Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên thế giới được khánh thành vào ngày 27.6.1954 tại thành phố nhỏ Obninsk cách Matxcơva chừng hơn 100km. Tôi đã có dịp đến thăm nhà máy này vào đầu năm 1962 khi tham dự lớp học do Viện Liên hợp nghiên cứu hạt nhận Đúpna tổ chức để chuẩn bị cho việc xây dựng các nhà máy điện hạt nhân trong các nước xã hội chủ nghĩa anh em. Nhà máy này có một lò phản ứng dùng nhiên liệu là urani tự nhiên, chất làm chậm nơtron là graphit, chất tải nhiệt là nước thường. Công suất của nhà máy là 5.000kW. Hai năm sau, vào năm 1956, hầu như đồng thời cả hai nước Anh và Pháp đều khánh thành nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của mình. Nhà máy của Anh được xây dựng ở Calder Hall và nhà máy của Pháp ở Chinon, bên bờ sông Loire. Cả hai nhà máy này đều thuộc thế hệ thứ nhất của các nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng dùng nhiên liệu là urani tự nhiên, chất làm chậm nơtron là graphit, chất làm lạnh và tải nhiệt là khí CO2. Loại lò phản ứng thuộc thế hệ thứ nhất này được ký hiệu là GCR [Gas cooled reactor – Lò phản ứng làm lạnh bằng khí]. Năm 1957 nước Mỹ khánh thành nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của mình ở Shippingport thuộc bang Pennsylvania, công suất 60MW. Đây là nhà máy điện hạt nhân đầu tiên thuộc thế hệ thứ hai, lò phản ứng dùng nhiên liệu là urani giàu 3% [có nghĩa là tỷ lệ chất phân hạch urani – 235 được nâng từ 0,7% trong urani tự nhiên lên 3%], chất làm chậm nơtron và chất tải nhiệt đều là nước thường [H20]. Lò phản ứng hạt nhân thuộc thế hệ thứ hai này được ký hiệu là PWR [Pressurized Water Reactor – lò phản ứng nước áp lực]. Lò phản ứng này có hai vòng nước. Trong vòng nước thứ nhất [vòng sơ cấp], nước tải nhiệt được nén tới áp suất 130 – 150 atmotphe nên tuy sau khi đã đi qua các thanh nhiên liệu nhiệt độ lên đến 3200C nhưng vẫn không sôi [nước dưới áp suất bình thường 1atmotphe thì sôi ở nhiệt độ 1000C]. Qua bộ phận trao đổi nhiệt, nước trong vòng thứ hai [vòng thứ cấp] sôi lên tạo ra hơi nước làm quay tuabin và khởi động máy phát điện. Sau khi đi qua bộ phận trao đổi nhiệt, chất tải nhiệt nguội đến 2800C, sau đấy được bơm trở lại vào lò phản ứng để tiếp tục tải nhiệt. So với lò phản ứng GCR của Anh và Pháp, loại lò phản ứng PWR của Mỹ có nhiều ưu điểm hơn như độ an toàn cao, giá thành điện năng rẻ hơn 20-30%, thể tích gọn nhẹ [lò phản ứng của Pháp cao 58m, đường kính 28m, trong khi lò của Mỹ cùng công suất chỉ cao 21m, đường kính 6m]. Tuy nhiên lò phản ứng của Mỹ phải dùng nhiên liệu là urani giàu mà lúc ấy Pháp chưa chế tạo được. Ở Pháp vào năm 1967, sau khi đã xây dựng một loạt 5 nhà máy điện hạt nhân dùng lò phản ứng kiểu GCR, đã xảy ra một cuộc tranh luận gay gắt giữa hai đường lối phát triển điện hạt nhân của Pháp. ủy ban năng lượng nguyên tử Pháp [CEA] muốn tiếp tục xây dựng các nhà máy điện hạt nhân dùng lò phản ứng GCR theo đường lối riêng của Pháp, không phụ thuộc vào urani giàu của Mỹ. Trái lại, Tổng Công ty điện lực Pháp [Electricité de France – EDF] chủ trương ngừng việc phát triển các lò phản ứng GCR mà thay bằng các lò phản ứng nước áp lực PWR kiểu Mỹ. Lúc đầu phái chủ trương theo đường lối độc lập thắng thế và người ta dự định tiếp tục xây dựng hai lò phản ứng kiểu GCR và dự kiến hai lò