Cách nhìn mới về năng lượng hạt nhân
Paul Norman
Bất chấp hình ảnh không thân thiện với môi trường của nó, năng lượng hạt nhân vẫn nhất định quay trở lại chương trình năng lượng của thế giới do nhu cầu cắt giảm sự phát thải cacbon dioxit. Paul Norman, Andrew Worrall và Kevin Hesketh mô tả cách mà thế hệ kế tiếp của các nhà máy điện hạt nhân sẽ sạch hơn và hiệu quả hơn bao giờ hết.
Sự ấm lên toàn cầu có nguồn gốc ở một trong những ý tưởng cơ bản nhất của nền vật lí học Newton: không có tác dụng nào mà không có phản tác dụng. Nói đơn giản, chúng ta không thể cứ tiếp tục bơm cacbon dioxit và các chất độc hại khác sinh ra từ sự cháy của nhiên liệu hóa thạch vào môi trường của chúng ta mà không phải gánh chịu hậu quả. Các nhà khoa học môi trường đã cảnh báo vấn đề này nhiều lần, nhưng chỉ đến bây giờ chính quyền các nước mới có sự lưu tâm thích đáng tới vấn đề. Sự biến đổi khí hậu do con người tạo ra là một trong những đe dọa lớn nhất đến bộ mặt hành tinh của chúng ta, và người ta ước tính nó là nguyên nhân gây ra hơn 160.000 cái chết trên thế giới mỗi năm do hạn hán, lũ lụt và mùa màng thất bát.
Nhưng việc giải quyết sự ấm lên toàn cầu mà chúng ta đối mặt là một bài toán nan giải. Các nhiên liệu hóa thạch cung cấp ít nhất là 85% tổng nhu cầu năng lượng của chúng ta, từ điện sử dụng trong nhà chúng ta cho tới việc sản xuất các sản phẩm hàng hóa và nguồn cung thực phẩm cho chúng ta. Các nguồn năng lượng có thể hồi phục, như các nguồn khai thác Mặt Trời, gió, và sóng biển, có thể giúp giảm bớt sự phụ thuộc của chúng ta vào nhiên liệu hóa thạch, nhưng tính chất không chắc chắn của chúng và thường có công suất thấp nên chúng chỉ có thể cung cấp một phần nhỏ cho bài toán năng lượng. Thật vậy, đa số các dạng năng lượng có khả năng hồi phục đều có sự tác động đến môi trường đáng kể của riêng chúng – ví dụ như làm biến đổi cảnh quan, hoặc gây nguy hiểm cho cuộc sống hoang dã. Chúng cũng yêu cầu các nhà máy điện nhiên liệu hóa thạch phải sẵn sàng hoạt động khi công suất ra thấp, ví dụ như khi các tuabin gió không phát điện được trong những điều kiện nhất định.
May thay, có một lựa chọn khác để giải quyết cơn khủng hoảng năng lượng lờ mờ hiện ra trước mắt chúng ta: đó là năng lượng hạt nhân. Ở mức độ nguyên tử, năng lượng nhiệt giải phóng trong một sự kiện phân hạch là 200 eV, so với chỉ có vài eV phát sinh ra khi mỗi phân tử hydrocacbon bị phá vỡ bằng việc đốt nhiên liệu có chứa cacbon. Kết quả là một viên nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân dài chỉ 1 cm có thể tạo ra lượng điện tương đương với 1,5 tấn than đá. Hơn nữa, nhà máy điện hạt nhân tạo ra lượng chất thải rất ít, ngược với lượng chất độc khổng lồ được bơm không qua kiểm tra vào môi trường bởi việc đốt nhiên liệu hóa thạch. Mặc dù chất thải hạt nhân thì độc hơn nhiều so với những chất độc này, nhưng ít nhất nó có thể được cô lập hoàn toàn.
Năng lượng hạt nhân tiến lên giữ vai trò chủ đạo vào cuối thập niên 1950 và 1960, với việc xây dựng nhiều nhà máy điện hạt nhân trên khắp thế giới. Tuy nhiên, mối nguy hiểm đến môi trường đi kèm với chất thải hạt nhân luôn luôn là lí lẽ để chống lại năng lượng hạt nhân. Thêm với tai nạn Chernobyl năm 1986 và các tác động thị trường trong lĩnh vực năng lượng, nền công nghiệp hạt nhân đã đi vào thời suy tàn trong thập niên 1980 và 1990. Nhưng xu thế đó ngày nay hình như đang có sự chuyển biến. Hồi tháng năm, chẳng hạn, chính phủ Mĩ đã tỏ dấu hiệu mục tiêu của họ là xây dựng một hạm đội mới các nhà máy điện hạt nhân trên khắp đất nước, và một số nước khác, gồm Trung Quốc, Phần Lan, Pháp, Ấn Độ và Nga đã thông báo hoặc đã bắt tay vào xây dựng những lò phản ứng mới.
