Tương lai của điện hạt nhân

Sự kiện Chernobyl năm 1986 đã có tác động tai hại đối với niềm tin của công chúng vào công nghệ điện hạt nhân. Sau sự kiện này, việc phát triển điện hạt nhân có phần chững lại và một số dự báo bi quan cho rằng điện hạt nhân sẽ giảm sút trong thế kỷ 21. Tuy nhiên, thực tế không phải như vậy. Trong những năm gần đây xu hướng hồi phục và đi lên của điện hạt nhân lại bắt đầu thấy rõ: nhiều nước châu Á (Nhật Ban, Hàn Quốc, Trung Quốc, Ấn Độ) vẫn tiếp tục phát triển mạnh điện hạt nhân. Ngay cả ở một vài nước Tây Âu trước đây phản đối điện hạt nhân nay lại có xu hướng trở lại với nó, đặc biệt là Phần Lan đã quyết định đặt mua loại lò phản ứng thế hệ thứ III mới được chế tạo bởi Pháp và Đức. Mới đây, đầu năm 2001 chính phủ Hoa Kỳ đã tuyên bố rằng năng lượng hạt nhân sẽ vẫn là hướng quan trọng trong đường lối năng lượng của Hoa Kỳ. Đầu năm 2000 Hội thảo Liên chính phủ về sự biến đổi khí hậu (IPCC) đã ra một báo cáo đặc biệt dự báo những biến đổi trong cán cân năng lượng trong thế kỷ 21. Báo cáo này phân tích 40 kịch bản phát triển khác nhau về phát triển dân số, xã hội, công nghiệp, phát thải vào môi trường và khoa học kỹ thuật. Nhìn chung hầu hết các kịch bản đều dự báo là điện hạt nhân vẫn có xu thế tăng trong thế kỷ 21. Theo tiến sĩ A. Omoto, giám đốc Phân ban Năng lượng Hạt nhân thuộc Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) thì đến 2030 tổng công suất điện hạt nhân trên toàn thế giới có thể đạt tới khoảng 800.000 MWe, gấp hơn hai lần so với hiện nay.

Sở dĩ điện hạt nhân vẫn tiếp tục tăng mạnh và có một tỉ phần ngày càng quan trọng trong cán cân năng lượng toàn cầu là vì điện hạt nhân có những ưu điểm không thể phản bác và vì xu hướng đổi mới công nghệ điện hạt nhân hiện nay. Ta hãy phân tích rõ thêm điều này.

1. Mật độ năng lượng hạt nhân (tức là năng lượng sinh ra do tiêu thụ một đơn vị khối lượng nhiên liệu) lớn hơn rất nhiều so với bất kỳ dạng năng lượng nào khác. Một nhà máy điện hạt nhân công suất 1000 MWe mỗi năm chỉ sử dụng hết khoảng 20 tấn nhiên liệu urani (U), nếu là nhà máy điện than cùng công suất thì cần đến 2,2 triệu tấn than, còn nếu chạy dầu thì cần đến 1,4 triệu tấn dầu. Điều này khiến cho việc vận chuyển, dự trữ nhiên liệu trong trường hợp nhà máy điện hạt nhân đơn giản hơn nhiều.

2. Điện hạt nhân không phát thải các khí gây hiệu ứng nhà kính, trong khi đó điện than hoặc dầu, khí là nguồn phát thải khổng lồ các khí CO ₂, SO ₂, NO _xgây hiệu ứng nhà kính làm thay đổi khí hậu trái đất (một nhà máy điện than 1000 MW mỗi năm thải 3 tỉ m ³khí CO ₂, 9,6 triệu m ³NO ₂và 41.000 tấn khí SO ₂, 1200 tấn bụi!). Như vậy để giảm thiểu hiệu ứng nhà kính, tránh thảm hoạ môi trường cho nhân loại, không thể không cần đến điện hạt nhân.

3. Không như dầu khí, nhiên liệu hạt nhân ít bị ảnh hưởng của những sự kiện chính trị trên thế giới. Trong giá thành điện năng giá nhiên liệu chỉ chiếm phần rất nhỏ: giả sử giá nhiên liệu U tăng gấp đôi thì giá thành 1 kWh điện hạt nhân chỉ tăng vài % trong khi đó nếu giá dầu tăng gấp đôi thì giá thành 1 kWh sẽ tăng tới khoảng 70%.

4. Việc đổi mới chu trình nhiên liệu sẽ khiến cho hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao hơn: 1 kg U nếu được tái chế và sử dụng trong các lò tái sinh nơtron nhanh sẽ cho hơn 7 triệu kWh thay vì chỉ có 400.000 kWh như hiện nay trong các lò nước nhẹ thông thường. Triển vọng sử dụng các hạt nhân phân hạch mới (Th 232, chu trình Th 232-U 233) sẽ khiến cho dự trữ nhiên liệu hạt nhân trên trái đất tới hàng nghìn năm, hơn rất nhiều lần nhiên liệu hoá thạch.

5. Sau sự kiện Chernobyl vấn đề nâng cao an toàn cho nhà máy điện hạt nhân đã được quan tâm hàng đầu. Hiện nay đã ra đời các lò phản ứng thế hệ thứ III với những cải tiến mới, rất quan trọng về đảm bảo an toàn: với thiết kết tiên tiến và an toàn thụ động tính an toàn của lò phản ứng ít phụ thuộc vào những yếu tố chủ động như con người, hệ thống bơm, van cung cấp nước làm nguội. Chính những yếu tố này là một trong những nguyên nhân chủ yếu gây ra sự cố Chernobyl . Những thiết kế an toàn mới cũng nhằm loại bỏ khả năng phát tán phóng xạ ra ngoài trong trường hợp rủi ro có sự cố.

