XUÂN
KHÊ Dịch
Có thể khi
mới nghe hai tiếng “hạt nhân” có thể
trong đầu bạn đă lóe lên những h́nh
ảnh trái ngược, có thể là những nhà
máy bê tông kiên cố tỏa hơi lên mây hay ghê
hơn là một thảm họa và đám mây h́nh
nấm bốc cao lên bầu trời ?
Một số
người khen ngợi kỹ thuật mới này
nhằm vào giá thành hạ, là loại ít khí
thải nhằm thay thế cho các thứ nhiên
liệu hóa thạch, trong khi đó những người
khác lại đang lo sợ tới những
hậu quả xấu từ những chất
thải hạt nhân và cùng các tai nạn chẳng
hạn như các vụ Three Mile Island (Hoa kỳ ) và
Chernobyl (Liên xô). (h́nh dưới)
Có nhiều
điều bàn căi về vai tṛ của điện
năng nguyên tử ảnh hưởng tới
đời sống con người, nhưng dù sao
chúng ta cũng nên t́m hiểu một ít về
bề trong các nhà máy điện hạt nhân có
những ǵ ?
430 nhà máy
điện hạt nhân
Tính
tới tháng 7 năm 2008, chúng ta có tổng
cộng 430 nhà máy điện hạt nhân trên
thế giới, cung cấp tới 15% tổng
số điện năng thế giới của năm
2007. Trong số 31 nước có nhà máy điện
hạt nhân th́ có nhiều nước lệ
thuộc nhiều vào lượng điện
hạt nhân cung cấp, lấy thí dụ, nước
Pháp 77% lượng điện tiêu thụ do điện
hạt nhân cung ứng (NEI). Lithuania đứng
hạng nh́ khoảng 65%. Tại Hoa kỳ, có
tới 104 nhà máy điện hạt nhân sản
xuất tới 20% lượng điện toàn
quốc, trong đó có vài tiểu bang tỷ
lệ dùng lại cao hơn các tiểu bang khác.
Ngoài năng lượng
thiên tạo khổng lồ từ hai chữ
“hạt nhân” vốn sẵn cho nhà máy điện
hạt nhân, cơ cấu hoạt động
của nhà máy điện hạt nhân cũng khác
xa với nhà máy nhiệt điện chạy
bằng than đá. Cả hai đều làm nóng nước
để tạo nên áp suất cao từ hơi nước
và từ đó sẽ khởi động turbine.
Cốt lơi khác nhau giữa 2 nhà máy này là từ
phương pháp đun nóng nước. Một bên
th́ cổ lổ xỉ đốt cháy các nhiên
liệu hóa thạch, một bên th́ lệ
thuộc vào phản ứng hạch tâm với
sự bắn phá các nguyên tử để
tạo nên nhiệt năng. Chúng ta thử t́m
hiểu tiến tŕnh của phản ứng
hạch tâm ra làm sao, chúng ta sẽ xem cái ǵ
xảy ra trong và ngoài nhà máy điện hạt nhân
và thử luận bàn về bênh hay chống nhà máy
điện hạt nhân.
PHẢN
ỨNG HẠCH TÂM (Nuclear Fission)
Từ
nhà viết truyện hài cho đến nhà vật
lư lư thuyết cứ khi nghĩ đến vai tṛ
hạch nhân, tách đôi nhân của nguyên tử
thường cho rằng đây là vai tṛ hiện
đại thay quyền tạo hóa của con người,
và con người ta dễ quên rằng thật ra
phản ứng hạch nhân xảy ra tự nhiên hàng
ngày vậy thôi. URANIUM, chẳng hạn, liên miên
bất tận tự chịu đựng phản
ứng hạch nhân với tốc độ
rất chậm. Đây là lư do tại sao chúng ta
khám phá các nguyên tố này có phát tán phóng xạ,
và đây là lư do tự nhiên cho phản ứng phân
hạch mà các nhà máy hạt nhân đang cần.
