2. Năng lượng hạt nhân (Nuclear Energy)

Năng lượng hạt nhân đã giữ vai trò cơ bản trong sự hình thành trái đất (em cũng không hiểu rõ ?) và trong cuộc sống của chúng ta vì nhờ nó mà mặt trời chói sáng. Việc nắm bí quyết các phản ứng hóa học đã là động lực cho cuộc cách mạng công nghiệp cách đây hơn 250 năm. Còn năng lượng hạt nhân, chỉ đến thế kỷ XX, con người mới điều khiển được nó trong phản ứng phân hạch. Tuy vậy nó cũng đã thậm chí có thể đảo lộn thế giới khi người ta lợi dụng nó chế tạo vũ khí chiến tranh hủy diệt cuộc sống

Về cơ bản, cách thức có được năng lượng hạt nhân (NLHN) khác nhiều so với sự cháy sinh ra năng lượng của nhiên liệu hóa thạch. Cháy là một phản ứng hoá học thônng thường. Ở các phản ứng hóa học thông thường, nguyên tử của một nguyên tố này không bị chuyển thành nguyên tử của nguyên tố khác, cũng như khối lượng của chúng không chuyển thành năng lượng (Định luật BTKL). Năng lượng được giải phóng trong quá trình cháy và trong các phản ứng hóa học thông thường khác là từ sự thay đổi (phá vỡ hay nối kết) các liên kết hóa học nối những nguyên tử này với nhau. Các liên kết hóa học liên hệ giữa các electron, vì vậy, các phản ứng hoá học thông thường liên quan đến sự sắp xếp các electron.

Trái lại, NLHN liên quan đến những thay đổi trong hạt nhân nguyên tử, sự liên kết hay phá vỡ lực hạt nhân giữa các nuclon (proton, neutron). Lực hạt nhân này rất lớn, hình dung thử, muốn tách một nuclon ra khỏi hạt nhân phải tiêu tốn một năng lượng lớn gấp 1 triệu lần năng lượng cần thiết để bứt một electron ra khỏi lớp vỏ nguyên tử !

Các phản ứng hạt nhân dựa trên sự khai thác thế năng tiềm tàng trong khối lượng các hạt nhân. Có hai phản ứng khác nhau giải phóng ra NLHN : phân hạch và tổng hợp (nhiệt hạch) :

-Phản ứng phân hạch : Hạt nhân nặng bị phá vỡ thành các hạt nhân trung bình.

-Phản ứng nhiệt hạch : Các hạt nhân nhẹ kết hợp để tạo nên hạt nhân nặng hơn.

Ở cả hai trường hợp trên, tổng khối lượng các sản phẩm sau phản ứng nhỏ hơn tổng khối lượng các chất ban đầu, độ hụt khối được chuyển thành năng lượng theo "phương trình thế kỷ" của Einstein.

Các phản ứng hạt nhân trong các bom hạt nhân sản sinh ra năng lượng gấp hàng trăm đến hàng triệu lần năng lượng các phản ứng hoá học thông thường. Năng lượng này lại được giải phóng cùng một lúc, tạo ra lượng nhiệt khổng lồ tiêu hủy tất cả mọi thứ quanh nó. Khi NLHN ứng dụng để phát điện, phản ứng hạt nhân được khống chế, kiểm soát để tạo ra năng lượng nhỏ hơn dưới dạng nhiệt năng.

2.1 Sự phân hạch hạt nhân (Fission)

Lò phân hạch hạt nhân thông thường (conventional)

Quặng Uranium, nhiên liệu dùng trong các nhà máy điện nguyên tử thông thường là tài nguyên không thể phục hồi, trữ lượng của chúng có hạn, tập trung trong các lớp đá trầm tích . Urani (Uranium) có mặt trong vỏ trái đất với tỷ lệ 4 phần triệu. Hình dung thử, số lượng Urani ấy cho một năng lượng mà vỏ trái đất sẽ tỏa ra nếu nó chứa toàn là than đá ! Tuy nhiên, muốn khai thác một cách kinh tế thì cần những mỏ Urani hàm lượng vài phần nghìn. Nước biển chứa hầu hết các nguyên tố trong thiên nhiên, trong đó có Urani, nhưng chi phí khai thác hiện nay cao gấp 15 lần chi phí khai thác từ quặng mặc dù trữ lượng Urani trong các đại dương lớn gấp hàng nghìn lần trữ lượng của các quặng Urani trên mặt đất).