này sẽ là chủ bài trong chương trình hạt nhân của Pháp. Để phản đối, ông Tổng giám đốc Công ty Điện lực Pháp André Decelle xin từ chức, ông nói: Không thể chịu nổi tình hình là nước Pháp sản xuất ra những kWh điện hạt nhân đắt như vậy. Sau khi sự cố nghiêm trọng xảy ra tại hai nhà máy điện hạt nhân dùng lò GCR, cuối cùng ngày 13.11.1969 sau một cuộc họp nội các, Tổng thống Pháp Georges Pompidou chính thức tuyên bố ngừng việc xây dựng các lò phản ứng GCR và chuyển qua giai đoạn hoàn toàn xây dựng các lò phản ứng kiểu PWR của Mỹ. Hiện nay Pháp có 58 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động trên 19 địa điểm rải rác khắp nước với tổng công suất 63 triệu kW, sản lượng điện hạt nhân chiếm 78% toàn bộ sản lượng điện. Tất cả các lò phản ứng hạt nhân của Pháp đều thuộc thế hệ thứ hai PWR. Pháp đã giúp Trung Quốc xây dựng 2 nhà máy điện hạt nhân là Daya Bay và LingAo trên bờ biển thuộc tỉnh Quảng Đông, mỗi nhà máy có 2 lò phản ứng PWR công suất mỗi lò xấp xỉ 1000 MW, bắt đầu hoạt động từ năm 1994 và 2002. Hiện nay tại nhà máy điện hạt nhân LingAo đang xây dựng tiếp 2 lò phản ứng PWR cùng công suất như những lò trước đây. Đầu năm 2005 tại Phần Lan, một nước nhỏ ở Bắc âu dân số chỉ có 5 triệu người, đã khởi công xây dựng lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ ba đầu tiên trên thế giới ký hiệu EPR [European Pressurized Water Reactor – Lò phản ứng nước áp lực châu âu]. Khi hoàn thành vào năm 2009, lò phản ứng này sẽ là lò có công suất lớn nhất thế giới [1.600 MW – công suất nhà máy thủy điện Hoà Bình của ta là 1.920 MW]. Đây là một lò phản ứng do Pháp và Đức hợp tác nghiên cứu có nhiều ưu điểm như độ an toàn cao, phòng được sự cố nóng chảy tâm lò, chịu đựng được biến cố bên ngoài như máy bay rơi, động đất, giá điện năng rẻ, vận hành dễ dàng, ít chất thải phóng xạ có đời sống dài... Lò phản ứng này dự định cuối năm 2009 sẽ đưa vào vận hành. Năm 2007, Pháp đã khởi công xây dựng một lò phản ứng EPR thứ hai trên bờ biển Manche phía Bắc nước Pháp, dự định khánh thành vào năm 2012. Pháp dự định sau năm 2012 sẽ dừng lại trong 3 năm để rút kinh nghiệm và trưng cầu ý kiến công chúng, từ năm 2015 trở đi sẽ xây dựng hàng loạt lò thế hệ thứ ba EPR thay thế cho các lò thế hệ thứ hai PWR đã hết thời gian sử dụng. Tháng 11.2007 Pháp và Trung Quốc đã ký hợp đồng xây dựng 2 lò EPR ở Yanggiang thuộc tỉnh Quảng Đông, Trung Quốc. Pháp cũng dự định bán lò EPR cho một số nước khác nữa. Như vậy đối với nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của nước ta, chúng ta có nên dùng lò phản ứng thế hệ thứ ba EPR không? Trong chuyến đi cùng với đoàn đại biểu sang Pháp đầu tháng ba 2008 theo lời mời của ủy ban năng lượng nguyên tử Pháp, tôi có đưa vấn đề này ra hỏi các bạn Pháp thì được trả lời là chưa nên, mà nên dùng loại lò PWR công suất 1.000 MW giống như lò đã được xây dựng ở nhà máy điện hạt nhân Daya Bay và LingAo ở tỉnh Quảng Đông [Trung Quốc]. Đối với loại lò này Pháp đã tích lũy được nhiều kinh nghiệm, cho đến nay chưa hề xảy ra sự cố gì. Tất nhiên đến khi xây dựng cho Việt Nam thì sẽ có những cải tiến để nâng cao độ an toàn và các chỉ tiêu kinh tế và kỹ thuật khác. Hơn nữa công suất 1.600 MW thì quá lớn đối với mạng lưới điện ở Việt Nam, bước đầu 1.000 MW là vừa. Tôi có hỏi thêm là thế Phần