Lược sử ngành năng lượng hạt nhân
# Nguồn: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.
(Năng lượng hạt nhân có lẽ có ít ảnh hưởng lên môi trường nhất trong các nguồn năng lượng, vì nó không thải ra cacbon. Nó cung cấp hơn 64% năng lượng sạch –cacbon trên khắp nước Mỹ)
*Nguồn gốc năng lượng hạt nhân:
Mặc dù có kích thước bé xíu, bên trong các nguyên tử có một lượng năng lượng lớn giữ các hạt nucleon (protron và neutron) lại với nhau. Một số đồng vị của một vài nguyên tố có thể phân chia và giải phóng một phần năng lượng dưới dạng nhiệt. Sự chia tách này gọi là phân hạch hạt nhân (nuclear fission – деление ядра). Lượng nhiệt thoát ra trong phản ứng phân hạch có thể sử dụng để sản xuất điện trong các nhà máy điện.
Urani-235 là một trong các đồng vị phân hạch dễ dàng. Trong quá trình phân hạch, các nguyên tử U-235 hấp thụ neutron, chuyển lên trạng thái không ổn định và phân chia thành hai nguyên tử nhẹ hơn gọi là các sản phẩm phân hạch (fission products – продукты деления). Tổng khối lượng các sản phẩm phân hạch ít hơn của nguyên tử U-235 gốc. Điều này xảy ra bởi vì một phần vật chất đã chuyển thành năng lượng dưới dạng nhiệt. Đồng thời quá trình phân hạch giải phóng 2-3 neutron. Những neutron này có thể va chạm với các nguyên tử U-235 khác, tạo thêm nhiều phân hạch.
Một chuỗi các phản ứng phân hạch gọi là phản ứng hạt nhân dây chuyền (nuclear chain reaction – цепная ядерная реакция). Nếu tập hợp đủ lượng Urani dưới các điều kiện nhất định, một phản ứng dây chuyền liên tiếp sẽ xảy ra. Gọi là phản ứng dây chuyền tự duy trì (self-sustaining chain reaction : самоподдерживающаяся цепная реакция). Phản ứng này tỏa ra lượng năng lượng khổng lồ, có thể sử dụng để sản xuất điện năng.
Nhà máy điện hạt nhân cũng tạo ra điện như các nhà máy điện – hơi nước khác (chạy bằng nhiên liệu hóa thạch : than, dầu, khí,…). Nước được đung nóng tạo hơi làm quay turbin, làm quay máy phát điện tạo ra điện. Khác nhau cơ bản giữa các nhà máy điện – hơi nước là nguồn nhiệt. Trong nhà máy điện hạt nhân, nguồn nhiệt từ phản ứng dây chuyền tự duy trì. Còn trong các nhà máy điện chạy bằng nhiên liệu hóa thạch, nguồn nhiệt tỏa ra khi đốt nhiên liệu như: than, dầu, khí,…
Điểm bắt đầu của những khởi đầu:
Thiên tính của loài người là quan sát, thử nghiệm, và ước mơ. Lịch sử của năng lượng hạt nhân là câu chuyện về quá trình một ước mơ hàng thập kỷ trở thành sự thật.
Các nhà triết học Hy Lạp cổ đại là những người đầu tiên cho rằng tất cả mọi vật chất đều tạo thành từ các hạt không nhìn thấy được gọi là nguyên tử (atom – атом). Từ “nguyên tử” bắt nguồn từ một từ Hy Lạp, atomos, nghĩa là “không thể phân chia”.
Các nhà khoa học thế kỷ 18 và 19 đã lật lại khái niệm này dựa trên các thí nghiệm của họ. Cho đến năm 1900, các nhà vật lý học biết rằng nguyên tử chứa một lượng lớn năng lượng. Nhà vật lý người Anh Ernest Rutherford được cho là cha đẻ của môn khoa học hạt nhân vì những đóng góp to lớn của ông trong lý thuyết về cấu trúc hạt nhân (mẫu hành tinh nguyên tử - 1911).
Năm 1904 ông viết:
“Nếu chúng ta có thể tùy ý điều khiển quá trình tan rã của các nguyên tố phóng xạ, một lượng lớn năng lượng có thể thu được từ một lượng nhỏ khối lượng vật chất.”
Một năm sau đó Albert Einstein phát triển lý thuyết của ông ấy về mối liên hệ giữa khối lượng và năng lượng. Công thức nổi tiếng: E=mc2, năng lượng bằng khối lượng nhân với bình phương vận tốc ánh sáng. Mất gần 35 năm để người ta chứng minh được lý thuyết của Einstein.
