Năng lượng hạt nhân

Để đóng góp vào tham luận về năng lượng hạt nhân ở Việt nam, chúng tôi xin trình bày trong bài này [1]

• những phương pháp sản xuất năng lượng hạt nhân,
• những vấn đề công nghệ của ngành năng lượng hạt nhân.

Những phương pháp sản xuất năng lượng hạt nhân

Ngoài thiên nhiên, nguyên tử uranium có tất cả ba đồng vị: 99,3phần trăm đồng vị U-238, 0,7phần trăm đồng vị U-235, và một tỷ lệ không đáng kể đồng vị U-234. Đồng vị U-235 là đồng vị khả phân hạch tự nhiên duy nhất có khả năng sản xuất năng lượng và sinh ra neutron để duy trì dây chuyền phản ứng. Đồng vị U-238 là đồng vị phong phú [2] có thể hấp thụ neutron và, do đó, có khả năng làm tắt dây chuyền phản ứng nhưng, một khi hấp thụ một neutron, trở thành đồng vị khả phân hạch Pu-239.

Những hạt nhân deuterium và tritium hợp nhất với nhau cũng sinh ra năng lượng. Deuterium là một đồng vị của khí hydro có nhiều ngoài thiên nhiên, chủ yếu trong nước biển. Tritium là một đồng vị nhân tạo được chế tạo từ phản ứng phân hạch một hạt lithium với một neutron. Những nguyên tử lithium cũng có rất nhiều trong nước biển.

Nếu thực hiện được phản ứng hợp nhất hạt deuterium với hạt tritium một cách đại trà thì nhân loại sẽ có được một nguồn năng lượng gần như là vô tận. Nghiên cứu và phát triển phương pháp sản xuất năng lượng này phức tạp và tốn kém. Vì thế mà hầu như tất cả các nước công nghệ tiên tiến phải liên kết để chia với nhau chi phí nghiên cứu khai triển [3] ; sáu cường quốc: Hàn quốc, Hoa kỳ, Liên hiệp châu Âu, Nga, Nhật bản và Trung quốc, hiệp sức để khai triển máy hợp nhất hạt nhân ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, Lò Phản ứng Thí nghiệm Nhiệt hạch Quốc tế). Máy hiệp nhất này đặt tại Cadarache, miền Nam nước Pháp.

Hiện nay chưa ai biết được khi nào chương trình nghiên cứu những quy trình hợp nhất hạt nhân đó sẽ đạt kết quả. Trong khi chờ đợi thời đại hoàng kim đó, năng lượng hạt nhân được sản xuất nhờ những phản ứng phân hạch hạt nhân.

Phương pháp phân hạch một hạt nhân hiển nhiên nhất là bắn một hạt nhỏ vào hạt nhân đó. Thí dụ chúng ta có thể tăng tốc những proton trong một hệ tăng tốc rồi bắn những proton đó vào một lò phản ứng chứa uranium tự nhiên. Những hạt nhân uranium bị đập vỡ sinh ra năng lượng. Sau phản ứng phân hạch này thì những neutron bị bắn ra một phần bị hạt nhân U-238 hấp thụ để biến đồng vị phong phú đó thành một đồng vị khả phân hạch Pu-239 và một phần va chạm với những vật có mặt trong lò phản ứng, giảm tốc độ và sinh ra năng lượng sau khi đập vỡ những hạt U-235 có mặt trong uranium tự nhiên và những hạt Pu-239 sinh ra trước đây. Dây chuyền phản ứng có thể duy trì một cách tự nhiên. Nhưng nếu có triệu chứng sắp bị tắt thì chỉ cần bắn vào lò phản ứng thêm một tia proton từ hệ tăng tốc là có thể khích động lại dây chuyền phản ứng.

Quy trình hỗn hợp tăng tốc proton và phân hạch hạt nhân này mới được sáng chế. Chúng tôi không biết đã có nguyên mẫu nào chưa. Nh ưng đã có những lòphản ứng điều hành như vậy mà không có bộ tăng tốc proton, chúng ta gọi là những lò phản ứng neutron nhanh.

