Vài hiểu biết phổ thông về "Thế giới năng lượng hạt nhân".
Chương trình cơ bản của Trung tâm TTHN là 45 phút phim kịch ảo, giáo sư Vật lý hạt nhân cùng du khách trên con tàu tham quan những thành tựu của thế giới và LB Nga về chinh phục hạt nhân. Dưới dạng hỏi - đáp, với cách lý giải đơn giản và thú vị, kết hợp với các trò chơi, những kiến thức cơ bản về Vật lý hạt nhân đã trở thành phổ cập cho mọi người. Xin lược trích ở đây kịch bản để các bạn xem cho vui (tháng trước phim đã gửi đi lồng tiếng ở Đài TH Hà Nội ).
Về sự cần thiết và ưu điểm của năng lượng hạt nhân.
- Thưa Giáo sư, tại sao vấn đề năng lượng trở thành bức xúc trong xã hội hiện nay như vậy?.
- Cuộc sống càng phát triển, không kể các nhu cầu công nghiệp, những người bình thường nhất trong sinh hoạt gia đình hàng ngày tiêu dùng rất nhiều năng lượng. Các máy vô tuyến truyền hình, tủ lạnh và máy giặt gia dụng của chúng ta "ngốn" năng lượng điện gần tương đương với tất cả các nhà máy trên toàn thế giới cộng lại.
Tất nhiên, để có năng lượng ta có thể dùng than đá, dầu mỏ và khí đốt. Tuy nhiên, các nguồn nhiên liệu này cũng hạn chế, dự trữ của chúng đang cạn dần. Dầu, khí đốt và than đến một lúc nào đó cũng sẽ hết. Ngoài ra, từ chúng có thể làm được rất nhiều vật hữu ích như thuốc y tế, phân bón hoặc nhựa. Cũng thật là tiếc khi đốt hết những vật có ích như vậy.
- Nhưng ngoài chúng ra, trên Trái đất còn có các nguồn năng lượng vô tận khác như sức gió, năng lượng mặt trời, thủy triều. Các trạm làm việc bằng các nguồn năng lượng này có thể xây dựng khắp nơi trên thế giới. Chúng không làm ô nhiễm thiên nhiên và cũng không tiêu phí các nhiên liệu đáng giá trong công nghiệp, vậy thì có cấp thiết cần sử dụng năng lượng hạt nhân nguyên tử như hiện nay không?
- Bạn suy nghĩ hoàn toàn chính xác. Năng lượng mặt trời và sức gió là vô tận. Nhưng hiện nay, tỷ lệ năng lượng được sản xuất từ các nguồn như vậy là rất nhỏ. Và hầu như không thể trông chờ sự gia tăng của chúng trong tương lai. Bởi vì để đáp ứng đủ nhu cầu toàn xã hội mà chỉ dùng năng lượng mặt trời và sức gió thì chúng ta phải bố trí chồng chất các tua bin gió và tấm pin mặt trời trên nhiều khu vực rộng lớn, và cần phải chi phí nhiều tiền của.
- Xin GS cho biết mức độ sử dụng năng lượng điện hạt nhân trên thếi giới và ở nước Nga?.
- Bạn hãy tưởng tượng xem, chỉ mới 50 năm trước đây, các nhà máy điện hạt nhân chỉ sản xuất chưa được một phần trăm tất cả khối lượng năng lượng điện sản xuất trên thế giới. Đến ngày hôm nay con số này đã là mười lăm phần trăm và trong những năm tới nó sẽ được tăng thêm nhiều hơn nữa.
Ở nước Nga tỷ lệ năng lượng điện do tất cả các nhà máy điện hạt nhân sản xuất ra hiện nay chiếm khoảng mười sáu phần trăm. Ở vùng trung tâm nước Nga các nhà máy điện hạt nhân đảm nhận sản xuất gần một phần ba lượng điện trong khu vực, ở vùng Tây Bắc tỷ lệ này còn cao hơn, chiếm gần một nửa tổng số !.
Điều này có nghĩa là, giả sử các nhà máy điện hạt nhân đột nhiên ngừng làm việc thi trên toàn nước Nga cứ sáu bóng đèn có một cái sẽ ngừng tỏa sáng. Còn chẳng hạn như ở thành phố Saint Petersburg thì một nửa số bóng đèn sẽ tắt.
- Có thể hình dung cụ thể các ưu thế của năng lượng hạt nhân được không?.
