Lên mang ngày 22/6/2011
Tương lai điện hạt nhân – nguyên tử :
Ý niệm và kiểu mẩu đầu tiên
G S Tôn Thất Trình
1- Nhà máy điện hạt nhân (nguyên tử) an tòan thế hệ thứ ba AP1000 của Hoa Kỳ ?
Năm 2009, Quốc hội Việt Nam chấp thuận làm 2 nhà máy điện hạt nhân-nguyên tử ở tỉnh Ninh Thuận , công xuất 4 tua bin của hai nhà máy là 4 triệu KW , lớn gần gấp đôi nhà máy thủy điện thấp Sơn La ( 2, 4 triệu KW) hay hơn hẳn đập cao Sơn La ( dự trù 3,6 triệu KW) có lẽ phải nâng cấp tương lai chăng ? Tổng phí 10.8 tỉ đô la Mỹ. Hình như với kỷ thuật thế hệ thứ ba của Nga ? Và sẽ khởi công xây cất nhà máy đầu tiên năm 2014- 2015, dự trù hòan tất năm 2020 ? .
Sau 30 năm kể từ khi các nhà điều hòa Hoa Kỳ cuối cùng chấp thuận xây cất một nhà máy mới điện hạt nhân, các kỷ sư đã cải thiện mạnh mẽ mức an tòan các lò phản ứng. Các nhà máy Thế hệ thứ Nhất – Generation I plants là những nhà máy kiểu mẩu đầu tiên - prototypes . Các nhà máy Thế hệ thứ Hai – Generation IIs được xây cất từ thập niên1960 đến thập niên 1990, gồm luôn cả cơ sở các nhà máy điện nguyên tử Fukushima Nhật, bị động đất ( và có thể cả sóng thần - tsunami ?) làm hư hại tháng ba năm 2011 vừa qua. Các nhà máy Thế hệ thứ Ba – Generation IIIs khởi sự hoạt động cuối thập niên 1990, tuy phần lớn ở Nhật, Pháp và Nga. Khác với những tiền bối, đa số các lò phản ứng- reactors Thế hệ Ba cọng – Generation III+ đều có những lớp – layers yếu tố an tòan thụ động họa kiểu để ngăn chặn nung chảy – meltdown , ngay cả trong sự cố mất điện. Xây cất các lò Thế hệ Ba cọng Generation III+ đang tiến hành tốt đẹp ở Âu Châu . Trung Quốc đang xây dựng ít nhất là 30 nhà máy mới điện nguyên tử thế hệ III+ này. Ở Hoa Kỳ, công ty Southern Company vừa mới khởi công xây cất các lò Thế hệ Generation III+ đầu tiên ở Hoa Kỳ , nhà máy điện hạt nhân Vogtle gần thành phố Augusta, bang Georgia. Lò phản ứng đầu tiên sẽ hòan tất năm 2016.
Sau tai họa Fukushima, ao ước có những nhà máy điện hạt nhân xuống thấp như bong bóng xì vào thời kỳ hậu Chernobyl. Các nhà điều hòa từ Ý đến Thụy Sĩ, đến bang Texas, Hoa Kỳ đều muốn ngưng xây cất các dự án nhà máy điện hạt nhân chưa giải quyết. Ủy Ban Điều Hòa Hạt Nhân Hoa Kỳ - US Nuclear Regulatory Commission( NRC) bắt đầu tái duyệt xét mức an tòan của mọi nhà máy nội địa Hoa Kỳ. Tuy nhiên, điện hạt nhân vẫn còn cung cấp 20% tổng số điện và 70% năng lựợng sạch phát thải- emissions free energy ở Hoa Kỳ, phần lớn là vì không có nguồn năng lượng thay thế nào sánh được hiệu năng của điện hạt nhân. Hoa Kỳ hiện có 104 lò phản ứng hạt nhân họat động ở 65 vị trí ( nhà máy ) ở 31 tiểu bang; mọi nhà máy đều đã được chấp thuận trước năm 1980. Một nhà máy có dấu chân trên khỏang một dặm Anh vuông ( 2.59 km2 hay 259 ha ) cung cấp một số năng lượng tương đương với 20 dặm Anh vuông ( 5180 ha ) các pannen mặt trời, 1200 máy điện chạy gió – windmills, hay tòan thể đập thủy điện Hoover Dam. Nếu Hoa Kỳ muốn giảm bớt có ý nghĩa phụ thuộc vào năng lượng căn bản carbon, Hoa Kỳ cần xây cất thêm nhiều nhà máy điện hạt nhân. Vấn đề là làm cách nào xây cất nhà máy an tòan.
