Hỏi & Đáp: Cần phải làm gì để đưa năng lượng nhiệt hạch vào lưới điện Hoa Kỳ?
Bài của Erin Woodward, Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC
Bên trong đường hầm LCLS-II, chụp ngày 6 tháng 4 năm 2022. Nguồn: Jim Gensheimer/Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC
Arianna Gleason là một nhà khoa học từng đoạt giải thưởng tại Phòng thí nghiệm Máy gia tốc Quốc gia SLAC thuộc Bộ Năng lượng, người nghiên cứu vật chất ở những dạng cực đoan nhất—từ magma sôi sục ở trung tâm hành tinh của chúng ta đến các điều kiện bên trong lõi của những ngôi sao xa xôi. Trong Tuần lễ Năng lượng Nhiệt hạch, Gleason đã thảo luận về tình trạng nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch hiện tại và cách SLAC đang giúp thúc đẩy lĩnh vực này phát triển.
Năng lượng nhiệt hạch là gì?
Nhiệt hạch là cốt lõi của mọi ngôi sao. Áp suất và nhiệt độ cực lớn ở trung tâm của một ngôi sao hợp nhất các nguyên tử lại với nhau, tạo ra nhiều nguyên tố mà bạn thấy trên bảng tuần hoàn và tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ.
Nhiệt hạch rất thú vị, vì nó có thể cung cấp năng lượng vô hạn cho lưới điện của chúng ta. Chúng tôi đang cố gắng tái tạo năng lượng nhiệt hạch tại đây trên Trái đất, mặc dù đó là một thách thức to lớn đối với khoa học và kỹ thuật.
Chúng ta đã bao giờ có thể tái tạo phản ứng nhiệt hạch trong phòng thí nghiệm chưa?
Phản ứng nhiệt hạch đã đi đầu trong nghiên cứu khoa học trong nhiều thập kỷ, nhưng phải đến tháng 12 năm 2022, chúng ta mới đạt đến một bước ngoặt đáng kinh ngạc trong nghiên cứu nhiệt hạch. Sử dụng một kỹ thuật gọi là năng lượng nhiệt hạch quán tính, hay IFE, các nhà nghiên cứu tại Cơ sở đánh lửa quốc gia (NIF) của Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore đã tập trung 192 tia laser riêng lẻ vào một "mục tiêu" nhiên liệu — có kích thước bằng một hạt đậu — làm từ deuterium và tritium.
Những tia laser này tác dụng một lực rất lớn lên mục tiêu và nó nổ tung thành một plasma đang cháy. Các nguyên tử deuterium và tritium hợp nhất với nhau, tạo ra heli và một neutron và tạo ra nhiều năng lượng hơn từ phản ứng so với lượng năng lượng được sử dụng để tạo ra nó. Trong chưa đầy một phần nghìn tỷ giây, các nhà nghiên cứu đã tạo ra trung tâm của một ngôi sao trên Trái đất. Sau hơn 50 năm nghiên cứu nhiệt hạch, cuối cùng thế giới đã đạt được mức tăng năng lượng ròng.
Thật khó tin, nhưng—một phần nghìn tỷ giây ư? Có vẻ khá ngắn.
Rất ngắn! Ý tưởng là quá trình này—plasma đang cháy—có thể được lặp lại nhiều lần mỗi giây, được thúc đẩy bởi một loạt các tia laser tạo ra nguồn năng lượng. Hãy nghĩ về nó giống như động cơ ô tô: Một tia lửa (tia laser) đốt cháy nhiên liệu (mục tiêu nhiên liệu nhiệt hạch), chỉ cháy trong thời gian ngắn, nhưng các chu kỳ đánh lửa và đốt cháy lặp đi lặp lại sẽ tạo ra năng lượng liên tục. Trong trường hợp năng lượng nhiệt hạch quán tính, điều này sẽ tương đương với động cơ một triệu mã lực.
Hiện tại, NIF tạo ra một hoặc hai tia mỗi ngày. Chúng tôi đang cố gắng chuyển từ một tia mỗi ngày sang nhiều tia mỗi giây. Nếu chúng ta có thể sắp xếp các vụ nổ này nhiều lần trong một giây, chúng ta có thể tạo ra một luồng năng lượng liên tục—và thực hiện theo cách an toàn, không phát thải carbon và ở quy mô đáp ứng nhu cầu năng lượng dài hạn của thế giới chúng ta.
Bây giờ chúng ta đã biết rằng nhiệt hạch có thể xảy ra trên Trái đất, chúng ta còn cách xa nguồn năng lượng vô hạn này trên lưới điện quốc gia đến mức nào?
