Cuộc thi
"Nuclear education in Russia"
THẾ VẬN HỘI

Ngành công nghiệp hạt nhân trên thế giới

Hiện nay trên thế giới ngày càng tăng số lượng các nước – cả phát triển và đang phát triển – nhận thức được sự cần thiết phải xúc tiến chinh phục và sử dụng nguyên tử hòa bình. Hôm nay trên toàn cầu đã bộc lộ một xu thế mới mẻ được mệnh danh là “thời phục hưng hạt nhân”. Ngay cả những dự báo dè dặt nhất cũng nói rằng trong triển vọng vào năm 2030 trên hành tinh của chúng ta sẽ vận hành đến 500 tổ máy năng lượng hạt nhân (để so sánh, xin nhắc rằng hiện tại tổng cộng toàn thế giới có 435 tổ máy).

Hàng năm, các nhà máy điện hạt nhân tại châu Âu cho phép tránh phát thải 700 triệu tấn CO2, còn ở Nhật Bản - 270 triệu tấn CO2. Các nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động ở Nga mỗi năm đều tạo điều kiện ngăn chặn thải vào khí quyển 210 triệu tấn carbon dioxide. Về số lượng nhà máy điện hạt nhân, Nga chỉ chiếm vị trí thứ tư trên thế giới.

 Quốc gia vận hành nhiều nhà máy điện hạt nhân hơn cả (63 nhà máy với 104 tổ máy hạt nhân) là  Hoa Kỳ. Đứng hàng thứ hai là Pháp (58 tổ máy), thứ ba là Nhật Bản (50 tổ máy). Xin dẫn số liệu so sánh: ở Nga hiện có hoạt động của 10 nhà máy điện hạt nhân (33 tổ máy).

Trong danh sách kể trên cũng bao gồm 6 lò phản ứng tại Đài Loan (Trung Quốc).

Theo tư liệu của Cơ quan IAEA tính đến ngày 26/06/2012.

Nhà máy điện hạt nhân lớn nhất thế giới là Kashiwazaki Kariva (Nhật Bản) với công suất 8200 MW (7 lò phản ứng loại BWR lắp đặt công suất qui định 110-1356 MW). Cơ sở điện hạt nhân lớn nhất châu Âu là nhà máy Zaporizhia (Ukraina) với công suất 6.000 MW (6 lò phản ứng VVER-1000). Ở Nga có những tổ máy điện hạt nhân  công suất lớn ở các cơ sở Balakovo, Leningrad, Kalinin và Kursk (mỗi nơi 4 lò phản ứng với công suất 1000 MW).

Hiện tượng nóng lên toàn cầu là quá trình nguy hiểm dần dần tăng cao nhiệt độ trung bình của khí quyển và đại dương trên Trái đất. Một trong những nguyên nhân gây ra hiện tượng này là  "hiệu ứng nhà kính": gia tăng lượng khí thải cacbon dioxit (CO2), mêtan (CH4), nitơ oxit (N2O), perfluorocarbons (PFCs), hydrofluorocarbons (HFCs), và sulfur hexafluoride (SF6). Diễn biến gia tăng khí thải này song hành với tăng cao nhiệt độ trung bình của không khí trên bề mặt Trái đất. Do vậy mà trong giai đoạn từ năm 1906 đến năm 2005, nhiệt độ trung bình của Trái đất đã tăng 0,74 độ C.

Ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đã hiện rõ ngay từ bây giờ, kể cả dưới hình thức gia tăng tần suất và cường độ của những hiện tượng thời tiết dị thường khắc nghiệt và sự lây lan các căn bệnh truyền nhiễm. Những hệ quả tiềm ẩn khác nữa là thay đổi trong tần suất và cường độ mưa, băng tan chảy và mực nước biển dâng cao, gia tăng mối đe dọa với hệ sinh thái và tính đa dạng sinh học trên địa cầu. Tất cả những yếu tố đó sẽ cộng hưởng gây ra thiệt hại đáng kể về kinh tế, đe dọa sự tồn tại bình ổn của hệ sinh thái cũng như cho sức khỏe và cuộc sống của mọi người. 

