Thorium: Tương lai an toàn hơn của điện hạt nhân

  • David Warmflash (Discover Magazine, tháng 1/2015)

Điện hạt nhân lâu nay là đề tài gây tranh cãi. Nó sản xuất lượng điện năng khổng lồ mà không phát thải khí nhà kính, và vì thế nó là một giải pháp cho bài toán năng lượng toàn cầu. Nhưng cũng bao hàm một số rủi ro nhất định, như phát triển vũ khí, lõi lò tan chảy, và các hiểm họa của việc xử lí các sản phẩm thải của nó.

Nhưng những rủi ro và lợi ích đó đều thuộc về một loại năng lượng hạt nhân rất đặc biệt: sự phân hạch của các đồng vị uranium hoặc plutonium. Có một loại năng lượng hạt nhân khác đã chờ cất cánh trong hàng thập niên qua – và có thể nó chỉ đòi hỏi chúng ta hiệu chuẩn lại cách nghĩ về điện hạt nhân.

Phân hạch sử dụng thorium là dễ dàng trong tầm tay của chúng ta, và, so với năng lượng hạt nhân truyền thống, các rủi ro là thấp hơn đáng kể.

Câu chuyện thorium

Các ý tưởng sử dụng thorium đã có kể từ thập niên 1960, và vào năm 1973 đã có các đề xuất nghiên cứu nghiêm túc, hợp tác ở Mĩ. Nhưng sau vài năm thì chương trình đó đình trệ. Tại sao vậy? Câu trả lời là vũ khí hạt nhân. Thập niên 1960 và 1970 là cao trào của Chiến tranh Lạnh và chạy đua vũ trang là động lực chi phối mọi nghiên cứu trong ngành hạt nhân. Mọi nghiên cứu hạt nhân không ủng hộ xưởng hạt nhân của Mĩ đơn giản là không được ưu tiên đầu tư.

Điện hạt nhân truyền thống sử dụng một chu trình nhiên liệu gắn liền với uranium-235 và/hoặc plutonium-239 được xem là một mũi tên nhắm trúng hai đích: giảm sự lệ thuộc của nước Mĩ vào dầu mỏ ngoại quốc, và sản xuất nhiên liệu cần thiết cho bom hạt nhân. Điện thorium, mặt khác, không có tiềm năng quân sự. Và bởi việc cắt giảm nhu cầu điện hạt nhân truyền thống, một chương trình thorium có khả năng thành công thật sự được xem là đang đe dọa các ưu tiên của nước Mĩ trong môi trường Chiến tranh Lạnh.

Tuy nhiên, ngày nay, tình hình rất khác. Thay vì muốn chế tạo vũ khí, nhiều nhà lãnh đạo thế giới lo ngại về việc phổ biến công nghệ hạt nhân. Và điều đó khiến một số quốc gia xem xét kĩ hơn về khả năng phát điện thorium.

Lò phản ứng thorium hoạt động như thế nào

Đồng vị thorium được nghiên cứu cho sản xuất điện là Th-232. Giống như uranium, Th-232 có trong đá dưới lòng đất.

Một lò phản ứng thorium hoạt động như sau: Th-232 được đặt vào lò phản ứng, tại đó nó bị bắn phá bởi một chùm neutron. Khi hấp thu một neutron từ chùm hạt, Th-232 trở thành Th-233, nhưng đồng vị nặng hơn này không tồn tại bao lâu. Th-233 phân hủy thành protactinium-233 rồi phân hủy tiếp thành U-233. U-233 vẫn ở trong lò phản ứng và, tương tự như các nhà máy điện hạt nhân hiện nay, sự phân hạch của uranium tạo ra lượng nhiệt lớn có thể biến đổi thành điện năng.

