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 5)

Thực tế khắc nghiệt của thị trường

Năng lượng hạt nhân có một sức mê hoặc nhất định bởi sức mạnh và sự thanh nhã trong công nghệ của mình. Tuy nhiên, loại năng lượng này vẫn có những điểm hạn chế và nhiều hậu quả khó lường: (1) tính kinh tế của chu kỳ công nghiệp, (2) sự an toàn của các nhà máy điện hạt nhân trong điều kiện bình thường và khi xảy ra các kịch bản thảm họa (động đất, các cuộc tấn công khủng bố, v.v…), (3) xử lý chất thải, và (4) mối liên kết không thể chối cãi và không rõ ràng với các cơ sở quân sự. Không có bất kì hoạt động công nghiệp nào khác có thể được phép tiếp tục tăng trưởng mà không cần phải giải quyết những thiếu sót nghiêm trọng như vậy.

Khi đối mặt với một bức tranh rất phức tạp như vậy, thật là đáng sợ khi nghe những cuộc tranh luận nông cạn không thể tin nổi tuyên bố rằng lựa chọn hạt nhân là một giải pháp sạch và hiệu quả về chi phí cho nhu cầu năng lượng của một quốc gia. Những người Ý hỗ trợ luận điểm này đưa ra lập luận rằng Ý bị ép buộc mua điện với giá cao từ các nhà máy điện hạt nhân hiện có ở Pháp. Điều này là rất xa sự thật. Trong thực tế, Pháp là nước mà bị buộc phải bán nguồn cung cấp điện năng cho các nước láng giềng với chi phí thấp trong thời gian ban đêm để có thể giải phóng năng lượng dư thừa. Nhà máy điện hạt nhân không thể chỉ đơn giản là được bật và tắt bởi một công tắc đơn giản để mà có thể đáp ứng được nhu cầu điện không liên tục và phát triển hàng ngày.

Trong không khí căng thẳng của cuộc đối đầu giữa những người ủng hộ các lựa chọn hạt nhân và những người phản đối, có rất nhiều người ở Ý tin rằng sự lựa chọn hạt nhân là chắc chắn khỏi cần bàn bởi vì sự chống đối mạnh mẽ của các nhà hoạt động môi trường. Nhưng phân tích lịch sử của năm mươi năm qua kể cho chúng ta nghe về một thực tế rất khác. Chắc chắn là, các vụ tai nạn lớn của các trụ sở hạt nhân Fukushima, Chernobyl, và Three Mile Island đã làm suy yếu khả năng chấp nhận của xã hội đối với công nghệ hạt nhân, được quan tâm đến mức mà ngay cả Fermi đã thể hiện một số điều kiện hạn chế nghiêm túc. Cuộc khủng hoảng của các lựa chọn hạt nhân thuần túy là một vấn đề kinh tế, không phải là một vấn đề công nghệ.

Tuy nhiên, tự do hóa thị trường điện là một trở ngại rất lớn đối với các khoản đầu tư cho lựa chọn hạt nhân, chứng minh rằng năng lượng hạt nhân sẽ không tồn tại trên thị trường tự do. Trừ khi công quỹ nhà nước hào phóng có thể đảm bảo cho chi phí khổng lồ của chu kỳ công nghiệp này, đặc biệt là những giai đoạn đầu (upstream) và cuối (downstream) – đó là, giai đoạn xây dựng và giai đoạn ngừng hoạt động của nhà máy điện – sẽ không có đầu tư tư nhân nào đủ ngu ngốc để đầu tư vào các dự án phải đối mặt với quá nhiều rủi ro: ví dụ, cuộc chiến pháp lý lâu dài và tốn kém với các cộng đồng địa phương tại địa điểm được chọn.

Mặc dù chính phủ hỗ trợ hào phóng, các chương trình hạt nhân được đồn đại sắp ra mắt ở Hoa Kỳ đã không nhận được sự đáp ứng nhiệt tình. Tuy nhiên, chính quyền Obama gần đây đã đồng ý để xây dựng hai nhà máy điện hạt nhân. Một vấn đề khác có liên quan đến thời gian xây dựng mất trên dưới 10 năm, trong khi thời gian truyền thống ở các nước hiệu quả nhất: thường mất 10 năm chỉ để xây dựng một trường học ở Ý! Điều này có nghĩa là một gánh nặng tài chính khổng lồ nếu một cam kết như vậy đã được thực hiện.