Không phải chỉ có sự khẩn thiết phải chiến đấu với sự biến đổi khí hậu châm ngòi cho đợt hồi phục hạt nhân này. Các luận cứ kinh tế dựa trên sự tăng liên tục giá khí đốt và dầu mỏ, cộng với sự quan tâm chiến lược trong việc đảm bảo mỗi nước có nguồn cung ứng năng lượng bền vững, cũng là những nhân tố chính. Trong thực tế, các luận cứ kinh tế và chiến lược mạnh mẽ cho thấy hiện nay không thể nào có được giải pháp thực tế cho bài toán năng lượng mà trong đó năng lượng hạt nhân không đóng vai trò chính một lần nữa. Và ở đâu có năng lượng hạt nhân, ở đó có các nhà vật lí.
Lịch sử điện hạt nhân
Lò phản ứng hạt nhân hoạt động bằng năng lượng giải phóng trong sự phân hạch hạt nhân. Quá trình này bao gồm việc bắn neutron vào hạt nhân uranium-235, hạt nhân này chuyển thành hạt nhân uranium-236 có năng lượng vượt mức đủ để trở nên biến dạng và tách thành hai mảnh vỡ phân hạch nặng cộng với hai hoặc ba neutron mới sinh trên mỗi sự kiện phân hạch. Sự hụt khối lượng nhỏ giữa những sản phẩm cuối cùng này và neutron ban đầu và hạt nhân uranium được giải phóng dưới dạng năng lượng theo phương trình nổi tiếng của Einstein.
Đa số năng lượng này tồn tại dưới dạng động năng của các sản phẩm phân hạch, chúng làm phát ra rất nhiều nhiệt do va chạm với các nguyên tử xung quanh. Nhiệt này được mang ra ngoài bằng một chất lỏng làm nguội như cacbon dioxit hoặc nước (tạo thành mạch làm nguội chính) và được dùng để đun nồi hơi trong mạch thứ cấp tạo ra hơi nước làm quay tuabin và máy phát – tương tự như nhà máy điện sử dụng nhiên lỉệu hóa thạch. Trong số các neutron được giải phóng, một số sẽ thoát khỏi lò phản ứng, còn số khác bị hấp thụ, nhưng khoảng phân nửa sẽ làm tách thêm hạt nhân uranium, kích hoạt phản ứng dây chuyền. Để giữ quá trình này dưới sự kiểm soát, đa số lò phản ứng yêu cầu một bộ phận điều tiết – thường cấu tạo từ graphit hoặc nước vì nguyên tử nhẹ của chúng hấp thụ tốt động năng của các neutron.
Nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên trên thế giới khai trương ở Anh năm 1956 tại địa điểm Sellafield trên bờ biển Cumbrian, và nó chạy trong gần như nửa thế kỉ trước khi đóng cửa vào năm 2003. Bốn lò phản ứng Calder Hall thuộc loại Magnox, nghĩa là chúng sử dụng hợp kim magnesium “không oxi hóa” bọc các thanh nhiên liệu uranium. Cũng giữ lại các sản phẩm phân hạch dễ biến đổi, như caesium và strontium, lớp phủ Magnox này có tiết diện hấp thụ neutron thấp và do đó làm giảm “sự hấp thụ kí sinh” neutron. Chế tạo từ graphit và chứa lỗ cho cả các thanh nhiên liệu và cho phép chất khí làm lạnh chảy, chất điều tiết làm chậm neutron bằng cách làm tán xạ đàn hồi sao cho phân bố động năng của chúng trở nên sánh được với phân bố động năng của chất khí ở trạng thái cân bằng nhiệt với graphit. Vì ở những năng lượng này, neutron có xác suất tương tác với phân tử cao hơn, nên lò phản ứng Magnox có thể sử dụng nhiên liệu chứa các mức xảy ra tự nhiên của uranium-235 (khoảng 0,7%), tránh phải dùng – và hao phí – uranium đã qua “làm giàu”.
Kể từ khi nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên mở cửa ở Anh vào năm 1956, các mẫu lò phản ứng đã tiến triển rất nhiều. Mặc dù sự khác biệt giữa các mẫu không rõ ràng cho lắm, nhưng Bộ Năng lượng Mĩ (DOE) đã phân loại chúng thành bốn thế hệ khi họ bắt đầu nhắm tới việc xây dựng các lò phản ứng mới trong giữa đến cuối thập niên 1990. Nhà máy Magnox buổi đầu, nhiều trong số đó vẫn đang hoạt động, được gán cho là thế hệ I, còn những mẫu kế vị của chúng trong thập niên 1970 và 1980 – các lò phản ứng nước nhẹ (LWR) - được gọi là thế hệ II. Những lò kiểu này tạo nên khối nhà máy điện hạt nhân trên khắp thế giới hiện nay, và nhiều lò vẫn đang được xây dựng thêm. Các mẫu thế hệ III, tương tự như các lò phản ứng thế hệ II nhưng có đặc điểm an toàn cải tiến, đang sẵn sàng được xây dựng, trong khi một số nước đang theo đuổi các mẫu “thế hệ III+” hơi cải tiến hơn một chút. Còn các mẫu thế hệ IV – trong đó DOE đã chọn 6 - hiện vẫn ở giai đoạn đầu, nhưng chúng hứa hẹn mang lại những nhà máy điện hạt nhân sạch hơn và kinh tế hơn vào giữa thế kỉ này.