Thực ra một lò phản ứng neutron nhanh dùng cả neutron nhanh để sản xuất đồng vị Pu-239, một đồng vị khả phân hạch, lẫn neutron đã được giảm tốc để gây ra những phản ứng phân hạch và sinh ra năng lượng. Neutron bắn ra từ những phản ứng phân hạch có tốc độ 20.000 kilô mét/giây. Muốn có thể gây ra một phản ứng phân hạch với một hạt nhân U-235 khác thì neutron đó phải va chạm với một số hạt nhân có mặt trong lò phản ứng để cho tốc độ giảm xuống 2.000mét/giây. Đây là một đặc tính vật lý không có dẫn chứng lý thuyết nhưng đã được chứng minh qua thử nghiệm.

Khi một lò phản ứng sản xuất những hạt Pu-239 với những phản ứng hấp thụ nhiều hơn là đập vỡ chúng với những phản ứng phân hạch thì chúng ta gọi là lò bội sinh. Những lò bội sinh tiêu thụ một phần plutonium được sản xuất như vậy và phần còn lại có thể dùng làm nhiên liệu cho những nhà máy hạt nhân chỉ chạy bằng những phản ứng phân hạch.

Những lò phản ứng neutron nhanh được khai triển từ đầu kỷ nguyên năng lượng hạt nhân. Hiện nay chỉ có những lò thí nghiệm vận hành mà thôi. Nhà máy điện hạt nhân thương mại theo công nghệ neutron nhanh duy nhất là nhà máy Superphenix ở Creys Malville bên Pháp. Nhà máy này chạy thử để hiệu chỉnh vài năm rồi bị chính phủ Pháp ra lệnh ngưng hoạt đồng và tháo dỡ. Lý do chính là vấn đề chất tải nhiệt từ lòng lò phản ứng ra ngoài chưa được giải quyết ổn thỏa: chất tải nhiệt là natri nấu chảy, một vật có phản ứng nổ khi chạm với nước. Có người nghĩ rằng thay thế natri bằng chì nấu chảy thì sẽ an toàn hơn. Lý do phụ là những xí nghiệp vũ khí dành plutonium để sản xuất bom nguyên tử và Thế giới hiện đang thiếu plutonium để khởi động đại trà những nhà máy hạt nhân neutron nhanh [4] .

Những lò phản ứng hỗn hợp và những lò neutron nhanh có thể tận dụng tất cả những đồng vị uranium ngoài thiên nhiên. Chúng cũng có thể tận dụng những đồng vị thorium cũng có rất nhiều ở ngoài thiên nhiên. Nhưng vì những khó khăn khai triển của những lò loại đó nên những lò phản ứng công nghiệp đều là những lò phân hạch những đồng vị khả phân hạch như đồng vị U-235 và những đồng vị của nguyên tử plutonium.

Như nói ở trên, những hạt neutron phải giảm tốc độ từ 20.000 km/giờ xuống còn 2.000m/giờ. Những hạt nhân có thể giảm tốc độ của neutron gọi là những vật điều tiết. Để cho dây chuyền phản ứng được duy trì, những vật điều tiết không được hấp thụ neutron hay chỉ được hấp thụ rất ít thôi.

Những vật điều tiết tốt nhất là nước nhẹ, nước nặng, cacbon và khí oxy cacbonic. Nước nhẹ là nước thường gồm bởi những phân tử H2O. Nước nặng là nước gồm bởi những phân tử D2O. Nước này tương tự như nước thường chỉ khác là trong phân tử nước H2O ion hydro H+ được thay thế bằng ion deuterium D+. Nước tự nhiên gồm bởi nước nhẹ và một chút nước nặng. Muốn có nước nặng thì phải phân cất nước tự nhiên, tách những nguyên tử deuterium ra rồi kết hợp lại phân tử D2O với những nguyên tử đó. Cacbon dùng để làm vật điều tiết là cacbon dưới dạng than chì. Còn khí oxy cacbonic là kết quả của phản ứng oxy hóa than chì có mặt trong lò phản ứng. Nước nhẹ, nước nặng và khí oxy cacbon còn có thể được dùng làm chất tải nhiệt cho lò phản ứng.

