Khi nào năng lượng nhiệt hạch sẽ xuất hiện?

Số tiền khổng lồ đầu tư cho công nghệ nhiệt hạch

Trong hơn nửa thập kỷ qua, nghiên cứu nhiệt hạch đã có những bước tiến vượt bậc. Đáng chú ý, các nhà khoa học đã liên tục phá kỷ lục về thời gian duy trì plasma siêu nóng và cải thiện sức mạnh cũng như hiệu quả của nam châm từ trường. Nhờ đó, năng lượng tạo ra từ các thí nghiệm nhiệt hạch không ngừng tăng lên, tiến gần đến điểm hòa vốn - ngưỡng mà lò phản ứng tạo ra nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ.

Được thúc đẩy bởi những kết quả đầy hứa hẹn, các nhà đầu tư đang rót vốn mạnh vào công nghệ nhiệt hạch. Theo PitchBook, các công ty khởi nghiệp trong lĩnh vực này đã huy động được 2,7 tỷ đô la chỉ riêng năm 2021, báo hiệu kỷ nguyên của năng lượng nhiệt hạch có thể sắp đến.

Breakthrough Energy, do Bill Gates khởi xướng, là một trong số ít nhà đầu tư lớn vào năng lượng nhiệt hạch. Họ đã tham gia vòng Series B trị giá 1,8 tỷ đô la cho Commonwealth Fusion Systems năm 2021, khoản đầu tư thứ ba của họ vào công ty này (trong đó Bill Gates cũng tham gia). 

Ngoài ra, Chevron và Google đã dẫn đầu vòng Series G trị giá 250 triệu đô la cho TAE Technologies vào tháng 7/2022, và Helion Energy đã huy động được 500 triệu đô la vào năm ngoái, do Sam Altman dẫn đầu. Zap Energy cũng đã hoàn tất vòng gọi vốn trị giá 160 triệu đô la vào đầu năm nay.

Đầu tư lớn vào công nghệ nhiệt hạch đầy rủi ro, vì thành công không được đảm bảo. Tuy nhiên, ba tiến bộ gần đây đang thúc đẩy hy vọng, và sự hứng thú này có thể được giải thích bằng các nguyên tắc từ sinh học tiến hóa.

Dự án Lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER): Hành trình tìm kiếm năng lượng nhiệt hạch đầy gian nan 

Lý thuyết về phản ứng tổng hợp hạt nhân đã có từ hơn một thế kỷ trước, và nghiên cứu chuyên sâu về lò phản ứng nhiệt hạch bắt đầu từ giữa những năm 1950 ở Liên Xô. Tuy nhiên, tiến triển còn chậm chạp, trái ngược với sự phát triển nhanh chóng của phản ứng phân hạch, từ một khám phá khoa học trở thành vũ khí và nguồn điện.

Nghiên cứu chỉ ra rằng tokamak lớn hơn có thể giảm bớt các rào cản của phản ứng tổng hợp hạt nhân, cho phép đạt công suất đầu ra cao hơn với từ trường yếu hơn, từ đó thúc đẩy xu hướng thí nghiệm quy mô lớn và tốn kém.

Thập niên 1980: Khởi nguồn từ thiện chí chính trị

- Năm 1982: Dự án Joint European Torus (JET) khởi công, đánh dấu một trong những thí nghiệm tổng hợp hạt nhân quy mô lớn đầu tiên, mở đường cho những nghiên cứu sâu rộng hơn.

- Thập niên 1980 (giữa Chiến tranh Lạnh): Ý tưởng về Dự án Lò phản ứng thử nghiệm nhiệt hạch quốc tế (ITER) được hình thành như một biểu tượng của sự hợp tác quốc tế. Tổng thống Mỹ Ronald Reagan và Tổng Bí thư Liên Xô Mikhail Gorbachev đã nhất trí đẩy mạnh dự án, xem đây là một cách để hai cường quốc hàn gắn quan hệ và cùng hướng tới một mục tiêu khoa học chung.

