Lò phản ứng năng lượng nhiệt hạch đầu tiên ở Hoa Kỳ được cấp giấy phép xây dựng ở Tennessee

[trungthuc]

Công ty khởi nghiệp về năng lượng nhiệt hạch được Bill Gates hậu thuẫn bắt đầu được cấp giấy phép cho lò phản ứng tiên tiến tại tiểu bang Tennessee.
Dự án Infinity One của startup Type One Energy đánh dấu sự chuyển đổi từ năng lượng hóa thạch sang tham vọng về năng lượng nhiệt hạch.

(Minh họa)
Chương tiếp theo trong nỗ lực kết hợp năng lượng nhiệt hạch của Hoa Kỳ đã bắt đầu hình thành một cách lặng lẽ vào tháng trước khi Type One Energy, một công ty khởi nghiệp được ông Bill Gates đứng ra hậu thuẫn, nộp đơn xin giấy phép xây dựng đầu tiên. Việc nộp đơn này mở đường cho việc xây dựng lò phản ứng thử nghiệm stellarator.

Trong sáu thập kỷ qua, nhà máy nhiệt điện Bull Run ở Claxton, Tennessee, đã cung cấp năng lượng cho cả một khu vực với nhiên liệu hóa thạch (than đá và xăng dầu). Vào năm ngoái, nhà máy đã cho ngừng hoạt động, với việc hai ống khói đôi của nhà máy đã cho sụp đổ trong một vụ phá dỡ có kiểm soát. Sự sụp đổ của chúng không chỉ đã xóa bỏ một biểu tượng ra khỏi đường chân trời của Tennessee mà còn tượng trưng cho vai trò mới nổi của tiểu bang trong lĩnh vực đổi mới năng lượng với kỹ thuật cao. Tạp chí Popular Mechanics có đưa tin cho rằng, địa điểm này có thể sớm là nơi sẽ đặt ra các cuộn dây từ phức tạp của Infinity One, một lò phản ứng hạt nhân được thiết kế để giữ plasma ở nhiệt độ lên đến 100 triệu độ C.

Thiết kế của Type One Energy sẽ khác biệt hoàn toàn so với các lò phản ứng tokamak quen thuộc hơn trong thế giới nhiệt hạch, thay vào đó được mô phỏng theo stellarator. Giống như tokamak, stellarator giữ một vòng plasma hình xuyến được treo qua từ trường. Tuy nhiên, thay vì các cuộn dây tròn đơn giản, stellarator xoắn hình học từ trường của chúng thành các đường dẫn phức tạp. Cách tiếp cận này hứa hẹn khả năng giam giữ nhiệt ổn định hơn nhiều, giải quyết được một vấn đề đã gây khó khăn cho các thí nghiệm tokamak trong nhiều thập kỷ qua, nhưng điều này sẽ làm gia tăng thêm độ phức tạp về mặt kỹ thuật.

Một phần quan trọng trong phương pháp của Type One là việc cho sử dụng nam châm siêu dẫn nhiệt độ cao trong các cuộn dây phức tạp đó. Công ty đang chế tạo ra kỹ thuật nam châm HTS dạng mô-đun có khả năng dẫn dòng điện rất cao và tạo ra từ trường đa năng trong các hình dạng uốn lượn đáp ứng theo yêu cầu của máy stellarator. Các cuộn dây này hoạt động ở nhiệt độ đông lạnh, được thiết kế ra nhằm tạo ra từ trường mạnh trong không gian nhỏ gọn, điều này rất quan trọng để giữ được kích thước nhỏ và chi phí thấp của thiết bị trong giới hạn thực tế. Các chương trình thử nghiệm đã tập trung vào việc chứng minh rằng các cuộn dây HTS không phẳng này có thể chịu được các áp suất về cơ học và cường độ từ trường mà máy stellarator thế hệ tiếp theo yêu cầu.

Khái niệm stellarator của Type One dựa trên việc cho tối ưu hóa bán đối xứng, một chiến lược thiết kế định hình từ trường ba chiều làm sao cho quỹ đạo của các hạt hoạt động giống như chúng đang ở trong một cấu trúc đối xứng hơn. Để đạt được điều đó, nhóm chuyên gia nghiên cứu sử dụng các mô phỏng plasma và từ tĩnh với quy mô lớn trên các hệ thống điện toán có hiệu năng cao, bao gồm cả các máy tính thuộc lớp exascale tại các phòng thí nghiệm quốc gia.