Sự cố xảy ra trong năm 2011 tại Nhật Bản, một đất nước mà nhiều người tin rằng công nghệ tiên tiến và hết sức rõ ràng, đã được chứng minh một lần và cho tất cả là những công nghệ hạt nhân là quá phức tạp để có thể hoàn toàn dự đoán được. Như một số nhà phân tích đã dự đoán, thảm họa Fukushima đánh dấu hoàng hôn cuối cùng của sự hồi sinh năng lượng hạt nhân, đặc biệt là ở những nước mà nền kinh tế thị trường chi phối. Nói ngắn gọn, ngành công nghiệp hạt nhân dân sự, hấp hối trong suốt ba mươi năm qua, đã bị từ bỏ không chỉ bởi áp lực thị trường mà còn bởi các nhà doanh nghiệp, thậm chí ngay cả trước khi các nhà môi trường có thể nói gì về vấn đề này.

Giải pháp hay vấn đề?

Dưới ánh sáng của những thiệt hại to lớn đối với cả con người và vật chất gây ra (hoặc có thể gây ra) bởi biến đổi khí hậu, một số nhà khoa học tiếp tục đề xuất năng lượng hạt nhân như một giải pháp để giải quyết vấn đề năng lượng. Họ xem các lựa chọn hạt nhân như là nguồn cung cấp năng lượng làm giảm cường độ phát thải khí nhà kính so với những nguồn từ các nhà máy điện dùng nhiên liệu hóa thạch.

Tuy nhiên, nếu chúng ta đưa ra giả thuyết rằng năng lượng hạt nhân có thể sẽ đóng một vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng toàn cầu từ nay đến năm 2050, như một kịch bản tối thiểu thì sẽ là như sau: (1) thay thế tất cả các lò phản ứng hiện tại đang trong hoạt động (khoảng 430 lò) đã đạt giới hạn tuổi tác, (2) thay thế 50% nhà máy điện đốt than hiện tại, và (3) bảo đảm 50% nhu cầu mới cho điện. Kịch bản này sẽ bao gồm việc xây dựng khoảng 2500 nhà máy hạt nhân với công suất 1000 MW, đó là, người ta sẽ phải được xây dựng mỗi tuần một nhà máy liên tục từ nay (năm 2012) đến năm 2050. Điều này là hoàn toàn không thực tế. Nói về mặt kỹ thuật, thời gian quá ngắn, các trữ lượng mới của mỏ uranium là chưa biết, và các khu vực thích hợp cho việc xử lý chất thải hạt nhân còn thiếu, chưa kể đến hàng ngàn tấn plutonium có thể sản xuất ra.

Đối với các giả thuyết còn lại, tất cả các phân tích có thẩm quyền đều dự đoán một vai trò hạn chế của năng lượng hạt nhân trong bất kỳ kịch bản năng lượng nào trong tương lai. Về vấn đề này, Cơ quan Năng lượng Quốc tế (International Energy Agency – IEA) dự đoán rằng tới năm 2030 lựa chọn hạt nhân sẽ cung cấp một phần các nhu cầu điện của thế giới ít hơn nhiều so với mức hiện nay. Dữ kiện này đại diện cho không gì khác hơn là một thất bại cho một công nghệ trong vài thập kỷ gần đây đã đốt cháy hơn 60% kinh phí nghiên cứu và phát triển ở các nước phát triển mà đáng ra đã có thể được dành tốt hơn cho các công nghệ năng lượng mới.

Với các mối đe dọa sắp xảy ra của các cuộc khủng hoảng khí hậu và năng lượng, thì có vẻ như không hợp lý để tiếp tục chi tiêu một lượng lớn năng lượng trí tuệ và nguồn lực tài chính để theo đuổi con đường chậm nhất, đắt nhất, rủi ro nhất, hạn chế và cứng nhắc đã được thực hiện cho đến nay. Bây giờ chẳng phải là thời gian để chúng ta bước ra khỏi chiếc hộp năm 1942 và thực hiện – với sự thích thú lớn hơn nhiều – nghiên cứu về công nghệ năng lượng tái tạo (renewable energy) hay sao?

Phản ứng tổng hợp hạt nhân: nếu không phải hoa hồng… thì sẽ là gì?