Lan là nước nhỏ, công suất mạng lưới điện cũng không lớn, tại sao lại xây dựng được lò EPR 1.600 MW thì bạn trả lời là Phần Lan khác Việt Nam vì mạng lưới điện của Phần Lan được hoà vào với mạng lưới điện của châu âu. Năm 2000, Bộ Năng lượng Mỹ [Department of Energy – DOE] có đề ra sáng kiến thành lập diễn đàn quốc tế thế hệ IV [Generation IV International Forum] để cùng nhau nghiên cứu xây dựng nhà máy điện hạt nhân thế hệ thứ tư. Diễn đàn này hiện có 13 nước thành viên: Mỹ, Canada, Nga, Pháp, Nhật, Hàn Quốc, Anh, Brazil, Achentina, Trung Quốc, Nam Phi, Thụy Sĩ và Euratom [Cơ quan nguyên tử cộng đồìng châu âu]. Cuộc họp gần đây của Diễn đàn quốc tế thế hệ IV đã đề ra 6 hướng nghiên cứu và phân công cho các nước thành viên như nghiên cứu lò phản ứng nơtron nhanh làm lạnh bằng khí GFR [Gas Fast Reactor] cho phép sử dụng toàn bộ urani chứ không phải chỉ dùng urani – 235 [chỉ chiếm 0,7%], như vậy nâng cao hiệu quả sử dụng nhiên liệu lên hàng trăm lần, hay lò phản ứng nhiệt độ rất cao VHTR [Very high temperature reactor] trong ấy nhiệt độ trong vòng nước sơ cấp lên đến trên 1.0000C chứ không phải chỉ có 3200C như hiện nay, nhờ vậy có thể nâng cao hiệu suất biến đổi nhiệt năng ra điện năng và có thể dùng để chế tạo ra khí hyđrô là thứ nhiên liệu sẽ thay thế cho dầu xăng [chỉ khoảng 50 năm sau sẽ cạn kiệt]... Dự kiến những lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ IV này sẽ được thương mại hoá vào những năm 2030 – 2040. Đầu năm 2002 một hiệp định được ký kết giữa các đối tác Nga, Mỹ, Canada, Cộng đồng châu âu, Nhật, Hàn Quốc và Trung Quốc nhằm nghiên cứu đi đến chế tạo một lò phản ứng nhiệt hạch thử nghiệm quốc tế ITER [International Thermonuclear Experimental Reactor] với chi phí chừng 12 tỷ USD. Địa điểm đặt lò phản ứng này là ở Trung tâm nghiên cứu hạt nhân Cadarache miền Nam nước Pháp. Dự kiến lò phản ứng ITER sẽ xây dựng thành công vào khoảng năm 2015, tiếp theo là một lò phản ứng nhiệt hạch công suất lớn mẫu [prototype] vào khoảng năm 2030 – 2040 và nhà máy điện nhiệt hạch hy vọng sẽ trở thành hiện thực vào cuối thế kỷ này, bảo đảm cho con người một nguồn năng lượng an toàn, sạch sẽ và hầu như vô tận.
Đinh Ngọc Lân
Ai phát minh ra lò phản ứng hạt nhân?
Chicago Pile-1 [CP-1] là lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới. Vào ngày 2 tháng 12 năm 1942, phản ứng hạt nhân dây chuyền tự duy trì đầu tiên do con người tạo ra được khởi đầu trong CP-1, trong một cuộc thử nghiệm do Enrico Fermi dẫn đầu.
Ở Việt Nam có bao nhiêu lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động?
Tại Việt Nam hiện có 1 lò nghiên cứu kiểu IVV-9, đặt tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt.
Thế nào là chất làm chậm?
Chất làm chậm là chất được dùng trong lò phản ứng hạt nhân, có nhiệm vụ làm chậm Neutron, hay nói cách khác là làm giảm năng lượng của Neutron. Quá trình làm chậm Neutron là quá trình làm giảm động lượng của Neutron tự do qua quá trình va chạm với các nguyên tử của chất làm chậm.
Lò phản ứng hạt nhân hoạt động như thế nào?
Trong kiểu lò nước áp lực, nước được bơm vào lõi để hấp thu nhiệt từ các thanh nhiên liệu. Sau đó nó chảy qua một hệ thống kín để sôi. Hơi nước được dẫn sang buồng chứa turbin để làm quay turbin. Chuyển động quay của turbin được truyền sang máy phát điện.