Châu Âu bắt tay Nhật Bản trong cuộc đua xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch thương mại đầu tiên thế giới

Cuộc đua phát triển nhà máy điện nhiệt hạch thương mại đầu tiên trên thế giới đang bước vào giai đoạn cạnh tranh quyết liệt hơn, khi các quốc gia và doanh nghiệp công nghệ tìm cách biến một trong những tham vọng khoa học lớn nhất của nhân loại thành nguồn năng lượng có thể khai thác trong thực tế.

Trong cuộc đua này, châu Âu đang tăng cường hợp tác với Nhật Bản nhằm giải quyết một trong những nút thắt quan trọng nhất của ngành công nghiệp nhiệt hạch: nguồn cung vật liệu siêu dẫn chuyên dụng.

Proxima Fusion, công ty khởi nghiệp có trụ sở tại Munich (Đức) và là một trong những doanh nghiệp nhiệt hạch được đầu tư mạnh nhất châu Âu, vừa ký kết biên bản ghi nhớ với hai đối tác công nghiệp Nhật Bản là Fujikura và Kyoto Fusioneering.

Thỏa thuận được ký tại Tokyo ngày 28/10, với sự tham dự của Thủ tướng Nhật Bản Sanae Takaichi và Thủ tướng Đức Friedrich Merz trong chuyến thăm nhằm thúc đẩy quan hệ thương mại giữa hai nước.

Đây không chỉ là một thỏa thuận hợp tác công nghiệp thông thường. Nó phản ánh nỗ lực của châu Âu trong việc xây dựng năng lực sản xuất nội địa đối với những linh kiện có vai trò quyết định trong các nhà máy nhiệt hạch tương lai, thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào một số ít nhà cung cấp trên thế giới.

Năng lượng nhiệt hạch: Công nghệ có thể thay đổi tương lai ngành điện

Năng lượng nhiệt hạch được đánh giá là một trong những hướng đi đầy triển vọng để giải quyết nhu cầu năng lượng toàn cầu trong dài hạn.

Khác với các nhà máy điện truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch, công nghệ nhiệt hạch hướng đến việc tái tạo quá trình tạo năng lượng diễn ra bên trong Mặt Trời.

Về nguyên lý, phản ứng nhiệt hạch xảy ra khi hai hạt nhân nguyên tử nhẹ hợp nhất thành một hạt nhân nặng hơn. Quá trình này giải phóng một lượng năng lượng rất lớn.

Để thực hiện phản ứng, nhiên liệu phải được nung nóng đến nhiệt độ cực cao, tạo thành trạng thái vật chất gọi là plasma. Đây là môi trường đặc biệt mà các hạt mang điện chuyển động tự do và có thể tham gia phản ứng nhiệt hạch.

Tiềm năng của công nghệ này nằm ở khả năng cung cấp nguồn điện dồi dào, phát thải carbon rất thấp trong quá trình phát điện và không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như năng lượng mặt trời hay điện gió.

Nếu có thể thương mại hóa thành công, nhiệt hạch có khả năng trở thành một nguồn năng lượng quan trọng, hỗ trợ hệ thống điện toàn cầu trong bối cảnh nhu cầu năng lượng tăng nhanh do công nghiệp hóa, trung tâm dữ liệu và trí tuệ nhân tạo.

Tuy nhiên, việc biến phản ứng nhiệt hạch thành một nhà máy điện hoạt động ổn định và có hiệu quả kinh tế vẫn là thách thức rất lớn.

Hiện nay, có hai hướng tiếp cận chính trong nghiên cứu nhiệt hạch.

Một hướng sử dụng laser công suất cao để nén và làm nóng nhiên liệu, tạo điều kiện cho các hạt nhân nguyên tử hợp nhất.

Hướng còn lại sử dụng những nam châm cực mạnh để giữ plasma siêu nóng bên trong một thiết bị chuyên dụng, ngăn plasma tiếp xúc với thành thiết bị.

Proxima Fusion đang theo đuổi phương pháp thứ hai, với thiết kế thiết bị từ tính có tên gọi stellarator.

