Cung cấp năng lượng cho Trái đất – Chương 6: Năng lượng nguyên tử (Phần 4)

Powering Planet Earth:
Energy Solutions for the Future

by Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Nick Serpone

Chapter 6: Energy from the Atom – Chương 6: Năng lượng nguyên tử (Phần 4)

Nhà máy điện hạt nhân hiện nay

Nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên trên thế giới, Calder Hall ở miền Bắc nước Anh, đã được kết nối với mạng lưới điện và bắt đầu sản xuất điện vào ngày 17 tháng 10 năm 1956. Chưa đầy một năm sau, vào ngày 08 Tháng 10 năm 1957, đã có một tai nạn cháy tại một cơ sở liền kề nơi plutonium được sản xuất. Đó là một tai nạn rất nghiêm trọng. Các đám sương mù phóng xạ lan rộng khắp bầu trời châu Âu. Tháp làm mát của trạm Calder Hall, một trong những biểu tượng đích thực của thời đại nguyên tử, đã bị hủy bỏ vào ngày 29 tháng 9 năm 2007.

Trong quá trình hơn 50 năm, khu vực Calder Hall đã trải qua sự mở rộng đáng kể, trở thành một trung tâm lớn cho tái chế nguyên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Nơi này bây giờ được biết đến như nhà máy Sellafield, một khu liên hợp công nghiệp chịu trách nhiệm về sự phát thải một lượng không rõ và không xác định các đồng vị phóng xạ, và đã bị coi là đối tượng của nhiều tranh cãi môi trường và pháp lý lâu dài.

Tính đến cuối năm 2011, năng lượng hạt nhân chiếm khoảng 13.5% năng lượng điện của thế giới và ít hơn 6% của tổng số năng lượng sơ cấp. Việc xây dựng các nhà máy điện phân hạch hạt nhân trải qua thời kỳ vàng son của mình trong các năm từ 1956-1986. Trong hai mươi năm qua, số lượng các lò phản ứng trên thế giới ổn định gần con số 435 (Hình 15). Do đó tuổi thọ của các nhà máy hạt nhân là khá đáng kể – độ tuổi trung bình là khoảng 27 năm (Hình 16).

Hình 15: Quá trình phát triển số lượng các lò phản ứng hạt nhân ở trạng thái hoạt động và các nguồn điện toàn cầu theo thời gian. Dữ liệu cập nhật tới tháng 4/2011. Sau thảm họa Fukushima, số lượng các lò phản ứng đang được vận hành  đã giảm đáng kể (xem Chương 9).

Hinh 16

Hình 16: Phân bố độ tuổi của các lò hạt nhân trên thế giới tính đến ngày 15 Tháng 9 năm 2011 (theo IAEA năm 2011). Tuổi được tính từ thời điểm một lò phản ứng lần đầu tiên được kết nối với lưới điện. Đối với tổng số lượng các lò phản ứng, xem minh họa trong Hình 15. Nguồn: Hội hạt nhân châu Âu; Hình ảnh bởi Muriel Boselli. 

Hiện tại có khoảng 60 lò phản ứng hạt nhân được xây dựng trên toàn thế giới nhưng sẽ không thay thế những lò sẽ được cho ngừng hoạt động vì lý do tuổi tác. Trong những năm gần đây, số lượng các lò phản ứng mới không vượt quá số lượng lò phản ứng ngừng hoạt động. Những con số này trái ngược với tuyên bố sai lầm rằng sự bùng nổ của năng lượng hạt nhân vẫn đang diễn ra. Quang cảnh hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân đã đặc biệt trì trệ trong khu vực có số lượng các nhà máy hạt nhân lớn nhất, cụ thể là tại Hoa Kỳ và trong Liên minh châu Âu. Chỉ có hai lò phản ứng mới đang được xây dựng ở Tây Âu, cả hai đều tại các khu vực của các nhà máy điện hạt nhân cũ hiện có.

Mặc dù có sự đóng băng về số lượng lò hạt nhân được thiết lập, lượng năng lượng có sẵn từ các trạm sản xuất hạt nhân vẫn phát triển theo thời gian, chủ yếu là do sự quản lý hiệu quả hơn đối với cơ sở vật chất hiện có. Năm 1973, các cơ sở hạt nhân vận hành 50% thời gian – 50% còn lại được dành cho bảo trì. Ngày nay, những cơ sở này hoạt động ở hơn 80% thời gian mặc dù chúng có tuổi tác khá cao.

Công nghệ hạt nhân đã phát triển đáng kể từ năm 1956. Phần lớn trong số khoảng 430 lò phản ứng hiện tại đang trong hoạt động thuộc về thế hệ thứ hai của nhiều loại lò khác nhau. Rất phổ biến là lò phản ứng nước nhẹ (light water reactors – LWR), sử dụng nước bình thường để làm chậm neutron và để làm mát lò phản ứng và cả các thanh nhiên liệu giàu uranium. Với nguyên tắc này lò phản ứng Three Mile Island được xây dựng, trong khi khu liên hợp hạt nhân Chernobyl sử dụng nước cho quá trình làm mát, và dùng than chì để điều hòa tốc độ của neutron. Các nhà máy điện hạt nhân kiểu Chernobyl chịu sự hao mòn và sự ăn mòn đáng kể, chưa kể đến chi phí bảo trì tốn kém cho sự tinh tế của chúng.

Ngoài ra còn có một số công trình hạt nhân sử dụng nước nặng (nước có chứa đơ-tơ-ri, một đồng vị nặng của hiđro). Phổ biến nhất là công nghệ lò phản ứng CANDU của Canada. Các lò phản ứng này sử dụng uranium tự nhiên (tức là, không được làm giàu); tuy nhiên, so với các lò phản ứng LWR chúng sản xuất lượng lớn hơn các nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và đặc biệt là tạo ra nhiều plutonium.

