Một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực năng lượng nhiệt hạch vừa được ghi nhận khi các nhà khoa học tại Mỹ lần đầu tiên chuyển đổi trực tiếp năng lượng của plasma thành dòng điện có thể sử dụng. Thành tựu này được kỳ vọng sẽ giúp nâng cao hiệu suất của các nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai, đồng thời giảm đáng kể chi phí sản xuất điện sạch.

Bước đột phá trong công nghệ điện nhiệt hạch

Theo thông tin từ các tổ chức nghiên cứu quốc tế, nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Wisconsin-Madison (Hoa Kỳ) phối hợp với công ty công nghệ Realta Fusion đã thử nghiệm thành công hệ thống chuyển đổi trực tiếp năng lượng plasma thành điện trên thiết bị nghiên cứu nhiệt hạch WHAM (Wisconsin HTS Axisymmetric Mirror).

Trong quá trình thử nghiệm, hệ thống đã tạo ra dòng điện có cường độ vài ampe ở điện áp khoảng 100 V, đủ để vận hành nhiều bóng đèn sợi đốt. Mặc dù sản lượng điện còn ở quy mô thử nghiệm, kết quả này được xem là minh chứng đầu tiên cho khả năng khai thác trực tiếp năng lượng của plasma trong một thiết bị nhiệt hạch đang hoạt động.

Theo Realta Fusion, đây là cột mốc quan trọng trên lộ trình thương mại hóa điện nhiệt hạch – nguồn năng lượng được đánh giá có tiềm năng trở thành giải pháp thay thế nhiên liệu hóa thạch trong tương lai.

Khai thác trực tiếp động năng của plasma

Điểm khác biệt của công nghệ mới nằm ở phương pháp thu hồi năng lượng.

Trong các nhà máy điện truyền thống dù sử dụng than, khí tự nhiên hay năng lượng hạt nhân, điện đều được tạo ra thông qua nhiều bước trung gian: nhiệt làm nóng nước tạo hơi, hơi nước quay turbine rồi turbine mới vận hành máy phát điện. Trong khi đó, công nghệ của Realta Fusion cho phép chuyển đổi trực tiếp động năng của các hạt plasma thành dòng điện, bỏ qua quá trình tạo hơi nước và vận hành turbine. Hệ thống sử dụng một bộ chuyển đổi năng lượng trực tiếp được bố trí tại đầu của thiết bị gương từ (Magnetic Mirror). Khi các hạt plasma mang điện tích di chuyển đến khu vực này, chúng bị làm chậm lại, tạo ra sự chênh lệch điện thế và sinh ra dòng điện chạy qua mạch điện bên ngoài. Cơ chế này không chỉ đơn giản hóa quá trình phát điện mà còn hứa hẹn nâng cao đáng kể hiệu suất tổng thể của nhà máy nhiệt hạch.

Ý tưởng được ấp ủ suốt hơn nửa thế kỷ

Thực tế, khái niệm chuyển đổi trực tiếp năng lượng plasma không phải là mới.

Ngay từ năm 1974, nhà vật lý Richard Post tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore (Hoa Kỳ) đã đề xuất nguyên lý chuyển đổi trực tiếp năng lượng từ các hạt plasma thành điện. Trong nhiều thập kỷ sau đó, nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới đã tiến hành thử nghiệm với các hệ thống như Venetian Blind Converter, dự án Tandem Mirror hay thiết bị GAMMA 10 của Nhật Bản. Tuy nhiên, các nghiên cứu trước đây chủ yếu dừng ở quy mô phòng thí nghiệm. Realta Fusion được đánh giá là một trong những đơn vị đầu tiên chứng minh khả năng ứng dụng nguyên lý này trên một hệ thống nhiệt hạch đang vận hành thực tế.

Theo Giám đốc điều hành Realta Fusion Kieran Furlong, đây là bước tiến có ý nghĩa quan trọng bởi nó mở ra khả năng xây dựng những nhà máy điện nhiệt hạch có hiệu suất cao hơn và chi phí vận hành thấp hơn so với các mô hình hiện nay.

Tận dụng phần năng lượng plasma vốn bị thất thoát

Một trong những điểm độc đáo của công nghệ là khai thác chính lượng plasma vốn bị thất thoát trong quá trình vận hành lò phản ứng.

Trong các lò phản ứng nhiệt hạch sử dụng bẫy từ, plasma có nhiệt độ lên tới hàng trăm triệu độ C được giữ ổn định nhờ hệ thống nam châm siêu dẫn.

Tuy nhiên, tại khu vực được gọi là "vùng nón mất mát" (Loss Cone), một phần các hạt plasma vẫn thoát khỏi vùng từ trường giam giữ.

Ở các thiết kế truyền thống, lượng năng lượng này gần như bị mất đi.

Realta Fusion đã phát triển bộ chuyển đổi năng lượng trực tiếp để thu hồi chính phần plasma thất thoát đó, biến động năng của các hạt thành điện năng thay vì để lãng phí.

