp hạch) có thể cung cấp năng lượng rẻ và sạch?

Theo BBC, chúng ta chỉ mất khoảng 5 năm để khai thác sức mạnh gần như không giới hạn từ "mặt trời thu nhỏ" (các nhà máy năng lượng hạt nhân). Một số công ty mới thành lập cho biết: lò phản ứng hạt nhân nhiệt hạch có thể cung cấp năng lượng dồi dào, rẻ tiền và sạch sẽ.

Trong một thế giới ngày một nóng lên bởi thói quen phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch, con người có nhu cầu cấp thiết để tìm một nguồn năng lượng thay thế.

Nếu chúng ta không làm như vậy, tương lai có vẻ ảm đạm cho hàng triệu người trên hành tinh này: thiếu nước và lương thực dẫn đến nạn đói và chiến tranh.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân từ lâu đã được xem như là một giải pháp tiềm năng cho nhu cầu năng lượng sạch của con người. Nhưng có một khoảng thời gian, những người trong ngành công nghiệp năng lượng nói rằng việc xây dựng một nhà máy điện nguyên tử là "công trình của 30 năm".

Một số startup (công ty khởi nghiệp) gần đây cho biết họ có thể làm cho quá trình thương mại hóa công nghệ này diễn ra nhanh chóng hơn nhiều.

Vậy chính xác phản ứng hợp hạch hạt nhân là gì?

Phản ứng hợp hạch là sự kết hợp của hạt nhân nguyên tử để giải phóng một khối lượng năng lượng và nó có khả năng giải quyết khủng hoảng năng lượng của chúng ta.

Đó là quá trình tương tự như sức mạnh của mặt trời. Hơn nữa, năng lượng do phản ứng hợp hạch tạo ra tương đối sạch sẽ và an toàn. Ít nhất, nó không phát ra khí thải như chất đốt hóa thạch (than đá, dầu mỏ).

Nhưng buộc các hạt nhân - deuterium và tritium, 2 dạng của hydro – hợp nhất với nhau dưới áp lực cũng tiêu tốn năng lượng rất lớn. Việc làm thế nào cho năng lượng đầu ra lớn hơn năng lượng đưa vào quá trình này là một việc không hề dễ nắm bắt.

Tuy nhiên, với những tiến bộ khoa học ngày nay, các công ty khởi nghiệp nói rằng điều này không còn là khó khăn và trở ngại nữa.

Các bể chứa Tokamak;

Christofer Mowry, giám đốc điều hành của General Fusion, một công ty của Canada có mục tiêu thương mại hóa năng lượng từ phản ứng hợp hạch trong năm tới cho biết: "Đây là 'khoảnh khắc SpaceX' cho lĩnh vực nhiệt hạch. Đó là thời điểm khi sự trưởng thành của khoa học nhiệt hạch kết hợp với sự xuất hiện của các công nghệ cho phép thế kỷ 21 như sản xuất phụ gia và chất siêu dẫn nhiệt độ cao. Đây không còn là công nghệ của tương lai 30 năm sau nữa".

Theo Wade Allison, giáo sư vật lý danh dự tại trường đại học Keble College, Oxford, khoa học đằng sau ý tưởng này đã được chứng minh.

Giáo sư Allison nói: "Chúng ta chưa thể chắc chắn về khoảng thời gian (để thương mại hóa công nghệ) nhưng những vấn đề khoa học cơ bản đã được giải quyết và vấn đề còn lại liên quan chủ yếu đến kỹ thuật vật liệu".

Tại sao công nghệ này lại khó triển khai như vậy?

Một thách thức lớn là làm thế nào để xây dựng một cấu trúc đủ mạnh để chứa plasma – với nhiệt độ rất cao, đây là nơi phản ứng nhiệt hạch xảy ra dưới áp lực cần thiết rất lớn.

Giáo sư Ian Chapman, giám đốc điều hành Cơ quan năng lượng nguyên tử Anh (UKAEA) cho biết, các hệ thống ống xả sẽ phải chịu được các mức nhiệt và năng lượng lớn khủng khiếp.

Hệ thống bảo trì robot cũng sẽ cần thiết, cũng như các hệ thống phục hồi và lưu trữ nhiên liệu.