Proxima Fusion lựa chọn công nghệ Stellarator để phát triển nhà máy nhiệt hạch

Stellarator là một dạng thiết bị giam giữ plasma bằng từ trường, được thiết kế với hệ thống nam châm có hình dạng phức tạp nhằm duy trì plasma trong điều kiện nhiệt độ cực cao.

Một trong những ưu điểm được kỳ vọng của công nghệ này là khả năng duy trì plasma ổn định trong thời gian dài mà không cần phụ thuộc nhiều vào dòng điện chạy bên trong plasma như một số thiết kế nhiệt hạch khác.

Tuy nhiên, để xây dựng được hệ thống stellarator có hiệu suất cao, các nhà khoa học và kỹ sư cần những nam châm siêu dẫn có khả năng tạo ra từ trường cực mạnh.

Đây chính là lý do vật liệu siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) trở thành một thành phần đặc biệt quan trọng.

Proxima Fusion đang tìm cách phát triển công nghệ này cùng các đối tác Nhật Bản, trong đó Fujikura sẽ đóng vai trò quan trọng trong kế hoạch xây dựng năng lực sản xuất băng siêu dẫn tại Đức.

Vì sao băng siêu dẫn HTS trở thành mắt xích quan trọng của ngành nhiệt hạch?

Một trong những nội dung đáng chú ý nhất trong thỏa thuận giữa Proxima Fusion và Fujikura là kế hoạch nghiên cứu khả năng sản xuất công nghiệp băng siêu dẫn nhiệt độ cao (HTS) tại Đức.

HTS là loại vật liệu có khả năng dẫn điện với điện trở gần như bằng không khi được duy trì trong điều kiện nhiệt độ phù hợp.

Vật liệu này thường được chế tạo thành những dải băng kim loại chuyên dụng. Các dải băng sau đó được cuộn và tích hợp vào hệ thống nam châm siêu dẫn để tạo ra từ trường rất mạnh.

Trong nhà máy nhiệt hạch stellarator, những nam châm này có nhiệm vụ giữ và kiểm soát plasma siêu nóng bên trong thiết bị.

Nếu không có hệ thống từ trường đủ mạnh và ổn định, việc duy trì plasma trong điều kiện cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch sẽ trở nên vô cùng khó khăn.

Điều đáng chú ý là nguồn cung băng HTS hiện vẫn tương đối hạn chế. Chỉ có một số ít doanh nghiệp trên thế giới sở hữu năng lực sản xuất vật liệu này ở quy mô công nghiệp.

Do đó, việc bảo đảm nguồn cung không chỉ là vấn đề chi phí mà còn liên quan trực tiếp đến khả năng triển khai các dự án nhiệt hạch trong tương lai.

Francesco Sciortino, Giám đốc điều hành kiêm đồng sáng lập Proxima Fusion, đánh giá Fujikura là một trong những nhà sản xuất hàng đầu trong lĩnh vực siêu dẫn nhiệt độ cao.

Fujikura là tập đoàn công nghiệp Nhật Bản có lịch sử 141 năm và hơn 50.000 nhân viên trên toàn thế giới. Doanh nghiệp này đã xây dựng được vị thế đáng kể trong lĩnh vực cáp quang và các công nghệ liên quan.

Theo Sciortino, Fujikura nhìn nhận băng siêu dẫn HTS có tiềm năng trở thành một sản phẩm quan trọng tương tự như vai trò của sợi quang trong ngành viễn thông.

Nhận định này cho thấy vật liệu siêu dẫn có thể không chỉ phục vụ ngành nhiệt hạch mà còn trở thành một lĩnh vực công nghiệp có giá trị lớn trong tương lai.

Proxima Fusion muốn sản xuất 5.000 km băng siêu dẫn mỗi năm vào năm 2030

Theo kế hoạch được công bố, Proxima Fusion đang nghiên cứu khả năng xây dựng một cơ sở sản xuất băng siêu dẫn tại bang Lower Saxony của Đức.

Mục tiêu của doanh nghiệp là đạt công suất sản xuất khoảng 5.000 km băng HTS mỗi năm vào năm 2030.

Đây là một mục tiêu đáng chú ý nếu xét đến quy mô vật liệu cần thiết để xây dựng các hệ thống nam châm siêu dẫn cho nhà máy nhiệt hạch.