Nhờ tận dụng nguồn năng lượng vốn bị thất thoát, công nghệ mới được kỳ vọng sẽ nâng cao hiệu quả khai thác của toàn bộ hệ thống nhiệt hạch.

Hướng tới nhà máy điện nhiệt hạch hiệu suất cao

Theo kế hoạch phát triển, các nhà máy điện của Realta Fusion trong tương lai sẽ kết hợp hai phương thức phát điện.

Khoảng 80% năng lượng nhiệt hạch vẫn được chuyển đổi theo phương pháp truyền thống thông qua hệ thống hơi nước và turbine phát điện với hiệu suất khoảng 45%. Trong khi đó, 20% năng lượng còn lại sẽ được chuyển đổi trực tiếp từ plasma thành điện bằng bộ chuyển đổi chuyên dụng với hiệu suất có thể vượt 90%. Việc kết hợp hai công nghệ này giúp giảm đáng kể lượng điện phải tiêu thụ để duy trì môi trường plasma siêu nóng trong lò phản ứng.

Theo tính toán của Realta Fusion, mô hình lai này có thể giúp giảm từ 10–20% chi phí sản xuất điện, đồng thời nâng cao hiệu quả vận hành của các nhà máy nhiệt hạch thương mại trong tương lai. Công ty đặt mục tiêu triển khai nhà máy điện nhiệt hạch module đầu tiên vào giữa những năm 2030.

Điện nhiệt hạch – nguồn năng lượng của tương lai

Trong nhiều thập kỷ qua, nhiệt hạch luôn được xem là "chén thánh" của ngành năng lượng.

Khác với phản ứng phân hạch đang được sử dụng tại các nhà máy điện hạt nhân hiện nay, nhiệt hạch tạo ra năng lượng bằng cách hợp nhất hai hạt nhân nguyên tử nhẹ thành hạt nhân nặng hơn. Đây cũng chính là cơ chế tạo năng lượng của Mặt Trời và các ngôi sao. Ưu điểm lớn nhất của phản ứng nhiệt hạch là mật độ năng lượng cực cao.

Theo các chuyên gia, cùng một khối lượng nhiên liệu, phản ứng nhiệt hạch có thể tạo ra lượng năng lượng lớn gấp khoảng 4 triệu lần so với nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ hay khí tự nhiên, đồng thời cao hơn nhiều lần so với phản ứng phân hạch.

Bên cạnh đó, quá trình này hầu như không phát thải khí nhà kính và tạo ra lượng chất thải phóng xạ thấp hơn đáng kể so với điện hạt nhân truyền thống.

Chính vì vậy, nhiệt hạch được kỳ vọng sẽ trở thành nguồn năng lượng sạch, an toàn và bền vững trong thế kỷ XXI.

Thách thức vẫn còn rất lớn

Dù tiềm năng rất lớn, việc thương mại hóa điện nhiệt hạch vẫn còn nhiều khó khăn.

Để phản ứng nhiệt hạch diễn ra ổn định, các nhà khoa học phải tạo và duy trì plasma ở nhiệt độ lên tới hàng trăm triệu độ C, đồng thời kiểm soát môi trường có áp suất và mật độ năng lượng cực lớn trong thời gian đủ dài.

Hiện nay, hầu hết các lò phản ứng thử nghiệm sử dụng nhiên liệu gồm hai đồng vị của hydro là deuterium và tritium.

Quá trình hợp nhất tạo ra các hạt neutron năng lượng cao cùng hạt nhân heli (alpha). Trong các thiết kế truyền thống, năng lượng từ neutron được hấp thụ để tạo nhiệt, sau đó chuyển thành điện thông qua hệ thống turbine.

Việc bổ sung công nghệ chuyển đổi trực tiếp năng lượng plasma như giải pháp của Realta Fusion được kỳ vọng sẽ khai thác thêm phần năng lượng vốn chưa được tận dụng, qua đó nâng cao hiệu suất chung của toàn bộ hệ thống.

Mở ra hướng phát triển mới cho ngành năng lượng sạch

Mặc dù thử nghiệm hiện nay mới chỉ ở giai đoạn chứng minh tính khả thi và chưa tạo ra lượng điện lớn hơn năng lượng tiêu thụ của hệ thống, nhưng thành công bước đầu đã đánh dấu một cột mốc đáng chú ý trong hành trình hiện thực hóa điện nhiệt hạch.

Các chuyên gia nhận định rằng, nếu tiếp tục được hoàn thiện, công nghệ chuyển đổi trực tiếp năng lượng plasma sẽ góp phần giải quyết một trong những bài toán lớn nhất của ngành nhiệt hạch là nâng cao hiệu suất phát điện và giảm chi phí vận hành.

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng sạch ngày càng tăng và mục tiêu phát thải ròng bằng "0" đang trở thành xu hướng toàn cầu, những đột phá như của Realta Fusion không chỉ mang ý nghĩa khoa học mà còn mở ra triển vọng hình thành thế hệ nhà máy điện nhiệt hạch hiệu quả hơn, góp phần bảo đảm an ninh năng lượng và thúc đẩy phát triển bền vững trong tương lai.

Nguồn: Tổng hợp