Phân nữa số 440 lò phản ứng căn cứ trên họa kiểu Westinghouse, Hoa Kỳ. 50 năm bài học họat động điện hạt nhân giúp cho những đặc điểm an tòan thụ động của nhà máy tân tạo 1.150 megawatt ( 1 megawatt=1 triệu kilowatt - KW ) AP1000, lò phản ứng Thế hệ III+ hầu có được cấp giấy công nhận họa kiểu cuối cùng từ NRC. Sau đây là chú thích họa đồ AP1000 đính kèm:
1- Lỗ thông hơi không khí – Air vents : Đường ống trên chóp bình ngăn chặn hút không khí nguội lạnh từ bên ngòai. Khi không khí đi ngang qua vỏ bình ngăn chặn, vỏ có thể nóng tới 2120 F (1000 C), nó sẽ tăng bốc hơi làm nguội lạnh và đẩy nhiệt lượng vào một kênh trên chóp lò phản ứng.
2- Thùng nước – Water tank : một thùng nước 3200000 lít đặt trực tiếp trên vỏ bình ngăn chặn. Khi có sự cố mất điện, thùng giải tỏa nước xuống phía dưới, làm nguội vỏ bình. Hệ thống cung cấp 72 giờ làm nguội , sau đó máy phát điện bơm thêm nước vào.
3- Phòng vệ khủng bố - Terrorism defense. Sau tấn công 9/11, NRC đòi hỏi là các nhà máy tân tạo phải được xây cất chịu đựng được một máy bay đụng húc vào. Khiên mộc phòng vệ xây cất AP1000 là một bê tông củng cố dày 0.90m kẹp giữa những tấm thép dày ¾ ngón Anh ( khoảng 14 mm ).
4- Hồ nhiên liệu tắt- Spent fuel pools . Cũng như ở các nhà máy ngày nay , phế thải phóng xạ nằm trong những hồ và được che chở , khiên mộc sau các tường bê tông dày. Cải thiện an tòan căn bản liên hệ đến một hệ thống cung cấp nước thụ động, sẽ tự dộng bật lên khi mất điện.
5- Làm Ngập Lỗ Trống- Cavity flooding : Làm cho lò phản ứng chìm nhập tropng nước là khẩn thiết để tránh một nung chảy. Trong một sự cố tai nạn quan trọng, một nhân viên họat động có thể làm ngập bằnh tay lỗ trống quanh lò phản ứng
6- Lò phản ứng- Reactor
7- Máy phát hơi – Steam generator
8- Khiên mộc xây cất bê tông- Concrete shield building
9- Vỏ bình ngăn chặn – Containment shell
10- Phòng Kiểm sóat : Trong trường hợp khẩn cấp, một đội nhân viên 11 người có thể ở an tòan bên trong phòng kiểm soát của AP1000 trong vòng 3 ngày . Những chai không khí cao áp tạo ra một phân sai áp xuất – a pressure differential giữa phòng và lò phản ứng, không cho bụi phóng xạ và hơi nước lọt vào .
Cũng như 20 cơ sở Generation III+ đang chờ chấp thuận ở Hoa kỳ, nhà máy Vogtle cũng sẽ sử dụng các lò phản ứng AP1000 Westinghouse. AP100 là một lò
phản ứng nước nhẹ - light water thúc đẩy U-235 chạy một phản ứng dây chuyền tung ra những neutron năng lượng cao. Các hạt tử làm nóng nước thành hơi nước – steam , sau đó hơi nước xoay đẩy một tua bin phát ra điện.