Pháp có xây loại lò phản ứng gọi là UNGG (Unranium Naturel Graphite Gaz) dùng than chì làm vật điều tiết và khí oxy cacbon làm chất lỏng tải nhiệt. Canada là nước đã khai triển loại lò phản ứng dùng nước nặng gọi là CANDU (Canadian Deuterium Uranium). Những nhà máy này rất an toàn và chạy bằng uranium tự nhiên nên chi phí điều hành thấp. Nhưng những nhà máy này cần vốn đầu tư rất cao. Một nhà máy có đời sống kỹ thuật 40 năm phải hoạt động trong hơn một chục năm mới hoàn lại được năng lượng bỏ ra để xây ra nó ! Sau khi xây được vài nhà máy UNGG, Pháp ngưng không xây tiếp nữa và chuyển sang công nghệ lò phản ứng nước nhẹ. Còn Canada thì chỉ xuất khẩu được vài nhà máy thôi.

Song song người ta đã khai triển những lò phản ứng chạy bằng nước nhẹ.

Phân tủ H2O trong nước nhẹ hấp thụ một chút neutron và hàm lượng đồng vị U-235 trong uranium tự nhiên quá thấp để dây chuyền phản ứng có thể duy trì được. Vì thế những lò phản ứng dùng nước nhẹ cần đến một hỗn hợp uranium có hàm lượng đồng vị U-235 cao hơn uranium tự nhiên, khoảng từ 3 tới 5 phần trăm, để duy trì dây chuyền phản ứng hạt nhân. Chúng ta gọi những hỗn hợp đó là uranium được làm giầu.

Những lò PWR (Pressurized Water Reactor, Lò Phản ứng Nước Nén), HTR (High Temperature Reactor, Lò Phản ứng Nước Nóng) và BWR (Boiled Water Reactor, Lò Phản ứng Nước Sôi) là những lò phản ứng hạt nhân chạy bằng uranium đã được làm giầu. Liên Xô cũ có khai triển loại lò RMBK chạy bằng uranium đã được làm giầu và dùng than chì làm vật điều tiết và nước sôi làm chất lỏng tải nhiệt [5] . Giữa những loại lò đó thì lò PWR là thông dụng nhất vì có tỷ trọng khối lớn nên vừa rẻ lại vừa an toàn nhất.

Những vấn đề công nghệ của ngành năng lượng hạt nhân

Rút cục hiện nay chỉ có những lò phản ứng chạy bằng nước nhẹ là thịnh hành. Nhiên liệu của những lò ấy là đồng vị U-235 của nguyên tử uranium và những đồng vị khả phân hạch nhân tạo như là plutonium Pu-239.

Như mọi công nghệ, công nghệ điện hạt nhân phải hòa nhập vào một chuỗi công nghệ. Muốn nắm được công nghệ điện hạt nhân phải nắm được ít nhiều những công nghệ lân cận. Chúng tôi không nói đến những công nghệ “xoong chảo” nặng: cơ khí nặng, luyện kim, hóa học hay tự động học mà nếu bỏ nhiều công học tập và nhiều vốn đầu tư thì một ngày nào đó cũng có thể nắm được. Ngoài những công nghệ đó còn phải nắm được những công nghệ của chu trình nhiên liệu.

Một nhà máy hạt nhân chỉ là một khâu trong hẳn một chuỗi công nghệ phức tạp gọi là chu trình nhiên liệu. Chutrình đó gồm bảy khâu: đào mỏ,

1. xử lý quặng uranium,
2. gia tăng hàm lượng đồng vị U-235,
3. chế tạo nhiên liệu,
4. phát xạ trong lò phản ứng nhà máy điện hạt nhân,
5. xử lý nhiên liệu đã được phát xạ,
6. xử lý phế liệu.

