Năng lượng hạt nhân: Hai khuynh hướng chủ đạo trong thế kỷ 21

Để xây dựng một tư duy lâu dài và hợp lý cho Việt Nam trong vấn đề Năng lượng hạt nhân (NLHN), ta cần biết thế giới đã có những phát triển và khuynh hướng nào trong tương lai về NLHN ?

Nhiều sinh viên Việt Nam đang được đào tạo tại trường đại học của Nga như ĐH Liên bang Viễn Đông, ĐH Điện lực Moskva, ĐH Nghiên cứu hạt nhân quốc gia… Nguồn: Sputnik.

I /Trên thế giới

Trước khi đi vào hiện trạng NLHN ta trở lại một chút về lịch sử phát triển các Lò phản ứng (LPƯ). Xem hình 1.

Trên hình 1 ta thấy rõ các LPƯ trong tương lai (đến 2040) sẽ là các LPƯ thuộc thế hệ IV.

Hai tài liệu đáng tham khảo về vấn đề NLHN thế kỷ 21 là:

Năng lượng hạt nhân thế kỷ 21: khả năng và thách thức, Akos Horvarth and Elisabeth¹ & Nuclear Power in Asia, Piere Darriulat².

Như chúng ta biết năng lượng hạt nhân là thân thiện với môi trường. Song nhiều vấn đề nan giải đã đặt ra cho NLHN nên tổng NLHN đã suy giảm từ năm 1993. Đức có kế hoạch đóng cửa các nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) vào năm 2022.

Hình 1. Tại gốc ta có hai nhánh chính :các LPƯ sử dụng uranium thiên nhiên và uranium làm giàu. Sự phối hợp giữa hai nhánh LPƯ làm chậm bằng chì và tải nhiệt bằng khí mở đường cho các LPƯ nhiệt độ cao. Một vài nhánh đã “tuyệt chủng”: NUGG vì lý do kinh tế, RBMK vì lý do an toàn.

Trong khi đó nhu cầu điện năng lại gia tăng cho nên ĐHN vẫn giữ một vị trí nhất định trong cán cân điện năng thế giới (năm 2013 ĐHN chiếm 11% tổng điện năng với 440 NMĐHN trong 30 nước.

Hiện nay có 65 NMĐHN đang được xây dựng chủ yếu ở châu Á (Trung Quốc, Hàn Quốc, Ấn Độ) và Nga, Slovakia, Pháp và Phần Lan.

Nếu quan tâm đến tương lai, ta cần chú ý hai vấn đề sau:

A/ GEN IV (LPƯ – Lò phản ứng thế hệ IV)

Năm 2001 Diễn đàn GIF  hay còn được gọi là GEN IV gồm các nước: Argentina, Brazil, Canada, Pháp, Nhật, Hàn Quốc, Nam Phi, Thụy Sĩ, Anh, Mỹ, EU… đã đề ra ý tưởng về 6 loại LPƯ cho tương lai đến: SFR, LFR, SCWR, VHTR, GFR &MSR.

Các LPƯ thế hệ IV (hiệu suất lớn, ít chất thải phóng xạ) được hình thành trong khuôn khổ GIF (Generation IV International Forum) và INPRO (International Project on Innovative Nuclear Reactors and Fuel Cycles) được EU chú trọng, đặc biệt trong ba dự án:

– Astrid sodium-cooled fast reactor (SFR)-Pháp

– Allegro gas-cooled fast reactor (GFR) – Đông Âu & Trung Âu

– MYRRHA lead-cooled fast reactor (LFR) –Bỉ.

Trong các dự án này vấn đề HLW (High Level Waste) được nghiên cứu giải quyết một cách khoa học (một phần nhỏ chủ yếu lưu trữ trong các tầng địa chất, phần lớn được giải quyết trong quá trình tái xử lý nhiên liệu và chuyển hóa – transmutation).

Quá trình phân chia và chuyển hóa (Partitioning and transmutation processes) nhằm tách và tái xử lý các artinides kể cả các artinides nhỏ (minor actinides) từ nhiên liệu đã cháy và HLW. Tái xử lý các artinides nhỏ cho phép không những sử dụng hiệu quả nguồn nhiên liệu mà còn giảm thiểu chất thải bằng cách đốt cháy phần lớn các đồng vị phóng xạ dài ngày.