Như chúng ta đã biết nguy hiểm lớn nhất ở nhà máy điện hạt nhân là nung chảy – meltdown, trong đó nhiên liệu đặc nóng lên quá độ, làm nung chảy và làm nứt vỡ vỏ bình ngăn chặn thóat ra các vật liệu phóng xạ. Cũng như mọi lò phản ứng khác, AP1000 được quạt và nước bơm từ những bơm điện làm nguội lạnh, nhưng lại có một hệ thống an tòan thụ động, sử dụng những lực tự nhiên tỉ như trọng lực, ngưng đặc tụ hơi và bốc hơi để làm nguội lạnh lò phản ứng khi tắt mất điện.
Đặc điểm chính của hệ thống là một thùng nước 800 000 ga lông, đặt trực tiếp trên vỏ bình ngăn chặn. Các van hồ chứa nước dựa vào điện , để luôn luôn đóng kín . Khi mất điện, các van sẽ mở ra và nước chảy xuống về phía vỏ bình ngăn chặn. Các lỗ thông hơi hút thụ động không khí vào từ bên ngòai và đưa không khí về phía cơ cấu phát huy thêm bốc hơi làm nguội lạnh.
Tùy theo lọai khẩn cấp, thêm một hồ chứa nữa bên trong vỏ bình ngăn chặn có thể giải tỏa bằng tay hầu làm ngập lò phản ứng. Khi nước sôi tỏa ra, nó dâng lên và ngưng đặc lại trên chóp vỏ bình, và chảy lui xuống để làm nguội lạnh lò phản ứng một lần nữa . Khác với những nhà máy hiện hửu, đa số có đủ điện hổ trợ tại chỗ kéo dài được từ 4 đến 8 giờ , sau khi điện mạng lưới tắt mất, AP1000 có thể họat động an tòan ít nhất là 3 ngày, không cần có điện hay con người can thiệp. Không rỏ nhà máy thứ nhất Thế hệ thứ Ba Việt Nam đặt mua của Nga ( ? ) có hệ thống an tòan thụ động này không ?
2- Nhà máy điện hạt nhân Thế hệ thứ tư ( ? ): lò phản ứng chạy nhiên liệu Thorium MSR
Ngay cả khi có những cải thiện an tòan có ý nghĩa đi nữa, các nhà máy điện hạt nhân thế hệ III+ vẫn có thể trên lý thuyết bị nung chảy . Vài người trong ngành công nghệ hạt nhân kêu gọi thực hiện một họa kiểu lò hạt nhân mới hơn, gọi tên chung là Thế hệ Thứ tư -Generation IV. Lò phản ứng chạy muối nấu chảy thorium powered molten salt ( MSR) là một trong số họa kiểu mới này . Trong một lò MSR, thorium lỏng sẽ thay thế nhiên liệu uranium đặc sử dụng ở các nhà máy ngày nay, một thay đổi làm cho các nung chảy không còn xảy ra được nữa .
Các lò phản ứng MSR đã được phát triễn ở La Bô Quốc gia Hoa Kỳ Oak Ridge vào đầu thập niên 1960 và đã chạy khỏang 22 000 giờ từ năm 1965 đến năm 1969 . Theo lời kỷ sư John Kutsch , giám đốc Liên Minh Năng Lượng Thorium không vụ lợi “ chúng không phải là những lò phản ứng lý thuyết hay thử nghiệm ý tưởng , thật sự các kỷ sư đã xây dựng chúng và đã cho chúng chạy” Trong số những họa kiểu lò phản ứng Generation IV lưu hành ngày nay, chỉ có MSR là đã chứng nghiệm ngòai các kiểu mẩu làm ở máy computer. Nhà vật lý học La bô Oak Ridge Jess Gehin, một chánh xử lý gia lập trình của la bô Sở Các Chương trình Kỷ thuật Hạt nhân, nói: “ Nó chưa phải là một hệ thống đầy đủ, nhưng nó đã tỏ ra là chúng ta có thể họa kiểu và họat động thành công một lò phản ứng muối nấu chảy.
