Lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới sẽ phục hồi ngành điện hạt nhân?

Khi các lò phản ứng hạt nhân mới cuối cùng của Mỹ bắt đầu sản xuất điện thì Leslie Dewan còn đang là cô nữ sinh lớp sáu làm ra một guồng bánh xe nước nhỏ xíu trong lớp học khoa học.

Bây giờ, ở tuổi 30, chị là gương mặt thuộc thiên niên kỷ thế hệ nhà máy điện hạt nhân tiếp theo. Với dáng người thoáng nhìn khá giống nữ diễn viên Amy Adams, hiện nay Leslie Dewan là đồng tác giả của loại lò phản ứng muối nóng chảy mới, không theo mẫu lò phản ứng của các nhà khoa học hạt nhân trước đó.

Nhiều lực lượng hiểu biết khoa học và công nghệ đang thúc đẩy sự tái khởi động truyền thống phấn khởi của ĐHN. Nhiều công ty ở Mỹ khởi nghiệp bằng việc thiết kế lò phản ứng tiên tiến, họ nhận được sự hỗ trợ từ các nhà đầu tư mạo hiểm chứ không phải từ chính phủ Mỹ. Động lực của họ cũng khác. Không giống như các nhà khoa học Mỹ trong những năm 1950 và 1960s, những người bị mắc kẹt trong cuộc Chiến tranh Lạnh nhằm chạy đua với Liên Xô, giờ đây họ nhằm mục đích đối phó với biến đổi khí hậu.

“Tôi là một nhà bảo vệ môi trường. Tôi đang làm việc này, bởi lẽ tôi nghĩ rằng điện hạt nhân (ĐHN) là cách tốt nhất để sản xuất một lượng lớn điện năng không có carbon,“ Dewan nói, chị là kỹ sư hạt nhân của trường MIT và là nhà thám hiểm mới nổi của tạp chí National Geographic. Chị nói thế giới cần ĐHN cùng điện mặt trời, điện gió, thủy điện, điện địa nhiệt — là những dạng năng lượng nhằm cắt giảm khí thải giữ nhiệt.

Không phải tất cả các nhà bảo vệ môi trường đều đồng ý như vậy. Trên thực tế, điện hạt nhân đang chia rẽ họ. Chất thải phóng xạ của nó và những vụ tai nạn hạt nhân — gồm vụ Three Mile Island ở Mỹ năm 1979, vụ Chernobyl ở Ukraine năm 1986 và vụ Fukushima Daiichi ở Nhật năm 2011 — đã khiến nhiều người tranh cãi rằng điện hạt nhân quả là quá nguy hiểm. Nhật và Đức hiện đang cắt giảm điện hạt nhân.

Tuy nhiên, nhiều nhà khoa học khí hậu nói ĐHN phải là một phần của giải pháp chống lại sự biến đổi khí hậu. Viện dẫn các mối nguy hiểm của sự nóng lên toàn cầu, họ nói bất cứ giải pháp nào trong tương lai mà không xét tới “vai trò đáng kể” của hạt nhân thì đều không có tính hiện thực. Họ công khai kêu gọi công chúng cần có “một cách tiếp cận mới đối với ĐHN trong thế kỷ XXI”.

Các mẫu thiết kế thế hệ ĐHN tiếp theo không phải là lò phản ứng thế hệ cũ. Các thiết kế này hứa hẹn sẽ an toàn hơn, rẻ hơn, và hiệu quả hơn. Chúng đang thu hút vốn đầu tư mạo hiểm từ các đại gia công nghệ, kể cả Bill Gates người đồng sáng lập Microsoft, Jeff Bezos, CEO của Amazon và các cựu nhân viên của công ty SpaceX.

Riêng gần 50 công ty khởi nghiệp tại Mỹ và Canada đã kiếm được hơn 1,3 tỷ USD đầu tư tư nhân, theo bản báo cáo “Trở lại Tương lai” do “ Con đường thứ ba (Third Way) ”, một think tank thuộc phái trung gian công bố vào tháng 12/2014. Các khoản tài trợ đang tiếp tục tăng.

Một số công ty khởi nghiệp đang làm loại lò phản ứng nhỏ kiểu mô-đun gọn nhẹ và dùng cấu kiện đúc sẵn. Một số mạnh dạn sử dụng phản ứng tổng hợp hạt nhân (nuclear fusion), từ lâu được coi là ước mơ (nguyên văn Chén thánh) của năng lượng không ô nhiễm. Các công ty khác thử dùng nhiên liệu mới sáng tạo và chất làm lạnh thay thế.

Lò phản ứng muối nóng chảy (molten salt) có khả thi hay không?

Dewan tiến hành công việc theo hướng dùng lò phản ứng muối nóng chảy. Chị và Mark Massie, một đồng nghiệp ở MIT, người từng làm việc tại TerraPower, một công ty hạt nhân khởi nghiệp được Gates hậu thuẫn, đã xây dựng được lò phản ứng muối nóng chảy xử lý hủy diệt chất thải (Waste-Annihilating Molten Salt Reactor). Thiết kế của họ là phương án hiện đại hóa một lò phản ứng thử nghiệm từng được triển khai vào nửa thế kỷ trước tại phòng thí nghiệm quốc gia. Lò phản ứng muối nóng chảy có thể hoạt động bằng các chất thải hạt nhân.

Họ ước tính: nếu toàn bộ 270.000 tấn chất thải hạt nhân cấp cao hiện có được đưa vào các lò phản ứng này, thì họ có thể sản xuất đủ điện để cung cấp cho thế giới dùng trong 72 năm, ngay cả khi giả thiết nhu cầu năng lượng toàn cầu sẽ tăng lên đi nữa.

Làm thế nào để thực hiện được điều đó? Các lò phản ứng loại thông thường được cấp nhiên liệu bằng những viên bột ôxit uranium thể rắn, loại nhiên liệu này chỉ sử dụng hết 3 % hoặc 4 % năng lượng của uranium, vì thế chất thải của nó vẫn còn là chất phóng xạ tồn tại trong hàng trăm hàng ngàn năm nữa. Nhưng vì lò phản ứng của Dewan sử dụng uranium dưới dạng chất lỏng thay vì chất rắn, cho nên có thể tận dụng được tới 96 % năng lượng của uranium.

Kỹ sư hạt nhân Leslie Dewan đã thiết kế một lò phản ứng muối nóng chảy mới sử dụng chất thải hạt nhân và có khả năng đông lại nếu lò phản ứng bị mất nguồn điện.

“Chúng tôi có thể sử dụng hầu như tất cả các nhiên liệu đã dùng qua (spent fuel),” Dewan nói.

Nhiên liệu lỏng có một lợi thế: giả thử lò phản ứng muối nóng chảy bị mất nguồn điện (như trường hợp đã xảy ra tại nhà máy Fukushima sau thảm họa sóng thần), khi ấy nhiên liệu sẽ tự động chảy vào một bể chứa phụ và đông cứng lại sau vài giờ, vì thế sẽ không xảy ra tình trạng lò bị nóng chảy.

Thế nhưng xây dựng và duy trì các nhà máy ĐHN, ngay cả nhà máy cỡ nhỏ, là việc rất tốn kém. Giá gas thấp đã làm cho một số nhà máy nhiệt điện đốt than cũ của nước Mỹ ngày nay trở nên không kinh tế, dẫn đến việc đóng cửa ít nhất bốn nhà máy trong hai năm qua.

Khó thực hiện lò phản ứng muối nóng chảy?

“Đây là những hệ thống phức tạp,” Matthew McKinzie nói, ông là giám đốc chương trình hạt nhân tại Hội đồng Bảo vệ Tài nguyên thiên nhiên, một nhóm môi trường ưa chuộng năng lượng mặt trời, năng lượng gió và hiệu suất của năng lượng, chứ không thích dùng ĐHN như là một biện pháp giải quyết vấn đề khí hậu.

“Các hệ thống đó xem ra thì tuyệt vời đấy, nhưng trên thực tế lại có thể khó thực hiện,” ông nói về các loại lò phản ứng tiên tiến. “Rất nhiều dự án tiến hành trước đây đã đem lại nỗi thất vọng.” Theo ông, trong các nhà máy điện hạt nhân hiện nay lò phản ứng phổ biến không sử dụng thiết kế nước nhẹ sẽ cần nguyên mẫu để thử nghiệm và các quỹ tư nhân của họ không đủ khả năng trang trải các chi phí.