Thập niên 1990-đầu những năm 2000: Giai đoạn thiết kế và tranh cãi địa điểm

- Hơn 15 năm sau khi ý tưởng hình thành: Các kỹ sư và nhà khoa học đã dành hơn 15 năm để hoàn thiện bản thiết kế phức tạp của ITER, một công việc đòi hỏi sự tỉ mỉ và đồng thuận cao từ các quốc gia tham gia.

-  4 năm tiếp theo: Sau khi thiết kế hoàn tất, các quốc gia thành viên lại mất thêm 4 năm để thống nhất về địa điểm xây dựng. Đây là một cuộc tranh luận căng thẳng về lợi ích kinh tế, chính trị và khoa học giữa các bên.

- Năm 2007: Khởi công tại Pháp

Liên minh ITER, bao gồm sáu quốc gia và Liên minh châu Âu, chính thức khởi công xây dựng siêu dự án này tại miền Nam nước Pháp. Sự kiện này đánh dấu một cột mốc quan trọng, chuyển dự án từ giai đoạn ý tưởng và thiết kế sang thực tế thi công.

- Năm 2019: Công trình dần định hình, nhưng còn cả chặng đường dài

Mặc dù đã khởi công được hơn một thập kỷ, khi các nhà báo và chuyên gia đến thăm công trường, họ nhận thấy công trình đồ sộ này mới chỉ bắt đầu giống với bản vẽ thiết kế. Việc các kỹ sư miệt mài quấn hàng dặm dây niobi để tạo ra những nam châm khổng lồ, cùng với việc lò tokamak vẫn còn dở dang, cho thấy ITER vẫn còn "cả một chặng đường dài phía trước".

 Vào thời điểm đó, các chuyên gia ước tính ITER vẫn còn khoảng một thập kỷ nữa mới đạt đến "plasma đầu tiên" - thuật ngữ chỉ thời điểm lò phản ứng nhiệt hạch bắt đầu được khởi động để tạo ra plasma nóng.

- Từ năm 2019 đến nay: Tiếp tục thách thức về thời gian và chi phí

Dự án ITER đã tiêu tốn ít nhất 22 tỷ đô la và con số này được dự báo sẽ còn tăng lên. Sự chậm trễ liên tục đã đặt ra câu hỏi lớn về khả năng ITER có thể tạo ra đột phá trong vấn đề biến đổi khí hậu trước khi quá muộn. Nhiều nhà quan sát đã bày tỏ sự hoài nghi, cho rằng dự án này có thể là một "sự điên rồ" về mặt đầu tư và thời gian.

Mặc dù ITER vẫn đang đối mặt với nhiều thách thức, hành trình của nó cũng đã góp phần thúc đẩy nghiên cứu nhiệt hạch toàn cầu, tạo tiền đề cho những tiến bộ công nghệ đáng kể trong lĩnh vực năng lượng sạch này.

Những bước nhảy vọt của năng lượng nhiệt hạch khi kết hợp với tiến bộ công nghệ

Những tiến bộ công nghệ đã thúc đẩy mạnh mẽ nghiên cứu tổng hợp hạt nhân, tạo ra bước đột phá và tăng tốc đáng kể các phương pháp tiếp cận vốn trì trệ trong hơn nửa thập kỷ. Đặc biệt, sự kết hợp giữa nam châm khổng lồ, lò tokamak và công nghệ "plasma đầu tiên" vào đầu những năm 2010 đã tạo nên một làn sóng đổi mới trong lĩnh vực này.

Lò phản ứng thử nghiệm Wendelstein 7-X ở Đức là một minh chứng rõ ràng cho việc chất bán dẫn tiên tiến đã thúc đẩy nghiên cứu nhiệt hạch như thế nào. Nhưng chính sự kết hợp với học máy mới tạo nên bước nhảy vọt thực sự.

