Trung Quốc đang dẫn đầu cuộc đua về điện hạt nhân dùng nhiên liệu mới, sạch và an toàn hơn Uranium

Năng lượng hạt nhân, từng là người hùng một thời cho cơn khát năng lượng của con người đã trở thành kẻ tội đồ sau các thảm họa hạt nhân tại Chernobyl và Fukushima. Ngay cả Đức, một trong số ít các quốc gia đủ sức tự xây dựng các nhà máy điện hạt nhân, cũng đang dần rời xa nó do lo ngại về một thảm họa khác có thể xẩy ra trong tương lai.

Tuy nhiên, thế giới lại đang cần năng lượng hạt nhân hơn bao giờ hết, để hạn chế biến đổi khí hậu. Vì vậy, tại châu Á, nó đang có hy vọng hồi sinh và có thể phát triển nhanh hơn bao giờ hết trước nhu cầu năng lượng tăng cao tại châu lục này. Hy vọng đó được đặt vào một loại lò phản ứng khác với truyền thống: lò phản ứng hạt nhân bằng muối nóng chảy dùng Thorium. Đây cũng là loại lò phản ứng hạt nhân mới mà Trung Quốc dự định xây dựng.

Thorium - Nguyên tố được đặt theo tên của một vị thần Bắc Âu.

Lò phản ứng hạt nhân bằng muối nóng chảy

Trên thực tế, lò phản ứng bằng muối nóng chảy không phải là ý tưởng mới. Trong khoảng thời gian từ năm 1965 đến năm 1969, một lò phản ứng chạy bằng muối nóng chảy cỡ nhỏ đã được thử nghiệm bởi phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của Mỹ, dưới sự lãnh đạo của Alvin Weinberg. Thời điểm đó, lò phản ứng thử nghiệm này vẫn chạy bằng Uranium thay vì Thorium. Tuy nhiên, sau đó những thử nghiệm về loại lò phản ứng dùng muối nóng chảy này bị đình lại.

Trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, Thorium chỉ đứng cách 2 ô sau Uranium, một nhiên liệu được sử dụng phổ biến trong các lò phản ứng ngày nay. Khi Uranium được sử dụng làm nhiên liệu, nó sẽ có tính phóng xạ rất cao. Chất thải sau đó sẽ được làm lạnh trong các bể nhiên liệu đã qua sử dụng, trước khi được cất giữ trong thùng thép được bọc trong bê tông trên mặt đất. Và như những gì thế giới đã chứng kiến tại thảm họa hạt nhân ở Fukushima, các vật liệu phóng xạ này vẫn có thể thoát ra ngoài và gây ra các tác hại thảm khốc.

Trong khi đó, Thorium lại rất phong phú trong tự nhiên (ước đoán trữ lượng của Thorium trong vỏ Trái đất nhiều gấp 4 lần Uranium), và cũng có thể được sử dụng làm nhiên liệu để sản sinh ra năng lượng hạt nhân. Hơn nữa những người ủng hộ nó đang cho rằng “Các lò phản ứng bằng muối nóng chảy” dùng loại nhiên liệu này sẽ không xảy ra tình trạng lõi hạt nhân bị tan chảy (meltdown), bởi vì, không giống như các loại lò áp suất cao ngày nay, chúng hoạt động ở áp suất thấp hơn (tương đương với áp suất không khí) và sẽ không bay hơi.

Các lò phản ứng như vậy sẽ phải đạt đến nhiệt độ cao hơn để làm nóng chảy muối dạng rắn. Nhiệt độ hoạt động của lò cao hơn cũng giúp sản sinh ra điện hiệu quả hơn so với lò phản ứng kiểu cũ. Không những vậy, khi đạt đến một ngưỡng nhiệt độ nhất định, chất lỏng nở ra, làm chậm lại các phản ứng hạt nhân và làm mát lõi.

Để tận dụng nhiệt độ cao này, các lò phản ứng được xây dựng giống như những bồn rửa với một nút xả ở phía dưới, nếu nhiệt độ trong lõi trở nên quá cao, nút xả này sẽ bị tan chảy, và nhiên liệu sẽ được rút xuống các bể chứa được bảo vệ vững chắc hơn, thường là dưới lòng đất, nơi chúng được lưu trữ một cách an toàn cho đến khi nguội.

Nguyên mẫu lò phản ứng bằng muối nóng chảy tại Phòng thí nghiệm Oak Ridge hơn 40 năm trước.

Khi sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân, toàn bộ quy trình cũng sẽ sản sinh ra ít chất thải phóng xạ hơn Uranium. Do vậy, các lò phản ứng theo quy trình này cũng sẽ gọn nhẹ hơn, tốn ít chi phí xây dựng hơn do không cần phải có các kết cấu bảo vệ khổng lồ để duy trì được áp suất cao trong lò phản ứng (như nhà máy điện ở Chernobyl), cũng như các bể chứa chất thải phóng xạ khổng lồ. Mặc dù loại lò phản ứng này có những ưu điểm như vậy, nhưng vì nhiều lý do khác nhau, không phải quốc gia nào cũng hào hứng với công nghệ mới này.

