Điện hạt nhân là gì? Xu hướng điện hạt nhân trong tương lai

Năng lượng hạt nhân là gì ?

Sức mạnh của nguyên tử đã đóng vai trò trung tâm trong việc phát điện hơn nửa thế kỷ qua. Ngày nay, phản ứng phân hạch hạt nhân – quá trình mà năng lượng hạt nhân được sử dụng để tạo ra điện – đang trở thành nguồn năng lượng sạch hỗ trợ cho mục tiêu trung hòa carbon (net zero) trên toàn cầu.

Năng lượng hạt nhân đã là một phần của hệ thống năng lượng thế giới từ đầu những năm 1950, khi các lò phản ứng hạt nhân đầu tiên bắt đầu tạo ra điện. Từ thời kỳ đỉnh cao vào những năm 1960 đến cuối thập niên 1980, điện hạt nhân đã trải qua nhiều thăng trầm và thường là chủ đề gây tranh cãi.

Ngày nay, năng lượng hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện sạch, ít khí thải carbon, và có thể là nhân tố then chốt giúp nhân loại đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050.

Cách năng lượng hạt nhân hoạt động

Các nhà máy điện hạt nhân hoạt động tương tự như nhà máy nhiệt điện than hoặc khí, nhưng nguyên lý khoa học phía sau phản ứng hạt nhân phức tạp và tiên tiến hơn nhiều.

Trong lò phản ứng hạt nhân, quá trình phân hạch xảy ra khi một hạt (thường là neutron) va chạm vào hạt nhân của nguyên tử uranium hoặc plutonium, khiến nó tách thành hai hạt nhân nhỏ hơn và giải phóng thêm neutron cùng lượng nhiệt lớn.

Các neutron mới sinh ra lại tiếp tục va chạm và tách các hạt nhân khác, tạo thành phản ứng dây chuyền, duy trì quá trình sinh nhiệt liên tục.

Nhiệt lượng này được truyền sang nước, biến nước thành hơi nước áp suất cao. Hơi nước sau đó được dẫn qua các tuabin, làm quay máy phát điện để tạo ra điện năng.

Lợi ích của năng lượng hạt nhân

• Phát điện liên tục 24/7 – khác với năng lượng gió hoặc mặt trời, điện hạt nhân không phụ thuộc vào thời tiết.
• Giảm phát thải carbon – giúp ổn định hệ thống điện sạch, đặc biệt khi các nguồn tái tạo không đáp ứng đủ nhu cầu.
• Tuổi thọ cao – các nhà máy hạt nhân thế hệ mới có thể hoạt động tới 80 năm, lâu hơn nhiều so với nhà máy điện than, khí hoặc các hệ thống năng lượng tái tạo.
• Hiệu quả và ổn định kinh tế – dù chi phí đầu tư ban đầu lớn, nhưng chi phí nhiên liệu thấp, hiệu suất cao và khả năng cung cấp điện nền ổn định khiến hạt nhân trở thành nguồn năng lượng chiến lược dài hạn.

Năng lượng hạt nhân có sạch không?

Năng lượng hạt nhân thường được xem là một công nghệ năng lượng sạch, vì trong quá trình vận hành, nó gần như không thải ra khí CO₂ hoặc các loại khí nhà kính khác. Ngoài ra, năng lượng hạt nhân còn giúp tránh được việc phát thải các chất ô nhiễm không khí thường gặp khi đốt nhiên liệu hóa thạch để tạo ra điện.

Tuy nhiên, vẫn còn những lo ngại liên quan đến việc xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, bởi đến nay con người vẫn chưa có giải pháp loại bỏ chúng hoàn toàn một cách an toàn và lâu dài.

Lịch sử phát triển điện hạt nhân từng ghi nhận một số sự cố rò rỉ hơi nước phóng xạ, gây chú ý và lo ngại trên toàn cầu. Dù vậy, trong những thập kỷ gần đây, mức độ an toàn của ngành hạt nhân đã được cải thiện đáng kể nhờ vào các quy định nghiêm ngặt hơn, công nghệ tiên tiến hơn và quy trình vận hành được chuẩn hóa.

Năng lượng hạt nhân có phải là năng lượng tái tạo không?

Các nhiên liệu hạt nhân như uranium không được xem là tái tạo, vì chúng là tài nguyên hữu hạn được khai thác từ lòng đất và chỉ tồn tại ở một số khu vực nhất định. Tuy nhiên, lượng nhiên liệu cần dùng để tạo ra điện là cực kỳ nhỏ so với các nguồn năng lượng hóa thạch.

Ví dụ: chỉ 1 kg uranium có thể cung cấp năng lượng tương đương 2,7 triệu kg than đá, khiến năng lượng hạt nhân trở thành nguồn cung ổn định và đáng tin cậy trong nhiều thập kỷ tới.

