Chỉ vài ngày trước đây, một startup về năng lượng nhiệt hạch, General Fusion đã huy động được hơn 100 triệu USD để xây dựng một nhà máy điện nguyên tử công nghệ mới, sạch hơn và an toàn hơn với con người. Đáng chú ý, trong những nhà đầu tư hậu thuẫn cho startup này, có cả những cái tên lừng lẫy như tỷ phú Jeff Bezos và Microsoft.
Trên thực tế, khai thác năng lượng nhiệt hạch để sản xuất điện là ý tưởng được đề xuất từ hàng chục năm nay, nhưng để đưa điều này trở thành thực tế vẫn còn quá nhiều thách thức. Những thách thức về việc kiểm soát con ngựa bất kham này lớn đến mức có cả một siêu dự án hợp tác nghiên cứu trên toàn cầu như ITER, với việc xây dựng các phòng thí nghiệm hàng chục tỷ USD phục vụ cho nghiên cứu loại năng lượng này.
Vậy công nghệ của General Fusion có gì đặc biệt đến mức các tỷ phú, những bộ óc có tầm nhìn xa nhất thế giới như Jeff Bezos hay Microsoft cũng đầu tư vào startup năng lượng này, cũng như mới huy động thêm nguồn vốn để xây dựng cả một nhà máy điện nguyên tử kiểu mới – cho dù con số 100 triệu USD này quá nhỏ bé so với kinh phí 22 tỷ USD để xây dựng lò phản ứng điện nhiệt hạch ITER tại Pháp.
Dù cùng có chung mục đích cuối cùng là tạo ra phản ứng tổng hợp các hạt nhân Hydro thành hạt nhân Helium và giải phóng năng lượng, nhưng cả ITER và General Fusion đi theo hai hướng công nghệ hoàn toàn trái ngược nhau.
Để tạo ra nhiệt độ cao tới hàng triệu độ cho phản ứng nhiệt hạch, lò phản ứng ITER sử dụng bức tường bằng nam châm siêu dẫn với từ trường cực mạnh, đủ sức nén chặt khối plasma Hydro đến mức có thể thực hiện phản ứng nhiệt hạch trên. Tuy nhiên, đó mới chỉ là lý thuyết, còn hiện tại lò phản ứng của ITER vẫn đang trong quá trình xây dựng, trong khi lò phản ứng HL-2M của Trung Quốc cũng phải năm sau mới bắt đầu đi vào vận hành. Phải đến lúc đó chúng ta mới biết tính khả thi của phương pháp này.
Dòng plasma được nén và giữ bằng từ trường trong lò phản ứng tokamak.
Cách tiếp cận của General Fusion lại khác hẳn
Không dựa trên thiết kế lò phản ứng Tokamak, lò phản ứng của General Fusion sẽ là một quả cầu bằng kim loại với đường kính 3m chứa đầy hỗn hợp kim loại lỏng Lithium và Chì. Khối chất lỏng này sẽ được khuấy tròn liên tục và tạo nên một khoảng trống hình trụ ở chính giữa khối cầu đó – điều này giống như ta cầm đũa khuấy trong cốc nước vậy.
Ở phía trên đỉnh của khối cầu này là máy bơm plasma, sẽ bơm các đồng vị Hydro đã được ion hóa vào khoảng trống hình trụ được tạo ra ở trên.
Bên ngoài khối cầu này là các piston hơi, được lập trình để nén cùng lúc với nhau, đẩy khối kim loại lỏng lấp đầy khoảng trống hình trụ ở giữa và làm sụp đổ xoáy nước đó. Điều này đồng thời cũng tạo lực nén lên khối plasma ở trung tâm. Áp lực làm gia tăng nhiệt độ của khối plasma tới điểm xảy ra phản ứng nhiệt hạch, giải phóng năng lượng dưới dạng các neutron nhanh.
Thời điểm phun plasma vào trong khối cầu và việc nén các piston phải được đồng bộ với nhau.
