MỹCông ty Realta Fusion đang phát triển công nghệ tận dụng plasma trong lò phản ứng nhiệt hạch để tăng lượng điện sản xuất và giảm chi phí.
Theo Interesting Engineering, hôm 19/6, một lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm ở Madison, Wisconsin, Mỹ, lần đầu tiên biến đổi trực tiếp năng lượng plasma thành điện sử dụng được. Thử nghiệm thành công này sử dụng WHAM (Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror), thiết bị nghiên cứu phản ứng nhiệt hạch tiên tiến được phát triển và vận hành bởi Đại học Wisconsin-Madison (Mỹ) phối hợp cùng công ty khởi nghiệp Realta Fusion. Hệ thống phần cứng đã tạo ra dòng điện có cường độ vài ampe ở hiệu điện thế khoảng 100 V, đủ để thắp sáng nhiều bóng đèn sợi đốt.
Realta Fusion, công ty phát triển công nghệ sản xuất điện sử dụng cấu trúc gương từ (magnetic mirror), gọi đây là bước đột phá quan trọng mở đường cho thương mại hóa điện nhiệt hạch. Theo giám đốc điều hành Kieran Furlong, tuy giới khoa học đã thảo luận ý tưởng biến đổi trực tiếp năng lượng từ plasma thành điện trong nhiều thập kỷ, Realta Fusion là công ty tư nhân chứng minh phương pháp này trên thiết bị nhiệt hạch đang vận hành.
Nền tảng khoa học của công nghệ này xuất hiện từ năm 1974 khi nhà vật lý Richard Post lần đầu mô tả cơ chế chuyển đổi năng lượng trực tiếp tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore của Mỹ. Trong nhiều thập kỷ sau đó, các phòng thí nghiệm và trường đại học nhiều lần chế tạo những hệ thống thử nghiệm tương tự. Một số dự án đáng chú ý gồm bộ chuyển đổi Venetian Blind ra đời trong thập niên 1970, thí nghiệm Tandem Mirror vào những năm 1980 và thiết bị GAMMA 10 được thử nghiệm tại Nhật Bản năm 2008.
Thiết kế lò phản ứng cấu hình lai của Realta Fusion có thể bù đắp năng lượng cần thiết để khởi động và duy trì plasma. Ảnh: Realta Fusion
Theo Tech Crunch, cơ chế hoạt động của WHAM dựa trên bộ chuyển đổi năng lượng trực tiếp đặt ở một đầu của thiết bị gương từ. Khi các hạt tích điện trong plasma di chuyển đến khu vực này, bộ chuyển đổi sẽ làm giảm tốc độ của chúng. Quá trình đó tạo ra chênh lệch điện thế, khiến dòng điện chạy qua mạch điện kết nối. Khác với nhà máy điện truyền thống phải chuyển nhiệt thành hơi nước để quay turbine phát điện, phương pháp mới khai thác trực tiếp động năng của các hạt trong plasma, hứa hẹn nâng cao hiệu suất của hệ thống lò.
Derek Sutherland, giám đốc khoa học của Realta Fusion, cho biết thử nghiệm hiện tại chỉ là bước xác nhận tính khả thi về mặt kỹ thuật và chưa phải hệ thống phát điện hoàn chỉnh. WHAM chưa tạo ra lượng điện lớn hơn tổng năng lượng tiêu thụ cũng như chưa đạt công suất thương mại. Ông nhấn mạnh các thế hệ thiết bị tiếp theo sẽ hướng đến mục tiêu tạo ra sản lượng điện lớn hơn nhiều. Realta Fusion đặt mục tiêu triển khai nhà máy điện module đầu tiên vào giữa thập niên 2030.
Theo kế hoạch của công ty, nhà máy nhiệt hạch tương lai sẽ sử dụng cấu hình lai kết hợp chu kỳ nhiệt truyền thống với bộ biến đổi điện. Chu kỳ nhiệt truyền thống (biến đổi nhiệt thành hơi nước quay turbine) sẽ xử lý 80% tổng năng lượng nhiệt hạch với hiệu suất khoảng 45%. 20% năng lượng còn lại sẽ được chuyển trực tiếp thành điện nhờ bộ chuyển đổi với hiệu suất trên 90%. Cách kết hợp như vậy sẽ bù đắp đáng kể lượng điện cần thiết để khởi động và duy trì môi trường plasma cực nóng bên trong lò phản ứng, qua đó giảm 10-20% giá thành sản xuất điện.
Theo IFL Science, từ lâu phản ứng nhiệt hạch được xem như một nguồn năng lượng vô hạn sạch, an toàn và hiệu quả. Ở cùng khối lượng, phản ứng nhiệt hạch giải phóng năng lượng nhiều gấp 4 triệu lần nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, than đá, khí đốt và gấp 4 lần phản ứng phân hạch sử dụng trong các lò phản ứng hiện nay. Trong khi phản ứng phân hạch chia tách nguyên tử để giải phóng năng lượng khổng lồ, phản ứng nhiệt hạch hợp nhất hai nguyên tử nhẹ để hình thành nguyên tử nặng hơn. Đây chính là cơ chế cung cấp năng lượng cho Mặt Trời.
Thiết bị WHAM được chế tạo để chứng minh công nghệ khai thác năng lượng nhiệt hạch sử dụng gương từ. Ảnh: Realta Fusion
Dù phản ứng nhiệt hạch có tiềm năng giải quyết vấn đề năng lượng, giải pháp này rất khó trở thành hiện thực. Một thách thức lớn đối với các nhà khoa học là duy trì phản ứng nhiệt hạch trong thời gian đủ dài cũng như kiểm soát nhiệt độ và áp suất cực hạn mà nó tạo ra. Những lò phản ứng nhiệt hạch thế hệ đầu tiên sử dụng nhiên liệu hydro bao gồm hai đồng vị deuterium và tritium. Quá trình hợp nhất nguyên tử giải phóng hạt neutron năng lượng cao (chiếm 80%) và hạt nhân heli hay hạt alpha (20%). Lớp phủ điều tiết trong lò phản ứng hấp thụ neutron, biến đổi năng lượng của chúng thành nhiệt để quay turbine và sản xuất điện.
Phản ứng hình thành plasma nhiệt độ siêu cao, được kiểm soát bằng bẫy từ tính, đôi khi còn gọi là gương từ. Do plasma có điện tích, các nam châm giữ nó cố định và ngăn tiếp xúc với thành của thùng chứa lò phản ứng. Ở phần lớn lò phản ứng nhiệt hạch, tại khu vực gọi là "vùng nón mất mát", các hạt plasma không bị kìm hãm sẽ thoát ra khỏi từ trường giam giữ. Công nghệ Realta Fusion đang phát triển tận dụng chính lượng plasma thất thoát này để tạo ra điện.
An Khang tổng hợp