Ngoài ra, “khó có thể làm việc với muối nóng chảy có tính ăn mòn và bẩn”, McKinzie, người có bằng tiến sĩ vật lý hạt nhân thực nghiệm nói.

Thế hệ nhà máy ĐHN tiếp sau là “hoàn toàn có thể làm được,” Russ Bell, Giám đốc cấp cao nhà máy mới vừa được cấp phép, nói. Ông cho rằng nhiều thiết kế lò phản ứng mới bảo đảm được an toàn và “vô cùng sáng tạo”, nhưng vì chúng phải tạo ra nguyên mẫu, tức sẽ cần 20-25 năm để đưa chúng ra thị trường.

“Điều này xem ra cần một thời gian dài, nhưng trong nghề của chúng tôi thi mọi thứ đều cần thời gian,” Bell nói. Ví dụ, có thể mất 10 năm hoặc hơn để hoàn thành quá trình từ lúc được cấp giấy phép cho tới lúc bắt đầu hoạt động thương mại một trong 5 lò phản ứng đang được xây dựng ở Mỹ.

Trung Quốc sẽ dẫn đầu?

Trung Quốc có thể đi nhanh hơn. Một số công ty Mỹ chú ý tới Trung Quốc, nước đã nhanh chóng phát triển sử dụng năng lượng hạt nhân như là một biện pháp hạn chế sự ô nhiễm không khí đang làm các đô thị của họ bị ngạt thở. Trung Quốc hiện xếp thứ 5 về công suất ĐHN, và có kế hoạch sớm tăng gấp đôi con số đó. Đến năm 2020, Trung Quốc có thể được xếp thứ ba sau Mỹ và Pháp.

Bill Gates đã mấy lần đến thăm Trung Quốc để tìm kiếm sự hợp tác trong việc phát triển lò phản ứng hạt nhân thế hệ tiếp theo. Ông là chủ tịch công ty TerraPower, công ty đã thiết kế một lò phản ứng sóng di chuyển (Traveling-Wave Reactor hay TWR) hoạt động bằng uranium nghèo và sản xuất rất ít chất thải hạt nhân.

Dewan nói, công ty của chị muốn xây dựng lò phản ứng muối nóng chảy đầu tiên ở Mỹ. Theo chị, Ủy ban Điều tiết hạt nhân Mỹ (U.S. Nuclear Regulatory Commission) đang tìm kiếm các kiểu lò phản ứng tiên tiến, là loại được ưu tiên cấp phép.

“Đó là công nghệ Mỹ. Cá nhân tôi muốn nước Mỹ đầu tiên có công nghệ này,“ chị nói. Công ty Transatomic của Dewan đã lên kế hoạch dành năm năm cho việc thử nghiệm và thiết kế trước khi nhắm tới mục tiêu xây dựng một nhà máy mẫu 20 megawatt.

“Chúng tôi đã nói chuyện với các phòng thí nghiệm quốc gia về điều đó,” chị nói, lưu ý rằng Bộ Năng lượng đang có chương trình bảo lãnh vay vốn mới cho các lò phản ứng tiên tiến. “Đây là điều thực sự tốt khi Bộ Năng lượng bỏ tiền để phát triển một loạt các công nghệ.”

Dewan nói, cho dù khi mọi việc đều suôn sẻ thì cũng phải mất ít nhất một thập niên để xây dựng một lò phản ứng muối nóng chảy dùng trong thương mại. Chị lạc quan tin rằng điều đó sẽ xảy ra và hoan nghênh công việc của các công ty hạt nhân khởi nghiệp khác.

“Thật dễ chịu khi thấy bao nhiêu phát triển mới đang diễn ra,” Dewan, phiên bản trưởng thành của cô học sinh lớp sáu biết cách tạo ra ánh sáng bằng cách kết nối bánh xe nước vào máy phát điện, cho biết. “Điều đó khiến tôi thấy hy vọng hơn về nền công nghiệp.”

Ng.H lược dịch