HẠT NHÂN THẾ KỶ 21 (NUCLEAR 21): Thách thức và tiềm năng

144

Mọi quốc gia đều quan tâm đến vấn đề kinh tế và giảm thiểu ảnh hưởng phát triển kinh tế đến môi trường: Điện hạt nhân (ĐHN) là một phương tiện và là mục tiêu quan trọng trong đường lối chính trị (xem báo cáo IPCC WGIII, ĐHN có bức xạ GHG thấp nhất ). Cũng cần nhắc lại là ĐHN có đi xuống từ năm 1993.

 

Người ta nhận thấy sử dụng nhiên liệu khoáng sản (fossil) có chiều giảm. Sự phát triển ĐHN thế kỷ 21 tuy gặp nhiều thách thức nhưng vẫn là phương hướng chủ đạo cho ngành năng lượng. Trên thế giới công luận về an toàn và quy phạm (regulation) hạt nhân gây nhiều tranh cãi. Đức đưa kế hoạch “Energiewende” nhằm chấm dứt ĐHN vào năm 2022. Các nước không muốn ĐHN là Ý, Lithuania,…Các nước phát triển ĐHN mạnh là Pháp, Hungary, Belgium, Slovakia, Sweden,…

 

Có thể nói HẠT NHÂN thế kỷ 21 gồm 2 nội dung chính là nghiên cứu Lò phản ứng (LPƯ) thế hệ IV và tổng hợp hạt nhân (ITER trong tầm nhìn 2050) [1].

 

1. Lò phản ứng thế hệ IV

 

– LPƯ thế hệ IV được xây dựng bởi  “Hội thảo Quốc tế thế hệ IV-Generation IV International Forum” gồm các nước Australia, Canada, China,  European Atomic Energy Community (Euratom), France, Japan, Russia, South Africa, South Korea, Switzerland, United Kingdom và United States.

 

– Các nước tham gia sau là Argentina, Brasil, Switzerland 2002, Euratom 2003, Trung Quốc và Nga 2006, Australia 2016.

 

– Các LPƯ thế hệ IV: High-temperature gas-cooled reactor (VHTR), the sodium-cooled fast reactor (SFR), the gas-cooled fast reactor (GFR), the lead-cooled fast reactor (LFR), the molten salt reactor (MSR) và  super-critical water-cooled reactor (SCWR).

 

2. Tổng hợp hạt nhân ITER (“The Way” in Latin) là một trong những dự án đầy tham vọng của thế giới hiện nay (ITER = International Thermonuclea Experimental Reactor).

 

Tại miền Nam nước Pháp, 35 nước cùng nhau xây dựng TOKAMAK [2], một thiết bị từ để thực hiện tổng hợp hạt nhân không gây carbon theo nguyên lý năng lượng như trên mặt trời.

 

Hàng ngàn kỹ sư và khoa học đã hợp tác trong dự án này. Các thành viên là China,  European Union, India, Japan, Korea, Russia và the United States.

 

PHÂN BỐ CÁC LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN TRÊN THẾ GIỚI

 

Trước khi đi vào nội dung NUCLEAR thế kỷ 21 chúng ta nên điểm qua tình hình các LPƯ đang vận hành trên thế giới (xem hình 1).

 

Hình 1. Số LPƯ tại các nước

 

Tại châu Âu có 132 LPƯ (27% sản lượng điện). 65 LPƯ được xây dựng tại các nước (Trung Quốc, Hàn Quốc, Ấn Độ, Nga, Slovakia, Pháp, Phần Lan. 12 LPƯ trong kế hoạch (Vương quốc Anh-UK). Các LPƯ phần lớn thuộc thế hệ 2 và 3. Đa số là LPƯ nước nhẹ (Light water reactor – LWR). Tại UK có LPƯ khí làm lạnh tiên tiến (Advanced gas-cooled reactor – AGR).

 

CÁC THẾ HỆ LÒ PHẢN ỨNG

 

Hiện nay các LPƯ được xếp theo 4 thế hệ (xem hình 2).

 

Hình 2. Thế hệ các LPƯ

 

Trên hình 2 ta thấy các LPƯ hiện hoạt động (LWR, CANDU, RBMK,…) đa số thuộc thế hệ II. Các LPƯ thế hệ IV là an toàn nhất và có chất thải tối thiểu.

 

CHẤT THẢI PHÓNG XẠ

 

Vấn đề xử lý chất thải phóng xạ là một trong các nhiệm vụ quan trọng của NUCLEAR 21.

 

Trong quá trình vận hành ĐHN sản xuất chất thải phóng xạ. Thời gian cho bức xạ chất thải giảm đến bức xạ uranium thiên nhiên là khoảng 200.000 đến 300.000 năm. Công việc phải làm là giải quyết vấn đề chất thải HLW (High level Wastes) và nhiên liệu đã đốt cháy.

 

Sau đây là sự giảm thiểu phóng xạ của chất thải theo 3 phương án xử lý chất thải phóng xạ khác nhau (xem hình 3).

 

Hình 3. Chất thải phóng xạ

 

Trên hình 3 ta thấy độ phóng xạ giảm nhiều lần khi sử dụng các phương pháp xử lý phóng xạ tiên tiến (reprocessing and recycling of Pu+ MAs = tái xử lý và tái sử dụng Pu + các minor actinide, MA = minor actinide, xem hình 3 bên trái). Vòng tròn màu xanh ứng với số năm mà phóng xạ chất thải giảm đến mức phóng xạ của Uranium thiên nhiên. Thời gian cần thiết t là cỡ vài trăm năm (xem vòng tròn màu xanh bên trái trên hình 3) trong lúc nếu dùng 2 phương án xử lý khác (classical reprocessing with recycling Pu-tái xử lý cổ điển và tái sử dụng Pu hay direct disposel of spent fuel-trực tiếp lưu trữ nhiên liệu đã cháy) thì t (Time) tăng lên nhiều lần.

