Thorium - Nguồn năng lượng sạch và dồi dào cho tương lai
07:18 | 11/02/2022
 Thorium thay thế Uranium trong tương lai?
Thorium được nhà hoá học Thuỵ Điển Jons Jakob Berzelius phát hiện ra trong năm 1828 và được đặt tên là Thor (tên của Thần sấm sét Bắc Âu). Trong năm 1989, Gerhard Carl Schmidt và Marie Curie cùng phát hiện ra thorium là kim loại phóng xạ. |
I. Thorium - năng lượng xanh cho tương lai:
Theo trang tin Vinfuturepriz, lễ trao giải thưởng khoa học công nghệ toàn cầu VinFuture diễn ra vào tối 20/1/2022 tại Hà Nội để tìm ra những chủ nhân giải thưởng mùa đầu tiên. Buổi lễ vinh danh thu hút sự chú ý của công chúng trong và ngoài nước. Giải thưởng tôn vinh các phát minh, sáng chế đổi mới công nghệ ở mọi lĩnh vực khoa học - công nghệ, hướng tới việc giải quyết những thách thức chung của nhân loại, nhưng không giới hạn ở lĩnh vực như nâng cao sức khỏe và chất lượng cuộc sống, xóa nghèo, chấm dứt nạn đói, tạo cơ hội được hưởng thụ nền giáo dục tiến bộ cho mọi người, nước sạch, năng lượng tái tạo, bình đẳng, công bằng, sản xuất và thương mại có trách nhiệm, ứng phó với biến đổi khí hậu, v.v…
Quỹ VinFuture ra mắt ngày 20/12/2020 do tỷ phú Phạm Nhật Vượng và vợ ông đồng sáng lập với mục tiêu tạo ra sự thay đổi tích cực trong cuộc sống của hàng triệu người trên thế giới. Hoạt động cốt lõi của Quỹ là trao Giải thưởng VinFuture hàng năm trị giá 4,5 triệu USD cho các phát minh khoa học công nghệ đột phá, có tiềm năng tạo ra những thay đổi ý nghĩa trong cuộc sống của con người.
Phát biểu khai mạc Lễ trao giải VinFuture 2022, Thủ tướng Phạm Minh Chính chia sẻ: Hai năm qua, trong thời khắc khó khăn của dịch bệnh, nhân loại đã đặt niềm tin, hy vọng vào các nhà khoa học để tìm ra vắc-xin, thuốc chữa phòng chống dịch Covid-19. Vắc-xin được ví như lá chắn thép của nhân loại để qua dịch bệnh. Cả thế giới đã biết ơn, ngưỡng mộ các nhà khoa học thực hiện sứ mệnh của mình. “Chúng ta có mặt ở đây an toàn, bình yên, cũng nhờ các nhà khoa học, nhờ vắc-xin” - Thủ tướng nhấn mạnh.
Thủ tướng Phạm Minh Chính cho biết: Việt Nam coi phát triển khoa học công nghệ là quốc sách hàng đầu nhằm phát triển kinh tế - xã hội, phát triển nhanh bền vững. Nhà nước đang đẩy mạnh thiết kế cơ chế chính sách, thúc đẩy nguồn lực đổi mới sáng tạo, đưa khoa học công nghệ thành mục tiêu, động lực quan trọng để phát triển đất nước hùng cường, thịnh vượng, trong đó mỗi người dân là chủ thể, thụ hưởng thành quả của đổi mới sáng tạo. Thúc đẩy khoa học công nghệ, đổi mới sáng tạo còn là chủ trương lớn thể hiện trách nhiệm của Việt Nam với cộng đồng quốc tế trong bối cảnh hội nhập sâu rộng.
Trước khi trao giải đã diễn ra Tuần lễ khoa học VinFuture với nhiều sự kiện giao lưu phong phú. Tại buổi “Toạ đàm khoa học vì cuộc sống”, GS Gérard Albert Mourou, nhà khoa học người Pháp, người tiên phong trong lĩnh vực kỹ thuật điện, laser và là người đoạt giải Nobel Vật lý 2018 đã có những tiết lộ mới liên quan đến năng lượng sạch. GS Mourou cho hay, ông cùng các cộng sự đang nghiên cứu về Thorium, nguồn tài nguyên dồi dào có thể giúp nhân loại giải quyết vấn đề năng lượng trong tương lai, đáp ứng nhu cầu cho số dân hiện tại của thế giới trong thời gian dài tới 20.000 năm.
