Nhà máy điện nhiệt hạch ở Virginia, thêm một bước tiến trong lĩnh vực tổng hợp hạt nhân

Công ty Commonwealth Fusion Systems (CFS), vừa cho biết sẽ xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch đầu tiên trên thế giới tại quận Chesterfield ở Virginia, Hoa Kỳ. Nhà máy điện nhiệt hạch ARC, viết tắt của “Affordable, Robust, Compact” (giá phải chăng, mạnh mẽ, nhỏ gọn), đặt mục tiêu đi vào hoạt động đầu những năm 2030, lò phản ứng sẽ sản xuất khoảng 400 megawatt điện.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân (còn gọi là phản ứng nhiệt hạch), là quá trình các hạt nhân nguyên tử hợp nhất, giải phóng năng lượng, tương tự đặc điểm tự nhiên của plasma Mặt trời. Để mô phỏng quá trình này trên Trái đất, nhiên liệu (thường là các đồng vị của hydro) được đốt cháy bên trong cỗ máy, gọi là tokamak. Lò tokamak tạo ra từ trường để kiểm soát plasma siêu nóng thu được.

Không giống như phản ứng phân hạch hạt nhân ở các nhà máy điện hạt nhân hiện nay, trong đó, các nguyên tử phân tách, tạo ra năng lượng, đồng thời cũng tạo ra chất thải phóng xạ. Phản ứng nhiệt hạch sử dụng các đồng vị hydro (như tritium và deuterium), tạo ra heli như một sản phẩm phụ vô hại, năng lượng được sản xuất mà không có chất thải phóng xạ như phản ứng phân hạch hạt nhân.

CFS đang phát triển máy trình diễn phản ứng tổng hợp, SPARC, tại trụ sở chính ở Massachusetts. SPARC dự kiến ​​sẽ sản xuất plasma đầu tiên vào năm 2026 và năng lượng nhiệt hạch ròng ngay sau đó. Lò phản ứng SPARC sẽ đặc biệt nhỏ gọn, tiết kiệm, sử dụng hệ thống nam châm siêu dẫn hoàn toàn mới do CFS thiết kế, để giữ plasma siêu nóng trong một cỗ máy, gọi là tokamak.

Mục tiêu lò SPARC là đạt được quá trình đốt cháy ổn định, mở đường cho nhà máy ARC ở Virginia sản xuất điện liên tục như một nhà máy điện thông thường. Nếu thành công, lò phản ứng này có thể cung cấp điện cho 150.000 ngôi nhà mà không có nhược điểm về môi trường như nhiên liệu hóa thạch.

Mặc dù phản ứng nhiệt hạch ưu việt hơn phản ứng phân hạch, nhưng không hẳn là không có rủi ro. Các neutron năng lượng cao được giải phóng trong quá trình tổng hợp hạt nhân có thể làm suy giảm vật liệu của lò phản ứng, khiến việc bảo trì là mối quan tâm thường xuyên. Nhiên liệu tritium, có tính phóng xạ nhẹ, cần được xử lý cẩn thận để tránh rò rỉ.

Một thách thức khác, chỉ mới được “chinh phục” gần đây, là việc duy trì plasma. Tháng 2/2024, Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) thực hiện quá trình đốt plasma liên tục kéo dài 48 giây, dài nhất cho đến nay. Lò phản ứng nhiệt hạch sử dụng từ trường hoặc tia laser để ổn định phản ứng, duy trì plasma. Bất kỳ sự gián đoạn nào trong quá trình này, như mất điện hoặc hỏng hóc cơ học, sẽ khiến plasma nguội đi gần như ngay lập tức - tính bằng mili giây - do đó làm phản ứng dừng lại.

Nhiệt hạch là loại công nghệ được nghiên cứu từ giữa thế kỷ 20. Năng lượng nhiệt hạch là giải pháp năng lượng gần như hoàn hảo. Nó dồi dào, sạch và bền vững, đồng thời mức độ rủi ro thấp hơn nhiều so với chất thải phóng xạ tạo ra trong các nhà máy dựa vào phản ứng phân hạch hạt nhân.

Nhưng việc xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch rất khó khăn: vật liệu trong lò phản ứng nhiệt hạch phải chịu được nhiệt độ lên tới hàng triệu độ C; chi phí xây dựng rất tốn kém, lên đến hàng tỉ đô la. Mặc dù có nhiều thách thức cần phải vượt qua, nhưng nếu CFS có thể thực hiện được dự án của mình, năng lượng sạch vô hạn có thể bước ra khỏi khoa học viễn tưởng, trở thành hiện thực. Chỉ riêng việc hoàn thiện lò SPARC, điều đó đã là một kỳ tích.