Helion Energy đưa lĩnh vực phản ứng nhiệt hạch vào kỷ nguyên mới

Năm 2021, những công ty phát triển phản ứng nhiệt hạch đã huy động hơn 3 tỉ USD từ các tỉ phú như Bill Gates và Jeff Bezos, với sự kiên định rằng nguồn năng lượng không carbon có thể trở thành hiện thực trong vòng một thập niên tới.

Chắc chắn rằng phản ứng nhiệt hạch có thể hoạt động với quy mô lớn — chỉ cần nhìn vào những vì sao. Trong 70 năm qua, những nhà vật lý đã mơ về cỗ máy nắm giữ sức mạnh của vì sao dưới hình dạng của lò phản ứng nhiệt hạch, mà sẽ cung cấp nguồn năng lượng vô hạn cho mạng lưới điện. Đây là phản ứng không phát thải carbon giúp mặt trời phát sáng.

Tuy “chén thánh” này đã được quảng bá là chỉ đạt được trong 20 hoặc 30 năm tới, nhưng những người ủng hộ vẫn đặt niềm tin. Năng lượng nhiệt hạch (biến nguyên tử hydro thành heli) hứa hẹn cung cấp nguồn điện không carbon vô hạn, không rủi ro về phân rã và gần như không chất thải phóng xạ từ nhà máy điện hạt nhân hiện nay vận hành trên phản ứng phân hạch (tách nguyên tử uranium thành những nguyên tố nhỏ hơn).

Giấc mơ này đã truyền cảm hứng cho Ajay Royan, nhà đồng sáng lập của Mithril Capital với tỉ phú Peter Thiel để đầu tư 2 triệu USD vào Helion Energy đặt tại Redmond, Washington, D.C. chế tạo nguyên mẫu cho thiết bị “năng lượng xung tái tạo” vào năm 2013. Kể từ đó, Mithril đã đầu tư vào Helion Energy, gồm vòng huy động vốn gần đây trị giá 500 triệu USD (định giá công ty ở mức 3 tỉ USD) với cam kết đầu tư thêm 1,7 tỉ USD nếu nguyên mẫu thứ bảy hoạt động như kỳ vọng.

Vòng gọi vốn của Helion được dẫn dắt bởi Sam Altman của Y Combinator. 2021 là một năm quan trọng cho cả tình hình tài chính và mức dự báo của phản ứng nhiệt hạch, khi những công ty phát triển đã kêu gọi hơn 3 tỉ USD để tạo nguồn vốn cho các cỗ máy tiếp theo, với một vài hứa hẹn sẽ thương mại hóa chỉ trong 5 năm tới.

“Năm 2021 chắc chắn là bước ngoặt cho phản ứng nhiệt hạch theo Google analytics. Tuy vậy, thời điểm đó đã diễn ra cách đây một thập kỷ trước, khi điện năng vượt ngưỡng ban đầu.” Royan vui mừng khi phản ứng nhiệt hạch nhận được sự chú ý hơn.

CEO David Kirtley giải thích quá trình R&D đầu tiên của Helion Energy đã được tiến hành tại phòng nghiên cứu Liên bang, khi công ty tách ra vào năm 2013. Tách biệt từ cơ quan R&D Liên bang, Helion Energy đã liên tục chế tạo những nguyên mẫu mới. “Ngay từ đầu, startup đặt tâm thế đây là yêu cầu và những gì chúng tôi đã tập trung vào,” Kirtley cho biết.

Vào năm 2020, Helion đã hoàn thành nguyên mẫu của lò phản ứng thứ sáu, Trenta. Hiện nay, công ty đang chế tạo nguyên mẫu thứ bảy Polaris và đã lên thiết kế cho nguyên mẫu thứ tám. Helion Energy có dự định biến Polaris thành cỗ máy phản ứng nhiệt hạch đầu tiên sản xuất nguồn điện ròng— tạo ra thêm nguồn năng lượng hơn.

Bên cạnh thu hồi vốn nhanh chóng, Helion còn hưởng lợi từ các chuyên gia nội địa. Công ty đang chế tạo Polaris tại Everett, Washington, D.C. gần với nhà máy lớn nhất của Boeing, nơi Helion Energy được tiếp cận với hệ sinh thái kỹ sư tự do và sản xuất chính xác. Kirtley cho biết công ty dành ra các buổi sáng để mày mò, nâng cấp hệ thống và khởi động máy tụ điện. “Chúng tôi bắt đầu quy trình nhiệt hạch vào lúc 3 giờ trong mỗi buổi chiều.”