B/ Tổng hợp hạt nhân (nhiệt hạch)

Nguyên lý sản năng lượng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hạt nhân (ở nhiệt độ cao,109 độ K=1.000.000.000 độ C+273,5):

Trong đó = deuterium D-một đồng vị của hydrogen, còn= tritium T-một đồng vị khác của hydrogen. Chú ý = helium là một hạt nhân bền không phóng xạ. Muốn có phản ứng nhiệt hạch cần có nhiệt độ cao tạo nên plasma của D, T và electron.

Các nghiên cứu tổng hợp hạt nhân (fussion) nhằm mục đích đạt đến một nguồn năng lượng bền vững cho nhân loại trong nhiều thế kỷ.

Có phải các nghiên cứu tổng hợp hạt nhân sẽ là đáp án cho phần lớn năng lượng của nhân loại? ITER là LPƯ được xây dựng ở Pháp với sự hợp tác của châu Âu, Mỹ, Nga, Nhật Bản, Trung Quốc, Ấn Độ là niềm hy vọng để trả lời câu hỏi trên. ITER được hy vọng sẽ hoạt động vào khoảng năm 2027.

LPƯ tổng hợp hạt nhân là loại tokamak. Tokamak được sáng chế trong những năm 1950 bởi các nhà vật lý Xô viết cũ Igor Tamm và Andrei Sakharov dựa trên ý tưởng của Oleg Lavrentiev (xem hình 2).

Hình 2. Các ion D & T được chuyển động theo các đường của trường (hình bên trái)
Một tổ hợp các cuộn dây tạo ra từ trường mạnh giam giữ plasma D,T&electron (hình bên phải).

Sau 50 năm nghiên cứu tổng hợp hạt nhân cho thấy rằng, không có vấn đề gì về nguyên tắc vật lý. Song trong tương lai còn nhiều vấn đề khác về kỹ thuật phải vượt qua.

Tóm lại ta thấy rằng trong thế kỷ 21 nhiều nước trên thế giới không từ chối NLHN mà xác định hai khuynh hướng rõ rệt cho tương lai là nghiên cứu sử dụng các LPƯ thế hệ IV và chuẩn bị cho một mục tiêu lớn là sử dụng tổng hợp hạt nhân như một điều chắc chắn để bảo đảm phần lớn năng lượng cho nhân loại.

Trước khuynh hướng đó Việt Nam ta nên làm gì?

2/ Chiến lược cho Việt Nam

Trước hết phải tư duy về NLHN như là một tư duy dài hạn cho Việt Nam. Mọi tư duy ngắn hạn sẽ loại bỏ NLHN ở Việt Nam.

Năng lượng hạt nhân gồm hai phần:

– Phi công suất (non-power): điều chế các đồng vị phóng xạ (dùng trong y học, công nghiệp, nông nghiệp, sinh học,…)

– Công suất (power): các nhà máy điện hạt nhân.

Trước những vấn đề như bảo đảm môi trường trong sạch, những khó khăn gặp phải trong thủy điện, những hạn chế nhất định trong nhiên liệu hoá thạch và tái tạo thì việc nghiên cứu ứng dụng các loại lò phản ứng thế hệ IV sẽ làm cho việc ứng dụng NLHN an toàn hơn, kinh tế hơn. Ngoài ra, trong tương lai (có thể xa hay gần) với tình hình chính trị thế giới và khu vực phức tạp chắc là Việt Nam phải nghĩ đến những khí tài sử dụng năng lượng hạt nhân như tàu ngầm hạt nhân trong bảo vệ biển đảo chẳng hạn.

Việc ứng dụng năng lượng tổng hợp hạt nhân (fussion) có thể mở ra cho nhân loại một hướng giải quyết vấn đề năng lượng một cách toàn diện (nguồn nhiên liệu gần như vô tận, chất thải hạn chế đến cực tiểu…).

Việt Nam đến lúc đó chắc cũng không có thể làm ngơ trước khả năng to lớn này, vốn phù hợp với con đường khoa học gần độc đạo về năng lượng hạt nhân.

Việc chuẩn bị nhân lực Việt Nam về năng lượng hạt nhân đã tiến hành hơn hai thập kỷ (đào tạo trong nước và nhiều nước khác như Pháp, Mỹ, Nga, Nhật, Hàn quốc…). Hiện nay đã có những nhà khoa học Việt Nam (trong và ngoài nước) đủ trình độ ban đầu để tiếp thu công nghệ hạt nhân. Nhiều nhà khoa học Việt Nam đã sử dụng thành công những chương trình tính toán LPƯ phức tạp để giải quyết những vấn đề thiết yếu trong các LPƯ nói riêng và trong năng lượng hạt nhân nói chung.