Hoa kiểu MSR có hai ưu điểm an tòan chủ yếu. Nhiên liệu lỏng nó dùng duy trì được ở áp xuất thấp hơn nhiên liệu đặc nhiều của các nhà máy nước nhẹ - light water plants. Như vậy giảm bớt rất nhiều tai nạn xảy ra, tỉ như vụ nổ khí hydrogen ở nhà máy Fukushima. Hơn nữa, trong một sự cố điện tắt mất, một nút ( ổ )cắm muối đông lạnh trong các nung chảy của lò làm nhiên liệu lỏng sẽ thóat ra một cách thụ động vào các thùng và nhiên liệu đặc lại, làm ngưng phản ứng phân hạch – fission reaction. Kutsch nói: “ lò phản ứng muối nấu chảy là một thắng trận thi đấu an tòan dễ dàng. Nếu như bạn vừa bỏ đi, nó không có điện ; và khi giờ cuối cùng thế giới đến – chẳng hạn một sao chổi đụng vào Trái Đất- nó sẽ nguội lạnh đi và tự đặc lại một mình nó”
Dù rằng một MSR cũng chạy được bằng uranium hay bằng plutonium, sử dụng nguyên tố thorium ít phóng xạ hơn , với một ít plutonium hay uranium như thể là một vật xúc tác – catalyst , vừa có lợi kinh tế vừa an tòan. “Quặng” thorium bốn lần phong phú hơn “ quặng” uranium và dễ đào mỏ hơn, một phần vì phóng xạ nó thấp hơn. Cung cấp thorium ngay trong nội địa Hoa Kỳ sẽ thõa mãn đủ cho yêu cầu Hoa Kỳ về điện cả hàng thế kỷ. Thorium cũng lũy thừa hửu hiệu hơn uranium . Kutsch nói: “ ở một lò phản ứng truyền thống, bạn chỉ đốt cháy phân nữa 1 % đến 3 % uranium. Ở một lò phản ứng muối nấu chảy, bạn đốt cháy 99% thorium.” Thành quả: một cân Anh thorium làm a điện bằng 300 cân Anh uranium hay bằng 3.5 triệu cân Anh than đá.
Vì lẽ hửu hiệu này, một thorium MSR có thể sản xuất ít phế thải hơn là những nhà máy hạt nhân hiện nay. Phế thải căn bản uranium sẽ luông luôn nguy hiểm cả hàng chục ngàn năm sau . Còn với thorium, mức nguy hiểm chỉ là vài trăm năm thôi. Đồng thời, thorium thô hào- raw thorium không ở bên trong hay tự mình phân hạch được, cho nên khó lòng làm võ khí. Kutsch cho biết không thể sử dụng thorium làm bom. Bạn có thể tồn trử 1000 cân Anh dưới tầng hầm nhà bạn và không có điều gì sẽ xảy ra cả thảy.
Vì khỏi cần yêu cầu xây cất những tháp làm nguội lạnh to lớn, MSR có thể nhỏ bé hơn nhà máy nước – nhẹ điển hình, trên phương diện hình thể lẫn khả năng làm ra điện . Ngày nay trung bình một nhà máy điện hạt nhân làm ra khỏang 1000 megawatts. Một MSR nhiên liệu thorium có thể phát ra rất ít điện, chừng 50 megawatts. Nhờ kích thước nhỏ hơn, làm ra nhiều nhà máy hơn , có cơ tiết kiệm được mất điện truyền đi ( theo ước tính chừng 30% ở mạng lưới điện hiện hửu ). Lục Quân Hoa Kỳ đang chú tâm đến sử dụng MSR để cung cấp điện cho các căn cứ cá nhân theo lời Kutsch và Google , đang trông cậy vào điện vững chắc để duy trì chạy các máy cống hiến dịch vụ - servers, đã tổ chức một hội nghị các lò phản ứng thorium, năm 2010. Google mong muốn có một lò phản ứng thorium 70- 80 megawatts đặt bên cạnh một trung tâm dưỡng liệu, cũng theo lời Kutsch.
