Tại thành phố Thượng Hải, trung tâm tài chính của Trung Quốc, các nhà khoa học và kỹ sư làm việc suốt ngày đêm để theo đuổi sự đột phá trong lĩnh vực công nghệ toàn cầu, từ internet 6G và AI tiên tiến đến robot thế hệ tiếp theo. Cũng tại đây, một công ty khởi nghiệp nhỏ có tên Energy Singularity đang tìm cách khai thác năng lượng nhiệt hạch.
Trong khi các công ty và chuyên gia Mỹ lo ngại nước này đang mất đi vị thế dẫn đầu trong cuộc đua làm chủ nguồn năng lượng sạch gần như vô hạn đó, thì các công ty nhiệt hạch mới như Energy Singularity mọc lên khắp Trung Quốc.
Lò tokamak của công ty Energy Singularity kìm hãm plasma trong một thí nghiệm. (Ảnh: CNN)
Phản ứng nhiệt hạch là quá trình cung cấp năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao khác, rất khó để tái tạo trên Trái đất. Nhiều quốc gia đã đạt được phản ứng nhiệt hạch, nhưng việc duy trì chúng đủ lâu để ứng dụng thực tế vẫn còn rất khó khăn.
Bất kỳ quốc gia nào làm chủ được công nghệ này trước đều nắm được lợi thế rất lớn và có tầm ảnh hưởng toàn cầu.
Phản ứng nhiệt hạch được kiểm soát sẽ giải phóng lượng năng lượng gấp khoảng bốn triệu lần so với việc đốt than, dầu hoặc khí đốt, và gấp bốn lần so với phản ứng phân hạch, loại năng lượng hạt nhân sử dụng phổ biến ngày nay.
Giới nghiên cứu sẽ không thể phát triển kịp thời phản ứng nhiệt hạch để đối phó biến đổi khí hậu trong thập kỷ này, nhưng có thể là giải pháp cho hiện tượng ấm lên toàn cầu trong tương lai.
Jean Paul Allain, người đứng đầu Văn phòng Khoa học năng lượng nhiệt hạch của Bộ Năng lượng Mỹ, cho biết chính phủ Trung Quốc mỗi năm rót khoảng 1 tỷ đến 1,5 tỷ USD vào năng lượng nhiệt hạch. Trong khi đó, chính quyền Tổng thống Mỹ Joe Biden chi khoảng 800 triệu USD mỗi năm.
Các doanh nghiệp tư nhân ở cả hai quốc gia đều lạc quan, cho rằng họ có thể đưa năng lượng nhiệt hạch vào lưới điện khoảng giữa thập 2030, bất chấp những thách thức kỹ thuật khổng lồ đang phải đối mặt.
Mỹ là một trong những nước đầu tiên trên thế giới bắt đầu nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch từ những năm 1950. Trung Quốc bắt đầu sau vài thập kỷ nhưng tăng tốc nhanh chóng những năm gần đây. Kể từ năm 2015, số lượng bằng sáng chế về năng lượng nhiệt hạch của Trung Quốc tăng vọt và hiện nhiều hơn bất kỳ quốc gia nào khác.
Energy Singularity, công ty khởi nghiệp ở Thượng Hải, chỉ là một ví dụ về tốc độ phát triển chóng mặt của Trung Quốc. Công ty đã xây dựng được lò phản ứng tokamak của riêng mình trong ba năm kể từ khi thành lập, nhanh hơn bất kỳ lò phản ứng tương tự nào từng được xây dựng.
Tokamak là cỗ máy phức tạp, có hình trụ hoặc hình bánh vòng, làm nóng hydro đến nhiệt độ cực cao, tạo ra plasma để diễn ra phản ứng nhiệt hạch.
Cơ sở nghiên cứu toàn diện về công nghệ nhiệt hạch (CRAFT) đang được xây dựng tại thành phố Hợp Phì, miền đông Trung Quốc. (Ảnh: Getty Images)
Đối với công ty non trẻ và phải đi tìm lời giải cho một trong những câu đố vật lý khó nhất thế giới, Energy Singularity vẫn cực kỳ lạc quan. Công ty nhận được hơn 112 triệu USD đầu tư tư nhân và hiện là công ty duy nhất sở hữu lò tokamak sử dụng nam châm tiên tiến trong thí nghiệm plasma.
Được gọi là siêu dẫn nhiệt độ cao, nam châm này mạnh hơn nam châm đồng được sử dụng trong tokamak cũ. Theo các nhà khoa học MIT nghiên cứu cùng công nghệ, chúng cho phép các lò tokamak nhỏ hơn có thể tạo ra nhiều năng lượng nhiệt hạch như các lò lớn hơn và có thể kìm hãm plasma tốt hơn.
