Điện hạt nhân: Tiềm năng khai thác và những thách thức 

Điện hạt nhân là tương lai của ngành điện “sạch” nhờ ưu điểm sản lượng lớn, ít tác động đến môi trường và không phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Tuy nhiên, điện hạt nhân cũng tiềm ẩn nguy cơ tai nạn ở mức thảm họa khiến nhiều quốc gia e ngại đầu tư. Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu đến bạn tiềm năng phát triển và những thách thức của ngành công nghiệp điện hạt nhân. 

Điện hạt nhân là gì?

Điện hạt nhân là nguồn năng lượng thu được từ quá trình phân hạch hạt nhân trong lò phản ứng có kiểm soát. Điện hạt nhân không chứa carbon dioxide và phát thải khí nhà kính nên được nhận định là nguồn năng lượng an toàn, bền vững và có thể đóng vai trò then chốt trong nỗ lực đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 ở quy mô toàn cầu. 

Tuy sở hữu tiềm năng khai thác lớn nhất trong số các nguồn năng lượng trên Trái Đất nhưng mối lo ngại về phóng xạ liên quan đến năng lượng hạt nhân đã khiến điện hạt nhân bị phản đối ở nhiều quốc gia. 

Lịch sử phát triển của điện hạt nhân

Điện được sản xuất bởi lò phản ứng hạt nhân lần đầu tiên xuất hiện vào tháng 9/1948 tại lò Graphite X-10 ở Oak Ridge (Hoa Kỳ). 

Lò phản ứng hạt nhân tạo ra điện đầu tiên trên thế giới

Nhưng phải đến tháng 6/1954, nhà máy điện hạt nhân hòa lưới đầu tiên của thế giới mới được thành lập tại Obninsk (Liên Xô cũ) với công suất lắp đặt 5 MW. Trong giai đoạn từ năm 1958-1973, các nhà máy như Sibirskaya (công suất 100 MW), Beloyarskaya, Novovoronezhskây (công suất 210 MW), Leningradskaya lần lượt ra đời. 

Sau Liên Xô, Anh cũng có nhà máy điện hạt nhân đầu tiên - Calder Hall, được đưa vào vận hành năm 1956. 1 năm sau đó, Mỹ cho xây dựng nhà máy Beaver Valley với công suất 60 MW. 

Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên tại Anh

Năm 1986, sự cố nổ nhà máy điện hạt nhân Chernobyl xảy ra. Đây là 1 trong 2 thảm họa hạt nhân nghiêm trọng nhất trong lịch sử phát triển năng lượng hạt nhân, khiến 56 người tử vong trực tiếp và gây tổn thất lên đến 68 tỷ đô la Mỹ (tính theo giá trị vào năm 2019, đã điều chỉnh theo lạm phát). Sau sự cố này, Ý bỏ phiếu chống lại năng lượng hạt nhân trong cuộc trưng cầu dân ý vào năm 1987, trở thành nước phát triển đầu tiên loại bỏ hoàn toàn năng lượng hạt nhân vào năm 1990.

Đến năm 2011, thảm họa hạt nhân từ nhà máy Fukushima 1 (Nhật Bản) lần nữa nổ ra do tác động của động đất và sóng thần, làm một vùng rộng lớn bị nhiễm phóng xạ mà theo ước tính phải mất 40 năm mới có thể phục hồi. Sau thảm họa tại Nhật Bản, Đức phê duyệt kế hoạch đóng cửa tất cả các lò phản ứng hạt nhân vào năm 2022. 

Nhà máy điện hạt nhân hoạt động như thế nào?

Năng lượng hạt nhân chủ yếu được tạo ra từ việc phân tách hạt nhân nguyên tử trong lò phản ứng. Hiện có 3 phương pháp chính để lấy được năng lượng hạt nhân là phân hạch hạt nhân, tổng hợp hạt nhân và phân rã phóng xã. Trong đó, phân hạch hạt nhân được sử dụng phổ biến nhất. 