Hiện nay, các thiết kế hiện đại hơn được định nghĩa là thế hệ thứ ba. Chúng bao gồm các lò phản ứng hạt nhân LWR cơ bản dựa trên công nghệ phát triển hơn, và quan trọng nhất, trên cơ sở kinh tế cạnh tranh hơn.

Nhà máy điện hạt nhân tương lai (có khả năng)

Nhà máy điện hạt nhân trong tương lai sẽ thuộc về cái gọi là thế hệ thứ tư (fourth generation) hoặc G4. Sự phát triển này hiện đang là chủ đề của một quy ước hợp tác quốc tế giữa 13 nước liên quan. Cũng cần nhấn mạnh rằng các lò phản ứng G4 có ​​thể sẽ được xây dựng nhưng không trước 30 năm nữa.

Có không ít hơn sáu loại khác nhau của các dự án G4 đang được tích cực kiểm tra hiện nay, được liên kết bởi ít nhất ba mục tiêu chung: (1) tăng năng suất của các công trình chuyển đổi từ hạt nhân thành điện, mà hiện nay là khoảng 30%; (2) xây dựng nhà máy điện hạt nhân an toàn hơn, hạn chế khả năng có thể sử dụng gián tiếp cho quân sự (phổ biến vũ khí hạt nhân); và (3) làm cho các nguồn năng lượng hạt nhân có thể cạnh tranh kinh tế với các nguồn năng lượng truyền thống và/hoặc tái tạo.

Sự hài hòa của ba yêu cầu trên là sẽ là một thách thức khó khăn, và sự thành công của cam kết thì không có phương tiện gì để bảo đảm. Ví dụ, để tăng năng suất, các nhà máy hạt nhân sẽ phải hoạt động ở nhiệt độ từ 500 đến 1000°C (hiện nay chúng hoạt động ở khoảng 300°C). Điều này đòi hỏi các vật liệu có khả năng chịu nhiệt độ cao và bức xạ, và điều đó không nghi ngờ gì là sẽ dẫn đến chi phí tăng lên.

Bốn trong số các dự án G4 có liên quan đến việc tái chế của nhiên liệu đã qua sử dụng, điều đó là lãng phí về kinh tế và sản xuất ra plutonium nhiều hơn. Tái chế nhiên liệu đã qua sử dụng cần được thực hiện theo cách để có thể chống lại việc phổ biến vũ khí hạt nhân, hoặc là phải làm thế nào để chất thải (giàu plutonium) khó bị lấy trộm và xử lý. Tuy nhiên, an ninh tuyệt đối của các hoạt động này sẽ không bao giờ có thể được đảm bảo đầy đủ, vì sự bất cẩn kỹ thuật và/hoặc quản lý tối thiểu không thể tránh được hoàn toàn.

Một trong những yếu tố chống lại triển vọng dài hạn của dự án năng lượng hạt nhân là trữ lượng còn lại của uranium, một nguồn tài nguyên dùng được không quá 50 năm nữa với mức tiêu thụ và công nghệ hiện tại. Dự án G4 nhằm mục đích sử dụng 238U – ngay cả khi thu được từ nhiên liệu đã qua sử dụng – có thể được chuyển đổi thành plutonium bằng cách bắn phá với các neutron năng lượng cao và động năng lớn.

Trong một số cấu hình, dự án G4 sẽ thuộc loại lai tạo (được gọi là lò phản ứng lai tạo/tái sinh – breeder reactors) tự sản xuất nhiên liệu riêng của mình. Điều này có thể xảy ra khi lò phản ứng hoạt động với plutonium và được thêm uranium từ tự nhiên, như chúng ta đã thấy, có thể được chuyển đổi thành plutonium cấp độ vũ khí như một hệ quả của phản ứng phân hạch tiếp theo. Nỗ lực để phát triển các lò phản ứng lai tạo an toàn, đáng tin cậy và hiệu quả kinh tế đã được tiến hành trong nhiều thập kỷ. Kết quả cho đến nay là một thất bại, bắt đầu với nhà máy nổi tiếng Super-Phoenix ở Pháp, trong đó Ý đã tham gia tích cực thông qua công ty điện lực quốc gia ENEL. Nhà máy này bị đóng cửa vĩnh viễn vào năm 1997 sau 12 năm hoạt động gặp khó khăn trong khuôn mẫu của một thất bại kinh tế khổng lồ.

Thành công cuối cùng của dự án thế hệ thứ tư có thể sẽ thực sự cung cấp một sự sẵn có không giới hạn của vật liệu phân rã hạt nhân trong tương lai. Nhưng cho dù như vậy, điều này sẽ vẫn không giải quyết được vấn đề xử lý nhiên liệu và xử lý an toàn các chất thải phóng xạ.

 

Người dịch: Phạm Thu Hường

Biên tập: Đào Thu Hằng & Nguyễn Thu Trang

© copyright Zanichelli and Wiley-VCH

Permission granted for translating into Vietnamese and publishing solely on dotchuoinon.com for non-commercial purposes

Trả lời

Điền thông tin vào ô dưới đây hoặc nhấn vào một biểu tượng để đăng nhập:

WordPress.com Logo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản WordPress.com Đăng xuất /  Thay đổi )

Google photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Google Đăng xuất /  Thay đổi )

Twitter picture

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Twitter Đăng xuất /  Thay đổi )

Facebook photo

Bạn đang bình luận bằng tài khoản Facebook Đăng xuất /  Thay đổi )

Connecting to %s