7 sự thật về phát triển năng lượng hạt nhân hiện nay
Từ lâu năng lượng nguyên tử đã mở ra những cơ hội và thách thức trong quá trình phát triển của nhân loại. Hơn 60 năm trước, trong một báo cáo trước quốc hội Mỹ, Enrico Fermi (giải Nobel Vật lý năm 1938 cho lý thuyết phóng xạ cảm ứng và phát hiện ra các nguyên tố siêu urani) nói rằng: Năng lượng nguyên tử là một nguồn năng lượng mới, nếu sử dụng đúng cách, trên cơ sở các lò phản ứng hạt nhân sử dụng neutron nhanh, sinh ra một lượng nhiệt rất lớn so với lượng nhiên liệu đầu vào, cho phép phát triển nguồn năng lượng sạch không giới hạn.
Ví dụ, một nhà máy nhiệt điện (công suất – 1000 MW) tiêu thụ 7 chuyến tàu than trong một ngày, còn một nhà máy điện nguyên tử có công suất tương tự chỉ cần một toa tàu nhiên liệu trong một năm. Sự chênh lệch hàng triệu tấn này kéo theo sự chênh lệnh về chi phí vận chuyển, xử lý rác thải...! Nếu tập trung tất cả chất thải hiện nay của các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới thì chỉ xếp vừa một sân vận động có kích thước 50x50x50 m.
1. Nhiên liệu phân hạch:
Nguồn Uranium và Thorium tự nhiên đủ cho chúng ta dùng trong hàng trăm năm. Tuy nhiên, bên cạnh các mặt tích cực vẫn tồn tại những hạn chế, chúng ta có thể tập trung chất thải phóng xạ, nhưng không một nước nào muốn trở thành nơi chôn cất chất chúng. Chỉ có Thụy Điển và Phần Lan là những quốc gia quyết định xây dựng các hầm chứa vĩnh cửu trong lớp đá granit của vùng thềm lục địa, mặc dù các chất thải này có thể được tái sử dụng. Việc tái sử dụng chất thải có ý nghĩa quan trọng trong quá trình phát triển năng lượng nguyên tử.
Trên thực tế, đồng vị U-235 là nguyên liệu được dùng để chế tạo bom hạt nhân và là nhiên liệu trong các lò phản ứng nhà máy điện hạt nhân dùng neutron chậm (nhiệt), lại chỉ chiếm 0,7% trong Uranium tự nhiên. Còn lại 99,3% là đồng vị U-238 không tham gia quá trình phân hạch sinh năng lượng. Một lượng nhỏ U-238 trong lò phản ứng hấp thụ thêm neutron sẽ trở thành Plutonium-239. Plutonium được sử dụng để chế tạo bom nguyên tử, nhiên liệu trong lò phản ứng nhà máy điện hạt nhân. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học nguyên tử đã nghiên cứu các loại lò phản ứng mới – lò phản ứng sử dụng neutron nhanh.
(phản ứng phân hạch của đồng vị uranium-235)
Hiện tại, chỉ có duy nhất Nga là nước sở hữu lò phản ứng sử dụng neutron nhanh và đã đưa vào khai thác vào 8-2016, thuộc nhà máy Beloyarsk. Năm 2013, Ấn Độ muốn khỏi động lò phản ứng kiểu này và bắt đầu xây dựng các lò tương tự.
2. Xu hướng của các nước phát triển:
Có một thực tế rằng các quốc gia phát triển lại muốn thay thế năng lượng hạt nhân bằng việc sử dụng các loại năng lượng khác (Vd: năng lượng mặt trời, gió, thủy triều, …) và đóng cửa các nhà máy điện hạt nhân hiện có. Nhưng mọi chuyện không đơn giản như vậy! Khi đóng cửa các nhà máy điện hạt nhân cần phải giải quyết những vấn đề:
Thứ nhất: lượng nhiệt dư thừa của các phản ứng cần được tiêu thụ.
Thứ hai: chất thải hạt nhân (vẫn còn nhiên liệu phóng xạ) phải được chôn cất hoặc sử dụng trong các lò neutron nhanh.
Giải pháp: Phát triển công nghệ lò sử dụng neutron nhanh là con đường duy nhất để chúng ta xử lý các vấn đề chất thải phóng xạ, cũng như khắc phục những tồn tại của quá trình phát triển năng lượng hạt nhân.
