Phân hạch hạt nhân: Lợi ích hay thiệt hại?

Phản ứng phân hạch hạt nhân là sự phân tách hạt nhân của một nguyên tử để tạo ra hai (hoặc nhiều) nguyên tố nhẹ hơn.

Mặc dù quá trình này đôi khi có thể tự xảy ra trong các đồng vị của một số nguyên tố nặng như là thorium và uranium, nhưng thông thường nó chỉ xảy ra khi một neutron tác động vào một hạt nhân với một lực nhất định.

Sự tích tụ đột ngột làm cho khối proton và neutron không ổn định và dễ bị vỡ, tạo thành các hạt nhân nhỏ hơn hay chính là các sản phẩm phân hạch, và giải phóng ra nhiều neutron tự do hơn, cùng với sự bùng nổ các photon năng lượng cao dưới dạng bức xạ gamma.

Năng lượng được giải phóng từ sự phân tách của các hạt nguyên tử này, và con người đã biết sử dụng nguồn năng lượng đó từ giữa thế kỷ XX.

Mặc dù quá trình tạo ra năng lượng này không giải phóng các khí nhà kính như quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch, nhưng những rủi ro về phá hủy do sức nóng làm tan chảy và chất thải độc hại lâu dài, cùng với chi phí sản xuất và xử lý hậu quả vô cùng cao sẽ khiến chúng ta phải xem xét lại việc tận dụng nguồn năng lượng mạnh mẽ này.

Phân hạch hạt nhân được sử dụng như thế nào để tạo ra năng lượng hạt nhân?

Từ những năm 1930, các nhà khoa học đã tiến hành nhiều thí nghiệm bắn phá nguyên tử bằng các hạt nhân để xác định các mô hình phân hạch đồng vị của các nguyên tố nặng như uranium có tiềm năng sinh ra nguồn năng lượng cực lớn.

Theo lý thuyết, uranium 235 có khả năng phân hạch lớn hơn nhiều so với các đồng vị khác, nhất là khi các neutron va đập vào hạt nhân của nó đang di chuyển với tốc độ tương đối chậm.

Việc giải phóng thêm neutron từ quá trình phân hạch có thể khiến các nguyên tử U 235 lân cận bị phá vỡ. Để phản ứng dây chuyền này xảy ra, phải có mật độ U 235 tương đối cao bị nén lại với nhau, hay có thể gọi là khối lượng tới hạn của nguyên liệu.

Vào cuối những năm 1930, các nhà vật lý học đã xác định được phương pháp giảm tốc độ neutron xuống mức có thể thu giữ và làm giàu hỗn hợp các đồng vị uranium từ các nguồn tự nhiên để tạo ra khối lượng tới hạn cho U235.

Họ cũng đã biết cách kiểm soát phản ứng dây chuyền để đảm bảo neutron sinh ra theo cấp số nhân không vượt quá kiểm soát, không sinh ra phản ứng nổ.

Trong những thập kỷ sau đó, tiến bộ công nghệ phân hạch hạt nhân đã được áp dụng trong sản xuất nhiều loại vũ khí siêu mạnh. Chỉ sau Chiến tranh thế giới thứ II, các nhà khoa học mới chú ý đến việc sử dụng quá trình phân hạch hạt nhân để sản xuất điện.

Cũng giống như hơi nước sinh ra từ nồi hơi đốt nhiên liệu hóa thạch có thể làm quay tua bin phát điện, hơi nước từ nồi hơi nguyên tử cũng được sử dụng để tạo ra điện.

Các tiến bộ công nghệ tiếp tục nâng cao hiệu quả và mức độ an toàn. Ngày nay có khoảng 440 nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động trên toàn thế giới. Các nhà máy này sản xuất khoảng 10% điện năng của thế giới.

Trong tình hình việc sản xuất 60% điện năng toàn cầu bằng các nguồn nguyên liệu khác, đang phát thải khí nhà kính ở mức đe dọa khí hậu toàn cầu thì sản xuất điện hạt nhân là một giải pháp tương đối sạch hơn.

Tuy nhiên, có những chi phí vô cùng lớn khiến chúng ta phải cân nhắc việc chuyển đổi nhiều hơn sang sử dụng nguồn điện này.

Năng lượng hạt nhân đi kèm với những vấn đề gì?

Thách thức khi sử dụng năng lượng hạt nhân nằm ở 3 lĩnh vực: chất thải, rủi ro và chi phí.