Chu trình nhiên liệu hạt nhân

Sau khi quặng được đào ra khỏi mỏ thì được lọc ra khỏi đất đá vặt. Sau khâu làm tinh khiết thì uranium ở dưới dạng oxy uranium UO2 hình bánh nguyệt mầu vàng xám nên được gọi là yellow cake(bánh mầu vàng). Khâu này cũng không có gì khó vì đó là công nghệ cổ điển của ngành luyện kim.

Uranium tự nhiên chỉ có 0,7phần trăm đồng vị U-235. Hàm lượng này không đủ để duy trì dây chuyền phản ứng nên người ta phải gia tăng hàm lượng đó. Để làm việc đó, oxy uranium UO2 được đổi thành khí hexa fluorur uranium UF6 qua một số quy trình hóa học. Sau đó một phần phân tử UF6 có đồng vị U-238 được loại ra làm tăng tỷ lệ những phân tử UF6 có đồng vị U-235. Việc gia tăng hàm lượng đồng vị U-235 này gọi là việc làm giầu uranium. Vì trọng khối phân tử hexa fluorur uranium với đồng vị U-235 và trọng khối phân tử có đồng vị U-238 chỉ khác nhau không đáng kể nên việc làm giầu rất công phu và tốn kém.

Hiện có nhiều phương pháp tách phân như là phương pháp khuếch tán, phương pháp siêu quay rẩy hay là phương pháp laser. Chúng tôi không đi vào chi tiết những phương pháp đó mà chỉ mạn phép nói rằng chỉ có những cường quốc có vũ khí hạt nhân mới nắm được công nghệ này. Những nước này là Anh, Nga, Hoa kỳ, Pháp và Trung quốc. Ấn độ và Pakistan gần đây cũng có thử vài qủa bom nguyên tử nhưng chưa biết có đủ khả năng công nghệ để được coi là thành viên câu lạc bộ những nước có vũ khí hạt nhân hay không. Những nước khác, không có vũ khí hạt nhân, muốn khai triển công nghệ làm giầu nhưng bị các nước đó ngăn cản viện cớ rằng họ muốn chống tăng sinh vũ khí hạt nhân.

Sau khâu làm giầu, uranium tự nhiên có hàm lượng đồng vị U-235 bị giảm đi. Người ta nói rằng uranium đã bị làm nghèo. Uranium này được để sang một bên chờ ngày công nghệ neutron nhanh được hiệu chỉnh và biến thành Pu-239 khả phân hạch. Còn uranium với hàm lượng đồng vị U-235 được gia tăng, gọi là uranium được làm giầu, thì được biến đổi trở lại thành oxy uranium UO2. Sau khi được vò thành viên, những viên oxy uranium được đổ vào trong lòng những thanh bằng một hợp kim zirconium gọi là zircalloy. Những thanh đó có những cánh để có thể tải nhiệt khi năng lượng sinh ra nhân những phản ứng hạt nhân. Chúng được gom lại thành bó trước khi đặt vào lò phản ứng. Việc chế tạo những viên UO2, những thanh và những bó nhiên liệu này cần phải được rất chính xác để không bị trục trặc khi đặt nhiên liệu vào lò phản ứng, khi rút chúng ra khỏi lò và để khi lò điều hành nhiệt năng có thể tỏa ra khỏi những thanh nhiên liệu một cách hài hòa.

Cũng vì viện cớ không cho tăng sinh vũ khí hạt nhân những nước có vũ khí hạt nhân cũng không bán cho những nước khác uranium đã được làm giầu. Vì không có khả năng tự quản lý uranium đã được làm giầu những nước không có vũ khí hạt nhân không còn lý do để khai triển công nghệ sản xuất nhiên liệu hạt nhân nữa.

Về việc chọn lựa những loại nhà máy điện hạt nhân thì các nước không có vũ khí hạt nhân chỉ được mua hay, nếu có khả năng công nghệ, khai triển những lò phản ứng kiểu PWR thôi. Những nước có vũ khí hạt nhân đơn phương quyết định rằng tất cả những lò phản ứng hạt nhân khác đều có tiềm năng tăng sinh vũ khí hạt nhân.