(lò phản ứng sử dụng neutron nhanh BN-800)
Nếu chúng ta dừng lại ở việc sử dụng các thế hệ lò hiện tại thì nguồn U235 sẽ nhanh chóng cạn kiệt, và việc sử dụng các lò neutron nhanh thì U238 chính là nguồn năng lượng vô hạn. Ngoài ra cần phát triển các thế hệ lò có chu trình nhiên liệu khép kín, giúp chúng ta có thể tái sử dụng nhiên liệu. Các công nghệ này đã được Pháp đưa vào sử dụng lò neutron nhanh Phénix và Superphénix.
3. Cuộc chạy đua của các cường quốc:
Mỹ là nước tiên phong trong phát triển lò neutron nhanh. Năm 1946, Mỹ đã đưa vào vận hành lò neutron nhanh đầu tiên trên thế giới. Năm 1951 lò EBR-1 đã sản xuất những lượng điện đầu tiên. Năm 1968 trong thế hệ lò EBR-2 người Mỹ đã đưa vào sử dụng chu trình nhiên liệu khép kín, có thể tái sử dụng nhiên liệu.
Nhưng chính quyền Mỹ đã quyết định dừng lại chương trình này vì cho rằng nguồn Plutonium ở cấp độ vũ khí sử dụng trong lò neutron sẽ̀ bị lợi dụng làm phổ biến vũ khí hạt nhân.
Xem thêm: "Chu trình nhiên liệu hạt nhân"
## Ngoài lề: lò neutron nhanh sử dụng đồng vị U-238 làm nguyên liệu chính, U-238 phân hạch với neutron nhanh sinh năng lượng, nhưng có một lượng nhỏ hấp thụ neutron và sinh ra đồng vị Plutonium-239 và tích tụ ngày càng nhiều trong lò phản ứng.
30 năm sau, chúng ta đã phải đối mặt với các vấn đề thiếu hụt nhiên liệu, cơ quan quốc tế đã đưa ra kế hoạch GIF (Generation IV International Forum) để lựa chọn kiểu lò hiện đại nhằm cứu nguy cho ngành năng lượng nguyên tử, và tiếp tục phát triển các ý tưởng của những người tiên phong. Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA đã lựa chọn 6 kiểu lò tốt nhất, trong đó có 4 kiểu là lò neutron nhanh.
4. Sự cần thiết của công nghệ lò neutron nhanh:
Ngày nay, người Mỹ đã hiểu rằng: không có lò phản ứng neutron nhanh thì không có sự phát triển của năng luợng hạt nhân, vấn đề mà họ đã không nghiên cứu trong một thời gian dài.
Trong khi đó, Nga đã xây dựng và đưa vào khai thác các thế hệ tiếp theo của lò neutron nhanh, đặc biệt đưa vào vận hành lò BN – 800 (công suất điện 880MW). Trung Quốc đã mua công nghệ lò kiểu này của Nga, Ấn Độ tự phát triển các kiểu lò tương tự.
Do sự phản đối của người dân, Pháp đã dừng hoạt động lò Superphoenix nhưng họ đang cố gắng để chương trình này được tiếp tục. Các hướng phát triển năng lượng nguyên tử luôn thay đổi để phù hợp với điều kiện thực tế.
(nhà máy điện hạt nhân sử dụng neutron nhanh Superphénix - Pháp - đã đóng cửa)
Nhưng có một vấn đề đối với lò neutron nhanh đó là nhiên liệu, nhiên liệu tốt nhất cho lò là Plutonium cấp độ vũ khí. Chu trình nhiên liệu có nhiều thuận lợi nhưng cũng tồn tại nhiều hạn chế. Đó là quy mô nhà máy càng lớn thì số vòng nhiên liệu, nhân lực và những cản trở về khoa học kĩ thuật cũng tăng theo. Có phải tất cả các nước có nền công nghiệp hạt nhân đều phát triển công nghệ này?
5. Bài học từ các sự cố:
Thảm họa hạt nhân gần đây nhất xảy ra tại nhà máy Fukushima – 1 (Nhật Bản) năm 2013 đã đưa ra cảnh báo về độ an toàn của các lò phản ứng. Nga tin tưởng rằng sau thảm họa Chernobyl, các nhà máy điện hạt nhân của họ vẫn hoạt động an toàn. Hiện nay trong 440 lò phản ứng, có tới 60% là các lò phản ứng được xây dựng trước thảm họa Chernobyl. Đó là các thế hệ lò cũ nhưng đã được nâng cấp để trở nên an toàn hơn.