Mức độ sử dụng năng lượng hạt nhân hiện nay

Nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên trên thế giới là Calder Hall (Anh Quốc), gồm hai lò phản ứng công suất 65 MW, chính thức vận hành vào năm 1956. Trong hơn 66 năm qua, Vương quốc Anh đã có tổng cộng 19 nhà máy điện hạt nhân hoạt động và ngừng hoạt động luân phiên.

Tính đến năm 2021, chỉ còn 6 nhà máy điện hạt nhân đang vận hành, với 11 lò phản ứng hoạt động. Trong đó, Sizewell B (tại Suffolk) là nhà máy có công suất lớn nhất, đạt 1.198 MWe.

Năm 2020, năng lượng hạt nhân chiếm 16,1% tổng sản lượng điện của Vương quốc Anh – chỉ xếp sau khí tự nhiên và điện gió, đồng thời duy trì tỉ trọng ổn định suốt 25 năm qua.

Hoa Kỳ hiện là quốc gia sản xuất điện hạt nhân lớn nhất thế giới, chiếm hơn 30% tổng công suất hạt nhân toàn cầu, với 93 lò phản ứng tại 55 nhà máy – tổng công suất đạt 95,4 GW, tương ứng khoảng 20% nguồn điện quốc gia.

Pháp cũng là một quốc gia tiêu thụ năng lượng hạt nhân hàng đầu, với khoảng 70% lượng điện quốc gia đến từ nguồn này, nhờ chính sách tập trung vào an ninh năng lượng đã được duy trì trong nhiều thập kỷ.

Tương lai của việc sản xuất điện hạt nhân

Khi Vương quốc Anh và Hoa Kỳ hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050, cơ cấu nguồn điện của hai quốc gia này sẽ có nhiều thay đổi. Năng lượng hạt nhân được dự đoán sẽ đóng vai trò quan trọng trên phạm vi toàn cầu, giúp các quốc gia có năng lực hạt nhân đạt được mục tiêu này.

Tại Vương quốc Anh, việc xây dựng nhà máy Hinkley Point C ở Somerset đánh dấu cam kết của chính phủ trong việc xem năng lượng hạt nhân là trụ cột của hệ thống năng lượng quốc gia. Dự án Sizewell C, “nhà máy chị em” của trạm Sizewell B hiện đang hoạt động, đang trong giai đoạn tham vấn với công suất dự kiến đạt 3,2 GW.

Tại Hoa Kỳ, tính đến năm 2021, chính phủ có kế hoạch nâng cấp các lò phản ứng hiện có nhằm tăng công suất phát điện, đồng thời hai lò phản ứng mới tại Vogtle (bang Georgia) đã chính thức đưa vào vận hành năm 2023.

Lò phản ứng mô-đun nhỏ 

Trong tương lai, ngành điện hạt nhân có thể chứng kiến sự xuất hiện của các lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMRs) – những phiên bản thu nhỏ của nhà máy điện hạt nhân truyền thống, tương tự loại được sử dụng trên tàu ngầm và tàu chiến hạt nhân.

Mặc dù công suất của SMRs chỉ bằng khoảng một phần năm so với các lò phản ứng quy mô lớn hiện nay, nhưng chúng dễ dàng sản xuất hàng loạt, vận chuyển linh hoạt đến nơi cần thiết và có thể tháo dỡ, hoàn trả khi hết vòng đời hoạt động.

SMRs cũng mang lại nhiều lợi ích về an toàn, nhờ thiết kế đơn giản hơn và chủ yếu dựa vào các cơ chế thụ động tự động ngừng hoạt động, thay vì phụ thuộc vào sự can thiệp của con người.

Năng lượng hạt nhân nhiệt hạch

Nhiệt hạch hạt nhân (nuclear fusion) từ lâu đã được xem là hướng đi tiềm năng trong sản xuất điện. Nguyên lý của nó là hai hạt nhân của nguyên tử nhẹ (như hydro) hợp nhất với nhau, tạo ra một lượng năng lượng khổng lồ — ước tính gấp bốn lần so với phản ứng phân hạch (fission), trong khi sử dụng ít tài nguyên hơn rất nhiều.

Thực tế, mặt trời chính là một lò phản ứng nhiệt hạch tự điều chỉnh khổng lồ.

Các ưu điểm khác của nhiệt hạch bao gồm:

• Nguồn nhiên liệu dồi dào, vì các đồng vị hydro có sẵn trong tự nhiên;

• Quá trình phản ứng an toàn hơn so với phân hạch;

• Chất thải hạt nhân ít nguy hiểm hơn và có thể tái chế được trong tương lai.

Hiện tại, phản ứng nhiệt hạch mới chỉ được thực hiện trong phòng thí nghiệm và duy trì trong vài giây, chưa thể ứng dụng ở quy mô thương mại. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã nghiên cứu công nghệ này từ những năm 1930 và tin rằng một bước đột phá đang đến gần.

Năm 2022, chính phủ Anh công bố kế hoạch xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch đầu tiên trên thế giới tại Nottinghamshire, dự kiến bắt đầu vận hành vào những năm 2040.