Sử dụng năng lượng hạt nhân để sản xuất điện năng đang là giải pháp thích hợp đảm bảo an ninh năng lượng khi nguồn nhiên liệu hoá thạch ngày càng suy giảm. Theo đánh giá của các tổ chức quốc tế, nguồn nhiên liệu hoá thạch chỉ có thể còn được sử dụng hiệu quả trong vòng 50 năm tới. Điều đó dẫn tới việc nghiên cứu các nguồn năng lượng thay thế cho các nguồn đang cạn kiệt là cần thiết. Trong những năm gần đây, năng lượng hạt nhân đã dần khẳng định được vị trí quan trọng trong số các nguồn năng lượng được lựa chọn. Tính cạnh tranh của các nhà máy điện hạt nhân về lượng phát thải khí độc hại, khí nhà kính và đặc biệt là nhiên liệu, so với các nhà máy sử dụng nhiên liệu hoá thạch đã thu hút sự chú ý của nhiều quốc gia trong việc đảm bảo an ninh năng lượng.
Vị trí của thori và urani trong Bảng tuần hoàn nguyên tố hóa học
Trong các nguyên tố hóa học, không phải đồng vị nào cũng có thể được sử dụng để làm nhiên liệu hạt nhân. Có những nguyên tố rất nặng nhưng lại không có cơ chế phân hạch tự phát và ngược lại, có những nguyên tố có khả năng phân hạch tự phát và giải phóng một lượng năng lượng rất lớn nhưng hàm lượng trong tự nhiên lại quá thấp, dẫn đễn chi phí xử lý cao và đòi hỏi công nghệ rất phức tạp. Urani và thori là hai nguyên tố phóng xạ được quan tâm một cách đặc biệt. Hai nguyên tố này là nhiên liệu quan trọng của ngành công nghiệp điện hạt nhân.
Việc khai thác năng lượng hạt nhân hiện nay chủ yếu dựa trên cơ sở chu trình urani – plutoni, trong đó chủ yếu là urani làm giàu thấp sử dụng trong các lò nước nhẹ. Thori là vật liệu được khuyến nghị sử dụng trong các lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao.
Urani là nguyên tố có thể tìm thấy trong tất cả các loại đất đá và nước với hàm lượng thấp. Sản lượng urani trên toàn thế giới năm 2009 là 50.572 tấn, trong đó 27,3% được khai thác từ các mỏ ở Kazakhstan. Các quốc gia khai thác urani khác đáng kể gồm Canada (20,1%), Úc (15,7%), Namibia (9,1%), Nga (7,0%), và Niger (6,4%). Ngoài ra, còn một lượng khoảng 4,6 tỉ tấn urani ước tính trong nước biển.
Thori – nguồn nhiên liệu mới cho các nhà máy điện hạt nhân trong tương lai
Thori ngày càng nhận được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới trong việc nghiên cứu một dạng nhiên liệu hạt nhân mới đem lại hiệu suất cao hơn, nhưng vẫn đảm bảo an toàn so với urani truyền thống. Nguyên tố thori được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1828 bởi một nhà khoa học người Na Uy.
Thori được đánh giá là khoáng chất có trữ lượng dồi dào, được tìm thấy trong cát và đá. Xét về số lượng, thori còn là nguyên tố phổ biến hơn hẳn thiếc, thủy ngân hay bạc. Theo thống kế của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) vào năm 2010, Ấn Độ trở thành quốc gia sở hữu thori nhiều nhất trên thế giới, Mỹ xếp thứ hai với trữ lượng khoảng 770.000 tấn.
Nguyên lý hoạt động của nhiên liệu thori
Trong bối cảnh trữ lượng urani trên thế giới ngày càng cạn kiệt đi, thori trở thành nguyên tố thứ hai có thể được sử dụng để sản xuất năng lượng hạt nhân trong tương lai. Nhà vật lý từng đoạt giải Nobel năm 1984, Carlo Rubbia cho rằng 1 tấn thori có thể tạo ra năng lượng tương đương với 200 tấn urani. Lò phản ứng hạt nhân sử dụng thori an toàn hơn nhiều so với urani do thori không thể tự phân rã mà không có chất xúc tác.