- Những chất được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân, chủ yếu là uran, cũng được gọi là nhiên liệu. So với các loại nhiên liệu khác thì nhiên liệu hạt nhân tiết kiệm và hiệu quả hơn. Từ một kilogram uran được làm giàu có thể nhận được năng lượng tương đương với năng lượng thu được từ một toa tàu chất đầy than đá hoặc một sitéc chở đầy dầu.
Ta thử lấy nhà máy điện với công suất sản xuất một triệu kilowatt trong một giờ để làm ví dụ. Để duy trì hoạt động bình thường, một nhà máy như vậy hàng năm cần dùng, hoặc ba triệu tấn than đá, hoặc ba mươi tấn nhiên liệu hạt nhân. Trong trường hợp thứ nhất, mỗi ngày cần vài đoàn tàu xe lửa chở than đá cung cấp cho nhà máy, trong trường hợp thứ hai thì chỉ cần một vài toa tàu nhiên liệu hạt nhân là đã đủ dùng cho cả một năm.
Còn một ưu thế nữa của nhiên liệu hạt nhân, đó là trữ lượng của nó. Trữ lượng nhiên liệu hạt nhân trên quả đất có thể đủ dùng cho loài người nhiều ngàn năm. Nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng sau khi phục hồi có thể sử dụng lại được, và việc tái sữ dụng không chỉ một lần!. Đó chính là lý do tại sao các nước quan tâm đến việc bảo tồn tài nguyên thiên nhiên sử dụng nhiều năng lượng hạt nhân!.
Và thêm nữa, nhà máy điện hạt nhân gây ô nhiễm thiên nhiên ít hơn, bởi vì sau khi làm việc các nhiên liệu hạt nhân không thải gì vào không khí. Để nhận được năng lượng từ dầu mỏ, than đá hay khí đốt, ta cần phải đốt chúng. Lúc đó trong không khí tích tụ những đám mây khói đặc đen và chất thải nguy hại, trong đó có cả các chất phóng xạ. Thận chí ngay cả năng lượng thủy điện cũng không thể tránh khỏi tác hại gây cho môi trường sinh thái. Trong hoạt động của nhà máy điện hạt nhân, mọi chất độc hại, nguy hiểm nằm lại trong bản thân nhiên liệu, và chúng không phát tán ra môi trường xung quanh.
Về nhiên liệu dùng cho NMĐHN.
- Làm thế nào để nhận được năng lượng điện hạt nhân?.
- Lò phản ứng hạt nhân và nhà máy điện hạt nhân là những công trình có cấu trúc kỹ thuật phức tạp. Khác với than đá, uran không thể đơn giản đào từ đất lên, ném vào lò đốt cháy và nhận được điện ngay. Quá trình thu nhận năng lượng hạt nhân gồm nhiều giai đoạn và chúng được gọi là chu trình nhiên liệu hạt nhân.
Trong giai đoạn đầu quặng uran khai thác từ các nguồn được chở đến nhà máy. Ở nhà máy, từ các quặng uran người ta chiết xuất ra nhiên liệu hạt nhân, và sau đó chúng được vận chuyển đến các nhà máy điện hạt nhân. Ở giai đoạn tiếp theo nhiên liệu được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân để tạo ra năng lượng điện. Từ trước thời điểm này thì công việc ở nhà máy điện hạt nhân cũng tương tự như công việc của các nhà máy điện khác. Nhưng tiếp theo thì quy trình sẽ bắt đầu khác hoàn toàn. Ở giai đoạn cuối cùng nhiên liệu đã qua sữ dụng sẽ không loại bỏ như tro từ than đá hay các chất thải khác, mà chúng được đóng gói trong những container đặc biệt và chuyển đến kho bảo quản tạm thời.
- Ta sẽ làm gì với những container chứa nhiên liệu đã qua sữ dụng này?.
- Hiện nay hầu hết các nước trên thế giới sử dụng chu kỳ nhiên liệu hạt nhân mở. Có nghĩa là, nhiên liệu hạt nhân đã qua sữ dụng được chuyển đến lưu giữ ở một hầm chứa đặc biệt Thế nhưng tương lai sẽ dành cho chu trình hạt nhân kín, có nghĩa là nhiên liệu hạt nhân đã qua sữ dụng được tái chế và có thể sử dụng thêm một lần nữa. Quá trình này có thể so sánh với việc thu nhặt các loại giấy vụn hoặc kim loại phế liệu.
Liên bang Nga có công nghệ tiên tiến nhất thế giới để tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sữ dụng và kinh nghiệm độc đáo trong việc chế tạo các lò phản ứng hoạt động bằng các loại nhiên liệu như vậy. Những công nghệ này cho phép chúng ta làm cho năng lượng hạt nhân càng an toàn hơn và sạch sinh thái hơn.
