Một chiếc máy bay ném bom thời Chiến tranh Lạnh đã để lại cho ta chìa khóa mở ra tương lai

Nhân loại đang cần một nguồn năng lượng nữa.

Dân số hiện tại của năm 2016 này là 7,36 tỷ người nhưng con số ấy có thể tăng tới mốc 9 tỷ người vào năm 2040. Theo các con số thống kê và ước đoán, các nhà nghiên cứu tin rằng mức tiêu thụ năng lượng của con người sẽ tăng vọt lên thêm 48% nữa vào thời điểm 2040.

Nhiên liệu hóa thạch tạm đáp ứng được cơn khát năng lượng này nhưng hệ quả đi sau nó lại không thể đo đếm được. Sức khỏe của bản thân và của cả Trái Đất đang bay theo những cụm khói thải ra từ hoạt động đốt nhiên liệu hóa thạch, thứ nhiên liệu được dự đoán là sẽ cạn kiệt trong vòng hai thế kỷ nữa.

Ta có những nguồn năng lượng tái tạo như nắng và gió, tưởng chừng như đó là chìa khóa dẫn tới tương lai nhưng ta vẫn chưa đi được tới đâu cả. Đã có những quốc gia đạt thành công bước đầu trong ngành năng lượng sạch và năng lượng tái tạo nhưng tất cả vẫn còn quá bé nhỏ trước cơn khủng hoảng thiếu hụt năng lượng có quy mô toàn thế giới.

“Bạn phải tạo ra được lượng năng lượng đủ để đảm bảo cho xã hội. Bạn phải sản xuất được năng lượng theo nhu cầu của người sử dụng. Đó chính là thứ mà gió và nắng không thể thực hiện được và sẽ không bao giờ thực hiện được”, Kirk Sorensen, CTO của dự án startup Flibe Energy cho hay.

Ta cũng đang có lò phản ứng hạt nhân có thể đáp ứng được nhu cầu này: chúng đủ nhiều, đủ để tin cậy được, không thải ra carbon và trái ngược với những gì nhiều người vẫn tin, năng lượng hạt nhân là nguồn năng lượng an toàn nhất trên Trái Đất.

Hiện tại, chúng đang đóng góp 20% tổng lượng năng lượng sử dụng của nước Mỹ và có thể đạt con số 50% vào năm 2040, khi mà các công ty bắt đầu thay thế những lò phản ứng đã có tuổi đời nhiều thập kỷ bằng những mẫu lò mới hơn, hiệu quả hơn. Nhưng bên cạnh sự tuyệt vời ấy, ta có mối lo về chất thải phóng xạ để mà tính tới.

Nhưng những điều may mắn thường đến với chúng ta từ những nơi không ai ngờ tới, ta đang có trong tay một phương án năng lượng khác, một phương án năng lượng tới từ những chiếc máy bay có từ thời Chiến tranh Lạnh.

Đó là chiếc phản lực ném bom NB-36H mang biệt dang “Thập Tự chinh “ sử dụng năng lượng từ một lò phản ứng hạt nhân lắp đặt ngay trên máy bay. Nó đã từng là một phần chương trình Máy bay Sử dụng lực đẩy hạt nhân ANP, dù đã bị “xếp xó” nhưng sự phát triển của nó đã mang tới cho chúng ta một thứ gì đó mới, đó là lò phản ứng hạt nhân muối nóng chảy.

Thập Tự Chinh NB-36H.

Ngày nay, những kĩ sư như anh Sorensen đang tìm cách hồi sinh lò phản ứng cũ kĩ nhưng hiệu quả ấy. Lò phản ứng tiềm năng nhưng bị chính phủ Mỹ bỏ quên từ đầu những năm 1970 này sử dụng một nhiên liệu gần như vô tận và không thải ra carbon mang tên thorium.

