Công ty mẹ của Google là đơn vị đầu tiên mua điện từ lò phản ứng nhiệt hạch

Ngày 30.6, Alphabet – công ty mẹ của Google cho biết họ đã đạt được thỏa thuận mua điện từ một dự án ở Virginia sử dụng năng lượng nhiệt hạch vốn chưa được thương mại hóa trên Trái đất.

Các công ty công nghệ đang rất cần năng lượng sạch

Google gọi đây là thỏa thuận mua điện trực tiếp đầu tiên giữa một doanh nghiệp với một công ty nhiệt hạch. Đối tác của họ là Commonwealth Fusion Systems (CFS), một công ty tách ra từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vào năm 2018.

Thỏa thuận liên quan đến 200 megawatt điện từ dự án ARC của CFS, dự kiến sẽ có tổng công suất 400 MW. CFS đang phát triển dự án này tại bang Virginia, nơi vốn được coi là trung tâm lớn nhất thế giới về các trung tâm dữ liệu tiêu thụ năng lượng cao. Chi tiết tài chính của thỏa thuận không được tiết lộ.

Thách thức về kỹ thuật

Trong nhiều thập niên, các nhà vật lý tại các phòng thí nghiệm quốc gia và công ty tư nhân đã cố gắng tạo ra các phản ứng nhiệt hạch bằng cách sử dụng laser hoặc, như CFS, các nam châm lớn nhằm kết hợp các nguyên tử nhẹ lại với nhau để giải phóng một lượng lớn năng lượng.

Năm 2022, Phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore tại California đã đạt được bước đột phá khi tạo ra mức năng lượng ròng dương trong một thí nghiệm nhiệt hạch sử dụng laser. Tuy nhiên, việc đạt đến ngưỡng “cân bằng kỹ thuật” khi năng lượng tạo ra lớn hơn tổng năng lượng cần thiết để khởi động phản ứng vẫn là một thách thức chưa vượt qua.

Và để một nhà máy nhiệt hạch có thể tạo ra điện thương mại, các phản ứng phải diễn ra liên tục, chứ không chỉ là các sự kiện hiếm hoi. Ông Michael Terrell, người đứng đầu mảng năng lượng tiên tiến của Google cho biết: “Đúng là vẫn còn nhiều thách thức vật lý và kỹ thuật nghiêm trọng mà chúng tôi cần vượt qua để biến công nghệ này thành sản phẩm có thể thương mại hóa và mở rộng quy mô. Nhưng đó chính là lý do vì sao chúng tôi muốn đầu tư ngay từ bây giờ để hướng tới tương lai đó”.

Khi trí tuệ nhân tạo và các trung tâm dữ liệu ngày càng làm tăng nhu cầu sử dụng điện trên toàn cầu, mối quan tâm đối với nhiệt hạch cũng tăng theo. Không giống như phân hạch hạt nhân – vốn tạo ra chất thải phóng xạ lớn – nhiệt hạch không sinh ra chất thải nguy hại ở quy mô lớn. Ngoài ra, nếu thành công, công nghệ này có thể góp phần chống biến đổi khí hậu.

CFS đặt mục tiêu tạo ra điện từ dự án ARC vào đầu thập niên 2030, nhưng trước hết họ phải vượt qua các rào cản khoa học. CEO kiêm đồng sáng lập CFS là ông Bob Mumgaard chia sẻ: “Nếu không có quan hệ đối tác và không dám đặt ra mục tiêu táo bạo để theo đuổi nó, bạn sẽ không bao giờ vượt qua được những thách thức đó”.

Ông nói rằng nhà máy ARC sẽ giúp CFS học hỏi giai đoạn “mọc răng” của nhiệt hạch. Đây là thời kỳ mà họ sẽ phải tìm hiểu tần suất máy móc hỏng hóc và cách vận hành ổn định.

Google cũng thông báo rằng họ đang tăng mức đầu tư vào CFS, nhưng không công bố con số cụ thể. Năm 2021, Google nằm trong số nhiều nhà đầu tư đã rót tổng cộng 1,8 tỉ USD vào CFS. Ông Mumgaard tiết lộ vòng gọi vốn hiện tại của CFS có quy mô tương đương với vòng năm 2021.