Theo Francesco Sciortino, Proxima Fusion dự kiến cần khoảng 20.000 km băng siêu dẫn cho dự án trình diễn nhiệt hạch mang tên Alpha.

Sau đó, công ty sẽ cần thêm khoảng 40.000 km vật liệu cho nhà máy điện nhiệt hạch Stellaris theo kế hoạch.

Như vậy, tổng nhu cầu vật liệu cho hai dự án có thể lên tới khoảng 60.000 km.

Con số này cho thấy quy mô chuỗi cung ứng cần thiết để chuyển công nghệ nhiệt hạch từ giai đoạn nghiên cứu sang sản xuất và vận hành thương mại.

Việc phát triển năng lực sản xuất trong nước sẽ giúp Proxima Fusion giảm rủi ro phụ thuộc vào nguồn cung bên ngoài, đồng thời tạo điều kiện để các doanh nghiệp châu Âu tham gia sâu hơn vào chuỗi giá trị công nghiệp nhiệt hạch.

Khoản đầu tư 140 triệu euro và vòng gọi vốn 468 triệu USD

Proxima Fusion đang lên kế hoạch đầu tư khoảng 140 triệu euro, tương đương 160 triệu USD, cho các hoạt động phát triển năng lực sản xuất và chuỗi cung ứng liên quan.

Một phần nguồn tài chính dự kiến đến từ vòng gọi vốn 468 triệu USD mà công ty thực hiện vào tháng 7.

Sau vòng huy động vốn này, Proxima Fusion được định giá khoảng 2,7 tỷ USD.

Đáng chú ý, danh sách nhà đầu tư của doanh nghiệp có sự tham gia của Alphabet, công ty mẹ của Google.

Sự tham gia của những nhà đầu tư lớn cho thấy công nghệ nhiệt hạch đang thu hút sự quan tâm ngày càng tăng từ các tổ chức tài chính và tập đoàn công nghệ.

Trong bối cảnh nhu cầu điện năng cho trung tâm dữ liệu, trí tuệ nhân tạo và các ngành công nghiệp công nghệ cao liên tục tăng, những nguồn năng lượng sạch có khả năng cung cấp điện ổn định trong thời gian dài đang trở thành mục tiêu đầu tư chiến lược.

Tuy nhiên, cần phân biệt giữa việc huy động vốn thành công và khả năng thương mại hóa công nghệ. Nhiệt hạch vẫn cần vượt qua nhiều thách thức kỹ thuật, kinh tế và công nghiệp trước khi có thể trở thành nguồn điện phổ biến.

Nhật Bản trở thành đối tác quan trọng trong chuỗi cung ứng nhiệt hạch của châu Âu

Ngoài Fujikura, Proxima Fusion còn ký thỏa thuận hợp tác với Kyoto Fusioneering, một doanh nghiệp Nhật Bản hoạt động trong lĩnh vực công nghệ nhiệt hạch.

Thỏa thuận với Kyoto Fusioneering tập trung mở rộng những công việc đang được triển khai liên quan đến gyrotron thế hệ tiếp theo.

Gyrotron là thiết bị tạo ra sóng vi ba công suất cao, được sử dụng để làm nóng plasma trong các hệ thống nhiệt hạch.

Đây là một thành phần quan trọng trong quá trình duy trì điều kiện nhiệt độ cần thiết để phản ứng nhiệt hạch diễn ra.

Việc hợp tác với hai doanh nghiệp Nhật Bản giúp Proxima Fusion tiếp cận những năng lực công nghiệp chuyên sâu mà châu Âu chưa thể tự chủ hoàn toàn.

Đồng thời, thỏa thuận cũng phản ánh xu hướng hợp tác quốc tế trong ngành năng lượng thế hệ mới. Không một quốc gia hay doanh nghiệp đơn lẻ nào dễ dàng sở hữu đầy đủ công nghệ, vật liệu, thiết bị và năng lực sản xuất cần thiết để xây dựng nhà máy nhiệt hạch thương mại.

