Năng Lượng Hạch Nhân Cho Tương Lai - Nuclear Power For The Future

Quan niệm đúng đắn về phát triển bền vững cũng như nhu cầu năng lượng cần thiết cho phát triển là hai vấn đề cấp thiết mà nhân loại cần lưu phải tâm trong những năm sắp đến. Tiến trình toàn cầu hóa trong phát triển chung khiến cho hầu hết lãnh đạo các quốc gia trên thế giới, đặc biệt là những quốâc gia hậu kỹ nghệ cần phải ngồi lại để tìmra những biện pháp chung để giải quyết vấn đề cốt lỏi của con người. Đó là năng lượng cần thiết để phát triển.

Trước những vấn nạn môi trường và hệ sinh thái bị hủy diệt, nhu cầu điện năng đến từ than đá hay thủy điện dần dần bị thay thế bằng những nguyên liệu “sạch” cho năng lượng. Năng lượng từ dầu hỏa có nguy cơ bị cạn kiệt trong những thập niên sắp đến. Về năng lượng gió cũng như năng lượng mặt trời...chỉ là những bước đầu, chưa đạt quy mô lớn và giá thành tương đối còn cao.

Chỉ còn lại năng lượng hạch nhân hiện đang được các quốc gia ráo riết tập trung nghiên cứu để tiến đến một công nghệ năng lượng sạch, an toàn, giá thành rẽ, và mang lại nhiều ứng dụng khác hơn là việc tạo ra điện năng phù hợp với tinh thần phát triển bền vững do LHQ đề ra.

Bài viết có mục đích trình bày một số thông tin căn bản về sự lịch sử và sự hình thành một lò phản ưng hạch nhân, cùng những viễn kiến tiến tới một công nghệ sạch cùng một số an toàn lao động trong vận hành.

Sự phân bổ các lò năng lượng hạch nhân

Hiện tại (2004), trên thế giới hiện có 441 lò phản ứng hạch nhân đang hoạt động rãi rác ở 31 quốc gia, sản xuất ra 363 triệu Kilowatt (KW) điện năng. Trung bình một lò phản ứng có khả năng sản xuất từ 800 trăm ngàn đến một triệu KW. Hiện tại, có 30 lò đang được xây cất ở 24 quốc gia, và thế giới cũng đang có dự kiến xây dựng thêm 104 lò phản ứng nữa trong vòng 10 năm tới.

Các quốc gia Á Châu như Trung Hoa, Nhật Bản, Đài Loan, Đại Hàn là những quốc gia đang đặt trọng tâm vào việc xây dựng lò phản ứng cho nhu cầu năng lượng cần cho phát triển. Trong tượng lai, năng lượng hạch tâm không chỉ được được xử dụng để sản xuất ra điện năng mà còn được ứng dụng như một dạng năng lượng để sản xuất ra khí Hydrogen (H2), hoặc dùng để khử muối trong nước biển cho nhu cầu nước sinh hoạt ở những vùng không đủ nước. Có thể nói H2 là hoá chất căn bản để thực hiện hầu hết các quy trình sản xuất hóa chất trong kỹ nghệ, đây là một nguyên liệu có thể thay thế các sản phẩm hóa chất khác từ dầu hỏa.

Tại Hoa kỳ, hiện có 103 lò phản ứng đang hoạt dộng, sản xuất ra 97 triệu KW, chiếm khoảng 20% nhu cầu điện năng toàn quốc. Chi phí xây dựng cho 1 KW giờ điện của loại năng lượng nậy là 1,68 cents, chỉ đứng sau giá điện năng do thủy điện cung cấp mà thôi. Tại California, chúng ta phải trả trung bình khoảng 7 cents cho 1 KW giờ. Thời gian hoạt động của một lò phản ứng năng lượng hạch nhân là khoảng 40 năm.

Đối với các quốc gia Tây Âu, tỷ lệ xử dụng điện từ lò hạch nhân trung bình khoảng 35%> Pháp đã xử dụng 78% cho nhu cầu điện toàn quốc; Bỉ, 55%.