Vào đầu thập niên 1970, nước Anh có 11 nhà máy điện hạt nhân Magnox (gồm tổng cộng 26 lò phản ứng) hoặc đang hoạt động hoặc đang trong giai đoạn xây dựng hoặc lên kế hoạch. Anh cũng đã xuất khẩu mẫu Magnox – từ đây gọi là “thế hệ I” – sang Nhật và Italy, mỗi nước một nhà máy điện hạt nhân. Tuy nhiên, trong một nỗ lực nhằm tăng tỉ lệ công suất điện trên công suất nhiệt thì Ủy ban Điện lực đã đưa ra ý tưởng về lò phản ứng cải tiến làm lạnh bằng chất khí (AGR) – bây giờ gọi là mẫu “thế hệ II”. Lò đầu tiên mở cửa vào giữa thập niên 1970, tất cả 7 nhà máy điện AGR (14 lò phản ứng) hiện vẫn đang hoạt động.
Chất điều tiết (graphit) và chất làm lạnh (cacbon dioxit) có mặt trong cả mẫu Magnox lẫn mẫu AGR. Tuy nhiên, AGR có hiệu suất nhiệt cao hơn do hoạt động ở nhiệt độ 600oC so với khoảng 370oC ở mẫu Magnox. Vì ở nhiệt độ cao, uranium chịu sự biến đổi pha tinh thể khiến nó nở ra, có khả năng làm suy yếu lớp phủ ngoài, nên AGR dùng uranium oxit làm nhiên liệu của chúng. Và vì Magnox trở nên mềm nhũng và có thể còn dễ nóng chảy trong không khí ở nhiệt độ AGR, nên thép sạch được dùng làm lớp phủ thay thế. Vì thép sạch hấp thụ nhiều neutron hơn Magnox, nên AGR yêu cầu uranium có thành phần uranium-235 chiếm vài phần trăm, giá thành tăng thêm sẽ được lấy lại qua công suất năng lượng tăng của nhiên liệu.
Nước Anh cũng tiến hành nghiên cứu các mẫu “lò phản ứng nhanh” cho đến đầu thập niên 1990, ví dụ tại địa điểm Dounreay ở miền bắc Scotland. Những lò phản ứng này không có chất điều tiết và neutron giải phóng trong mỗi sự kiện phân hạch do đó vẫn giữ được động năng lớn của chúng. Kết quả là các lò phản ứng này có khả năng biến uranium suy kiệt (tức là uranium có hầu hết thành phần uranium-235 của nó đã bị xài hết) thành plutonium, chất này cũng có thể dùng làm nhiên liệu hạt nhân. Vì khi mỗi nguyên tử plutonium bị phá vỡ do phân hạch thì ít nhất một hoặc nhiều nguyên tử khác được tạo ra trong nhiên liệu đã qua sử dụng, nên lò phản ứng nhanh – hay lò phản ứng tái sinh – tạo ra nhiều chất dễ phân tách hơn nhiên liệu của nó, do đó có khả năng làm tăng kho dự trữ nhiên liệu hạt nhân lên rất lớn.
Vì các neutron năng lượng tính trong lò phản ứng nhanh có xác suất tương tác với hạt nhân khác thấp hơn, cho nên lò phản ứng yêu cầu chất liệu có thể phân hạch đậm đặc hơn và các chất có thể sống được trước dòng neutron rất lớn. Kết quả là lò phản ứng nhanh phức tạp hơn và đắt hơn lò phản ứng Magnox hoặc AGR, một phần là do chúng yêu cầu thêm một mạch làm lạnh nữa, và mẫu đó chưa hề được sử dụng về mặt thương mại.
Lò phản ứng nước nhẹ
Tại một nơi khác trên thế giới, nước Pháp bắt đầu đi theo sự chỉ đạo của Anh bằng việc xây dựng các lò phản ứng tương tự như mẫu Magnox trong thập niên 1960. Trong khi đó, nước Mĩ nhận ra rằng lò phản ứng kinh tế nhất là các lò thường được gọi chung là lò phản ứng nước nhẹ (LWR). Các lò này dễ xây dựng và hoạt động hơn lò Magnox hoặc AGR, và chúng cũng có lợi hơn về mặt kinh tế. Chẳng hạn, nhiên liệu sử dụng được cải thiện qua nỗ lực chung của nhiều nước sao cho ngày nay nó có thể duy trì được công suất năng lượng có ích cao hơn nhiên liệu AGR, loại chỉ có một mình nước Anh phát triển.
