Thursday, March 31, 2005

'Mô đun đệm cuội' - lối thoát của điện hạt nhân?


Trung Quốc loan báo đã làm chủ công nghệ lò phản ứng hạt nhân theo kiểu mô đun đệm cuội, vừa rẻ mà lại an toàn. Nếu quả vậy thì hai mục tiêu vốn rất mâu thuẫn nhau của điện hạt nhân - rẻ mà an toàn - có thể nhốt chung vào một cái rọ: đệm cuội.

Theo tạp chí Financial Times, 7/2/2005, lò phản ứng trình diễn 10 MW đã được Đại học Thanh Hoa giới thiệu, còn nhà máy công nghiệp 190 MW đầu tiên dự tính sẽ hoàn thành vào năm 2007 ở Sơn Đông. Nam Phi sau một thời gian hợp tác với Đức, quê hương của công nghệ đệm cuội (pebble-bed modular reactor), vẫn tiếp tục theo đuổi hướng công nghệ này và hiện đang có dự án xây nhà máy đầu tiên với công suất 110 MW ở Koeberg. Bầu không khí băng giá vốn bao trùm lên điện hạt nhân từ nhiều năm nay dường như đang ấm lên.

GS Phạm Duy Hiển, nguyên Phó viện trưởng Viện năng lượng nguyên tử quốc gia, đã có bài phân tích về vấn đề này:

Các lò phản ứng năng lượng thế hệ hiện nay vẫn chưa an toàn

Chính đây là một trong những lý do khiến nhiều người chống đối, làm cho điện hạt nhân ngưng trệ từ mấy thập kỷ qua. Thực tế là các tai nạn tệ hại nhất làm nóng chảy vùng hoạt chứa phóng xạ (*) - đã xảy ra ở hai nhà máy Three Mile Island, Mỹ, 1979 và Chernobyl, Liên Xô, 1986, khi mà tổng cộng tuổi thọ của các lò phản ứng trên toàn thế giới mới có vài nghìn năm, thay vì hàng trăm nghìn năm "mới xảy ra một lần", như một số nhà lý thuyết đã tính toán.

Hàng loạt sự cố liên tiếp gần đây ở một nước tiên tiến như Nhật càng chứng tỏ điện hạt nhân chưa đủ an toàn. TEPCO, tập đoàn cung cấp điện lớn nhất châu Á, đã giấu nhẹm các khuyết tật nghiêm trọng trong hệ thống tải nhiệt lò phản ứng, đến khi bị phát giác (8/2003) buộc phải đóng cửa tất cả 17 lò để thanh tra. Đến nay chỉ mới 6 lò được phép hoạt động trở lại. KEPCO, tập đoàn lớn thứ hai, đã để xảy ra vụ tai nạn làm năm người bị chết bỏng và bảy người bị thương nặng hồi tháng tám năm ngoái do chạy theo lợi nhuận nên không chịu dừng lò để thay thế đường ống tải nhiệt thứ cấp bị hỏng. Ai bảo điện hạt nhân là rẻ?

Các sự cố điện hạt nhân đã để lại hai bài học quý giá. Thứ nhất, nhân tố con người và quản lý đóng vai trò rất quan trọng, điều mà các nhà lý thuyết chưa biết cách mô tả hết trong các tính toán của mình. Các tập đoàn cung cấp nhà máy điện hạt nhân lợi dụng các kết quả tính toán "hàng trăm nghìn năm mới xảy ra một lần" đó để ra sức mời chào, làm cho một số người tưởng rằng điện hạt nhân rất an toàn như một thứ định đề phổ quát, một thứ thuộc tính của các lò phản ứng hạt nhân hiện nay, mà không thấy yếu tố quyết định đến an toàn là con người, trình độ quản lý và phát triển của từng quốc gia. Vì thế lối tuyên truyền một chiều cho điện hạt nhân chẳng những không đúng sự thật mà còn làm cho dân chúng và nhất là giới quản lý, lãnh đạo chủ quan có thể dẫn đến những hậu quả nhỡn tiền khôn lường.

Thứ hai, càng muốn hạ giá thành điện năng tối đa để tăng lợi nhuận càng làm cho điện hạt nhân mất an toàn. Nói "điện hạt nhân rẻ lắm" như một tiên đề phổ quát thứ hai, chẳng những gây ảo tưởng mà sẽ phải trả giá cho các hiện tượng làm ẩu, ngụy tạo, giấu giếm, hạ thấp quy phạm an toàn, như ta đã thấy qua các sự kiện nói trên ở Nhật. Bảo đảm cho điện hạt nhân vừa rẻ vừa an toàn còn đang là mục tiêu chưa trong tầm tay của các nước tiên tiến, nói gì đến các nước kém phát triển!

Vậy lối thoát ở đâu?