Công ty sử dụng các mô phỏng đó để tinh chỉnh hình dạng cuộn dây, giảm đi mức tổn thất vận chuyển và thiết lập cơ sở vật lý cho nhà máy điện Infinity Two tiếp theo, đồng thời giảm thiểu rủi ro trước khi cho xây dựng phần cứng. Infinity One là giai đoạn nguyên mẫu của một kế hoạch cuối cùng sẽ bao gồm một nhà máy điện 350 megawatt có tên Infinity Two, cùng với một trung tâm đào tạo cho lực lượng nhân sự chuyên trách về năng lượng nhiệt hạch mới của khu vực.

Type One đặt ra mục tiêu đưa nguyên mẫu vào hoạt động năm 2029, một mốc thời gian đầy tham vọng theo tiêu chuẩn của ngành kỹ nghệ nhiệt hạch. Infinity Two được thiết kế như một nhà máy điện thí điểm hoàn chỉnh, với kiến ​​trúc tích hợp các bộ phận chuyển hướng để thải "tro" helium và bảo vệ các bức tường, sử dụng các lớp phủ sinh học vừa che chắn nam châm vừa tạo ra tritium để làm ra nhiên liệu.

Một số sáng lập viên của Type One đã tham gia thiết kế các cơ sở plasma lớn, bao gồm Thí nghiệm Đối xứng Xoắn ốc tại Đại học Wisconsin-Madison và Wendelstein 7-X của Đức, loại stellarator lớn nhất thế giới đang cho hoạt động. Các thí nghiệm trên Wendelstein 7-X và các stellarator được tối ưu hóa khác đã cho thấy khả năng giam giữ nhiệt hạch được cải thiện và giảm vận chuyển cổ điển so với các thiết kế trước đó, củng cố ý tưởng rằng các stellarator khi được tối ưu hóa có thể sẽ đạt được hiệu suất tương tự như tokamak trong khi vẫn giữ được lợi thế về trạng thái ổn định và khả năng chống gián đoạn.

(Minh họa)
Giám đốc điều hành của Type One, ông Christofer Mowry, gọi sự hợp tác với Cơ quan Thung lũng Tennessee là một mô hình "an toàn ngay từ khâu thiết kế".

"Chúng tôi đã hợp tác chặt chẽ với nhau từ tháng 2 năm 2024, chia sẻ mọi thông tin thiết kế và kiến ​​thức có liên quan, điều cần thiết để thiết lập ra các điều kiện xin cấp giấy phép phù hợp cho một nhà máy điện nhiệt hạch", ông cho biết.

Ông Mowry mô tả sự hợp tác này sẽ biến tiểu bang Tennessee trở thành một hình mẫu quốc tế về mức độ an toàn và sự minh bạch trong việc cấp giấy phép máy hàn nhiệt hạch.

Sự chuyển đổi của nhà máy điện Bull Run phù hợp với xu hướng rộng hơn đang xảy ra trong quá trình tái sản xuất năng lượng của Hoa Kỳ. Form Energy đã thiết lập ra nhà máy sản xuất pin sắt-không khí đầu tiên tại thị trấn Weirton, Tây Virginia, nơi từng là trung tâm sản xuất thép lớn ở Hoa Kỳ. Trong khi đó, các công ty khác ở Lincoln, Maine, đang biến một nhà máy giấy đã đóng cửa trở thành một nơi sản xuất pin có quy mô lưới điện lớn nhất thế giới.

Một công ty khác được ông Gates hậu thuẫn, TerraPower, đang xây dựng một nhà máy phân hạch tiên tiến gần một nhà máy than sắp cho ngừng hoạt động ở Kemmerer, Wyoming. Việc xây dựng cơ sở này, vốn không cần sử dụng năng lượng hạt nhân, đã bắt đầu vào tháng 6 năm 2024. Thay vì loại bỏ cơ sở hạ tầng của kỷ nguyên carbon, các kỹ sư hiện đang cho tái thiết kế lại cho phù hợp với các nguyên lý vật lý của một kỷ nguyên sạch hơn.

Xem clip ở đây:
Reimagining Energy: Fusion’s Future at Bull Run