Để nắm rõ hướng thực hiện của Helion Energy, đầu tiên là lực đẩy từ tính xảy ra khi bạn cố gắng ép cực dương từ hai thỏi nam châm lại với nhau. Nguyên tắc này tạo ra công nghệ đệm từ, như mô hình tàu viên đạn nổi tiếng của Nhật Bản vận dụng lực đẩy từ tính để lơ lửng trên đệm không khí.

Trong một thập niên qua, các nhà nghiên cứu nhiệt hạch đã theo đuổi việc phát minh ra nam châm điện mạnh nhất thế giới, bố trí buồng phản ứng với từ trường mạnh đến mức có thể thu, nén, đưa vào một luồng proton được nạp thành quả bóng plasma nóng đến mức hợp thành heli.

Trong hệ thống tân tiến của Helion, nguồn năng lượng được giải phóng bên trong phản ứng nhiệt hạch liên tục đưa vào và đẩy ra từ trường, tạo ra dao động (“như piston,” Kirtley cho biết). Từ đó, tạo ra nguồn điện Helion Energy thu lại trực tiếp từ lò phản ứng (tham khảo định luật cảm ứng Faraday để hiểu thêm).

Theo Ajay Royan, điểm thu hút nhất ở phương pháp sản xuất trực tiếp nguồn điện của Helion Energy có lẽ nằm ở tính đơn giản. Do những hướng tiếp cận khác là tạo nhiệt, đun sôi và vận hành tua bin hơi nước như nhà máy điện hạt nhân truyền thống. “Chúng tôi có thể vận hành mà không cần đến tua bin hơi nước hay tháp giải nhiệt. Từ đó loại bỏ nhà máy nhiệt điện.”

Kirtley hiểu rõ những nghi ngờ về phản ứng nhiệt hạch, nhất là về lịch trình bận rộn của ông. David Kirtley bắt đầu sự nghiệp trong lĩnh vực phản ứng nhiệt hạch từ niềm cảm hứng bởi những nhà khoa học tại phòng nghiên cứu Quốc gia vào những năm 1960. Đó là những người đã đem lại bước cải tiến lớn cho việc giữ từ trường trước cả khi bộ truyền dẫn được tạo ra.

Tuy vậy, Kirtley lại mất đi niềm tin sau những nỗ lực thực hiện đầu tiên không thể phát triển đủ nhanh để trở thành giải pháp thương mại. Do đó, ông chuyển sang cải tiến động cơ đẩy tàu vũ trụ, sử dụng phản lực plasma điều khiển bằng điện từ. Vào năm 2008, Kirltley quay trở lại lĩnh vực phản ứng nhiệt hạch để giúp Helion thương mại hóa công nghệ.

Vào thời điểm đó, Kirtley mường tượng về sản xuất lò phản ứng nhiệt hạch bên trong một nhà máy. Đó là hệ thống với công suất 50MW, được đặt bên trong ba thùng container cung cấp nguồn điện cho 40.000 căn nhà. “Trong 10 năm tới, chúng tôi chắc chắn sẽ tạo ra nguồn điện thương mại.”

Điều này đưa Helion Energy vào cuộc đua với Common Fusin Systems, công ty spinoff của MIT đặt tại Boston đã huy động 1,8 tỉ USD từ những nhà đầu tư, gồm Bill Gates và George Soros. Theo CEO Bob Mumgaard, công ty sẽ tạo ra lò phản ứng hoạt động trong vòng 6 năm tới. Sự tự tin của ông được thúc đẩy từ đợt thử nghiệm thành công cho nam châm điện mới của Commonwealth vào mùa hè năm 2021, với vật liệu siêu bán dẫn tạo ra từ oxit đồng bari đất hiếm.

Mumgaard cho biết nam châm siêu mạnh này sẽ giúp cho Commonwealth hoàn thiện những gì còn hơn cả phương pháp phản ứng nhiệt hạch truyền thống trong việc chế tạo lò phản ứng tokamak. Ông gọi đó là “thỏi nam châm lớn”, với từ trường mạnh điều khiển 100 triệu quả banh plasma.

Trên toàn thế giới có khoảng 150 lò tokamask, với lò phản ứng lớn nhất đang trong quá trình xây dựng tại Pháp bởi tập đoàn quốc tế, ITER có giá trị 30 tỉ USD. Cỗ máy có trọng lượng 20.000 tấn và kích cỡ bằng một nhà thi đấu môn bóng rổ, dự kiến hoàn thành vào năm 2035.

Tuy vậy, Mumgaard có dự định cho Commonwealth Fusion để biến ITER trở nên lỗi thời trước khi hoàn thành. Công ty đang sử dụng vật liệu siêu bán dẫn “nhiệt độ cao”, chế tạo từ oxit đồng bari đất hiếm (ReBCO).

