Fusion rất đơn giản. Hai hạt nhân nhẹ hợp nhất để tạo thành một hạt nhân lớn hơn, giải phóng năng lượng. Đó là thứ cung cấp năng lượng cho các ngôi sao, nhưng việc xây dựng một lò phản ứng nhiệt hạch có thể cung cấp năng lượng theo cách có thể kiểm soát được không phải là điều dễ dàng. Nhiệt hạch cần nhiệt độ cao, áp suất cao và thời gian giam giữ tốt. Tuy nhiên, những yêu cầu đó đã kích hoạt một số cách tiếp cận đáng kinh ngạc để biến sức mạnh nhiệt hạch thành hiện thực.
Vấn đề là, không ai thực sự biết cái nào sẽ hoạt động tốt nhất. Hơn nữa, một khi bạn đạt được sự hợp nhất, bạn cần tạo ra nhiều năng lượng hơn mức bạn đưa vào, để tỷ lệ Q > 1. Nhưng kết quả "hòa vốn" cho đến nay chưa bao giờ đạt được bởi một lò phản ứng nhiệt hạch ở đây trên Trái đất. Trên thực tế, những gì bạn thực sự muốn là Q từ 5 đến 10 để lò phản ứng của bạn tạo ra một lượng điện hữu ích.
Fusion cũng có góc độ thương mại ngày càng tăng với 35 công ty nhiệt hạch trên khắp thế giới.
Cách tiếp cận đang được thực hiện tại Lò phản ứng nhiệt hạch ITER, hiện đang được xây dựng bởi một tập đoàn quốc tế khổng lồ ở miền nam nước Pháp, nhằm giam giữ một plasma nóng với các nam châm siêu dẫn lớn trong một tokamak hình bánh rán. Dự kiến đưa vào hoạt động trực tuyến vào năm 2025, ITER sẽ chỉ đường dẫn đến một lò phản ứng nhiệt hạch thương mại có tên DEMO, sẽ được xây dựng vào năm 2060. Tôi đã đến thăm vào năm 2019 và ITER thực sự đáng kinh ngạc khi nhìn thấy.
Nhưng nó không phải là trò chơi duy nhất trong thị trấn. Năm ngoái, Tokamak siêu dẫn tiên tiến thử nghiệm của Trung Quốc đạt được nhiệt độ 120 triệu kelvin trong 101 giây. Con số đó đã đánh bại kỷ lục trước đó là 100 triệu kelvin được giữ trong 20 giây bởi lò phản ứng KSTAR của Hàn Quốc vào năm 2020. Ngoài ra còn có Chung Châu Âu Torus (JET) ở Oxfordshire, Vương quốc Anh - tiền thân của ITER - vẫn giữ kỷ lục về mức cao nhất Q đã bao giờ (nó phải Q = 0.67 vào năm 1997). JET vừa chạy thử nghiệm tạo ra năng lượng hơn 59 MJ trong vòng 1997 giây, tăng hơn gấp đôi so với sản lượng đạt được vào năm XNUMX.
Nỗ lực công nghiệp
Fusion cũng có góc độ thương mại ngày càng tăng. Dựa theo Ngành công nghiệp tổng hợp toàn cầu vào năm 2021 báo cáo, hiện có 35 công ty nhiệt hạch trên khắp thế giới, cùng nhau đã nhận được hơn 1.8 tỷ đô la tài trợ kể từ những năm 1990. Bốn người chơi lớn nhất - Hệ thống kết hợp thịnh vượng chung (CFS), Tổng hợp, Công nghệ TAE và Năng lượng Tokamak - chiếm 85% lượng tiền mặt đó.
Báo cáo cho thấy hầu hết các công ty nhiệt hạch tư nhân đều mong đợi năng lượng nhiệt hạch sẽ cung cấp điện cho lưới điện vào những năm 2030. Nếu những nỗ lực của họ thành công, điều đó sẽ đưa họ vượt lên trước ITER, công ty phần lớn đã đóng băng thiết kế vào khoảng năm 2001 và không thể khai thác những tiến bộ to lớn gần đây trong nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS). Thật vậy, kể từ khi báo cáo được công bố, đầu tư vào các công ty nhiệt hạch tư nhân đã tăng vọt.
CFS - được tách ra từ Viện Công nghệ Massachusetts vào năm 2018 - vào năm ngoái trình diễn thành công nam châm HTS 20 T. Các mô phỏng cho thấy nam châm này có thể đủ mạnh để cho phép lò phản ứng SPARC Tokamak của công ty đạt được năng lượng ròng từ phản ứng tổng hợp. Kể từ đó, CFS đã huy động được 1.8 tỷ đô la để xây dựng lò phản ứng, điều này sẽ mở đường cho ARC - nhà máy điện nhiệt hạch khả thi về mặt thương mại đầu tiên. Quá trình phát triển có thể bắt đầu vào năm 2025.