Phân hạch hạt nhân (phân rã nguyên tử) là quá trình phân chia hạt nhân nguyên tử thành hai hoặc nhiều hạt nhỏ hơn (và một số neutron bổ sung). Các neutron được giải phóng sẽ va chạm với các nguyên tử khác, khiến các nguyên tử này tiếp tục phân tách và giải phóng thêm neutron. Phản ứng dây chuyền (phản ứng phân hạch duy trì) như vậy tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ cùng khối lượng nhiệt đáng kể. Ước tính, 1kg đồng vị uranium sau quá trình phân hạch có thể giải phóng xấp xỉ 3 triệu lần lượng năng lượng so với 1kg than đá được đốt cháy theo cách thông thường.

Lò phản ứng hạt nhân sau đó sẽ truyền năng lượng nhiệt vào nước, biến thành các nồi hơi nước áp suất cao. Hơi nước được giải phóng qua các tuabin, biến nhiệt năng của hơi nước thành động năng và làm quay các máy phát điện trong nhà máy để tạo ra điện. 

Nhiên liệu phổ biến nhất dùng cho phân hạch hạt nhân tại các nhà máy điện hạt nhân là uranium, nhưng chỉ có 1 đồng vị uranium nhất định (U-235) mới phù hợp nhất để chuyển hóa lên U-236 và phân tách thành Kr 92 và Ba 141. Trong một số trường hợp, plutonium cũng có thể thay thế Uranium - 235.

Tầm quan trọng của điện hạt nhân

Tiềm năng khai thác khổng lồ

Để tạo ra cùng 1 GW công suất điện lắp đặt, quang điện mặt trời cần đến diện tích 160km2 để đặt các tấm pin mặt trời, trang trại gió cần 800km2 để đặt các tuabin gió, trong khi điện hạt nhân tại Hoa Kỳ chỉ cần trung bình 3,4km2 để xây dựng nhà máy.  

Một so sánh khác, đập thủy điện lớn nhất thế giới Tam Hiệp (Trung Quốc) có công suất 22,5 GW nhưng phải xây dựng trên diện tích khoảng 1045km2, trong khi nhà máy điện hạt nhân Fukushima 1 (đã bị nổ ở Nhật Bản) có diện tích chưa đến 1km2 mà đã cho công suất 4,7 GW. 

Ví dụ, nếu mặt trời làm bằng than đá, sẽ chỉ cháy thêm được khoảng 10 triệu năm. Nhưng thực tế, các nhà khoa học nhận định mặt trời còn tồn tại hơn 4 tỷ năm nữa nhờ nguồn năng lượng khổng lồ bên trong đến từ phản ứng hợp hạch hydro thành heli. 

Điều này cho thấy tiềm năng khai thác của điện hạt nhân là vô cùng khổng lồ. Và đúng là, năng lượng hạt nhân hiện cung cấp 9% điện năng cho toàn thế giới, chiếm ¼ lượng điện ít carbon toàn cầu và là nguồn năng lượng ít carbon lớn thứ 2, chỉ sau thủy điện. 

Tính đến tháng 11/2024, toàn cầu có 415 lò phản ứng dân sự, cho tổng công suất điện là 374 GW. Hoa Kỳ là quốc gia sản xuất năng lượng hạt nhân lớn nhất thế giới, cung cấp 19% lượng điện tiêu thụ trong năm, trong khi tại Pháp, điện hạt nhân chiếm tỷ trọng cao nhất trong các nguồn năng lượng - với 65% vào năm 2023. 

Nguồn năng lượng sạch

Báo cáo về dấu chân carbon của điện hạt nhân được cung cấp bởi Ủy ban liên Chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) vào năm 2014 cho biết, cường độ phát thải khí nhà kính trong suốt vòng đời của năng lượng hạt nhân trung bình là 12g CO2eq/kWh, thấp nhất trong số các nguồn năng lượng không tái tạo, trong khi đó, con số này ở than đá và khí tự nhiên lần lượt là 820 và 490g CO2eq/kWh. Một báo cáo khác vào năm 2021 cũng nhận định, việc chuyển đổi sang sản xuất điện bằng năng lượng hạt nhân đã giúp hành tinh tránh được 72 tỷ tấn carbon dioxide kể từ năm 1970, so với sản xuất điện bằng than. 

