Phát triển năng lượng mới: năng lượng hạt nhân

Phát triển năng lượng mới: năng lượng hạt nhân, hướng đi mới
trong xu hướng bền vững tại Việt Nam

Nhằm giảm thiểu các tác động và sự khắc nghiệt của biến đổi khí hậu, sự ấm lên của nước biển gây thảm hoạ về thiên tai, Việt Nam đang thực hiện các bước đi quan trọng trên con đường thực hiện cam kết về mục tiêu phát thải ròng bằng 0 (Net Zero) vào năm 2050 song hành với những chuyển đổi trong lĩnh vực năng lượng.

Với địa hình trải dài và khí hậu đa dạng, Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng sạch như gió, mặt trời và kể cả năng lượng thuỷ triều, địa nhiệt. Bên cạnh đó, năng lượng hạt nhân cũng thu hút được sự quan tâm lớn của Nhà nước do khả năng tạo thành nguồn năng lượng lớn, không chỉ đáp ứng cho nhu cầu điện phục vụ các ngành kinh tế mà còn ứng dụng trong lĩnh vực nghiên cứu và y dược.

I. Năng lượng hạt nhân

Năng lượng hạt nhân là năng lượng được giải phóng từ sự biến đổi cấu trúc hạt nhân của nguyên tử, cụ thể là trong các phản ứng hạt nhân như phân hạch (fission) hoặc nhiệt hạch (fusion) (Bảng 1).

Bảng 1. Phân loại phản ứng tạo ra năng lượng hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân là cơ sở sản xuất điện năng bằng cách chuyển hóa năng lượng hạt nhân (từ phản ứng phân hạch) thành nhiệt năng, rồi thành cơ năng và điện năng - tương tự như nhà máy nhiệt điện, nhưng nguồn nhiệt không đến từ việc đốt than, dầu hay khí mà đến từ phản ứng hạt nhân trong lò phản ứng (Hình 1). Vậy quá trình phân hạch trong lò phản ứng diễn ra như thế nào ?

Hình 1. Nhà máy hạt nhân với 2 lò phản ứng đang vận hành

II. Quá trình phân hạch

Trong tự nhiên một số hạt nhân đồng vị phóng xạ nặng như Urani 235 hoặc Plutoni 239 có khả năng xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân. Khi một hạt nhân nguyên tử này hấp thụ một neutron, nó chuyển sang trạng thái kích thích.

Ví dụ ²³⁵U hấp thụ một neutron thành ²³⁶U, sau đó chia tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn, giải phóng ra nhiều năng lượng, bức xạ gamma và khoảng 2 - 3 neutron tự do; được gọi chung là sản phẩm phân hạch. Các neutron sinh ra sau mỗi phân hạch lại có thể bị hấp thụ bởi các hạt nhân ở gần đó, làm xảy ra phân hạch tiếp theo và cứ thế, sự phân hạch diễn ra thành phản ứng dây chuyền.

Hình 2. Minh họa quá trình phân hạch của nguyên tố phóng xạ ²³⁵U

Tùy theo mức độ để giải phóng neutron ra khỏi khối vật liệu phân hạch mà phản ứng dây chuyền diễn ra theo cách khác nhau. Trong thực tế người ta dùng giá trị định lượng bằng số neutron trung bình gây ra được phản ứng kế tiếp trong khối, và gọi là hệ số nhân neutron hiệu dụng K. Khối lượng vật liệu phân hạch có vai trò quan trọng, và khối lượng tối thiểu cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền ổn định gọi là khối lượng tới hạn.

-         Phản ứng dây chuyền tự duy trì: có K=1, số neutron giữ được trong khối và gây phản ứng bằng số cần để duy trì phản ứng. Đây là trạng thái cần duy trì trong lò phản ứng hạt nhân.

-         Phản ứng dây chuyền bùng nổ: có K>1, số neutron giữ được trong khối và gây phản ứng lớn hơn số cần để duy trì phản ứng, làm cho số phản ứng tăng theo cấp số nhân. Trạng thái này có thể đẩy hệ thống thành mất kiểm soát, dẫn đến bùng nổ, và được ứng dụng trong chế tạo bom hạt nhân.

Trong lò phản ứng thì khối lượng vật liệu phân hạch được bố trí ở mức khối lượng tới hạn, và thực hiện kiểm soát, điều chỉnh về đúng mức K=1 bằng các dạng vật liệu tác động tới số lượng neutron (Bảng 2).

Bảng 2. Một số nhóm vật liệu được sử dụng trong nhà máy hạt nhân

III. Phát triển hạt nhân tại Việt Nam

III.1. Ứng dụng nghiên cứu, y học

Việt Nam từng sở hữu một lò phản ứng dạng TRIGA công nghệ Mỹ, được xây dựng tại Đà Lạt vào năm 1961. Lò được thiết kế theo kiểu bể bơi, phần lõi lò phản ứng gồm 60 đến 100 thanh nhiên liệu hình trụ có đường kính 37 mm, chiều dài 722 mm. Lò sử dụng loại nhiên liệu hợp kim hydride uranium-zirconium có độ giàu U-235 dưới 20%, với ưu điểm của loại nhiên liệu này là tốc độ phản ứng trong lò có thể giảm nhanh nếu như nhiệt độ ở lõi lò đột ngột tăng vượt quá mức quy định, từ đó đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động.