Uranium
là nguyên tố thông dụng trên địa
cầu chúng ta. Nó hiện hữu từ khi hành
tinh chúng ta được thành lập. Uranium –
238 (U-238) có thời gian half life (thời gian cần
có cho một nửa số lựơng các nguyên
tử mục nát) rất dài có thể tới 4.5
tỷ năm. Đó là lư do nó tồn tại
với số lượng lớn. U-238 đạt
tới 99% số lượng Uranium trên địa
cầu, trong khi đó Uranium 235 (U-235) chỉ có
khoảng 0.7% của số c̣n lại trong tự
nhiên thôi. Uranium 234 lại c̣n hiếm hơn
nữa, thành lập từ sự thoái hóa U-238 mà
ra. U-238 tiếp tục qua nhiều giai tầng thoái
hóa (decay) trong suốt cuộc đời của nó
cho đến thời điểm cuối cùng
ổn định thành ch́ (lead), như thế
U-234 là một giai tầng trong suốt tiến tŕnh
thoái hóa (decay) này của U-238.
U-235
có một thuộc tính đặc biệt v́ nó
vừa là nguyên liệu cho cả hai nhà máy điện
hạt nhân vừa làm bom hạt nhân. U-235 thoái hóa
tự nhiên cũng giống U-238 nhưng U-235
chỉ hợp với phản ứng phân hạch:
một neutron tự do sẽ bắn vào nhân
của U-235 và bị thu hút ngay tạo nên t́nh
trạng bất ổn định và bị
chẻ đôi (splited) ra tức thời.
Xác xuất nguyên tử U-235 bắt giữ neutron
tự do đang bắn vụt qua rất cao.
Sự thật, trong điều kiện các ḷ
phản ứng một neutron khi bị tách ra do
phản ứng phân hạch này sẽ tiếp
tục gây ra phản ứng dây chuyền ngay
tức khắc bằng cách gây ra cả loạt phân
hạch liên tục nhau.
Ngay
vừa khi các nhân nguyên tố tóm được
neutron tự do nhân này sẽ bị chẻ đôi
ra thành hai nguyên tố nhẹ hơn và lại
bắn ra hai hay ba neutron tự do khác (tùy thuộc
vào cách mà nguyên tố U-235 bị tách ra). Nói th́
chậm nhưng tiến tŕnh thu giữ và bị
chẻ đôi này rất nhanh ngoài trí tưởng
tượng chúng ta thời gian chỉ vài
picoseconds. (1 picosecond= 1/ 10^12) [1 giây chia ra 10^12 (lũy
thừa 12) lần]
Sự
phân ră của một nguyên tử U-235 phóng thích
khoảng 200 MeV (triệu elctron volts). Coi bộ không
bao nhiêu nhưng với vô số nguyên tử (Atom)
Uranium trong 1 pound uranium. Số lượng này
thực sự rất lớn khi so sánh 1 pound uranium
đă tinh luyện (làm giàu) nó cung cấp một
năng lượng đồ sộ tương
đương với 1 triệu gallons dầu khí.
Sự
tách đôi của một nhân nguyên tử phóng thích
một nhiệt năng khổng lồ cùng tia phóng
xạ gamma tia phóng xạ tạo ra từ quang
tử (photons) năng lượng cao. Hai nguyên
tử mới do sự bắn phá kể trên
lại phóng thích ra tia beta (âm điện tử siêu
nhanh) cùng tia gamma của chính nó như vừa nói
trên.
Năng
lượng phóng thích từ phản ứng phân
hạch tạo ra hai nguyên tố nhẹ hơn và
một số trung ḥa tử (neutron) phân ly khối
lượng so với nguyên tử U-235 nguyên
thủy sẽ ít hơn. Khối lượng
bị biến mất này v́ nó đă chuyển
biến thành năng lượng với phương
tŕnh EINSTEIN: (h́nh trái)
E=
năng lượng (JOULES)
m= khối lượng nguyên liệu đă mất
(KG)
c= tốc độ ánh sáng (299,792,458 M/SEC)[hay
gần bằng 300,000,000 mét/giây]
Muốn
nhà máy điện hạt nhân hoạt động
phải tinh luyện hay làm giàu tới trên 3% U-235
mới hoạt động. C̣n so với vũ khí
hạt nhân th́ lượng U-235 phải làm giàu (enriched)
ít nhất 90% mới thực hiện nỗi.
C̣n
Plutonium th́ sao?