LWR sử dụng nước thường làm chất điều tiết và chất làm lạnh, chạy trên nhiên liệu uranium oxit làm giàu lên tới 5% uranium-235 và chứa trong một vỏ bọc hợp kim zirconium. LWR có hai loại cơ bản: lò phản ứng nước điều áp (PWR) và lò phản ứng nước sôi (BWR). PWR giữ nước trong mạch làm lạnh chính ở dạng lỏng và cho bốc hơi trong một mạch thứ hai điều hành ở áp suất thấp hơn. Ngược lại, BWR sử dụng một mạch áp suất hai pha nước-hơi nước, trong đó hơi nước từ lõi lò trực tiếp làm quay tuabin. Lợi thế của mẫu này là nó không yêu cầu một mạch làm lạnh thứ cấp và các chất trao đổi nhiệt đi kèm, các ống, van và bơm. Tuy nhiên, lợi thế này có xu hướng bị bù lại bởi sự tăng độ phức tạp ở những khía cạnh khác, nhất là việc duy trì và khởi động vì hơi nước đi qua tuabin có tính phóng xạ và do đó sẽ làm nhiễm bẩn chúng.
Nhiều ưu điểm của LWR đến từ lõi lò phản ứng rất rắn chắc của chúng, có thể là do nước là chất hiệu quả nhất trong số tất cả các chất điều tiết được sử dụng phổ biến để làm chậm các neutron phân hạch. Ưu điểm này khiến LWR kinh tế hơn và dễ xây dựng và hoạt động hơn nhiều so với nhà máy điện hạt nhân Magnox và AGR (mặc dù AGR không yêu cầu mức độ làm giàu uranium cao như thế). Ví dụ, nồi áp suất trong đó lò phản ứng được chứa cộng với tất cả cấu trúc xung quanh đủ nhỏ để chế tạo trong một phân xưởng và vận chuyển đến địa điểm xây dựng, trong khi nồi áp suất Magnox và AGR quá lớn nên yêu cầu phải xây dựng tại chỗ.
Sự phát điện hạt nhân bắt đầu từ lõi của lò phản ứng, trong đó neutron được cho bắn vào hạt nhân uranium-235 làm cho chúng tách thành hạt nhân nhẹ hơn và neutron khác. Những neutron này phải được làm chậm bằng chất điều tiết sao cho chúng có thể khởi động các phản ứng phân hạch khác và duy trì phản ứng dây chuyền. Trong trường hợp lò phản ứng nước điều áp (PWR, hình), nước được dùng làm chất điều tiết, trong khi graphit và nước nặng được sử dụng trong các mẫu lò khác. Các “thanh điều khiển” hấp thụ neutron có thể chèn vào lõi lò phản ứng lúc hoạt động, cho phép tốc độ phản ứng ngừng lại. Va chạm giữa các sản phẩm phân hạch và các nguyên tử xung quanh làm phát sinh nhiệt, nhiệt này có thể trích ra bằng một chất làm lạnh (nước trong trường hợp của PWR) lưu thông qua vùng lõi và làm bốc hơi nước trong mạch thứ cấp. Hơi nước làm quay tuabin và máy phát, máy phát được nối vào mạng lưới điện.
Mặc dù nước Anh đã thiết kế AGR để cạnh tranh với LWR, nhưng mẫu này sớm phải bỏ đi vì chi phí xây dựng đắt và khó điều hành hơn LWR. Với hiệu suất hoạt động hơi tệ của chúng, cuộc cạnh tranh với LWR nhanh chóng đi tới kết thúc – hơi giống như Boeing đấu với các nhà sản xuất máy bay cỡ nhỏ của Anh. Nước Anh nhận ra điều này bằng việc quyết định bỏ AGR theo PWR, và việc xây dựng nhà máy PWR đầu tiên và duy nhất của nước Anh (Sizewell B ở bờ biển Soffolk – bắt đầu vào năm 1988. Thật vậy, trong số 436 lò phản ứng đang hoạt động hiện nay trên thế giới thì 357 lò là LWR, trong đó 264 là PWR, và đây cũng là loại lò đang được xây dựng chủ yếu hiện nay.
Các lò kiểu mới
Ngày nay, nhiều quốc gia đang phải đối mặt với vấn đề làm sao cân đối giữa nhu cầu năng lượng của họ đồng thời tạo ra ít cacbon dioxit hơn, và nước Anh cũng không ngoại lệ. Khi cựu thủ tướng Anh Tony Blair lên nắm quyền hồi năm 1997 – hai năm sau khi Sizewell đi vào hoạt động – ông quyết định “khoanh vùng” vấn đề năng lượng hạt nhân. Nhưng hiện nay rõ ràng là chính phủ Anh đã chấp nhận rằng cách duy nhất để đạt được mục tiêu nhiều tham vọng của mình trong việc cắt giảm sự phát thải cacbon dioxit là ít nhất phải duy trì cho được đóng góp 18% hiện nay mà năng lượng hạt nhân mang tới cho “tổ hợp năng lượng”.
