Nữ kỹ sư trẻ tuổi và tham vọng tạo ra điện không phát thải carbon

Tham vọng của nữ kĩ sư trẻ tuổi là dùng phản ứng hạt nhân để tạo ra điện không phát thải carbon với chi phí rẻ hơn than và cực kỳ thân thiện với môi trường .

Leslie Dewan, 34 tuổi, tiến sĩ lĩnh vực kỹ thuật hạt nhân, đang nghiên cứu tính khả thi việc hồi sinh lò phản ứng muối nóng chảy ở thời kỳ đầu huy hoàng của ngành năng lượng vật lý hạt nhân toàn cầu.

Bước khỏi vùng an toàn

Trong những thập niên trở lại đây, ngành công nghiệp hạt nhân luôn mang nhiều điều tiếng khi bác bỏ những ý tưởng mới sáng tạo. Sau nhiều sự cố vô cùng nghiêm trọng điển hình là thảm họa hạt nhân mang tên "Three Mile Island" của Mỹ hay Chernobyl ở Ukraine, người ta lo ngại sử dụng điện hạt nhân sẽ dẫn đến các sự cố tương tự, cho dù nhu cầu về điện ngày càng tăng cao.

Chân dung nữ kỹ sư Leslie Dewan. (Ảnh chụp bởi Rebecca Hale, National Geographic).

Hiện nay trên thế giới, hầu hết đều sử dụng lò phản ứng nước-nhẹ (light-water reactor), với công nghệ đã cũ kỹ. Có những vấn đề đáng phải lưu tâm đến loại lò phản ứng nước nhẹ này, đó là dùng nước thông thường để làm mát các thanh nhiên liệu, tạo phản ứng nhiệt hạch bên trong lò. Nhằm ngăn chặn lại sự nóng chảy do phóng xạ nếu các thanh nhiên liệu trở nên cực nóng, tường bảo vệ lò phản ứng bắt buộc phải đủ dày và dùng vật liệu đắt đỏ. Ngoài ra, chất thải phóng xạ phải mất tới 100.000 năm để phân huỷ hết.

437 là số lò phản ứng hạt nhân hoạt động trên khắp thế giới. Trong đó số lò phản ứng nước nhẹ chiếm đến 359 lò (theo số liệu năm 2009 của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế IAEA). Màu xanh biểu thị các lò hiện đang hoạt động, màu tím là đang tạm ngưng, màu đỏ là không còn hoạt động nữa, màu đen là đang xây dựng mới. 

Lò phản ứng muối nóng chảy đề xuất lần đầu vào những năm 1950 như là một giải pháp để cung cấp năng lượng cho máy bay.

So với các lò phản ứng nước nhẹ, luôn yêu cầu nguồn điện áp liên tục để bơm nước làm mát, ngăn phóng xạ hạt nhân làm nóng chảy lò, lò phản ứng muối nóng chảy an toàn hơn rất nhiều: Bản thân chất phản ứng - muối nóng chảy - cũng đóng vai trò là chất làm mát.

Tuy nhiên, trước khi xảy các thảm hoạ hạt nhân kinh hoàng trong lịch sử nhân loại, người ta cho rằng những lò phản ứng muối nóng chảy dường như quá đắt và an toàn hơn mức cần thiết. Dewan, cùng với đồng nghiệp Mark Massie tốt nghiệp trường đại học danh tiếng MIT, Hoa Kỳ, đã cập nhật thiết kế lò phản ứng trên với các công nghệ và vật liệu hiện đại nhằm đảm bảo an toàn và tất nhiên là giảm đáng kể chi phí.

Lò phản ứng hạt nhân chạy bằng... chất thải phóng xạ

Các lò phản ứng loại thông thường được cấp nhiên liệu bằng những viên bột oxit uranium thể rắn, loại nhiên liệu này chỉ sử dụng hết 3% hoặc 4% năng lượng của uranium, vì thế chất thải của nó vẫn còn là chất phóng xạ tồn tại trong hàng trăm hàng ngàn năm nữa. Nhưng lò phản ứng của Dewan sử dụng uranium dưới dạng chất lỏng thay vì chất rắn, cho nên có thể tận dụng được tới 96% năng lượng của uranium.

Trong trường hợp lò phản ứng bị mất nguồn điện (như trường hợp đã xảy ra tại nhà máy Fukushima sau thảm họa sóng thần), khi ấy chất phản ứng trong lò sẽ làm nóng van và khiến nó mở ra; chất phản ứng sẽ chảy vào các bể chứa, lò sẽ ngừng hoạt động ngay lập tức.

Sơ đồ đơn giản của nhà máy phát điện hạt nhân nước nhẹ với các dấu mũi tên biểu thị các chu trình khép kín. Bắt đầu từ lò phản ứng tạo nhiệt lượng, đun nóng nước dạng lỏng để tạo hơi nước áp suất cao làm quay động cơ máy phát điện, cùng lúc hệ thống làm mát làm cho hơi nước nóng trở lại nước dạng lỏng để hoàn thành chu trình. Giải thích: Lò phản ứng (Reactor) và lõi phản ứng hạt nhân màu đỏ, Hệ thống các thanh điều khiển (Control Rods), Buồng tạo hơi nước (Stream Generator), Ống dòng mang hơi nước (Stream line), Máy phát điện (Generator), Tua-bin phát điện (Turbine), Nước làm mát (Cooling Water), Tháp làm mát bằng nước (Cooling Tower), Hồ chứa (Reservoir), Nơi hoá lỏng nước (Condensor), và cùng các Máy bơm (Pump). 

Sơ đồ lò phản ứng muối nóng chảy đơn giản. 

Bên cạnh đó, Dewan cùng cộng sự đã tìm ra một giải pháp, một cuộc cách mạng thật sự, về kiểu dáng lò và vật liệu phản ứng mới, giúp tăng hiệu suất điện năng lên gấp 30 lần. “Chúng tôi phát hiện chỉ với những thay đổi nhỏ trong thiết kế lò phản ứng muối nóng chảy, có thể giúp tạo ra rất nhiều năng lượng và rẻ hơn nhiều", cô nói.

Bản thiết kế dưới dạng tài liệu dài 180 trang được mô phỏng bằng máy vi tính lò phản ứng, nhỏ gọn đến mức có thể lắp đặt bên trong các nhà máy điện khác và dễ dàng vận chuyển bằng đường sắt, lắp ráp tại chỗ. Lò phản ứng cũng sử dụng năng lượng tái tạo vô cùng hiệu quả, nó có thể tiêu thụ khoảng 1 tấn chất thải hạt nhân và để lại khoảng 4kg. Cô gọi lò sử dụng công nghệ mới này là: Lò phản ứng tái chế muối nóng chảy (Waste-Annihilating Molten-Salt Reactor).

Dù đã qua nhiều thử nghiệm do chính Dewan thiết kế và thực hiện tiêu tốn hàng triệu Mỹ kim nhằm đảm bảo tính an toàn của lò. Vẫn còn một chặng đường dài và đầy chông gai ở phía trước khi đưa toàn bộ thiết kế vào thực tế.

Dewan đại diện cho thế hệ các nhà nghiên cứu trẻ, dám đứng lên thay đổi, vì mục tiêu hành tinh xanh, chống lại biến đổi khí hậu khắc nghiệt.

Dewan từng xem năng lượng mặt trời và hay điện gió là giải pháp giúp giảm lượng phát thải khí nhà kính, “nhưng rồi tôi nhìn vào những con số, tôi nhận ra năng lượng hạt nhân mới là nguồn ít phát thải khí CO₂ dễ triển khai trên quy mô lớn nhất” - Cô nói.