Cuộc đua sản xuất năng lượng từ Mặt trời và các vì sao đang bùng nổ

Vào lúc 1 giờ sáng ngày 5/12/2022, tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (California, Mỹ), tác động của 192 tia laser cực tím mạnh mẽ lên một viên nang nhỏ có đường kính chỉ 2 milimét đã tạo ra kết quả đáng kinh ngạc. Với việc bắn 2,3 megajoule năng lượng vào viên nhiên liệu nhỏ này, các nhà khoa học đã thu được 3 megajoule năng lượng, và họ vỡ òa trong niềm vui khi chứng kiến kết quả này trên màn hình.

Mặt trời và các vì sao tạo ra năng lượng thông qua phản ứng nhiệt hạch, tức là phản ứng tổng hợp hạt nhân. Ảnh: foronuclear.org

Mặc dù năng lượng thu được là nhỏ so với hàng chục năm nghiên cứu và hàng trăm triệu USD đầu tư, thành công này đã minh chứng cho khả năng tạo ra năng lượng bằng cách tái tạo phản ứng vật lý cung cấp năng lượng cho Mặt trời và các vì sao.

Trong suốt 70 năm qua, nhân loại đã theo đuổi giấc mơ sử dụng phản ứng tổng hợp hạt nhân (quá trình hai hạt nhân nguyên tử hợp nhất với nhau, ngược lại với phản ứng phân hạch) để làm nguồn năng lượng an toàn, sạch và gần như vô tận. Tuy nhiên, cho đến đêm định mệnh tháng 12 năm ngoái, chưa ai có thể chứng minh rằng việc tạo ra nhiều năng lượng hơn mức tiêu hao để kích hoạt phản ứng là khả thi, cho đến khi viên đạn nhỏ bùng nổ trong buồng chân không tại phòng thí nghiệm ở California.

“Đây là bước ngoặt lớn, mang lại niềm tin cho thế giới rằng điều này là khả thi,” Bruno Van Wonterghem, giám đốc điều hành của Cơ sở Phản ứng Quốc gia (NIF) tại Phòng thí nghiệm Lawrence, phát biểu. Ông cho rằng, thành tựu này tương tự như bước đột phá của anh em nhà Wright khi phát minh ra máy bay: "Giống như chúng ta đã đưa máy bay lên khỏi mặt đất, giờ đây chúng ta sẽ xem liệu có thể bay cao đến đâu, bay nhanh thế nào... Chúng ta đang tiến rất nhanh."

Tuy nhiên, để biến tia laser thành công nghệ năng lượng khả thi, cần phải tăng năng lượng thu được từ 50 đến 100 lần so với đầu vào. Không chỉ vậy, nó còn phải có khả năng bắn 10 phát mỗi giây, thay vì một phát mỗi 7-8 giờ như hiện nay tại NIF, đồng thời sử dụng loại laser hiệu quả hơn, vì hiện nay cần một lượng năng lượng khổng lồ để khởi động hệ thống laser.

Hộp kim loại chứa nhiên liệu cho các thí nghiệm tại NIF. Ảnh: El Pais

Thực tế, cỗ máy tại Phòng thí nghiệm Livermore không được thiết kế để trở thành một nhà máy điện mà chỉ là cơ sở khoa học phục vụ nghiên cứu vũ khí hạt nhân. Các phòng thí nghiệm khác phải đối mặt với thách thức kỹ thuật tưởng chừng chỉ có trong khoa học viễn tưởng, như tạo ra một nhà máy điện mô phỏng quá trình của Mặt trời ở nhiệt độ hàng triệu độ C và áp suất tương đương với 100 tỷ bầu khí quyển Trái đất.

Không ai phủ nhận rằng những bước tiến tại Livermore đã đánh thức lại cuộc đua công nghệ nhiệt hạch sau nhiều thập kỷ bị đình trệ.

Đức hiện đang triển khai kế hoạch nghiên cứu trị giá 1 tỷ euro (1,11 tỷ USD) đến năm 2028, với mục tiêu xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch vào năm 2040. Vương quốc Anh dự định hoàn thành nhà máy STEP (Sản xuất năng lượng bằng nhiệt hạch) vào thập kỷ này tại khu vực từng là nhà máy nhiệt điện than ở West Burton. Trung Quốc cũng có kế hoạch xây dựng nguyên mẫu công nghiệp đầu tiên của lò phản ứng nhiệt hạch - "mặt trời nhân tạo" - vào năm 2035 và bắt đầu sản xuất quy mô lớn vào năm 2050. Trong khi đó, Quốc hội Mỹ đã phê duyệt khoản đầu tư kỷ lục 1,48 tỷ USD trong năm nay.

Theo khảo sát của Hiệp hội Công nghiệp Nhiệt hạch Mỹ năm nay, đã có hơn 45 công ty tham gia lĩnh vực này (25 trong số đó ở Mỹ), với tổng số tiền tài trợ lên tới 7,1 tỷ USD, tăng mạnh so với con số 1,9 tỷ USD vào năm 2020. Phần lớn nguồn vốn này đến từ các nhà đầu tư tư nhân như Jeff Bezos, Bill Gates và Google, nhưng nguồn vốn công cũng tăng từ 85 triệu USD lên 426 triệu USD.

Nick Hawker, nhà sáng lập First Light Fusion, cho biết: “Chúng tôi vừa nhận được tài trợ lớn, 50% từ chính phủ Anh, cùng sự hợp tác với các tổ chức như Đại học Oxford và Viện Vật lý Plasma York, trong một chương trình trị giá khoảng 16 triệu USD trong 5 năm.”

First Light Fusion, được thành lập vào năm 2011, đang cố gắng đạt được mục tiêu tương tự như Livermore, nhưng thay vì sử dụng laser, họ dùng đầu đạn phóng từ một khẩu pháo dài 22 mét. Công nghệ của họ giúp khuếch đại năng lượng trong khoang nhiên liệu, “tăng áp suất và định hình năng lượng để tạo ra vụ nổ hình cầu,” Hawker giải thích.

Khẩu pháo, được biệt danh là “Súng thân thiện lớn,” khi nạp 3kg thuốc súng, có thể phóng viên đạn với tốc độ 4,4 dặm/giây, bắn trúng khoang nhiên liệu trong buồng chân không nhỏ hơn buồng ở Livermore (chỉ có đường kính 1,7 mét so với 10 mét).

Hawker nhấn mạnh: “Kỹ thuật của chúng tôi đơn giản hơn nhiều và rẻ hơn. Thiết kế cho nhà máy thí điểm đã hoàn thành, và chúng tôi hy vọng đạt được mục tiêu vào những năm 2030, nhanh hơn các chương trình công đặt mục tiêu đến năm 2040.”

Hawker cũng chỉ trích những dự án nhiệt hạch quốc tế lớn, với sự chậm trễ và vượt chi phí, đã làm giảm tốc độ tiến bộ của cả ngành công nghiệp.