Năng lượng hạt nhân đang được coi là chìa khóa cho một tương lai bền vững và vô tận, theo các nhà khoa học. Với sự phát triển của các "pin hạt nhân" hay còn gọi là microreactors, chúng ta đang chứng kiến sự thu nhỏ của một nguồn năng lượng mạnh mẽ, hứa hẹn an toàn và tiết kiệm hơn so với năng lượng hạt nhân truyền thống.
Nhìn lại lịch sử, khi nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở Mỹ đi vào hoạt động năm 1957, người ta kỳ vọng vào việc ứng dụng năng lượng hạt nhân. Tuy nhiên, sau những thảm họa như Chernobyl và Three Mile Island vào những năm 1990, lòng tin của công chúng giảm sút dẫn đến việc nghiên cứu và xây dựng nhà máy mới bị trì hoãn trong nhiều thập kỷ. Gần đây, khi nhu cầu năng lượng tại Mỹ gia tăng, sự quan tâm đối với năng lượng hạt nhân đã trở lại. Khác với những nhà máy khổng lồ trước đây, các microreactors hiện nay có kích thước nhỏ gọn, có thể dễ dàng vận chuyển trên xe tải. Điều này sẽ giúp giải quyết bài toán năng lượng cho nhiều khu vực, chẳng hạn như một khuôn viên đại học hay một cộng đồng khai thác mỏ xa xôi. Chúng cũng có thể được lắp đặt trên các bến tàu và hoạt động như các nhà máy điện hạt nhân nổi, cung cấp năng lượng đến những nơi cần thiết trên biển.
Kích thước nhỏ của microreactors đi kèm với một số yếu tố cần cân nhắc. Trong khi một nhà máy điện hạt nhân truyền thống có thể sản xuất một gigawatt điện mỗi năm, thì các microreactors chỉ sản xuất từ 1 đến 20 megawatts – vẫn đủ để cung cấp điện cho hàng nghìn hộ gia đình trong một năm. Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc giảm thiểu đáng kể rủi ro. Theo Jacopo Buongiorno, Ph.D., giáo sư kỹ thuật hạt nhân tại MIT, nếu dự án microreactor thất bại, có thể chỉ mất khoảng 200 triệu USD, thay vì 15 tỷ USD như những nhà máy lớn.
Với mức chi phí dễ chịu hơn, microreactors thu hút sự quan tâm của nhiều công ty, từ những startup mới như Radiant Nuclear và Oklo cho đến những ông lớn như Westinghouse. Tuy nhiên, để có một sản phẩm thương mại khả thi, việc nghiên cứu và phát triển, thử nghiệm cũng như xin phê duyệt quy định là một quá trình dài và tốn kém.
Các reactors hạt nhân đều dựa vào phản ứng phân hạch hạt nhân, tức là quá trình tách một nguyên tử (thường là Uranium-235) bằng cách bắn neutron vào nó, từ đó giải phóng năng lượng. Một chất làm mát sẽ thu nhiệt từ lõi reactor, chuyển hóa thành hơi nước, quay turbine và sản xuất điện. Để duy trì phản ứng, cần có một chất điều tiết để làm chậm neutron, tạo điều kiện để chúng va chạm với các nguyên tử uranium.
Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân ở Mỹ hiện nay, gọi là reactors nước nhẹ, sử dụng nước làm cả chất làm mát và điều tiết. Nhưng việc thu nhỏ kích thước reactors hạt nhân đã khiến các nhà nghiên cứu thử nghiệm với các vật liệu và chiến lược khác nhau, nhằm duy trì phản ứng liên tục mà không bị hao hụt quá nhiều neutron. Họ tạo ra nhiên liệu TRISO – những viên cầu Uranium-235 có độ mật độ cao được bao bọc bởi các lớp carbon và gốm, giúp chống cháy nổ.
Thêm vào đó, để nâng cao hiệu suất, nhà nghiên cứu đã thay nước bằng các chất làm mát như muối nóng chảy, kim loại lỏng và khí heli – tất cả đều có nhiệt độ sôi cao hơn nước. Trong trường hợp xảy ra sự cố hay tắt đột ngột, các microreactors hiện đại an toàn hơn so với các thế hệ trước, vốn phụ thuộc vào điện để duy trì các biện pháp an toàn. Chẳng hạn, động đất và sóng thần năm 2011 tại Fukushima đã khiến hệ thống làm mát phụ thuộc vào điện bị vô hiệu hóa.
