Điện hạt nhân ngày nay được sản xuất từ quá trình phân hạch với 415 lò phản ứng đang hoạt động trên thế giới, chủ yếu làm mát bằng nước.
"Năng lượng hạt nhân là một trong những nguồn năng lượng hiện có an toàn nhất, sạch nhất, ít tạo gánh nặng cho môi trường nhất và rẻ nhất nếu xét toàn bộ vòng đời của một nhà máy điện hạt nhân", Rafael Mariano Grossi, tổng giám đốc IAEA, cho biết trong hội nghị thường niên lần thứ 54 của Diễn đàn Kinh tế Thế giới diễn ra tại Davos, Thụy Sĩ, tháng 1/2024.
Những lợi ích này ngày càng được các nhà hoạt động môi trường và nhà lãnh đạo trên thế giới công nhận. Tại hội nghị COP28 ở Dubai, các nhà lãnh đạo từ 22 quốc gia đã ký bản tuyên bố tăng công suất năng lượng hạt nhân toàn cầu gấp 3 lần vào năm 2050 nhằm đáp ứng mục tiêu về khí hậu và nhu cầu năng lượng.
Nhà máy điện hạt nhân Tianwan ở Giang Tô, Trung Quốc. (Ảnh: Xinhua).
"Sau 28 năm bị bỏ bê, hạt nhân cuối cùng cũng được chú ý tại hội nghị quan trọng nhất thế giới về biến đổi khí hậu, gần như quá muộn. Là người từng phản đối năng lượng hạt nhân nhưng sau đó thay đổi suy nghĩ, tôi rất mừng khi thấy thái độ với năng lượng hạt nhân đã thay đổi nhiều như thế nào", Zion Lights, cựu phát ngôn viên người Anh của phong trào bảo vệ môi trường Extinction Rebellion, cho biết.
Điện hạt nhân được sản xuất thế nào?
Năng lượng hạt nhân là dạng năng lượng giải phóng từ hạt nhân - lõi của các nguyên tử, cấu tạo từ proton và neutron. Nguồn năng lượng này có thể được tạo ra theo hai cách: phân hạch (hạt nhân tách thành nhiều phần), và hợp hạch hay nhiệt hạch (hạt nhân hợp nhất với nhau).
Ngày nay, năng lượng hạt nhân mà thế giới khai thác để sản xuất điện được tạo ra từ quá trình phân hạch. Trong khi đó, công nghệ sản xuất điện từ quá trình hợp hạch vẫn đang ở giai đoạn nghiên cứu và phát triển (R&D).
Phân hạch hạt nhân là phản ứng trong đó hạt nhân của một nguyên tử tách thành hai hay nhiều hạt nhân nhỏ hơn, đồng thời giải phóng năng lượng. Ví dụ, khi va chạm với neutron, hạt nhân của nguyên tử uranium-235 sẽ tách thành hai hạt nhân nhỏ hơn, có thể là một hạt nhân barium, một hạt nhân krypton và 2 hoặc 3 neutron. Những neutron bổ sung này sẽ va chạm với các nguyên tử uranium-235 xung quanh, khiến chúng phân tách và tiếp tục tạo ra thêm neutron, dẫn đến phản ứng dây chuyền trong tích tắc.
Mỗi lần phản ứng xảy ra, năng lượng được giải phóng dưới dạng nhiệt và bức xạ. Nhiệt có thể chuyển đổi thành điện trong nhà máy điện hạt nhân. Bên trong nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng và thiết bị sẽ chứa và kiểm soát các phản ứng dây chuyền. Nhiệt sinh ra từ phản ứng làm nóng chất làm mát của lò phản ứng, thường là nước, tạo ra hơi nước. Sau đó, hơi nước được dẫn đến các turbine quay, kích hoạt máy phát điện để sản xuất điện.
Những công nghệ lò phản ứng nổi bật trên thế giới
Theo thống kê của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), tính đến ngày 13/11/2024, thế giới có 440 lò phản ứng hạt nhân, trong đó 415 lò phản ứng đang hoạt động, phân bố tại 30 quốc gia. Mỹ là nước đóng góp nhiều nhất với 94 lò phản ứng, tổng công suất điện 96,95 GW. Theo sau là Pháp (56 lò, tổng công suất 61,37 GW), Trung Quốc (56 lò, tổng công suất 54,15 GW), Nga (36 lò, tổng công suất 26,8 GW) và Hàn Quốc (26 lò, tổng công suất 25,82 GW).
Lò phản ứng hạt nhân có nhiều hình dạng và kích thước khác nhau, hầu hết đủ lớn để cung cấp điện cho các thành phố lớn. Các mẫu lò phản ứng nhỏ đang được phát triển để bổ sung cho chúng.
Ngoài một số ít lò phản ứng dùng khí hoặc kim loại để làm mát, có tới khoảng 400 lò phản ứng trên thế giới, công suất từ 30 - 1660 MW, làm mát bằng nước. Lò phản ứng làm mát bằng nước hiện nay chia thành ba loại chính: Lò phản ứng nước áp suất (PWR), lò phản ứng nước sôi (BWR), lò phản ứng nước nặng áp suất (PWHR).
Nhà máy điện hạt nhân Watts Bar ở Tennessee, Mỹ, sử dụng lò phản ứng nước áp suất (PWR). (Ảnh: Energyeducation).
Lò phản ứng nước áp suất (PWR) chiếm gần 70% số lò phản ứng toàn cầu, theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới (WNA). Có khoảng 300 lò phản ứng hoạt động để sản xuất điện với tổng công suất 300 GW. Các nước sử dụng PWR phổ biến là Mỹ, Pháp, Nhật Bản, Nga, Trung Quốc, Hàn Quốc.