Các mỏ Uranium quan trọng hiện nay nằm ở Úc (25,7%), châu Phi (24%), và Bắc Mỹ (21,9%). Quặng Uranium chứa 3 đồng vị : U-238 (99,28%), U-235 (0,7%), và U-234 (<0,01%).>

Nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân được làm thành dạng viên Uranium oxide hình trụ, đường kính khoảng 1 cm, mỗi viên chứa năng lượng tương đương với 1 tấn than ! Chúng được xếp vào các thanh nhiên liệu (fuel rods) bằng zircalloy 4 (hợp kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ nơtron). Các thanh này tập hợp thành bó vuông gồm khoảng 200 thanh. Người ta còn chừa một số vị trí trong đó để đặt các thanh điều khiển (control rods).

Trong phản ứng phân hạch, U-235 được bắn phá với nơtron. Khi hạt nhân nguyên tử U-235 hấp thụ một nơtron, nó trở nên bất ổn định và phân rã thành hai nguyên tử nhỏ hơn. Quá trình phân hạch cũng sinh ra 2 đến 3 nơtron mới. Những nơtron này lại tiếp tục bắn phá các nguyên tử U-235 khác, phát sinh phản ứng dây chuyền từ một hạt nhân đến một phản ứng liên quan đến hàng tỷ tỷ hạt nhân khác.

Phân hạch U-235 giải phóng một nhiệt lượng khổng lồ được dùng trong các nhà máy điện hạt nhân để biến nước thành hơi chạy máy phát điện. Điện năng được sinh ra là do quá trình phân hạch được kiểm soát (chúng ta nhớ rằng, phản ứng phân hạch không kiểm soát gây nên vụ nổ hạt nhân (trong các bom). Tuy nhiên, thậm chí nếu cơ chế kiểm soát hỏng thì một vụ nổ như bom hạt nhân cũng không thể xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân, bởi vì, hàm lượng U-235 trong bom được làm giàu lên rất cao.

Phản ứng phân hạch có thể bắt đầu hay ngưng lại, tăng lên hay giảm đi tùy theo lượng nhiệt năng người ta muốn tạo ra.

Điện năng được tạo ra như thế nào từ năng lượng hạt nhân ?

Một trạm điện hạt nhân thường gồm 4 phần chính :

-(1) Trung tâm lò phản ứng hạt nhân (reactor core), nơi xảy ra phản ứng phân hạch.

-(2) Máy phát điện chạy bằng hơi nước steam gểnator), nơi nhiệt sinh ra từ phân hạch hạt nhân được dùng để tạo hơi.

-(3) Turbine, dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện.

-(4) Bộ phận ngưng tụ (condenser), làm lạnh hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng.

Phản ứng phân hạch xảy ra trong trung tâm lò phản ứng nơi chứa các bó nhiên liệu. Trên nhiên liệu là những thanh điều khiển làm bằng các hợp kim đặc biệt có khả năng hấp thụ nơtron (Bo, Cd là những chất liệu được ưa dùng). Thanh điều khiển có thể di chuyển lên cao hoặc xuống thấp gần các thanh nhiên liệu nhờ các nam châm điện (trong trường hợp khẩn cấp, người ta ngắt điện và các chất hấp thụ nơtron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân).

-Nếu thanh điều khiển nâng lên, nơtron tự do va chạm với thanh nhiên liệu và sự phân hạch xảy ra.

-Nếu thanh điều khiển xuống thấp hoàn toàn, nó hấp thụ nơtron tự do, và sự phân hạch không xảy ra nữa. Bằng cách kiểm soát chính xác vị trí của thanh điều khiển, người ta có thể tạo nên chính xác lượng phân hạch yêu cầu.

Hệ thống có 3 dòng nước chính :

-Dòng nước thứ nhất làm nóng nước nhờ năng lượng sinh ra từ sự phân hạch. Dòng nước này luân chuyển nước dưới áp suất cao qua tâm lò, nơi nhiệt độ khoảng 293 độ C, trong một hệ kín. Dưới áp suất cao nên nước quá nhiệt này vẫn ở dạng lỏng mà không bốc hơi.

-Từ tâm lò, dòng nước rất nóng này đi qua bộ phận trao đổi nhiệt để truyền nhiệt lượng ấy cho dòng nước thứ hai ở áp suất thấp hơn, làm nước này bốc hơi và quay tuabin để chạy máy phát điện. Sau khi quay tuabin, hơi nước ở dòng thứ hai này đi vào bộ phận ngưng tụ, chuyển lại thành nước lỏng.