Nhật Bản có thế mạnh về vật liệu tiên tiến, thiết bị chính xác và công nghệ sản xuất công nghiệp. Trong khi đó, Đức và châu Âu có nền tảng nghiên cứu khoa học, kỹ thuật và hệ sinh thái công nghiệp phát triển.

Việc kết hợp những lợi thế này có thể giúp rút ngắn thời gian phát triển chuỗi cung ứng cho các dự án nhiệt hạch.

Châu Âu muốn biến lợi thế nghiên cứu khoa học thành sức mạnh công nghiệp

Đối với châu Âu, việc phát triển năng lượng nhiệt hạch không chỉ liên quan đến mục tiêu bảo đảm nguồn cung điện sạch mà còn là vấn đề cạnh tranh công nghệ và chủ quyền công nghiệp.

Ann Mettler, Chủ tịch Catalyse Europe, tổ chức nghiên cứu về năng lượng sạch có trụ sở tại Brussels và là cựu Phó Chủ tịch Breakthrough Energy, cho rằng phát triển nhiệt hạch nên trở thành ưu tiên chiến lược của châu Âu.

Theo bà, châu Âu là khu vực tương đối nghèo tài nguyên và vẫn phụ thuộc đáng kể vào Trung Quốc trong nhiều lĩnh vực nguyên liệu và công nghệ quan trọng.

Trong bối cảnh cạnh tranh công nghệ toàn cầu ngày càng quyết liệt, việc nắm giữ những công nghệ năng lượng tiên tiến có thể tạo ra lợi thế chiến lược lâu dài.

Mettler nhận định nhiệt hạch có tiềm năng mang lại nguồn năng lượng dồi dào, sạch và gần như vô hạn nếu những thách thức kỹ thuật hiện nay được giải quyết.

Tuy nhiên, bà cũng nhấn mạnh một vấn đề mà châu Âu từng gặp phải trong nhiều lĩnh vực công nghệ: khả năng chuyển đổi thành tựu nghiên cứu khoa học thành lợi thế sản xuất và lợi nhuận công nghiệp.

Châu Âu có nhiều viện nghiên cứu, trường đại học và tập đoàn công nghiệp lớn. Tuy nhiên, việc thương mại hóa các công nghệ mới đôi khi không theo kịp tốc độ nghiên cứu.

Theo Mettler, nếu châu Âu có thể trở thành khu vực đầu tiên phát triển thành công nhà máy nhiệt hạch thương mại, lợi thế kinh tế sẽ rất lớn. Nhưng điều đó chỉ có thể xảy ra nếu khu vực này đồng thời xây dựng được chuỗi cung ứng công nghiệp đủ mạnh.

Đây chính là lý do việc sản xuất băng HTS tại Đức có ý nghĩa quan trọng. Nó không chỉ phục vụ riêng Proxima Fusion mà còn có thể tạo ra nền tảng sản xuất cho toàn bộ hệ sinh thái nhiệt hạch châu Âu.

Proxima Fusion đặt mục tiêu đạt năng lượng ròng vào đầu những năm 2030

Francesco Sciortino cho biết ông vẫn tin tưởng Proxima Fusion có cơ hội trở thành một trong những doanh nghiệp đầu tiên đưa nhà máy nhiệt hạch thí điểm vào hoạt động.

Tuy nhiên, theo ông, chìa khóa để đạt được thành công về mặt kinh tế không chỉ là xây dựng được một thiết bị có thể tạo ra phản ứng nhiệt hạch.

Một nhà máy nhiệt hạch thương mại cần được thiết kế sao cho có thể sản xuất, vận hành và bảo trì với mức độ phức tạp thấp nhất có thể.

Sciortino cho rằng việc thiết kế, sản xuất và vận hành nhà máy là những công việc rất phức tạp. Proxima Fusion có thể giải quyết những vấn đề liên quan đến thiết kế và sản xuất, nhưng mục tiêu quan trọng là đơn giản hóa quá trình vận hành.

Công ty đang hướng đến mục tiêu đạt được lợi ích năng lượng ròng vào đầu những năm 2030.

Lợi ích năng lượng ròng là một cột mốc quan trọng trong nghiên cứu nhiệt hạch, thể hiện việc hệ thống tạo ra được lượng năng lượng lớn hơn mức năng lượng cần thiết để kích hoạt phản ứng theo phạm vi đo lường tương ứng.