Đặc biệt, nếu chất thải hạt nhân được kiểm soát tốt, điện hạt nhân sẽ gần như không thải ra môi trường bất kì chất ô nhiễm nào. Do vậy, điện hạt nhân được coi là nguồn năng lượng sạch lớn nhất tại Hoa Kỳ với mức độ đóng góp gần 775 tỷ kWh điện mỗi năm, chiếm ½ sản lượng điện không phát thải tại quốc gia này. Qua đó điện hạt nhân giúp Hoa Kỳ tránh được hơn 471 triệu tấn carbon mỗi năm, tương đương loại bỏ 100 triệu ô tô chạy xăng khỏi đường phố. 

Tạo việc làm

Ngành công nghiệp hạt nhân đang tạo ra 0,5 triệu việc làm tại Hoa Kỳ. Theo thống kê, các nhà máy điện hạt nhân có thể tuyển dụng tới 800 công nhân mỗi năm với mức lương cao hơn 50% so với các nguồn năng lượng khác. 

Sử dụng hiệu quả hơn nguồn năng lượng không tái tạo

Năng lượng hạt nhân thuộc nhóm năng lượng không tái tạo. Theo lý thuyết, năng lượng không tái tạo rất dễ bị cạn kiệt và không thể phục hồi nếu khai thác quá mức. Tuy vậy, công nghệ điện hạt nhân cho phép sử dụng một lượng nhiên liệu rất nhỏ so với các nhà máy điện than, điện khí đốt mà vẫn hỗ trợ an ninh năng lượng quốc gia. (1kg uranium tại nhà máy điện hạt nhân có thể sản xuất cùng lượng điện với 2,7 triệu kg than tại nhà máy điện than).

Thách thức từ điện hạt nhân

Tuy sở hữu nhiều ưu điểm nhưng điện hạt nhân cũng tiềm ẩn nhiều nguy cơ khiến một số quốc gia phản đối việc phát triển năng lượng hạt nhân. 

Sự mất an toàn

Mối lo ngại lớn nhất liên quan đến năng lượng hạt nhân chính là độ an toàn. Thứ nhất, điện hạt nhân chứa các vật liệu có tính phóng xạ mạnh. Thứ hai, các sản phẩm phân hạch cũng tạo ra lượng lớn chất phóng xạ cấp cao cùng lượng nhiệt phân rã đáng kể cả khi phản ứng phân hạch đã dừng lại. Thứ ba, quá tải công suất có thể xảy ra nếu thiết kế lò phản ứng không thể kiểm soát phản ứng dây chuyền (phân hạch duy trì). 

Một khi các lò phản ứng hạt nhân mất an toàn, tác động đến con người và môi trường sẽ ở mức độ “thảm họa”. Sự cố hạt nhân tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl ở Nga và Fukushima ở Nhật Bản chính là 2 ví dụ điển hình. Trong đó, hậu quả mà tai nạn hạt nhân Fukushima Daiichi để lại phải mất đến 40 năm mới có thể phục hồi. 

Ngoài ra, nhà máy điện hạt nhân cũng là mục tiêu hàng đầu của những kẻ khủng bố nhằm mục đích phát tán chất phóng xạ vào cộng đồng. Ủy ban 11/9 của Hoa Kỳ cho biết, nhà máy điện hạt nhân mới là mục tiêu tiềm năng ban đầu của vụ tấn công lịch sử ngày 11/9/2001 tại quốc gia này. 

Có điều, các báo cáo sức khỏe toàn cầu cho thấy, năng lượng hạt nhân có tỷ lệ tử vong chỉ khoảng 0,03/TWh - thấp hơn nhiều so với nhiên liệu hóa thạch và thủy điện, tức là độ an toàn của năng lượng hạt nhân ở mức cao và chỉ xếp sau năng lượng mặt trời. Chưa kể, khi so sánh số ca tử vong trực tiếp và gián tiếp giữa năng lượng hạt nhân và nhiên liệu hóa thạch, việc sử dụng năng lượng hạt nhân được cho là có khả năng ngăn ngừa khoảng 1,84 triệu ca tử vong do ô nhiễm không khí từ năm 1971 - 2009. 