Những chiếc máy bay được cung cấp năng lượng từ phản ứng hạt nhân

Năm 1946, chính phủ Mỹ khởi động dự án ANP như một nỗ lực phát triển máy bay phản lực ném bom sử dụng năng lượng từ phản ứng hạt nhân. Tiềm năng từ những cỗ máy chiến tranh này là cực kì lớn: nó có thể bay liên tục 24 km mà không cần phải nạp nhiên liệu. Điều đó sẽ cho những chiếc máy bay ném bom này một tầm hoạt động cực kì rộng lớn và với nó, nước Mỹ sẽ có “cửa trên” trong bất kì cuộc chiến nào.

Sẵn sàng đương đầu với thử thách, nhà vật lý học Alvin Weinberg, người đã chỉ đạo phát minh ra loại lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ LWR nổi tiếng năm 1945, đã bắt tay vào nghiên cứu và thiết kế một lò phản ứng cho máy bay. Lúc ấy, ông đang giữ chức giám đốc điều hành Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge tại Tennessee.

Nhưng, trái ngược với những gì mọi người trông đợi, ông Weinberg không muốn đứa lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ lên máy bay.

Thử nghiệm NB-36H trong chiến tranh Lạnh.

Ngày nay, những lò LWR đang cung cấp 100% năng lượng hạt nhân cho nước Mỹ, đó là những lò thông thường sử dụng đồng vị uranium-235. Trong quá trình được gọi là phân hạch hạt nhân này, một neutron sẽ bay đập và một đồng vị uranium và khiến đồng vị đó phân hạch tách ra và tạo ra những khối năng lượng rồi lại bắn thêm ra nhiều neutron khác. Nếu như có đủ lượng nhiên liệu cần thiết, ta sẽ có đủ lượng neutron bay xung quanh trong không gian đó để duy trì được chuỗi phản ứng phân hạch hạt nhân kia.

Vấn đề của một lò LWR nằm ở chỗ nó đốt nhiên liệu một cách kém hiệu quả. Thực tế, quá trình phân hạch hạt nhân sẽ đốt cháy một phần nhiên liệu trước khi chúng được thay thế. Điều này xảy ra là vì những chất thải phóng xạ sẽ bị tích lũy dần bên trong nhiên liệu, càng ngày chúng càng hấp thụ thêm neutron và làm quá trình phân hạch hạt nhân “nhiễm độc”.

Vì điểm kém hiệu quả nêu trên, ông Weinberg đã chọn một hướng đi khác, ông phát triển một ý tưởng được nêu ra song song với Dự án Manhattan nổi tiếng (mà sau này ý tưởng biến thành nỗi ám ảnh của Weinberg): đó là một lò phản hứng hạt nhân phân hạch nhiên liệu của nó trong môi trường dung dịch muối nóng chảy.

Lò phản ứng nước nhẹ tại Middletown, Pennsylvania.

Lò phản ứng muối nóng chảy không giống bất kì một lò phản ứng nào tồn tại ngày nay. Thay vì sử dụng những viên nhiên liệu rắn, lò sẽ phân hạch rã nhiên liệu hạt nhân trong một dung dịch cực nóng có tính ổn định cao.

Thứ dung dịch ấy có thể tăng hiệu quả của phản ứng phân hạch hạt nhân lên nhiều lần bằng cách loại bỏ những phụ phẩm sau quá trình phản ứng. Với dung dịch trên, nhiên liệu sẽ được đốt hết và lượng năng lượng phát ra sẽ tăng lên.

Một lò phản ứng như vậy cũng sẽ ngăn chặn mọi trường hợp lõi lò phản ứng hạt nhân tan chảy (quá trình phát ra phóng xạ nguy hiểm) bởi lẽ nhiên liệu đã ở sẵn trong trạng thái nóng chảy rồi.

Weinberg và những người đồng nghiệp khác biết rằng mức hiệu quả cao như vậy sẽ cho phép ta thu nhỏ một lò phản ứng lại đến mức đưa vừa vào trong một chiếc máy bay. Niềm tin ấy đã thôi thúc họ xây dựng một lò phản ứng muối nung cỡ nhỏ, một dự án nằm ngoài chương trình nghiên cứu.

Họ đặt tên cho nó là Thí nghiệm Lò phản ứng cho Máy bay ARE.

Lò phản ứng hạt nhân muối nung đầu tiên ra đời

Tới thời điểm năm 1954, đội ngũ đã hoàn thành mẫu thử đầu tiên cho loại lò phản ứng này: họ tạo ra một nhà máy phản ứng hạt nhân cỡ nhỏ, tạo ra 2,5 megawatt năng lượng từ một lượng nhỏ đồng vị uranium-235, phân rã trong muối nóng chảy gồm fluorine, sodium và zirconium.

Đó là lò phản ứng muối nung đầu tiên được xây dựng.

Uranium đã cung cấp năng lượng cho chuỗi phản ứng phân hạch hạt nhân diễn ra. Nhiệt lượng nguyên tử đã làm nóng vòng làm mát làm từ sodium nóng chảy tăng lên khoảng 150 độ C, từ 650 lên 810 độ C. Không khí từ bên ngoài làm vòng sodium nguội lại, và khí ấy được bơm ngược lại lõi phản ứng để làm nóng lại lò.

Lò đủ nóng để có thể sử dụng cho động cơ phản lực, do đó “Không lực Hoa Kỳ rất hài lòng với thử nghiệm lò phản ứng cho máy bay này”, ông Weinberg viết trong cuốn tự truyện xuất bản năm 1994 của mình, cuốn sách có tên "Kỷ nguyên Nguyên tử Đầu tiên".

Ngay lập tức, Không Lực đưa lò phản ứng hạt nhân này vào trong máy bay phản lực ném bom B-36. Họ cũng đã bắt đầu đưa thêm vốn đầu tư để xây dựng thêm những lò phản ứng muối nóng chảy khác. Dự án khi đó đổi tên thành Thử nghiệm Lò phản ứng cho Máy bay ART.

Lò phản Ứng truyền nhiệt Mẫu thử nghiệm-3 (HTRE-3): một loại động cơ phản lực chạy bằng năng lượng hạt nhân.

Tiềm năng là thế nhưng không lâu sau, vào năm 1957, Không Lực Hoa Kỳ hủy bỏ dự án ART để cắt giảm chi phí. Thay vì lò phản ứng muối nóng chảy, họ đã đưa một lò phản ứng khác lên không – một lò phản ứng nước nhẹ.

Nhưng LWR chưa bao giờ được gắn thẳng vào động cơ phản lực để thử nghiệm khả năng cung cấp năng lượng của nó cho máy bay, bởi lẽ chiếc phi cơ Thập Tự Chinh được sinh ra với một mục đích khác: nó là một chiếc máy bay dùng để thử nghiệm khả năng chống chịu phóng xạ. Không Lực đã có ý định sử dụng lò phản ứng hạt nhân để cung cấp năng lượng cho một chiếc máy bay đánh bom khác, chiếc WS-125.

Trong khoảng thời gian từ năm 1955 tới năm 1957, Thập Tự Chinh bay tất cả 47 chuyến thử nghiệm trên bầu trời của New Mexico và Texas. Tổng khối lượng của chiếc máy bay khi chở tối đa khả năng của mình là 18 tấn và tổng cộng, Thập Tự Chinh đã bay được 218 giờ. Lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ kia đã hoạt động liên tục 90 tiếng liên tục trên máy bay, và toàn bộ phi hành đoàn tiếp xúc với nó đều sống sót.

Nhưng với tổng chi phí của những thí nghiệm và thử nghiệm này lên tới con số 7 tỷ USD và vì nước Mỹ cần chuyển vốn cho những mục tiêu quan trọng hơn như tên lửa xuyên lục địa hay cuộc đua lên vũ trụ với Nga, Tổng thống John Kennedy đã chính thức đóng cửa dự án Máy bay Sử dụng lực đẩy hạt nhân ANP vào năm 1961.