Giáo sư Chapman nói: "UKAEA đang xem xét tất cả những vấn đề này và đang xây dựng các cơ sở nghiên cứu mới tại Trung tâm Khoa học Culham gần Oxford để phát triển các giải pháp".

Vậy điều gì đã thay đổi?

Một số công ty năng lượng tư nhân cho rằng họ đang vượt qua những thách thức thực tế này nhanh hơn thông qua việc sử dụng các vật liệu và công nghệ mới.

Công ty Tokamak Energy của Oxfordshire đang nghiên cứu các tokamaks hình cầu hoặc lò phản ứng sử dụng chất siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) để chứa plasma trong từ trường rất mạnh. "Nhiệt độ cao" trong bối cảnh này là -70C hoặc thấp hơn.

Jonathan Carling, giám đốc điều hành của công ty cho biết họ đã đạt được thành công tốt nhất trong ngành cho đến thời điểm này: "Một tokamak hình cầu là một kiến trúc hiệu quả hơn nhiều, và chúng tôi có thể cải thiện đáng kể tính chắc chắn và hiệu quả. Và bởi vì nó nhỏ hơn, nó có thể linh hoạt hơn và chi phí xây dựng cũng thấp hơn".

Công ty đã xây dựng ba tokamaks cho đến nay. Trong đó, cái thứ 3, ST40, được xây dựng từ thép không gỉ 30mm (1.2in) và sử dụng nam châm HTS. Tháng Sáu này nó đạt được nhiệt độ plasma hơn 15 triệu độ C, tức là nóng hơn so với phần lõi mặt trời.

Công ty hy vọng sẽ đạt 100 triệu độ C vào mùa hè tới - một kỳ tích mà các nhà khoa học Trung Quốc tuyên bố đã đạt được trong tháng này.

Carling nói: "Chúng tôi hy vọng có khả năng tăng năng lượng vào năm 2022 và cung cấp năng lượng cho lưới điện vào năm 2030".

Trong khi đó ở Mỹ, MIT [Viện Công nghệ Massachusetts] đang làm việc với các hệ thống Fusionwealth Fusion Systems (CFS) mới được thành lập để phát triển Sparc, một tokamak hình bánh donut với các từ trường giữ plasma nóng tại chỗ.

Được tài trợ một phần bởi Breakthrough Energy Ventures, một quỹ do Bill Gates, Jeff Bezos, Michael Bloomberg và các tỷ phú khác thành lập, nhóm hy vọng sẽ phát triển các lò phản ứng nhiệt hạch đủ nhỏ để được xây dựng trong các nhà máy và vận chuyển lắp ráp tại chỗ.

Các liên doanh tư nhân này đang thách thức Iter [Lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế], dự án nhiệt hạch quốc tế hàng đầu liên quan đến 35 quốc gia.

Iter, cũng có nghĩa là "con đường" trong tiếng Latin, đang xây dựng cơ sở thử nghiệm phản ứng hợp hạch lớn nhất thế giới. Tuy nhiên, dự án này sẽ không bắt đầu đi vào hoạt động chính thức cho đến năm 2025, và các hoạt động thương mại hóa còn một chặng đường dài sau thời điểm này.

Một phát ngôn viên của dự án nói với BBC rằng: "Các thành viên Iter khác nhau có mức độ khẩn cấp khác nhau để sử dụng nhiệt hạch như là một phần của tương lai năng lượng sạch. Một số rõ ràng hy vọng sẽ có điện nhiệt hạch cho lưới điện trước năm 2050, đối với những người khác lộ trình là trong nửa sau của thế kỷ này".

Những công ty non trẻ trong lĩnh vực này nghĩ rằng họ có thể làm tốt hơn.

Martin Greenwald, phó giám đốc trung tâm khoa học plasma và trung tâm tổng hợp của MIT cho biết: "Với công nghệ nam châm HTS mới, một thiết bị tổng hợp năng lượng thực có thể nhỏ hơn rất nhiều".

Kích thước nhỏ hơn có nghĩa là chi phí thấp hơn và sẽ mở ra cơ hội sử dụng, kinh doanh cho các tổ chức nhỏ hơn.

Phát ngôn viên của Iter nói: "Cuối cùng, tất cả chúng ta đều có chung một giấc mơ về điện năng hợp hạch như là một phần của năng lượng sạch trong tương lai".

Bạch Đằng