- Nghe nói là trước khi sử dụng quặng uran phải được làm giàu. Vậy quá trình này có tốn kém lắm không?.
- Cho phép tôi được nói thêm là, quy trình làm giàu uran không có quan hệ dính líu gì với tiền bạc cả Thực chất vấn đề là uran tự nhiên được tạo thành từ các chất đồng vị khác nhau Đồng vị - đó là các dạng khác nhau của cùng một nguyên tố hóa học nhưng khối lương nguyên tử không giống nhau. Nói nôm na, sự khác biệt này gần giống như trường hợp quả táo, tất cả đều là táo nhưng từng loại táo thì khác nhau về kích thước, vị ngon và hương thơm.
Về mặt công nghệ, để sản xuất nhiên liệu hạt nhân ta chỉ có thể sử dụng được một loại nguyên tử uran, đó là uran hai trăm ba mươi lăm. Nhưng trong tự nhiên, chính loại đồng vị này chứa rất ít trong uran, chưa đầy một phần trăm. Để có thể làm nhiên liệu hạt nhân từ uran, tỷ lệ của đồng vị này cần phải tăng lên ít nhất là từ ba đến năm phần trăm. Trong kỹ thuật công việc này được gọi là làm giàu uran.
- Quá trình làm giàu uran diễn ra như thế nào, xin GS cho biết!.
- Để thực hiện việc phân loại các đồng vị của uran ta cần phải sử dụng máy ly tâm. Máy ly tâm là một thiết bị đặc biệt với một trống quay rất nhanh, tựa như trong máy giặt mà bạn có thể nhìn thấy.
Khi làm việc, trong buồng máy ly tâm quay, dòng khí uran được gia tăng tốc độ theo vòng tròn. Trong đó, các đồng vị nặng của khí uran bắn ra nằm ở thành trống, còn những đồng vị nhẹ hơn thì tích tụ lại xung quanh trục của hình trụ. Các máy ly tâm quay với tốc độ tuyệt vời, đến một ngàn vòng trong một giây. Giả sử nếu như bây giờ ta tắt động cơ làm chuyển động trống quay thi sau 2 tháng máy ly tâm mới dừng lại !.
Để làm giàu uran công việc phân loại các đồng vị được thực hiện hàng ngàn lần. Ở các nhà máy làm giàu người ta lắp đặt không phải chỉ một máy ly tâm, cũng không phải là mười máy, mà là hàng trăm ngàn chiếc. Chỉ tính chiều dài thôi thì các nhà xưỡng này dài đến 1 cây số. Cho nên, nếu chúng ta cứ tiếp tục lấy máy giặt để so sánh thì không sao có thể tưởng tượng nỗi một phòng giặt ủi vĩ đại với hàng triệu chiếc máy giặt.
Về thanh nhiên liệu.
- Thưa GS, có phải uran đã làm giàu sẽ cho luôn vào lò phản ứng để "đun" nồi hơi?.
- Trong giai đoạn tiếp theo uran sau khi đã làm giàu được chuyển thành dạng bột. Từ các bột này chúng ta chế tạo những viên uran. Chính các viên uran này sẽ được dùng trong các lò phản ứng hạt nhân.
Một viên uran như thế chỉ có trọng lượng khoảng bốn gờ-ram rưỡi và đường kính nhỏ hơn cái đê bọc khi khâu vá, nhưng có thể cho ta một lượng năng lượng nhiều bằng tổng cộng năng lượng nhận được khi chúng ta đốt ba trăm sáu mươi mét khối khí đốt, hoặc bốn trăm kilogran than đá. Sáu viên uran bé tý xíu như thế có tổng cộng trọng lượng khoảng gần ba mươi gờ-ram là đủ để sưởi ấm căn hộ của bạn trong suốt cả một năm!
Rất dễ hiễu là một viên uran cỏn con như thế là quá nhỏ để chất đầy buồng của một lò phản ứng ở nhà máy điện hạt nhân. Trong quá trình sản xuất năng lượng điện trong lò phản ứng hạt nhân cần sử dụng hàng ngàn viên uran như thế cùng một lúc. Không khó lắm để có thể tưởng tượng được bao nhiêu năng lượng được sản xuất ra trong một lò phản ứng hạt nhân.
- Các viên uran này sẽ cho vào lò phản ứng như thế nào?.