Việc xây dựng một nhà máy điện hạt nhân không phải diễn ra trong ngày một ngày hai. Và nếu như chính phủ Anh quyết định tiến tới một hạm đội nhà máy điện hạt nhân mới (một quyết định hiện nay đang thăm dò dư luận và sẽ cho kết quả cuối cùng vào tháng 10), thì họ cần phải quyết định là chọn công nghệ nào và ai sẽ xây dựng và điều hành nhà máy. Những lựa chọn vừa nói là tùy thuộc vào tác động thị trường, thùy thuộc vào nhà cung cấp lò phản ứng hoặc chủ sở hữu công nghệ nào đến chào hàng trước, và tùy thuộc tiêu chuẩn môi trường và tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt. Tóm lại, mất khoảng 10 năm nữa thì một nhà máy điện hạt nhân mới có thể hòa vào lưới điện quốc gia.
Hai ứng viên sáng giá nhất cho các lò phản ứng xây mới ở Anh là các lò PWR, giống như Sizewell B : Areva EPR (lò phản ứng nước điều áp châu Âu) và Westinghouse AP-1000 (AP là viết tắt của “thụ động cải tiến” và 1000 biểu thị 1000MW công suất điện mà nhà máy có thể sản xuất). Các mẫu có triển vọng khác là lò phản ứng nước sôi cải tiến (ABWR), về cơ bản là một phiên bản tối ưu hóa của BWR, và lò phản ứng Candu cải tiến (ACR), dựa trên các lò phản ứng Candu rất thành công của Canada. Các lò này tương tự với PWR nhưng sử dụng nước nặng (D2O) làm chất điều tiết. Nước nặng hầu như không bắt lấy neutron nào, nhưng vì nó chứa deuterium rất tốt trong việc làm chậm neutron. Điều này có nghĩa là sẽ có sẵn nhiều neutron phân hạch hơn, cho phép ACR hoạt động với nhiên liệu có mức làm giàu thấp.
Đặc điểm chung của tất cả các mẫu “thế hệ III” này là chúng hoạt động đơn giản: chúng yêu cầu ít can thiệp hơn, ít nhiên liệu hơn và dễ duy trì hơn các mẫu trước. Chúng cũng đã được cải tiến, các đặc điểm an toàn thụ động dựa trên các lực vật lí như hấp dẫn và đối lưu, có ít hoặc không cần đến các dụng cụ cơ học như bơm. Tuy nhiên, các nhóm vận động như CND và Hòa bình Xanh đã thực sự phớt lờ đi các đặc điểm đó và thay vào đó lại tập trung vào những lo lắng không ngừng tăng lên về chất thải hạt nhân mà một hệ thống nhà máy điện hạt nhân mới sẽ tạo ra.
Trong khi hiển nhiên là càng có nhiều nhà máy điện hạt nhân thì sẽ càng có nhiều chất thải hạt nhân, thì khổi lượng chất thải phát sinh trên kWh công suất ra ở các mẫu mới sẽ ít hơn nhiều so với ở các mẫu trước đây. Chẳng hạn, một tổ hợp 10 nhà máy LWR gigawatt mới sẽ phát ra gấp đôi lượng điện trong tuổi thọ 60 năm của chúng so với tổ hợp đó hiện nay, nhưng sẽ tạo ra chỉ khoảng thêm 10% chất thải phóng xạ mức độ cao trong cùng thời gian trên dưới những điều kiện hợp lí. Hơn nữa, các lò phản ứng mới này có thể cho phép chúng ta sử dụng kho dự trữ plutonium quân sự bằng cách dùng nhiên liệu “oxit hỗn hợp” chất tạo từ oxit uranium và plutonium.
Các mẫu AP-1000, EPR, ACR và BWR đều sử dụng cùng loại nhiên liệu, mạch áp suất, máy phát hơi nước và những thành phần chủ chốt khác như các lò phản ứng thế hệ I và thế hệ II đang hoạt động ngày nay. Các nhà máy mới xây dựng trên các mẫu này do đó sẽ được xây dựng ngay. Thật vậy, một nhà máy EPR đang được xây dựng ở Phần Lan (xem hình), với một cái ở Pháp sau đó, còn Trung Quốc đã đặt hàng vài lò AP-1000. Tuy nhiên, có lẽ trong vòng 20 năm tới, chúng ta sẽ có thể sẵn sàng xây dựng cái được gọi là mẫu lò phản ứng thế hệ IV.
