Trên toàn cầu, năng lượng hạt nhân chiếm khoảng 10% sản lượng điện. Ở một số quốc gia, chẳng hạn như Pháp, con số này là gần 70%.

Các công ty công nghệ lớn như Google cũng đang chuyển sang dùng năng lượng hạt nhân để đáp ứng nhu cầu điện khổng lồ của các trung tâm dữ liệu do họ quản lý.

Nguồn gốc của tất cả năng lượng hạt nhân là năng lượng liên kết của một nguyên tử. Năng lượng được lưu trữ trong một nguyên tử có thể được giải phóng theo hai cách chính: phân hạch hoặc hợp hạch. Phân hạch liên quan đến việc phân chia các nguyên tử nặng lớn thành các nguyên tử nhỏ hơn, nhẹ hơn. Hợp hạch liên quan đến việc kết hợp các nguyên tử nhỏ lại với nhau thành các nguyên tử lớn hơn.

Cả hai quá trình đều giải phóng rất nhiều năng lượng. Ví dụ, một phân rã phân hạch hạt nhân của U235, một đồng vị của urani thường được sử dụng làm nhiên liệu trong hầu hết các nhà máy điện, tạo ra năng lượng gấp hơn 6 triệu lần cho mỗi phản ứng hóa học đơn lẻ của than tinh khiết nhất. Điều này có nghĩa là chúng là những quá trình tuyệt vời để tạo ra năng lượng.

Phân hạch là gì?

Phân hạch là quá trình đằng sau mọi nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động hiện nay. Nó xảy ra khi một hạt hạ nguyên tử nhỏ thường là neutron đập vào một nguyên tử urani, phân tách nó. Việc này giải phóng nhiều neutron hơn, tiếp tục va chạm với các nguyên tử khác, gây ra phản ứng dây chuyền hạt nhân. Đồng thời, phản ứng này giải phóng một lượng năng lượng khổng lồ.

Để chuyển đổi năng lượng này thành điện, một bộ trao đổi nhiệt được lắp đặt, biến nước thành hơi nước, dẫn động tuabin để tạo ra điện.

Phản ứng phân hạch có thể được kiểm soát bằng cách ngăn chặn nguồn cung cấp neutron. Điều này đạt được bằng cách chèn "thanh điều khiển" hấp thụ neutron.

Theo truyền thống, các vụ tai nạn hạt nhân như Chernobyl đã xảy ra khi các thanh điều khiển không thể kết nối và dập tắt nguồn cung cấp neutron và/hoặc quá trình lưu thông chất làm mát bị lỗi.

Các thiết kế được gọi là "thế hệ thứ ba" cải tiến các thiết kế ban đầu bằng cách kết hợp các tính năng an toàn thụ động hoặc vốn không yêu cầu kiểm soát chủ động hay can thiệp của con người để tránh tai nạn trong trường hợp trục trặc.

Các tính năng này có thể dựa vào chênh lệch áp suất, trọng lực, đối lưu tự nhiên hoặc phản ứng tự nhiên của vật liệu đối với nhiệt độ cao. Các lò phản ứng thế hệ thứ ba đầu tiên là lò phản ứng nước sôi tiên tiến Kashiwazaki 6 và 7 ở Nhật Bản.

Một thách thức chưa được giải quyết đối với phản ứng phân hạch là các sản phẩm phụ của phản ứng có tính phóng xạ trong thời gian dài, có thể đến hàng nghìn năm. Nếu được xử lý lại, nguồn nhiên liệu và chất thải cũng có thể được sử dụng để chế tạo vũ khí hạt nhân.

Năng lượng phân hạch là một công nghệ đã được chứng minh. Nó cũng có thể mở rộng quy mô từ quy mô lớn (lớn nhất là Nhà máy điện hạt nhân Kashiwazaki-Kariwa công suất 7,97 gigawatt ở Nhật Bản) cho đến các lò phản ứng nhỏ đến trung bình sản xuất khoảng 150 megawatt điện, như được sử dụng trên tàu hoặc tàu ngầm hạt nhân. Chẳng hạn, các lò phản ứng sẽ cung cấp năng lượng cho 8 tàu ​​ngầm hạt nhân của Úc trong hợp tác AUKUS với Anh và Mỹ

Phản ứng nhiệt hạch là gì?

