Công nghệ chuyển đổi năng lượng plasma thành điện trực tiếp

Tại Madison, Wisconsin, Hoa Kỳ, một thiết bị phản ứng nhiệt hạch vừa ghi nhận một thành tựu đáng kể. Vào ngày 19/6, lần đầu tiên các nhà khoa học đã chứng minh khả năng chuyển đổi trực tiếp năng lượng plasma thành điện một cách hiệu quả. Sự kiện này được thực hiện trên WHAM (Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror), một thiết bị nghiên cứu tiên tiến được Đại học Wisconsin-Madison cùng công ty khởi nghiệp Realta Fusion phát triển và quản lý. Hệ thống này đã tạo ra dòng điện với cường độ vài ampe ở mức hiệu điện thế khoảng 100 volt, đủ sáng sáng nhiều bóng đèn sợi tổng hợp.

Realta Fusion, một công ty chuyên phát triển công nghệ sản xuất điện dựa trên cấu trúc gương từ, coi thành tựu này là một bước đột phá quan trọng. Nó mở ra những khả năng mới cho việc thương mại hóa điện năng từ phản ứng nhiệt hạch. Theo lời của người điều hành công ty Kieran Furlong, mặc dù các nhà khoa học đã thảo luận về khả năng chuyển đổi năng lượng trực tiếp từ plasma thành điện trong suốt nhiều thập kỷ qua, Realta Fusion là tổ chức tư nhân đầu tiên thực sự chứng minh được tính khả thi của phương pháp này trên một thiết bị nhiệt hạch đang hoạt động bình thường.

Gốc rễ lý thuyết của công nghệ này có nguồn gốc từ năm 1974, khi nhà vật lý Richard Post lần đầu tiên mô tả chi tiết cơ chế chuyển đổi năng lượng trực tiếp tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore của Mỹ. Sau hơn bốn mươi năm, rất nhiều phòng thí nghiệm và cơ sở giáo dục đã thực hiện xây dựng các hệ thống thử nghiệm tương tự. Những dự án đáng lưu ý bao gồm bộ biến đổi Venetian Blind được phát triển trong những năm 1970, thí nghiệm Tandem Mirror tiến hành vào thập niên 1980 và thiết bị GAMMA 10 được kiểm nghiệm tại Nhật Bản trong năm 2008.

Theo các tài liệu kỹ thuật, nguyên tắc hoạt động của WHAM dựa trên một bộ biến đổi năng lượng trực tiếp được lắp đặt ở một vị trí đầu của thiết bị gương từ. Khi các hạt mang điện tích di chuyển từ plasma tiến vào khu vực này, bộ biến đổi sẽ làm chậm tốc độ chuyển động của chúng. Sự chậm lại này tạo nên một chênh lệch điện thế, khiến cho dòng điện bắt đầu chảy thông qua mạch điện bên ngoài. Điều này khác biệt hoàn toàn so với các nhà máy điện thông thường, nơi mà nhiệt được chuyển thành hơi nước để quay các turbine và phát điện. Phương pháp mới này khai thác trực tiếp động năng của các hạt trong plasma, mang lại triển vọng tăng cường hiệu suất của lò phản ứng.

Tuy nhiên, Derek Sutherland, người giữ chức vụ giám đốc khoa học tại Realta Fusion, đã chỉ ra rằng thử nghiệm hiện tại chỉ mới xác nhận tính khả thi về kỹ thuật mà thôi. Nó vẫn chưa phải là một hệ thống phát điện toàn chức năng hoàn thiện. WHAM hiện vẫn chưa tạo ra sản lượng điện vượt quá tổng năng lượng mà nó tiêu thụ, đồng thời cũng chưa đạt mức công suất cần thiết cho ứng dụng thương mại. Ông Sutherland khẳng định rằng các thế hệ thiết bị tiếp theo sẽ hướng tới việc tạo ra sản lượng điện lớn hơn đáng kể. Realta Fusion dự định triển khai nhà máy điện module đầu tiên vào khoảng giữa thập niên 2030.

Theo kế hoạch dài hạn của công ty, các nhà máy nhiệt hạch trong tương lai sẽ áp dụng một cấu hình lai ghép kết hợp chu kỳ nhiệt thông thường với bộ chuyển đổi năng lượng trực tiếp. Theo thiết kế này, chu kỳ nhiệt truyền thống (quá trình biến đổi nhiệt thành hơi nước để quay turbine) sẽ xử lý 80% tổng năng lượng phát sinh từ phản ứng nhiệt hạch, với hiệu suất khoảng 45%. Phần năng lượng còn lại chiếm 20% sẽ được biến đổi trực tiếp thành điện nhờ bộ chuyển đổi, đạt hiệu suất vượt 90%. Sự kết hợp này sẽ bù đắp một phần đáng kể lượng điện cần để khởi động ban đầu cũng như duy trì môi trường plasma với nhiệt độ siêu cao bên trong lò, từ đó có thể giảm 10-20% chi phí sản xuất điện năng.

Từ lâu, phản ứng nhiệt hạch đã được nhìn nhận như một nguồn năng lượng tiềm năng rất lớn, sạch sẽ, an toàn và có hiệu suất cao. Khi so sánh với khối lượng bằng nhau, năng lượng giải phóng từ phản ứng nhiệt hạch gấp hơn bốn triệu lần so với các nhiên liệu hóa thạch truyền thống như dầu mỏ, than chủ yếu và khí thiên nhiên, và gấp gần bốn lần so với phản ứng phân hạch được sử dụng trong các lò phản ứng hiện đại. Trong khi quá trình phân hạch chia tách các hạt nhân nguyên tử để giải phóng năng lượng khổng lồ, quá trình nhiệt hạch lại hợp nhất hai nguyên tử nhẹ để tạo thành một nguyên tử nặng hơn. Đây chính là cơ chế mà Mặt Trời sử dụng để cung cấp năng lượng.

Tuy rằng phản ứng nhiệt hạch có tiềm năng giải quyết các thách thức năng lượng toàn cầu, nhưng biến nó thành hiện thực gặp phải những khó khăn lớn lao. Một trong những thách thức chính mà các nhà khoa học phải đối mặt là làm sao duy trì phản ứng nhiệt hạch trong một khoảng thời gian đủ dài, đồng thời kiểm soát được những nhiệt độ và áp suất cực cao mà nó sinh ra. Các lò phản ứng nhiệt hạch thế hệ sơ khai sử dụng nhiên liệu hydro bao gồm hai đồng vị là deuterium và tritium. Quá trình hợp nhất nguyên tử này giải phóng ra hạt neutron năng lượng cao (chiếm tỷ lệ 80%) và hạt nhân heli hay hạt alpha (chỉ 20%). Lớp vật liệu điều tiết bên trong lò phản ứng sẽ hấp thụ những hạt neutron này, chuyển đổi năng lượng của chúng thành dạng nhiệt để quay turbine và sản xuất điện năng.

Phản ứng tạo nên một môi trường plasma với nhiệt độ cực cao, được kiểm soát bằng các bẫy từ tính, đôi khi còn được gọi là gương từ. Bởi vì plasma mang điện tích, các nam châm mạnh giữ nó ở vị trí cố định và ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp với các bức tường của thùng chứa. Tuy nhiên, ở hầu hết các lò phản ứng nhiệt hạch, trong vùng được gọi là