Có rất nhiều rào cản mà chúng ta cần vượt qua trước khi năng lượng nhiệt hạch thương mại trở thành hiện thực. Như tôi đã nói trước đây, chúng ta cần chuyển từ một lần bắn laser mỗi ngày sang khoảng 10 lần bắn mỗi giây.
Tốc độ lặp lại cao là rất quan trọng. Ngoài ra, chúng ta cần phát triển công nghệ để đưa các mục tiêu nhiên liệu vào buồng nhiệt hạch, theo dõi chuyển động của chúng và sử dụng tia laser với cùng tốc độ—10 lần mỗi giây. Thách thức thứ ba là thiết kế chính các mục tiêu để đảm bảo chúng hợp nhất và tạo ra năng lượng mỗi lần.
Hiện tại, hiểu biết của chúng ta về vật lý và khoa học vật liệu của các mục tiêu này vẫn còn ở giai đoạn đầu—mức độ sẵn sàng về công nghệ rất thấp.
Về cơ bản hơn, chúng ta cần con người. Chúng ta cần đào tạo các chuyên gia ở mọi cấp độ—từ người vận hành nhà máy điện, kỹ thuật viên và thợ điện đến Tiến sĩ khoa học và kỹ thuật. Đây là những công việc tốt có thể được cung cấp trong nước. Chúng ta cần đào tạo lực lượng lao động, ở mọi cấp độ, về thiết kế và vận hành nhà máy điện.
SLAC đang làm gì để giải quyết những thách thức này?
SLAC đang thúc đẩy khoa học và công nghệ năng lượng nhiệt hạch theo nhiều cách, bao gồm hợp tác với các phòng thí nghiệm quốc gia, trường đại học và công ty tư nhân khác.
Một cơ hội quan trọng là thách thức về tỷ lệ lặp lại cao—chuyển từ một lần bắn laser mỗi ngày sang 10 lần bắn mỗi giây. SLAC có nhiều năm kinh nghiệm về chính chủ đề này. Chúng tôi là nơi có nguồn laser electron không tia X duy nhất trong nước, Nguồn sáng liên kết Linac (LCLS) và các trạm cuối thử nghiệm tiên tiến của nó. Chúng tôi đang tận dụng các cơ sở này để xây dựng khả năng tương tác laser-mục tiêu lặp lại cao.
Thách thức là làm cho mọi thứ hoàn hảo và ở đúng quy mô để hợp nhất. Đối với mỗi lần tương tác laser-mục tiêu, mục tiêu phải được định vị chính xác và chuyển động của mục tiêu phải được theo dõi và dự đoán liên tục với độ chính xác cao. Các thiết bị quang học—gương và thấu kính—phải được điều chỉnh chính xác để hướng tia laser.
Đạt được sự hoàn hảo này ở quy mô hệ thống, như nhà máy điện, là vô cùng khó khăn và đòi hỏi phải thử nghiệm từng bước tỉ mỉ để giải quyết mọi lỗi và vấn đề.
Nhờ chuyên môn và cơ sở vật chất độc đáo của SLAC—ví dụ, vận hành các cơ sở có tốc độ lặp lại cao như LCLS đòi hỏi phải đồng bộ hóa nhiều hệ thống—chúng tôi có vị thế tốt để giải quyết sự phức tạp đó.
Nếu chúng tôi muốn xây dựng sự hiểu biết cơ bản, phát triển các biện pháp thực hành tốt nhất và thực hiện các cuộc trình diễn ở quy mô trung bình để điều chỉnh thiết kế cho tốc độ lặp lại cao, thì thực sự không có nơi nào tốt hơn. Chúng tôi đã có tất cả các bộ phận ở cùng một vị trí tại SLAC.
Còn các lĩnh vực khác, như theo dõi mục tiêu và thiết kế vật liệu mục tiêu thì sao?
LCLS cung cấp xung tia X cho các trạm cuối tiên tiến, bao gồm các trạm cuối Vật chất trong Điều kiện khắc nghiệt (MEC) và Khúc xạ electron siêu nhanh Megaelectronvolt (MeV-UED). Cả MEC và MeV-UED đều có siêu năng lực độc đáo riêng giúp chúng tôi phát triển các công nghệ tổng hợp.
Tại MEC, chúng tôi kết hợp các xung tia X cực nhanh từ LCLS với các tia laser công suất cực cao. Điều này cho phép chúng tôi sao chép các mục tiêu phức tạp trong điều kiện khắc nghiệt, như buồng mục tiêu hợp nhất, và thử nghiệm các hệ thống phân phối và theo dõi mục tiêu. Chúng tôi đang xây dựng các hệ thống và chẩn đoán tiên tiến, sau đó đào tạo mọi người phát triển các kỹ năng cần thiết để điều phối việc phân phối mục tiêu lặp đi lặp lại và nhất quán.