Theo dự báo của các nhà nghiên cứu từ trường Đại học Tổng hợp Arizona (Hoa Kỳ), nếu quá trình nóng lên toàn cầu vẫn tiếp diễn, và mức gia tăng nhiệt độ trung bình chỉ là 2 độ C, thì đến năm 2100, mực nước biển sẽ dâng cao hơn 1 mét so với hiện tại. Ở Mỹ, nó sẽ gây ra lũ lụt 10,9% lãnh thổ của 180 thành phố ven bờ biển. Ngoài ra, nhiều đô thị và làng mạc ở vùng Đông Nam Á cũng sẽ bị ngập nước. Cụ thể những nơi bị ảnh hưởng và chịu thiệt hại là Calcutta, Bangkok, Thượng Hải. Cư dân Saint Petersburg của Nga cũng sẽ phải đối mặt với khó khăn khá nặng nề. Còn theo những dự báo nghiêm trọng hơn cả, thì mức nước gia tăng hoàn toàn có thể từ 2 mét cho đến 4 mét.

Kết luận của các nhà khoa học nói lên rằng viễn cảnh tiếp tục thay đổi khí hậu trong tương lai có thể dẫn đến những hậu quả nguy hại hơn nữa nếu như loài người không thi hành những biện pháp phòng ngừa thích ứng. Cụ thể, các nhà khoa học đã chỉ ra rằng diễn biến tan băng của tầng đất trong khu vực băng giá vĩnh cửu có thể đẩy nhanh hàng chục lần việc phát thải vào bầu khí quyển lượng lớn thán khí nitơ oxit N2O, thủ phạm gây ra hiệu ứng nhà kính.

Nhằm tìm phương án chung chống lại sự biến đổi khí hậu, tháng 12 năm 1997 tại Kyoto các đại diện của 159 quốc gia đã ký kết văn kiện gọi là Nghị định thư Kyoto về giảm phát thải khí "nhà kính". Lẽ ra văn bản thỏa thuận mới cần được ký tại Copenhagen từ ngày 7 đến ngày 18 tháng 12 năm 2009, thế nhưng các nước thành viên tham gia hội nghị đã không đạt được đồng thuận nhất trí.

Theo đánh giá của Cơ quan Năng lượng quốc tế IEA, lượng khí thải carbon dioxide trong năm 2010 đã phá vỡ mọi kỷ lục trước đây và đạt đến mức 30,6  giga tấn CO2 (1 giga tấn = 109 tấn). Kỷ lục trước đó về thải thán khí CO2 ghi nhận trong năm 2008 và là 29,3 giga tấn (riêng trong năm 2009, lượng khí thải có phần giảm bớt do khủng hoảng tài chính).

Nguồn cơ bản “đóng góp” vào lượng thải khí  CO2 là do đốt cháy than đá, ở vị trí thứ hai là dầu mỏ (36%), và thứ ba là khí gas (20%). Các nước phát triển “chịu trách nhiệm” về 40% khí carbon dioxide thải vào khí quyển.  Trong khi đó, tỷ lệ thải thán khí  từ  các nước đang phát triển – mà trước hết là Trung Quốc và Ấn Độ - cũng đã tăng đáng kể so với năm 2009.

Các chuyên viên cảnh báo rằng mức khí thải như vậy sẽ không cho phép kiềm chế gia tăng nhiệt độ đến năm 2020 vào khoảng 2 độ C, như ngưỡng mà các nhà lãnh đạo quốc gia đã thỏa thuận với nhau tại Hội nghị Liên Hợp Quốc lần thứ 16 về biến đổi khí hậu, hoạt động được tổ chức năm 2010 ở Cancun. Để thực thi kịch bản đã thỏa thuận tại hội nghị, cần làm sao hạn chế lượng khí thải carbon hàng năm ở mức không vượt hơn 32 giga tấn. 

Để đấu tranh chống lại hiện tượng "nóng lên toàn cầu”, một trong những biện pháp được công nhận hữu hiệu là sử dụng rộng rãi hơn nữa những nguồn năng lượng phi carbon và năng lượng tái sinh (trong đó có năng lượng hạt nhân).