Cần phân biệt phản ứng phân hạch và nhiệt hạch

Lò phản ứng nhiệt hạch và lò phản ứng phân hạch là hai loại công nghệ hoàn toàn khác nhau, dựa trên hai loại phản ứng hạt nhân đối nghịch nhau để tạo ra năng lượng.

Lò phản ứng phân hạch (Fission Reactor)

Nguyên lý hoạt động:

Lò phản ứng phân hạch khai thác phản ứng phân hạch hạt nhân, tức là quá trình một hạt nhân nguyên tử nặng (như Uranium-235 hoặc Plutonium-239) bị tách ra thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn khi bị bắn phá bởi một neutron. Quá trình này giải phóng một lượng năng lượng lớn và một số neutron tự do, gây ra một phản ứng dây chuyền (các neutron mới lại tiếp tục bắn phá các hạt nhân khác). Nhiên liệu: Chủ yếu là Uranium (U-235) và Plutonium (Pu-239).

Điều kiện hoạt động:

Yêu cầu khối lượng vật liệu phân hạch phải đạt đến khối lượng tới hạn để duy trì phản ứng dây chuyền. Thường hoạt động ở nhiệt độ và áp suất cao, nhưng thấp hơn nhiều so với nhiệt hạch.

Cần các thanh điều khiển (thường làm từ Cadmium hoặc Boron) để hấp thụ neutron và kiểm soát tốc độ phản ứng dây chuyền, tránh quá nhiệt.

Sản phẩm và chất thải:

Tạo ra chất thải phóng xạ cấp cao (các sản phẩm phân hạch) có thời gian bán rã dài, đòi hỏi việc lưu trữ và xử lý an toàn trong hàng nghìn đến hàng trăm nghìn năm. Có nguy cơ xảy ra sự cố tan chảy lõi lò và rò rỉ phóng xạ nếu không được kiểm soát chặt chẽ (ví dụ: Chernobyl, Fukushima).

Hiện trạng:

Đang được sử dụng rộng rãi để sản xuất điện trên toàn thế giới (điện hạt nhân) và cho các mục đích quân sự (tàu ngầm hạt nhân, vũ khí hạt nhân). Đây là công nghệ hạt nhân đã trưởng thành và thương mại hóa.

Lò phản ứng nhiệt hạch (Fusion Reactor)

Nguyên lý hoạt động:

Lò phản ứng nhiệt hạch khai thác phản ứng tổng hợp hạt nhân (phản ứng nhiệt hạch), tức là quá trình hai hạt nhân nguyên tử nhẹ (như đồng vị của hydro: Deuterium và Tritium) kết hợp lại để tạo thành một hạt nhân nặng hơn (như Heli) và giải phóng một lượng năng lượng cực lớn. Đây là phản ứng cung cấp năng lượng cho Mặt Trời và các ngôi sao.

Nhiên liệu: Chủ yếu là Deuterium (D) và Tritium (T), đều là các đồng vị của hydro. Deuterium có thể được chiết xuất dễ dàng từ nước biển, còn Tritium có thể được sản xuất từ Liti.

Điều kiện hoạt động:

Yêu cầu nhiệt độ cực cao, lên tới hàng trăm triệu độ C (gấp khoảng 10 lần lõi Mặt Trời) để các hạt nhân có đủ năng lượng vượt qua lực đẩy tĩnh điện và hợp nhất. Yêu cầu áp suất cực lớn để giữ plasma (trạng thái vật chất của nhiên liệu ở nhiệt độ cao) đủ đặc và ổn định.

Cần các hệ thống giam giữ plasma bằng từ trường cực mạnh (ví dụ: Tokamak hoặc Stellarator) hoặc bằng quán tính (ví dụ: NIF) vì không có vật liệu nào có thể chịu được nhiệt độ đó.

Sản phẩm và chất thải:

Sản phẩm chính là Heli (một khí trơ, không phóng xạ) và neutron. Chất thải phóng xạ thấp hơn nhiều so với phân hạch và có thời gian bán rã ngắn hơn (vài trăm năm). Nguy cơ xảy ra sự cố rò rỉ phóng xạ lớn cực kỳ thấp, vì phản ứng đòi hỏi điều kiện cực kỳ đặc biệt và sẽ tự động dừng lại nếu có bất kỳ sự cố mất kiểm soát nào.

Hiện trạng:

Vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển.