Tại vùng sa mạc thuộc tỉnh Cam Túc (Gansu) của Trung Quốc, một sự kiện đặc biệt đã xảy ra: Lò phản ứng thorium vận hành đầu tiên trên thế giới đã chính thức hoạt động. Đây là một thành tựu đáng kinh ngạc bởi trong nhiều thập kỷ, thorium được xem là nguyên tố phù hợp cho năng lượng hạt nhân – sạch hơn, an toàn hơn và gần như không thể sử dụng cho mục đích quân sự. 

Trong bài viết lần này, ban biên tập technologyMAG chia sẻ video của kênh Cold Fusion, nói về tiềm năng ứng dụng của thorium (1).
(1) Thorium là một nguyên tố kim loại phóng xạ tự nhiên thuộc nhóm actinide, có ký hiệu hóa học Th và số nguyên tử 90. Nó khá phổ biến trong vỏ Trái Đất, thậm chí dồi dào hơn uranium, và bản thân không trực tiếp phân hạch như nhiên liệu hạt nhân truyền thống. Tuy nhiên, khi hấp thụ neutron, thorium có thể chuyển hóa thành uranium-233 – một vật liệu có khả năng phân hạch để tạo năng lượng. Nhờ đặc tính này, thorium được xem là một lựa chọn tiềm năng cho nhiên liệu hạt nhân thế hệ mới, với ưu điểm là nguồn cung lớn và có thể tạo ra ít chất thải phóng xạ dài hạn hơn so với chu trình uranium truyền thống.

Để xem và hiểu một cách đầy đủ nội dung của video (bằng tiếng Anh), Quý độc giả nên tham khảo toàn bộ nội dung của bài viết trước khi xem video. Để xem video ở chế độ toàn màn hình (full-screen), vui lòng nhấn vào khung [ ] tại góc phải phía dưới của video hoặc nhấn phím F.

Tiềm năng năng lượng và bối cảnh lịch sử
Nếu thử nghiệm của Trung Quốc thành công và có thể mở rộng quy mô, đây có thể là bước ngoặt trong lịch sử sản xuất năng lượng. 

Để hình dung rõ hơn về quy mô và tiềm năng, chỉ khoảng 5.000 tấn thorium là đủ để có thể cung cấp toàn bộ nhu cầu năng lượng của hành tinh trong một năm (trong các điều kiện lý tưởng). Vì vậy, các mỏ thorium hoàn toàn có thể được khai thác nhằm cung cấp năng lượng cho toàn cầu trong một khoảng thời gian dài. Thorium tồn tại trong các bãi thải quặng và tro từ hoạt động khai khoáng, và có thể được sử dụng hiệu quả gấp nhiều lần so với uranium. Điều này giúp giảm lượng chất thải xuống hàng trăm lần so với uranium và hàng triệu lần so với nhiên liệu hóa thạch. 

Kể từ khi các cuộc cách mạng công nghiệp nổ ra, nhiên liệu hóa thạch đã cung cấp năng lượng cho cuộc sống hiện đại nhưng đi kèm với ô nhiễm không khí nghiêm trọng, chi phí y tế hàng tỷ USD và hàng triệu vấn đề về sức khỏe có thể phòng tránh được. Sau Thế chiến II, năng lượng hạt nhân nổi lên như một giải pháp hiệu quả cao, nhưng nỗi lo về rủi ro đã làm suy giảm niềm tin của công chúng.

Cơ chế an toàn và hiệu suất của thorium
Thorium được xem như một giải pháp thay thế cho các nguồn nguyên liệu hạt nhân trước đây. Thorium dồi dào hơn, ít bay hơi và ít phản ứng hơn uranium, đồng thời các lò phản ứng sử dụng thorium được thiết kế để tránh hiện tượng nóng chảy lõi. 

Trong lò phản ứng của Trung Quốc, nếu xảy ra sự cố, một nút chặn ở đáy sẽ tự động tan chảy, cho phép nhiên liệu thoát ra nhờ trọng lực – một kịch bản an toàn hơn nhiều so với phản ứng dây chuyền mất kiểm soát trong các lò truyền thống. Các lò phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor) (2) sử dụng nhiên liệu dạng lỏng cho thấy hiệu suất vượt trội so với lò phản ứng hạt nhân thông thường. Trong các hệ thống này, nhiên liệu lỏng giúp quản lý phản ứng và chất thải hiệu quả hơn. Không giống các lò truyền thống dùng thanh nhiên liệu rắn và hệ làm mát bằng nước áp suất cao, lò muối nóng chảy vận hành ở áp suất thấp, giúp giảm nguy cơ tai nạn như nổ hơi nước.
(2) Molten Salt Reactor (MSR) là một loại lò phản ứng hạt nhân trong đó nhiên liệu không ở dạng thanh rắn như lò truyền thống, mà được hòa tan trong muối nóng chảy và lưu thông như một chất lỏng.

