Cuộc đua “Mặt trời nhân tạo” sẽ làm nóng năm 2025

Kỷ lục mới của Trung Quốc

Ngày 20/1 vừa qua, lò phản ứng tổng hợp hạt nhân thử nghiệm Tokamak (EAST), còn được gọi là “Mặt trời nhân tạo” của Trung Quốc đã duy trì hoạt động plasma ở trạng thái ổn định  trong 1.066 giây, lập kỷ lục thế giới mới. Tổng hợp hạt nhân là thứ tạo ra năng lượng trong Mặt trời hoặc bất kỳ ngôi sao nào khác.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân đòi hỏi nhiệt độ rất cao, hàng trăm triệu độ C - cao hơn nhiệt độ ở lõi Mặt trời. Ở nhiệt độ cao như vậy, vật chất chỉ tồn tại ở trạng thái plasma, trong đó các nguyên tử bị phân tách thành các hạt tích điện dương và âm. Nhưng plasma nóng như vậy không thể được xử lý hoặc chứa trong bất kỳ vật liệu nào.

Bên trong lò phản ứng, dòng plasma này cần được giữ lơ lửng trong một không gian hạn chế, được bao quanh bởi các từ trường rất mạnh đóng vai trò như những bức tường. Các hạt tích điện phản ứng với từ trường, và đặc tính này được sử dụng để dẫn hướng dòng plasma trong không gian kín, tách biệt khỏi mọi vật chất. Điều kiện này - cần thiết để tạo điều kiện cho phản ứng tổng hợp - rất không ổn định bởi những thay đổi nhỏ nhất trong từ trường cũng làm nhiễu loạn toàn bộ thiết lập. Các nhà khoa học không thể duy trì những điều kiện này lâu hơn vài giây.

Đó là lý do tại sao thành tựu của lò phản ứng siêu dẫn Tokamak tiên tiến thử nghiệm (EAST) đặt tại Viện Vật lý Plasma thuộc Viện Hàn lâm khoa học Trung Quốc (ASIPP) được coi là rất quan trọng. Đây là sự cải thiện đáng kể so với kỷ lục 403 giây trước đó, cũng do lò phản ứng EAST của ASIPP xác lập vào năm 2023.

“Một thiết bị nhiệt hạch phải đạt được hoạt động ổn định ở hiệu suất cao trong hàng nghìn giây để cho phép tuần hoàn plasma tự duy trì, điều này rất quan trọng đối với việc phát điện liên tục của các nhà máy nhiệt hạch trong tương lai”, Song Yuntao - Giám đốc ASIPP cho biết.

Để biến những phản ứng này trở thành hoạt động sản xuất điện năng trong đời thực, trạng thái tuần hoàn plasma này phải được duy trì trong nhiều giờ, thậm chí nhiều ngày, liên tục. Chỉ khi đó, các hoạt động liên tục mới có thể thực hiện được, giống như các lò phản ứng hạt nhân hiện tại dựa trên công nghệ phân hạch. Con đường còn rất xa nhưng thành tựu mà các nhà khoa học Trung Quốc vừa đạt được đã đem lại một bước tiến mới đầy hứa hẹn trên hành trình hướng tới giấc mơ hiện thực hóa lò phản ứng hạt nhân nhiệt hạch trong tương lai gần của nhân loại.

Cú hích cho cuộc đua nhiệt hạch

Trong 7 thập kỷ qua, các nhà khoa học đã cố gắng tái tạo trên Trái đất các phản ứng nhiệt hạch tự nhiên cung cấp năng lượng cho Mặt trời. Bằng cách hợp nhất hai hạt nhân nhẹ để tạo thành một hạt nhân nặng hơn (ngược lại với phản ứng phân hạch, là phản ứng tách chúng ra), quá trình này giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ.

Quá trình tổng hợp tạo ra lượng năng lượng lớn hơn nhiều so với bất kỳ nguồn nào khác - một gam nhiên liệu có thể tạo ra lượng năng lượng tương đương với việc đốt khoảng 8 tấn than. Quá trình này sử dụng các vật liệu đầu vào giá rẻ, có nguồn cung gần như vô hạn. Deuterium và tritium, hai đồng vị nặng hơn của hydro được sử dụng làm nhiên liệu, có sẵn trong tự nhiên (deuterium, được chiết xuất từ nước biển và tritium được sản xuất từ lithium, kim loại mềm đang được sử dụng rộng rãi trong việc sản xuất pin).