Dự án Trung tâm KH&CN quốc gia hợp tác giữa Việt Nam và Nga có thể nói là một dự án mang tính chiến lược đối với Việt Nam. Trong dự án này có vấn đề xây dựng một LPƯ nghiên cứu mới (thay LPƯ Đà Lạt) và nhiều phòng thí nghiệm quan trong khác trong phần phi năng lượng. Dự án này sẽ duy trì được việc đào tạo nhân lực tiếp tục phát huy trình độ các nhà khoa học Việt Nam trong NLHN và nhất là không làm mai một một đội ngũ đã hình thành trong hai thập kỷ qua.

Trước tình hình chính trị, kinh tế và công nghiệp lần thứ 4 việc duy trì và phát triển liên tục nhân lực và các thiết bị NLHN một cách hợp lý có thể là một đường lối đúng đắn và khôn ngoan cho Việt Nam trong một tương lai có thể nói là không xa lắm. Không duy trì và củng cố nhân lực và cơ sở NLHN sẽ làm cho Việt Nam hụt hẫng trước tình hình trong một số năm tới đối với hai khuynh hướng phát triển NLHN trình bày trên đây và lúc đó Việt Nam càng tụt hậu và không đủ điều kiện để tiến bước cùng tiến độ thế giới và mãi là một nước lạc hậu như hiện nay trong vấn đề năng lượng.
—-
Một số từ viết tắt thông dụng trong NLHN:
ACR = Advanced CANDU reactor
ADS = ADS (Accelerator-driven system),
Hybrid spallation-fission system – Hệ lai phá vỡ-phân hạch
AGR = Graphite-gas reactor-LPU graphite-khí
BWR = Lò nước sôi
EPR = European Pressurized Reactor-Lò áp lực châu ÂU
FR = Fast reactor-LPU nhanh
GFR = Gas-cooled Fast Reactor-LPU nhanh tải nhiệt khí
GIF = Generation IV International  Forum (nuclear reactors)-Diễn đàn quốc tế về các LPU thế hệ IV hay còn được gọi là GEN IV
ITER = International Thermonuclear Experimental Reactor-Tổ chức quốc tế LPU nhiệt hạch
LFR = Lead-cooled Fast Reactor – LPU nhanh tải nhiệt chì
MOX = (Mixed Oxide) – Hỗn hợp các oxides U và Pu
MSR = Molten Salt reactor – LPU muối nấu chảy
MSFR = Molten salt fast reactor – LPU nhanh muối nấu chảy
MYRRHA = Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications- project proposed in Belgium by SCK• CEN could be an Experimental Technological Pilot Plant (ETPP) for the LFR technology.
NUGG = Uranium Natural Graphite Gas – LPƯ graphite  thiên nhiên-khí
PWR = Pressurized Water reactor-Lò nước áp lực
RBMK = ” (các chữ cái đầu của tiếng Nga) Reaktor bolchoi mochnosti kanalnyi-Реактор Большой Мощности Канальный – LPƯ kênh công suất lớn Nga (Chernobyl)
SFR = Sodium-cooled fast reactor-LPƯ nhanh tải nhiệt Na
SCWR = Super Critical Water reactor- LPƯ nước trên tới hạn
SGHWR = Steam generating Heavy Water reactor – LPƯ nước nặng tạo hơi
Tokamak” ( các chữ cái đầu của tiếng Nga) тороидальная камера  магнитными катушками, Toroidalnaia kamera s magnitnymi katushkami) – Camera hình xuyến với các cuộn từ
UNGG = Uranium Natural Graphite Gaz – LPƯ  uranium graphite thiên nhiên
(V) HTR = (Very) High Temperature reactor – LPƯ nhiệt độ (rất) cao
—-
Tài liệu tham khảo:   
1 Akos Horvath and Elisabeth RachlewNuclear power in the 21st century: Challenges and possibilities
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4678124/
2 Pierre Darriulat Nuclear Power in Asia
https://mail.google.com/mail/?nsr=1#inbox/15ea268d0dd75d16?projector=1