Lịch sử hình thành lò phản ứng hạch nhân

Một trong những nhu cầu cần thiết để phát triển quốc gia là năng lượng. Và năng lượng đến từ các lò phản ứng hạch nhân được các khoa học gia chú ý đến từ những năm đầu thập niên 50. Từ đó lò phản ứng thuộc thế hệ I (generation I) ra đời. Các lò nầy hiện tại vẫn còn được xử dụng. Tuy nhiên các lò thuộc thế hệ nầy đang đi dần đến sự đào thải vì thời gian vận hành sắp chấm dứt (tuổi thọ của một lò phản ứng vào khoảng 50 năm). Thế hệ thứ II ra đời vào đầu thập niên 70. Thế hệ thứ III, vào thập niên 90. Và sau cùng thế hệ thứ IV đang được chuẩn bị với rất nhiều hy vọng trở thànhmột công nghệ toàn hảo vì sẽ làm giảm thiểu tối đa hiệu ứng nhà kính qua việc phóng thích thán khí đối với các lò phản ứng thuộc các thế hệ trước đó, thực hiện được an toàn lao động trong vận hành, và nhất là các lò trên sẽ là “lò phản ứng tự giải quyết” trong trường hợp có tai nạn xảy ra, nghĩa là không cần thiết đến sự hiện diện của con người trong trường hợp nầy.

1 Lò phản ứng thế hệ I - Lò phản ứng có tên Magnox là một lò phản ứng đầu tiên được sản xuất và tung ra thị trường vào những năm đầy thập niên 50 do 3 nhà vật lý học người Anh sáng chế có tên: TS Ion, TS Khalit, và TS Magwood. Lò Magnox xử dụng nguyên liẹâu Uranium trong thiên nhiên trong đó chỉ có 0,7% chất đồng vị (isotope) U-235 và 99,2% U-238. Nguyên tắc vận hành có thể được tóm tắt như sau: Các ống kim loại Uranium nầy được bao bọc bằng một lớp hợp kim gồm nhôm (Al) và Magnesium (Mg). Một lớp than graphite đặt nằm giữa ống Uranium và hợp kim trên có mục đích làm chậm bớt vận tốc phóng thích của trung hòa khí (neutron) do sự tách rời (fission) U-235. Từ đó các trung hòa khí trên sẽ va chạm mạnh với hạch nhân của U-235 (nuclei)...để các phản ứng dây chuyền liên tục xảy ra làm tăng thêm sự va chạm... Đây là một phản ứng phát nhiệt rất lớn và thán khí (CO2) được dùng để chuyển tải nhiệt năng nầy đến một máy turbine hơi nước để từ đó biến cải thành điện năng.

Việc điều hòa vận tốc phản ứng dây chuyền hoặc chận đứng phản ứng là một công đoạn quan trọng bậc nhất của một lò phản ứng. Trong công đoạn nầy lò Magnox xử dụng một loại thép làm từ hóa chất boron (B), loại thép nầy có tính chất hấp thụ các trung hòa tử, do đó có thể điều khiển phản ứng theo ý muốn. Có tất cả 26 lò Magnox đã hoạt động ở Anh Quốc, hiện tại chỉ còn 8 lò còn đang họat động và sẽ bị đào thải vào năm 2010.

2 Lò phản ứng thế hệ II: Các lò nầy đã ra đời vào thập niên 70 và 80, hiện chiếm đa số các lò đang họat động trên thế giới. Từ lúc ban đầu, 60% của loại lò nầy áp dụng nguyên lý lò nước dưới áp suất (pressurized water reactor-PWR), trong đó nước dưới áp suất cao được xử dụng vừa làm dung dịch làm nguội, vừa làm dung dịch điều hòa phản ứng. Nguyên liệu xử dụng cho lò thuộc thế hệ II nầy thay vì dùng Uranium thiên nhiên, hợp chất Uranium dioxide được thay thế và hợp kim nầy được bọc trong các ống cấu tạo bằng kim loại Zirconium. Do đó Uranium-235 sẽ được tinh luyện từ 0,7% đến 3,0 - 3,5%. Nhưng các loại lò nầy lần lần được thay thế bằng cách áp dụng nguyên lý của lò hơi nước dưới áp suất (boiling water reactor-BWR). Một khác biệt căn bản là nước được đun sôi rồi mới chuyển qua hệ thống làm tăng áp suất. Làm như thế, phương pháp nầy rút ngắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nước trong khi chuyển số nhiệt lượng qua các turbine để biến thành điện năng.

