Cuộc đua làm chủ năng lượng nhiệt hạch giữa Mỹ và Trung Quốc

Trung Quốc đang đầu tư mạnh vào nghiên cứu nhằm thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch và có thể vượt qua Mỹ trong tương lai.

Cơ sở nghiên cứu toàn diện công nghệ nhiệt hạch (CRAFT) đang xây dựng tại Hợp Phì, Trung Quốc. (Ảnh: Costfoto/Future Publishing)

Energy Singularity, một công ty khởi nghiệp nhỏ ở Thượng Hải, đang tìm cách khai thác năng lượng nhiệt hạch. Trong khi các công ty và chuyên gia công nghiệp của Mỹ lo ngại nước này đang đánh mất dần vị thế dẫn đầu trong cuộc đua làm chủ dạng năng lượng sạch gần như vô hạn đó, một loạt công ty mới như Energy Singularity ra đời trên khắp Trung Quốc, theo CNN.

Phản ứng nhiệt hạch, quá trình cung cấp năng lượng cho Mặt trời và các ngôi sao khác, rất khó tái tạo trên Trái đất. Nhiều công ty đã thực hiện phản ứng nhiệt hạch, nhưng duy trì nó trong thời gian đủ lâu để sử dụng trong thực tế vẫn là vấn đề nan giải. Lợi thế của năng lượng nhiệt hạch là hiệu quả cực lớn. Phản ứng nhiệt hạch có kiểm soát giải phóng nhiều năng lượng gấp 4 triệu lần đốt than đá, dầu mỏ hay khí gas, và gấp 4 lần phản ứng phân hạch, loại năng lượng hạt nhân sử dụng phổ biến hiện nay. Giới nghiên cứu không thể phát triển kịp thời để đối phó biến đổi khí hậu nhưng đây hứa hẹn là giải pháp đối với hiện tượng ấm lên trong tương lai.

Chính phủ Trung Quốc đang rót tiền vào phát triển năng lượng nhiệt hạch, ước tính lên tới 1 - 1,5 tỷ USD hàng năm, theo Jean Paul Allain, người đứng đầu Văn phòng khoa học năng lượng nhiệt hạch thuộc Bộ Năng lượng Mỹ, cho biết. So với Trung Quốc, chính quyền Tổng thống Mỹ Joe Biden chi khoảng 800 triệu USD/năm.

Các doanh nghiệp tư nhân ở cả hai nước đều tỏ ra lạc quan và cho biết họ có thể đưa điện nhiệt hạch vào lưới điện giữa thập niên 2030, bất chấp thách thức kỹ thuật khổng lồ. Mỹ nằm trong số những nước đầu tiên trên thế giới tiến hành nghiên cứu nhiệt hạch, từ đầu thập niên 1950. Trung Quốc khám phá năng lượng nhiệt hạch cuối thập kỷ đó. Gần đây, họ đã tăng tốc. Từ năm 2015, số bằng sáng chế liên quan tới năng lượng nhiệt hạch của Trung Quốc tăng vọt và hiện nay nhiều hơn bất kỳ quốc gia nào khác, theo dữ liệu công nghiệp do Nikkei công bố.

Energy Singularity, công ty khởi nghiệp ở Thượng Hải, chỉ là một ví dụ về tốc độ phát triển chóng mặt của Trung Quốc. Công ty chế tạo lò tokamak riêng trong vòng 3 năm sau khi thành lập, nhanh hơn mọi lò phản ứng tương tự từng được xây dựng. Lò tokamak là cỗ máy hình trụ hoặc hình bánh vòng có độ phức tạp cao, làm nóng hydro tới nhiệt độ cực hạn, tạo thành plasma để phản ứng nhiệt hạch diễn ra.

Đối với một công ty non trẻ làm việc ở một trong những lĩnh vực vật lý khó khăn nhất thế giới, Energy Singularity có lý do để tự tin. Họ nhận được hơn 112 triệu USD vốn đầu tư tư nhân và lò tokamak hiện nay của họ là lò duy nhất sử dụng nam châm tiên tiến trong thí nghiệm plasma. Mang tên nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao, nó mạnh hơn nam châm bằng đồng dùng trong các lò tokamak cũ hơn. Theo nhà khoa học nghiên cứu công nghệ tương tự ở MIT, loại nam châm này cho phép lò tokamak nhỏ hơn sản xuất nhiều năng lượng nhiệt hạch như lò lớn và có thể kìm hãm plasma tốt hơn.

Plasma bị kìm hãm trong lò tokamak của Energy Singularity trong thí nghiệm. (Ảnh: Energy Singularity).

