Lò nhiệt hạch Mỹ lần đầu biến plasma thành điện năng

Lần đầu tiên plasma trong lò nhiệt hạch tạo ra điện trực tiếp

Ngày 19/6, tại thành phố Madison, bang Wisconsin (Mỹ), một cột mốc lịch sử trong lĩnh vực năng lượng đã được xác lập: lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm WHAM (Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror) lần đầu tiên chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ plasma thành dòng điện sử dụng được. Hệ thống tạo ra dòng điện cường độ vài ampe ở hiệu điện thế khoảng 100V - đủ để thắp sáng nhiều bóng đèn sợi đốt.

WHAM là thiết bị nghiên cứu nhiệt hạch tiên tiến do Đại học Wisconsin-Madison phát triển và vận hành, phối hợp cùng công ty khởi nghiệp Realta Fusion. Đây được xem là bước đột phá mở đường cho việc thương mại hóa điện nhiệt hạch trong tương lai.

Công nghệ gương từ và cơ chế chuyển đổi năng lượng

Realta Fusion là công ty chuyên phát triển công nghệ sản xuất điện dựa trên cấu trúc gương từ (magnetic mirror). Theo CEO Kieran Furlong, dù ý tưởng chuyển đổi trực tiếp năng lượng plasma thành điện đã được giới khoa học thảo luận suốt nhiều thập kỷ, Realta Fusion là công ty tư nhân đầu tiên chứng minh phương pháp này hoạt động được trên một thiết bị nhiệt hạch đang vận hành thực tế.

Nền tảng lý thuyết của công nghệ này bắt nguồn từ năm 1974, khi nhà vật lý Richard Post mô tả lần đầu cơ chế chuyển đổi năng lượng trực tiếp tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore. Qua nhiều thập kỷ, một số dự án thử nghiệm đáng chú ý đã được triển khai, gồm:

• Bộ chuyển đổi Venetian Blind (thập niên 1970)
• Thí nghiệm Tandem Mirror (thập niên 1980)
• Thiết bị GAMMA 10 tại Nhật Bản (năm 2008)

Cơ chế hoạt động: khai thác phần plasma "thất thoát"

Trong phần lớn các lò phản ứng nhiệt hạch, tồn tại một khu vực gọi là "vùng nón mất mát", nơi các hạt plasma không bị từ trường giam giữ sẽ thoát ra ngoài. Thay vì bỏ phí lượng năng lượng này, công nghệ của Realta Fusion tận dụng chính phần plasma thất thoát đó để sản xuất điện.

Cụ thể, bộ chuyển đổi năng lượng trực tiếp được 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 làm giảm tốc độ của chúng, tạo ra chênh lệch điện thế và sinh ra dòng điện trong mạch ngoài. Phương pháp này khác biệt hoàn toàn so với nhà máy điện truyền thống vốn phải chuyển nhiệt thành hơi nước để quay turbine, nhờ đó hứa hẹn nâng cao đáng kể hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Giới hạn hiện tại và lộ trình phát triển

Giám đốc khoa học Derek Sutherland nhấn mạnh rằng thử nghiệm hiện tại mới chỉ xác nhận tính khả thi về mặt kỹ thuật, chưa phải hệ thống phát điện hoàn chỉnh. WHAM chưa tạo ra sản lượng điện lớn hơn tổng năng lượng tiêu thụ và chưa đạt công suất thương mại. Các thế hệ thiết bị tiếp theo sẽ hướng tới mục tiêu sản lượng cao hơn nhiều.

Realta Fusion đặt mục tiêu triển khai nhà máy điện module đầu tiên vào giữa thập niên 2030. Nhà máy tương lai sẽ áp dụng cấu hình lai, kết hợp hai phương thức:

• Chu kỳ nhiệt truyền thống xử lý 80% tổng năng lượng với hiệu suất khoảng 45%
• Bộ chuyển đổi trực tiếp xử lý 20% năng lượng còn lại với hiệu suất trên 90%

Sự kết hợp này giúp bù đắp năng lượng cần thiết để khởi động và duy trì môi trường plasma, qua đó có thể giảm 10-20% giá thành sản xuất điện.

Tiềm năng và thách thức của nhiệt hạch

Phản ứng nhiệt hạch từ lâu được xem là nguồn năng lượng lý tưởng: sạch, an toàn và gần như vô hạn. Ở cùng khối lượng, nhiệt hạch giải phóng năng lượng gấp 4 triệu lần nhiên liệu hóa thạch và gấp 4 lần phản ứng phân hạch đang dùng trong các lò điện hạt nhân hiện nay. Cơ chế của nó - hợp nhất hai nguyên tử nhẹ để tạo nguyên tử nặng hơn - chính là nguồn năng lượng của Mặt Trời.

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất vẫn là duy trì phản ứng đủ lâu trong khi kiểm soát nhiệt độ và áp suất cực hạn bên trong lò. Plasma siêu nóng được giam giữ bằng từ trường để không tiếp xúc với thành thiết bị - và chính lượng plasma "lọt" qua từ trường này là thứ Realta Fusion đang biến thành tài sản thay vì lãng phí.

Theo VnExpress