Các phương hướng công nghệ điện hạt nhân trong tương lai đến (kỳ cuối)

Trong phần hai của bài viết, chúng tôi đề cập đến những phương hướng phát triển của điện hạt nhân trong tương lai xa theo các chu trình thorium, hệ lai (hybrid system), tổng hợp nhiệt hạch.

1/ Chu trình Thorium

Thorium (Th232) là một vật liệu cung cấp các hạt nhân phân rã (fertile) rất nhiều trong thiên nhiên.Khi hấp thụ một neutron và sau phân rã phóng xạ sẽ cho Pa 233 sau đó U 233-một đồng vị phân rã (fissile).Hạt nhân sau khi phân hạch tạo ra nhiều neutron hơn U 235 và Pu 239 trong phổ nhiệt.Hệ sử dụng Thorium ít sản xuất ra các nguyên tố siêu-uranium tạo nên chất thải hoạt độ cao.

2/ ADS (Accelerator-driven system) – hệ điều khiển bởi máy gia tốc để chuyển hóa (xem chú thích) chất thải

Trong quá trình sản xuất năng lượng một LPU sản ra nhiều đồng vị nặng (các nguyên tố siêu-uranium nặng hơn uranium) nhiều đồng vị đó có hoạt độ phóng xạ cao và  sống rất lâu.Trong số đó có plutonium có thể tách chiết ra từ các nhiên liệu đã cháy để tái xử lý trong các LPU (chế nhiên liệu MOX). Các nguyên tố khác như neptunium (Np), americium (Am) và curium (Cm) là những chất thải hoạt độ cao và sống lâu  (HLLL-High level long lived waste).

Những đồng vị đó (được gọi là minor actinide-xem chú thích) có thể chuyển hóa trong một LPU gọi là ADS còn được gọi là LPU lai (hybrid reactor). Trong hệ này sự cân bằng neutron trong LPU-một cơ cấu dưới tới hạn được bảo đảm bởi một một nguồn neutron ngoài. Nguyên lý ADS đơn giản:một máy gia tốc cung cấp proton bắn vào bia nằm trong tâm LPU tạo ra những neutron phụ để duy trì cân bằng neutron trong tâm lò dưới tới hạn. Sự sản sinh neutron xuất hiện trong quá trình phá vỡ (spallation).

                                   

Hình 7.Sơ đồ hoạt động của một ADS và quá trình phá vỡ

3/ Nhiệt hạch  và  ITER

Trong tương lai năng lượng nhiệt hạch là năng lượng lý tưởng nhất vì những lý do sau đây:

–   Không có vấn đề về trữ lượng ( năng lượng này sử dụng deuterium và lithium để tạo ra tritium;các nguyên tố này vô cùng nhiều trong thiên nhiên),

–   Không tạo ra bã thải hoạt độ cao và sống lâu,

–   Không tạo ra khí nhà kính,

–   Một lò nhiệt hạch là an toàn nội tại (plasma sẽ biến mất khi lò làm việc có sai lầm) và không có vấn đề về vật liệu hạt nhân.

Song công nghệ sử dụng nhiệt hạch đối diện với nhiều vấn đề công nghệ đòi hỏi nhiều RD quan trọng để đạt đến sản xuất công nghiệp điện năng.

Nguyên lý sản năng lượng nhiệt hạch là phản ứng tổng hợp hạt nhân (ở nhiệt độ cao,109độ K=1.000.000.000 độ C+273,5):

Trong đó  = deuterium D – một đồng vị của hydrogen, còn  = tritium T – một đồng vị khác của hydrogen. Chú ý =  helium là một hạt nhân bền không phóng xạ.Muốn có phản ứng nhiệt hạch cần có nhiệt độ cao tạo nên plasma của D, T và electron. Cần giam giữ plasma nhờ từ trường trong một khoảng không gian. Hiện nay thiết bị được nghiên cứu nhiều nhất có tên là “tokamak” (Xem hình 8). Tokamak được sáng chế trong những năm 1950 bởi các nhà vật lý Xô viết cũ Igor Tamm và Andrei Sakharov dựa trên ý tưởng của Oleg Lavrentiev.

Dự án ITER nhằm mục đích nghiên cứu về khoa học và công nghệ năng lượng nhiệt hạch (European Union, Nga, Nhật Bản, Mỹ, Trung Quốc, Hàn Quốc…) để chứng minh rằng có thể dùng phản ứng nhiệt hạch để tạo năng lượng công nghiệp.

Hình 8. Các ion D & T được chuyển động theo các đường của trường (hình bên trái)

Một tổ hợp các cuộn dây tạo ra từ trường mạnh giam giữ plasma D,T&electron (hình bên phải).

Việc chế tạo Tokamak đối diện với những vấn đề R&D lớn trong khoa học và công nghệ. Người ta hy vọng Tokamak sẽ cung cấp năng lượng vào nửa sau thế kỷ 21.

Kết luận

Trong tương lai người ta mong đợi những tiến bộ cơ bản về công nghệ. Cần tiến hành công tác R&D về những LPU loại mới. Sự nghiên cứu các LPU không thể tách rời với việc nghiên cứu các chu trình nhiên liệu. Sự sử dụng năng lượng hạt nhân chỉ bền vững nếu nguyên liệu hạt nhân được tái xử lý- tái chế.

Diễn đàn GEN IV như trên đã nói đã đưa ra 6 ý tưởng về các hệ (LPU) cho công cuộc RD lâu dài trong đó có 4 ý tưởng về hệ chứa “chu trình nhiên liệu kín” (GFR, LFR, MSR & SFR trong đó MSR và SCWR có 2 phương án với chu trình nghiên liệu kín và hở) Vấn đề xử lý chất thải được công chúng rộng rãi quan tâm cũng là một vấn đề nhạy cảm cần được phát triển lên một tầm mức mới với quy mô toàn cầu trong tương lai.

Phòng chân không của LPU Tokamak

Chú thích:

Tách chiết (partitioning) = quá trình hóa học dùng tách chiết các nguyên tố từ các nhiên liệu đã cháy

Actinide = các hạt nhân nặng (với nguyên tử số từ 89 đến 104 đứng sau actinium và có các tính chất giống actinium) hình thành do sự bắt liên tiếp neutron xuất phát từ các đồng vị 235, 238 .Gồm actinides majeurs: U & Pu & actinides mineurs:Np, Am, Cm.

Chuyển hóa (transmutation) = biến một đồng vị phóng xạ sống lâu thành một đồng vị sống ngắn hoặc đồng vị bền

 

 

Tác giả