Cơ chế hoạt động của lò phản ứng thorium
Để hiểu rõ hơn, cần xem xét cơ chế khoa học. Thorium là nguyên tố tự nhiên có trong đá và đóng vai trò nhiên liệu. Khi bị neutron bắn phá, thorium không phân hạch ngay mà hấp thụ neutron và dần chuyển hóa thành uranium-233, một vật liệu phân hạch có thể duy trì phản ứng. Quá trình này bao gồm việc thorium-232 biến thành thorium-233, sau đó phân rã beta thành protactinium-233, rồi tiếp tục thành uranium-233. 

Vào thời kỳ đầu của năng lượng hạt nhân, có ba lựa chọn chính:
– Uranium-235 có thể sử dụng trực tiếp
– Uranium-238 cần chuyển thành plutonium
– Và thorium cần chuyển thành uranium-233

Tuy nhiên, các lò truyền thống sử dụng thanh nhiên liệu rắn và làm mát bằng nước áp suất cao, khiến việc tách các vật liệu trung gian trong quá trình vận hành trở nên khó khăn. Hạn chế này dẫn đến sự phát triển của lò phản ứng muối nóng chảy, sử dụng nhiên liệu dạng lỏng. Trong các hệ thống này, muối được đun nóng đến khoảng 1200°F (~649°C) và chảy như nước mà không sôi hay phản ứng với không khí. Dạng lỏng cho phép dễ dàng tách protactinium và hỗ trợ chu trình nhiên liệu thorium liên tục.

Những lợi thế chính của thorium
Thorium có một số ưu điểm quan trọng. Thứ nhất, nó dồi dào, phân bố rộng trong vỏ Trái Đất và phổ biến hơn uranium ít nhất ba lần. Chỉ riêng tại Trung Quốc, trữ lượng được ước  tính có thể cung cấp năng lượng trong rất nhiều năm.

Thứ hai, nó an toàn hơn. Vì thorium không tự phân hạch, giúp phản ứng dễ kiểm soát hơn.

Thứ ba, nó sạch hơn, không phát thải khí nhà kính và tạo ra chất thải có thể trở nên an toàn sau vài trăm năm, so với hàng chục nghìn năm đối với uranium. Ngoài ra, thorium thường là sản phẩm phụ của khai thác đất hiếm, nên có thể được khai thác ngay mà không cần đến các khoản đầu tư bổ sung.

Thứ tư, thorium rất hiệu quả, có thể khai thác năng lượng hiệu quả hơn hàng chục đến hàng trăm lần so với nhiên liệu uranium trong các lò truyền thống.

Lịch sử nghiên cứu và sự gián đoạn phát triển
Mặc dù đầy tiềm năng, thorium vẫn chủ yếu dừng ở giai đoạn thử nghiệm. Hiện chỉ có một lò vận hành tại sa mạc Gobi của Trung Quốc, dựa trên nghiên cứu từ Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge của Hoa Kỳ trong thập niên 1960. Khi đó, Hoa Kỳ đã thử nghiệm công nghệ này nhưng từ bỏ để tập trung vào lò nước áp lực chạy uranium, một phần do nhu cầu phát triển  công nghệ khác trong thời điểm đó. 

Alvin Weinberg, giám đốc Oak Ridge, từng ủng hộ mạnh mẽ thorium vì tiềm năng ứng dụng rộng lớn, bao gồm khử mặn nước biển và phát triển nông nghiệp tại vùng khô hạn. Tuy nhiên, chương trình bị cắt ngân sách và ông bị thay thế. Weinberg cho rằng không có lý do kỹ thuật nào khiến công nghệ này bị bỏ rơi, mà nguyên nhân chủ yếu là đến từ những định hướng chiến lược khác.

