Hail the Judge
Ta chơi xong không trả tiền, vậy đâu có gọi là bán
- Sử dụng chức năng
- Mục lục Xem nhanh
Khi nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của Mỹ đi vào hoạt động năm 1957, quốc gia này dường như đã sẵn sàng đón nhận năng lượng hạt nhân. Nhưng đến những năm 1990, sau hàng loạt tai nạn thảm khốc tại Chernobyl và Three Mile Island làm suy giảm nghiêm trọng niềm tin của công chúng, sự nhiệt tình đã lao dốc. Trong ba thập kỷ tiếp theo, việc nghiên cứu và xây dựng các lò phản ứng mới gần như bị đình trệ.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, sự quan tâm đến năng lượng hạt nhân đã trỗi dậy trở lại khi nhu cầu năng lượng của Mỹ tiếp tục gia tăng. Nhưng khác với những "gã khổng lồ" đồ sộ của thời kỳ hạt nhân trước đây, một số lò phản ứng ngày nay được gọi là lò phản ứng vi mô (microreactors) hay pin hạt nhân (nuclear batteries) lại có kích thước rất nhỏ, có thể dễ dàng đặt gọn trong một chiếc xe tải. Và theo các chuyên gia, chúng có thể giúp giải quyết bài toán năng lượng nan giải của nước Mỹ. Ví dụ, một vài lò phản ứng vi mô kết hợp với nhau có thể cung cấp năng lượng cho một khuôn viên đại học hoặc một cộng đồng khai thác mỏ ở vùng sâu vùng xa. Chúng thậm chí có thể được lắp đặt trên các sà lan và hoạt động như những nhà máy điện hạt nhân nổi, mang năng lượng đến những nơi cần thiết bằng đường biển.
Tuy nhiên, kích thước nhỏ gọn của lò phản ứng vi mô đi kèm với một sự đánh đổi: trong khi các nhà máy điện hạt nhân lớn có thể tạo ra một gigawatt điện mỗi năm, những "người anh em tí hon" này chỉ sản xuất được một lượng khiêm tốn hơn, từ 1 đến 20 megawatt. Vẫn đủ để cung cấp năng lượng cho hàng ngàn ngôi nhà trong một năm. Mặt khác của đồng xu này là sự giảm thiểu đáng kể về rủi ro. "Bởi vì chúng nhỏ hơn nhiều, đơn giản hơn nhiều, cần ít thép và bê tông hơn, nếu một dự án lò phản ứng vi mô thất bại, bạn có thể mất khoảng 200 triệu đô la thay vì 15 tỷ đô la," Giáo sư khoa học và kỹ thuật hạt nhân Jacopo Buongiorno tại M.I.T, cho biết.
Mức giá "dễ nuốt" hơn này khiến lò phản ứng vi mô trở thành một lựa chọn hấp dẫn đối với các công ty – từ những công ty khởi nghiệp như Radiant Nuclear và Oklo cho đến những "gã khổng lồ" đã có hàng thập kỷ kinh nghiệm trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân như Westinghouse. Nhưng con đường để tạo ra một sản phẩm thương mại khả thi rất phức tạp, bao gồm nghiên cứu và phát triển, thử nghiệm và phê duyệt theo quy định. "Đó là một quá trình dài và nghiêm ngặt," Tiến sĩ Jon Ball đứng đầu nỗ lực phát triển lò phản ứng vi mô eVinci của Westinghouse, cho biết.
Tất cả các lò phản ứng hạt nhân đều tạo ra năng lượng từ quá trình phân hạch hạt nhân (nuclear fission) – quá trình tách một nguyên tử (thường là Uranium-235) bằng cách bắn phá nó bằng neutron, giải phóng năng lượng và các neutron bổ sung. Một chất làm mát sẽ hút nhiệt lượng tạo ra từ lõi lò phản ứng và biến nó thành hơi nước, làm quay tuabin và tạo ra điện. Để tạo ra một phản ứng duy trì, cần có một chất điều tiết (moderator) để làm chậm các neutron và tạo cơ hội cho chúng va chạm với các nguyên tử uranium khác.
Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân ở Mỹ, được gọi là lò phản ứng nước nhẹ (light-water reactors), sử dụng nước vừa làm chất làm mát vừa làm chất điều tiết. Nhưng những thách thức trong việc thu nhỏ một lò phản ứng hạt nhân xuống kích thước vi mô – lò eVinci của Westinghouse dài khoảng 9 mét – đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu thử nghiệm các vật liệu và chiến lược khác.