Nhà máy điện nguyên tử được xem là an toàn khi xảy ra các sự cố không ảnh hưởng tiêu cực tới dân cư và môi trường xung quanh. Đối với Trung Quốc và Ấn Độ, năng lượng nguyên tử là biện pháp duy nhất cứu hai nước này khỏi cơn khát năng lượng trầm trọng. Đến nay, Trung Quốc chỉ xây dựng các lò phản ứng đã được kiểm chứng vận hành an toàn (VVER), và hiện nay họ đang xây dựng các thế hệ lò mới (thế hệ 3+).
(www.world-nuclear.org - các dự án khai thác điện hạt nhân của Trung Quốc)
Phải làm gì khi Trung Quốc đang xây dựng 20 lò phản ứng hạt nhân?
6. Công ước chung về khai thác năng lượng hạt nhân:
Để giải quyết các vấn đề trong phát triển năng lượng hạt nhân, năm 1957 Cơ quan năng lượng quốc tế IAEA được thành lập. Với Nghị định thư bổ sung năm 1993 cho phép các chuyên gia của IAEA thanh tra, giám sát các hoạt động hạt nhân ở các nước thành viên.
Cần những biện pháp khoa học kỹ thuật cần thiết để tránh phổ biến vũ khí hạt nhân. Lò phản ứng neutron nhanh không yêu cầu làm giàu nhiên liệu, giúp chúng ta phổ biến năng lượng hạt nhân một cách an toàn. Tại Hội nghi Thượng đỉnh Thiên niên kỉ của Liên hợp quốc (năm 2000), Nga đã đưa ra sáng kiến sử dụng các nhiên liệu không được làm giàu trong lĩnh vực năng lượng nguyên tử - đó là cơ sở để phát triển năng lượng bền vững.
Trong lịch sử phát triển hơn 70 năm trong ngành năng lượng hạt nhân, Liên Xô đã xây dựng các khu vực hạt nhân khép kín: từ sản xuất nhiên liệu, vận hành lò phản ứng tới tái sử dụng nhiên liệu.
Các nước Tây Âu không xây dựng các khu vực như vậy, tất cả các chất thải hạt nhân đều trở lại Liên Xô, đó lại là nguồn nhiên liệu vô tận cho thế hệ lò neutron nhanh. Mặc dù các nước này có được nguồn năng lượng hiệu quả nhưng các vấn đề “nhạy cảm” (bao gồm công nghệ làm giàu, khai thác và sản xuất nhiên liệu hạt nhân, …) đều bị giới hạn và nằm dưới sự kiểm soát của Liên Xô.
7. Nga - nước đi đầu khai thác lò neutron nhanh:
Như vậy để xây dựng các tiêu chuẩn quốc tế, cần phải xây dựng các trung tâm quốc tế về năng lượng nguyên tử. Ví dụ như trung tâm làm giàu nhiên liệu (cụ thể là Uranim), trung tâm tái sử dụng chất thải hạt nhân, trung tâm lò phản ứng neutron nhanh, … hoạt động dưới sự kiểm soát của cộng đồng quốc tế.
Đến nay chỉ có LB Nga đưa vào khai thác công nghệ lò neutron nhanh trên nhiều lĩnh vực: khai thác điện (lò BN-800 được đưa vào sử dụng vào tháng 8-2016), giao thông vận tải (tàu phá băng Arktika đã được xây dựng và trong quá trình thử nghiệm, đưa vào khai thác vào năm 2018 theo dự kiến)...
(công nghệ chế tạo vỏ lò phản ứng RITM neutron nhanh cho tàu phá băng)
Trong khuôn khổ chương trình INPRO (International project on innovative nuclear reactors and fuel cycles) của IAEA, theo ý tưởng của Nga, đã xây dựng trung tâm làm giàu trên cơ sở nhà máy điện hóa tại Angarsk (Nga).
Chúng ta cần phải trải qua con đường dài và khó khăn trong hợp tác quốc tế vì mục đích hòa bình của năng lượng nguyên tử - có ý nghĩa lớn lao trong kinh tế, anh ninh và sự phát triển của các nước.