Ngay cả khi có sự ủng hộ của giới quân sự và tổ hợp công nghệ, chuyễn tiếp từ một lọai phát điện hạt nhân mới mẽ, sẽ rất chậm chạp, ít nhất là ở Hoa Kỳ. Các lò phản ứng nước – nhẹ đã cư định rồi và chưa có thể lệ điều hòa nào để quản trị những họa kiểu lò phản ứng khác. Ngòai Hoa Kỳ, chuyễn tiếp sẽ mau lẹ hơn. Hàn Lâm Khoa học Trung Quốc đã chấp thuận phát triễn một MSR thiết lập theo một thòi gian ngắn hơn, có lẽ trong 10 năm tới, và quyết định của Trung Quốc có thể tăng gia công trình phát triễn kỷ thuật MSR khắp thế giới. Theo lời Gehin, thế giới vẫn còn chú tâm đến hạt nhân tiên tiến và chắc không mấy ai thay đổi ý tưởng này cả?
Sau đây là giải thích về họa đồ đính kèm một MSR nhiên liệu thorium :
1- Vòng nhiên liệu – fuel loop : nhờ một bơm thúc đẩy, thorium hòa tan trong một muối nấu chảy luôn luôn vòng suốt lò phản ứng và các máy trao đổi nhiệt – heat exchangers . Dung hợp- fusion chỉ xảy ra đường kính của bình đạt 6 bộ Anh, giới hạn phản ứng bên trong lò phản ứng.
2- Thùng làm thóat nhiên liệu – Fuel drain tank. Trong thùng thóat nhiên liệu khi khẩn cấp, nhiên liệu lỏng đặc lại không có con người can thiệp, như trong đèn sáp nguội lạnh . Để an tòan hơn, nhũng ống carbon bên trong thùng ăn hết mọi neutron dùng để thay thế, giúp cho phản ứng ổn định.
3- Ổ cắm đông lạnh – Freeze Plug . Một nút cắm làm bằng muối đông lạnh được làm nguội bằng quạt – fans điện , khẩn thiết cho hệ thống an tòan thi đấu thắng trận của MSR . Khi tắt mất điện , ổ cắm nóng chảy và nhiên liệu thoát ra từ lò phản ứng đi vào các thùng làm thóat.
4- Bình ngăn chặn- Containment vessel . Vì lẽ nhiên liệu lỏng của MSR không ở dưới áp xuất, rất ít hiểm nguy có một nổ cháy và không cần một bình ngăn chặn to lớn . Khi có sự cố thủng vỏ bình hay lò phản ứng, mọi phun xì được biết rỏ vị trí và sẽ không đe dọa dân gian lân cận.
5- Trạm điện – Power Station . Cũng như ở nhà máy qui ước, nhiệt lượng phát ra từ phản ứng hạt nhân, được dùng để chạy một máy phát điện. Các nhà đề xướng MSR cỗ vỏ các tua bin Chu kỳ Brayton Cycle, dựa vào áp xuất thấp, carbon dioxide tỉ trọng cao, và để làm dịu bớt yêu cầu các tháp làm nguội lạnh.
6- Dấu chân nhỏ - Small footprint . Vì MSR sẽ nhỏ hơn và an tòan hơn các nhà máy qui ước, chúng có thể xây dựng gần các trung tâm dân cư hơn, như thế cũng làm giảm bớt mất mát truyền điện- transmision loss. Các nhà máy hiện hửu hy sinh 20- 30 % điện chúng phát ra cho mạng lưới truyền điện .
( chiếu theo Kalee Thompson và Kevin Hand; Irvine, Ca Li ngày 18 tháng 6 năm 2011 )