3 Lò phản ứng thế hệ III: Kễ từ cuối thập niên 80, thế hệ III bắt đầu được nghiên cứu với nhiều cải tiến từ các lò phản ứng loại BWR của thế hệ II. Và lò nầy được đi vào hoạt động đầu tiên vào năm 1996 tại Nhật Bản. Bằng sáng chế đã được US Nuclear Regulatory Commission (NRC) xác nhận. Hiện tại các lò nầy đang được thiết lập ở nhiều quốc gia trên thế giới vì đáp ứng được nhu cầu xây cất tương đối ngắn, 3 năm, và chi phí cũng giảm so với các lò thuộc thế hệ trước cùng phương cách vận hành cũng như bảo trì tương đối giản dị và an toàn hơn.

4 Lò phản ứng thế hệ IV: Tuy nhiên trước yêu cầu ngày càng cấp thiết hơn về an toàn lao động và bảo vệ ô nhiễm môi trường nhất là hiệu ứng nhà kính, các khoa học gia đang tiến dần đến việc xây dựng các lò hạch nhân thế hệ IV, trong đó hệ thống an toàn không còn dùng đến con người nữa mà hoàn toàn tự động. Thêm nữa sẽ không còn có việc thải hồi khí CO2 vào không khí. Một đặc điểm mới của lò hạch nhân thế hệ IV nầy là có thể sản xuất ngoài điện năng, còn cho ra Hydrogen, một nhân tố căn bản cho hầu hết các phương pháp tổng hợp hóa chất cần thiết cho công kỹ nghệ. Thế hệ IV còn được gọi là “lò phản ứng cách mạng ( revolutionary reactor). Thế hệ nầy đang được 9 quốc gia phối hợp thử nghiệm từ năm 2000. Các quốc gia nầy gồm: Á Căn Đình, Ba Tây, Canada, Pháp, Nhật Ban, Nam Phi, Đại Hàn, Anh Quốc, và Thụy Sĩ. Cộng đồng nguyên tử năng Âu Châu (European Atomic Energy Community) cũng đã xin gia nhập nghiên cứu chung vào năm 2003.

Thế hệ nầy sẽ đi vào ứng dụng vào năm 2030 và có thể thỏa mãn những điều kiện sau ngoài các lợi thế kễ trên:

· giá thành cho điện năng sẽ rẻ hơn hiện tại;

· hoàn toàn an toàn 100%;

· phế thải giảm thiểu tối đa.

Vấn đề an toàn vận hành của một lò hạch nhân

Để đáp ứng nhu cầu phát triển bền vững trong tương lai, việc làm khẩn thiết và cấp bách của các khoa học gia là làm thế nào để bảo đãm an toàn lao động trong vận hành và an toàn cho dân chúng sống chung quanh lò hạch nhân trong tường hợp có tai nạn hay khủng bố. Đây là mục tiêu mà mọi quốc gia đang nhắm đến.

Tuy nhiên vấn đề an toàn lao động trong việc xử dụng năng lượng hạch nhân đã làm tăng thêm nhiều dị biệt trong quan niệm về lãnh vực nầy của các nhà làm khoa học. GS Jerrence Collins, thuộc đại học Carnegie Mellon, Pittsburgh đã phát biểu:” Tôi nghĩ năng lượng hạch nhân là một hướng đi sai lầm vì việc xử dụng loại năng lượng nầy sẽ không bao giờ có được an toàn”.

Ngược lại, TS Peterson có cái nhìn tích cực hơn trong khi suy nghĩ về tính an toàn trong vận hành một lò phản ứng là: 1- Cần phải có một hệ thống kiểm soát hữu hiệu để chấm dứt sự tách đôi của các trung hòa tử (nghĩa là chấm dứt hệ thống phát nhiệt) khi xảy ra tai nạn. Tai nạn ở Chernobyl năm 1986 đã xảy ra quá trầm trọng về mặt thiệt hại nhân sự vì lò hạch nhân ở nơi đây không có hệ thống tự động để ngưng phản ứng kễ trên. 2- Mục tiêu thứ hai cho an toàn lao động là làm thế nào để di dời các phế thải phóng xạ (radioactive decay) được sinh ra liên tục trong giai đoạn va chạm và tách rời giữa các trung hòa tử và hạch tâm Uranium. Nếu không được di dời đúng lúc, phế thải phóng xạ sẽ tích tụ ngày càng nhiều làm cho các ống phản ứng nóng thêm ra và làm hư hại các ống nầy, do đó lò phản ứng sẽ bị giảm hiệu năng và có thể xảy ra tai nạn. Đó là tai ạnn ở một lò hạch nhân Pennsylvania vào năm 1979. 3- Mục tiêu thứ ba là làm thế nào để ngăn chặn việc chất phóng xạ thoát ra ngoài không khí. Do đó, lò phản ứng phải hoàn toàn bị cô lập trong trường hợp có tai nạn.