Sự khám phá ra phân hạch hạt nhân:
Vào năm 1934, nhà vật lý Enrico Fermi thực hiện một số thí nghiệm ở Rome và thấy rằng neutron có thể làm chia tách nhiều loại nguyên tử. Kết quả này làm ngạc nhiên ngay cả Fermi. Khi ông bắn phá Urani bằng hạt neutron, ông đã không nhận được nguyên tố mong đợi (các nguyên tố mang số hiệu nguyên tử 93, 94). Trái lại các nguyên tố nhận được nhẹ hơn Urani nhiều.
Vào mùa thu 1938, các nhà vật lý người Đức Otto Hahn và Fritz Strassman bắn neutron từ nguồn Radi và Beri vào Urani (số hiệu nguyên tử 92). Họ ngạc nhiên khi tìm được các nguyên tố nhẹ hơn, như Bari (số hiệu 56), trong đám sản phẩm thu được.
Những nguyên tố này có khối lượng nguyên tử bằng khoảng một nửa Urani. Trong các thí nghiệm trước, đám sản phẩm thu được chỉ nhẹ hơn so với Urani một ít.
Hahn và Strassman liên hệ với Lise Meitner ở Copenhagen trước khi công bố khám phá mới của họ. Bà là đồng nghiệp người Áo của họ, bị buộc phải rời Đức Quốc xã. Bà cộng tác với Niels Bohr và người cháu trai của bà, Otto R.Frisch. Meitner và Frisch cho rằng Bari và các nguyên tố nhẹ khác trong chỗ sản phẩm sau bắn phá là kết quả của sự chia tách Urani – hay là phân hạch hạt nhân. Tuy nhiên khi bà cộng khối lượng nguyên tử của các sản phẩm phân hạch, chúng không bằng tổng khối lượng của Urani. Meitner sử dụng lý thuyết của Einstein để chỉ ra rằng khối lượng mất đi được chuyển hóa thành năng lượng. Điều này chứng minh phân hạch đã xảy ra và kiểm chứng thành công lý thuyết của Einstein bằng thực nghiệm.
Phản ứng dây chuyền tự duy trì đầu tiên:
Vào năm 1939, Bohr tới Hoa Kỳ. Ông chia sẽ khám phá của Hahn-Strassman-Meitner với Einstein. Bohr cũng gặp Fermi tại một hội nghị về vật lý lý thuyết ở Washington, D.C. Họ thảo luận về khả năng đầy triển vọng của phản ứng dây chuyền tự duy trì. Trong một quá trình như vậy, các nguyên tử có thể chia tách và giải phóng lượng năng lượng rất lớn.
Các nhà khoa học trên thế giới bắt đầu tin rằng phản ứng dây chuyền tự duy trì có thể thành hiện thực. Nó sẽ xảy ra nếu tập hợp đủ lượng Urani dưới những điều kiện hợp lý. Số lượng Urani cần thiết để làm một phản ứng dây chuyền tự duy trì được gọi là khối lượng tới hạn (critical mass - критическая масса).
Fermi và phụ tá của ông ấy, Leo Szilard, đã đưa ra một thiết kế khả dĩ cho phản ứng dây chuyền của Urani vào năm 1941. Trong mô hình của họ, Urani được đặt trong các trụ graphit (than chì) để tạo khung có dạng khối lập phương cho vật liệu có thể phân hạch.
Đầu năm 1942, một nhóm các nhà khoa học dẫn đầu bởi Fermi tập trung tại đại học Chicago để phát triển lý thuyết của họ. Cho đến tháng 11 năm 1942, họ đã sẵn sàng cho việc xây dựng lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới, được biết đến dưới cái tên Chicago Pile-1. Nó được xây dựng trên nền sân bóng quần bên dưới sân vận động thể thao đại học Chicago. Ngoài Urani và graphit, nó chứa thêm các thanh điều khiển (control rod - регулирующий стержень) làm từ Cadimi. Cadimi là một kim loại hấp thụ neutron tốt. Khi thả các thanh vào trụ, sẽ có ít neutron hơn dùng cho phân hạch hạt nhân Urani. Làm phản ứng dây chuyền chậm lại. Khi rút các thanh này lên, số neutron khả dụng nhiều hơn. Phản ứng dây chuyền được tăng tốc.
Vào buổi sáng ngày 2-12-1942, các nhà khoa học đã sẵn sàng chạy thử Chicago Pile-1. Fermi ra lệnh cho rút các thanh điều khiển lên một vài inch mỗi lần trong vài giờ kế tiếp. Cuối cùng vào 3:25 chiều hôm ấy, giờ Chicago, phản ứng hạt nhân đạt được trạng thái tự duy trì. Fermi và của mình đã thành công trong việc đi từ lý thuyết khoa học đến thực tiễn công nghệ. Thế giới bước vào kỷ nguyên hạt nhân.