Để giữ quá trình tiếp diễn, U-233 phải được tạo ra liên tục bằng cách cho máy gia tốc tạo neutron luôn hoạt động. Trái lại, các neutron kích hoạt phân hạch U-235 trong lò phản ứng truyền thống được tạo ra từ chính thanh nhiên liệu. Quá trình tiếp tục thành một chuỗi dây chuyền và có thể được điều khiển hoặc dừng lại chỉ bằng cách chèn các thanh vật liệu hấp thu neutron vào lõi lò phản ứng. Nhưng những thanh điều khiển này không hẳn là thụ động: hoạt động của chúng có thể bị ảnh hưởng lúc lò phản ứng gặp sự cố. Đây là lí do lò phản ứng phân hạch truyền thống có nguy cơ bị mất kiểm soát và dẫn đến tai nạn. Chu trình nhiên liệu thorium, ngược lại, có thể dừng lại ngay tức thời bằng cách tắt nguồn cấp neutron. Việc ngắt chu trình nhiên liệu có nghĩa là ngăn Th-232 sinh thành U-233. Việc này không làm lò phản ứng bớt nóng ngay tức thời, nhưng nó ngăn tình hình diễn ra tệ thêm.

Sự an toàn của điện thorium không dừng lại ở đó. Không giống như các chu trình nhiên liệu U-235 và plutonium, lò phản ứng thorium có thể được thiết kế để hoạt động ở trạng thái lỏng. Trong khi một lò phản ứng truyền thống có xu hướng tan chảy thì không có cách nào ngăn nhiên liệu dừng phản ứng phân hạch, thì một thiết kế lò phản ứng thorium gọi là LFTR có một nút tháo tại đáy lò phản ứng sẽ tan chảy nếu nhiệt độ của nhiên liệu phản ứng trở nên quá cao. Nếu điều đó xảy ra thì chất lỏng nóng sẽ được tháo trút và phản ứng sẽ dừng lại.

Được quan tâm hơn

Điện thorium còn có những sức hút khác. Sự sản sinh chất thải hạt nhân của nó sẽ thấp hơn hàng bậc độ lớn so với điện hạt nhân truyền thống, mặc dù các chuyên gia còn bất đồng con số chính xác là bao nhiêu: Các nhà khoa học Trung Quốc khẳng định là thấp hơn ba bậc độ lớn (tức lượng chất thải ít hơn một nghìn lần), còn theo các nhà nghiên cứu Mĩ thì lượng chất thải ít hơn một trăm lần.

Thorium sẽ dễ khai thác hơn uranium. Trong khi các mỏ uranium nằm sâu dưới lòng đất và do đó rất nguy hiểm đối với thợ mỏ, thì thorium được khai thác từ mỏ lộ thiên, và ước tính trong lớp vỏ Trái đất hàm lượng thorium dồi dào chừng gấp ba lần uranium.

Nhưng có lẽ lợi ích đáng chú ý nhất của điện thorium, trong ngữ cảnh địa chính trị thế giới phức tạp của chúng ta, là ở chỗ nhiên liệu khó bị biến cải thành bom. Bản thân thorium không phân hạch. Chu trình nhiên liệu thorium thật sự tạo ra vật liệu phân hạch, U-233, chất trên lí thuyết có thể dùng làm bom. Nhưng thorium không phải là lộ trình thực tiễn lắm để chế tạo vũ khí, nhất là với công nghệ LFTR. Không những bọn làm vũ khí phải trộm U-233 phân hạch ở dạng lỏng từ bên trong lò phản ứng, mà chúng còn bị phơi xạ một đồng vị cực kì nguy hiểm, U-232, trừ khi chúng có rô-bôt làm thay công việc đó.

Nhiên liệu tương lai

Trung Quốc loan báo rằng các nhà nghiên cứu nước họ sẽ chế tạo được lò phản ứng thorium hoạt động đầy đủ trong vòng 10 năm tới. Ấn Độ, nước có trữ lượng thorium lớn nhất trên hành tinh nhưng không có nhiều uranium lắm, cũng đang tăng tốc. Các nhà nghiên cứu Ấn Độ đang triển khai kế hoạch có một nguyên mẫu lò phản ứng thorium hoạt động vào đầu năm tới, mặc dù công suất của lò chỉ vào khoảng một phần tư công suất của một nhà máy điện hạt nhân mới tiêu biểu ở phương tây. Na Uy hiện đang ở giữa một tiến trình thử nghiệm 4 năm sử dụng các thanh nhiên liệu thorium trong các lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động.