- Chúng không thể đổ vào trong lò phản ứng hạt nhân giống như ta thường cho gạo vào nồi nấu cháo. Các viên thành phẩm được đặt vào trong một ống kim loại. Ống này được gọi là thành phần cung cấp nhiệt năng hoặc gọi tắt là "Thanh nhiên liệu" (tiếng Nga la TVEL). Để nạp vào lò phản ứng hạt nhân các thanh nhiên liệu được tập hợp thành một bó khoảng vài chục thanh. Bó các thanh nhiên liệu như vậy được gọi là bộ phát nhiệt hay là bộ cấp nhiên liệu. Chính các bộ phát nhiệt được lắp ráp như thế được nạp vào lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân.
Về nguyên lý làm việc của lò phản ứng hạt nhân.
- Vậy thì chắc nguyên lý hoạt động của lò phản ứng NMĐ hạt nhân khác hẳn so với NM nhiệt điện?.
- Nguyên lý cũng khá đơn giản, nó giống như các nồi hơi thông thường khác, biến chuyển nước thành hơi. Sự khác biệt duy nhất là để đun nóng nước ta sử dụng năng lượng phát ra từ phản ứng phân hạch của các nguyên tử uran.
Để xây dựng một nhà máy nhiệt điện với công suất giống như nhà máy điện hạt nhân, chúng ta cần phải xây dựng một lò hơi nước cực lớn, cấu tạo từ hàng ngàn kilômét ống thép. Với sự phát triển của ngành năng lượng hạt nhân, cả cấu trúc khổng lồ đó sẽ được thay thế bằng một lò phản ứng hạt nhân kích thước tương đối gọn gàng.
- Điều gì xảy ra trong lò phản ứng?. Các thanh nhiên liệu "cháy" như thế nào?.
- Lò phản ứng hạt nhân có thể gọi là trái tim của nhà máy điện hạt nhân.Sau khi nạp đầy đủ nhiên liệu vào lò phản ứng thì bắt đầu diễn ra phản ứng dây chuyền. Trong thời gian xẩy ra phản ứng dây chuyền các hạt nơtơron tự do sẽ phân chia các hạt nhân nguyên tử uran. Cùng lúc đó năng lượng liên kết các phần tử của hạt nhân với nhau được giải phóng ra.
Thế đấy, trong lực liên kết này tiềm ẩn nguồn năng lượng khổng lồ, làm sôi nước trong lò phản ứng và biến nước thành hơi. Khi phân chia các nguyên tử uran, các hạt nơtơron mới lại được tạo ra. Các hạt nơtơron này tiếp tục phản ứng như vậy cho đến khi không còn nhiên liệu cho phản ứng nữa. Đó là lý do tại sao phản ứng phân hạch hạt nhân của các nguyên tử uran được gọi là phản ứng dây chuyền. Trong quá trình phản ứng này chúng ta chỉ cho phép phân chia một số lượng các nguyên tử uran cần thiết vừa đủ để sản xuất năng lượng điện theo quy định, chứ không nhiều hơn.
- Phản ứng dây chuyền như vậy không có gì kìm lại thì nguy hiểm quá không?.
- Để kiểm soát và điều khiển các phản ứng hạt nhân người ta sử dụng những thanh đặc biệt. Nếu thả hoàn toàn các thanh bảo vệ này vào lò phản ứng thì phản ứng hạt nhân sẽ dừng hẳn lại. Các hệ thống này cho phép điều khiển tiến trình của các phản ứng dây chuyền trong lò phản ứng hạt nhân một cách chính xác, và trong trường hợp cần thiết chúng ta có thể dừng phản ứng hoàn toàn.
- Ta sẽ làm gì với nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng?.
- Sau từ 5 đến 7 năm làm việc các nhiên liệu hạt nhân mới sẽ trở thành bức xạ hoặc đã dùng hết, khi đó chúng được tải ra khỏi lò phản ứng hạt nhân. Chúng có nhiệt độ rất cao, vì vậy trước khi vận chuyển các nhiên liệu này đi tái chế cần phải bảo quản chúng vài năm trong một bể chứa đặc biệt để cho nhiên liệu thải nguội dần đi.
Sau đó nhiên liệu bức xạ được đặt trong một container có độ bền đặc biệt cao và chuyển đi tái chế hoặc bảo quản. Đoàn tàu chở các container đó di chuyển theo tuyến đường riêng dưới sự giám sát rất nghiêm ngặt. Suốt hơn năm mươi năm vận chuyển nhiên liệu đã qua sử dụng, trên thế giới không xẩy ra trường hợp tai nạn hay sự cố nào có thể dẫn đến rò rỉ phóng xạ ra môi trường xung quanh.