6. Nhiều vấn đề đổi mới trong công nghệ điện hạt nhân đang được nghiên cứu và có nhiều triển vọng. Tháng 1 năm 2000, theo sáng kiến của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ 10 nước trong “Diễn đàn Quốc tế thế hệ IV” (GIF, Generation IV International Forum) đã hợp tác để cùng nhau lựa chọn một vài mô hình hệ hạt nhân tương lai và tiến hành những nghiên cứu và triển khai cần thiết để có thể đưa vào thương mại hoá các hệ thống đó sau năm 2030. Các lò phản ứng thế hệ thứ IV ngoài tính an toàn và khả năng cạnh tranh về kinh tế cao còn được nghiên cứu thoả mãn những yêu cầu đặc biệt về tính phát triển năng lượng bền vững (có nghĩa là sử dụng tối ưu nguồn nhiên liệu, tạo ra ít chất thải nhất) và khả năng đa mục tiêu (có nghĩa là không chỉ sản xuất điện năng mà còn có thể phục vụ các mục tiêu quan trọng khác, như sản xuất hyđrô, khử mặn). Trong số 20 đề án đưa ra đáng chú ý nhất là đề án lò phản ứng khí nhiệt độ cao nhằm không những sản xuất điện năng mà còn sản xuất hyđrô và đề án lò nơtron nhanh với hệ tái sinh toàn bộ phục vụ yêu cầu phát triển năng lượng bền vững.

Sau đây xin nói rõ thêm về hai hệ thống trên. Như ta đã biết hyđrô có thể sẽ đóng một vai trò quan trọng trong thế kỷ 21, đặc biệt nó sẽ là nhiên liệu chủ yếu trong lĩnh vực giao thông vận tải, thay thế cho dầu khí vừa gây ô nhiễm môi trường vừa có trữ lượng rất hạn chế. Việc sử dụng nhiên liệu hyđrô có nhiều thuận lợi vì tránh được ô nhiễm môi trường: sản phẩm đốt của H chỉ là nước (H ₂O) mà không tạo ra một loại khí nhà kính nào khác. Hiện nay hyđrô được sản xuất thương mại chủ yếu từ khí thiên nhiên. Quá trình sản xuất này tạo ra khí nhà kính. Các lò phản ứng khí nhiệt độ cao có thể tạo ra hyđrô với khối lượng lớn bằng phương pháp phân ly nước ở nhiệt độ 850 độ C và không gây hiệu ứng nhà kính.

Hệ thống thứ hai liên quan đến tối ưu hoá chu trình nhiên liệu và giảm thiểu bã thải. Trên thế giới hiện nay, để sản xuất điện năng mới chỉ dùng lò phản ứng nơtron nhiệt với nhiên liệu U-235. Các lò phản ứng tái sinh nơtron nhanh sử dụng nhiên liệu plutôni-239. Pu-239 có được bằng cách tái chế nhiên liệu urani đã sử dụng từ lò nơtron nhiệt. Trong tâm lò nơtron nhanh cũng có đặt U-238, hạt nhân này sẽ biến đổi thành Pu-239 khi chiếm nơtron. Như vậy loại lò này có thể tạo ra nhiều Pu hơn số lượng Pu mà nó tiêu thụ, điều đó có nghĩa là ta có thể thu được nhiều năng lượng hơn từ nguồn nhiên liệu U. Ngoài ra vấn đề bã thải phóng xạ cũng được giải quyết tốt hơn không những do tách Pu và U ra khỏi nhiên liệu đã qua sử dụng để tái chế mà còn do khả năng “đốt” bã thải bằng cách dùng phương pháp phá vỡ hạt nhân để biến các sản phẩm phóng xạ dài ngày thành các chất phóng xạ ngắn ngày, do đó hoạt độ của bã thải sẽ giảm nhanh hơn nhiều (chỉ sau vài trăm năm hoạt độ sẽ giảm đến mức hoạt độ của quặng urani so với vài nghìn năm nếu chưa “đốt”). Các lò nơtron nhanh trong tương lai sẽ có các cơ cấu đặc biệt cho phép thực hiện điều này. Như vậy các lò nơtron nhanh sẽ là một hệ thống bao gồm các ưu điểm sử dụng tối ưu urani với hiệu suất cao và tạo ra bã thải ít nhất. Nếu chỉ sử dụng urani không tái sinh thì trữ lượng urani trên thế giới hiện nay sẽ chỉ còn đủ dùng cho khoảng 70 năm nữa. Nếu sử dụng lò tái sinh nơtron nhanh thì còn có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của nhân loại vài nghìn năm nữa.

Theo dự báo, đến năm 2050 dân số thế giới sẽ lên tới 9 tỉ và nhu cầu năng lượng sẽ tăng gấp đôi hiện nay. Như vậy vấn đề cạn kiệt nguồn nhiên liệu hoá thạch và vấn đề hiệu ứng khí nhà kính sẽ cực kỳ gay cấn. Với các hệ thống đổi mới có thể sử dụng toàn bộ urani và “đốt” luôn cả một phần bã thải năng lượng hạt nhân sẽ thực sự trở thành nguồn năng lượng đảm bảo phát triển bền vững.