Năng lượng này sẽ làm hấp thụ bởi khối kim loại lỏng và sau đó nó được bơm qua một bộ trao đổi nhiệt nhằm sản xuất điện thông qua một turbin hơi.
Một phần hơi nước này sẽ được đưa trở lại vào các piston khí ở trên để tiếp tục vận hành ở chu kỳ tiếp theo. Việc bơm kim loại lỏng vào khối cầu, hình thành nên plasma và quá trình nén tiếp tục được lặp lại.
Về cơ bản, thiết kế lò phản ứng nhiệt hạch của General Fusion giống như một động cơ đốt trong, đang dùng trên đại đa số các phương tiện hiện nay. Chúng cũng có các chu kì hoạt động tuần hoàn tương tự như nạp, nén, nổ và xả. Nhưng năng lượng sinh ra thay vì được khai thác dưới dạng chuyển động, chúng được dùng để sản xuất điện.
Khối cầu tròn với các piston nén bao quanh.
Trong khi đó, nhà máy ITER tại Pháp hay dự án HL-2M của Trung Quốc có tham vọng tái tạo lại những gì đang diễn ra trong lòng các ngôi sao, khi nén khối plasma các đồng vị Hydro lại tới nhiệt độ và áp suất để chúng có thể thực hiện một phản ứng nhiệt hạch dây chuyền và tự duy trì sau đó.
General Fusion hứa hẹn rằng, thiết kế của họ có thể tạo ra "năng lượng ròng" – với năng lượng nhiệt hạch tạo ra sẽ lớn hơn năng lượng sử dụng để kích hoạt nó. Mặc dù công suất lò phản ứng theo thiết kế của General Fusion có thể thấp hơn thiết kế tokamak của ITER, nhưng nếu nó thật sự có thặng dư năng lượng, giấc mơ về nguồn điện sạch và hiệu quả vẫn có thể trở thành hiện thực.
Ý tưởng không mới
Trên thực tế, ý tưởng của General Fusion không hoàn toàn mới. Nó từng được nghiên cứu và thử nghiệm bởi Phòng thí nghiệm Hải quân Mỹ vào những năm 1980 dựa trên một thiết bị concept có tên Linus. Cũng dùng Lithium lỏng, gần giống như hỗn hợp của General Fusion, và có quy trình hoạt động gần như tương tự, nhưng cuối cùng các giới hạn về công nghệ điều khiển đồng bộ vào thời điểm đó đã ngăn cản ý tưởng này trở nên khả thi.
Lò phản ứng nhiệt hạch của General Fusion với vòi bơm plasma được bao quanh bởi nam châm siêu dẫn.
Phải đến hơn 10 năm trước, ý tưởng về một động cơ nhiệt hạch đốt trong mới được General Fusion hồi sinh và phát triển cho đến tận hiện nay, khi công nghệ điều khiển đồng bộ trở nên tiến bộ và trưởng thành hơn.
Sự trưởng thành của công nghệ điều khiển hiện đại cùng cơ chế vận hành dựa trên các kỹ thuật cơ khí chi phí thấp, General Fusion cho biết lò phản ứng theo thiết kế của mình sẽ có chi phí thấp hơn, dễ dàng triển khai hơn. Chính vì vậy, cùng với số tiền mới huy động được General Fusion hứa hẹn sẽ hoàn thành nhà máy thử nghiệm trong 5 năm tới để chứng minh tính khả thi và thương mại hóa đối với năng lượng nhiệt hạch, ngắn hơn nhiều so với ITER.
General Fusion hứa hẹn rằng, thiết kế của họ có thể tạo ra "năng lượng ròng" – với năng lượng nhiệt hạch tạo ra sẽ lớn hơn năng lượng sử dụng để kích hoạt nó. Ngoài ra một ưu điểm khác của nó là sử dụng các công nghệ kỹ thuật thấp như động cơ hơi nước, kết hợp với các tiến bộ của công nghệ điều khiển để vận hành.