Thế hệ IV
Vào cuối thập niên 1990, Bộ Năng lượng Mĩ đã chọn ra 6 mẫu thế hệ IV trong danh sách thu gọn hơn 100 ý tưởng nhằm “mở rộng khả năng sử dụng năng lượng hạt nhân”. Ba trong số các mẫu này là lò phản ứng nhanh, có chu trình nhiên liệu có chấp nhận được, trong đó plutoinium-239 được tạo ra từ phản ứng bắt neutron uranium-238 và do đó có thể hoạt động trong nhiều trăm năm với nguồn dự trữ uranium hiện có. Ba mẫu lò phàn ứng nhanh đó khác nhau chủ yếu ở việc chọn chất làm lạnh: đó là natri lỏng, chì lỏng và khí heli, một số trong đó là chất dẫn nhiệt tốt, còn một số thì khó giải quyết nếu như chúng rò rỉ.
Một mẫu thế hệ IV khác là lò phản ứng nước siêu tới hạn, trong đó nước ở trong pha siêu tới hạn của nó được dùng làm chất làm lạnh. Nước ở trạng thái này (tức là trạng thái trong đó không có sự phân biệt giữa thể lỏng và thể khí) có dung lượng nhiệt đặc biệt rất cao, cho hiệu suất nhiệt cao hơn so với các lò LWR hiện có.
Cũng còn có lò phản ứng nhiệt độ rất cao (VHTR), họ hàng với các lò phản ứng HTR hiện nay, như công nghệ giường thạch anh mà hiện Nam Phi đang theo đuổi. Các lò này thường sử dụng chất điều tiết graphit và chất khí làm lạnh và giữ được khả năng cho hiệu suất nhiệt cao. Hơn nữa, VHTR còn an toàn tới mức khó tin, vì thành phần phóng xạ của nhiên liệu bị chặn lại ngay cả khi lò phản ứng đạt tới quá nhiệt độ 1500oC (tức là trên 500oC so với nhiệt độ hoạt động bình thường).
Tuy nhiên, có lẽ mặt hấp dẫn nhất của mẫu VHTR là ở chỗ nó có thể tạo ra hydro thông qua sự điện phân trong nước hoặc phản ứng nhiệt hóa và do đó sẽ có chỗ đứng trong nền kinh tế hydro tương lai. Tạo ra hydro là một quá trình năng lượng tập trung cao độ, yêu cầu một lượng lớn điện năng hoặc nhiệt – cả hai đều dồi dào trong mẫu VHTR với hầu như không có sự phát sinh cacbon dioxit. Sản phẩm của hydro không ảnh hưởng tới hiệu suất của lò phản ứng, mặc dù nó thật sự làm giảm công suất điện phát ra. Việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch để tạo ra hydro là không thể bào chữa được về phương diện môi trường.
Mẫu thế hệ IV sau cùng – gọi là lò phản ứng muối nóng chảy – có tính cơ bản nhất. Ở đây, nhiên liệu ở dạng muối uranium lưu thông trong chất làm lạnh sao cho không có chất làm lạnh nào bị thất thoát làm ngừng trệ phản ứng dây chuyền. Công trình này được đưa vào thực tiễn như thế nào hiện nay vẫn chưa có quyết định chính thức, vì nghiên cứu về mẫu muối nóng chảy – và tất cả các mẫu thế hệ IV khác, trong thực tế - vẫn còn ở giai đoạn rất sớm. Không gì chắc chắn là cả 6 mẫu sẽ thành công trong cấu hình thương mại thực tế. Một số rốt cuộc sẽ bị bỏ rơi khi một số lò phản ứng tỏ ra đứng vững hơn những lò khác. Lạc quan mà nói, sự nhiệt hạch hạt nhân sẽ bắt đầu có mặt vào cùng thời điểm và sẽ mang lai một chiều hướng mới cho năng lượng hạt nhân.
Sự phục hưng của năng lượng hạt nhân
Nền công nghiệp hạt nhân ở châu Âu (với ngoại lệ ở Pháp) và Mĩ đã bị đình trệ kể từ giữa thập niên 1980, với một số nhà máy mới hiện đang được đặt hàng. Xu hướng này một phần là do nỗ lực của các nhóm phản đối hạt nhân và cũng do sự cố Chernobyl năm 1986, nhưng tác động thị trường lại một lần nữa phát huy tác dụng. Ở Anh, chẳng hạn, do cạnh tranh với khí thiên nhiên, việc bãi bỏ quy định về thị trường năng lượng và sự bảo hộ dễ thay đổi của chính phủ đã gây khó khăn cho các nhà máy điện hạt nhân mới đảm bảo được nguồn đầu tư riêng cần thiết. Ở những nước khác, sự cạnh tranh với than đá rẻ tiền đã làm suy yếu sự ủng hộ cho các nhà máy điện hạt nhân, còn ở cả Anh và Mĩ, việc kéo dài thành công thời gian hoạt động của các nhà máy điện hạt nhân hiện có, mỉa may thay, lại làm cản trở việc xây dựng các nhà máy điện hạt nhân mới.