Không giống như các phản ứng phân hạch hạt nhân (nuclear fission), phản ứng tổng hợp hạt nhân (nuclear fusion) là quá trình của các nhiên liệu trên Mặt trời và các ngôi sao khác, trong đó hai hạt nhân nguyên tử nhẹ kết hợp lại với nhau để tạo thành một hạt nhân nặng hơn, với một khối lượng nhỏ hơn tổng khối lượng của các hạt nhân ban đầu. Năng lượng được giải phóng dưới dạng bức xạ điện từ và động năng của các sản phẩm theo phương trình của Einstein (Hình 17). Các ứng cử viên tốt nhất để tái tạo quá trình này trên Trái đất là deuterium và tritium (hai đồng vị của hydro). Một gram các đồng vị này của hydro có thể sản xuất một lượng năng lượng thông qua quá trình nhiệt hạch tương đương với năng lượng phát ra từ 11 tấn than.

Hình 17: Một sơ đồ của quá trình phản ứng nhiệt hạch: một hạt nhân của deuterium và tritium được kết hợp để tạo thành một hạt nhân helium, giải phóng năng lượng.

Phản ứng tổng hợp hạt nhân đã được khai thác, mặc dù trong một hình thức không được kiểm soát, trong quả bom hydrogen (the H bomb). Để sản xuất ra năng lượng, điều cần thiết sẽ là xây dựng các lò phản ứng nhiệt hạch trong đó quá trình tổng hợp diễn ra một cách có kiểm soát. Hiện tại, nghiên cứu trong lĩnh vực này vẫn còn ở giai đoạn sơ khởi.

Về lâu dài, phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể là giải pháp tiến bộ cho vấn đề năng lượng. Theo lý thuyết, phương pháp này có thể sản xuất một lượng vô hạn của năng lượng với giảm phát thải khí độc hại hay khí nhà kính và sẽ tạo ra chất thải phóng xạ với chu kì bán hủy trong khoảng chục năm và hạn chế chủ yếu trong các thành phần lò phản ứng.

Điều đó đã được dự đoán vào năm 1972 rằng trong năm 2000, năng lượng điện sẽ được tạo ra bởi các nhà máy điện hạt nhân thương mại dựa trên phản ứng tổng hợp hạt nhân. Dự báo này đã được chứng minh là quá lạc quan. Thí nghiệm được tiến hành cho đến nay đã sản xuất nhiều nhất là vài chục MW điện trong thời gian ngắn. Hiện nay, quá trình này vẫn tiêu thụ nhiều năng lượng hơn so với sản xuất.

Kỹ thuật hứa hẹn nhất cho việc khai thác tổng hợp hạt nhân sử dụng cơ sở hạ tầng được gọi là Tokamak, với buồng chân không hình chiếc bánh vòng (donut) lớn. Một hỗn hợp deuterium và tritium được phun vào và nung nóng để tạo ra một plasma (hay là khí ion hóa), mà sau đó được giới hạn bởi từ trường rất mạnh để ngăn chặn sự làm giảm nhiệt độ khi tiếp xúc với các bức tường lò phản ứng.

Dự án quốc tế thí nghiệm lò phản ứng nhiệt (International Thermonuclear Experimental Reactor – ITER) được dựa trên cách tiếp cận này. Dự án bắt đầu ở miền Nam nước Pháp với sự tham gia của các quốc gia tiêu thụ năng lượng lớn. Ban đầu, dự án là xây dựng một nhà máy điện thí điểm đầu tiên với công suất 500 MW vào năm 2030, tiếp theo là nhà máy thương mại vào năm 2050. Tuy nhiên, như thường lệ đối với trường hợp của các siêu dự án hạt nhân, chi phí đã tăng mạnh năm sau cao hơn năm trước và thời gian ước tính để hoàn thành cứ kéo dài và dài hơn. Cả Hoa Kỳ và Liên minh châu Âu đã bắt đầu giảm tài trợ cho các doanh nghiệp này.

Nhiều nhà khoa học vẫn hoài nghi về tính khả thi của phản ứng tổng hợp hạt nhân. Trong mọi trường hợp, ngay cả khi có một ngày đoàn kỵ binh của tổng hợp hạt nhân có thể tới để giải cứu, điều đó cũng sẽ xảy ra vượt quá ngưỡng thời gian có thể đảm bảo cho chúng ta một lối thoát không đau đớn ra khỏi thời đại của nhiên liệu hóa thạch.

 

Hết Chương 6. 

Người dịch: Phạm Thu Hường

Biên tập: Đào Thu Hằng

 

© copyright Zanichelli and Wiley-VCH
Permission granted for translating into Vietnamese and publishing solely on dotchuoinon.com for non-commercial purposes