Năng lượng hạt nhân được xem là chìa khóa cho nguồn năng lượng không giới hạn, và các nhà khoa học cho rằng công nghệ này có thể xuất hiện vào năm 2030. Việc thu nhỏ một nguồn năng lượng mạnh mẽ đang diễn ra, và nó hứa hẹn sẽ an toàn và tiết kiệm hơn so với năng lượng hạt nhân truyền thống. Khi nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của Mỹ đi vào hoạt động vào năm 1957, người dân tưởng chừng như đã sẵn sàng đón nhận năng lượng hạt nhân. Tuy nhiên, vào những năm 1990, các tai nạn tại Chernobyl và Three Mile Island đã làm giảm sút lòng tin của công chúng. Trong ba thập kỷ tiếp theo, nghiên cứu và xây dựng các lò phản ứng mới hầu như bị ngưng trệ.
Gần đây, với nhu cầu năng lượng gia tăng, sự quan tâm đến năng lượng hạt nhân đã trở lại. Tuy nhiên, khác với những nhà máy điện khổng lồ của thời kỳ trước, ngày nay có những lò phản ứng nhỏ hơn, được gọi là microreactors hay pin hạt nhân. Những thiết bị này có thể dễ dàng được vận chuyển bằng xe tải và có thể giúp giải quyết bài toán năng lượng của Mỹ. Chẳng hạn, một vài microreactors có thể cùng hoạt động để cung cấp điện cho một khuôn viên trường đại học hoặc một cộng đồng khai thác xa xôi. Thậm chí, chúng có thể được lắp đặt trên các sà lan và hoạt động như những nhà máy điện hạt nhân nổi, cung cấp năng lượng đến những nơi cần thiết.
Kích thước nhỏ gọn của microreactors mang lại một số thách thức. Trong khi một nhà máy điện hạt nhân lớn có thể sản xuất tới một gigawatt điện mỗi năm, thì các microreactors chỉ sản xuất từ 1 đến 20 megawatts—vẫn đủ để cung cấp điện cho hàng ngàn hộ gia đình trong một năm. Bù lại, rủi ro từ các lò phản ứng nhỏ này cũng giảm đáng kể. Theo Jacopo Buongiorno, giáo sư khoa học và kỹ thuật hạt nhân tại M.I.T, nếu một dự án microreactor thất bại, tổn thất có thể chỉ khoảng 200 triệu USD thay vì 15 tỷ USD như đối với các nhà máy lớn.
Mức giá hấp dẫn hơn rất nhiều khiến microreactors trở thành lựa chọn đáng xem xét cho nhiều công ty, từ các khởi nghiệp như Radiant Nuclear và Oklo cho đến các tập đoàn lớn đã có thâm niên trong ngành năng lượng hạt nhân như Westinghouse. Tuy nhiên, con đường đến sản phẩm thương mại khả thi rất phức tạp, bao gồm nghiên cứu và phát triển, thử nghiệm rộng rãi và phê duyệt quy định. Jon Ball, người đứng đầu dự án microreactor eVinci của Westinghouse, cho biết đó là một quá trình dài và nghiêm ngặt.
Tất cả các lò phản ứng hạt nhân đều tận dụng năng lượng từ quá trình phân hạch hạt nhân—quá trình tách một nguyên tử (thường là Uranium-235) bằng cách bắn neutron vào nó, giải phóng năng lượng và các neutron bổ sung. Một chất làm mát sẽ dẫn nhiệt từ lõi của lò phản ứng ra ngoài và chuyển hóa thành hơi nước, làm quay turbine để phát điện. Để tạo ra một phản ứng kéo dài, cần có một chất điều tiết để làm chậm neutron và tạo cơ hội cho chúng va chạm với các nguyên tử uranium khác.
Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân ở Mỹ sử dụng lò phản ứng nước nhẹ, trong đó nước là chất làm mát và chất điều tiết. Tuy nhiên, việc thu nhỏ kích thước lò phản ứng xuống kích cỡ microreactor—như eVinci của Westinghouse dài 9 mét—đã khiến các nhà nghiên cứu phải thử nghiệm với các vật liệu và chiến lược khác. Việc duy trì phản ứng dây chuyền trong các lò phản ứng nhỏ hơn cũng khó khăn hơn, vì tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao khiến nhiều neutron bị rò rỉ ra ngoài. Giải pháp được đưa ra là tăng độ "ngon" của nhiên liệu, tức là nâng cao tỷ lệ Uranium-235—thành phần quan trọng trong phản ứng phân hạch.