Nhiều người tin rằng sớm muộn điện hạt nhân vẫn là giải pháp cho bài toán năng lượng toàn cầu. Cho nên, các nước tiên tiến phải đầu tư nghiên cứu công nghệ để tìm ra lối thoát cho tình trạng bế tắc hiện nay. Một cường quốc như Pháp với hơn 70% điện năng từ các nhà máy điện hạt nhân sẽ như thế nào sau 20 năm nữa khi mà các lò phản ứng hiện nay đã hết "đát"? Thay thế chúng bằng cách nào?

Thứ nhất, thiết kế các lò thế hệ thứ ba bảo đảm an toàn hơn hẳn các lò thế hệ hai hiện nay. Pháp và Đức đã hợp tác với nhau thiết kế lò EPR châu Âu (European Pressurized Water Reactor) từ năm 1993. Nhưng đến năm 1998, Đức từ bỏ hoàn toàn phương hướng điện hạt nhân, chỉ cho phép một số chuyên gia tiếp tục cộng tác với Pháp. Thuộc thế hệ thứ ba còn có thể kể đến lò nước nén tiên tiến AP-600 của Westinghouse Electric, được Bộ Năng lượng Mỹ phê chuẩn và được quảng cáo nhiều trong thời gian gần đây, nhưng chưa thấy có đơn đặt hàng. Thế hệ EPR thứ tư, được xem như an toàn "tuyệt đối" sẽ xuất hiện không sớm hơn năm 2035.

Triết lý an toàn của EPR thế hệ ba không khác gì xây lại cái nhà đàng hoàng hơn trên nền móng cũ, không vững chắc lắm. Vẫn là cấu trúc vùng hoạt với nhiên liệu ấy, chất làm chậm nơ tron và tải nhiệt vẫn là nước. Nguyên lý công nghệ vẫn thế, tuy có gia cố, tăng cường, trang bị thêm các hệ dự trữ ở những khâu xung yếu và bổ sung một tuyến phòng hộ nữa nhằm loại trừ khả năng tung chất phóng xạ ra môi trường khi vùng hoạt bị nóng chảy. Xác suất sự cố nóng chảy vùng hoạt theo tính toán sẽ giảm hơn mười lần so với thế hệ hiện nay. Sự cố cháy nổ do khí hydro cũng sẽ khó xảy ra hơn, và boong ke nhà lò có thể chịu được áp lực cao, đề phòng có cháy nổ bên trong hoặc bị tấn công (hay máy bay rơi) từ bên ngoài.

Đương nhiên, giá thành sẽ cao hơn nhiều. Nhưng bù lại, EPR-III có công suất cao hơn 1,6 lần (1.600 MW) và tuổi thọ tăng 1,5 lần (60 năm). Với hai lợi thế đó, hy vọng EPR thế hệ ba sẽ cạnh tranh được với các nhà máy nhiệt điện chạy than ở Pháp có thời gian hoạt động trên phụ tải 4.500-5.000 giờ hàng năm. Giá đầu tư ước tính 2,8 tỷ Euro, tương đương 2.100 USD/kW. Cũng nên lưu ý rằng, một công suất quá lớn như thế cũng sẽ "hấp dẫn" hơn đối với bọn khủng bố, và kém linh hoạt trong hệ thống lưới điện, nhất là đối với các nước kém phát triển.

Thứ hai, ngay từ những năm 60 của thế kỷ 20, người ta đã nghĩ đến việc phải xây lại ngôi nhà điện hạt nhân trên một nền móng mới, kiên cố hơn. Rudolf Shulten ở Đức đã đề xuất một công nghệ hoàn toàn mới làm cho các lò phản ứng trở nên "rất đơn giản, rất an toàn với bố trí nhiên liệu rất độc đáo". Hai ý tưởng đột phá ở đây là dùng khí

Đệm cuôi.
helium tải nhiệt và gộp chung nhiên liệu, vỏ nhốt nhiên liệu và chất làm chậm nơ tron vào một hạt cuội hình cầu như quả bóng bi-a làm bằng silicon carbide, rất rắn chắc có thể chịu được nhiệt độ 2.000 độ C. Trong lõi hạt cuội có chứa 15.000 "hạt giống" uranium oxide bé như hạt cát, mỗi hạt lại được bọc kín bằng một lớp silicon carbide rắn chắc. Lò phản ứng 190 MW ở Sơn Đông dự kiến sẽ chứa 380.000 hạt cuội, mỗi hạt nặng 210 g trong đó có 9 g uranium. Dùng khí helium tải nhiệt có rất nhiều ưu việt so với nước, như có thể tăng nhiệt độ lối vào tua bin (đến 700 độ C hoặc cao hơn) để tăng hiệu suất chuyển hóa nhiệt năng, tiết kiệm nhiên liệu, tránh được các sự cố rò rỉ nước phóng xạ thường thấy ở một số lò tải nhiệt bằng nước, không làm rỉ và ăn mòn các thiết bị trong lò…

Quan trọng hơn cả là với cấu trúc đệm cuội, lò phản ứng có tính an toàn nội tại bắt nguồn từ nguyên lý vật lý, chứ không phải nhờ các thiết bị ngoại vi được kích hoạt khi xảy ra sự cố, như trong các lò phổ dụng hiện nay. Khi nhiệt độ tăng lên quá mức bình thường, thí dụ do lưu lượng tải nhiệt không đủ, đồng vị uranium-238 trong hạt cuội sẽ hấp thụ nơtron mạnh hơn do hiệu ứng Doppler, làm giảm tức khắc tốc độ phản ứng dây chuyền, tựa như một chiếc phanh tự động.

