Hạt nhân thế hệ IV: Liệu chúng ta có thể giải quyết các vấn đề còn tồn tại về mặt hạt nhân không?

13 minute read

Updated on Wed Mar 03 2021

Trong chương trước, chúng ta đã biết rằng có bốn vấn đề cơ bản với Năng lượng hạt nhân:

  • Chất thải hạt nhân
  • Các vụ nổ hạt nhân
  • Giá thành cao
  • Thời gian xây dựng lâu

Chúng ta sẽ đánh giá các ý tưởng khác nhau bằng cách sử dụng lược đồ này:

Cách đơn giản: xây dựng Lò phản ứng mô-đun nhỏ

Thay vì xây dựng một lò phản ứng lớn tại chỗ, điều gì sẽ xảy ra nếu chúng ta sản xuất hàng loạt các bộ phận nhỏ hơn trong một nhà máy và vận chuyển chúng đến nơi cần thiết? Chúng có thể sẵn sàng để được lắp đặt rất nhanh sau khi một tiểu bang quyết định mua chúng. Những lò phản ứng này được gọi là Lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR). Chúng là "mô-đun" vì nhiều lò phản ứng nhỏ (được gọi là "mô-đun") có thể được kết hợp tại chỗ để cung cấp năng lượng tương tự như một lò phản ứng lớn thông thường:

Các lò phản ứng mô-đun nhỏ

Các mô-đun sẽ sẵn sàng được lắp đặt ngay sau khi một tiểu bang quyết định mua chúng.

Các SMR sử dụng Uranium và nước giống như các lò phản ứng thông thường. Tuy nhiên, nhiều thiết kế SMR có khả năng làm mát thụ động, nghĩa là việc mất điện sẽ không khiến hạt nhân nóng chảy và nổ.

Bạn nghĩ điều này có thể cải thiện năng lượng hạt nhân như thế nào?


Các SMR đầu tiên đang được đưa vào hoạt động và số lượng lớn hơn nữa đang được phát triển hay trong quá trình cấp phép. Thương mại hóa hoàn toàn được dự kiến sẽ xảy ra vào khoảng năm 2030.

Thật không may, SMR vẫn có vấn đề với chất thải hạt nhân vì chúng sử dụng nhiên liệu hạt nhân thông thường.

Hiệu quả hơn - Lò phản ứng muối nóng chảy (MSR)

Các lò phản ứng mà chúng ta đã thảo luận trong chương trước sử dụng nước như một chất làm mát (để lấy năng lượng ra) và như một chất làm chậm. Lò phản ứng muối nóng chảy (MSR) thay vào đó sử dụng muối nóng chảy làm chất làm mát. Muối nóng chảy thực chất giống như tên gọi của nó - muối lỏng.

Lò phản ứng muối nóng chảy
Lò phản ứng muối nóng chảy

Tại sao là muối nóng chảy chứ?

  • Nhiệt độ cao: Các lò phản ứng dùng nước thông thường chỉ tạo ra nhiệt độ lên đến 300°C. MSR có thể đạt tới 850°C. Điều này cải thiện hiệu suất nhiệt động học và do đó cách sử dụng nhiên liệu, và sẽ cho phép MSR cung cấp nhiệt cho các quy trình công nghiệp nhiệt độ cao mà ngày nay được thực hiện bằng nhiên liệu hóa thạch.
  • Hiệu suất cao: MSR có hiệu suất nhiên liệu cao hơn 30% so với lò phản ứng dùng nước, nghĩa là nó sẽ tạo ra ít chất thải hơn một chút cho cùng một công suất.
  • Không có các vụ nổ: Giống như tất cả các lò phản ứng hiện đại (thậm chí ngày nay), MSR sẽ tắt khi chúng quá nóng, nghĩa là chúng sẽ không phát nổ.

Đáng buồn thay, vấn đề chất thải hạt nhân vẫn còn tồn tại. Hơn nữa, hiện nay ta không có vật liệu với giá cả phải chăng có thể chứa muối nóng chảy ở nhiệt độ cao tới 850°C trong thời gian dài. Điều này đồng nghĩa với việc ta cần có nhiều nghiên cứu và đổi mới cơ bản hơn để biến MSR thành hiện thực.

Chúng ta có thể tái chế chất thải hạt nhân để sử dụng như nhiên liệu không?

Chúng ta có thể tái chế chất thải hạt nhân không?