Tương lai của lò phản ứng hạt nhân kiểu mới sẽ thuộc về ai

Trung Quốc là nước tích cực nhất trong các chương trình nghiên cứu về lò phản ứng bằng muối nóng chảy và Thorium. Chúng được xem như loại lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ tư, và Trung Quốc đang hy vọng có thể thương mại hóa nó trong vòng 15 năm nữa. Nếu các chương trình nghiên cứu này có thể thành công, các chuyên gia cho rằng, năng lượng hạt nhân có thể trở nên hiệu quả hơn, rẻ hơn và an toàn hơn các lò phản ứng chạy bằng Uranium ngày nay.

Một yếu tố khác khiến Trung Quốc theo đuổi công nghệ này, đó là trữ lượng Thorium. Trong khi phần lục địa nước này chỉ có một tỷ lệ nhỏ trữ lượng Uranium của thế giới, nó lại rất dồi dào về Thorium. Hiện nay, không chỉ Trung Quốc, Canada và Ấn Độ cũng đang tích cực theo đuổi công nghệ này.

Các nhà máy điện hạt nhân tại Trung Quốc.

Ông David Martin, phó giáo sư nghiên cứu cho Quỹ Weinberg tại London, cho biết trong hàng loạt email của mình. “Trong năm 2012, tôi đã đến thăm phòng thí nghiệm về lò phản ứng bằng muối nóng chảy của Trung Quốc ở gần Thượng Hải, và rõ ràng rằng, họ đang dành nhiều thời gian để làm các nghiên cứu cơ bản một cách đúng đắn và nhằm xây dựng một chương trình vững chắc làm nền tảng.”

Hiện nay, theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới, Trung Quốc đang có tổng số 34 nhà máy điện hạt nhân và hơn 20 nhà máy nữa đang trong quá trình xây dựng. Dự kiến đến năm 2020, năng lượng hạt nhân sẽ đóng góp khoảng 58.000 MW (megawatt) vào tổng mức năng lượng của quốc gia này. Đến năm 2030, dự kiến con số đó sẽ tăng lên 150.000 MW với các lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ ba. Tuy nhiên, con số này vẫn ít hơn nhiều so với lượng điện từ các nhà máy chạy than của nước này, hiện chiếm khoảng 70% tổng sản lượng điện của Trung Quốc.

“Tất cả các lò phản ứng thế hệ thứ tư đều sản sinh ra ít chất thải hơn và chạy ở nhiệt độ cao hơn.” Ông John Kutsch, giám đốc điều hành của Liên minh Năng lượng Thorium tại Chicago, cho biết. “Không chỉ vậy, Thorium còn phong phú hơn và dễ xử lý hơn.”

Địa điểm các nhà máy điện hạt nhân tại Mỹ.

Trong khi đó, Mỹ, một trong những nước sử dụng điện hạt nhân sớm nhất và đã xây dựng được 104 lò phản ứng đến cuối thế kỷ trước, hiện vẫn chủ yếu sử dụng các lò phản ứng nước nhẹ thế hệ thứ hai, sử dụng nhiên liệu rắn. Trung bình các nhà máy này hoạt động ở khoảng 90% công suất. Tuy nhiên, các công ty như Southern Company tại Georgia và Scana Corp. tại Nam Carolina đang xây dựng các lò phản ứng nước nhẹ thế hệ thứ ba, hiệu quả hơn và thậm chí an toàn hơn.

Tuy nhiên, nước Mỹ dường như sẽ rất khó để chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu Thorium, khi vào thời kỳ Chiến tranh Lạnh, họ đã đầu tư xây dựng cả trăm lò phản ứng chạy bằng Uranium, một loại nhiên liệu có thể dễ dàng làm giàu để sử dụng trong các quả bom hạt nhân. Do vậy, ngay cả khi có được một bước đột phá trong công nghệ Thorium, sẽ là quá tốn kém để bổ sung nó vào cơ sở hạ tầng năng lượng hạt nhân hiện tại của Mỹ. Cả chuỗi cung ứng của hạ tầng này, từ các nhà cung cấp Uranium cho đến các nhà thiết kế lò phản ứng, đều đã quá thừa thãi để có thể chuyển đổi.

Có một thực tế rằng, hiện các lò phản ứng hạt nhân chạy bằng nhiên liệu rắn, sử dụng Uranium đang cung cấp khoảng 19% tổng lượng điện cho quốc gia này. Các lò phản ứng dùng muối nóng chảy sẽ không thay thế chúng. Thay vào đó, các lò phản ứng công nghệ Thorium sẽ tìm thấy chỗ đứng của mình như một sự lựa chọn khác so với các nhà máy chạy bằng Uranium. Trung Quốc đang là người tiến xa nhất trong nghiên cứu công nghệ đó.

Tham khảo Technologyreview, Environmentalleader