Hiện nay, vật liệu siêu bán dẫn vận chuyển điện năng gần như không phát thải (hiệu quả hơn đồng) và là yếu tố quan trọng để tạo ra điện từ. Commonwealth đã phát hiện từ việc tạo ra nam châm sử dụng cuộn băng ReBCO (như cuộn băng trong VHS) có thể giúp cho lớp từ tính mạnh hơn thiết bị từ ITER, nhưng kích cỡ chỉ bằng 1/20.

“Điều này sẽ tạo cơ hội cho cỗ máy nhiệt hạch. Chúng tôi hiểu rất rõ về nguyên liệu và nhận định có khả năng thực hiện trong vòng 3 năm. Chúng ta sẽ chứng kiến phản ứng nhiệt hạch hòa vào mạng lưới điện vào năm 2030.” Mumgaard cho biết. Vào mùa hè năm 2021, CES đã kiểm tra và đưa ra bằng chứng khoa học về phản ứng nhiệt hạch gần như hoàn thành và chỉ cần chế tạo lò phản ứng.

CES sẽ xây dựng máy nhiệt hạch trên khu đất 19 hecta tại Massachusetts và đã chuẩn bị hàng nghìn kilomet băng ReBCO. Liệu sự xuất hiện của loại đất hiếm cho trở thành yếu tố hạn chế trong việc tiến hành nhiệt hạch?. “Không, nhà máy nhiệt hạch sẽ có ít loại đất hiếm hơn tua bin gió. Phản ứng nhiệt hạch không phải nguồn tài nguyên cần phải đào hay hút lên, đó là về công nghệ.” Mumgaard cho biết.

Vẫn còn cơ hội cho hơn một thành công về nhiệt hạch. Những tên tuổi dẫn đầu gồm General Fusin, đặt tại Canada và được Jeff Bezos tài trợ, đã huy động 130 triệu USD vào năm 2021.

Những tỉ phú đáng chú ý khác tham gia vào lĩnh vực phản ứng nhiệt hạch là Neal và Linden Blue, sở hữu General Atomics đặt tại San Diego với một thập kỷ hoạt động trong việc nghiên cứu tokamak dưới tên DOE. Trong năm 2022, công ty đã đưa nam châm điện, Central Solenoid nặng 1.000 tấn đến ITER. Còn có TAE Energy đặt tại California, tiến hành thử nghiệm trị giá 1 tỉ USD trong một thập kỷ qua và huy động 130 triệu USD vào thời điểm đại dịch.

Công nghệ nhiệt hạch có thể đã tiến hành bên trong phòng thí nghiệm tài trợ bởi chính phủ, tuy vậy, thành quả sẽ phụ thuộc vào nguồn quỹ tư nhân. Theo Amy Roma, giám đốc của Hogan Lovells (đặt tại Washington, D.C.), dự luật cơ sở hạ tầng được thông qua gần đây gồm nguồn quỹ cho dự án Thuyết trình Phản ứng Tân tiến (Advanced Reactor Demonstration Program) chỉ hỗ trợ cho các dự án phân hạt, không phải nhiệt hạch.

Roma chỉ ra nếu chính phủ liên bang muốn hỗ trợ cho cải tiến nhiệt hạch, nơi tốt nhất để thực hiện điều đó là Văn phòng Năng Lượng Sạch (Office of Clean Energy Demonstration) mới được thành lập từ dự luật của bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Năng lượng không carbon từ nhiệt hạch sẽ hưởng lợi từ sắc lệnh của tổng thống Joe Biden, khi kêu gọi chính phủ Liên bang mua nguồn năng lượng không phát thải vào năm 2030.

Nhà đầu tư công nghệ huyền thoại, Steve Jurvetson, hậu thuẫn cho Commonwealth Fusion lần đầu tiên đầu tư vào việc nghiên cứu nhiệt hạch cách đây 25 năm trước đang cảm thấy choáng váng khi một giấc mơ bị trì hoãn trong thời gian dài có thể sớm thành hiện thực. “Rất nhiều người không chắc khi nào thiết bị hoàn thành. Rồi họ nói rằng đó là điều hiển nhiên.”

Theo Royan, ông đã tiến hành điều chỉnh khung làm việc để xem xét việc thế giới sẽ khác biệt như thế nào khi nhiệt hạch thành hiện thực. “Hãy nghĩ về những cơ hội cho xử lý nước và sản xuất phân bón. Về cơ bản, việc này sẽ sớm thay đổi nền kinh tế nước và nông nghiệp. Toàn bộ đều là lộ trình của nhân loại để tiếp tục chứng minh rằng Malthus là ngốc.” ông cho biết.

Biên dịch: Minh Tuấn