Nhu cầu nâng cao hiệu quả của lò phản ứng và sự cần thiết hoạt động ở nhiệt độ cao hơn đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu thay thế 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 tai nạn hoặc ngừng hoạt động bất ngờ, các microreactors hiện đại cũng an toàn hơn so với các thế hệ lò phản ứng hạt nhân trước đó, vốn dựa vào nguồn điện bên ngoài để vận hành các biện pháp an toàn quan trọng. Một ví dụ điển hình là trận động đất và sóng thần ở Fukushima, Nhật Bản năm 2011 đã làm giảm khả năng hoạt động của các hệ thống làm mát phụ thuộc vào điện để ngăn ngừa sự tan chảy của lõi.
Ngược lại, các microreactors được thiết kế để tự làm mát, tức là không cần điện hay bơm. Theo Jess Gehin, một giám đốc phòng thí nghiệm tại Idaho National Labs, nơi mà các công ty như Westinghouse và Radiant lên kế hoạch thử nghiệm microreactors của họ, chúng có thể mất nhiệt thông qua các cơ chế không cần can thiệp như dẫn nhiệt, giảm áp suất hoặc truyền nhiệt bức xạ. Tóm lại, xác suất xảy ra rò rỉ phóng xạ là "cực kỳ thấp".
Tiềm năng chưa được khai thác của năng lượng hạt nhân khiến nhiều nhà khoa học như Gehin hứng khởi. Năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch dễ bị ảnh hưởng bởi những biến động của thị trường, điều này tác động đến giá cả; 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 liên tục 24/7 và rất đáng tin cậy," Gehin cho biết. Một khi được khởi động, chúng có thể hoạt động từ 5 đến 8 năm mà không cần nạp nhiên liệu.
Các công ty công nghệ lớn, với các trung tâm dữ liệu và nhu cầu năng lượng khổng lồ, đã chú ý đến vấn đề này. Các trường đại học cũng không nằm ngoài xu hướng này. Cả Penn State và MIT đều bày tỏ sự quan tâm đến việc áp dụng eVinci để cung cấp năng lượng cho các khuôn viên của họ. Microreactors cũng là lựa chọn tuyệt vời cho các cộng đồng xa xôi như các căn cứ quân sự hoặc các khu vực khai thác, nơi giá dầu cao và thường khó tiếp cận. Hơn nữa, các lò phản ứng này có thể tự vận hành, chỉ cần một hoặc hai người để điều phối thay vì hàng trăm nhân viên làm việc tại các nhà máy điện hạt nhân truyền thống.
Westinghouse dự kiến sẽ triển khai các đơn vị thương mại đầu tiên vào năm 2030. Và Ball hy vọng rằng trong tương lai, chúng ta có thể "sản xuất các microreactors tương tự như cách Henry Ford sản xuất ô tô trong một nhà máy." Ông lạc quan, "Đây là công nghệ có thể thực sự giúp tạo ra một kỷ nguyên mà năng lượng dồi dào, dễ tiếp cận, an toàn và có mặt ở khắp mọi nơi—cả trên Trái Đất lẫn không gian."
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/energy/a64715655/mini-nuclear-modular-reactor/
Gần đây, với nhu cầu năng lượng gia tăng, sự quan tâm đến năng lượng hạt nhân đã trở lại. Tuy nhiên, khác với những nhà máy điện khổng lồ của thời kỳ trước, ngày nay có những lò phản ứng nhỏ hơn, được gọi là microreactors hay pin hạt nhân. Những thiết bị này có thể dễ dàng được vận chuyển bằng xe tải và có thể giúp giải quyết bài toán năng lượng của Mỹ. Chẳng hạn, một vài microreactors có thể cùng hoạt động để cung cấp điện cho một khuôn viên trường đại học hoặc một cộng đồng khai thác xa xôi. Thậm chí, chúng có thể được lắp đặt trên các sà lan và hoạt động như những nhà máy điện hạt nhân nổi, cung cấp năng lượng đến những nơi cần thiết.
Kích thước nhỏ gọn của microreactors mang lại một số thách thức. Trong khi một nhà máy điện hạt nhân lớn có thể sản xuất tới một gigawatt điện mỗi năm, thì các microreactors chỉ sản xuất từ 1 đến 20 megawatts—vẫn đủ để cung cấp điện cho hàng ngàn hộ gia đình trong một năm. Bù lại, rủi ro từ các lò phản ứng nhỏ này cũng giảm đáng kể. Theo Jacopo Buongiorno, giáo sư khoa học và kỹ thuật hạt nhân tại M.I.T, nếu một dự án microreactor thất bại, tổn thất có thể chỉ khoảng 200 triệu USD thay vì 15 tỷ USD như đối với các nhà máy lớn.
Mức giá hấp dẫn hơn rất nhiều khiến microreactors trở thành lựa chọn đáng xem xét cho nhiều công ty, từ các khởi nghiệp như Radiant Nuclear và Oklo cho đến các tập đoàn lớn đã có thâm niên trong ngành năng lượng hạt nhân như Westinghouse. Tuy nhiên, con đường đến sản phẩm thương mại khả thi rất phức tạp, bao gồm nghiên cứu và phát triển, thử nghiệm rộng rãi và phê duyệt quy định. Jon Ball, người đứng đầu dự án microreactor eVinci của Westinghouse, cho biết đó là một quá trình dài và nghiêm ngặt.