Các lò phản ứng thuộc thế hệ I và II có hệ thống an toàn dựa theo các nguyên lý về cơ học, vật lý, và điện học như: hệ thống kiểm soát nhiệt, các chốt đóng/mở tự động, bơm tự động, hệ thống trao đổi nhiệt (làm nguội) tự động. Trong lúc đó các lò thuộc thế hệ III được trang bị hệ thống di dời phế thải phóng xạ và có hệ thống bơm nước để gỉai nhiệt tòan thể lò phản ứng; khi tai nạn xảy ra sẽ có một hệ thống an toàn tự động bắt đầu hoạt động ngay không cần có sự điều khiển của con người.

Hiện tại, trước khi thế hệ IV đi vào hoạt động, thế hệ III đang được cải tiến thêm để thỏa mãn 3 mục tiêu kễ trên. Đó là lò hạch nhân Westinghouse AP 1000 do Westinghouse Electris (US) sáng chế. Lò nầy, so với 3 thế hệ trước đã giảm được 50% chốt đóng mở, 35% bơm áp suất, 80% đường ống, và 80% dây cáp trong thiết kế mới nầy. Với sáng chế trên, lò AO 1000 cho đến năm 2010 sẽ giảm chi phí xây cất xuống còn $1000 đến $1200 Mỹ kim cho 1 KW điện.

Quan điểm dị biệt giữa các quốc gia

Tuy cùng chia xẻ một nhu cầu chung cho tương lai, cùng những tiện ích và tương đối an toàn trong việc bảo vệ môi trường đối với các lò hạch tâm ở thế hệ mới, các quốc gia trên thế giới vẫn cho thấy một quan niệm không đồng nhất về sự hiện hữu của các lò hạch nhân.

Đối với Hoa Kỳ, các lò phản ứng thuộc thế hệ IV thể hiện một chu trình sản xuất năng lượng sạch, từ đó họ cổ súy việc xử dụng loại năng lượng nầy. Nhu cầu phát triển của Hoa Kỳ trong vòng 20 năm tới cần thêm 335 triệu KW tương đương với việc xây thêm khoảng 50 lò hạch tâm.

Trong lúc đó tại các quốc gia Tây phương như Phần Lan chỉ dự định xây thêm môt lò nữa mà thôi trong tương lai. Pháp cũng đồng ý xây thêm nữa cho nhu cầu của nước nầy. Đối với các quốc gia khác như Đức, Hòa Lan, và Thụy Điển đang có dự án chấm dứt cáclò phản ứng hiện đang còn hoạt động. Và trầm trọng hơn nữa, là chính phủ Áo, Đan Mạch, và Ái Nhỉ Lan đã bày tỏ chống đối việc xử dụng loại năng lượng hạch nhân nầy. Chính phủ Ý đã quyết định hủy bỏ 4 lò phản ứng sau cuộc trưng cầu dân ý năm 1987. Về phần Tay Ban Nha thì đang quản lý 9 lò phản ứng và có dự định xây thêm. Còn Anh Quốc thì hiện tại chưa tỏ thái độ đồng ý hay chống đối. Trong lúc đó, Nga Sô sau tai nạn Chernobyl đang xây thêm 6 lò và dự trù xây thêm 8 lò nữa trong một tương lai gần đây.