Uranium 235 không phải là nguyên liệu duy nhất
cho nhà máy điện hạt nhân. Có một nguyên
tố khác cho phản ứng phân hạch nữa
đó là plutonium 239. Plutonium 239 tạo thành từ
sự bắn phá U-238 bằng các trung ḥa tử,
phản ứng năng gặp trong các ḷ phản
ứng hạt nhân.
3
t́nh trạng BẤT ĐẠT, ĐẠT, VÀ SIÊU
ĐẠT
[subcritical, critical, supercritical]
Khi
một nguyên tử U-235 bị tách đôi, có hai
hay 3 trung ḥa tử (neutron) bị phân ly. Nếu không
c̣n nguyên tử U-235 gần đó, những trung ḥa
tử tự do này sẽ bay thẳng vào khoảng
không tạo thành tia Neutron. Tuy nhiên, nếu c̣n
nhiều U-235 khác xung quanh th́ các trung ḥa tử này
có cơ hội bắn phá (collide). Một hay Hai
trung ḥa tử sẽ tung vào nguyên tử U-235
kế đó? Câu trả lời tùy thuộc vào t́nh
trạng của ḷ phản ứng này mà thôi.
T̀NH
TRẠNG ĐẠT, (CRITICAL)
Nếu
trung b́nh chúng ta có đích xác 1 trung ḥa tử
bằn vào nhân của U-235 khác để gây ra phân
hạch, chúng ta nói khối lượng uranium này
ổn định. Và khối lượng sẽ
tồn tại trong nhiệt độ ổn định.
T́nh
trạng BẤT ĐẠT, (SUB-CRITICAL)
Nếu,
trung b́nh ít hơn 1 trung ḥa tử tự do sẽ
bắn phá vào U-235 kế tục, và khối lượng
sẽ bất ổn định. Sau này, phản
ứng phân hạch sẽ chấm dứt .
T́nh
trạng SIÊU ĐẠT (SUPER CRITICAL)
Nếu
trung b́nh nhiều hơn 1 từ những trung ḥa
tử tự do này bắn vào các nguyên tử U-235
khác tức là t́nh trạng siêu đạt nó
sẽ làm ḷ phản ứng này bị nóng lên.
Trong
thiết kế bom hạt nhân, các kỹ sư
rất cần các nguyên liệu SIÊU ĐẠT này
ngỏ hầu tất cả các nguyên tố U-235
đều bị bắn phá sạch trong 1
microsecond (1 phần ngàn giây). Bạn hăy tưởng
tượng các hạt bắp trong túi giấy cùng
nổ một lần để tránh t́nh trạng
ghê sợ này.
Tuy thế, trong ḷ phản ứng điều các
bạn muốn hay ngay cả thế giới đều
mong muốn, tất cả các nguyên tử đều
bị chẻ tung ra MỘT LẦN. Nhưng vùng
trung tâm của ḷ phản ứng lại cần t́nh
trạng siêu đạt nhẹ nhàng thôi. Các thanh
nhiên liệu điều phối sẽ tạo
điều kiện cho các nhân viên điều
khiển cách để hấp thụ bớt các
trung ḥa tử tự do sao cho t́nh trạng ḷ
phản ứng chỉ ở vào t́nh trạng ĐẠT
(critical) mà thôi.
H́nh
phải: Sơ đồ nhà máy điện
hạt nhân
Làm
thế nào để các kỹ sư có thể duy
tŕ t́nh trạng ĐẠT của uranium?
Số lượng của Uranium trong toàn khối
nguyên liệu (tỷ lệ làm giàu) đóng vai tṛ
quan trọng cũng như tạo h́nh cho khối năng
lựong này. Nếu h́nh dạng là tấm nguyên
liệu rất mỏng, đa số các trung ḥa
tử tự do sẽ bay mất vào không gian hơn
là bắn vào các nguyên tử U-235 khác. Khối
cầu là h́nh dạng tối ưu và bạn
cần 2 pounds (0.9 kg) của U 235 để đi
tới t́nh trạng ĐẠT. Nếu với
Pu-239 tŕnh trạng ĐẠT chỉ cần
tới 10 ounces (283 grams) thôi.
