Thành tựu vật lý và công nghệ: Lọc nước biển và sản xuất điện hạt nhân trên các hải đảo

Nước và năng lượng không chỉ là vấn đề sống còn đối với đời sống dân cư mà còn là những tiền đề quan trọng để phát triển kinh tế cho các hải đảo, cũng như hỗ trợ và kích thích các ngành công nghiệp khai thác thềm lục địa. Các lĩnh vực công nghiệp như dầu khí, đóng và sửa chữa tàu biển, đánh cá xa bờ, nuôi trồng thuỷ sản, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp thực phẩm biển, nông nghiệp và các lĩnh vực khác, đều đòi hỏi nước ngọt và điện năng. Nhiều đảo trong số các đảo trên đã phải đối mặt với tình trạng khan hiếm nước ngọt và thiếu điện trầm trọng kéo dài.

Trên thế giới có một số giải pháp thực tiễn có thể giải quyết vấn đề thiếu hụt nước ngọt và điện năng như xây dựng các hồ chứa nước, khai thác nước ngầm, làm mưa nhân tạo, làm ngọt nước biển, khai thác năng lượng Mặt Trời, năng lượng gió, năng lượng thuỷ triều, cũng như xây dựng các nhà máy điện hạt nhân và nhiệt điện công suất cỡ trên dưới 100 MeV cho các đảo. Trong số các giải pháp trên, giải pháp có nhiều hứa hẹn là giải pháp kết hợp giữa công nghệ làm ngọt nước biển và sản xuất điện năng sử dụng lò phản ứng hạt nhân công suất nhỏ.

Triển vọng của lò phản ứng hạt nhân đa chức năng.

Các lò phản ứng hạt nhân công suất nhỏ đặc biệt hấp dẫn bởi chi phí đầu tư thấp, thời gian xây dựng nhanh, an toàn, vận hành và sửa chữa đơn giản. Trước đây giá nhiên liệu hoá thạch thấp, tạo ra sự cạnh tranh bất lợi đối với các lò phản ứng hạt nhân nói chung. Ngày nay với giá dầu leo thang liên tục, lợi thế có xu hướng nghiêng về phía năng lượng hạt nhân và cán cân càng nghiêng hẳn về phía các lò hạt nhân công suất thấp trên hải đảo. Nhu cầu năng lượng thiếu hụt thường xuyên trên các hải đảo cho phép các lò phản ứng hoạt động một cách kinh tế với nguồn tải lớn, đặc biệt khi sử dụng chúng một cách tối ưu vừa cho điện năng vừa để lọc nước ngọt; ngoài ra có thể khai thác một quy trình phụ khác là sản xuất muối công nghiệp từ nguồn nước thải có hàm lượng NaCL cao. Đối với các đảo lớn nằm xa đất liền, khi thành phần vận chuyển đối với nhiên liệu hoá thạch cao trong giá thành sản xuất nước ngọt và điện năng, thì tính ưu việt càng nghiêng về phía năng lượng hạt nhân.

Năng lượng hạt nhân công suất nhỏ hoàn toàn thích hợp với các hải đảo, nơi hệ thống đường dây tải điện không đòi hỏi quy mô quá lớn, với các cơ sở hạ tầng tối thiểu.

Yêu cầu và thách thức đối với nhà máy lưỡng dụng.

Lọc nước và sản xuất điện năng được coi là một lựa chọn và yêu cầu lâu dài đối với các hải đảo. Trong trường hợp đó, việc triển khai các nhà máy hạt nhân công suất nhỏ phải đảm bảo các yêu cầu chính sau đây:

Thiết kế của nhà máy phải đơn giản và hạn chế tối thiểu các hệ thống an toàn quá phức tạp và đắt tiền;

Sự khác biệt về thời gian hoạt động của các bộ phận chính trong khối phát điện và lọc nước phải giảm thiểu, để tối ưu hoá khả năng kết hợp của thiết bị;

Thời gian thiết kế phải ngắn để giảm giá thành đầu tư và nhanh hoàn vốn(*).