Gần đây liên doanh Framatome Siemens chào hàng loại lò phản ứng gọi là EPR (European Pressurized Reactor, Lò Phản ứng Nước Nén Âu châu). Họ giới thiệu loại lò đó là một thiết bị thế hệ thứ tư, tối tân hơn, tận dụng đồng vị U-235 hơn, có thể đốt nhiều nguyên tử uranium hơn và nhất là an toàn hơn. Thực ra đó chỉ là một lò thuộc loại PWR có tiến bộ một chút nhưng không phải là một cách mạng công nghệ. Những chuyên gia năng lượng hạt nhân gọi lò phản ứng thế hệ thứ tư là những lò neutron nhanh đang được triển khai!

Sau khi nhiên liệu UO2 đã được phát xạ và những đồng vị khả phân hạch đã được tận dụng để sản xuất năng lượng, những bó thanh nhiên liệu được rút ra khỏi lò và đặt trong một bể nước kế cận với lò phản ứng chờ cho mức phóng xạ giảm xuống.

Khi phóng xạ giảm xuống đến mức không còn nguy hiểm nữa thì những bó nhiên liệu được xẻ nhỏ và hòa tán trong những bể acid. Những nguyên tử được phân loại. Những nguyên tử uranium và plutonium được biến chế thành nhiên liệu cho một suất nữa. Những sản phẩm phân hạch còn lại là những chất phóng xạ alpha, rất độc hại, với nửa đời sống [7] rất lâu dài. Vì thế vấn đề an tòan được đặt ra đối với những chất này. Rất may là khối lượng những sản phẩm đó tương đối rất nhỏ nên có thể kiểm soát việc lưu trữ chúng. Ngoài ra một phần lớn sẽ có thể được xử lý trong những lò neutron nhanh tương lai khi những lò đó được hiệu chỉnh.

Cũng như khâu làm giầu uranium, những nước có vũ khí hạt nhân nắm độc quyền công nghệ xử lý nhiên liệu đã bị phóng xạ viện cớ nguy cơ tăng sinh vũ khí hạt nhân.

Còn việc xử lý phế liệu thì chính sách của họ chưa rõ lắm. Chắc sẽ là phế liệu của ai thì người ấy lo và mỗi nước phải tự khai triển hay mua công nghệ rất cầu kỳ này.

Kết luận

Nhiều người tưởng rằng nếu có tiền mua một nhà máy điện hạt nhân và thuê chuyên gia ngoại quốc đến dạy cho vài kỹ sư bản sứ điều hành nhà máy là đủ để đưa đất nước họ vào kỷ nguyên hạt nhân. Đó là một sai lầm có thể dẫn nước họ đến chỗ mất tự chủ.

Hiện nay những cường quốc hạt nhân viện cớ muốn giới hạn tăng sinh vũ khí hạt nhân nên:

• chỉ cho phép xí nghiệp của họ bán những nhà máy loại PWR,
• không cho phép chuyển giao công nghệ làm giầu uranium và xử lý nhiên liệu đã bị phát xạ.

Một nước mua một nhà máy điện hạt nhân mà không thuộc câu lạc bộ những nước có vũ khí hạt nhân sẽ bị ngoại bang bắt chẹt ở đầu vào, khi mua nhiên liệu để chạy nhà máy, cũng như ở ngõ ra, khi phải thải nhiên liệu đã bị phát xạ.

Một nước mà dân cũng như những người lãnh đạo không có kiến thức cao về công nghệ sẽ không biết mua công nghệ nào để cho thích ứng với nhu cầu phát triển kinh tế, khoa học và công nghệ của nước đó. Nước đó cũng có khả năng bị những xí nghiệp trong ngành hạt nhân lừa bịp.