Phản ứng nhiệt hạch là quá trình cung cấp năng lượng cho Mặt trời và các ngôi sao. Đây là quá trình ngược lại với phản ứng phân hạch. Nó xảy ra khi các nguyên tử được hợp nhất với nhau.

Phản ứng dễ thực hiện nhất trong phòng thí nghiệm là phản ứng hợp nhất các đồng vị của hydro, deuterium và tritium. Tính trên mỗi đơn vị khối lượng, phản ứng tạo ra năng lượng gấp 4 lần so với phản ứng phân hạch của U235.

Điều quan trọng, ion nhiên liệu deuterium (đồng vị H2) cực kỳ dồi dào trên Trái Đất và trong vũ trụ. Vũ trụ có tuổi đời là 13,8 tỉ năm; các đồng vị của hạt nhân nhẹ (hydro, heli và liti) được tìm thấy trong tự nhiên là những đồng vị ổn định trong các thang thời gian đó.

Riêng tritium (đồng vị H3) là chất phóng xạ có chu kỳ bán rã là 12 năm, do đó rất hiếm trên Trái Đất. Trong một nhà máy điện nhiệt hạch, tritium sẽ được sản xuất bằng cách sử dụng "chăn liti". Đây là một bức tường liti rắn chịu bắn phá từ các nơtron chậm từ phản ứng nhiệt hạch và cuối cùng phản ứng để tạo thành tritium (Li6+n tạo ra He4 + H3).

Tuy nhiên, các nhà khoa học hiện giờ rất khó tạo ra phản ứng nhiệt hạch bên ngoài phòng thí nghiệm. Đó là vì phản ứng này đòi hỏi điều kiện cực kỳ nóng để hợp nhất: điều kiện tối ưu là 150 triệu độ C.

Ở nhiệt độ này, các ion nhiên liệu tồn tại ở trạng thái plasma, trạng thái các electron và ion (hạt nhân) bị phân ly. Sản phẩm phụ của quá trình này không phải là chất phóng xạ; thay vào đó, đó là heli, một loại khí trơ (chẳng hạn H2+H2 tạo ra He4).

Con đường công nghệ hàng đầu để chứng minh phản ứng tổng hợp bền vững được gọi là "giới hạn từ trường hình vành khăn". Đây là khi plasma bị giới hạn ở nhiệt độ cực cao trong một bình từ tính hình vành khăn rất lớn.

Không giống như phân hạch, công nghệ này đòi hỏi phải gia nhiệt liên tục bên ngoài để đạt đến điều kiện tổng hợp và một trường giới hạn mạnh. Chấm dứt một trong hai và phản ứng sẽ dừng lại.

Thách thức không phải là sự tan chảy không kiểm soát được, mà là làm cho phản ứng xảy ra.

Một thách thức lớn chưa được giải quyết đối với phản ứng tổng hợp giới hạn từ trường hình vành khăn, thu hút phần lớn sự quan tâm nghiên cứu, là việc chứng minh plasma tự đốt nóng. Đây là lúc năng lượng nhiệt do phản ứng tạo ra là chính. Tuy nhiên, phần lớn cộng đồng khoa học đều đồng thuận rằng phản ứng tổng hợp sẽ không khả thi về mặt thương mại cho đến ít nhất là năm 2050.

Một giải pháp cho khí hậu?

Giáo sư Matthew Hole từ Viện Khoa học Toán học và Trường Máy tính, Đại học Quốc gia Úc cho biết ông thường được hỏi liệu năng lượng hạt nhân có thể cứu Trái đất khỏi biến đổi khí hậu hay không.

Theo Hole, khoa học đã chứng minh rõ ràng: đã quá muộn để ngăn chặn biến đổi khí hậu. Thế giới cần phải làm mọi cách có thể để giảm lượng khí thải carbon dioxide và giảm thiểu thiệt hại thảm khốc và đáng ra cần phải làm điều đó từ nhiều chục năm trước.

Đối với hành tinh này, phân hạch vẫn là một phần của giải pháp toàn cầu đó, cùng với việc triển khai và áp dụng rộng rãi các nguồn năng lượng tái tạo như gió và mặt trời.

Trong một khoảng thời gian dài hơn, người ta hy vọng rằng phản ứng tổng hợp có thể thay thế phản ứng phân hạch. Nguồn cung cấp nhiên liệu lớn hơn nhiều và phân bố rộng khắp, vấn đề chất thải nhỏ hơn nhiều về khối lượng và thời gian, và công nghệ không thể được vũ khí hóa.

Anh Tú