Cuộc đua sản xuất năng lượng theo cách của Mặt trời và các vì sao

Tác động của 192 tia laser cực tím mạnh lên một viên nang nhỏ chỉ có đường kính 2 milimét đã xảy ra vài phút sau lúc 1 giờ sáng. Đó là vào ngày 5/12/2022 và nhóm các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California (Mỹ) đã vỗ tay ăn mừng khi họ nhìn thấy kết quả trên màn hình: họ đã đạt được 3 megajoule năng lượng bằng cách sử dụng tia laser để bắn 2,3 megajoule năng lượng vào một viên nhiên liệu nhỏ.

Sau nhiều thập kỷ nghiên cứu và hàng trăm triệu USD đầu tư, việc thu được năng lượng ở mức độ đó là nhỏ bé, nhưng quan trọng là họ vừa chứng minh rằng có thể tạo ra năng lượng bằng cách tái tạo phản ứng vật lý cung cấp năng lượng cho Mặt trời và tất cả các ngôi sao trên bầu trời.

Trong hơn 70 năm qua, nhân loại đã theo đuổi giấc mơ biến phản ứng tổng hợp hạt nhân (khi hạt nhân của hai nguyên tử hợp nhất với nhau, ngược lại với phản ứng phân hạch - tức phân tách một hạt nhân thành hai hoặc nhiều hạt nhân) thành nguồn năng lượng được cho là an toàn, sạch và gần như vô tận (vì nhiên liệu chính của nó dễ dàng tìm thấy trong tự nhiên). Nhưng cho đến đêm tháng 12 đó, khi viên đạn nhỏ phát nổ ở trung tâm của một buồng chân không trong phòng thí nghiệm ở California, chưa một ai có thể tạo ra kết quả tích cực, tức là tạo ra nhiều năng lượng hơn mức thực sự được sử dụng để kết hợp các nguyên tử.

“Đó là một bước ngoặt, nó đã mang lại cho thế giới niềm tin rằng điều đó là có thể”, Bruno Van Wonterghem, giám đốc điều hành tại Cơ sở Phản ứng quốc gia (NIF), thuộc Phòng thí nghiệm Lawrence, California, nơi đang thực hiện dự án nhiệt hạch, cho biết.

Tại sảnh của cùng tòa nhà vào một buổi sáng tháng 6 năm ngoái, giữa các bản sao quang học laser, tủ trưng bày các tác phẩm quan trọng như viên nhiên liệu và một vài hiện vật kỷ niệm các kỷ lục của phòng thí nghiệm, ông Van Wonterghem so sánh thành tựu của thí nghiệm sản xuất năng lượng bằng phản ứng nhiệt hạch với phát minh ra máy bay của anh em nhà Wright: "Giống như chúng ta đã đưa máy bay lên khỏi mặt đất, giờ chúng ta phải xem chúng ta có thể bay cao đến đâu, chúng ta có thể bay nhanh đến mức nào... Chúng ta đang di chuyển rất nhanh”.

Sự thật là để đạt được một nhà máy điện khả thi với tia laser, cần phải tăng mức năng lượng thu được từ 50 đến 100 lần so với năng lượng đầu vào. Và không chỉ vậy, nó còn cần phải bắn ít nhất 10 phát mỗi giây (tại NIF, hiện tại có thể bắn một phát sau mỗi 7-8 giờ) và với loại tia laser hiệu quả hơn nhiều (trong khi tia laser tại NIF cần một lượng năng lượng khổng lồ để khởi động toàn bộ cơ chế).

Và ngay từ đầu, cỗ máy trong Phòng thí nghiệm quốc gia Livermore sẽ không bao giờ đạt được điều này vì nó không được chế tạo cho mục đích đó; đây là một cơ sở khoa học thử nghiệm chủ yếu nhằm mục đích nghiên cứu vũ khí hạt nhân. Các phòng thí nghiệm khác sẽ phải tìm ra giải pháp công nghệ cho những thách thức kỹ thuật có vẻ như khoa học viễn tưởng, vì chúng bao gồm việc tạo ra một nhà máy điện tái tạo các quá trình tương tự xảy ra trên Mặt trời ở nhiệt độ hàng triệu độ C và với áp suất tương đương với 100 tỷ bầu khí quyển của Trái đất.

Không ai nghi ngờ rằng cuộc trình diễn của phòng thí nghiệm ở California chính là cốt lõi của những tiến bộ đã hồi sinh cuộc đua bị đình trệ trong nhiều thập kỷ.