Trong nhiều năm, nhiều quốc gia như Canada, Trung Quốc, Đức, Anh, Mỹ, Ấn Độ và Hà Lan từng thử nghiệm thori như một sự thay thế hoàn hảo trong lò phản ứng hạt nhân urani. Tháng 7/2013, lò phản ứng hạt nhân đầu tiên sử dụng thori được đưa vào thử nghiệm ở thị trấn Halden, Na Uy. Đây được coi là một bước tiến cơ bản đầu tiên trong nghiên cứu sử dụng thori, giải đáp câu hỏi về việc thori hoạt động như thế nào để tạo ra năng lượng. Các nhà khoa học tại cơ sở nghiên cứu ở Na Uy đã sử dụng oxit thori với 10% oxit plutoni. Hỗn hợp này được sử dụng trong lò phản ứng và có một số kết quả tích cực. Một trong những điều quan trọng là việc sử dụng thori sẽ giúp giảm bớt lượng plutoni vốn được hình thành sau quá trình phản ứng hạt nhân so với việc sử dụng urani.
Thori tạo ra năng lượng như thế nào
Không giống như urani, thori không thể tách ra để tạo phản ứng dây chuyền hạt nhân, nó không phân hạch. Tuy nhiên, nếu nó bị bắn phá bằng các neutron từ một nhiên liệu phân hạch, như urani-235 hoặc plutoni-239, hạt nhân thori hấp thụ các neutron dư thừa tạo ra U-233, một đồng vị phân hạch không tồn tại trong tự nhiên. Quá trình phân hạch U-233 làm biến đổi thori thành nhiên liệu hạt nhân.
Nguyên tắc cơ bản trong thiết kế nhiên liệu thori là sắp xếp không đồng nhất nhiên liệu, vùng nhiên liệu phân hạch cao (công suất cao) được gọi là vùng hạt mầm tách khỏi phần thori (công suất thấp hay bằng 0). Quá trình này cung cấp thêm neutron cho hạt nhân thori, chuyển đổi thành U-233 phân hạch. Nguyên tắc này được áp dụng cho tất cả các hệ thống lò phản ứng chạy bằng nhiên liệu thori.
Có 7 loại lò phản ứng có thể sử dụng thori làm nhiên liệu hạt nhân:
– Lò phản ứng nước nặng (PHWR);
– Lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao (HTR);
– Lò phản ứng nước sôi (BWR);
– Lò phản ứng nước áp lực (PWR);
– Lò neutron nhanh (FNRs);
– Lò phản ứng muối nóng chảy (MSR);
– Lò phản ứng gia tốc (ADS).
Nguyên liệu thori so với urani
Thori là chất có giá thành rẻ và trữ lượng nhiều hơn urani. Trong lò phản ứng năng lượng sử dụng thori, thori hầu như tự tiêu tán hết, như vậy sẽ ít chất thải hơn và phần lớn chất thải không gây nguy hại trong 30 năm. Cho đến nay, các loại chất thải hạt nhân nguy hại nhất được ước tính phải lưu giữ trong 10.000 năm. Ngoài ra, một tấn thori có hiệu năng tương đương với 200-250 tấn urani trong một lò phản ứng nước nhẹ hoặc nước nặng và tương đương 3,5 triệu tấn than.
Việc tách thori ít tốn kém hơn so với tách urani tính theo đơn vị năng lượng, bởi vì thori có mật độ cao hơn so với các kim loại khác về trọng lượng. Thori gần như không thể sử dụng làm vũ khí hạt nhân vì không chứa đồng vị phân hạch. Như vậy, thori cũng giải quyết những vấn đề cấm phổ biến vũ khí hạt nhân vì những nhà máy điện hạt nhân từ nguồn nhiên liệu thori chỉ sản sinh ra một lượng nhỏ plutoni, không đủ chế tạo vũ khí hạt nhân.
Những tác động gây ra từ các nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiên liệu urani đang ngày càng được xem xét đến trong thời gian gần đây. Do đó, các nhà phân tích hiện nay coi việc nghiên cứu sử dụng thori là cần thiết và nghiêm túc. Các nghiên cứu và khuyến nghị sử dụng thori cũng cho thấy việc có thể cho phép các quốc gia như Iran và Bắc Triều Tiên sản xuất điện hạt nhân mà không gây lo ngại về vấn đề phát triển vũ khí hạt nhân.
Các nhà khoa học tin rằng lò phản ứng hạt nhân sử dụng thori sẽ góp phần bảo vệ môi trường Trái đất do chất thải trong quá trình phân rã thori sẽ chỉ tồn tại trong khoảng 400-500 năm. Nếu có sự cố về hệ thống điện như trong thảm họa hạt nhân Fukushima, quá trình phân rã thori sẽ chậm dần do không có chất xúc tác cần thiết. Khi đó sẽ không có sự cố rò rỉ phóng xạ nào cả.
Từ khóa: hạt nhân; điện; thorium; uranium
– CMD&DND –