Xử lý chất thải hạt nhân

Điện hạt nhân không phát thải khí carbon hay các khí nhà kính độc hại nhưng việc xử lý chất thải hạt nhân lại không hề đơn giản. 

• Chất thải cấp thấp: Chủ yếu là các vật dụng bị ô nhiễm như quần áo, dụng cụ cầm tay, nhựa lọc nước… có mức độ phóng xạ thấp. Nhóm chất thải này thường được lưu trữ tại chỗ cho đến khi mức phóng xạ đủ thấp để xử lý như chất thải thông thường. 
• Chất thải cấp cao: Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng chính là chất thải có tính nguy hiểm nhất trong các lò phản ứng điện hạt nhân. Chất thải cấp cao sau khi ra khỏi lò phản ứng phải lập tức được cách ly khỏi sinh quyển trong các bể nhiên liệu từ 6 - 10 năm. Tại đây, nhiên liệu hạt nhân sẽ được làm mát và chuyển sang kho chứa thùng khô. Tùy thuộc vào loại chất thải, quá trình phân rã phóng xạ có thể mất từ ​​1.000 đến 10.000 năm. Xử lý địa chất hiện được coi là lựa chọn tối ưu để lưu trữ chất thải phóng xạ, có nghĩa là chất thải được lưu trữ sâu dưới lòng đất, nơi có môi trường địa chất ổn định. Tại Hoa Kỳ, Bộ Năng lượng hiện chịu trách nhiệm xử lý và vận chuyển tất cả nhiên liệu đã qua sử dụng, phần lớn đang được lưu trữ an toàn tại hơn 70 địa điểm ở 35 tiểu bang.  

Thực tế, chất thải phóng xạ chỉ chiếm chưa đến 1% tổng chất thải công nghiệp độc hại, ít hơn rất nhiều so với chất thải của các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Thậm chí, vào năm 2008, Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge đã kết luận, lượng phóng xạ từ điện than thải vào môi trường còn cao gấp 100 lần so với hoạt động của các nhà máy điện hạt nhân. 

Quy trình tháo dỡ phức tạp

Không giống nhà máy năng lượng mặt trời hay các trang trại gió, quy trình tháo dỡ nhà máy điện hạt nhân phức tạp và mất thời gian hơn nhiều, chủ yếu đến từ các biện pháp bảo vệ và xử lý bức xạ tại khu vực xây dựng cho đến khi đủ an toàn để chuyển sang mục đích sử dụng khác. Ngay cả các vật liệu của nhà máy điện hạt nhân sau khi tháo dỡ cũng cần được lưu trữ dưới dạng chất thải cấp thấp trong vài thập kỷ. 

Chi phí lắp đặt, vận hành cao 

Chi phí lắp đặt và vận hành nhà máy điện hạt nhân chính là trở ngại lớn đối với các nhà đầu tư. Ước tính, một lò phản ứng hạt nhân cỡ trung được xây dựng ở Ninh Thuận tiêu tốn khoảng 2 tỷ USD, chưa kể chi phí đào tạo nhân lực, chuyển giao công nghệ, chi phí vận hành,... Do đó, tính đến năm 2010, tất cả các nhà máy điện hạt nhân trên toàn thế giới đều được xây dựng bởi các công ty độc quyền điện lực do nhà nước sở hữu hoặc quản lý. 

Để cải thiện chi phí xây dựng và vận hành, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã và đang nghiên cứu các nhiên liệu cho thời gian phản ứng lâu hơn - tạo ra ít chất thải hơn, áp dụng tại các lò phản ứng hạt nhân quốc gia, đồng thời tìm cách đa dạng sản phẩm của nhà máy thông qua ứng dụng phi điện như khử muối và sản xuất hydro. 