Tuy nhiên, đạt được cột mốc này trong điều kiện thí nghiệm không đồng nghĩa với việc một nhà máy điện đã có thể sản xuất điện thương mại với chi phí cạnh tranh.

Để đạt được mục tiêu đó, doanh nghiệp còn phải giải quyết nhiều vấn đề như độ bền vật liệu, khả năng duy trì plasma, hiệu suất chuyển đổi năng lượng, hệ thống làm mát và chi phí vận hành.

Cuộc đua nhiệt hạch toàn cầu ngày càng có nhiều đối thủ mạnh

Proxima Fusion không phải doanh nghiệp duy nhất theo đuổi mục tiêu xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch thương mại đầu tiên.

Tại Mỹ, Commonwealth Fusion Systems là một trong những đối thủ đáng chú ý. Doanh nghiệp này cũng nhận được sự hậu thuẫn từ Google và đang phát triển công nghệ nhiệt hạch sử dụng nam châm siêu dẫn để tạo ra từ trường mạnh.

Một cái tên khác là Helion Energy, công ty đang theo đuổi hướng tiếp cận riêng nhằm thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch.

Canada có General Fusion, doanh nghiệp phát triển các phương pháp kết hợp công nghệ nén cơ học và từ trường để tạo điều kiện cho phản ứng nhiệt hạch.

Trong khi đó, Trung Quốc cũng đang tăng tốc đầu tư vào lĩnh vực này thông qua nhiều doanh nghiệp được nhà nước hỗ trợ, trong đó có China Fusion Energy Co.

Tại Nhật Bản, Helical Fusion là một trong những doanh nghiệp đang theo đuổi mục tiêu phát triển nhà máy nhiệt hạch sử dụng công nghệ stellarator.

Sự tham gia của nhiều quốc gia và doanh nghiệp cho thấy nhiệt hạch đang dần trở thành một lĩnh vực cạnh tranh chiến lược.

Không chỉ có ý nghĩa đối với ngành năng lượng, việc sở hữu công nghệ nhiệt hạch còn có thể tạo ra lợi thế trong sản xuất vật liệu tiên tiến, thiết bị siêu dẫn, công nghệ chân không, điện tử công suất và các hệ thống điều khiển phức tạp.

Chuỗi cung ứng mới là cuộc đua dài hạn phía sau công nghệ nhiệt hạch

Một trong những cảnh báo đáng chú ý của Ann Mettler là chuỗi cung ứng cho ngành nhiệt hạch cần được xây dựng từ nhiều năm trước.

Theo bà, nhiều người thường nhìn nhận các công nghệ tiên tiến như thể chúng có thể được kích hoạt ngay lập tức khi khoa học đạt được đột phá. Nhưng thực tế không đơn giản như vậy.

Ngay cả khi một công ty chứng minh được khả năng duy trì phản ứng nhiệt hạch, họ vẫn cần hệ thống nhà cung cấp đủ năng lực để sản xuất hàng loạt những linh kiện chuyên dụng.

Băng siêu dẫn HTS, gyrotron, nam châm công suất lớn và các thiết bị kiểm soát plasma đều cần những quy trình sản xuất phức tạp.

Nếu không có chuỗi cung ứng ổn định, việc mở rộng từ một dự án thử nghiệm sang nhiều nhà máy thương mại sẽ gặp trở ngại lớn.

Đây cũng là lý do Proxima Fusion không chỉ tập trung vào thiết kế lò phản ứng mà còn dành nguồn lực đáng kể cho việc xây dựng năng lực sản xuất vật liệu tại Đức.

Trong dài hạn, doanh nghiệp nào kiểm soát được những mắt xích công nghiệp quan trọng có thể sở hữu lợi thế cạnh tranh lớn, ngay cả khi không phải là đơn vị đầu tiên đạt được một đột phá khoa học.

Năng lượng nhiệt hạch không chỉ là cuộc đua khoa học mà còn là cuộc đua công nghiệp

Thỏa thuận giữa Proxima Fusion với Fujikura và Kyoto Fusioneering đánh dấu một bước tiến trong nỗ lực xây dựng chuỗi cung ứng công nghệ nhiệt hạch của châu Âu.