BÊN
TRONG NHÀ MỘT MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
Để
chuyển hóa phản ứng hạch tâm thành điện
năng,
Bước đầu của nhân viên vận hành
phải biết cách thức điều khiển
nguồn năng lượng khổng lồ thu
được từ nguồn Uranium đă
được “làm giàu” (enriched) đun nóng
nguồn nước tạo thành nguồn lực
từ hơi nước.
Uranium
đă được “làm giàu” phải đúc
theo một khuôn mẫu nhất định dài 2.5
centimet, mỗi viên có đường kính bằng
đồng 10 xu (dime)= 1.791mm.
Bước kế những viên nhỏ h́nh trụ
này được xếp thành từng thanh dài, và
những thanh dài này được bó với nhau
thành từng BÓ. Chúng ta tạm gọi là THANH NHIÊN
LIỆU. Những thanh nhiên liệu này được
nhúng vào trong nước đựng trong những
nồi áp lực. Tác dụng của nước dùng
để làm nguội. Để ḷ phản
ứng hoạt động được
những thanh nhiên liệu nói trên phải ở
trạng thái SIÊU ĐẠT một phần nào.
H́nh
trái: Thanh nhiên liệu URANIUM
Nếu
chỉ đơn giản vậy thôi cứ để
yên vậy uranium sẽ quá nóng và cuối cùng nóng
chảy ra. Muốn tránh t́nh trạng quá nóng, chúng
ta phải có nhiều THANH ĐIỀU PHỐI
tạo ra từ những chất liệu có tính
hấp thụ các neutron và những thanh này
lại được nhét vào trong các thanh nhiên
liệu cùng với kỹ thuật người ta
có thể gia tăng hay giảm hiệu năng
hấp thụ của các thanh điều phối
này. Việc tăng giảm hiệu năng hấp
thụ từ các thanh điều phối này cho phép
các điều khiển viên kiểm soát được
tỷ lệ phản ứng hạt nhân.
Khi
một nhân viên điều khiển muốn các
thanh nhiên liệu cung ứng tối đa nhiệt
năng th́ các thanh điều phối này
được rút ra khỏi các thanh nhiên liệu.
Trái lại muốn bớt nhiệt năng th́ các
thanh điều phối này được thả
sâu vào trong các thanh nhiên liệu uranium nói trên. Cho
đến khi các thanh điều phối ấn sâu
hoàn toàn vào các thanh nhiên liệu Uranium th́ xem như
phản ứng bị đóng lại hoàn toàn dành
cho trường hợp tai nạn nhà máy hay khi thay
thế nhiên liệu hạt nhân.
Những thanh nhiên liệu uranium có tác nhân như
là nguồn nhiệt rất lớn cho ḷ phản
ứng. Nó đun nóng nguồn nước tạo
thành hơi. Các luồng hơi chạy thẳng vào
các tua-bin làm quay động cơ thế là
tạo ra điện năng. (Nhân loại từng
biết cách tận dụng tính năng sức
mạnh của hơi nước hàng trăm năm
rồi chuyện này thiết tưởng không có
ǵ mới lạ. Vấn đề là nguồn năng
lượng để làm nóng nước mới
là vấn đề: chú thích của người
dịch)
Tại
vài nhà máy điện hạt nhân khác, luồng hơi
nước từ ḷ phản ứng đầu tiên
sẽ đi qua bộ phận trung gian hay c̣n
gọi là thứ cấp, luồng năng lượng
này lại làm bốc hơi ḷ nước thứ
cấp, luồng hơi thứ cấp này mới
đi tới chuyển vận turbine. Lợi điểm
phương pháp này là chúng ta tránh được
nước hay hơi có nhiễm phóng xạ giai
đoạn 1 không bao giờ tiếp xúc với
turbine. Cũng thế, có vài nhà máy khác chất
lỏng làm nguội (coolant fluid) trực tiếp
tiếp xúc với các thanh hạt nhân được
thay bằng khí (carbon dioxide) hay kim loại lỏng
(sodium potassium). Những nhà máy như vậy cho phép
các thanh nhiên liệu hoạt động ở
nhiệt độ cao hơn nhiều.
BÊN
NGOÀI NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN TH̀ SAO?