-Dòng nước thứ ba cung cấp nước lạnh cho bộ phận ngưng tụ làm lạnh hơi nước ở dòng thứ hai. Khi dòng thứ ba này bị nóng lên, nó di chuyển từ bộ phận ngưng tụ đến tháp làm lạnh, tại đó nó được lạnh đi trước khi trở về bộ phận ngưng tụ.

Trung tâm lò nơi xảy ra phản ứng phân hạch được bao bọc bởi khối thép khổng lồ có dạng như cái bát úp, là một đặc trưng thiết kế an toàn để ngăn ngừa các bức xạ phóng thích ra môi trường. Các bức tường bêtông thép gia cố dày 0,9-1,5 m và được thiết kế để chịu được động đất, gió mạnh, bão hay thậm chí sự va chạm của máy bay.

Lò phản ứng tái sinh

(Em sẽ bổ sung lại phần lò phản ứng tái sinh sau)

Chất thải phóng xạ (Radioactive wastes)

Chất thải phóng xạ được phân thành hai dạng : mức độ thấp và mức độ cao.

-Chất thải phóng xạ mức thấp (low-level radioactive wastes) là các chất phóng xạ rắn, lỏng hoặc khí phát ra lượng nhỏ các bức xạ ion hóa. Sinh ra từ nhà máy điện hạt nhân, phòng thí nghiệm của các trường đại học, bệnh viện (dụng cụ chiếu xạ trong y khoa), công nghiệp, chất thải phóng xạ mức thấp bao gồm thủy tinh, giấy, quần áo và các vật khác bị nhiễm phóng xạ.

-Chất thải phóng xạ mức cao (high-level radioactive wastes) là các chất phóng xạ rắn, lỏng hoặc khí phát ra lượng lớn bức xạ ion hoá lúc ban đầu.Chất thải phóng xạ mức cao sinh ra từ phân hạch hạt nhân bao gồm các kim loại phản ứng (thanh nhiên liệu), chất lỏng làm lạnh, và khí trong lò phản ứng.

Chất thải phóng xạ mức cao từ các nhà máy điện nguyên tử và các thiết bị vũ khí hạt nhân là chất thải phóng xạ nguy hiểm nhất mà con người tạo ra.

Các thanh nhiên liệu (chúng hấp thụ nơtron vì vậy tạo nên các đồng vị phóng xạ) chỉ dùng được khoảng 3 năm, sau đó chúng trở thành chất thải phóng xạ mức cao nhất. Khi đồng vị phóng xạ phân hủy, chúng sinh ra lượng nhiệt đáng kể, khá độc hại cho sinh vật và sự phóng xạ còn duy trì đến hàng ngàn năm. Mức độ độc hại nguy hiểm đòi hỏi chúng phải được quản lý bằng những phương thức đặc biệt. Những nơi lưu trữ an toàn các chất này phải bảo đảm cho hàng ngàn năm, đến khi chúng có thể phân hủy đủ để trở nên an toàn.

Rõ ràng là, việc đổ bỏ an toàn các chất phóng xạ hạt nhân là một trong những vấn đề gay go nhất. các chất phóng xạ mức cao phải được cô lập ở những nơi mà khả năng nó nhiễm ra môi trường là thấp nhất . Vị trí bãi đổ cũng phải ổn định về địa chất và không có hoặc có ít dòng chảy có thể lan truyền chúng.

Những vị trí nào là tốt nhất cho việc chôn giữ lâu dài chất thải độc hại này ? Nhiều nhà khoa học đề nghị chôn lấp chất thải trong những tầng đá ổn định sâu dưới lòng đất. Ý kiến khác là xây "lăng mộ" trên mặt đất ở những nơi xa xôi hẻo lánh cho chúng. tuy nhiên, nếu xây "nhà mồ chất phóng xạ", chúng ta không thể chỉ đơn giản cất giữ chất thải ở đó rồi bỏ quên chúng. Các nhà mồ này phải đủ đảm bảo an toàn cho hàng ngàn năm !

Một khả năng dài hạn khác được lưu ý là cất trữ trong băng Bắc Cực, chôn sâu dưới đáy đại dương. Tuy nhiên, do việc đổ vào đại dương gây nguy hại tiềm tàng cho môi trường biển nên các hiệp ước quốc tế hiện nay đã cấm.

Phần lớn các chuyên gia ngày nay ủng hộ giải pháp chôn chất thải phóng xạ trong lớp đá ngầm dưới lòng đất. Đây cũng là một vấn đề phức tạp vì gặp phải sự e ngại, phản đối của dân cư xung quanh (ai mà chẳng sợ, chôn ngoài sa mạc huh?, bó tay !).

