Công nghệ điện hạt nhân

Chu trình sản xuất điện của nhà máy điện hạt nhân.  Ảnh: haophuong.com

3 loại phản ứng hạt nhân chính

Ứng phân hạch (Fission): Xảy ra khi được kích hoạt bằng cách bắn một neutron vào hạt nhân nặng, làm cho nó trở nên không ổn định và phân tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn, kèm theo việc giải phóng một lượng lớn năng lượng dưới dạng nhiệt. Các neutron được giải phóng trong quá trình phân hạch tiếp tục kích hoạt các hạt nhân nặng khác, tạo ra một phản ứng dây chuyền. Đây là loại phản ứng được sử dụng phổ biến trong các nhà máy ĐHN hiện nay.

Phản ứng nhiệt hạch (Fusion): Xảy ra khi hai hạt nhân nhẹ kết hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn, kèm theo việc giải phóng một lượng lớn năng lượng dưới dạng nhiệt. Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu và phát triển công nghệ để sử dụng phản ứng nhiệt hạch trong sản xuất điện năng, nhưng vẫn chưa đạt được mức độ thương mại hóa do các thách thức kỹ thuật và chi phí cao.

Phản ứng phân rã phóng xạ (Radioactive Decay): Xảy ra khi một hạt nhân không bền vững tự phân rã thành một hoặc nhiều hạt nhân khác, kèm theo việc phát ra bức xạ (alpha, beta, gamma) và giải phóng một lượng lớn năng lượng dưới dạng nhiệt. Mặc dù không phổ biến như phân hạch và nhiệt hạch nhưng phản ứng phân rã phóng xạ cũng được sử dụng trong một số ứng dụng đặc biệt trong các máy phát nhiệt điện đồng vị phóng xạ để cung cấp năng lượng cho các tàu vũ trụ và thiết bị khoa học ở những nơi xa xôi.

Trong 3 phản ứng nêu trên, hiện nay chỉ có phản ứng phân hạch là được sử dụng một cách rộng rãi trên toàn thế giới vì tính hiệu quả của nó trong việc tạo ra năng lượng.

Chu trình sản xuất điện hạt nhân

Phản ứng phân hạch hạt nhân: Nhiên liệu thường được sử dụng là Uranium-235 hoặc Plutonium-239, khi phản ứng xảy ra sẽ giải phóng một lượng lớn năng lượng dưới dạng nhiệt.

Tạo hơi nước: Nhiệt năng từ phản ứng phân hạch được sử dụng để đun sôi nước trong hệ thống làm mát, nước sôi tạo ra hơi nước áp suất cao.

Phát điện: Hơi nước áp suất cao được dẫn qua các tua-bin, làm quay các tua-bin. Tua-bin quay làm quay máy phát điện, chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng.

Hệ thống làm mát và tái sử dụng: Hơi nước sau khi qua tua-bin được ngưng tụ lại thành nước và quay trở lại hệ thống làm mát để tái sử dụng. Quá trình này diễn ra trong một chu trình khép kín để tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu lãng phí.

Quản lý chất thải phóng xạ: Chất thải phóng xạ được xử lý và lưu trữ an toàn để tránh gây hại cho con người và môi trường. Chất thải được lưu trữ trong các kho chứa đặc biệt, thường là dưới lòng đất.

 Một số quốc gia đứng đầu trong công nghệ ĐHN như: Mỹ là quốc gia dẫn đầu thế giới về sản xuất ĐHN, với hơn 30% tổng sản lượng ĐHN toàn cầu. Pháp là quốc gia có tỷ lệ ĐHN cao nhất, với khoảng 70% nguồn điện của nước này đến từ các nhà máy ĐHN, Pháp có kế hoạch tăng cường công suất ĐHN trong tương lai. Trung Quốc đang đầu tư mạnh mẽ vào năng lượng hạt nhân với kế hoạch xây dựng ít nhất 150 lò phản ứng hạt nhân mới vào năm 2035, Trung Quốc chiếm khoảng 13,5% tổng sản lượng ĐHN toàn cầu. Nhật Bản cũng là một trong những quốc gia hàng đầu về công nghệ ĐHN, mặc dù đã gặp phải thách thức lớn sau thảm họa Fukushima năm 2011. Nga có một ngành công nghệ ĐHN phát triển mạnh mẽ và là một trong những quốc gia xuất khẩu công nghệ ĐHN hàng đầu thế giới. Hàn Quốc cũng là một quốc gia có công nghệ ĐHN tiên tiến và đang tiếp tục phát triển các lò phản ứng hạt nhân mới. Ấn Độ là một quốc gia có công nghệ ĐHN mới nổi với nhiều dự án xây dựng lò phản ứng hạt nhân.

Hiện nay, công nghệ ĐHN đã được tiêu chuẩn hóa, tự động hóa với mức độ cao, an toàn hạt nhân ngày càng hoàn thiện, các lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới được thiết kế tiên tiến đã cải thiện hiệu suất, nâng cao tính an toàn và giảm chi phí so với các lò phản ứng nhạt nhân thế hệ trước. Mặc dù có những rủi ro nhưng nhiều quốc gia vẫn tiếp tục phát triển công nghệ ĐHN bởi những lợi ích quan trọng mà nó mang lại. ĐHN không phát thải khí CO₂ trong quá trình sản xuất, giúp giảm thiểu hiệu ứng nhà kính và tác động của biến đổi khí hậu. Các nhà máy ĐHN có thể hoạt động liên tục và cung cấp điện ổn định, không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như năng lượng mặt trời hay gió. Mặc dù chi phí xây dựng ban đầu cao, nhưng chi phí vận hành và bảo trì của các nhà máy ĐHN vẫn thấp hơn so với các nguồn điện khác, điều này mang lại lợi ích kinh tế lâu dài.