Nói về chất thải, một trong những mối quan ngại lớn nhất trong những thập kỷ gần đây là mức độ xả thải chứa các đồng vị có thể mất hàng nghìn năm mới có thể hạ xuống mức phóng xạ gần bằng với mức độ các loại quặng sinh ra nguyên liệu chứa các đồng vị đó.

Hiện nay, hơn 250 nghìn tấn chất thải phóng xạ cao đang được lưu trữ trên toàn cầu, chờ xử lý hoặc tái xử lý.

Điều đó có gì độc hại? Mặc dù chất thải hạt nhân khi được lưu trữ đúng cách thì không gây ra mối đe dọa tức thì nào, nhưng làm sao để đảm bảo việc quản lý đó được lâu dài và khi xảy ra tai nạn thì việc xử lý vô cùng phức tạp, thậm chí đã trở thành vấn đề nhức nhối hiện chưa thể giải quyết triệt để.

Về rủi ro, thế giới đã chứng kiến một cuộc khủng hoảng tồi tệ sau khi một tai nạn kỹ thuật xảy ra ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl, Ukraina, vào năm 1986. Toàn bộ nhà máy đã sụp đổ thành đống đổ nát giữa một vùng nhiễm độc phóng xạ.

Năm 2011, lò phản ứng hạt nhân Fukushima, Nhật Bản, cũng ra đi sau một trận động đất. Cho dù những sự kiện tàn khốc như này không xảy ra thường xuyên nhưng ước tính cho thấy những cuộc khủng hoảng như vậy có thể xảy ra mỗi 10 đến 20 năm/ lần, và nguy cơ lan truyền phóng xạ lên đến hàng nghìn km xung quanh.

Không chỉ nguy cơ trực tiếp lên sức khỏe, theo Tổ chức Y tế thế giới, "dân chúng ở Fukushima đi sơ tán còn phải chịu tác động tâm lý xã hội và sức khỏe tâm thần, bị phá vỡ các liên kết xã hội do mất nhà cửa và việc làm, mối quan hệ gia đình bị cắt đứt và bị xung quanh kỳ thị".

Về chi phí, các nhà nghiên cứu sử dụng thuật ngữ "chi phí cào bằng điện" (LCOE) để so sánh chi phí sản xuất điện. Chi phí này cao bao nhiêu còn tùy vào rất nhiều yếu tố liên quan đến địa điểm và biến động của các nguồn lực, nhưng vẫn có thể có được mức độ đánh giá tương đối trên toàn thế giới.

Theo Báo cáo tình hình ngành điện nguyên tử thế giới năm 2020, LCOE của năng lượng hạt nhân đã nhảy vọt, tăng 26% trong giai đoạn 2009 - 2019, lên đến 155 đô la Mỹ (tương đương 3,6 triệu đồng)/ megawatt giờ.

Trong khi đó than giảm 2% xuống mức 109 đô la Mỹ (tương đương 2,5 triệu đồng), điện mặt trời chỉ có 41 đô la Mỹ (tương đương 940 nghìn đồng), điện gió cũng giảm và tương đương với điện mặt trời.

Điện hạt nhân có thể cứu thế giới hay không?

Tất nhiên, công nghệ mới luôn luôn tạo nên khác biệt. Tìm ra những cách tốt hơn để lưu trữ chất thải hạt nhân có thể giúp nâng cao mức độ an toàn. Các thay thế cho đồng vị uranium có thể loại bỏ mối lo ngại về rò rỉ và tiềm năng vũ khí hóa các chương trình hạt nhân.

Công nghệ thay thế cũng ảnh hưởng đến quy mô các lò phản ứng, hoặc thậm chí cải thiện LCOE.

Nhưng dường như đã quá muộn. Một phân tích tổng hợp về sản xuất điện hạt nhân và điện tái tạo ở hơn 100 nước trong 25 năm qua nhận thấy rằng điện hạt nhân không đạt được mức giảm phát thải carbon như điện tái tạo có thể làm được.

Hơn thế nữa, đầu tư vào năng lượng hạt nhân là một chi phí chìm khiến cho việc chuyển sang năng lượng tái tạo trong tương lai càng khó khăn hơn.

Nói một cách công bằng, không phải là năng lượng nhân không có chỗ trong tương lai. Ví dụ như sử dụng nguồn năng lượng này cho thăm dò vũ trụ là một ưu điểm, hay sản xuất một số đồng vị nhất định cho y học và công tác nghiên cứu là một lĩnh vực vô cùng giá trị.

Nó không cứu chúng ta khỏi cuộc khủng hoảng khí hậu, nhưng có thể mang lại những lợi ích khác sẽ đồng hành cùng con người trong một thời gian dài sắp tới.