Theo GS Albert Mourou: Thorium đích thực là “ứng viên năng lượng mới”, đang được nghiên cứu để thay thế Uranium trong sản xuất điện hạt nhân. Nếu thành công, đây sẽ là giải pháp hữu hiệu cho con người trước bài toán nguồn năng lượng ngày càng cạn kiệt. Thorium có nhiều lợi thế như có sẵn, dồi dào trong tự nhiên, tạo ra chất thải ít hơn rất nhiều so với Uranium và tuổi thọ vật liệu độc tính của Thorium tồn tại rất ngắn khi so với Uranium.
Theo cuốn SuperFuel: Thorium, the Green Energy Source for the Future (tạm dịch: Siêu năng lượng Thorium, nguồn năng lượng xanh cho tương lai) nhà văn khoa học từng đoạt giải thưởng người Mỹ Richard Martin đã đề cập chi tiết về năng lượng mới này. Thorium là một nguyên tố phóng xạ và nhiên liệu hạt nhân thay thế an toàn, sạch hơn và dồi dào hơn so với Uranium. Đặc biệt, tác giả còn đề cập tới lý do Thorium đã bị gạt ra ngoài vào thời kỳ đỉnh điểm của Chiến tranh Lạnh.
Cũng theo Richard Martin, từ buổi bình minh của thời đại nguyên tử, Thorium và Uranium cạnh tranh khốc liệt với tư cách là nhiên liệu của tương lai. Uranium, với khả năng trải qua quá trình phân hạch và tạo ra vật liệu nổ cho vũ khí nguyên tử, đã chiến thắng nguyên tố chị em cùng hòa bình hơn với nó, khiến Thorium bị lãng quên.
Giờ đây, khi chúng ta vật lộn với những nguy cơ của năng lượng hạt nhân, vũ khí nguyên tử, bóng ma của biến đổi khí hậu toàn cầu, thì Thorium lại tái xuất như một nguồn năng lượng “cứu tinh”. Với sự giúp đỡ của các nhà khoa học và đầu tư ở Thung lũng Silicon, con người có thể biến Thorium thành nguồn năng lượng xanh cho thế hệ tương lai. Theo tác giả, ông dùng cụm từ SuperFuel Thorium (Siêu năng lượng Thorium) để đặt tên cho cuốn sách của mình là để nhấn mạnh tới nguồn siêu năng lượng sạch này. Superfuel là câu chuyện về việc khám phá lại một công nghệ đã mất từ lâu có khả năng biến đổi tương lai của con người, về câu chuyện của những người theo chủ nghĩa hòa bình, những người đã từng phản đối vũ khí nguyên tử, và cả những ai còn đang trong cơn say nồng nhiên liệu hóa thạch, để biến thế giới thành hành tinh chúng ta trở nên Net Zero và xa hơn ngăn chặn nguy cơ tồn tại vĩnh viễn của các loại vũ khí hạt nhân như từng diễn ra tại hai thành phố của Nhật Bản cách đây trên 7 thập kỷ.
II. Lý do Thorium lại được xem là siêu năng lượng cho tương lai:
Theo trang tin Whatisnuclear (WNC) của Mỹ: Thorium là một nguyên tố cơ bản của tự nhiên, giống như Sắt và Uranium, ký hiệu Th, số hiệu nguyên tử 90 và là 1 trong 3 kim loại phóng xạ xuất hiện trong tự nhiên với số lượng lớn ở dạng nguyên thủy (hai nguyên tố còn lại là Bismuth và Uranium. Thorium được Morten Thrane Esmark người Na Uy phát hiện năm 1828 và được xác định bởi nhà hóa học Thụy Điển Jöns Jakob Berzelius, người đã đặt tên nó theo Thor, nhân vật thần sấm trong thần thoại Bắc Âu. Thorium là một kim loại phóng xạ thấp, và cũng được xem là một nguyên liệu hạt nhân thay thế cho Uranium.
Về tính chất, giống như Uranium, Thorium các đặc tính của nó cho phép nó được sử dụng để cung cấp nhiên liệu cho một phản ứng dây chuyền hạt nhân có thể vận hành một nhà máy điện và tạo ra điện năng và nhiều thứ khác. Thorium tự nó sẽ không phân chia và giải phóng năng lượng. Thay vào đó, khi nó tiếp xúc với neutron, qua một loạt phản ứng hạt nhân cho đến cuối cùng xuất hiện như một đồng vị của uranium được gọi là U-233, dễ dàng phân tách và giải phóng năng lượng vào lần tiếp theo khi nó hấp thụ một neutron. Vì vậy, Thorium được coi là dễ sinh sản còn U-233 được gọi là dạng phân hạch.