Microreactors được thiết kế sao cho có thể tự làm mát mà không cần điện hay bơm. Các cơ chế tự nhiên như dẫn nhiệt, sự sụt giảm áp suất và truyền nhiệt bằng bức xạ giúp giữ an toàn cho hệ thống. Tỉ lệ khả năng rò rỉ phóng xạ là “cực kỳ thấp,” theo Jess Gehin, Ph.D., Giám đốc Phòng thí nghiệm tại Idaho National Labs nơi các công ty như Westinghouse và Radiant dự định thử nghiệm microreactors của họ.
Năng lượng hạt nhân vẫn còn nhiều tiềm năng chưa được khai thác, điều này khiến các nhà khoa học như Gehin cảm thấy hào hứng. Năng lượng hóa thạch thường bị ảnh hưởng bởi biến động thị trường, trong khi năng lượng mặt trời và gió phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Ngược lại, năng lượng hạt nhân không phát thải carbon, có thể hoạt động 24/7 và rất đáng tin cậy, có thể vận hành từ 5 đến 8 năm mà không cần tiếp nhiên liệu.
Các công ty công nghệ lớn với nhu cầu năng lượng khổng lồ cũng đã chú ý đến vấn đề này. Nhiều trường đại học như Penn State và MIT đã thể hiện sự quan tâm đến việc áp dụng hệ thống eVinci để cung cấp năng lượng cho các khuôn viên của họ. Microreactors cũng lý tưởng cho những cộng đồng xa xôi như các căn cứ quân sự hay các khu khai thác, nơi mà việc cung cấp dầu diesel thường khó khăn và tốn kém. Hơn nữa, chúng hoạt động tự động chỉ cần một hoặc hai nhân viên để theo dõi, thay vì phải có đội ngũ lớn như các nhà máy điện hạt nhân truyền thống.
Westinghouse dự định ra mắt các đơn vị thương mại đầu tiên vào năm 2030. Jon Ball, Ph.D., người đứng đầu dự án microreactor eVinci của Westinghouse, hy vọng rằng một ngày nào đó chúng ta có thể sản xuất microreactors giống như cách Henry Ford sản xuất ô tô trong nhà máy.
Ông Ball tỏ ra lạc quan: “Đây là công nghệ có thể thực sự giúp tạo ra một kỷ nguyên mà năng lượng trở nên phong phú, dễ tiếp cận, an toàn và có sẵn ở khắp mọi nơi – cả trên Trái Đất và trong không gian.”
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/energy/a64715655/mini-nuclear-modular-reactor/
Nhìn lại lịch sử, khi nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở Mỹ đi vào hoạt động năm 1957, người ta kỳ vọng vào việc ứng dụng năng lượng hạt nhân. Tuy nhiên, sau những thảm họa như Chernobyl và Three Mile Island vào những năm 1990, lòng tin của công chúng giảm sút dẫn đến việc nghiên cứu và xây dựng nhà máy mới bị trì hoãn trong nhiều thập kỷ. Gần đây, khi nhu cầu năng lượng tại Mỹ gia tăng, sự quan tâm đối với năng lượng hạt nhân đã trở lại. Khác với những nhà máy khổng lồ trước đây, các microreactors hiện nay có kích thước nhỏ gọn, có thể dễ dàng vận chuyển trên xe tải. Điều này sẽ giúp giải quyết bài toán năng lượng cho nhiều khu vực, chẳng hạn như một khuôn viên đại học hay một cộng đồng khai thác mỏ xa xôi. Chúng cũng có thể được lắp đặt trên các bến tàu và hoạt động như các nhà máy điện hạt nhân nổi, cung cấp năng lượng đến những nơi cần thiết trên biển.
Kích thước nhỏ của microreactors đi kèm với một số yếu tố cần cân nhắc. Trong khi một nhà máy điện hạt nhân truyền thống có thể sản xuất một gigawatt điện mỗi năm, thì các microreactors chỉ sản xuất từ 1 đến 20 megawatts – vẫn đủ để cung cấp điện cho hàng nghìn hộ gia đình trong một năm. Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc giảm thiểu đáng kể rủi ro. Theo Jacopo Buongiorno, Ph.D., giáo sư kỹ thuật hạt nhân tại MIT, nếu dự án microreactor thất bại, có thể chỉ mất khoảng 200 triệu USD, thay vì 15 tỷ USD như những nhà máy lớn.
