Nguyễn Minh Quang
20 tháng 2 năm 2020
Kết hạch nguyên tử. [Ảnh: The Daily Conversation]
Phần dẫn nhập
Kể từ thế kỷ thứ 19th, nhân loại khám phá và tận
dụng nguồn năng lượng hóa thạch, đầu tiên là than đá rồi đến dầu hỏa và khí đốt,
để làm động cơ cho cuộc cách mạng kỹ nghệ thay đổi cục diện của thế giới. Hơn 100 năm sau, nguồn năng lượng hóa thạch
cạn dần cùng với nguy cơ hâm nóng toàn cầu, nhân loại đã nỗ lực tìm kiếm các
nguồn năng lượng khác để thay thế, trong đó có thủy điện, năng lượng nguyên tử (hạt
nhân) và năng lượng tái tạo. Vì tiềm
năng của thủy điện có giới hạn, nó không thể thay thế hoàn toàn năng lượng hóa
thạch. Năng lượng nguyên tử và năng
lượng tái tạo thì dồi dào hơn, nhưng cả hai đều có những khuyết điểm, nhất là
năng lượng nguyên tử vì sức tàn phá của 2 quả bom nguyên tử ở Hiroshima và
Nagasaki (Nhật Bản) trong Đệ Nhị Thế Chiến và các tai nạn xảy ra ở nhà máy
Three Mile Island (Hoa Kỳ), Chernobyl (Sô Viết) và Fukushima (Nhật Bản).
Để tìm kiếm nguồn năng lượng tốt nhất để thay thế cho nguồn
năng lượng hóa thạch trong tương lai, chúng ta sẽ cứu xét ưu khuyết điểm của
năng lượng tái tạo và năng lượng nguyên tử, kinh nghiệm của nước Đức – dựa vào
năng lượng tái tạo – và của nước Pháp – dựa vào năng lượng nguyên tử - cùng với
những kỹ thuật tiên tiến nhất trong ngành năng lượng của thế giới.
Than đá. [Ảnh: Britannica]
Ưu khuyết điểm của năng
lượng tái tạo
Năng lượng tái tạo là năng lượng không bao giờ cạn gồm nhiều
dạng khác nhau, mà phổ biến nhất là thủy điện, gió, và mặt trời. Các dạng khác gồm có địa nhiệt (geothermal),
hydrogen, thủy triều, sóng biển và sinh khối (biomas).
Năng lượng tái tạo. [Ảnh: Financial Tribunes]
Năng lượng tái tạo rất dồi dào và an toàn. Nó là loại năng lượng sạch có thể được thu
hoạch cùng lúc ở nhiều nơi. Nó đa dạng và có thể giúp nhiều quốc gia độc lập về
năng lượng. Nó là một dạng năng lượng ổn
định, thúc đẩy kỹ thuật và kinh tế, và ít tốn kém để bảo trì. Nó giúp cải thiện sức khỏe người dân và tái sử
dụng chất thải [1].
Khuyết điểm quan trọng nhất của năng lương tái tạo là không kiểm
soát được mức sản xuất vì nó phụ thuộc vào thời tiết. Do đó, nó cần có nguồn năng lượng dự trữ rất
tốn kém. Nó cần số vốn ban đầu rất lớn
và chiếm nhiều diện tích đất. Nó không
có hiệu quả kinh tế so với các dạng năng lượng khác [1].
Ưu khuyết điểm của năng
lượng nguyên tử
Năng lượng nguyên tử rất ổn định và có khả năng lớn lao. Nó giúp giảm thiểu lượng phóng thích khí nhà
kiếng và thúc đẩy kinh tế. Đây là nguồn
năng lượng rất tin cậy và an toàn hơn nhiệt điện than. Chi phí cũng vừa phải với hầu hết các quốc
gia. Nó là nguồn năng lượng có hiệu suất
cao với mật độ điện thuộc hạng cao nhất trên thế giới và có thể dùng cho nhiều
việc khác ngoài việc sản xuất điện [2].
Phân hạch nguyên tử. [Ảnh: Solar Schools]
Nhưng năng lượng nguyên tử luôn luôn có nguy cơ xảy ra tai
nạn, và nhiên liệu có thể trở thành vũ khí.
Chất thải nguyên tử là một vấn đề và tiếp xúc với vật liệu nguyên tử hay
uranium có thể có hại cho sức khỏe. Chi
phí tàng trữ chất thải nguyên tử rất tốn kém và cần phải khai thác uranium để
duy trì nguồn năng lượng nầy. Việc xây
dựng một cơ sở năng lượng nguyên tử mới có thể kéo dài đến 15 năm [2].