(Tranh vẽ buổi thử nghiệm lò phản ứng Chicago Pile-1 vào ngày 2-12-1942)
Sự phát triển của năng lượng hạt nhân ở Hoa Kỳ:
Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên mới chỉ là khởi đầu. Hầu hết các nghiên cứu nguyên tử thời kỳ đầu chỉ tập trung vào phát triển một loại vũ khí mới hiệu quả dùng cho Thế Chiến II. Công việc này được thực hiện dưới mật danh dự án Manhattan. (Và sản phẩm thì các bạn biết rồi đấy, hai quả bom nguyên tử mang bí danh Little boy và Fat man được thả xuống Hiroshima và Nagasaki, Nhật Bản.)
Tuy nhiên, một vài nhà khoa học bắt tay vào chế tạo lò phản ứng tái sinh (breeder reactor - Реактор-размножитель), dùng để sản xuất các vật liệu có thể phân hạch trong phản ứng dây chuyền. Bởi vậy chúng có thể tạo ra vật liệu có khả năng phân hạch nhiều hơn số sử dụng.
Sau chiến tranh, chính phủ Hoa Kỳ khuyến khích việc phát triển năng lượng hạt nhân cho các mục đích dân sự hòa bình. Quốc hội thành lập Ủy ban Năng lượng nguyên tử năm 1946. Ủy ban này cấp phép cho xây dựng lò phản ứng tái sinh thí nghiệm I tại Idaho (một bang phía tây bắc Hoa Kỳ, có biên giới với Canada). Lò phản ứng sản xuất điện từ năng lượng hạt nhân lần đầu tiên vào ngày 20-12-1951.
(Lò phản ứng tái sinh thí nghiệm I tại Idaho, Hoa Kỳ - Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới sản xuất ra điện)
(EBR-I sản xuất ra điện tiêu thụ đầu tiên trên thế giới vào ngày 20-12-1951; Chứng minh bằng thực nghiệm ngày 4-7-1955 rằng lò phản ứng tái sinh có thể tạo vật liệu có khả năng phân hạch nhiều hơn số được dùng)
Một mục tiêu chính của các nghiên cứu hạt nhân giữa thập kỷ 1950 là tìm ra cách sản xuất điện thương mại từ năng lượng hạt nhân. Nhà máy điện thương mại sử dụng năng lượng hạt nhân đầu tiên trên thế giới đạt công suất thiết kế (theo mô tả của chính phủ Hoa Kỳ) nằm ở Shippingport, bang Pennsylvania, Hoa Kỳ. Nó đạt công suất thiết kế vào năm 1957. (Lò phản ứng hạt nhân thương mại đầu tiên trên thế giới nằm ở thành phố Obninsk, Liên Xô cũ, tuy nhiên lò này hoạt động dưới công suất thiết kế).
Lò phản ứng nước nhẹ như Shippingport sử dụng nước thường (H20) để làm mát lõi của lò phản ứng trong suốt phản ứng dây chuyền. Khi ấy chúng là thiết kế tốt nhất cho nhà máy điện hạt nhân. Và được phát triển bởi khu vực tư nhân. Các chương trình hạt nhân liên bang chuyển trọng tâm sang việc phát triển các công nghệ lò phản ứng khác.
Ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân ở Hoa Kỳ phát triển nhanh chóng trong thập niên 1960. Các công ty điện lực đánh giá đây là loại năng lượng kinh tế, thân thiện môi trường, và an toàn. Tuy nhiên trong hai thập niên tiếp theo phát triển năng lượng hạt nhân chậm lại. Nhu cầu điện giảm và dấy lên các lo ngại về an toàn hạt nhân, xử lý rác thải hạt nhân, và các quan ngại môi trường khác.
Tuy vậy vào năm 1991, Hoa Kỳ sở hữu số lượng nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động nhiều gấp đôi các nước xếp ngay sau nó, và chiếm một phần tư số nhà máy điện hạt nhân trên thế giới. Năng lượng hạt nhân cung cấp khoảng 22% điện năng cho Hoa Kỳ.
Cho đến cuối năm 1991, có 31 quốc gia khác cũng có nhà máy điện hạt nhân cho mục đích thương mại đang hoạt động hoặc xây dựng. Là một kết quả toàn cầu ấn tượng trong việc sử dụng năng lượng hạt nhân cho mục đích hòa bình. Ảnh dưới là 9 quốc gia có nhiều lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động nhất.