Các lò phản ứng sử dụng thori đang hoạt động theo chu trình nhiên liệu được gọi là Thorium-Uranium (Th-U). Tuy nhiên, phần lớn các lò phản ứng hạt nhân hiện có hoặc được đề xuất sử dụng Uranium đã được làm giàu (U-235) hoặc plutonium đã được xử lý lại (Pu-239) làm nhiên liệu (trong chu trình Uranium-Plutonium). Các nhà máy điện phản ứng hạt nhân sắp ra mắt Trung Quốc và Ấn Độ đều sử dụng nhiều khoáng chất chứa Thorium và không nhiều Uranium, vì vậy, Thorium được xem là nguồn năng lượng triển vọng trong tương lai không xa…
Lợi ích chính của Thorium:
Chu kỳ Thorium chỉ cho phép các lò phản ứng tái sinh hỗn hợp nơtron chậm (trái ngược với các lò phản ứng tái sinh hỗn hợp nhanh), tức lò phản ứng hạt nhân tạo ra nhiều vật liệu phân hạch hơn mức tiêu thụ. Nhiều neutron được giải phóng trên mỗi neutron được hấp thụ trong nhiên liệu trong kiểu lò phản ứng truyền thống (phản ứng chậm neutron). Điều này có nghĩa, nếu nhiên liệu được xử lý lại, các lò phản ứng có thể được cung cấp nhiên liệu mà không cần khai thác thêm U-235 để tăng khả năng phản ứng. Đồng nghĩa, nguồn nhiên liệu hạt nhân trên Trái đất có thể được mở rộng thêm 2 bậc độ lớn mà không gặp một số sự cố của lò phản ứng nhanh. Tạo nhiệt tái sinh phù hợp nhất cho Lò phản ứng muối nóng chảy (MSR) như trong phần phân tích dưới đây.
Chu trình nhiên liệu Th-U không chiếu xạ Uranium-238 và do đó không tạo ra các nguyên tử transuranic (lớn hơn uranium) như Plutonium, Americium, Curium, v.v… Những transuranics này là mối quan tâm lớn về sức khỏe liên quan tới chất thải hạt nhân mà lâu nay dư luận đang nhắc đến. Do đó, chất thải Th-U sẽ ít độc hơn trên khoảng thời gian tới trên 10.000 năm.
Thorium là vật liệu dồi dào, có nhiều trong vỏ Trái đất hơn so với Uranium, ở nồng độ 0,0006% so với 0,00018% Uranium (hệ số 3,3x). Đây thường được coi là một lợi ích chính, nhưng nếu nhìn vào trữ lượng đã biết thì Thorium có thể khai thác kinh tế hơn so với Uranium. Ngoài ra, Uranium được tìm thấy hòa tan trong nước biển, trong khi lượng Thorium ít hơn tới 86.000 lần trong đó. Nếu chu trình nhiên liệu khép kín hoặc quá trình tái sinh trở thành xu hướng chủ đạo, thì lợi ích này sẽ không liên quan vì cả chu trình nhiên liệu Th-U và U-Pu đều tồn tại lâu dài với con người trong hàng chục nghìn năm, tương đương với lịch sử hiện đại.
Nhược điểm của Thorium:
Phải nói ngay rằng, khoa học chưa có nhiều kinh nghiệm về Thorium. Lý do, ngành công nghiệp hạt nhân khá bảo thủ, nhưng quan trọng hơn, với Thorium là chúng ta vẫn có ít kinh nghiệm vận hành, sử dụng nên chưa tích lũy được nhiều về nó. Thorium dioxide nóng chảy ở nhiệt độ cao hơn 550 độ so với Uranium dioxide truyền thống, nên nhiệt độ rất cao để sản xuất nhiên liệu rắn chất lượng cao. Chưa hết, Thorium còn là vật liệu khá trơ nên khó xử lý hóa học. Điều này không liên quan đến các lò phản ứng sử dụng nhiên liệu lỏng được thảo luận trong khuôn khổ bài viết này.
Thorium được chiếu xạ là chất phóng xạ nguy hiểm trong ngắn hạn. Chu kỳ Th-U luôn tạo ra một số U-232, chúng phân rã thành Tl-208, có chế độ phân rã tia gamma 2,6 MeV. Bi-212 cũng có thể gây ra vấn đề. Những tia gamma này rất khó che chắn, đòi hỏi việc xử lý lại nhiên liệu gây tốn tốn kém hơn. Trong khi U-233 là một nhiên liệu tuyệt vời trong chế độ nơtron chậm, nó nằm giữa U-235 và Pu-239 trong phổ nhanh. Vì vậy, đối với các lò phản ứng đòi hỏi tính kinh tế neutron tuyệt vời (giống như đốt), thì Thorium không phải là lý tưởng.
Các vấn đề về phổ biến hạt nhân:
Thorium thường được chấp nhận là kháng tăng sinh so với chu trình U-Pu. Vấn đề với plutonium là nó có thể được tách về mặt hóa học từ chất thải nên đã được sử dụng trong bom. Người ta biết rằng thậm chí plutonium cấp lò phản ứng có thể được chế tạo thành bom nếu được thực hiện cẩn thận. Bằng cách tránh hoàn toàn plutonium, các chu trình thorium vượt trội hơn về mặt này.
Bên cạnh việc tránh plutonium, Thorium còn có thêm khả năng tự bảo vệ khỏi tia gamma cứng phát ra từ U-232 như đã thảo luận ở trên. Điều này làm cho việc ăn cắp nhiên liệu dựa trên Thorium khó khăn hơn. Ngoài ra, nhiệt từ các gamma này khiến việc chế tạo vũ khí cũng gặp trở ngại, vì khó có thể giữ cho hố vũ khí không bị nóng chảy do nhiệt của chính nó. Tuy nhiên, cũng cần lưu ý rằng các gammas đến từ chuỗi phân rã của U-232, không phải từ chính U-232. Điều này có thể hiểu, các chất gây ô nhiễm có thể được tách ra về mặt hóa học và vật liệu sẽ dễ dàng xử lý hơn. U-232 có chu kỳ bán rã 70 năm nên phải mất một thời gian dài để các gamma này quay trở lại.
Tuy nhiên, mối quan tâm về sự phổ biến giả thuyết duy nhất với nhiên liệu Thorium là Protactinium có thể bị tách ra về mặt hóa học ngay sau khi nó được sản xuất và loại bỏ khỏi thông lượng neutron (đường dẫn đến U-233 là Th-232 -> Th-233 -> Pa-233 -> U-233). Sau đó, nó sẽ phân rã trực tiếp thành U-233 tinh khiết. Bằng con đường đầy thử thách nói trên, người ta có thể lấy được nguyên liệu làm vũ khí. Nhưng Pa-233 có chu kỳ bán rã 27 ngày, vì vậy một khi chất thải an toàn trong một vài lần như vậy, vũ khí không còn là vấn đề nữa. Do vậy, mối quan tâm về việc ăn cắp nhiên liệu cũng như khả năng chủ sở hữu lò phản ứng Th-U lấy được vật liệu chế tạo bom không hề dễ dàng.
Lò phản ứng muối nóng chảy:
Một khả năng đặc biệt thú vị phù hợp với khả năng tạo neutron chậm của chu trình nhiên liệu Th-U là lò phản ứng muối nóng chảy (MSR), mà được người ta quen gọi là Lò phản ứng Thori Florua lỏng (LFTR). Trong đó, nhiên liệu không được đúc thành dạng viên, mà được hòa tan trong một thùng muối lỏng. Phản ứng dây chuyền làm nóng muối, muối này truyền tự nhiên qua bộ trao đổi nhiệt để đưa nhiệt ra tua bin và tạo ra điện năng. Quá trình xử lý hóa học trực tuyến loại bỏ chất độc neutron của sản phẩm phân hạch và cho phép tiếp nhiên liệu đưa vào hoạt động (loại bỏ nhu cầu tắt máy để quản lý nhiên liệu, v.v...). Đến nay, không có lò phản ứng nào trong số này hoạt động, nhưng ở Oak Ridge, Mỹ, đã có một lò phản ứng thử nghiệm kiểu này hồi thập niên 60 thế kỷ trước, được gọi là Thí nghiệm Lò phản ứng Muối nóng chảy (MSRE).
MSRE đã chứng minh thành công, có thể được vận hành trong một khoảng thời gian dài và có thể cạnh tranh với các loại lò LMFBR (Lò phản ứng tái sinh nhanh làm mát bằng kim loại lỏng) để được liên bang tài trợ. Những lò phản ứng nói trên cực kỳ an toàn, chống sinh sôi, tiết kiệm tài nguyên, vượt trội về môi trường (so với hạt nhân truyền thống, cũng như nhiên liệu hóa thạch), thậm chí còn rẻ nữa. Hiện nay nước nào đã thử nghiệm thành công các loại lò phản ứng muối nóng chảy vẫn chưa có thống kê đầy đủ.
Theo WNC, hiện có khoảng 4 công ty khởi nghiệp đang thực các dự án nói trên, trong đó có Trung Quốc và Ấn Độ./.
KHẮC NAM - CHUYÊN GIA TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM
(THEO: NET/VBC/FAC - 1/2022)
Links tham khảo:
1/ https://vinfutureprize.org/vi/
2/ https://kinhtevadubao.vn/viet-nam-tran-trong-ton-quy-ton-vinh-cac-nha-khoa-hoc-chan-chinh-21094.html
Copy link