MEC cũng giúp chúng tôi nghiên cứu vật liệu cho các mục tiêu nhiên liệu hợp nhất. Ví dụ, một mục tiêu nhiên liệu hợp nhất tiềm năng là bọt xốp—giống như miếng bọt biển trên bồn rửa nhà bếp của bạn—có thể hấp thụ nhiên liệu lỏng, chẳng hạn như deuterium và tritium. Khi một tia laser mạnh chiếu vào viên nang bọt, lớp ngoài sẽ tạo thành plasma, tạo ra sóng xung kích nén mẫu và bắt đầu quá trình hợp nhất. Thật tuyệt phải không?
Với MEC, chúng tôi có thể sao chép quá trình này và theo dõi phản ứng của bọt theo thời gian thực, hình dung cách vật liệu viên nang nhiên liệu hoạt động trong những điều kiện khắc nghiệt này. Dữ liệu này được đưa vào các mô hình tính toán và mô phỏng của chúng tôi, cho phép chúng tôi đưa ra những dự đoán chính xác hơn về cách tất cả các hệ thống này có thể kết hợp với nhau trong một nhà máy điện.
Và siêu năng lực của MeV-UED là gì?
Chúng tôi sử dụng cơ sở MeV-UED để nghiên cứu các vật liệu cấu trúc cần thiết để xây dựng buồng mục tiêu hợp nhất. Các vật liệu này sẽ chịu được các điều kiện khắc nghiệt, bao gồm bức xạ và thông lượng neutron cao, có thể làm chúng bị phân hủy theo thời gian. MeV-UED giúp chúng tôi hiểu cách các vật liệu khác nhau sẽ hoạt động trong những điều kiện đó và xác định các lựa chọn bền nhất.
Có vẻ như đã có một số tiến triển lớn trong các thách thức kỹ thuật. Nhưng còn việc xây dựng lực lượng lao động thì sao?
SLAC là điểm đến cho những sinh viên hào hứng làm việc trong lĩnh vực hợp nhất. Chúng tôi có các cơ sở quy mô lớn tại chỗ, kết hợp với chương trình Khoa học mật độ năng lượng cao, nơi sinh viên học hỏi từ các giảng viên của Stanford trên nhiều chuyên ngành. Ngoài ra, chúng tôi là trụ sở chính của LaserNetUS, một mạng lưới hợp tác các cơ sở laser trên khắp Hoa Kỳ và Canada.
Quan hệ đối tác này cho phép sinh viên và tiến sĩ sau tiến sĩ tiến hành các thí nghiệm, kết nối với khu vực thương mại và học hỏi từ các chuyên gia trên khắp lục địa. Chúng tôi vừa là căn cứ vừa là bệ phóng cho sự nghiệp trong lĩnh vực năng lượng nhiệt hạch.
Ông đã đề cập rằng các nhà máy điện nhiệt hạch sẽ cần lực lượng lao động ngoài các nhà khoa học và kỹ sư. Làm thế nào chúng ta có thể xây dựng lực lượng lao động đó trên toàn quốc?
Tôi đang đồng lãnh đạo một sáng kiến mới có tên là Inertial Fusion Energy 50, hay IFE 50. Là một phần của Hệ sinh thái IFE-STAR của Bộ Năng lượng, IFE 50 hướng đến mục tiêu kết nối với mọi tiểu bang tại Hoa Kỳ. Chúng tôi muốn tạo ra một mạng lưới cộng đồng trên khắp các học viện, phòng thí nghiệm quốc gia và ngành công nghiệp tư nhân, đặt nền tảng cho các công việc vững chắc của người Mỹ mang lại giá trị thực sự cho từng tiểu bang
Có nhà cung cấp địa phương nào có thể cung cấp nguyên liệu thô không? Có hứng thú bắt đầu một chương trình trường dạy nghề mới hỗ trợ các hệ thống điện, cơ khí và HVAC cần thiết tại các nhà máy điện không? Chúng tôi muốn bắt đầu những cuộc trò chuyện đó ngay bây giờ, để khi công nghệ đã sẵn sàng, lực lượng lao động của Hoa Kỳ cũng sẵn sàng.
Tại sao công việc này lại quan trọng với ông đến vậy?
Tôi rất vui khi được đến SLAC mỗi ngày. Chúng tôi làm những công việc tuyệt vời như vậy ở đây, tận dụng các cơ sở độc đáo và con người của chúng tôi. Và bạn biết đấy, nó không dừng lại ở năng lượng nhiệt hạch—công việc của chúng tôi được chuyển thành nhiều lĩnh vực năng lượng và an ninh giúp đất nước chúng tôi mạnh mẽ và an toàn. Chúng tôi rất tự hào về những gì chúng tôi làm.
Được cung cấp bởi Phòng thí nghiệm tăng tốc quốc gia SLAC