Phản ứng tổng hợp hạt nhân không phát thải khí nhà kính và có thể được thiết lập và vận hành ở hầu hết mọi nơi. Không giống như quá trình phân hạch, quá trình này không để lại chất thải hạt nhân nguy hiểm. Do đó, điện nhiệt hạch được xem như lời giải hấp dẫn nhất cho bài toán năng lượng sạch của nhân loại.

Dù cộng đồng khoa học rất nỗ lực song công nghệ tổng hợp hạt nhân tiến triển vẫn chậm. Ngay cả những dự báo lạc quan, ít nhất là cho đến vài năm trước, cũng cho rằng lò phản ứng tổng hợp chức năng, sản xuất điện ở quy mô thương mại, sẽ không được hiện thực hóa trước năm 2050.

Nhưng gần đây, nghiên cứu về phản ứng tổng hợp hạt nhân đã tạo ra một số đột phá. Tháng 12/2022, Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California (Mỹ) đã tạo ra mức tăng năng lượng ròng lần đầu tiên từ phản ứng tổng hợp hạt nhân: Họ đã đạt được 3 megajoule năng lượng bằng cách sử dụng tia laser để bắn 2,3 megajoule năng lượng vào một viên nhiên liệu nhỏ.

Và, những kỳ tích mà các nhà khoa học Trung Quốc vừa tạo ra là thành tựu tiếp theo của hoạt động nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân. Các tiến bộ liên tiếp đang tạo ra cú hích mạnh mẽ trong cuộc đua phát triển năng lượng nhiệt hạch của nhân loại. Nhiều quốc gia hiện cũng tăng cường đầu tư cho lĩnh vực này. Chẳng hạn, Đức đã khởi động một kế hoạch nghiên cứu trị giá 1,1 tỷ USD đến năm 2028, với mục tiêu cuối cùng là có thể xây dựng một nhà máy điện nhiệt hạch vào năm 2040. Anh cũng muốn có nhà máy điện nhiệt hạch của riêng mình trong cùng thập kỷ đó và đã có kế hoạch xây dựng trên một nhà máy điện chạy bằng than cũ ở West Burton, miền trung nước này.

Tại Mỹ, Quốc hội nước này đã phê duyệt khoản đầu tư kỷ lục là 1,48 tỷ USD trong năm 2024 để thúc đẩy các nghiên cứu tổng hợp hạt nhân. Trung Quốc cũng đang chi khoảng 1,5 tỷ USD mỗi năm cho lĩnh vực này và đặt mục tiêu có nguyên mẫu công nghiệp đầu tiên của lò phản ứng nhiệt hạch vào năm 2035, bắt đầu sản xuất thương mại quy mô lớn vào năm 2050.

Nỗ lực hướng tới “Mặt trời nhân tạo” còn diễn ra trên cả bình diện hợp tác quốc tế. ITER (tiếng Latin có nghĩa là “con đường”), một lò phản ứng thử nghiệm có kích thước khổng lồ, về mặt lý thuyết đủ lớn để chứng minh rằng có thể xây dựng các nhà máy điện từ trường khả thi, đang được xây dựng tại Pháp như một phần của dự án có sự tham gia của EU, Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc và Nga. Và, Trung Quốc - với những tiến bộ mới đạt được của lò phản ứng tổng hợp hạt nhân thử nghiệm Tokamak (EAST), đang cung cấp dữ liệu quan trọng cho ITER. Các nỗ lực của Bắc Kinh đem lại cho họ vai trò trung tâm trong dự án đa quốc gia khi đóng góp tới 9% đầu vào kỹ thuật.