Đến năm 1984, lò nước áp lực PWR (Pressurized Water Reactor) (thế hệ IVV-9 của Nga) được thay thế. Đây là loại lò phổ biến nhất, với hơn 270 lò đang sử dụng trên thế giới. Mỗi lò PWR có khoảng 150–250 bó nhiên liệu, sắp xếp theo chiều dọc trong lò phản ứng (vùng hoạt), với 80-100 tấn uranium, sử dụng hai vòng tuần hoàn nước.

- Nước trong vòng tuần hoàn 1 (sơ cấp) được bơm luân chuyển qua lò phản ứng để chuyển tải ra lò hơi lượng nhiệt sinh ra trong lò. Do nước trong vòng tuần hoàn 1 có nhiệt độ lớn tầm 320-325°C nên phải được giữ ở áp suất cao 16MPa - khoảng 157 lần áp suất khí quyển - để giữ nước luôn ở trạng thái lỏng (ngăn chặn nước bị sôi). Áp suất được duy trì ổn định bởi hơi nước trong bộ điều áp.

- Sau đó nước nóng có áp suất cao này được truyền tải vào bộ sinh hơi (lò hơi), tại đây nước của vòng tuần hoàn 2 được biến thành hơi nước có nhiệt độ cao và áp suất cao làm quay rotor các tổ máy tuabin phát điện. Việc sử dụng hệ thống có hai vòng tuần hoàn để tăng tính an toàn và cô lập vùng phóng xạ (trong vòng tuần hoàn 1).

Hình 3. Lò phản ứng hạt nhân tại Đà Lạt (trái) và sơ đồ thiết kế của lò phản ứng PWR (phải)

Tuy nhiên, hiện nay lò phản ứng tại Đà Lạt được sử dụng cho mục đích chính là nghiên cứu và vận hành để tạo ra những dược phẩm (thuốc) phóng xạ cho các cơ sở y học hạt nhân tại Việt Nam. Trong đó, nguyên tắc sản xuất dược phẩm phóng xạ bằng chiếu xạ hạt nhân trong lò phản ứng được thực hiện theo các bước sau:

• Các thanh nhiên liệu hoặc bia chiếu xạ (target) chứa nguyên tố ban đầu (ví dụ: Uranium, Molybdenum, Cobalt, Tellurium…) được đưa vào vùng hoạt của lò.
• Dưới tác động của dòng neutron, hạt nhân sẽ bắt neutron hoặc phân hạch, tạo ra các đồng vị phóng xạ mới.
• Ví dụ:
• ⁵⁹Co + n →  ⁶⁰Co (Cobalt-60, dùng trong y tế và công nghiệp).
• ²³⁵U  →   I¹³¹, Cs¹³⁷, Sr⁹⁰... (thuốc phóng xạ)

III.2. Chủ trương phát triển điện hạt nhân

Nghị quyết 70/2025 của Bộ Chính trị đặt mục tiêu tự chủ và đảm bảo an ninh năng lượng, trong đó điện hạt nhân là một trong các hướng phát triển, đa dạng nguồn điện, qua đó góp phần giải quyết nhu cầu điện năng, phục vụ phát triển kinh tế cũng như đáp ứng nguồn điện cho các ngành công nghệ cao (sản xuất bán dẫn, trí tuệ nhân tạo).

Ở đây, việc đào tạo nhân lực hạt nhân chất lượng cao cần được thực hiện tại các trường đại học trong nước cùng Trung tâm nghiên cứu và đào tạo thực hành quốc gia, với chương trình chuẩn hóa theo quốc tế, gắn đào tạo lý thuyết với thực hành. Qua việc tăng cường hợp tác quốc tế để chuyển giao công nghệ, Việt Nam hướng tới mục tiêu làm chủ công nghệ, bắt đầu từ lò phản ứng nghiên cứu, lò phản ứng hạt nhân module nhỏ và tiến tới tham gia chuỗi cung ứng điện hạt nhân.

Hiện nay, tại Trường Đại học Công Thương Tp. HCM, các ngành Kỹ thuật hóa học và Công nghệ vật liệu là các ngành đào tạo nền tảng, giúp người học có kiến thức vững chắc về hóa học cơ bản, các loại vật liệu phổ biến và tập trung mạnh vào hoạt động thực nghiệm và nghiên cứu khoa học thực tiễn (đồ án quá trình thiết bị, thí nghiệm thực hành, học kỳ thực tập và khóa luận nghiên cứu).

Ngoài ra, chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật hóa học tại Trường đạt được các tiêu chuẩn chất lượng do các cơ quan trong và ngoài nước đánh giá như MOET, AUN-QA (Asian University Network). Qua đó, chương trình đạo tạo giúp người học đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật trong công việc của ngành Hóa cũng như trong những lĩnh vực đổi mới như công nghệ hạt nhân, vật liệu bán dẫn…

Nguồn tham khảo

https://vi.wikipedia.org/wiki/L%C3%B2_ph%E1%BA%A3n_%E1%BB%A9ng_h%E1%BA%A1t_nh%C3%A2n

https://tiasang.com.vn/khoa-hoc-cong-nghe/lo-phan-ung-nghien-cuu-moi-cho-viet-nam-vi-sao-can-co-som/

https://injuker.wixsite.com/nangluonghatnhan/single-post/2016/10/13/nh%E1%BB%AFng-m%E1%BA%ABu-l%C3%B2-ph%E1%BA%A3n-%E1%BB%A9ng-h%E1%BA%A1t-nh%C3%A2n-ph%E1%BB%95-bi%E1%BA%BFn-hi%E1%BB%87n-nay

https://vnexpress.net/viet-nam-co-the-lam-chu-cong-nghe-lo-hat-nhan-cong-suat-nho-vao-nam-2040-4944813.html