điện hạt nhân

Tương lai điện hạt nhân – nguyên tử :

                                  

Ý niệm  và kiểu mẫu 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 vi 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 ựng

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 hế 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 hên 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 hụt  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 cỏ đử  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    

Lò MSR nhìn từ trên xuống

       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 ngfhệ 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  đễ 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.

           Vi lẽ hửu hiệu này,  một thorium MSR có thể sản xuất  ít phế thải hơn  là nhưng 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 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  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 co 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  hoa tan trong một muối nóng 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 đôTng 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 khổng 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  đuợc định 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, carbondioxide 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 gày 18 tháng 6 năm 2011 )