Vế phía Á Châu, Trung Hoa, Ấn Độ, Nhật BẢn, Đại Hàn, và Đài Loan đều có chương trình tích cực cho việc xây dựng lò phản ứng hạch nhân. Gần đây nhất, các quốc gia nầy đã hoàn tất tất cả 17 lò, và đang dự định xây cất thêm 70 lò nữa. Trong lúc đó Phi Luật Tân vừa sắp sữa hoàn thành 90% lò hạch nhân, nhưng vì sự phản đối của người dân trong vùng về mức bảo đãm an toàn lao động trong vận hành đã bắt buộc chính quyền quốc gia nầy phải hủy bỏ dự án nữa chừng, tốn hao công quỹ hàng tỷ Mỹ kim.

Còn Việt Nam thì sao?

Việt Nam hiện có một Viện Năng Lượng Nguyên Tử ở Đà Lạt (Việt Nam Nguyên tử lực Cuôc cũ thời Việt Nam Cộng Hòa) do TS Phạm Duy Hiển làm Giám đốc hơn 20 năm nay. Theo báo chí trong nước thì Việt Nam dự định bắt đầu xây cất 2 lò phản ứng hạch nhân vào năm 2012 để có thể đi vào hoạt động năm 2015. Địa điểm dự trù là Phước Dinh, Phước Hải (Ninh Thuận), và Hòa Tân (Tuy Hòa, Phú Yên). Kinh phí dự trù cho hai dự án kễ trên là 3 tỹ Mỹ kim.

Ngay sau khi quyết định nầy được phổ biến vào đầu năm 2004, nhiều nhà khoa học trong nước và ngoại quốc đã bày tỏ mối quan ngại và lên tiếng phản đối hai dự án trên.

Có nhiều lý do đưa ra cho việc phản đối nầy:

· Địa điểm chọn lựa của hai vùng hoang mạc khô cằn, thưa dân cư, không thuận tiện cho việc di chuyển của nhân công và ban quản lý nhà máy trong tương lai;

· Ở cả hai vùng, không có hạ tầng cơ sở tối thiểu cho nhu cầu yểm trợ việc xây cất, vận chuyển, cùng nhu cầu về xã hội, y tế, và sinh hoạt hàng ngày của công nhân như điện nước v. v...;

· Và nhất là, hiện tại Việt Nam chưa có khả năng cũng như không có dự kiến đào tạo nhân sự chuyên môn trong lãnh vực nầy trong một tương lai gần.

· Vấn đề nguyên liệu nguyên tử là một vần đề cốt lỏi mà chắc chắn Việt Nam không thể nào chủ động và kiểm soát được vì tùy thuộc vào quốc gia cung cấp. Chất Uranium và khả năng tinh luyện chất nầy để dùng cho lò phản ứng hạch nhân cần những nhân sự thật chuyên môn và nhiều kinh nghiệm mà việc đào tạo đòi hỏi ít nhất vài chục năm.

Xây cất một lò phản ứng hạch nhân chỉ là giai đoạn sau cùng trước khi hoàn tất các giai đoạn kễ trên. Về nhân sự, sự yếu kém về tri thức công nghiệp, kiến thức quản lý, cũng như khả năng chuyên môn trong lãnh vực nguyên tử và hạch nhân sẽ là những cản ngại lớn khiến cho việc thiết lập lò phản ứng khó có cơ may thực hiện hay chỉ thực hiện nữa chừng...

Thêm nữa, theo ước tính của một số nhà khoa học trong và ngoài nước thì tiềm năng của Việt Nam về than đá, dầu mỏ, khí đốt, cùng với việc khai thác và phát triển những loại năng lượng trong tầm tay như năng lượng gió, năng lượng mặt trời... Việt Nam vẫn còn có thể dư thừa năng lượng dùng cho việc phát triển kinh tế, xã hội đến năm 2030. Đễ rồi, vào thời điểm nầy, Việt Nam có đủ thời gian để chuẩn bị ngay từ bây giờ để có thể tránh được những cản ngại vưà kễ trên trong tương lai. Thêm nữa, trong giai đoạn nầy, những lò thuộc thế hệ IV đã được áp dụng trong một thời gian đủ để cho các quốc gia Tây phương có khả năng và kinh nghiệm điều chỉnh những bất ngờ trong vận hành.

Đễ rồi, sau đó Việt Nam có thể áp dụng công nghệ nầy an toàn hơn cho công cuộc phát triển quốc gia.

Mai Thanh Truyết

West Covina 10/2004