Năng lượng hạt nhân: Chúng ta có nên sử dụng nó?

18 minute read

Updated on Thu Jul 15 2021

Tại sao là Hạt nhân?

Năng lượng hạt nhân gần như không phát thải CO₂ so với các nhiên liệu hóa thạch như than đá và khí đốt.

Ngành năng lượng sẽ thải ra ít CO₂ hơn bao nhiêu nếu chúng ta chỉ sử dụng năng lượng hạt nhân (thay vì cách ta sử dụng năng lượng như chúng ta hiện nay)?


Phát thải CO₂-eq của 100% Hạt nhân so với hỗn hợp năng lượng ngày nay

Trên hết, hạt nhân có thể cung cấp nguồn điện đáng tin cậy khi cần.

Có một số phản đối về năng lượng hạt nhân do chúng gây ra những tai nạn dù hiếm nhưng rõ rệt. Khi đối mặt với thách thức tồi tệ như biến đổi khí hậu, chúng ta nên cân nhắc kỹ lưỡng các lựa chọn của mình. Chúng ta không muốn quyết định một cách phi lý trí và bỏ lỡ điều gì đó tuyệt vời! Để làm được điều này, trước tiên chúng ta phải hiểu cách thức hoạt động của điện hạt nhân.

Chúng ta làm thế nào để lấy năng lượng từ việc phân tách các nguyên tử?

Bạn đã nghe nói về phương trình của Einstein "E=mc²" bao giờ chưa? Phương trình này về cơ bản nói rằng khối lượng và năng lượng như hai mặt của đồng xu: chúng ta có thể chuyển đổi khối lượng thành năng lượng (và ngược lại)! Và đó cũng giải thích chính xác nguồn năng lượng từ nhà máy điện hạt nhân đến từ đâu.

Nguyên tử được cấu tạo từ các hạt proton, neutron và electron. Các proton và neutron nằm ở trung tâm của nguyên tử (được gọi là "hạt nhân"). Các proton mang điện tích dương, các electron mang điện tích âm và neutron không mang điện tích nào cả.

Heli

Nếu bạn đã từng xem qua bảng tuần hoàn, bạn sẽ biết rằng mỗi nguyên tố trên đó được xác định bởi số proton mà nó có. Tuy nhiên, các nguyên tử của cùng một nguyên tố có cùng số proton có thể có số neutron khác nhau - những nguyên tử này được gọi là đồng vị của nguyên tố đó.

Ngày nay, năng lượng hạt nhân dựa trên phản ứng phân hạch: một số đồng vị của một số nguyên tố nhất định bị tách ra khi bạn bắn neutron vào chúng.

Trong các lò phản ứng hạt nhân, hiện nay chúng ta sử dụng Uranium-235 (U-235), một đồng vị của Uranium có 92 proton và 143 neutron. Đồng vị này được đặt tên là Uranium-235 vì tổng số proton và neutron của nó là 235.

Khi bạn bắn một neutron vào U-235 và hạt nhân U-235 tách ra, bạn nhận được:

  • Hai nguyên tử nhỏ hơn
  • Một số hạt neutron (có thể lên đến 5 nhưng trung bình là 2,5; điều này hơi ngẫu nhiên trong mỗi lần phân tách)
  • Một số năng lượng ở dưới dạng nhiệt. Đây là nơi chúng ta lấy năng lượng!
Phân tách Uranium

Sự khác biệt giữa bom hạt nhân và nhà máy điện hạt nhân là gì?

Bạn có để ý thấy gì không? Một neutron khiến một nguyên tử U-235 tách ra, giải phóng năng lượng và nhiều neutron hơn. Những neutron mới này khiến nhiều nguyên tử U-235 tách ra, và quá trình này cứ lặp lại. Vậy nên, nếu bạn tập hợp nhiều nguyên tử U-235 vào một nơi, bạn sẽ nhận...

Phản ứng phân hạch dây chuyền

Tại sao đây là vấn đề chứ??


Nếu mỗi lần phân tách gây ra hai và nhiều lần phân tách khác, tất cả các điện năng sẽ được giải phóng rất nhanh. Về cơ bản đây là những gì xảy ra trong một quả bom hạt nhân. Trong các lò phản ứng điện hạt nhân, chúng ta muốn trung bình mỗi lần phân tách sẽ chỉ gây ra thêm chính xác một lần phân tách mà thôi. Điều này giữ cho lò ổn định và bền vững.

Phản ứng phân hạch dây chuyền ổn định

Làm thế nào chúng ta có thể đạt được điều này? (Gợi ý: neutron từ việc phân tách một nguyên tử U-235 di chuyển nhanh, nhưng U-235 chỉ bị phân tách khi bị một neutron chậm tác động mà thôi)


Một neutron chuyển động nhanh với nhiều năng lượng có khả năng bật ra khỏi hạt nhân U-235 mà không tách nó ra cao hơn một neutron chuyển động chậm hơn. Tuy nhiên, nếu neutron quá chậm, các phản ứng xảy ra theo cấp số nhân. Do đó, chúng ta phải cẩn thận về mức độ chúng ta làm chậm các neutron.

Tránh những vụ nổ

Để thực hiện tất cả việc làm chậm này, chúng tôi thêm một vật liệu có tên là chất làm chậm. Hầu hết các lò phản ứng hạt nhân ngày nay sử dụng nước làm chất làm chậm, nhưng các lựa chọn khác cũng đang được xem xét (ta sẽ nói thêm về điều này trong chương tiếp theo).