H́nh
trái: Những lớp đúc bằng bê tông kiên
cố
Khi bạn
hiểu rơ nhà máy chạy bằng nguyên tử năng
th́ bạn sẽ thấy nó ít khác so với các
nhà máy nhiệt điện chạy bằng than
đá hay dầu cặn, ngoại trừ cái khác
lớn nhất là nguồn năng lượng
để làm hơi nước. Nhưng chính cái
khác này lại phóng thích ra các tia phóng xạ nguy
hiểm mà chúng ta cần phải đề pḥng.
Những
lớp đúc bằng bê tông kiên cố để
che chở các nồi áp suất cho ḷ phản
ứng, dùng che chắn các tia phóng xạ. Các
lớp vỏ bọc bê tông này lại
đươc che chở bằng các vại
chứa bằng thép to lớn hơn. Các nồi
chứa này dùng là nơi trung tâm cho phản
ứng nói trên. Cùng lúc đó các trang bị
dụng cụ các nhân viên dùng khi thay thế nhiên
liệu hay sửa chữa ḷ phản ứng. Các
bể chứa bằng thép có tính cách làm rào
cản ngăn ngừa các ṛ rỉ hơi hay
chất lỏng có phóng xạ từ nhà máy x́ ra.
Ṿng ngoài cùng
của nhà máy cũng là bê tông, lại che chở
cho các vại thép khổng lồ kia. Cấu trúc bê
tông khổng lồ này dùng đối phó với
các trường hợp các biến cố lớn
như động đất hay phi cơ lao vào.
Cấu trúc bê tông ṿng ngoài cùng này cũng để
ngăn ngừa các tia phóng xạ hay các luồng hơi
nước có phóng xạ ṛ rỉ khi nhà máy
gặp nạn. Tai nạn nhà máy điện
hạt nhân Chernobyl bị ṛ rỉ phóng xạ cũng
do không có xây dựng ṿng bê tông thứ cấp này.
Nhân viên điều
khiển trong nhà máy có thể điều phối
mọi hoạt động nếu có trục
trặc xảy ra. Các cơ sở hạt nhân
điển h́nh khác đều có vành đai an
ninh cũng như gia tăng nhân viên bảo vệ
các chất liệu các vật liệu nhạy
cảm.
Mỗi khi bạn hiểu ra vấn đề này
rồi, th́ nhà máy điện hạt nhân dĩ
nhiên lại có kẻ bênh người chống thôi.
CÁC
LƯ DO BÊNH VÀ CHỐNG
Dù
bạn đang nh́n vào viễn ảnh của nhà máy
điện hạt nhân với một tương
lai hứa hẹn hay lo lắng cho ngày tận
thế không xa, dù phía nào bạn cũng khó thay
đổi ư tưởng. Dù sao chăng nữa,
sự thật khách quan nhà máy điện đang
cho nhân loại nhiều ích lợi cũng như
lắm thứ lo ngại.
Điều
lợi ích nhất đến với chúng ta
rằng, nhà máy hạt nhân rơ ràng giúp chúng ta
hết lệ thuộc vào nhiên liệu hóa
thạch. Rơ ràng các nhà máy điện chạy
bằng than đá và khí đốt thiên nhiên
đă thải quá nhiều khí carbonic vào khí
quyển làm tăng nhanh sự kiện khí hậu
thay đổi. Nhà máy điện hạt nhân ra
đời đă giảm thiểu tối đa khí
thải CO2.
Theo
Viện Năng Lượng Hạt Nhân, năng lượng
do toàn thể nhà máy điện hạt nhân toàn
thế giới giúp chúng ta tránh đươc 2
tỷ tấn carbon dioxide hàng năm nếu cứ
lệ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch (fossil
fuel) Thật ra biết điều hành nhà máy
điện hạt nhân tốt chúng ta c̣n có ít lượng
phóng xạ vào bầu trời hơn cả nhà máy
điện chạy bằng than đá nữa !(nguồn:
Hvistendahl)
Từ chuyện thoát khỏi sự lệ
thuộc vào nhiên liệu hóa thạch, giá thành
từ năng lượng hạt nhân rơ ràng
sẽ không c̣n bị ảnh hưởng từ
sự thay đổi giá cả về nguồn
dầu và than.
Đứng
về phía chống đối, nhiên liệu
hạt nhân dù không có CO2, chúng cũng đem
lại cho chúng ta nhiều vấn đề lo
ngại. Lịch sử chứng minh, việc khai
khoáng các nguồn quặng uranium không phải là
việc làm an toàn. Ngay cả việc chuyên chở
các nhiên liệu hạt nhân tới hay đi
từ các nhà máy cũng gặp nhiều rũi ro.