Chất thải phóng xạ với chu kỳ bán rã tương đối ngắn :
một số chất thải phóng xạ sinh ra trực tiếptừ các phản ứng phân hạch. U-235 có thể phân rã thành những nguyên tử nhỏ hơn, phần lớn chúng có tính phóng xạ. Strontium-90 (chu kỳ bán rã 28 ngày), Cesium- 137 (CKBR 30 năm)...đa số chúng là các chất phóng xạ tương đối ngắn hạn . Trong vòng 300-600 năm, chúng sẽ trở nên an toàn.

Cất giữ an toàn các sản phẩm phân hạch với chu kỳ bán rã tương đối ngắn này là cả một vấn đề, vì sự phân hạch tạo ra lượng lớn các chất này hơn là những chất có tuổi thọ cực dài. Thêm vào đó là vấn đề liên quan đến sức khỏe, do nhiều sản phẩm phân hạch có tuổi thọ tương đối ngắn này có tính chất giống như các chất dinh dưỡng quan trọng, và có khuynh hướng tích tụ trong cơ thể, ở đó chúng tiếp tục phân hủy, gây ra những hiệu ứng nguy hiểm . Ví dụ như, một sản phẩm phân hạch phổ biến Strontium-90, về mặt hoá học tương tự Canxi. Nếu Strontium-90 giải phóng vô ý vào môi trường từ chất thải phóng xạ không được cất giữ thích hợp, nó sẽ đi vào xương và răng của người và động vật, thế chỗ cho Canxi. Tương tự như vậy, Cesium -137 thay thế cho Kali trong cơ thể, Iod-131 tập trung ở tuyến giáp trạng...

Vấn đề dỡ bỏ các nhà máy điện nguyên tử (Decommissioning Nuclear Power Plant)

Các nhà máy điện nguyên tử chỉ có thể vận hành từ 25-40 năm trước khi các bộ phận quan trọng của nó trở nên giòn vỡ hay bị ăn mòn. Tuy nhiên vào giai đoạn cuối của cuộc đời nó, chúng ta không thể chỉ đơn giản từ bỏ hay phá hủy do nhiều phần của nó đã bị nhiễm phóng xạ.

Thêm một vấn đề phức tạp nữa phải giải quyết ! Người ta đưa ra nhiều chọn lựa. Giải pháp được nhiều chuyên gia chọn là chôn toàn bộ nhà máy bọc trong khối bêtông, có thể lưu giữ hàng ngàn năm. Tuy nhiên, sự rò rỉ ngẫu nhiên có khả năng xảy ra suốt thời gian đó, và chúng ta cũng không thể bảo đảm rằng những thế hệ tương lai sẽ gìn giữ cái "mộ" này.

Một lựa chọn khác là hủy bỏ chúng, tháo dỡ nhà máy lập tức ngay sau khi chúng đóng cửa. Các công nhân tháo dỡ phải mặc quần áo và đeo mặt nạ bảo hộ. Người ta có thể dùng robot để tháo dỡ nhưng cũng nên lưu ý rằng một số phần của nhà máy rất nóng. Khi nhà máy đã tháo dỡ xong, các phần nhỏ của chúng được chở đến bãi lưu trữ vĩnh viễn . Giải pháp này tồn tại những nguy hiểm trong quá trình tháo dỡ, vận chuyển v.v...

Trên toàn thế giới cho đến năm 1995 , có 84 nhà máy hạt nhân đã đóng cửa vĩnh viễn và nhiều nhà máy khác đang gần đến giai đoạn cuối của nó. Có lẽ, chúng ta bước vào thế kỷ 21 với số tiền phải trả cho việc giải quyết đóng cửa các nhà máy cũ còn lớn hơn chi phí để xây dựng nhà máy mới !

Ảnh hưởng của bức xạ hạt nhân

(Con người và các sinh vật khác thường xuyên phải tiếp xúc với bức xạ nền mức độ thấp từ một số nguồn tự nhiên như bức xạ của các tia vũ trụ và các nguyên tố phóng xạ trong lớp vỏ trái đất . Ở đây muốn nói đến ảnh hưởng do bức xạ mức độ cao).

Một trong những tác động nguy hiểm nhất của bức xạ ion hóa là sự thiệt hại mà nó gây ra cho ADN trong nhân tế bào. Thay đổi trong ADN nếu xảy ra trong các tế bào sinh sản thì sự đột biến đó có thể truyền qua thế hệ kế tiếp, gây ra khuyết tật hay các bệnh di truyền . Nếu đột biến xảy ra trong tế bào bình thường, chúng có thể làm thay đổi chức năng của những tế bào này , gây hại cho sức khỏe và tăng cao nguy cơ bệnh ung thư.