Tính tới lúc đó, giáo sư Weinberg đã đưa hơn 1 tỷ USD và công sức nhiều năm trời nghiên cứu vào dự án lò phản ứng hạt nhân muối nóng chảy. Thời điểm năm 1960, Weinberg đã dồn toàn bộ tiền đầu tư và những kiến thức ông thu được trong suốt quá trình nghiên cứu và phát triển vào một dự án cuối cùng mang tên Thí nghiệm Lò phản ứng Muối nóng chảy MSRE.

Dự án này được cho là thành công khi nó sản xuất được hàng ngàn giờ năng lượng trong suốt năm 1969. Weinberg đã sẵn sàng cho bước tiến tiếp theo, cấp độ thứ hai của dự án MSRE, một lò phản ứng gây giống.

Cái chết của một giấc mơ

Alvin Weinberg ghi chú "6000 giờ hoạt động hết công suất!" cho Thí nghiệm Lò phản ứng Muối nóng chảy MSRE năm 1967.

Lò phản ứng gây giống có thể tạo ra nhiều nhiên liệu hơn lượng mà nó sử dụng bằng quá trình phân hạch hạt nhân, tất cả là nhờ một quá trình mang tên bắt giữ neutron.

Khi một nguyên tử “có khả năng sinh sản”, nó sẽ hút neutron tạo ra từ quá trình phân hạch hạt nhân, rồi phân rã (sinh sản – lý do tại sao lại gọi là lò gây giống) thành nhiên liệu. Lượng nhiên liệu đó lại có thể được phân hạch lần nữa để “sinh” ra nhiều nhiên liệu hơn và cứ thế, quá trình phản ứng tiếp diễn.

Khi vẫn còn nguyên liệu để sản sinh nhiên liệu, quá trình phản ứng này vẫn sẽ tiếp tục diễn ra. Tuy vậy, nó chỉ diễn ra với một số đồng vị phóng xạ nhất định, bởi lẽ quá trình này cần rất nhiều neutron để có thể hoạt động.

Một trong số đó là đồng vị uranium-238, thứ đồng vị tạo nên 99% quẳng uranium. Từ đó chúng có thể tạo ra plutonium-239, một thứ nhiên liệu có khả năng phân hạch và là nguyên liệu cho nhiều thứ vũ khí. Phần lớn kho vũ khí hạt nhân của Mỹ chứa plutonium-239.

Nguyên liệu còn lại chính là thorium, có thể tạo ra được uranium-233, một nhiên liệu có khả năng phân hạch khác.

“Ngay lúc này đây, chúng ta đang chiết xuất thorium một cách tình cờ từ quá trình khai thác và sản xuất đất hiếm”, anh Sorensen nói. “Chúng ta đang đi tìm kiếm neodymi cũng như những loại đất hiếm khác – để làm nam châm cũng như những turbine năng lượng gió – chúng ta đang sản xuất ra một lượng lớn thorium, một thứ vật liệu ta vẫn coi như là đồ phế thải”.

Thorium.

Ta đã nhầm, nó không phải là phế thải. Theo như cuốn sách SuperFuel được xuất bản năm 2013, cuốn sách nói về năng lượng từ thorium của tác giả Richard Martin có viết:

“Thorium có nhiều hơn uranium tới bốn lần và chúng là vật liệu có ở khắp nơi cũng như chì vậy. Bốc lên một nắm đất ngoài kia, từng đó đất sẽ có tỉ lệ khoảng 12 phần 1 triệu là thorium trong đó. Nước Mỹ hiện có khoảng 440.000 tấn thorium, theo như thông tin mà Ủy ban Năng lượng Hạt nhân cung cấp; nước Úc là nguồn thorium lớn nhất thế giới với khoảng 539.000 tấn. Cũng như uranium và plutonium, thorium là một nguồn năng lượng chất lượng và hiệu quả: bốc lên lên một vài chục gram cát ở một số bãi biển Ấn Độ, bạn sẽ có đủ thorium để cung cấp năng lượng cho Mumbai trong vòng một năm trời”.