Và c̣n nữa, một khi dùng xong các nguồn nhiên
liệu phóng xạ này không thể “thản nhiên”
vứt nó vào băi rác thành phố được.
V́ rằng các chất thải này c̣n chứa các
phóng xạ có khả năng chết người.
Trung
b́nh một nhà máy điện hạt nhân hàng năm
thải ra 20 tấn chất thải hạt nhân, có
tính phóng xạ cao. Nếu tính toán đàng hoàng
với toàn bộ các nhà máy điện hạt nhân
trên toàn thê giới con số chất thải này
có khả năng leo lên đến con số 2,000
tấn hàng năm (nguồn: NEI)
Cứ
thế các tấn chất thải hạt nhân
tiếp tục tỏa nhiệt cùng phóng xạ cho
đến khi nó làm thủng các thùng chứa và có
khả năng “liếm” vào các sinh vật lân
cận. C̣n thêm một nỗi lo nữa, những
nhà máy điện hạt nhân c̣n sinh ra một
vấn đề lớn khác là là các vật
thải có nhiễm xạ mức độ
thấp; đó là các dụng cụ và vật
liệu bị NHIỄM XẠ.
Chúng cho cho rằng các chất thải đó
sẽ theo tiến tŕnh phân ră (decay) tới
mức phóng xạ an toàn cho chúng ta chăng
nữa th́ chúng ta phải mất tới hàng
chục ngàn năm chờ đợi! Và ngay
cả khi có phóng xạ mức độ cho phép,
tạm gọi là an toàn th́ chúng ta cần tới
hàng thế kỷ để đạt tới
mức độ chấp nhận.
Hiện
tại kỹ nghệ hạt nhân có dùng phương
pháp làm nguội các chất thải hạt nhân vài
năm trước khi trộn chúng với thủy
tinh và tồn trữ trong môi trường lạnh
và trong các cấu trúc thật kiên cố. Tương
lai, rất nhiều chất thải phóng xạ
sẽ bị chôn vùi thật sâu trong ḷng đất.
Tuy nhiên, hiện nay khối lượng chất
thải này phải được canh pḥng cùng
bảo vệ là việc cần yếu để
đề pḥng quân phá hoại.
Nội các việc đă kể trên rơ ràng giá thành
một nhà máy điện hạt nhân tăng lên vùn
vụt !?
Kiến
trúc sơ sài
Chernobyl
nên bị thảm nạn
Nhà
máy Chernobyl
C̣n một
vấn đề lo ngại khác, mỗi khi vận
hành sai hoạt động từ nhà máy điện
hạt nhân, th́ chuyện ǵ sẽ xảy ra cho con
người? rơ ràng là thảm họa. Tai nạn
Chernobyl là một thí dụ điển h́nh.
Năm 1986, nhà máy điện hạt nhân tại
Ukrainia nổ tung vương vải ra 50 tấn
chất liệu có phóng xạ ra bên ngoài làm
nhiễm xạ tới hàng triệu mẫu
rừng. Thảm nạn này c̣n bắt buộc ít
nhất 30 000 dân phải di cư, và sau này lần
lượt gây nên hàng ngàn cái chết do bệnh
ung thư hay các bệnh liên quan đến phóng
xạ nguyên tử (nguồn: History Chanel)
Tai nạn
Chernobyl nguyên do từ cấu trúc và điều hành
kém. Trong khi các nhà máy điện hạt nhân
cần sự cẩn tắc không ngơi nghỉ
của con người để giữ an toàn
hoạt động cho các ḷ máy. Các nhà máy
tối tân khác cũng cần sự giám sát thường
xuyên để tránh trường hợp nhà máy
bị ngưng hoạt động th́nh ĺnh.
Thảm nạn Chernobyl vẫn c̣n là một
vết thương đậm nét của kỹ
nghệ điện hạt nhân, c̣n phủ một
màn đen nghi ngại cho môi sinh mà kỹ thuật
cao đang cống hiến cho con người.
Xuân
Khê
(dịch thuật cùng biên soạn)
|