Việc sản xuất băng siêu dẫn HTS tại Đức có thể giúp Proxima chủ động hơn về vật liệu, đồng thời tạo nền tảng công nghiệp phục vụ những dự án nhiệt hạch quy mô lớn trong tương lai.

Tuy nhiên, con đường thương mại hóa năng lượng nhiệt hạch vẫn còn nhiều thách thức. Các doanh nghiệp phải chứng minh không chỉ khả năng tạo ra phản ứng nhiệt hạch mà còn phải vận hành nhà máy ổn định, kiểm soát chi phí và sản xuất điện với hiệu quả kinh tế.

Trong cuộc đua này, lợi thế sẽ không chỉ thuộc về quốc gia có phòng thí nghiệm tiên tiến nhất, mà còn thuộc về những bên xây dựng được hệ sinh thái sản xuất, vật liệu và thiết bị đủ mạnh.

Nếu Proxima Fusion thực hiện thành công kế hoạch của mình, Đức và châu Âu có thể tiến thêm một bước quan trọng trong việc chuyển hóa lợi thế nghiên cứu khoa học thành năng lực công nghiệp, qua đó tham gia sâu hơn vào một trong những thị trường năng lượng có tiềm năng lớn nhất trong tương lai.

Nguồn tham khảo: CNBC; các thông tin và phát biểu của Proxima Fusion, Fujikura, Kyoto Fusioneering và Catalyse Europe.

Câu hỏi thường gặp về năng lượng nhiệt hạch và Proxima Fusion

1. Năng lượng nhiệt hạch là gì?

Năng lượng nhiệt hạch là năng lượng được giải phóng khi hai hạt nhân nguyên tử nhẹ hợp nhất thành một hạt nhân nặng hơn. Đây là quá trình tương tự cơ chế tạo năng lượng bên trong Mặt Trời.

2. Vì sao năng lượng nhiệt hạch được kỳ vọng sẽ thay đổi ngành điện?

Công nghệ này có tiềm năng cung cấp lượng điện lớn, phát thải carbon thấp trong quá trình phát điện và không phụ thuộc trực tiếp vào thời tiết. Tuy nhiên, việc thương mại hóa vẫn cần vượt qua nhiều thách thức kỹ thuật và kinh tế.

3. Proxima Fusion là công ty của nước nào?

Proxima Fusion là công ty khởi nghiệp công nghệ nhiệt hạch có trụ sở tại Munich, Đức. Doanh nghiệp đang phát triển thiết bị stellarator và đặt mục tiêu xây dựng nhà máy nhiệt hạch thí điểm.

4. Băng siêu dẫn HTS có vai trò gì trong nhà máy nhiệt hạch?

Băng HTS được sử dụng để chế tạo các nam châm siêu dẫn có khả năng tạo ra từ trường mạnh. Từ trường này giúp giữ và kiểm soát plasma siêu nóng bên trong thiết bị nhiệt hạch.

5. Tại sao Proxima Fusion hợp tác với các công ty Nhật Bản?

Nhật Bản có thế mạnh về công nghệ siêu dẫn và thiết bị công nghiệp chính xác. Fujikura có kinh nghiệm sản xuất vật liệu siêu dẫn, trong khi Kyoto Fusioneering phát triển các thiết bị phục vụ hệ thống nhiệt hạch.

6. Khi nào Proxima Fusion dự kiến đạt được năng lượng ròng?

Theo kế hoạch được công bố, công ty hướng đến mục tiêu đạt lợi ích năng lượng ròng vào đầu những năm 2030. Đây là mục tiêu công nghệ, chưa đồng nghĩa với việc nhà máy điện thương mại sẽ vận hành rộng rãi vào thời điểm đó.

7. Những đối thủ lớn của Proxima Fusion là ai?

Các đối thủ đáng chú ý bao gồm Commonwealth Fusion Systems và Helion Energy của Mỹ, General Fusion của Canada, China Fusion Energy Co. của Trung Quốc và Helical Fusion của Nhật Bản.