Trong nhà máy điện hạt nhân diễn ra ba hình thức biến chuyển tương hỗ của năng lượng: phân rã hạt nhân chuyển đổi thành nhiệt lượng, nhiệt biến thành cơ năng, cơ năng chuyển hóa thành điện năng. 

Trên thực tế qui trình cải biến đó như sau. Bộ phận cơ bản của nhà máy điện là lò phản ứng với dung tích được phân chia theo cấu trúc định sẵn, nơi đâu sẽ nạp nhiên liệu hạt nhân và ở phần nào sẽ diễn ra phản ứng dây chuyền có điều khiển. Nguyên tử Uranium-235 phân tách thành trung hòa tử (neutron) chậm (nhiệt), kết quả là sản ra khối lượng lớn nhiệt năng. Nó được lấy ra khỏi khu vực nhiệt hoạt tính bằng dòng chất lỏng hoặc chất khí làm mát chảy qua toàn bộ lò phản ứng. Để làm mát lò phản ứng, người ta thường sử dụng nước, còn trong các lò phản ứng neutron nhanh – dùng kim loại nóng chảy (ví dụ, natri trong lò phản ứng BN-600). Như vậy diễn ra quá trình chuyển đổi phức tạp nhất: năng lượng hạt nhân biến thành nhiệt. 

Nước làm mát sau khi hấp nhiệt trong khu vực hoạt tính của lò phản ứng được sử dụng để tạo ra hơi nước, kéo chạy máy phát điện turbine. Cơ năng của hơi nước sản ra trong nồi hơi sẽ được dẫn đến các máy phát điện turbine, nơi nó chuyển đổi thành năng lượng điện và tiếp tục theo đường dây cấp điện đến với người tiêu thụ. Như vậy, diễn ra vòng chuyển đổi thứ hai và thứ ba. Sau đó hơi nước được làm lạnh và nước ngưng tụ sẽ quay trở lại lò phản ứng để tái sử dụng, hoàn tất chu trình và khởi đầu vòng tuần hoàn mới sản xuất điện từ nhiên liệu hạt nhân.

Có những loại lò phản ứng hạt nhân nào và sự khác biệt ra sao?

Ở Nga hiện vận hành hai loại lò phản ứng hạt nhân. Dành cho nhà máy điện hạt nhân mạch đơn (các lò phản ứng RBMK, tức là "lò phản ứng hạt nhân kiểu kênh năng lượng  cao”), chất làm mát là hỗn hợp hơi nước được tạo thành ngay trong lò phản ứng, phân tách vào dòng nước sẽ  quay trở lại trong mạch đối lưu bắt buộc, và hơi nước sau đó được hướng tới turbine. Vì thế, đối với nhà máy điện hạt nhân RBMK tiết chế bằng than chì và làm mát bằng nước không có sự phân chia chính xác giữa chu tuyến sơ cấp và thứ cấp, nhiên liệu nằm trong các ống đặt trong khối than chì nên tất cả các thiết bị đều phóng xạ, mặc dù ở những mức độ khác nhau. Nếu chu tuyến làm mát (nước) và chất liệu làm việc (hơi nước) được phân chia riêng, thì những nhà máy điện hạt nhân như vậy gọi là chu tuyến kép.  Thí dụ như lò phản ứng VVER (kiểu “lò phản ứng nước điều áp”), hiện đang được dùng nhiều hơn cả trong các nhà máy điện hạt nhân của Nga. 

Tất cả các lò phản ứng đều có nhiên liệu riêng và những đặc tính khác. Tại các nhà máy với lò RBMK, bản thân lò phản ứng là lớp xếp chồng graphite (than chì đảm nhận chức năng tiết chế như neutron chậm), trong đó có các kênh công nghệ với nhiên liệu hạt nhân. Nước đi qua các kênh công nghệ được đun nóng đến độ sôi. Trong trống quay phân ly, hơi sẽ tách ra khỏi nước rồi sau đó được nạp vào turbine, tức là turbine nhận  cung cấp hơi hình thành từ  nước sôi trong lõi hoạt tính của lò phản ứng. Sau khi làm mát, hơi nước tụ lại trong  bình ngưng, và nước được bơm đẩy trở lại vào lò phản ứng. Từ hồ ngưng nước làm mát với trợ giúp của một máy bơm.