Tuy nhiên, ngày nay chúng ta đang bước vào một thời kì phục hưng của năng lượng hạt nhân. Mặc dù tự nó không phải là giải pháp hoàn chỉnh cho bài toán biến đổi khí hậu, nhưng năng lượng hạt nhân có thể giúp làm chậm lại sự ấm lên toàn cầu và cung cấp nguồn điện đáng tin cậy với tư cách là một phần của tổ hợp năng lượng gồm nhiều loại. Và trong cuộc đảo ngược thời vận, sự tăng giá khí đốt và dầu mỏ gần đây đã cho thấy nhà máy điện hạt nhân hiện nay là sự lựa chọn kinh tế nhất ở nhiều nước. Nhận thức được rằng dầu mỏ và khí đốt đang bắt đầu cạn kiệt, nước Anh và những chính phủ khác cần phải đi theo sự tiên phong của Trung Quốc, Pháp, Hàn Quốc và Nhật Bản trong việc theo đuổi một chương trình hạt nhân mới.
Vì vậy, chúng ta có thể mong đợi sẽ nhìn thấy một tổ hợp mới các lò phản ứng của Anh, có khả năng là hỗn hợp các mẫu EPR và AP-1000, sẽ đi vào hoạt động trong 10-15 năm tới và có lẽ sẽ chạy cho đến năm 2080. Trước ngày đó, chúng ta cũng có thể nhìn thấy các lò phản ứng thế hệ IV, một trong số đó cũng có khả năng tạo ra hydro. Khi đó, năng lượng hạt nhân cùng với các dạng năng lượng có thể hồi phục sẽ giúp nước Anh cắt giảm sự phát thải cacbon dioxit của mình đến mức độ dễ chấp nhận hơn. Ngược lại, bằng việc thay thế tổ hợp hạt nhân hiện nay với các dạng có thể hồi phục cung cấp cùng tỉ trọng năng lượng (hiện chiếm khoảng 19% tổng lượng ở Anh), chúng ta sẽ không cắt giảm được chút nào sự phát khí thải cả.
Trước viễn cảnh nền công nghiệp hạt nhân có vẻ sáng sủa hơn nhiều so với 5 năm trước đây, các nhà vật lí đã có thể tìm thấy chính mình trong nhu cầu đang tăng trưởng. Lĩnh vực hạt nhân có tầm quan trọng toàn cầu và là một trong số ít lĩnh vực, trong đó các nhà vật lí thật sự sử dụng kĩ năng của họ bên ngoài hàn lâm viện. Kiến thức về khoa học vật liệu và sự truyền nhiệt bên trong lò phản ứng có thể chỉ quan trọng như sự hiểu biết về các phản ứng hạt nhân, và nền vật lí neutron, chủ đề được dạy trong các khóa đào tạo trên đại học.
Thật trớ trêu, quyết định thành công mới đây do Hòa bình Xanh mang lại hồi đầu năm nay chống lại tiến trình xét lại năng lượng của chính phủ Anh hình như cũng báo hiệu một sự hồi sinh của chương trình năng lượng hạt nhân của Anh, vì chính phủ phản ứng với một quyết tâm đanh thép rằng tiếp tục xét lại và khăng khăng rằng năng lượng hạt nhân là cần thiết. Thật đáng tiếc, sự chống đối bởi các nhóm hòa bình chống lại các nhà máy điện hạt nhân chỉ mang lại nhiều nhà máy nhiên liệu hóa thạch hơn được xây dựng. Sự thành lập Phòng thí nghiệm Hạt nhân quốc gia ở Anh là một bằng chứng nữa cho sự hồi sinh hạt nhân, và dường như xu thế đang có biến chuyển và bây giờ chúng ta sẽ chào đón một cách hiểu mới về năng lượng hạt nhân.
Giữ lò phản ứng hạt nhân dưới sự điều khiển
Trái với những gì mà một số nhóm chống hạt nhân có thể làm cho bạn tin, các lò phản ứng hạt nhân không phải là những cỗ máy không ổn định sẵn sàng thoát khỏi tầm kiểm soát bất cứ lúc nào. Các nguyên lí vật lí âm học được sử dụng để đảm bảo an toàn cho các lò phản ứng được xây dựng hợp thức. Ví dụ, trong lò phản ứng nước điều tiết, các neutron giải phóng trong sự phân hạch được làm chậm bằng va chạm với hạt nhân hydro và oxy (đa số được thực hiện chỉ bởi hydro), khiến chúng dễ bị bắt lấy hơn. Tuy nhiên, nếu vì một số nguyên nhân mà số phản ứng tăng lên, thì công suất nhiệt tăng thêm sẽ làm cho chất điều tiết giãn nở - do đó làm giảm tốc độ phản ứng và ngăn cản hệ thống ra khỏi tầm kiểm soát. Một cơ chế phản hồi tương tự gọi là mở rộng Doppler được mang lại bởi sự gia tăng hấp thụ neutron trong chất lò phản ứng khi chúng nóng lên, và mục tiêu là thiết kế một lò phản ứng trong đó một số cơ chế như thế kết hợp nhau để tạo ra hệ thống bền vững.