Hãy nhớ từ chương trước rằng chất thải hạt nhân chủ yếu có hai dạng:

  • Uranium-238 nghèo: Uranium tự nhiên gồm khoảng 99,3% U-238 và 0,7% U-235[ChilliU235] nhưng ta cần 4-5% U-235 cho lò phản ứng. Khi tạo ra nhiên liệu được làm giàu này, chúng ta để lại một lượng lớn U-238.
  • Nhiên liệu đã qua sử dụng: Khi một lò phản ứng đã sử dụng nhiên liệu được làm giàu trong một thời gian, nó sẽ được thay thế bằng nhiên liệu mới. Những gì còn lại được gọi là nhiên liệu đã qua sử dụng.

Bạn có nhớ cái nào vẫn còn siêu nguy hiểm không?


Máy phản ứng sóng chạy (TWR) được thiết kế để sử dụng Uranium-238 cạn kiệt làm nhiên liệu. TWR tạo ra ít hơn 80% chất thải phóng xạ (theo khối lượng) so với các lò phản ứng thông thường.

Thú vị hơn nữa, TWR theo lý thuyết có thể tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, nhưng ta cần có những tiến bộ đáng kể trong nghiên cứu cho việc này.

Ý tưởng chính đằng sau những lò phản ứng này là chúng tự tạo ra nhiên liệu. Điều này có thể trông như sau:

Nhiên liệu sản sinh

Ở đây, chúng ta bắt đầu với U-238, tự nó không thể cung cấp năng lượng cho các lò phản ứng hạt nhân bình thường. Sau đó, bằng cách thêm một neutron, chúng ta biến nó thành U-239. U-239 nhanh chóng phân rã và trở thành Plutonium-239, một chất phóng xạ khác. Đây là thứ cung cấp năng lượng cho các phản ứng phân hạt nhân và tạo ra nhiệt mà cuối cùng trở thành năng lượng mà chúng ta thu được từ lò phản ứng. Tất cả những điều này xảy ra trong lò phản ứng đó!

Giống như tất cả các lò phản ứng hiện đại khác, TWR sẽ ngừng hoạt động nếu mất điện, đồng nghĩa với việc chúng sẽ không phát nổ.

Các cải tiến trên TWR đã diễn ra trong nhiều thập kỷ - dù toàn thất bại. Nhưng sau nhiều năm máy tính mô phỏng và liên tục sửa chữa các thiết kế, một công ty có tên Terrapower (được Bill Gates tài trợ phần lớn) giờ đây cho rằng họ có thể đạt được hoạt động lâu dài ổn định.

Mẫu thử nghiệm của họ được cho là sẽ sẵn sàng đưa vào sử dụng vào năm 2022, nhưng các vụ căng thẳng chính trị giữa Hoa Kỳ và Trung Quốc đồng nghĩa với việc việc xây dựng này phải dừng lại vào năm 2018. Chúng ta sẽ chờ xem chúng ta đi về đâu từ đây.

Vậy chúng ta nên làm gì?

Lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) và lò phản ứng thông thường đang có sẵn hiện nay. Chúng có thể thay thế than để sản xuất điện với lượng phát thải CO₂ gần như bằng không. Như đã trình bày trong chương trước, các lò phản ứng hạt nhân hiện đại cực kỳ an toàn và không gây nổ. Mặc dù chất thải hạt nhân không tốt lành gì, chúng ta phải so sánh chúng với lượng khí thải CO₂ nguy hiểm và các loại ô nhiễm khác do việc đốt nhiên liệu hóa thạch gây ra.

Đồng thời, chính phủ nên cho phép các công ty thử nghiệm các lò phản ứng hạt nhân tiên tiến với tốc độ nhanh hơn.

Chúng ta cần nhiều nghiên cứu hơn

Nếu bạn muốn tìm hiểu nhiều hơn về Hạt nhân bản nâng cao, hãy xem một số khái niệm mà chúng ta chưa thảo luận trong chương này:

  • Sử dụng Thorium: Thay vì Uranium-235, sử dụng một nguyên tố gọi là Thorium làm nhiên liệu.
  • Chất làm mát khác: Thay vì nước hoặc muối nóng chảy, chúng ta có thể sử dụng kim loại ở thể khí hoặc lỏng.
  • Lò phản ứng không có chất làm chậm: Lò phản ứng nhanh có thể làm việc trực tiếp với các neutron nhanh (các thiết kế ngày nay cần phải sử dụng chất làm chậm để làm chậm neutron, như đã thảo luận trong chương trước). Các lò phản ứng thông thường cần làm chậm neutron để cho phép chúng phân tách U-235.

Bây giờ, hãy chuyển sang năng lượng tái tạo nào!

Chương tiếp theo