Ngoài ra, các hạt cuội lại được nạp vào đệm và nhả ra liên tục trong quá trình vận hành lò. Nhờ đó, không cần thiết phải dự trữ một lượng nhiên liệu dư thừa để dùng cho cả năm như các lò hiện nay, dễ gây nguy cơ phản ứng dây chuyền leo thang làm nóng chảy vùng hoạt. Đây lại còn là ưu điểm về mặt kinh tế vì không phải dừng lò mất một tháng để thay nhiên liệu. Nhờ giữ cho vùng hoạt chỉ vừa ở mức tới hạn và hệ tải nhiệt không có phóng xạ nên bộ phận điều khiển và hệ thống công nghệ đơn giản hơn các lò hiện nay gấp 30 lần, làm giảm đáng kể giá đầu tư. Rõ ràng đệm cuội có thể giải quyết đồng thời cả hai mục tiêu an toàn và kinh tế của điện hạt nhân.

Các tính năng đặc biệt nói trên không phải chỉ là lý thuyết mà đã được kiểm chứng bằng những kịch bản "cực đoan nhất" tại lò trình diễn 15 MW khánh thành ở Julich năm 1966. Rất tiếc là sau tai nạn Chernobyl, lò này đã phải đóng cửa năm 1988. Nhờ cấu trúc đơn giản, hiệu suất chuyển hóa nhiệt năng cao, không phải dừng lò để thay nhiên liệu và công suất không lớn lắm, lò đệm cuội dự tính sẽ đủ sức cạnh tranh kinh tế sau khi được sản xuất hàng loạt. Giá đầu tư cho lò ở Sơn Đông ước tính là 1.500 USD/kW. Công suất thấp so với các lò phổ dụng hiện nay cũng là một ưu điểm rất hấp dẫn, nhất là đối với các nước kém phát triển. Ngoài ra, nhiệt độ cao do khí helium tải ra khỏi lò đệm cuội còn có thể sử dụng để sản xuất hydro dùng làm nhiên liệu cho các phương tiện vận tải. Đặc điểm này có ý nghĩa rất lớn vì hydro sẽ là nhiên liệu thân thiện môi trường chủ chốt trong tương lai. Hiện tại, Hàn Quốc đang hợp tác với Đại học Thanh Hoa để khai thác lợi thế này.

Với các tính năng an toàn hơn hẳn các lò hiện nay, đặc biệt là khả năng nóng chảy vùng hoạt bị loại trừ hoàn toàn, lò đệm cuội không cần phải có boong-ke bao che nhà lò. Khốn nỗi, những ám ảnh về tai nạn thảm khốc ở Chernobyl do thiếu cái boong-ke đó, và nguy cơ khủng bố vẫn làm cho nhiều người không an tâm, thậm chí còn chỉ trích gay gắt đặc điểm này.

Mặc dù còn phải tiếp tục giải quyết một số nhược điểm khiến nhiều người chỉ trích, phương án lò đệm cuội vẫn hứa hẹn một lối thoát cho công nghệ điện hạt nhân và chắc có thể thương mại hóa sau năm 2020-2025.

-----------------------------------------------------

(*) Để dễ hình dung ta có thể lấy lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt với công suất nhiệt 500 kW làm thí dụ. Sau hơn 20 năm với hơn 25 nghìn giờ hoạt động ở công suất danh định, trong vùng hoạt của lò hiện đang tàng trữ một lượng phóng xạ hàng trăm nghìn curi (mỗi curi tương đương 37 tỷ phân rã phóng xạ trong một giây). Đây là nguồn phóng xạ mạnh nhất ở nước ta hiện nay, lại chứa những nhân có thời gian sống hàng nghìn năm.

Một lò phản ứng điện hạt nhân công suất điện 1.000 MW thường có công suất nhiệt gấp ba lần lớn hơn, nghĩa là gấp 6.000 lần mạnh hơn lò Đà Lạt. Lượng chất phóng xạ tỷ lệ với công suất nhiệt và thời gian ngâm thanh nhiên liệu trong lò, nghĩa là sẽ lên đến hàng trăm triệu curi. Ngay cả lúc lò không hoạt động, nhiệt lượng do tia phóng xạ tỏa ra cũng đủ làm nóng chảy vùng hoạt nếu không được tải nhiệt. Từ đó đủ thấy sự khác biệt một trời một vực về quy mô an toàn hạt nhân giữa lò Đà Lạt với lò năng lượng của nhà máy điện hạt nhân.

GS Phạm Duy Hiển, Tạp chí Hoạt động khoa học

0 Comments:

Post a Comment

<< Home