Điện hạt nhân trở thành vũ khí hạt nhân

Nhiều công nghệ và vật liệu liên quan đến ngành công nghiệp điện hạt nhân có khả năng sử dụng kép, tức là vừa tạo ra điện, vừa chế tạo được vũ khí hạt nhân. Vì lý do này, điện hạt nhân có thể bị lợi dụng để phát triển vũ khí hạt nhân. Mối lo ngại điển hình trên thế giới chính là chương trình hạt nhân của Iran - chuyển đổi mục đích sử dụng của các ngành công nghiệp hạt nhân dân sự sang mục đích quân sự. 

Điện hạt nhân có phải năng lượng tái tạo?

Xét về tổng lượng khí thải nhà kính trong suốt vòng đời trên mỗi đơn vị năng lượng tạo ra, điện hạt nhân có giá trị phát thải tương đương, thậm chí là thấp hơn các nguồn năng lượng tái tạo. Do đó, đây là nguồn điện “sạch” với tiềm năng khai thác gần như là vô tận. 

Tuy nhiên, điện hạt nhân sử dụng nhiên liệu hạt nhân (như uranium) - vốn thuộc nhóm tài nguyên thiên nhiên có tính hữu hạn và được khai thác từ lòng đất nên đây không phải là nguồn năng lượng tái tạo. Dẫu vậy, điện hạt nhân vẫn được coi là nguồn năng lượng đáng tin cậy của tương lai nhân loại do các nhà máy chỉ sử dụng một lượng nhiên liệu rất nhỏ để tạo ra cùng một sản lượng điện như điện than hoặc khí đốt. 

Điện hạt nhân ở Việt Nam

Tại Phiên bế mạc Kỳ họp thứ 8, Quốc hội khóa XV, Quốc hội biểu quyết việc tái khởi động dự án điện hạt nhân tại Ninh Thuận với mục tiêu có thể đưa vào vận hành nhà máy điện hạt  nhân đầu tiên ở Việt Nam vào năm 2031. 

Theo quy hoạch, sẽ có 8 địa điểm xây dựng nhà máy điện hạt nhân được phân bổ ở 5 tỉnh, tập trung ban đầu ở Ninh Thuận. Trong đó, Ninh Thuận sẽ có 2 nhà máy, mỗi nhà máy gồm 2 tổ máy. Nhà máy Ninh Thuận 1 đặt ở xã Phước Dinh (cũ), nhà máy Ninh Thuận 2 đặt tại xã Vinh Hải (cũ). 

Thủ tướng Chính Phủ cũng ký quyết định giao cho EVN làm chủ đầu tư dự án nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận 1, PVN là chủ đầu tư của dự án nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận 2. Việc đầu tư cho điện hạt nhân giai đoạn này thực tế là tái khởi động lại dự án đã bị bỏ ngỏ vào năm 2016 do Chính phủ đánh giá là “không khả thi về mặt kinh tế khi có các nguồn điện khác rẻ hơn”. Tuy nhiên, khi biến đổi khí hậu đang trở thành vấn nạn cấp bách toàn cầu, điện hạt nhân được xem là chiến lược để Việt Nam đa dạng hóa nguồn cung, đảm bảo an ninh năng lượng và góp phần thực hiện mục tiêu đưa phát ròng về Netzero vào năm 2050. 

Câu hỏi thường gặp về điện hạt nhân

Câu hỏi 1: Điện hạt nhân có sạch không?

Trả lời: Dù được xếp vào nhóm năng lượng không tái tạo nhưng năng lượng hạt nhân gần như không thải ra carbon dioxide hoặc các khí nhà kính như các nhà máy đốt nhiên liệu hóa thạch nên điện hạt nhân thuộc nhóm công nghệ năng lượng sạch. 

Câu hỏi 2: Nhà máy điện hạt nhân của Việt Nam nằm ở đâu?

Trả lời: Đề xuất về nhà máy điện hạt nhân 2000 MWe đầu tiên tại Việt Nam đã có từ năm 2006, thậm chí công nghệ phát triển năng lượng hạt nhân đã được kiểm chứng từ năm 1995, tuy nhiên đến năm 2016, dự án điện hạt nhân Ninh Thuận đã bị Chính phủ hủy bỏ. Cuối năm 2024, dự án này mới có quyết định tái khởi động.