Ví dụ, so với các lò phản ứng lớn, việc duy trì một phản ứng dây chuyền với các lò phản ứng nhỏ khó khăn hơn vì "tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao của chúng có nghĩa là rất nhiều neutron bị rò rỉ ra ngoài," Giáo sư Buongiorno nói. Giải pháp là: "Làm cho nhiên liệu của bạn 'mọng nước' hơn" hay nói cách khác là tăng tỷ lệ Uranium-235, thành phần hoạt động trong phản ứng phân hạch. Đó là lúc nhiên liệu TRISO xuất hiện – những viên Uranium-235 mật độ cao được bao bọc trong các lớp carbon và gốm. Lớp vỏ ngoài của nó giúp nó gần như chống nóng chảy hoàn toàn, trong khi cấu trúc của nó giữ lại các sản phẩm phụ phân hạch nguy hiểm tiềm ẩn.
Tương tự, nhu cầu tăng hiệu suất lò phản ứng, tức là để lò phản ứng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu thay thế nước bằng các chất làm mát như muối nóng chảy, kim loại lỏng và khí heli – tất cả đều có điểm sôi cao hơn nước.
Trong trường hợp xảy ra tai nạn hoặc tắt máy đột ngột, các lò phản ứng vi mô hiện đại cũng an toàn hơn các thế hệ lò phản ứng hạt nhân trước đây, vốn phụ thuộc vào nguồn điện bên ngoài để vận hành các biện pháp an toàn quan trọng. Ví dụ, một trận động đất và sóng thần năm 2011 tại Fukushima, Nhật Bản, đã làm vô hiệu hóa các hệ thống làm mát phụ thuộc vào điện, vốn được thiết kế để ngăn chặn sự nóng chảy lõi.
Ngược lại, các lò phản ứng vi mô "được thiết kế để tự làm mát một cách thụ động, nghĩa là không cần điện, không cần máy bơm," Tiến sĩ Jess Gehin, Phó Giám đốc Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho, nơi các công ty như Westinghouse và Radiant có kế hoạch thử nghiệm lò phản ứng vi mô của họ, cho biết. Thay vào đó, chúng giải phóng nhiệt thông qua các cơ chế không cần can thiệp như dẫn nhiệt, giảm áp suất hoặc truyền nhiệt bức xạ. Nhìn chung, xác suất rò rỉ phóng xạ là "cực kỳ thấp," Tiến sĩ Gehin nói.
Tiềm năng chưa được khai thác của năng lượng hạt nhân đang khiến các nhà khoa học như Tiến sĩ Gehin vô cùng phấn khích. Nhiên liệu hóa thạch dễ bị ảnh hưởng bởi biến động thị trường, tác động đến giá cả của chúng; trong khi năng lượng mặt trời và gió lại phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Mặt khác, năng lượng hạt nhân "không phát thải carbon, có thể hoạt động 24/7 và rất đáng tin cậy," Tiến sĩ Gehin nói. Và một khi đã hoạt động, chúng có thể chạy từ 5 đến 8 năm mà không cần nạp lại nhiên liệu.
Các ông lớn công nghệ, với các trung tâm dữ liệu và nhu cầu năng lượng khổng lồ của họ, đã chú ý đến tiềm năng này. Các trường đại học cũng tham gia. Cả Penn State và MIT đều bày tỏ sự quan tâm đến việc áp dụng eVinci để cung cấp năng lượng cho khuôn viên của họ, theo Tiến sĩ Ball. Lò phản ứng vi mô cũng lý tưởng cho các cộng đồng ở vùng sâu vùng xa như các căn cứ quân sự hoặc các địa điểm khai thác mỏ, nơi dầu diesel đắt đỏ và thường khó kiếm. Và chúng hoạt động tự động, chỉ cần một đến hai nhân viên để duy trì hoạt động thay vì đội quân nhân viên tại các nhà máy điện hạt nhân truyền thống.
Westinghouse có kế hoạch triển khai các đơn vị thương mại đầu tiên của mình vào năm 2030, Tiến sĩ Ball cho biết. Và ông hy vọng rằng cuối cùng chúng ta có thể "sản xuất lò phản ứng vi mô giống như cách Henry Ford sản xuất ô tô trong nhà máy." Tiến sĩ Ball rất lạc quan. "Đây là một công nghệ thực sự có thể giúp tạo ra một kỷ nguyên mà năng lượng dồi dào, dễ tiếp cận, an toàn và sẵn có ở hầu hết mọi nơi – cả ở đây trên Trái Đất cũng như trong không gian," ông nói.
Sự trỗi dậy của các lò phản ứng vi mô đánh dấu một bước ngoặt tiềm năng trong ngành năng lượng. Với những ưu điểm về kích thước, an toàn và chi phí, "pin hạt nhân" siêu nhỏ này hứa hẹn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của thế giới một cách bền vững và hiệu quả.
Tuy nhiên, trong những năm gần đây, sự quan tâm đến năng lượng hạt nhân đã trỗi dậy trở lại khi nhu cầu năng lượng của Mỹ tiếp tục gia tăng. Nhưng khác với những "gã khổng lồ" đồ sộ của thời kỳ hạt nhân trước đây, một số lò phản ứng ngày nay được gọi là lò phản ứng vi mô (microreactors) hay pin hạt nhân (nuclear batteries) lại có kích thước rất nhỏ, có thể dễ dàng đặt gọn trong một chiếc xe tải. Và theo các chuyên gia, chúng có thể giúp giải quyết bài toán năng lượng nan giải của nước Mỹ. Ví dụ, một vài lò phản ứng vi mô kết hợp với nhau có thể cung cấp năng lượng cho một khuôn viên đại học hoặc một cộng đồng khai thác mỏ ở vùng sâu vùng xa. Chúng thậm chí có thể được lắp đặt trên các sà lan và hoạt động như những nhà máy điện hạt nhân nổi, mang năng lượng đến những nơi cần thiết bằng đường biển.
Tuy nhiên, kích thước nhỏ gọn của lò phản ứng vi mô đi kèm với một sự đánh đổi: trong khi các nhà máy điện hạt nhân lớn có thể tạo ra một gigawatt điện mỗi năm, những "người anh em tí hon" này chỉ sản xuất được một lượng khiêm tốn hơn, từ 1 đến 20 megawatt. Vẫn đủ để cung cấp năng lượng cho hàng ngàn ngôi nhà trong một năm. Mặt khác của đồng xu này là sự giảm thiểu đáng kể về rủi ro. "Bởi vì chúng nhỏ hơn nhiều, đơn giản hơn nhiều, cần ít thép và bê tông hơn, nếu một dự án lò phản ứng vi mô thất bại, bạn có thể mất khoảng 200 triệu đô la thay vì 15 tỷ đô la," Giáo sư khoa học và kỹ thuật hạt nhân Jacopo Buongiorno tại M.I.T, cho biết.
Mức giá "dễ nuốt" hơn này khiến lò phản ứng vi mô trở thành một lựa chọn hấp dẫn đối với các công ty – từ những công ty khởi nghiệp như Radiant Nuclear và Oklo cho đến những "gã khổng lồ" đã có hàng thập kỷ kinh nghiệm trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân như Westinghouse. Nhưng con đường để tạo ra một sản phẩm thương mại khả thi rất phức tạp, bao gồm nghiên cứu và phát triển, thử nghiệm và phê duyệt theo quy định. "Đó là một quá trình dài và nghiêm ngặt," Tiến sĩ Jon Ball đứng đầu nỗ lực phát triển lò phản ứng vi mô eVinci của Westinghouse, cho biết.
Tất cả các lò phản ứng hạt nhân đều tạo ra năng lượng từ quá trình phân hạch hạt nhân (nuclear fission) – quá trình tách một nguyên tử (thường là Uranium-235) bằng cách bắn phá nó bằng neutron, giải phóng năng lượng và các neutron bổ sung. Một chất làm mát sẽ hút nhiệt lượng tạo ra từ lõi lò phản ứng và biến nó thành hơi nước, làm quay tuabin và tạo ra điện. Để tạo ra một phản ứng duy trì, cần có một chất điều tiết (moderator) để làm chậm các neutron và tạo cơ hội cho chúng va chạm với các nguyên tử uranium khác.
Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân ở Mỹ, được gọi là lò phản ứng nước nhẹ (light-water reactors), sử dụng nước vừa làm chất làm mát vừa làm chất điều tiết. Nhưng những thách thức trong việc thu nhỏ một lò phản ứng hạt nhân xuống kích thước vi mô – lò eVinci của Westinghouse dài khoảng 9 mét – đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu thử nghiệm các vật liệu và chiến lược khác.
Ví dụ, so với các lò phản ứng lớn, việc duy trì một phản ứng dây chuyền với các lò phản ứng nhỏ khó khăn hơn vì "tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao của chúng có nghĩa là rất nhiều neutron bị rò rỉ ra ngoài," Giáo sư Buongiorno nói. Giải pháp là: "Làm cho nhiên liệu của bạn 'mọng nước' hơn" hay nói cách khác là tăng tỷ lệ Uranium-235, thành phần hoạt động trong phản ứng phân hạch. Đó là lúc nhiên liệu TRISO xuất hiện – những viên Uranium-235 mật độ cao được bao bọc trong các lớp carbon và gốm. Lớp vỏ ngoài của nó giúp nó gần như chống nóng chảy hoàn toàn, trong khi cấu trúc của nó giữ lại các sản phẩm phụ phân hạch nguy hiểm tiềm ẩn.
Tương tự, nhu cầu tăng hiệu suất lò phản ứng, tức là để lò phản ứng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu thay thế nước bằng các chất làm mát như muối nóng chảy, kim loại lỏng và khí heli – tất cả đều có điểm sôi cao hơn nước.
Trong trường hợp xảy ra tai nạn hoặc tắt máy đột ngột, các lò phản ứng vi mô hiện đại cũng an toàn hơn các thế hệ lò phản ứng hạt nhân trước đây, vốn phụ thuộc vào nguồn điện bên ngoài để vận hành các biện pháp an toàn quan trọng. Ví dụ, một trận động đất và sóng thần năm 2011 tại Fukushima, Nhật Bản, đã làm vô hiệu hóa các hệ thống làm mát phụ thuộc vào điện, vốn được thiết kế để ngăn chặn sự nóng chảy lõi.
Ngược lại, các lò phản ứng vi mô "được thiết kế để tự làm mát một cách thụ động, nghĩa là không cần điện, không cần máy bơm," Tiến sĩ Jess Gehin, Phó Giám đốc Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho, nơi các công ty như Westinghouse và Radiant có kế hoạch thử nghiệm lò phản ứng vi mô của họ, cho biết. Thay vào đó, chúng giải phóng nhiệt thông qua các cơ chế không cần can thiệp như dẫn nhiệt, giảm áp suất hoặc truyền nhiệt bức xạ. Nhìn chung, xác suất rò rỉ phóng xạ là "cực kỳ thấp," Tiến sĩ Gehin nói.
Tiềm năng chưa được khai thác của năng lượng hạt nhân đang khiến các nhà khoa học như Tiến sĩ Gehin vô cùng phấn khích. Nhiên liệu hóa thạch dễ bị ảnh hưởng bởi biến động thị trường, tác động đến giá cả của chúng; trong khi năng lượng mặt trời và gió lại phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Mặt khác, năng lượng hạt nhân "không phát thải carbon, có thể hoạt động 24/7 và rất đáng tin cậy," Tiến sĩ Gehin nói. Và một khi đã hoạt động, chúng có thể chạy từ 5 đến 8 năm mà không cần nạp lại nhiên liệu.
Các ông lớn công nghệ, với các trung tâm dữ liệu và nhu cầu năng lượng khổng lồ của họ, đã chú ý đến tiềm năng này. Các trường đại học cũng tham gia. Cả Penn State và MIT đều bày tỏ sự quan tâm đến việc áp dụng eVinci để cung cấp năng lượng cho khuôn viên của họ, theo Tiến sĩ Ball. Lò phản ứng vi mô cũng lý tưởng cho các cộng đồng ở vùng sâu vùng xa như các căn cứ quân sự hoặc các địa điểm khai thác mỏ, nơi dầu diesel đắt đỏ và thường khó kiếm. Và chúng hoạt động tự động, chỉ cần một đến hai nhân viên để duy trì hoạt động thay vì đội quân nhân viên tại các nhà máy điện hạt nhân truyền thống.
Westinghouse có kế hoạch triển khai các đơn vị thương mại đầu tiên của mình vào năm 2030, Tiến sĩ Ball cho biết. Và ông hy vọng rằng cuối cùng chúng ta có thể "sản xuất lò phản ứng vi mô giống như cách Henry Ford sản xuất ô tô trong nhà máy." Tiến sĩ Ball rất lạc quan. "Đây là một công nghệ thực sự có thể giúp tạo ra một kỷ nguyên mà năng lượng dồi dào, dễ tiếp cận, an toàn và sẵn có ở hầu hết mọi nơi – cả ở đây trên Trái Đất cũng như trong không gian," ông nói.
Sự trỗi dậy của các lò phản ứng vi mô đánh dấu một bước ngoặt tiềm năng trong ngành năng lượng. Với những ưu điểm về kích thước, an toàn và chi phí, "pin hạt nhân" siêu nhỏ này hứa hẹn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của thế giới một cách bền vững và hiệu quả.