 Ở các nhà máy điện hạt nhân với lò phản ứng VVER nước làm mát chạy trong điều kiện bức xạ và được gọi là chu tuyến sơ cấp. Chất làm mát (nước áp lực không đun sôi) được máy bơm tuần hoàn chính đưa vào lò phản ứng, nơi nó sẽ nóng lên và sau đó tuôn vào thiết bị sinh hơi, diễn ra trao đổi nhiệt cho hơi nóng. Cơ năng của hơi nước sản ra trong các nồi hơi sẽ được gửi đến máy phát điện turbine, chuyển đổi thành điện và tiếp theo là cung cấp cho người tiêu dùng. Nước trong chu tuyến thứ nhất đi qua khu vực lõi hoạt tính của lò phản ứng có nhiên liệu hạt nhân sẽ trở thành nước phóng xạ. Vì  thế, toàn bộ  thiết bị của chu tuyến thứ nhất đều được lắp đặt nằm gọn trong  vỏ bọc kín bảo vệ. Vòng lưu thông hơi không phải là phóng xạ và được gọi là chu tuyến thứ cấp. Hơi nước tạo ra trong các nồi hơi được dẫn đến máy phát điện turbine. Sau máy phát điện turbine  hơi nước đi vào bình ngưng, ngưng tụ và được máy bơm đẩy vào thiết bị sinh hơi. Sau đó, bình ngưng được làm lạnh trong hệ thống mát luân hồi. Những hệ thống như vậy có nhiều thể loại – với tháp làm nguội, hồ làm mát hay là bể phun.

Nhà máy điện hạt nhân kết cấu thế nào? 

Thông thường, nhà máy điện hạt nhân ở bất kỳ quốc gia nào cũng đều là tổ hợp các tòa nhà trong đó bố trí những trang thiết bị công nghệ thích hợp. Phần cơ bản là khối nhà chính, nơi có gian chứa lò phản ứng.  Tại đó đặt lò phản ứng, bể  xử lý nhiên liệu hạt nhân, máy chuyển tải  (để thực hiện khâu tiếp nhiên liệu), và các chuyên viên vận hành theo dõi tất cả những thiết bị này với lớp giáp bảo vệ chuyên dụng (MCR).

Thành tố căn bản của lò phản ứng là khu vực hoạt tính. Nó được bố trí trong hầm bê tông. Bất kỳ lò phản ứng nào cũng phải có các bộ phận thiết yếu là hệ thống điều khiển quản lý và bảo vệ, cho phép thực thi chế độ kiểm soát liên tục với dòng chảy của chuỗi phân hạch, cũng như  hệ thống an toàn kỹ thuật để nhanh chóng ngăn chặn phản ứng trong trường hợp phát sinh tình huống tai nạn. Tất cả những cơ cấu này được đặt trong khối nhà chính.

Ngoài ra còn có tòa nhà thứ hai, nơi bố trí gian turbine: các nồi hơi,cũng như bản thân máy phát điện turbine.  Tiếp theo dây chuyền công nghệ sẽ là các tụ điện và đường dây cao thế  vươn ra ngoài khuôn viên nhà máy. Trên địa bàn cũng có khối nhà dành cho vật liệu dư thừa và nơi bảo quản nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng chứa trong những hầm bể đặc biệt, và tòa nhà hành chính-quản trị. Ngoài ra, nhà máy như một quần thể hoàn chỉnh thông thường  còn có một số thành phần của hệ thống làm mát – tháp làm nguội (là chiếc tháp bê tông thon vươn lên phía trên), hồ làm mát (là hồ nước tự nhiên hoặc nhân tạo) hay là bể phun (những bể nước lớn có lắp thiết bị phun).

Sơ đồ một nhà máy điện hạt nhân