Tiếp xúc với dộ phóng xạ cao có thể gây những nguy hiểm nghiêm trọng cho cơ thể, liên qua đến nhiều bệnh lý như đau khớp xương, suy nhược thần kinh, giảm tuổi thọ, thậm chí tử vong.

Có lẽ, việc lựa chọn hay không nguồn năng lượng phân hạch nguồn hạt nhân cho tương lai là một vấn đề khá đau đầu . Năng lượng phân hạch hạt nhân, một mặt dường như khá ưu việt vì có thể tạo nên một nguồn năng lượng lớn, ít ô nhiễm, không phát thải CO2 gây hiệu ứng nhà kính; nhưng mặt khác, nó tồn tại những vấn đề môi trường mà cho đến nay chúng ta vẫn chưa thể giải quyết triệt để được . Đó là chưa kể đến việc người ta đã lợi dụng nó để chế tạo vũ khí hạt nhân, mà tác động của chúng có thể hủy diệt cuộc sống tươi đẹp của hành tinh này.

2.2 Sự tổng hợp hạt nhân (Fusion)

Nếu chế ngự được phản ứng tổng họp hạt nhân thì những phản ứng này sẽ mang lại cho con người một nguồn năng lượng khổng lồ gần như vô tận, sạch, không ô nhiễm (nhiên liệu nhiệt hạch dự trữ là các đơtêri hiện hữu vô số trong đại dương. Mỗi lít nước biển chứa 0,03 g đơtêri, có năng lượng tương đương 300 lít xăng).

H(2-1) + H (2-1) ----> nơtron (1-0) + He (3-2)

Phản ứng xảy ra dưới điều kiện 400 triệu độ

(H(2-1) : đồng vị nặng của H)

Ngoài phản ứng xảy ra trong điều kiện 400 triệu độ như trên (giữa hai đồng vị H (2-1) ) còn có phản ứng sau (giữa đồng vị H(2-1) và H(3-1):

H(2-1) + H(3-1) ----> nơtron (1-0) + He (4-2)

Phản ứng xảy ra ở 45 triệu độ

Khó khăn ở chỗ, để có thể kết hợp hai hạt nhân nhẹ, phải cho chúng va vào nhau với một năng lượng rất lớn để thắng được lực đẩy tĩnh điện giữa chúng. Cần phải có một gia tốc rất mạnh đưa chúng lại gần nhau đủ để các lực hạt nhân (lực hút có tầm rất ngắn) có thể bắt đầu tác dụng và thắng lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu . Điều này dễ thực hiện khi dùng các thiết bị gia tốc hạt nhân và tạo nên một số ít phản ứng. Nhưng sẽ khó khăn hơn nhiều nếu ta muốn đốt cháy cả một khối lượng lớn hạt nhân.

Một phương pháp có thể sử dụng là nung nóng khối lượng ấy lên tới một nhiệt độ sao cho các động năng trung bình của chuyển động các nguyên tử lớn như trong các máy gia tốc. Ngưỡng năng lượng của các phản ứng ấy phải đạt đến hàng trăm triệu độ như phản ứng tổng hợp hạt nhân trên mặt trời và các ngôi sao.

Thực tế, người ta đã thực hiện được phản ứng tổng hợp không kiểm soát- đó chính là việc chế tạo bom hydro (bom khinh khí) mà sức phá hủy của nó còn ghê gớm hơn nhiều so với bom nguyên tử (bom A : atom bomb). Bom A được dùng làm mồi, tạo ra nhiệt độ lớn để cho phản ứng tổng hợp xảy ra và nhân lên đáng kể trong bom H.

Hơn nửa thế kỷ nay, người ta đã đầu tư biết bao công sức, tiền bạc tìm cách chinh phục kiểm soát phản ứng nhiệt hạch để sản xuất điện năng. Các nghiên cứu về nó dù khá tốn kém vẫn đang được tiến hành ở một số nước, nhất là ở Đức, Nhật, Nga, Mỹ. cái đích vẫn còn ở phía trước, tuy nhiên con người cũng đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực hạt nhân này. Ví dụ như máy bẫy từ TOKAMAK hoạt động trên nguyên tắc động cơ "plasma'' và gần đây, người ta đã nghiên cứu khả năng sử dụng tia laser có công suất lớn để nung nóng một thể tích rất nhỏ của plasma đến nhiệt độ nhiệt hạch.