 

TỔNG HỢP HẠT NHÂN TẦM NHÌN 2050

 

Vấn đề tổng hợp hạt có tầm quan trọng đối với HẠT NHÂN 21. Hiện nay các nhà vật lý hạt nhân tập trung phát triển Tokamak ITER. Nhiệm vụ trong NUCLEAR 21 là đạt được số tích 3 thừa số phải nhỏ hơn một trị số nhất định (luật Lawson). Trên hình 4 là tích 3 thừa số tại nhiều cơ sở nghiên cứu tổng hợp hạt nhân.

 

Hình 4. Hệ số “tích 3 thừa số – triple product “tại các cơ sở nghiên cứu tổng hợp hạt nhân. Triple product = tích (mật độ ion plasma) x (nhiệt độ ion) x (thời gian giam cầm năng lượng)

 

CHIẾN LƯỢC TỔNG HỢP HẠT NHÂN

 

Chương trình thực hiện tổng hợp hạt nhân được phân bố từ năm 2010 đến 2055 như ở hình 5 (qua các giai đoạn và dự án JET, ITER &DEMO).

 

Hình 5

 

Trên hình 5 ta thấy ITER đã khởi hành vào năm 2020, sẽ vận hành vào năm 2027 (D-T=deuterium-tritium-nhiên liệu giai đoạn đầu của tổng hợp hạt nhân), sản xuất điện vào năm 2045 và có điện thương mại vào năm 2050.

 

KẾT LUẬN

 

Phát triển LPƯ thế hệ IV và Tổng hợp hạt nhân (ITER) là chương trình cơ bản của HẠT NHÂN 21, với mục tiêu lớn là giảm thiểu carbon. Trong chương trình tổng hợp hạt nhân thời gian sống của chất thải giảm xuống vài trăm năm thay vì hàng trăm ngàn năm như hiện nay. Tổng hợp hạt nhân sẽ là phương án năng lượng lâu dài.

 

GS. Cao Chi, Tổng hợp hạt nhân

 

 


BẢNG CÁC CHỮ VIẾT TẮT TRONG  NUCLEAR 21

 

ADS Accelerator-driven transmutation systems (Hệ chuyển hóa nhờ máy gia tốc)
AGR Advanced gas-cooled reactor (LPƯ khí làm lạnh tiên tiến)
ASTRID Advanced sodium technological reactor for industrial demonstration (LPƯ sodium tiên tiến)
CEA Commissariat l´Energie Atomique (Năng lượng nguyên tử cục)
DEMO Demonstration power plant (Trình diễn LPƯ)
ESNII2000 European sustainable nuclear industrial initiative for sustainable fission (Phân hạch công nghệ châu Âu)
ETTP Experimental technological pilot plant (Nhà máy pilot thực nghiệm công nghệ)
EURATOM The European Atomic Energy Community (Năng lượng nguyên tử cục châu Âu)
IAEA International Atomic Energy Agency (Năng lượng nguyên tử cục quốc tế)
FNR Fast neutron reactor (LPƯ nhanh)
GFR Gas-cooled fast reactor (LPƯ nhanh khí làm lạnh)
GIF Generation IV international forum (Hội thảo IV quốc tế)
GWe Giga watt energy (năng lượng giga watt)
HLW High-level radioactive waste (chất thải phóng xạ cao)
IFMIF International fusion materials irradiation facility (Nhà máy tổng hợp vật liệu bức xạ quốc tế)
INPRO International project on innovative nuclear reactors and fuel cycles (Dự án LPƯ mới và chu trình nhiên liệu quốc tế)
ITER International thermonuclear experimental reactor or from latin “the way” (LPƯ nhiệt hạch thực nghiệm quốc tế)
LFR Lead-cooled fast reactor (LPƯ nhanh chì làm lạnh)
LWR Light water reactor (LPƯ nước nhẹ)
MOX Mixed oxide fuel (nhiên liệu oxide hỗn hợp)
MYRRHA Multi-purpose hybrid research reactor for high-tech applications (LPƯ lai nghiên cứu đa mục đích cho ứng dụng công nghệ cao)
P&T Partitioning and transmutation (Phân chia và chuyển hóa)
PATEROS Partitioning and transmutation European roadmap for sustainable nuclear energy (Phân chia và chuyển hóa châu Âu)
PUREX process Plutonium and Uranium extraction process (Quy trình chiết khai plutonium và uranium)
Q-value Fusion energy gain factor (Pfus/Pheat)(hệ số tổng hợp năng lượng)
SET-plan Strategic energy technology plan (Chương trình công nghệ chiến lược năng lượng)
SFR Sodium-cooled fast reactor (LPƯ nhanh sodium làm lạnh)
SNETP Sustainable nuclear energy technology platform (Lập trường công nghệ năng lượng nguyên tử)

 

TÀI LIỆU THAM KHẢO

 

[1] Nuclear power in the 21st century: Challenges and possibilities, Akos Horvath and Elisabeth Rachlew

https://www.pubfacts.com/detail/26667059/Nuclear-power-in-the-21st-century-Challenges-and-possibilities

[2] Cao Chi,Tổng hợp hạt nhân

https://www.blogger.com/blog/post/edit/6367301289370266987/1404966805170966725