PWR dùng nước thông thường làm chất làm mát và cả chất điều tiết (chất trong lõi giúp giảm tốc các neutron giải phóng từ phản ứng phân hạch để chúng tạo ra nhiều phản ứng phân hạch hơn). Thiết kế này có một mạch làm mát chính chạy qua lõi lò phản ứng và một mạch phụ trong đó hơi nước sinh ra giúp làm quay turbine. Nước trong mạch chính được ngăn không sôi bằng áp suất cao. Nước trong mạch phụ chịu ít áp suất hơn nên sôi, làm quay turbine để tạo ra điện.
Các lò phản ứng PWR chỉ cần nước thông thường làm chất điều tiết thay vì nước nặng đắt đỏ. Chúng cũng rất ổn định do có xu hướng giảm công suất khi nhiệt độ tăng. PWR cũng có thể vận hành với lõi chứa ít vật liệu phân hạch hơn, giảm khả năng có sự gia tăng công suất mất kiểm soát, giúp tăng tính an toàn.
Tuy nhiên, chúng vẫn có một số hạn chế như đòi hỏi đường ống rất chắc chắn và bình chịu áp suất tốt, khiến việc xây PWR khá tốn kém. Đa số lò phản ứng cần được tiếp nhiên liệu sau khoảng 18 tháng và phải tạm dừng hoạt động trong vài tuần tiếp nhiên liệu. Nước nóng từ mạch chính với axit boric hòa tan có khả năng ăn mòn thép không gỉ, khiến các sản phẩm ăn mòn (có tính phóng xạ) chảy qua mạch chính. Điều này làm giảm tuổi thọ của lò phản ứng và đòi hỏi các hệ thống đặc biệt để lọc sản phẩm ăn mòn.
Lò phản ứng nước sôi (BWR) là loại phổ biến thứ hai trên toàn cầu, chiếm 15% với khoảng 60 lò phản ứng, tổng công suất 60 GW. Khác với PWR, thiết kế này có một mạch duy nhất trong đó nước được giữ ở áp suất có thể sôi. Hơi nước sinh ra được đưa trực tiếp vào turbine. BWR chủ yếu phân bố ở Mỹ, Nhật Bản, Thụy Điển.
Do chỉ có một mạch, thiết kế của BWR đơn giản và dễ vận hành hơn. Áp suất bên trong bình phản ứng thấp hơn nhiều so với PWR vì nước được phép sôi. Do đó, bình nhẹ hơn và không cần chịu áp suất lớn. Lò phản ứng cũng không sử dụng axit boric, giúp giảm sự ăn mòn trong bình phản ứng và đường ống.
Tuy nhiên, BWR cần tính toán phức tạp hơn để điều chỉnh mức tiêu thụ nhiên liệu hạt nhân trong quá trình vận hành. Lõi lò phản ứng cũng cần nhiều thiết bị hơn. Một nhược điểm khác là hơi nước sinh ra có tính phóng xạ nhẹ nên cần che chắn đường ống và turbine cẩn thận.
Với gần 50 lò phản ứng và chiếm 11% toàn cầu, lò phản ứng nước nặng áp suất (PWHR) là loại lò phản ứng điện hạt nhân phổ biến thứ ba, đóng góp tổng công suất 25 GW. Thiết kế sử dụng nước nặng, một dạng nước khác biệt về mặt hóa học, để làm mát và kiểm soát các phản ứng hạt nhân. Lò phản ứng nước nặng chủ yếu được xây dựng tại Canada, Ấn Độ.
Ưu điểm lớn của PHWR là khả năng tiếp nhiên liệu ngay trong quá trình hoạt động, giúp tăng tính khả dụng. Nhờ nước nặng, PWHR có thể dùng uranium tự nhiên làm nhiên liệu thay vì phải dùng uranium làm giàu như PWR và BWR. Ngoài ra, lò phản ứng cũng được đánh giá là rất an toàn.
Dù chi phí nhiên liệu giảm, lò PHWR lại tốn thêm chi phí sản xuất nước nặng. Bên cạnh đó, hàm lượng năng lượng của uranium tự nhiên thấp hơn so với uranium làm giàu, đòi hỏi phải thay thế nhiên liệu thường xuyên hơn. Tốc độ nhiên liệu đi qua lò phản ứng tăng cũng dẫn đến khối lượng nhiên liệu đã qua sử dụng cao hơn so với các lò phản ứng dùng uranium làm giàu.
Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk tại Nga có hai lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri. (Ảnh: Rosatom).
Đa số lò phản ứng hiện nay dùng nước để làm mát lõi, nhưng giới khoa học vẫn đang nghiên cứu và phát triển các lò phản ứng dùng kim loại lỏng, muối nóng chảy hoặc khí làm chất làm mát. Việc phát triển chúng có thể giúp cung cấp điện hạt nhân hiệu quả hơn với những ứng dụng mới mẻ, thú vị. Nhiều lò phản ứng không dùng nước đã hoạt động thành công trong nhiều năm, chủ yếu ở cấp độ thử nghiệm.
Ví dụ, lò phản ứng nhanh kim loại lỏng (LMFR) sử dụng các kim loại lỏng như natri, chì... để làm mát lõi. Chúng có thể dùng nhiên liệu là uranium ở dạng kim loại thay vì dạng gốm phổ biến hiện nay, cũng như chất thải hạt nhân tái chế. Các lò phản ứng nhanh hiếm hoi đang hoạt động là BN-600 và BN-800, làm mát bằng natri. Cả hai đều nằm trong nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk, Nga.