Đối với Năng lượng Tokamak, lò phản ứng tokamak hình cầu ST40 của công ty Anh này với nam châm HTS đã đạt mức 15 triệu kelvin đáng kinh ngạc vào năm 2018. Công ty, nhận được khoản tài trợ cuối cùng là 67 triệu bảng vào tháng 2020 năm 100, hiện đang nhắm mục tiêu tạo ra plasma 40 triệu kelvin từ lò phản ứng ST2022 được nâng cấp của mình. Tôi tự hỏi liệu năm XNUMX có thể là một năm đột phá lớn của công ty hay không?
Trong khi đó, năm ngoái, chính phủ Vương quốc Anh đã công bố một danh sách ngắn các địa điểm cho một nhà máy nhiệt hạch nguyên mẫu được gọi là Tokamak hình cầu để sản xuất năng lượnghoặc BƯỚC. Dựa trên công nghệ tiên phong của Trung tâm Năng lượng Nhiệt hạch Culham của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Vương quốc Anh (CCFE), STEP có thể bắt đầu hoạt động vào năm 2040. Địa điểm cuối cùng sẽ được quyết định trong năm nay.
CCFE, nơi có JET, cũng có được chọn bởi General Fusion làm địa điểm cho nhà máy trình diễn nhiệt hạch của nó. Nó sử dụng một áo khoác chất lỏng quay tròn để chứa plasma, được nén nhanh chóng thành hình cầu bằng cách sử dụng các pít-tông mạnh. Nhiên liệu nóng chảy và nhiệt lượng thu được sẽ được kim loại lỏng hấp thụ và được sử dụng để quay máy phát điện. Tháng 130 năm ngoái, công bố đầu tư thêm 2025 triệu đô la, công ty hy vọng sẽ bắt đầu hoạt động trong năm nay đối với lò phản ứng, có thể sẵn sàng vào năm XNUMX.
Một người chơi khác trên thị trường là Hợp nhất ánh sáng đầu tiên, đã huy động được 25 triệu đô la vào năm 2020 và tháng XNUMX năm ngoái đã cài đặt "Súng hơi siêu tốc" trên “Máy 3” của nó. Nó bắn một quả đạn vào mục tiêu nhiên liệu, với các sóng xung kích dẫn đến ép nhiên liệu đến mức nó đủ nóng để đốt cháy. Chi phí ròng trung bình để tạo ra điện trong suốt thời gian tồn tại của nhà máy có thể thấp nhất là 25 đô la / MWh - gần bằng một nửa so với một nhà máy điện gió trên đất liền.
Một số phương pháp tiếp cận ngày càng đáng tin cậy hơn với mỗi cột mốc kỹ thuật đạt được.
Sau đó có trực thăng, một công ty của Mỹ năm ngoái đã công bố đợt huy động vốn duy nhất lớn nhất trong lịch sử hợp nhất tư nhân. Nó đã bảo đảm một gói tài trợ 2.2 tỷ đô la để xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch thế hệ thứ bảy của họ được gọi là Polaris sử dụng nhiên liệu đơteri và heli-3 để trực tiếp sản xuất điện. Các lò phản ứng của Helion dự kiến có kích thước bằng một container vận chuyển và có thể cung cấp khoảng 50 MWe, với các nhà máy đi vào hoạt động vào năm 2024.
Cuộc đua đang diễn ra
Để hiểu được tất cả những thành tựu này - và biết ai sẽ thắng cuộc đua - không dễ dàng vì mỗi lò phản ứng đều khác nhau và đối mặt với những khó khăn kỹ thuật riêng. Tuy nhiên, một thách thức chung là “thời gian chu kỳ” giữa mỗi bước mở rộng quy mô vì điều này cuối cùng sẽ quyết định tốc độ đưa nhà máy điện ra thị trường. Tuy nhiên, tôi thấy rõ rằng một số phương pháp tiếp cận ngày càng đáng tin cậy hơn với mỗi cột mốc kỹ thuật đạt được.
Không ai chắc chắn thị trường nhiệt hạch sẽ lớn như thế nào vì thời gian, chi phí và sản lượng điện của các lò phản ứng tiềm năng đều khác nhau. Nhưng nhiệt hạch có nhiều ưu điểm hơn so với quá trình phân hạch, bao gồm kỷ lục an toàn tuyệt vời, không có chất thải tồn tại lâu dài và tiềm năng về nhiên liệu rẻ. Nếu các lò phản ứng nhiệt hạch có thể nhận được sự chấp thuận của cơ quan quản lý và chứng tỏ rằng chúng có mức giá cạnh tranh, chúng ta có thể thấy một nhà máy thương mại trong vòng 10 đến XNUMX năm nữa.
Đối với phản ứng tổng hợp, nó không phải là trường hợp nếu - mà là khi nào.
Các bài viết Liệu các nhà máy điện nhiệt hạch thương mại có thể đưa chúng ta về số không? xuất hiện đầu tiên trên Thế giới vật lý.