Kinh nghiệm của Đức: Energiewende
Energiewende là sự chuyển đổi có kế hoạch của Đức qua nguồn
năng lượng đáng tin cậy, vừa túi tiền, thân thiện với môi trường và có carbon
thấp. Nguồn năng lượng mới hoàn toàn dựa
vào năng lượng tái tạo (gió, mặt trời và thủy điện), hiệu suất năng lượng và
quản lý nhu cầu năng lượng. Hầu hết, nếu
không phải tất cả, các nhà máy điện than hiện hữu phải đóng cửa. Vào ngày 6 tháng 6 năm 2011, tiếp theo sau tai
nạn ở Fukushima, chánh phủ quyết định không dùng điện nguyên tử để hỗ trợ cho
chánh sách của mình. Phần then chốt của
kế hoạch là đóng dần các lò phản ứng nguyên tử, hoàn tất vào năm 2022 [3].
Điện gió ở Đức. [Ảnh: Renewable Energy World]
Ngày nay, Đức có trên 30.000 quạt gió với công suất tổng cộng
gần 60GW và khoảng 1,7 triệu tấm điện mặt trời với công suất tổng cộng 46
GW. Nhưng phần lớn thời gian chỉ sản
xuất được một phần nhỏ của công suất.
Những ngày xấu trời có thể xuống gần 0.
Ngay trong những ngày đẹp trời, sản lượng điện gió và mặt trời chỉ được
khoảng 17% công suất. Để bảo đảm mức
điện ổn định và lấp vào khoảng trống do sự giao động của gió và mặt trời, Đức
buộc phải dựa vào (1) các nhà máy điện than và khí đốt phun đầy CO2,
(2) số nhà máy điện nguyên tử ít ỏi còn lại; và (3) nhập cảng điện từ các quốc
gia Âu Châu.[4]
Vào năm 2014, giá điện ở Đức là 29,81 cents/KWh, đứng hàng
thứ hai sau Denmark là 30,42 cents/KWh [5]
Kinh nghiệm của Pháp: Kế
hoạch Messmer
Để đối phó với cuộc khủng hoảng dầu hỏa 1973, vào ngày 6
tháng 3 năm 1974, Thủ tướng Pháp Pierre Messmer loan báo một chương trình điện
nguyên tử khổng lồ, được gọi là “kế hoạch Messmer”, để sản xuất tất cả điện ở
Pháp bằng năng lượng nguyên tử. Vào lúc
khủng hoảng, hầu hết điện ở Pháp được sản xuất từ dầu nhập cảng. Điện nguyên tử cho phép Pháp bù lấp sự thiếu
hụt nguồn năng lượng tại chỗ bằng cách áp dụng sức mạnh của kỹ nghệ nặng. Khẩu hiệu của chương trình là: “Ở Pháp, chúng
tôi không có dầu, nhưng chúng tôi có ý chí.” [6]
Graveline, nhà máy điện nguyên tử lớn nhất của Pháp với công
suất 5.460 MW.
[Ảnh: Douchet Quentin]
Kế hoạch Messmer được phê chuẩn mà không có tranh luận của
quốc hội hay công chúng. Nó cũng đưa đến
việc thiết lập Nhóm Khoa học gia về Tin tức Năng lượng Nguyên tử (Groupement
des scientifiques pour l’information sur l’énergie nucléaire), sau khi khoảng
4.000 khoa học gia ký một thỉnh nguyện liên quan đến hoạt động của chánh phủ,
gọi là Thỉnh nguyện của 400, sau khi
được 400 khoa học gia ký lúc ban đầu.
Kế hoạch dự tính xây khoảng 80 nhà máy điện nguyên tử vào năm
1985 với tổng cộng 170 nhà máy vào năm 2000.
Công việc xây cất tại 3 nhà máy đầu tiên ở Tricastin, Gravelines và
Dampierre bắt đầu trong năm 1974 và trong 15 năm tiếp theo, thêm 56 lò phản ứng
nữa được thiết trí.
Kết quả là Pháp đã xuất cảng 38 tỉ KWh điện sang các nước
láng giềng trong năm 2017. Theo thống kê
của 6 tháng đầu năm 2019, giá điện gia dụng ở Pháp (kể cả thuế) là 0,1765
Euro/KWh, đứng hàng thứ 15th rẻ nhất Liên Hiệp Âu Châu [7].
Năng lượng của tương
lai
Trong tháng 12 năm 2019, tạp chí nổi tiếng Der Spiegel của
Đức đăng tải một bài viết về cuộc đua của các nhà đầu tư và công ty quốc tế,
trong đó có Bill Gates và công ty TerraPower của ông, trong việc phát triển kỹ
thuật nguyên tử tiên tiến mà tạp chí nầy gọi là “then chốt để loại trừ sự lệ
thuộc của thế giới vào nhiên liệu hóa thạch – một mục tiêu không thể đạt được
bằng cái gọi là năng lượng tái tạo mà thôi.” [8]
Như vậy, vai trò của năng lượng nguyên tử đã được công nhận,
và để trở thành năng lượng của tương lai, những khuyết điểm nêu ở trên cần phải
được khắc phục. Hiện nay, có nhiều giải
pháp tương đối tốt để sửa chữa hầu hết từng khuyết điểm. Thí dụ như có thể xây lò phản ứng không có
phản ứng ngoài ý muốn, có hệ thống làm nguội tự động để tránh tan chảy, không
phát sinh chất đồng vị phóng xạ lâu dài, có thể “đốt” chất thải phóng xạ để sản
xuất năng lượng, không cần tách rời chất đồng vị để sản xuất nhiên liệu, và có
kích thước nhỏ để giảm vốn đầu tư. Vấn
đề là làm thế nào để kết hợp các giải pháp nầy trong một hệ thống duy nhất [9].
Lò phản ứng đơn vị nhỏ. [Ảnh: The Energy Mix]
Hiện có nhiều thiết kế lò phản ứng nguyên tử tiên tiến, ở
nhiều giai đoạn phát triển khác nhau, có nhiều triển vọng để sửa chữa những
khuyết điểm của năng lượng nguyên tử cổ điển: phân hạch nguyên tử (nuclear
fission). Các thiết kế có nhiều triển
vọng nhất gồm có: lò phản ứng muối nóng chảy (molten-salt reactor), lò phản ứng
sóng di động (traveling-wave reactor), lò phản ứng đá cuội nhiệt độ cao
(pebble-bed high-temperature reactor), và lò phản ứng đơn vị nhỏ (small modular
reactor) [9].
Kết hạch nguyên tử
Một dạng khác của năng lượng nguyên tử cũng có nhiều triển
vọng trở thành năng lượng của tương lai, đó là kết hạch nguyên tử (nuclear
fusion). Đây là một phản ứng trong đó 2
hay nhiều nhân nguyên tử (hạch) kết hợp thành 1 hay nhiều nhân nguyên tử khác
biệt và các hạt bán nguyên tử (neutron hay proton). Sự khác biệt về khối lượng của chất phản ứng
và sản phẩm được biểu hiện bằng sự phóng thích hay hấp thu năng lượng [10].
Kết hạch là nguồn năng lượng của mặt trời và các vì sao. Phản ứng kết hạch hiệu quả nhất trong phòng
thí nghiệm trong thế kỷ 20th là phản ứng giữa 2 chất đồng vị của
hydrogen, deuterium (D) và tritium (T).
Phản ứng kết hạch DT phát sinh năng lượng cao nhất ở “nhiệt độ thấp
nhất.” [11]
Phản ứng kết hạch. [Ảnh: Duke University]
Cần phải có 3 điều kiện để kết hạch nguyên tử trong phòng thí
nghiệm: nhiệt độ rất cao (khoảng 150 triệu độ C), có đủ mật độ hạt plasma (để
tăng cơ hội va chạm), và có đủ thời gian giam giữ (để giữ plasma, có khuynh
hướng giản nở trong một thể tích nhất định).
Ở nhiệt độ rất cao, các điện tích âm tách khỏi nhân và khí biến thành
plasma – thường được gọi là dạng thứ tư của vật chất. Plasma kết hạch cung cấp một môi trường trong
đó các thành phần nhẹ có thể hợp lại và phát sinh năng lượng. [11]
Tokamak là một dụng cụ thí nghiệm có từ trường mạnh được dùng
để giam giữ và kiểm soát plasma. Bên
trong tokamak, năng lượng phát sinh từ kết hạch nguyên tử được vách của tokamak
hấp thu dưới dạng nhiệt. Giống như nhà
máy điện cổ điển, nhiệt được dùng tạo hơi nước để chạy turbines và máy phát
điện. Được phát triển đầu tiên bởi Sô
Viết trong thập niên 1960s, tokamak được thế giới xem như dụng cụ kết hạch từ
trường có nhiều triển vọng nhất. Dự án
ITER (có nghĩa là “cách thức” trong tiếng Latin) đang diễn tiến hiện nay ở miên
nam nước Pháp sẽ là tokamak lớn nhất trên thế giới với sự cộng tác của 35 quốc
gia gồm có Trung Hoa, Liên hiệp Âu Châu, Ấn Độ, Nhật Bản, Nam Triều Tiên, Nga,
và Hoa Kỳ. Plasma đầu tiên của ITER được
dự trù vào tháng 12 năm 2025. [11]
Tokamak của ITER. [Ảnh: ITER]
Phần kết luận
Năng lượng hóa thạch, phần lớn từ than đá và dầu hỏa, được
con người khám phá và tận dụng đã làm thay đổi cục diện của thế giới và cải
thiện cuộc sống của nhân loại. Trên 100
năm khai thác, nguồn năng lượng nầy cạn dần cùng với nguy cơ hâm nóng toàn cầu
nhiều tranh cãi, con người đã có những nỗ lực để tìm kiếm một nguồn năng lượng
thích hợp để thay thế.