Với mức chi phí dễ chịu hơn, microreactors thu hút sự quan tâm của nhiều công ty, từ những startup mới như Radiant Nuclear và Oklo cho đến những ông lớn như Westinghouse. Tuy nhiên, để có một sản phẩm thương mại khả thi, việc nghiên cứu và phát triển, thử nghiệm cũng như xin phê duyệt quy định là một quá trình dài và tốn kém.
Các reactors hạt nhân đều dựa vào phản ứng phân hạch hạt nhân, tức là quá trình tách một nguyên tử (thường là Uranium-235) bằng cách bắn neutron vào nó, từ đó giải phóng năng lượng. Một chất làm mát sẽ thu nhiệt từ lõi reactor, chuyển hóa thành hơi nước, quay turbine và sản xuất điện. Để duy trì phản ứng, cần có một chất điều tiết để làm chậm neutron, tạo điều kiện để chúng va chạm với các nguyên tử uranium.
Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân ở Mỹ hiện nay, gọi là reactors nước nhẹ, sử dụng nước làm cả chất làm mát và điều tiết. Nhưng việc thu nhỏ kích thước reactors hạt nhân đã khiến các nhà nghiên cứu thử nghiệm với các vật liệu và chiến lược khác nhau, nhằm duy trì phản ứng liên tục mà không bị hao hụt quá nhiều neutron. Họ tạo ra nhiên liệu TRISO – những viên cầu Uranium-235 có độ mật độ cao được bao bọc bởi các lớp carbon và gốm, giúp chống cháy nổ.
Thêm vào đó, để nâng cao hiệu suất, nhà nghiên cứu đã thay nước bằng các chất làm mát như muối nóng chảy, kim loại lỏng và khí heli – tất cả đều có nhiệt độ sôi cao hơn nước. Trong trường hợp xảy ra sự cố hay tắt đột ngột, các microreactors hiện đại an toàn hơn so với các thế hệ trước, vốn phụ thuộc vào điện để duy trì các biện pháp an toàn. Chẳng hạn, động đất và sóng thần năm 2011 tại Fukushima đã khiến hệ thống làm mát phụ thuộc vào điện bị vô hiệu hóa.
Microreactors được thiết kế sao cho có thể tự làm mát mà không cần điện hay bơm. Các cơ chế tự nhiên như dẫn nhiệt, sự sụt giảm áp suất và truyền nhiệt bằng bức xạ giúp giữ an toàn cho hệ thống. Tỉ lệ khả năng rò rỉ phóng xạ là “cực kỳ thấp,” theo Jess Gehin, Ph.D., Giám đốc Phòng thí nghiệm tại Idaho National Labs nơi các công ty như Westinghouse và Radiant dự định thử nghiệm microreactors của họ.
Năng lượng hạt nhân vẫn còn nhiều tiềm năng chưa được khai thác, điều này khiến các nhà khoa học như Gehin cảm thấy hào hứng. Năng lượng hóa thạch thường bị ảnh hưởng bởi biến động thị trường, trong khi năng lượng mặt trời và gió phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Ngược lại, năng lượng hạt nhân không phát thải carbon, có thể hoạt động 24/7 và rất đáng tin cậy, có thể vận hành từ 5 đến 8 năm mà không cần tiếp nhiên liệu.
Các công ty công nghệ lớn với nhu cầu năng lượng khổng lồ cũng đã chú ý đến vấn đề này. Nhiều trường đại học như Penn State và MIT đã thể hiện sự quan tâm đến việc áp dụng hệ thống eVinci để cung cấp năng lượng cho các khuôn viên của họ. Microreactors cũng lý tưởng cho những cộng đồng xa xôi như các căn cứ quân sự hay các khu khai thác, nơi mà việc cung cấp dầu diesel thường khó khăn và tốn kém. Hơn nữa, chúng hoạt động tự động chỉ cần một hoặc hai nhân viên để theo dõi, thay vì phải có đội ngũ lớn như các nhà máy điện hạt nhân truyền thống.
Westinghouse dự định ra mắt các đơn vị thương mại đầu tiên vào năm 2030. Jon Ball, Ph.D., người đứng đầu dự án microreactor eVinci của Westinghouse, hy vọng rằng một ngày nào đó chúng ta có thể sản xuất microreactors giống như cách Henry Ford sản xuất ô tô trong nhà máy.
Ông Ball tỏ ra lạc quan: “Đây là công nghệ có thể thực sự giúp tạo ra một kỷ nguyên mà năng lượng trở nên phong phú, dễ tiếp cận, an toàn và có sẵn ở khắp mọi nơi – cả trên Trái Đất và trong không gian.”
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/energy/a64715655/mini-nuclear-modular-reactor/