Vấn đề hiện tại và triển vọng tương lai:
Trong suốt thập niên 1990, Hoa Kỳ phải đối diện một số vấn đề năng lượng và đã phát triển một số mục tiêu chính cho năng lượng hạt nhân:
Duy trì sự an toàn và tiêu chuẩn thiết kế chính xác;
Giảm rủi ro kinh tế;
Giảm rủi ro vận hành;
Thiết lập một chương trình xử lý rác thải hạt nhân hiệu quả cao.
Một vài mục tiêu này được đưa vào Đạo luật chính sách năng lượng năm 1992, được ký thành luật vào tháng 10 cùng năm.
Hoa Kỳ đang cố gắng đạt những mục tiêu này theo nhiều cách. Ví dụ, bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã và đang tích cực hợp tác với ngành công nghiệp hạt nhân để phát triển các thế hệ nhà máy điện hạt nhân mới, an toàn và hiệu quả hơn. Cũng có một nỗ lực nhằm giúp các nhà máy điện hạt nhân xây dựng dễ dàng hơn bằng cách tiêu chuẩn hóa thiết kế và đơn giản hóa các yêu cầu cấp phép, mà không nới lỏng các tiêu chuẩn an toàn.
Trong vấn đề rác thải, các kỹ sư đang nghiên cứu phát triển nhiều phương pháp và nơi chứa mới cho rác thải phóng xạ từ nhà máy điện hạt nhân và các quá trình hạt nhân khác. Mục tiêu của họ là cất giữ số rác thải này an toàn, biệt lập trong một khoảng thời gian rất dài (lên tới hàng vạn năm).
(Chôn cất chất thải phóng xạ dưới lòng đất)
Các nhà khoa học cũng nghiên cứu phản ứng tổng hợp hạt nhân (nuclear fusion - Термоядерные реакции – còn gọi là phản ứng nhiệt hạch). Phản ứng nhiệt hạch xảy ra khi các nguyên tử kết hợp – hay dính lại – chứ không phân tách. Phản ứng nhiệt hạch cung cấp năng lượng cho mặt trời. Trên Trái Đất, nhiên liệu nhiệt hạch triển vọng nhất là Deuteri, một đồng vị của Hydro. Nó có trong nước và số lượng rất nhiều. Và phản ứng nhiệt hạch cũng tạo ra rác thải hạt nhân ít hơn phản ứng phân hạch. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn chưa thể điều khiển được phản ứng nhiệt hạch cho mục đích sản xuất năng lượng và vẫn tiếp tục nghiên cứu.
(stellarator – Lò phản ứng nhiệt hạch lớn nhất thế giới ở Đức)
Các ứng dụng khác của công nghệ hạt nhân:
Các nghiên cứu trong các lĩnh vực hạt nhân khác cũng tiếp tục trong thập niên 1990. Công nghệ hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong y học, công nghiệp, khoa học, thực phẩm và nông nghiệp, cũng như năng lượng.
Ví dụ các bác sĩ sử dụng đồng vị phóng xạ để xác định và nghiên cứu các nguyên nhân gây bệnh. Họ cũng dùng chúng để nâng cao, cải thiện các cách điều trị truyền thống.
Trong công nghiệp, các đồng vị phóng xạ được sử dụng để đo các độ dày mức vi mô, phát hiện các khiếm khuyết trong vỏ kim loại, và kiểm tra các mối hàn.
Các nhà khảo cổ sử dụng kỹ thuật hạt nhân để xác định chính xác niên đại các cổ vật thời tiền sử và định vị các khiếm khuyết trong các tượng hoặc kiến trúc cổ.
Chiếu xạ hạt nhân được dùng trong bảo quản thực phẩm. Nó giúp giảm mất mát vitamin so với đóng hộp, đông lạnh, hay sấy khô.
(Chiếu xạ hạt nhân bằng tia gamma)
Các nghiên cứu hạt nhân đem lại lợi ích cho con người trong nhiều lĩnh vực. Nhưng ngày nay, ngành công nghiệp hạt nhân đang đối mặt với những vấn đề rất phức tạp và khó khăn. Làm cách nào để chúng ta giảm tối thiểu rủi ro? Chúng ta phải làm gì với rác thải?
Tương lai sẽ phụ thuộc vào các tiến bộ kỹ thuật, nghiên cứu và phát triển khoa học, và tất nhiên là sự phổ biến kiến thức đúng đắn về ngành khoa học hạt nhân tới mọi người dân.