Nếu bây giờ tay không mà bỏ tiền ra đào tạo chuyên gia cùng lúc nhờ nước ngoài xây một hai nhà máy điện PWR thì cũng có thể làm được. Nhưng cần phải vất vả trong 10 đến 15 năm, mới sẵn sàng. Nhưng 10/20 năm nữa thì những lò PWR sẽ tròn một nửa thế kỷ đời và rất có thể được thay thế bằng một loại lò khác tân tiến hơn. Điều đó có nghĩa là những nước muốn có điện hạt nhân lần đầu tiên vào năm 2020 sẽ phải chạy theo một công nghệ lạc hậu.

Một ngày nào đó, Việt nam cũng phải đi vào công nghệ hạt nhân. Vấn đề là, trên thị trường công nghệ, chỉ có luật mua đi bán lại. Để vào kỷ nguyên năng lượng hạt nhân, Việt nam nhắm công nghệ nào, có gì để trao đổi và làm gì để duy trì nền độc lập?

Đặng Đình Cung
Kỹ sư tư vấn

[1] Chúng tôi cố gắng viết bài này cho gọn với mục đích để người đọc hiểu nguồn gốc khoa học và kỹ thuật của những vấn đề. Độc giả nào có nhu cầu thì tham khảo thêm những sách của bộ " Que sais je?" do Presses Universitaires de France xuất bản:

Blanc D., " La Physique Nucléaire", số 2139

Lewiner C., " Les Centrales Nucléaires", số 1037

Reuss P., " L’Énergie Nucléaire", số 317

Vendryes G., " Les Surgénérateurs", số 2362

và tra những trạm Internet: www.sfen.org , www.world nuclear.org và www.people.howstuffworks.com .

Ngoài ra, nếu ở Pháp thì cũng có thể xin hãng Areva (27 29 rue Le Peletier, F 75009 Paris) gửi biếu cuốn " Tout sur l’Énergie Nucléaire, d’Atome à Zirconium",

đăng ký đi thăm một nhà máy điện hạt nhân hay nhà máy điện nào khác của Électricité de France

và thăm viện bảo tàng năng lượng hạt nhân với pin nguyên tử Zoé (Espace Zoé, Centre d’Etudes Nucléaires de Fontenay aux Roses, 18 route du Panorama, F 92265 Fontenay aux Roses, điện thoại 0146.54.93.81, địa chỉ điện tử dcom@aramis.cea.fr )

[2] Một đồng vị khả phân hạch là một hạt nhân có thể bị đập vỡ bởi một neutron để sinh ra năng lượng, một số sản phẩm phân hạch và một số neutron. Một đồng vị phong phú có thể hấp thụ một neutron để trở thành một đồng vị khả phân hạch.

[3] Và chia sẻ lợi nhuận khi sẽ có kết quả !

[4] Vì lý do đó mà plutonium là một đe dọa cho an ninh Thế giới chứ không thể là một đe doạ cho môi trường. Chúng tôi xin sẽ đề cập đến vấn đề này vào một dịp khác.

[5] Lò phản úng hạt nhân bị nạn ở Tchernobyl là một lò RMBK.

[6] Mọi vật trên thế gian này đều phóng xạ ít hay nhiều. Nguyên tử những khoáng vật cũng tự nhiên phóng xạ và sinh ra khí radon. Khi đào mỏ dù là để lấy bất cứ một chất gì thì cũng giải phóng radon bị giam trong đá. Thổi gió vào hầm mỏ không những mang dưỡng khí cho công nhân thở mà còn thổi radon ra ngoài trời để làm giảm nguy cơ bị radon phát xạ.

[7]Cường độ những vật phóng xạ giảm đi một nửa sau một khoảng thời gian cố định gọi là nửa đời. Ví thế sau một thời gian ngắn hay lâu tất cả những đồng vị phóng xạ đều sẽ biến mất. Nửa đời những đồng vị khác nhau thất thường: có những đồng vị với nửa đời vài khắc giây đồng hồ và những đồng vị khác với nửa đời mấy tỷ năm và được coi là ổn định.