Hai nguồn năng lượng được chú ý nhiều nhất là năng lượng tái
tạo và năng lượng nguyên tử. Cả hai đều
không phóng thích CO2, được xem là tác nhân của hâm nóng toàn cầu,
và đã được dùng để thay thế nguồn năng lượng cổ điển với kết quả hoàn toàn khác
biệt. Ở Đức, chương trình Energiewende
nhằm chuyển đổi hoàn toàn sang năng lượng tái tạo, chánh yếu là gió và mặt
trời. Kết quả là Đức phải xây thêm các
nhà máy điện khí đốt và nhập cảng điện từ các quốc gia lân cận để thay thế các
nhà máy điện nguyên tử bị đóng cửa khiến giá điện cao hàng thứ nhì ở Âu Châu. Để đối phó với cuộc khủng hoảng dầu hỏa 1973,
Pháp đưa ra Kế hoạch Messmer để sản xuất tất cả điện bằng năng lượng nguyên
tử. Ngày nay, Pháp là nước độc lập về
năng lượng, xuất cảng điện sang các nước láng giềng và có giá điện rẻ thứ 15th
trong Liên hiệp Âu Châu.
Qua kinh nghiệm của Đức và Pháp, chúng ta có thể thấy rằng
năng lượng nguyên tử chính là nguồn năng lượng của tương lai vì nó vừa sạch, vừa
đáng tin cậy, vừa túi tiền và tương đối an toàn nếu kỹ thuật tiên tiến được áp
dụng để sửa chữa những khuyết điểm của năng lượng nguyên tử cổ điển. Một dạng khác của năng lượng nguyên tử - đang
được phát triển - cũng có nhiều triển vọng trở thành năng lượng của tương lai,
đó là kết hạch nguyên tử. Khác với phân
hạch nguyên tử, kết hạch nguyên tử không phát sinh chất thải phóng xạ, một
trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến việc sử dụng năng lượng nguyên tử.
Tài liệu tham khảo
[1] Brandon
Gaille. February 25, 2018. “23 Adavnatges and Disadvantages of Renewable
Energy.” Brandon Gaille. https://brandongaille.com/23-advantages-disadvantages-renewable-energy/
[2] Future
of Working. Accessed February 20, 2020. “21 Advantages and Disadvantages of
Nuclear Energy.” Future of Working. https://futureofworking.com/8-advantages-and-disadvantages-of-nuclear-energy/
[3] Wikipedia.
January 24, 2020. “Energiewende.” Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Energiewende
[4] Jonanthan
Tennenbaum. January 28, 2020. “Germany’s
overdose of renewable energy”. Asia Times. https://www.asiatimes.com/2020/01/article/carbon-dioxides-scourge-advanced-nuclear-power/
[5] Eurostat.
No date. “Electricity Prices Europe 2014.”
Strom-Report. https://www.bing.com/images/search?view=detailV2&id=0C48FA6A0C80634F0BDACE752794BD57A44A71FE&thid=OIP.72Rgz6yacl92BY-h_z0CjAHaGe&mediaurl=https%3A%2F%2Fupload.wikimedia.org%2Fwikipedia%2Fcommons%2Fa%2Fa9%2FElectricity-prices-europe.jpg&exph=481&expw=550&q=Electricity+Price+by+Countries+2018&selectedindex=26&ajaxhist=0&vt=0&eim=1,2,6
[6] Wikipedia.
19 Ferbruary 2020. “Nuclear Power in France.”
Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_power_in_France#cite_note-edf-history-10
[7] Eurostat.
November 2019. “Electricity price statistics.”
Eurostat Statistics Explained.
https://ec.europa.eu/eurostat/statistics-explained/index.php?title=Electricity_price_statistics
[8] Jonathan
Tennenbaum. January 25, 2020. “Don’t like CO2? Advanced nuclear power is the answer.” Asia
Times. https://www.asiatimes.com/2020/01/article/carbon-dioxides-scourge-advanced-nuclear-power/
[9] Jonathan
Tennenbaum. February 1, 2020. “We need to switch to new nuclear reactor
types.” Asia Times. https://www.asiatimes.com/2020/02/article/why-we-need-to-switch-to-newer-reactor-designs/
[10] Wikipedia.
February 19, 2020. “Nuclear fusion.” Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Nuclear_fusion
[11] ITER.
Accessed February 20, 2020. “What is ITER?”
ITER Organization. https://www.iter.org/proj/inafewlines#3
.
No comments:
Post a Comment