Energy Singularity đang lên kế hoạch xây dựng lò tokamak thế hệ thứ hai để chứng minh phương pháp của họ khả thi về mặt thương mại vào năm 2027 và hy vọng thiết bị thế hệ ba có thể cung cấp điện cho lưới điện trước năm 2035. Trái lại, các lò tokamak ở Mỹ đang lỗi thời, theo Andrew Holland, giám đốc điều hành Hiệp hội công nghiệp nhiệt hạch ở Washington, DC. Kết quả là Mỹ phụ thuộc vào máy móc của các nước đồng minh ở Nhật Bản, châu Âu và Anh để thúc đẩy nghiên cứu.

Holland nhắc tới một công viên nghiên cứu nhiệt hạch mới trị giá 570 triệu USD đang được xây dựng ở miền đông Trung Quốc mang tên CRAFT, dự kiến hoàn thành năm sau. "Chúng tôi không có bất cứ thứ gì như vậy. Phòng thí nghiệm vật lý plasma Princeton đã nâng cấp lò tokamak suốt 10 năm. Lò tokamak khác đang hoạt động ở Mỹ là DIII-D đã 30 năm tuổi. Không có cơ sở nhiệt hạch hiện đại nào tại các phòng thí nghiệm quốc gia của Mỹ", ông nói.

Phản ứng nhiệt hạch là quá trình rất phức tạp bao gồm hợp nhất hai hạt nhân thường đẩy nhau trong điều kiện thông thường. Một cách để thực hiện phản ứng là tăng nhiệt độ trong lò tokamak lên 150 triệu độ C, gấp 10 lần nhiệt độ lõi Mặt trời. Khi hợp nhất, hạt nhân giải phóng năng lượng lớn dưới dạng nhiệt, có thể dùng để quay turbine và sản xuất điện. Duy trì phản ứng nhiệt hạch trong thời gian dài càng khó khăn hơn. Trong khi Trung Quốc đang đi đầu với lò tokamak, Mỹ đang tiên phong sử dụng công nghệ khác là laser.

Cuối năm 2022, các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore tại California chiếu gần 200 tia laser vào hộp hình trụ chứa viên nhiên liệu lớn cỡ hạt hồ tiêu. Đây là thí nghiệm thành công đầu tiên trên thế giới đạt được thặng dư về năng lượng nhiệt hạch, có nghĩa năng lượng sản sinh từ quá trình nhiều hơn mức sử dụng để làm nóng nhiên liệu.

"Chúng tôi không biết chính xác đâu là thiết kế tốt nhất", Melanie Windridge, nhà vật lý plasma kiêm giám đốc điều hành Fusion Energy Insights, một tổ chức theo dõi ngành năng lượng nhiệt hạch, chia sẻ. "Có thể có vài cách tiếp cận khả thi đối với điện nhiệt hạch, cần xét cả chi phí và nhiều yếu tố khác trong dài hạn. Nhưng lò tokamak là thiết kế được nghiên cứu nhiều nhất theo thời gian và tiên tiến nhất về mặt vật lý. Nhiều công ty tư nhân đang xây dựng kiểu lò này".

Với số tiền Trung Quốc đầu tư vào nghiên cứu, thiết kế lò tokamak đang tiến hóa nhanh chóng. Lò tokamak EAST ở Hợp Phì có thể giữ plasma ổn định ở 70 triệu độ C, nóng gấp 5 lần lõi Mặt trời, trong hơn 17 phút, lập kỷ lục thế giới. Mikhail Maslov, cán bộ ở Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Anh mô tả đây là cột mốc quan trọng hướng tới thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch.

Trong khi chính phủ Trung Quốc rót tiền vào năng lượng nhiệt hạch, Mỹ thu hút nhiều vốn đầu tư tư nhân hơn. Trên toàn cầu, khối tư nhân chi 7 tỷ USD vào năng lượng nhiệt hạch trong 3 - 4 năm qua, khoảng 80% trong số đó là các công ty Mỹ. Nhưng nếu chính phủ Trung Quốc tiếp tục duy trì đầu tư hơn 1 tỷ USD/năm, nước này có thể sớm vượt qua Mỹ, ngay cả ở khối tư nhân.

• Cỗ máy 14 tỷ USD này sẽ trở thành Mặt Trời tương lai của loài người
• Lắp ráp lò phản ứng nóng hơn lõi Mặt Trời
• "Tro tàn thần chết" từ vụ thử bom nhiệt hạch đầu tiên của Mỹ

Từ khóa liên quan:

năng lượng nhiệt hạch

công nghệ nhiệt hạch

Lò tokamak

Lò tokamak EAST

Energy Singularity

Cơ sở nghiên cứu công nghệ nhiệt hạch

CRAFT

Andrew Holland