Các nước khác có chương trình nghiên cứu thorium tích cực bao gồm Anh, Canada, Đức, Nhật Bản, và Israel.

Có một số hạn chế đối với chu trình nhiên liệu thorium, nhưng chúng mang tính kĩ thuật là chính. Chẳng hạn, các lò phản ứng thorium bị chỉ trích là có khả năng bị rò rỉ neutron nhiều hơn so với lò phản ứng truyền thống. Nhiều neutron rò rĩ hơn đồng nghĩa là phải che chắn nhiều hơn và cần có thêm sự bảo vệ khác cho công nhân làm việc tại nhà máy điện. Và giống như đa số giải pháp năng lượng thay thế khác, điện thorium đối mặt với tình trạng thiếu quỹ tài trợ cho nghiên cứu và quỹ đầu tư tài chính cho các công ti điện chuyển giao công nghệ.

Trong những thập niên gần đây, câu chuyện về nguồn năng lượng hạt nhân xanh, an toàn trên các phương tiện truyền thông đại chúng có xu hướng tập trung vào việc tìm kiếm sự nhiệt hạch. Chắc chắn chúng ta có thể trông đợi, và nên hi vọng, có sự tiến bộ theo hướng đó. Nhưng trong khi chờ đợi, thì sự đầu tư của Trung Quốc, Nhật Bản, và các nước khác cho thấy rằng thorium đang trên hành trình góp phần vào nguồn cung điện toàn cầu trong thời gian ngắn hạn trước mắt – và sẽ làm cải thiện đáng kể khả năng cung ứng năng lượng của thế giới.

Nguồn: Discover Magazine

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


Lỗ đen thật ra có thể là lỗ sâu đục đang va chạm
14/07/2018
Khi hai lỗ sâu đục va chạm nhau, chúng tạo ra những gợn lăn tăn trong không-thời gian lan tỏa ra mọi phía. Theo một nghiên cứu
Phải chăng các nhà thiên văn đã tìm thấy khối lượng mất tích của vũ trụ?
10/07/2018
Vào thập niên 1960, các nhà thiên văn bắt đầu để ý thấy Vũ trụ dường như thiếu mất một phần khối lượng. Giữa các quan
Vì sao một số vết nứt đẩy nhau ra?
22/06/2018
Một nghiên cứu lí thuyết về sự lan truyền vết nứt đem lại một lời giải thích cho sự đẩy nhau mà người ta quan sát thấy
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 14)
22/06/2018
Các số lượng tử Số lượng tử chính mô tả mức năng lượng của các lớp vỏ electron không phải là cách duy nhất để chúng
Vật lí Lượng tử Tốc hành (Phần 13)
21/06/2018
Cấu trúc nguyên tử Mô hình nguyên tử mà Bohr và Rutherford mô tả là khá đơn giản, với một hạt nhân nguyên tử tại trung tâm,
Các va chạm hạt bên trong LHC trông như thế nào?
20/06/2018
Nếu hai proton va chạm ở tốc độ bằng 99,9999991% tốc độ ánh sáng thì chúng có tạo ra âm thanh hay không? Máy Va chạm Hadron
Những bài học thiên văn ngắn (Phần 3)
18/06/2018
Trái Đất quay tròn xung quanh Mặt Trời theo một vòng trònMô hình nhật tâm sơ khai Là nhà thiên văn học và nhà toán học xứ
Những bài học thiên văn ngắn (Phần 2)
18/06/2018
Rõ ràng Trái Đất không chuyển độngMô hình địa tâm Là một trong những nhà triết học có sức ảnh hưởng nhất ở phương

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com