Chúng ta lấy điện từ nó như thế nào?

Bạn có nhớ mỗi lần một nguyên tử U-235 phân tách, nhiệt lượng được tỏa ra không? Và cả việc các lò phản ứng hạt nhân ngày nay sử dụng nước làm chất làm chậm nữa?

Lò phản ứng nước áp lực (PWR) chứa hai mạch nước. Mạch đầu tiên, được gọi là mạch sơ cấp, hấp thụ nhiệt từ sự phân hạch của U-235.

Lò phản ứng nước áp lực - bước 1

Nước nóng sau đó chạy qua một đường ống đi qua một mạch nước riêng biệt.

Lò phản ứng nước áp lực - bước 2

Hơi nước được tạo ra từ việc đun sôi ở mạch nước thứ hai này sau đó được sử dụng để quay tuabin, tạo ra điện. Giai đoạn cuối của quy trình này giống với những gì xảy ra trong nhà máy điện than.

Lò phản ứng nước áp lực - bước 3

Điện hạt nhân có an toàn không?

Bạn nghĩ đâu là những mối lo ngại về vấn đề an toàn cho quá trình trên?


Tất cả những điều trên đều là vấn đề cả. Hãy nhìn vào các con số nhiều nhất có thể nào.

Hạt nhân gây ra nhiều hay ít ca tử vong hơn than đá (trên mỗi đơn vị điện được sản xuất)?


Than đá và an toàn hạt nhân

Tai nạn kinh hoàng đã xảy ra ở Fukushima vào năm 2011 và Chernobyl năm 1986. Tuy nhiên, trái với niềm tin phổ biến, tai nạn hạt nhân cực kỳ khó xảy ra và hoàn toàn gây ra ít ca tử vong hơn nhiều so với nhiên liệu hóa thạch (chủ yếu là do việc đốt nhiên liệu hóa thạch sẽ gây ra ô nhiễm không khí chết người).

Tỉ lệ tử vong cho các nguồn năng lượng khác nhau

Tuy nhiên, công bằng mà nói, việc xây dựng lò phản ứng hạt nhân một cách thành thạo hơn cũng giúp các quốc gia chế tạo bom tốt hơn.

Nhược điểm khác của quá trình phân hạt nhân là chất thải phóng xạ. Rác thải chủ yếu có hai dạng:

  • Uranium-238 nghèo: Uranium tự nhiên được tạo thành từ khoảng 99,3% U-238 và 0,7% U-235. Nhưng chúng ta cần các thanh uranium trong lò phản ứng chứa 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. May mắn thay, chất thải này không nguy hiểm.
  • Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và các chất thải phóng xạ khác: Sau khi một lượng nhất định 4-5% U-235 ban đầu trong nhiên liệu hạt nhân được làm giàu đã được sử dụng hết, vật liệu còn lại không còn đủ phóng xạ để được sử dụng hiệu quả. Tuy nhiên, nó vẫn đủ phóng xạ để gây nguy hiểm cho con người và thiên nhiên trong hàng nghìn đến hàng triệu năm sau khi được sử dụng.
Những dạng chất thải quan trọng từ Năng lượng Hạt nhân

Tính đến nay, có đến 90.000 tấn nhiên liệu đã qua sử dụng ở Hoa Kỳ (tương đương một sân bóng đá sâu 20 mét). Mặc dù chúng ta biết cách lưu trữ tạm thời đống chất thải này, chúng ta vẫn chưa có giải pháp lâu dài. Ở chương tiếp theo, chúng ta sẽ bàn về những giải pháp tiềm năng có thể giải quyết vấn đề này và lấy nhiều năng lượng hơn từ nó!

Hạt nhân rất đắt tiền

Hạt nhân rất đắt tiền

Bên cạnh nhận thức của công chúng về khía cạnh an toàn của điện hạt nhân, một vấn đề không thể phủ nhận là việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân mới rất tốn kém. Trên thực tế, việc xây dựng các lò phản ứng ở các quốc gia phương Tây không được coi là có lợi nhuận.

Kết luận

Hạt nhân là một nguồn năng lượng gần như không thải cacbon và đáng tin cậy. Trong khi việc xây dựng các nhà máy hạt nhân mới đã trở nên quá đắt đỏ ở thế giới phương Tây, các quốc gia như Trung Quốc và Ấn Độ đang xây dựng thêm các nhà máy hạt nhân - và điều đó tốt cho khí hậu!

Điện hạt nhân ngày nay có vấn đề về chất thải. Tuy nhiên, các vụ nổ rất hiếm và gây ra rất ít trường hợp tử vong nên trên thực tế, hạt nhân là một trong những dạng năng lượng an toàn nhất hiện có đó! Trong khi việc xây dựng các nhà máy hạt nhân mới đã trở nên không kinh tế ở thế giới phương Tây, việc tắt các lò phản ứng mà chúng ta đã xây dựng chỉ loại bỏ một giải pháp thay thế an toàn và gần như không có cacbon cho than mà thôi.

Ở chương tiếp theo, chúng ta sẽ xem các ý tưởng mới về năng lượng hạt nhân mà có thể giúp giải quyết các vấn đề hiện nay hạt nhân gặp phải.

Chương tiếp theo