Khu vực tư nhân và AI cũng vào cuộc

Sức hấp dẫn của “Mặt trời nhân tạo” cũng đang lôi kéo sự tham gia của khu vực tư nhân, khi nhiều người đang đánh giá rằng nhiệt hạch hạt nhân không chỉ khả thi mà còn có khả năng sinh lời rất cao. Theo một khảo sát do Hiệp hội Công nghiệp nhiệt hạch Hoa Kỳ thực hiện tại hơn 45 công ty (25 công ty trong số đó ở Mỹ), ghi nhận tổng số tiền tài trợ cho lĩnh vực này là 7,1 tỷ USD. Hầu hết số tiền này đến từ các nhà đầu tư tư nhân - bao gồm Jeff Bezos, Bill Gates và các tập đoàn công nghệ hàng đầu ở Thung lũng Silicon.

Mới đây, công ty Helion Energy có trụ sở tại Mỹ đã huy động được 425 triệu USD để xây dựng nhà máy điện đầu tiên trên thế giới sử dụng nguồn năng lượng nhiệt hạch. Trong số các nhà đầu tư của Helion Energy có Sam Altman, nhà sáng lập OpenAI. Sam Altman từng nhiều lần nói rằng trí tuệ nhân tạo (AI) trong tương lai sẽ cần một lượng điện năng khổng lồ mà chỉ có thể tạo ra bằng phản ứng tổng hợp hạt nhân.

Nhưng nhu cầu năng lượng của AI không chỉ thúc đẩy các nhà đầu tư mạnh tay rót tiền cho các dự án phát triển điện nhiệt hạch. Bản thân AI cũng đang nổi lên như một công cụ mạnh mẽ và thiết yếu để quản lý những thách thức vốn có trong nghiên cứu phản ứng tổng hợp. AI hứa hẹn xử lý dữ liệu phức tạp và mối quan hệ phức tạp giữa các khía cạnh khác nhau của quá trình tổng hợp, giúp đẩy nhanh quá trình phát triển các thiết kế lò phản ứng mới.

Ví dụ, AI có thể đóng vai trò chuyển đổi trong việc giải quyết các thách thức trong việc phát triển vật liệu cho lò phản ứng tổng hợp hạt nhân, vốn phải chịu được môi trường nhiệt và neutron khắc nghiệt trong khi vẫn duy trì tính toàn vẹn về cấu trúc và chức năng. Bằng cách kết nối các tập dữ liệu từ các thí nghiệm, mô phỏng và quy trình sản xuất khác nhau, các mô hình do AI điều khiển có thể tạo ra những dự đoán và thông tin chi tiết đáng tin cậy có thể được thực hiện.

Các công cụ AI cũng giúp thu hẹp phạm vi vật liệu ứng viên để thử nghiệm, mô tả vật liệu dựa trên các đặc tính của chúng và thực hiện giám sát thời gian thực đối với những vật liệu được lắp đặt trong lò phản ứng tổng hợp. Những khả năng này cho phép sàng lọc và phát triển nhanh chóng các vật liệu chịu được bức xạ, giảm sự phụ thuộc vào các phương pháp truyền thống tốn nhiều thời gian.

AI cũng cung cấp một cách để kiểm soát tốt hơn plasma trong lò phản ứng nhiệt hạch. Như đã thảo luận, một thách thức chính trong phản ứng nhiệt hạch giới hạn từ là định hình và duy trì plasma nhiệt độ cao bên trong thiết bị nhiệt hạch, thường là bình tokamak.

Tuy nhiên, plasma trong những máy này vốn không ổn định. Ví dụ, một hệ thống điều khiển cần phải phối hợp nhiều nam châm của lò phản ứng Tokamak, điều chỉnh điện áp của chúng hàng nghìn lần mỗi giây để đảm bảo plasma không bao giờ chạm vào thành bình. Điều này có thể dẫn đến mất nhiệt và có khả năng làm hỏng vật liệu bên trong lò Tokamak.

Các nhà nghiên cứu từ công ty Google DeepMind có trụ sở tại Anh đã sử dụng một dạng AI gọi là học tăng cường sâu để giữ cho plasma ổn định và được sử dụng để tạo hình chính xác thành nhiều hình dạng. Điều này cho phép các nhà khoa học hiểu được cách plasma phản ứng trong các điều kiện khác nhau.

Những đóng góp của AI, cùng với các thành tựu của phản ứng thử nghiệm như Trung Quốc vừa đạt được, hứa hẹn sẽ giúp nhân loại sớm tới đích hơn trên hành trình tạo ra thứ năng lượng sạch và vô tận từ những “Mặt trời nhân tạo”.