Một nhân tố khác góp mặt trong vụ tai nạn có liên quan tới các neutron phát ra bởi các sản phẩm phân hạch. Hai hoặc ba neutron giải phóng trong một sự kiện phân hạch được gọi là neutron nhanh, vì chúng phát ra tức thời tại điểm phân tách hoặc nhanh chóng “bốc hơi” ra khỏi sản phẩm phân hạch bị kích thích. Tuy nhiên, các sản phẩm phân hạch này lại tự phát ra neutron theo phân rã beta. Mặc dù có số lượng dưới 1% so với số neutron nhanh, nhưng các “neutron chậm” này – có thể tiếp tục khởi động những phân hạch mới – đảm bảo rằng trong một lò phản ứng thông thường, các mức công suất trong log thay đổi rất chậm và an toàn. Nhưng tại Chernobyl, số lượng neutron tăng rất nhanh và không an toàn do chỉ một mình các neutron nhanh, làm cho lò phản ứng đi từ 10% công suất đầy đủ lên 100 lần công suất tổng trong 3 giây. Thiếu sót này chỉ có trong các lò phản ứng RBMK, có nghĩa là một vụ “ Chernobyl khác” không thể nào xảy ra.
Vấn đề chất thải hạt nhân
Nhận thức chung của mọi người là các lò phản ứng hạt nhân làm phát sinh một lượng lớn chất thải phóng xạ, chất thải này khó quản lí an toàn, và nó khác với các loại chất thải độc hại khác phát sinh bởi nền công nghiệp. Thực tế thì khác: thể tích chất thải tương đối thấp, đặc biệt đối với chất thải mức cao gồm các sản phẩm phân hạch phóng xạ chủ yếu và các chất có tính phóng xạ cao hơn uranium (số lượng chỉ vài mét khối từ 1 GW PWR/năm). Trong khi chất thải mức cao này biểu hiện sự rủi ro đáng kể, thì nửa thế kỉ kinh nghiệm cho thấy nó có thể được quản lí rất an toàn. Còn đối với thể tích lớn hơn nhiều của chất thải phóng xạ mức thấp, thì sự rủi ro tiềm ẩn của nó thay đổi từ rất thấp đến mức thực tế không đáng kể (lượng phóng xạ vượt mức trung bình mỗi ngày với một người công nhân tại kho chất thải mức thấp gần Sellafield, chẳng hạn, là vào bậc tương đương với việc ăn một quả hạch Brazil mỗi ngày!). Thật đáng tiếc, nước Anh, chẳng hạn, đã thất bại trong việc thực hiện nhiều tiến bộ tiến tới việc xây dựng các kho địa chất sau cùng cho chất thải họat tính phóng xạ cao của mình, chỉ mới có quyết định vào cuối năm ngoái rằng đây là cách tốt nhất để xử lí các chất như thế. Đây là một thách thức mang tính chính trị chứ không phải kĩ thuật, và một thách thức nữa là có nên xây dựng thêm các nhà máy điện hạt nhân hay không. Tương ứng là cho dù bạn ủng hộ điện hạt nhân hay chống lại nó, thì chất thải hiện có phải được xử lí thấu đáo và nó sẽ vẫn tồn tại ở gần như cùng bậc độ lớn ngay cả nếu như chúng ta không xây dựng thêm nhà máy điện hạt nhân nào.
Tóm lược về điện hạt nhân
· Nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên mở cửa ở Anh năm 1956 và ngày nay có trên 400 là phản ứng đang hoạt động trên khắp thế giới.
· Đa số các nhà máy này là lò phản ứng nước nhẹ, trong đó nước được sử dụng vừa để làm lạnh lò phản ứng (từ đó trích lấy năng lượng làm quay tuabin) vừa để điều tiết neutron giải phóng trong sự phân hạch.
· Tạo ra một lượng rất lớn năng lượng mà không phát sinh chất khí nhà kính nào, điện hạt nhân có thể giữ một vai trò quan trọng trong cuộc chiến chống lại sự ấm lên toàn cầu.
· Mặc dù bị ngăn trở bởi hình ảnh chất thải phóng xạ, nhưng điện hạt nhân một lần nữa đã trở lại chương trình nghị sự của một số nước, trong đó có Anh.
· Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân kế tiếp sẽ an toàn hơn và có tính thương mại hơn các mẫu hiện có và cũng sẽ tạo ra ít chất thải hơn.
Paul Norman (Physics World, tháng 7/2007)