Sự hồi sinh và bước tiến của Trung Quốc
Đến những năm 2000, kỹ sư NASA Kirk Sorensen đã phát hiện lại các nghiên cứu này khi tìm giải pháp năng lượng cho căn cứ trên Mặt Trăng. Ông nhận ra mật độ năng lượng cực cao và tính dồi dào của thorium, nhưng nỗ lực của ông không được chú ý tại Hoa Kỳ. 

Ngược lại, Trung Quốc đã tận dụng cơ hội này. Năm 2009, dự án thorium chính thức được triển khai, và đến năm 2018 bắt đầu xây dựng. Hàng trăm nhà khoa học làm việc với cường độ cao, phân tích tài liệu giải mật và phát triển công nghệ mới. Đến năm 2023, lò phản ứng đạt phản ứng dây chuyền bền vững (3), và đến giữa năm 2024 chính thức vận hành.
(3) Phản ứng dây chuyền bền vững (sustained chain reaction) là trạng thái trong đó một phản ứng hạt nhân tự duy trì ổn định theo thời gian, không tăng vọt cũng không tắt dần.

Thách thức kinh tế và kỹ thuật
Tuy nhiên, cần nhìn nhận thực tế. Trong quá khứ, nhiều lò thorium đã được thử nghiệm tại Đức, Ấn Độ, Hà Lan và Hoa Kỳ từ những năm 1940 nhưng không tồn tại sau thập niên 1980. Nguyên nhân chính là chi phí – việc khai thác và xử lý thorium đắt hơn uranium, và vận hành lâu dài đòi hỏi tái xử lý liên tục để loại bỏ chất thải gây cản trở phản ứng. 

Ngoài ra, môi trường nhiệt độ cao của lò muối nóng chảy gây ăn mòn vật liệu, đòi hỏi hợp kim đặc biệt như Hastelloy-N. Lò phản ứng hiện tại của Trung Quốc chỉ có công suất 2 megawatt nhiệt, nhỏ hơn cả lò nghiên cứu của MIT, nhưng kế hoạch là xây dựng lò phản ứng 60 megawatt vào năm 2030. Một bước tiến quan trọng là khả năng nạp nhiên liệu trong khi lò đang hoạt động, chứng minh tiềm năng vận hành liên tục.

Triển vọng tương lai và tranh luận
Các quốc gia khác cũng đang tham gia vào quá trình sử dụng thorium. Copenhagen Atomics dự kiến thử nghiệm lò phản ứng tại Thụy Sĩ vào năm 2026, trong khi Ấn Độ tiếp tục nghiên cứu nhưng bị hạn chế bởi các vấn đề chính sách. 

Nhiều startup tại Hoa Kỳ và các nước khác đang phát triển công nghệ này, dù phần lớn vẫn ở giai đoạn lý thuyết. Nếu đạt được tiềm năng, thorium có thể thay thế nhiên liệu hóa thạch, giảm phụ thuộc vào năng lượng tái tạo ngắn hạn và thậm chí hỗ trợ các căn cứ ngoài Trái Đất. Thorium cũng tồn tại trên Mặt Trăng và có thể hỗ trợ hệ thống tái chế tài nguyên trong môi trường khép kín. Tuy nhiên, các nhà phê bình cho rằng nhiều tuyên bố về thorium đang bị đơn giản hóa và con đường thương mại hóa sẽ dài và khó khăn.

Kết luận
Thorium và các lò phản ứng muối nóng chảy đại diện cho một trong những hướng đi đầy hứa hẹn nhất trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, với lợi thế về độ dồi dào, hiệu suất cao và tiềm năng an toàn vượt trội so với các công nghệ truyền thống. Nếu được phát triển thành công ở quy mô công nghiệp, chúng có thể góp phần giải quyết bài toán năng lượng dài hạn của nhân loại, đồng thời giảm đáng kể tác động môi trường.

Tuy nhiên, cần nhìn nhận một cách thực tế rằng công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn phát triển, với nhiều rào cản về vật liệu, chi phí, hạ tầng và khung pháp lý. Lịch sử cho thấy tiềm năng khoa học không đồng nghĩa với khả năng triển khai rộng rãi trong thời gian ngắn. Vì vậy, thorium nên được xem là một giải pháp chiến lược dài hạn, bổ sung cho các nguồn năng lượng khác, thay vì là lời giải duy nhất cho tương lai năng lượng toàn cầu.

Để xem các tin bài khác về “Năng lượng hạt nhân”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Cold Fusion