Tương lai nhà máy điện nhiệt hạch ra sao nếu không có công nghệ này?

Từ lâu, phản ứng tổng hợp hạt nhân (nhiệt hạch) hứa hẹn cung cấp nguồn năng lượng gần như vô tận cho Trái Đất, giống như cách Mặt Trời tự tạo ra nhiệt và phát sáng. Hiện tại, thách thức lớn nhất là làm sao để các nhà máy nhiệt hạch sản xuất nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ. Khó khăn tiếp theo là đảm bảo có đủ nhiên liệu để quá trình này duy trì liên tục.

Nhiều lò phản ứng nhiệt hạch sử dụng hỗn hợp deuterium và tritium, hai đồng vị của hydro (Deuterium có một neutron trong nguyên tử, còn tritium lại có hai, khác với hydro thông thường không có neutron). Trong khi deuterium có thể dễ dàng tìm thấy trong nước biển, tritium lại rất hiếm và phải được sản xuất nhân tạo. 

Kyle Schiller, Giám đốc điều hành của Marathon Fusion, chia sẻ với trang tin tức TechCrunch: “Hiện tại, thế giới chỉ có khoảng 20kg tritium, trong khi một nhà máy điện nhiệt hạch quy mô lớn cần vài kg để vận hành hiệu quả. Điều đó có nghĩa là tritium tự nhiên sẽ chỉ đủ cho vài chục nhà máy. Nhưng, startup của chúng tôi vẫn đang liên tục tìm phương án để giải quyết vấn đề này.”

Hiện tại, tritium chủ yếu được sản xuất từ sản phẩm phụ thải ra của một số nhà máy hạt nhân cũ, sử dụng công nghệ phân hạch từ giữa thế kỷ 20. Nếu các nhà khoa học thành công trong việc phát triển năng lượng nhiệt hạch, các nhà máy đầu tiên sẽ phải sử dụng nguồn tritium này. Và, để các lò phản ứng tương lai hoạt động hiệu quả, chúng sẽ cần dựa vào các nhà máy nhiệt hạch này, để sản xuất ra nguồn nhiên liệu bổ sung.

Adam Rutkowski, CTO của Marathon, giải thích: “Triển khai thiết bị nhiệt hạch là một quá trình phức tạp. Bạn không chỉ cần sản xuất đủ tritium để duy trì hoạt động ổn định của lò phản ứng, mà còn phải tạo ra lượng tritium dư thừa để khởi động lò phản ứng tiếp theo.”

Quá trình sản sinh tritium bắt đầu khi các neutron giải phóng từ phản ứng tổng hợp hạt nhân va chạm vào một lớp lithium. Va chạm này tạo ra helium và tritium. Những sản phẩm này sau đó được thu thập từ lõi lò phản ứng. Một phần tritium sẽ được bơm trở lại lò phản ứng để duy trì hoạt động, trong khi phần còn lại được lưu trữ để sử dụng cho các cơ sở khác.

Hiện tại, các thiết bị đã được trang bị sẵn sàng cho nhiệm vụ này, nhưng chúng chỉ phù hợp với mục đích thử nghiệm. Mặc dù hoạt động hiệu quả trong môi trường thử nghiệm với thời gian ngắn, chúng lại chưa đạt đủ công suất cần thiết cho một nhà máy điện thương mại. Schiller cho biết để đạt được mục tiêu này, các hệ thống lọc cần được nâng cấp một cách đáng kể.

Marathon thể hiện sự quyết tâm sẽ làm nên điều khác biệt, bằng ý tưởng nâng cấp công nghệ siêu thấm, đã 40 năm tuổi, bằng cách sử dụng kim loại rắn để lọc tạp chất khỏi hydro. Họ tin rằng cải tiến công nghệ này sẽ mở ra những cơ hội mới cho ngành năng lượng.

Quy trình hoạt động như sau: Đầu tiên, hydro và các tạp chất được chuyển hóa thành plasma, mặc dù không nóng như trong lò phản ứng. Sử dụng áp suất khí thải từ lò phản ứng, plasma bị ép lên một màng kim loại, cho phép hydro (bao gồm cả tritium) đi qua trong khi chặn lại các tạp chất khác. Đồng thời, màng này cũng nén hydro ở phía bên kia, tạo ra hiệu quả nhân đôi.

Rutkowski chia sẻ: “Mục tiêu chính là đạt được tốc độ xử lý tối đa càng nhanh càng tốt.”

Rutkowski và Schiller đã nghiên cứu vấn đề này trong vài năm và nhận được sự hỗ trợ ban đầu từ chương trình ARPA-E của Bộ Năng lượng và chương trình Nghiên cứu sinh Năng lượng Đột phá. Gần đây, Marathon đã thành công huy động được 5,9 triệu USD trong vòng hạt giống, được tiến hành bởi Quỹ 1517 và Anglo American, với sự tham gia của Übermorgen Ventures, Shared Future Fund và Malcolm Handley. 

Marathon cho biết, họ đã nhận được thư bày tỏ ý định (letter of intent) từ cả Commonwealth Fusion Systems và Helion Energy, hai startup nổi bật trong lĩnh vực năng lượng nhiệt hạch. Commonwealth Fusion Systems đã huy động được 2 tỷ USD, trong khi Helion Energy đã thu về 607 triệu USD.

Thương mại hoá năng lượng nhiệt hạch còn cần đến rất nhiều năm, trong trường hợp điều này có thể thành hiện thực, đầu tư vào Marathon có thể là một bước đi còn quá sớm. Hiện tại, mới chỉ có một thí nghiệm nhiệt hạch duy nhất đạt được mức hòa vốn theo tiêu chuẩn khoa học, giúp giảm chi phí chung của cơ sở, điều mà một nhà máy điện thương mại chưa thể thực hiện được.

Schiller không đồng tình với ý kiến cho rằng, công ty của ông đang đi quá xa so với xu thế. Ông cho biết: “Trong hơn một thập kỷ qua, chúng tôi thật sự ngạc nhiên trước tốc độ phát triển của công nghệ này.” Ông nhấn mạnh: “Nếu một ngày chúng tôi đạt được điểm hòa vốn, tôi ước mình đã bắt đầu sớm hơn.”