Việc vận hành nhà máy phải hài hoà và tiện lợi để đáp ứng các yêu cầu về biến đổi công suất cũng như tránh các sự cố trong lúc hoạt động.

Phải có các giải pháp dự phòng tin cậy và an toàn để đảm bảo lò phản ứng có thể tự ngừng hoạt động trong tình trạng nhiệt độ gia tăng đột biến, hoặc khi xảy ra các sự cố bất thường;

Quá trình bảo dưỡng phải đơn giản dễ dàng;

Quá trình thay thế các nhiên liệu phải hợp lý, tin cậy và được tiến hành trong điều kiện cao về an toàn cho môi trường. Đây cũng là điều kiện hết sức quan trọng đối với sự tiếp nhận của công chúng đối với năng lượng hạt nhân nói chung.

Các công nghệ lọc nước biển

Việc kết hợp quy trình sản xuất điện năng và làm ngọt nước biển của các nhà máy điện hạt nhân công suất nhỏ có thể đáp ứng các điều kiện kinh tế hấp dẫn nhất, bằng việc sử dụng tối ưu năng lượng nhiệt độ thấp của quá trình làm ngọt nước biển và năng lượng nhệt độ cao để sản xuất điện năng.

Các công nghệ hấp dẫn nhất đối với quá trình lọc nước biển quy mô lớn là quá trình thẩm thấu ngược, chưng cất đa hiệu ứng với quá trình nén hơi và chưng cất đa đoạn. Tất cả các quy trình trên đều đã được thử nghiệm và thương mại hoá.

Dạng và công suất đầu vào của quá trình phụ thuộc vào từng quy định cụ thể. Quy trình thẩm thấu ngược và chưng cất đa hiệu ứng có nén hơi đòi hỏi năng lượng yêu cầu chủ yếu dưới dạng năng lượng điện. Đối với quy trình chưng cất và chưng cất đa đoạn, năng lượng yêu cầu chủ yếu dưới dạng nhiệt năng có nhiệt độ thấp và ít điện năng.

Mối tương quan giữa năng lượng đầu vào E và thể tích V(E) của nước ngọt lọc được ở lối ra của một môđun có thể mô tả theo mô hình tryền năng lượng:

V(E) = Vs(l-e-ke) + Voe-ke.

Trong đó k là chỉ số thể tích của nước ngọt lọc được trên một đơn vị thể tích nước biển tính cho một đơn vị năng lượng cung cấp, Vs; Volà thể tích của nước lọc được tương ứng với E = ∞ và E = 0.

Theo các nghiên cứu, một nhà máy lọc đa hiệu ứng với lò phản ứng công suất nhỏ có thể cung cấp một lượng nước ngọt từ 20 000 đến 120 000m3/ngày đêm, trong khi một nhà máy với quy trình thẩm thấu ngược có thể cho tới 250 000m3/ngày đêm.

Nhiều nước đang phát triển đang rất quan tâm đến giải pháp sử dụng năng lượng hạt nhân để giảm bớt gánh nặng đối với nhiên liệu hoá thạch, tuy nhiên, các nước này hiện đang phải đối mặt với hàng loạt vấn đề như cơ sở hạ tầng kém phát triển, thiếu vốn đầu tư, thiếu kinh nghiệm và nhân lực,cũng như vấn đề về sự tiếp nhận năng lượng hạt nhân của cộng đồng. Các nhà máy điện hạt nhân với lò phản ứng công suất nhỏ để lọc nước biẻn và cung cấp điện cho các hải đảo, có thể coi là một giải pháp thích hợp và khả thi ở giai đoạn đầu trước khi triển khai các nhà máy điện hạt nhân công suất lớn. Một bước đi từ thấp đến cao chắc chắn sẽ là một bước đi khôn ngoan và phù hợp với bất kỳ một quy luật phát triển nào.

__________________

(*) Một nhà máy điện hạt nhân lưỡng dụng công suất -100MeV có giá thành khoảng 200 triệu đôla, thời gian hoàn vốn khoảng 6 năm.

Tài liệu: Nghiẹp T.D., Int. J. Nuclear Desalination, 1, No.4, 396-399.

Nguồn: Vật lý ngày nay - tháng 12-2005