Đức đã khởi động một kế hoạch nghiên cứu trị giá 1 tỷ euro (1,11 tỷ USD) đến năm 2028, tích hợp cả các con đường từ tính và quán tính lần đầu tiên. Mục tiêu của họ là có một nhà máy điện nhiệt hạch sẵn sàng vào năm 2040. Vương quốc Anh muốn có nhà máy STEP (tạo năng lượng bằng phản ứng nhiệt hạch) của riêng mình sẵn sàng trong cùng thập kỷ, được xây dựng trên khu vực vốn là một nhà máy nhiệt chạy than cũ ở West Burton. Trong khi đó, Trung Quốc, quốc gia chi khoảng 1,5 tỷ USD/năm cho lĩnh vực này, có kế hoạch xây dựng nguyên mẫu công nghiệp đầu tiên của lò phản ứng nhiệt hạch, được gọi là "mặt trời nhân tạo", vào năm 2035 và bắt đầu sản xuất thương mại quy mô lớn vào năm 2050. Quốc hội Mỹ thì đã phê duyệt khoản đầu tư kỷ lục là 1,48 tỷ USD trong năm nay.

Năm nay, Hiệp hội Công nghiệp Nhiệt hạch Mỹ đã khảo sát hơn 45 công ty (25 trong số đó ở Mỹ), với tổng số tiền tài trợ cho năng lượng nhiệt hạch là 7,1 tỷ USD; vào năm 2020, khi công bố báo cáo đầu tiên, họ đã khảo sát 25 công ty, với 1,9 tỷ USD. Phần lớn số tiền này đến từ các nhà đầu tư tư nhân - bao gồm Jeff Bezos, Bill Gates và các công ty như Google — nhưng đầu tư công cũng đã tăng từ 85 triệu USD lên 426 triệu USD.

"Gần đây chúng tôi đã nhận được một khoản tài trợ đáng kể, 50% từ chính phủ Anh. Chúng tôi cũng hợp tác với Imperial College, Đại học Oxford và Viện Vật lý Plasma York. Đây là chương trình nghiên cứu trị giá khoảng 16 triệu USD trong 5 năm", Nick Hawker, người sáng lập First Light Fusion - công nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch của Anh, giải thích.

Công ty được thành lập vào năm 2011 này đang cố gắng đạt được cùng mục tiêu như Phòng thí nghiệm Livermore, nhưng thay vì sử dụng tia laser, họ sử dụng các đầu đạn được phóng từ một khẩu pháo dài 22 mét mạnh mẽ. Chìa khóa để đạt được hiệu ứng tương tự như tia laser là bộ khuếch đại cho khoang nhiên liệu, "làm tăng áp suất và cũng định hình năng lượng để ngay cả khi chúng ta bắn trúng, chúng ta vẫn có được một vụ nổ hình cầu", ông Hawke giải thích. "Đó là công nghệ chính của chúng tôi", ông nói thêm ngay trước khi đưa khách tham quan phòng thí nghiệm nơi đặt khẩu pháo.

Khi được nạp 3kg thuốc súng, bệ phóng đạn - có biệt danh là Súng thân thiện lớn - phóng đạn với tốc độ 4,4 dặm/giây. Những viên đạn này bắn trúng khoang nhiên liệu bên trong một buồng chân không tương tự như buồng ở Livermore, nhưng nhỏ hơn: buồng ở California có đường kính 10 mét và buồng này có đường kính 1,7 mét.

Ông Hawke cho biết: "Kỹ thuật trong phương pháp tiếp cận của chúng tôi đơn giản hơn rất nhiều, kỹ thuật cần thiết để đưa đến nhà máy điện cũng vậy. Và nó rẻ hơn nhiều".

Thiết kế ban đầu cho một nhà máy thí điểm đã hoàn thành. "Chúng tôi hy vọng đạt được mục tiêu này vào những năm 2030, giống như tất cả các công ty tư nhân khác. Trong các chương trình công, ngay cả những chương trình tham vọng nhất cũng đặt mục tiêu đến những năm 2040. Tôi tin rằng một công ty tư nhân nhỏ, nhanh nhẹn có thể tiến nhanh hơn những tổ chức lớn này”, ông nói thêm.

Để giải thích quan điểm của mình, Hawke đã trích dẫn một dự án nghiên cứu laser quốc tế, khi cần đổi mới cơ sở vật chất, phải ký hợp đồng với các nhà cung cấp mới từ các quốc gia khác nhau vì mỗi bên đều phải chia nhau một miếng bánh, điều này đã làm chậm trễ đáng kể toàn bộ quá trình. Trên thực tế, sự chậm trễ và vượt chi phí của dự án năng lượng nhiệt hạch quốc tế khổng lồ đã thu hút hầu hết sự chú ý của toàn ngành dường như chứng minh ông đúng, ít nhất là một phần.