Trong lò phản ứng muối nóng chảy gây giống, Weinberg ước tính rằng thorium sẽ cung cấp đủ năng lượng cho toàn thế giới trong vòng hàng tỉ năm. Hơn nữa, lò phản ứng muối nóng chảy sử dụng toàn bộ nhiên liệu đưa vào và tạo ra lượng chất thải ít hơn lò phản ứng nước nhẹ vài trăm lần.

Nhưng không hiểu vì lý do gì, chính phủ hủy dự án phát triển Thí nghiệm Lò phản ứng Muối nóng chảy MSRE, Weinberg nghỉ hưu không lâu sau đó và ông cũng chưa bao giờ tái lập lại dự án đầy tiềm năng này.

Nước Mỹ sử dụng thiết kế lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ đơn giản vì mẫu lò này đã được xây dựng sẵn rất nhiều. Quân đội Mỹ ưa chuộng thiết kế này hơn cho những tàu ngầm hạt nhân của họ và hơn nữa, từ loại lò này, họ có thể tạo ra được nguyên liệu sản xuất vũ khí hạt nhân.

Cần một động lực thúc đẩy cho thế hệ kế tiếp theo của năng lượng hạt nhân

Dung dịch xanh chính là muối nóng chảy, thành phần gồm fluoride, lithium và beryllium.

Vào khoảng thời gian những năm 2000, Sorensen và một số quốc gia khác (bao gồm cả Trung Quốc và Ấn Độ) bắt đầu khơi lại ý tưởng về một lò phản ứng hạt nhân muối nóng chảy sử dụng nhiên liệu thorium. Anh Sorensen là một trong những nhà đầu tư đang cố gắng hồi sinh công nghệ này, hiện đại hóa nó và mong muốn cấp bằng sáng chế cho một lò phản ứng mang trong mình công nghệ của riêng anh – lò phản ứng dung dịch fluoride sử dụng thorium LFTR.

“Công nghệ này hoàn toàn thực hiện được, và điểm dựa khoa học cho nó cũng đã được thể hiện rõ ràng”, giáo sư vật lý hạt nhân Hans Gougar từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho cho hay.

Quãng đường phát triển công nghệ này không hề bằng phẳng chút nào. Để hoàn thiện công nghệ năng lượng hạt nhân này, các nhà nghiên cứu cần hàng tỷ USD tiền đầu tư cũng như phải chứng minh được rằng nó hoàn toàn an toàn ở bất kì cấp độ nào, trước khi một lò phản ứng hạt nhân đầy đủ kích cỡ và có khả năng thương mại hóa được xây dựng.

Kirk Sorensen.

Ban Năng lượng Hoa Kỳ ước tính rằng phải tới năm 2040 hay năm 2050, một nhà máy năng lượng hạt nhân muối nóng chảy mới có thể được hoàn thiện. Trong khi đó thì cơn khát năng lượng nói chung và năng lượng hạt nhân nói riêng vẫn không hề thuyên giảm chút nào.

Dù vậy, nếu nó được xây dựng bởi chính Sorensen hay bất kì ai khác, thì anh cũng tin rằng một lò phản ứng muối nóng chảy chạy bằng nhiên liệu thorium sẽ là chìa khóa cho ngành năng lượng tương lai của Trái Đất. Ta sẽ có một lời giải duy nhất, một lời giải cuối cùng cho cơn khát năng lượng đã, đang và sẽ trở thành một mối quan tâm và một điều đáng lo ngại ngay trong tương lai gần.

“Đây sẽ là thứ công nghệ cực kì hữu ích cho tương lai chúng ta, là thứ dẫn đường cho cả một kỉ nguyên thành công mới của con người”, anh Sorensen nói. “Nếu ta muốn điều đó xảy ra, ta sẽ phải thực sự hành động để biến nó thành sự thực. Chỉ khi xã hội quyết định chào đón thứ công nghệ mới này, khi đó ta mới nhận ra được những lợi ích trong tiềm năng vô hạn của nó”.