Energy Singularity cho biết đang có kế hoạch xây dựng lò tokamak thế hệ thứ hai để chứng minh phương pháp của họ có tính khả thi về mặt thương mại vào năm 2027. Công ty hy vọng thiết bị thế hệ thứ ba có thể cung cấp điện cho lưới điện trước năm 2035.
Trái lại, các lò tokamak ở Mỹ đang lỗi thời, Andrew Holland, Giám đốc điều hành Hiệp hội công nghiệp nhiệt hạch ở Washington, cho biết. Do đó, Mỹ phải dựa vào máy móc của các đồng minh ở Châu Âu, Nhật Bản và Anh để thúc đẩy nghiên cứu.
Ông Holland chỉ ra một công viên nghiên cứu nhiệt hạch mới trị giá 570 triệu USD đang xây dựng ở miền đông Trung Quốc, có tên là Cơ sở nghiên cứu toàn diện về công nghệ nhiệt hạch (CRAFT), dự kiến hoàn thành vào năm tới.
“Chúng tôi không có thứ gì như thế cả” , ông nói với CNN . “Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton đã nâng cấp lò tokamak suốt 10 năm nay. Trong khi lò tokamak khác đang hoạt động ở Mỹ là DIII-D đã 30 năm tuổi. Không có cơ sở nhiệt hạch hiện đại nào tại các phòng thí nghiệm quốc gia của Mỹ”.
Hướng đi mới của Mỹ
Phản ứng nhiệt hạch là quá trình cực kỳ phức tạp, nhằm ép hai hạt nhân vốn dĩ sẽ đẩy nhau tiến lại gần nhau. Một cách để thực hiện phản ứng là tăng nhiệt độ trong lò tokamak lên đến 150 triệu độ C, gấp 10 lần nhiệt độ lõi của Mặt Trời. Khi các hạt nhân kết hợp, chúng giải phóng lượng năng lượng lớn dưới dạng nhiệt, có thể dùng để quay tua-bin và tạo ra điện.
Duy trì phản ứng nhiệt hạch trong thời gian dài khó khăn hơn nhiều. Trong khi Trung Quốc đang nỗ lực vươn lên với các lò tokamak, Mỹ lại tìm được lợi thế trong công nghệ khác là laser.
Cuối năm 2022, các nhà khoa học ở Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore tại California chiếu gần 200 tia laser vào một xi-lanh chứa viên nhiên liệu có kích thước bằng hạt tiêu. Đây là thí nghiệm thành công đầu tiên trên thế giớitạo ra năng lượng nhiệt hạch ròng, có nghĩa năng lượng sản sinh từ quá trình nhiều hơn mức sử dụng để làm nóng nhiên liệu.
Một thành phần trong hệ thống laser tại Phòng thí nghiệm quốc gia Lawrence Livermore ở California, Mỹ. (Ảnh: CNN)
Vẫn còn nhiều cách khác để đạt được phản ứng nhiệt hạch và Mỹ đang đặt cược vào nhiều công nghệ khác nhau.
Melanie Windridge, nhà vật lý plasma kiêm giám đốc điều hành của Fusion Energy Insights, một tổ chức theo dõi năng lượng nhiệt hạch, nói: "Chúng tôi không biết chính xác đâu là cách thức tốt nhất. Có thể có nhiều cách tiếp cận khả thi với năng lượng nhiệt hạch, tùy theo chi phí và các yếu tố khác trong dài hạn".
Bà Windridge cho rằng lò tokamak vẫn là cách thức tốt nhất hiện nay. "Lò tokamak là cách thức được nghiên cứu nhiều nhất theo thời gian và tiên tiến nhất về mặt vật lý. Nhiều công ty tư nhân đang xây dựng kiểu lò này".
Với số tiền mà Trung Quốc đầu tư vào nghiên cứu, công nghệ lò phản ứng tokamak đang phát triển nhanh chóng. Tokamak EAST của Trung Quốc tại Hợp Phì đã giữ plasma ổn định ở nhiệt độ 70 triệu độ C - nóng hơn năm lần so với lõi mặt trời - trong hơn 17 phút, một kỷ lục thế giới và là một bước đột phá đáng kinh ngạc.
Chuyên gia Mikhail Maslov ở Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Anh mô tả đây là cột mốc quan trọng hướng tới thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch.
Theo chuyên gia Jean Paul Allain của Bộ Năng lượng Mỹ, trong khi chính phủ Trung Quốc đổ tiền vào năng lượng nhiệt hạch, Mỹ lại thu hút được nhiều đầu tư tư nhân hơn. Trên toàn cầu, khối tư nhân đã chi 7 tỷ USD cho nhiệt hạch trong 3 - 4 năm qua, trong đó khoảng 80% là của các công ty Mỹ.
"Tuy nhiên, nếu chính phủ Trung Quốc tiếp tục rót hơn 1 tỷ USD mỗi năm vào năng lượng nhiệt hạch, nước này có thể sớm vượt qua Mỹ, ngay cả ở khối tư nhân" , Allain nói.