Tất cả các lò phản ứng hạt nhân đều tận dụng năng lượng từ quá trình phân hạch hạt nhân—quá trình tách một nguyên tử (thường là Uranium-235) bằng cách bắn neutron vào nó, giải phóng năng lượng và các neutron bổ sung. Một chất làm mát sẽ dẫn nhiệt từ lõi của lò phản ứng ra ngoài và chuyển hóa thành hơi nước, làm quay turbine để phát điện. Để tạo ra một phản ứng kéo dài, cần có một chất điều tiết để làm chậm neutron và tạo cơ hội cho chúng va chạm với các nguyên tử uranium khác.
Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân ở Mỹ sử dụng lò phản ứng nước nhẹ, trong đó nước là chất làm mát và chất điều tiết. Tuy nhiên, việc thu nhỏ kích thước lò phản ứng xuống kích cỡ microreactor—như eVinci của Westinghouse dài 9 mét—đã khiến các nhà nghiên cứu phải thử nghiệm với các vật liệu và chiến lược khác. Việc duy trì phản ứng dây chuyền trong các lò phản ứng nhỏ hơn cũng khó khăn hơn, vì tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao khiến nhiều neutron bị rò rỉ ra ngoài. Giải pháp được đưa ra là tăng độ "ngon" của nhiên liệu, tức là nâng cao tỷ lệ Uranium-235—thành phần quan trọng trong phản ứng phân hạch.
Nhu cầu nâng cao hiệu quả của lò phản ứng và sự cần thiết hoạt động ở nhiệt độ cao hơn đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu thay thế 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 tai nạn hoặc ngừng hoạt động bất ngờ, các microreactors hiện đại cũng an toàn hơn so với các thế hệ lò phản ứng hạt nhân trước đó, vốn dựa vào nguồn điện bên ngoài để vận hành các biện pháp an toàn quan trọng. Một ví dụ điển hình là trận động đất và sóng thần ở Fukushima, Nhật Bản năm 2011 đã làm giảm khả năng hoạt động của các hệ thống làm mát phụ thuộc vào điện để ngăn ngừa sự tan chảy của lõi.
Ngược lại, các microreactors được thiết kế để tự làm mát, tức là không cần điện hay bơm. Theo Jess Gehin, một giám đốc phòng thí nghiệm tại Idaho National Labs, nơi mà các công ty như Westinghouse và Radiant lên kế hoạch thử nghiệm microreactors của họ, chúng có thể mất nhiệt thông qua các cơ chế không cần can thiệp như dẫn nhiệt, giảm áp suất hoặc truyền nhiệt bức xạ. Tóm lại, xác suất xảy ra rò rỉ phóng xạ là "cực kỳ thấp".
Tiềm năng chưa được khai thác của năng lượng hạt nhân khiến nhiều nhà khoa học như Gehin hứng khởi. Năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch dễ bị ảnh hưởng bởi những biến động của thị trường, điều này tác động đến giá cả; 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 liên tục 24/7 và rất đáng tin cậy," Gehin cho biết. Một khi được khởi động, chúng có thể hoạt động từ 5 đến 8 năm mà không cần nạp nhiên liệu.
Các công ty công nghệ lớn, với các trung tâm dữ liệu và nhu cầu năng lượng khổng lồ, đã chú ý đến vấn đề này. Các trường đại học cũng không nằm ngoài xu hướng này. Cả Penn State và MIT đều bày tỏ sự quan tâm đến việc áp dụng eVinci để cung cấp năng lượng cho các khuôn viên của họ. Microreactors cũng là lựa chọn tuyệt vời cho các cộng đồng xa xôi như các căn cứ quân sự hoặc các khu vực khai thác, nơi giá dầu cao và thường khó tiếp cận. Hơn nữa, các lò phản ứng này có thể tự vận hành, chỉ cần một hoặc hai người để điều phối thay vì hàng trăm nhân viên làm việc tại các nhà máy điện hạt nhân truyền thống.
Westinghouse dự kiến sẽ triển khai các đơn vị thương mại đầu tiên vào năm 2030. Và Ball hy vọng rằng trong tương lai, chúng ta có thể "sản xuất các microreactors tương tự như cách Henry Ford sản xuất ô tô trong một nhà máy." Ông lạc quan, "Đây là công nghệ có thể thực sự giúp tạo ra một kỷ nguyên mà năng lượng dồi dào, dễ tiếp cận, an toàn và có mặt ở khắp mọi nơi—cả trên Trái Đất lẫn không gian."
Nguồn tham khảo: https://www.popularmechanics.com/science/energy/a64715655/mini-nuclear-modular-reactor/