Trong những năm gần đây, sự gia tăng chóng mặt về sức mạnh tính toán đã châm ngòi cho sự trở lại mạnh mẽ của học máy và ngành nhiệt hạch đã nhanh chóng nắm bắt cơ hội này. Theo lời Michl Binderbauer, CEO của TAE Technologies, khi TAE chế tạo một cỗ máy mới, việc tối ưu hóa thiết lập từng mất đến hai tháng và khoảng 1.000 lần thử nghiệm. Tuy nhiên, sau khi áp dụng học máy, thời gian này đã giảm xuống chỉ còn 3-4 tuần.

^{TAE Technologies là một công ty hoạt động với sứ mệnh tiên phong trong việc phát triển các giải pháp khoa học và kỹ thuật độc quyền. Được thành lập năm 1998 với mục tiêu phát triển năng lượng nhiệt hạch thương mại, đại diện cho giải pháp cạnh tranh nhất về mặt kinh tế để mang lại nguồn năng lượng sạch dồi dào cho lưới điện.} 

Ấn tượng trước tiến bộ này, TAE đã bắt tay hợp tác với Google vào năm 2014. Và đem đến kết quả thật ngoạn mục. Học máy đã biến một quá trình chậm chạp, tốn kém thành một quy trình nhanh chóng và hiệu quả, đẩy nhanh tốc độ nghiên cứu lên một tầm cao mới.

Bước nhảy vọt công nghệ tiếp theo nằm ở khả năng sản xuất hàng loạt vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS). Trong các thiết kế lò tokamak và các lò phản ứng dựa trên từ trường khác, siêu dẫn đóng vai trò then chốt trong việc tạo ra từ trường cực mạnh để khống chế plasma. HTS không chỉ cho phép tạo ra từ trường mạnh hơn mà còn tiêu thụ ít năng lượng hơn đáng kể, đưa mục tiêu "điểm hòa vốn" (breakeven point – khi lò phản ứng tạo ra nhiều năng lượng hơn mức tiêu thụ) đến gần hơn bao giờ hết.

Mặc dù những vật liệu HTS đầu tiên được phát hiện từ những năm 1980, nhưng chúng rất giòn và khó gia công. Đó là lý do tại sao thiết kế của ITER, được xác lập vào năm 2001, vẫn phải dựa vào các chất siêu dẫn nhiệt độ thấp, đòi hỏi phải làm lạnh cực sâu đến âm 269 độ C bằng heli lỏng. Phải đến những năm 2010, các công ty mới có thể sản xuất nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao một cách đáng tin cậy với chiều dài đủ để sử dụng cho lò phản ứng nhiệt hạch.

Sự kết hợp của các tiến bộ về tốc độ tính toán, học máy và nam châm HTS  đã thay đổi hoàn toàn cục diện của ngành nhiệt hạch. Sau nhiều thập kỷ trì trệ, 10 năm qua là một giai đoạn phát triển bùng nổ, đánh dấu sự trỗi dậy của các công ty khởi nghiệp nhiệt hạch đã tồn tại lâu năm và sự xuất hiện của những tên tuổi mới, khám phá các ngách thị trường chưa từng được khai thác.

Trong nhiều thập kỷ, giấc mơ về năng lượng nhiệt hạch sạch, gần như vô tận đã nằm trong tầm tay, nhưng luôn vấp phải những rào cản công nghệ. Giờ đây, nhờ vào sự hội tụ của ba tiến bộ đột phá: tốc độ tính toán vượt trội, sự bùng nổ của học máy và khả năng sản xuất vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) hàng loạt - ngành năng lượng nhiệt hạch đang trải qua một giai đoạn "tiến hóa nhanh chóng", hứa hẹn mở ra kỷ nguyên mới của năng lượng bền vững.

10-15 năm nữa vẫn còn là một chặng đường dài, nhưng với hứa hẹn đầy triển vọng, năng lượng nhiệt hạch vẫn khiến các nhà đầu tư và cả cộng đồng kỳ vọng vào tương lai xanh, sạch hơn.

Link nội dung: https://congdankhuyenhoc.vn/khi-nao-nang-luong-nhiet-hach-se-xuat-hien-17925113010411686.htm