How do nuclear power plants work? - M. V. Ramana and Sajan Saini

Những vấn đề của năng lượng hạt nhân - M. V. Ramana và Sajan Saini

Translator: Quoc Huy Le Reviewer: Trinh Le

On a December afternoon in Chicago during the middle of World War II,

Vào một buổi chiều tháng Mười Một ở Chicago giữa Thế chiến II,

scientists cracked open the nucleus at the center of the uranium atom

các nhà khoa học đã phân tách hạt nhân ở trung tâm nguyên tử uranium

and turned nuclear mass into energy over and over again.

và lặp đi lặp lại quá trình biến khối lượng hạt nhân thành năng lượng.

They did this by creating for the first time

Họ làm được điều đó bằng cách lần đầu tạo ra

a chain reaction inside a new engineering marvel:

một phản ứng dây chuyền bên trong một kì quan kĩ thuật mới:

the nuclear reactor.

lò phản ứng hạt nhân.

Since then, the ability to mine great amounts of energy from uranium nuclei

Kề từ đó, khả năng khai thác nguồn năng lượng khổng lồ từ hạt nhân uranium

has led some to bill nuclear power

đã khiến nhiều người ca tụng năng lượng hạt nhân

as a plentiful utopian source of electricity.

là nguồn điện năng dồi dào lí tưởng.

A modern nuclear reactor generates enough electricity from one kilogram of fuel

Một lò phản ứng hiện đại có thể tạo ra đủ điện năng chỉ từ một kilogam nhiên liệu

to power an average American household for nearly 34 years.

để cung cấp cho một hộ gia đình bình thường ở Mỹ suốt gần 34 năm.

But rather than dominate the global electricity market,

Dù vậy, thay vì thống lĩnh thị trường điện năng toàn cầu,

nuclear power has declined from an all-time high of 18% in 1996

năng lượng hạt nhân đã sụt giảm từ mức đỉnh 18% năm 1996

to 11% today.

xuống mức 11% hiện nay,

And it's expected to drop further in the coming decades.

đồng thời được dự đoán là sẽ tiếp tục giảm trong các thập niên tới.

What happened to the great promise of this technology?

Chuyện gì đã xảy ra với triển vọng to lớn của công nghệ này?

It turns out nuclear power faces many hurdles,

Vấn đề là năng lượng hạt nhân đối mặt với rất nhiều trở ngại,

including high construction costs

bao gồm chi phí xây dựng đắt đỏ

and public opposition.

và sự phản đối của công chúng;

And behind these problems lie a series of unique engineering challenges.

đằng sau những trở ngại này là một loạt thách thức đặc thù về công nghệ.

Nuclear power relies on the fission of uranium nuclei

Năng lượng hạt nhân dựa vào sự phân hạch hạt nhân uranium

and a controlled chain reaction

và phản ứng dây chuyền có kiểm soát

that reproduces this splitting in many more nuclei.

vốn lặp lại quá trình phân hạch ở nhiều hạt nhân khác.

The atomic nucleus is densely packed with protons and neutrons

Hạt nhân nguyên tử dày đặc proton và neutron

bound by a powerful nuclear force.

liên kết với nhau bởi một lực hạt nhân cực mạnh.

Most uranium atoms have a total of 238 protons and neutrons,

Hầu hết nguyên tử uranium có tổng cộng 238 proton và neutron,

but roughly one in every 140 lacks three neutrons,

nhưng cứ 140 nguyên tử thì có 1 nguyên tử thiếu 3 neutron,

and this lighter isotope is less tightly bound.

và đồng vị nhẹ hơn này có lực liên kết cũng yếu hơn.

Compared to its more abundant cousin,

So với người anh em nặng hơn của nó,

a strike by a neutron easily splits the U-235 nuclei

một cú va chạm của một neutron sẽ dễ dàng tách các hạt nhân đồng vị uranium 235

into lighter, radioactive elements called fission products,

thành các nguyên tố phóng xạ nhẹ hơn gọi là sản phẩm phân hạch,

in addition to two to three neutrons,

cùng với hai hoặc ba neutron,

gamma rays,

tia gamma,

and a few neutrinos.

và một vài hạt neutrino.

During fission, some nuclear mass transforms into energy.

Trong quá trình phân hạch, một ít khối lượng hạt nhân biến thành năng lượng.

A fraction of the newfound energy powers the fast-moving neutrons,

Một phần năng lượng này sẽ kích thích các neutron chuyển động rất nhanh,

and if some of them strike uranium nuclei,

và nếu vài neutron đập vào các hạt nhân uranium,

fission results in a second larger generation of neutrons.

sự phân hạch sẽ dẫn đến một lượng neutron nhiều hơn.

If this second generation of neutrons strike more uranium nuclei,

Nếu lượng này tiếp tục đập vào nhiều hạt nhân uranium hơn nữa,

more fission results in an even larger third generation, and so on.

sự phân hạch lại tạo ra một lượng neutron nữa, và quá trình cứ thế tiếp tục.

But inside a nuclear reactor,

Tuy vậy, bên trong lò phản ứng,

this spiraling chain reaction is tamed using control rods

phản ứng dây chuyền tăng dần này bị kìm hãm nhờ các vật liệu kiểm soát

made of elements that capture excess neutrons and keep their number in check.

làm từ các chất có thể hấp thụ neutron dư và giữ cho số neutron vừa đủ.

With a controlled chain reaction,

Với phản ứng có kiểm soát,

a reactor draws power steadily and stably for years.

một lò phản ứng sẽ sản sinh năng lượng đều đặn và ổn định suốt nhiều năm.

The neutron-led chain reaction is a potent process driving nuclear power,

Phản ứng dây chuyền neutron là quá trình hiệu quả để sản xuất năng lượng hạt nhân,

but there's a catch that can result

nhưng có một vấn đề có thể dẫn đến

in unique demands on the production of its fuel.

những yêu cầu đặc thù đối với việc tạo ra nhiên liệu.

It turns out, most of the neutrons emitted from fission have too much kinetic energy

Thực tế là hầu hết các neutron thoát ra từ phân hạch có động năng quá lớn

to be captured by uranium nuclei.

đến mức hạt nhân uranium không hấp thụ được.

The fission rate is too low and the chain reaction fizzles out.

Tỉ lệ phân hạch quá thấp, và phản ứng dây chuyền tắt.

The first nuclear reactor built in Chicago used graphite as a moderator

Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên ở Chicago dùng than chì làm bộ phận điều tiết

to scatter and slow down neutrons just enough

nhằm phân tán neutron và hãm tốc độ của chúng đến mức vừa đủ

to increase their capture by uranium and raise the rate of fission.

để tăng khả năng hấp thụ của uranium và tỉ lệ phân hạch.

Modern reactors commonly use purified water as a moderator,

Các lò phản ứng hiện đại thường dùng nước tinh khiết làm bộ phận điều tiết,

but the scattered neutrons are still a little too fast.

nhưng các neutron phân tán vẫn di chuyển hơi quá nhanh.

To compensate and keep up the chain reaction,

Để cân bằng và duy trì phản ứng dây chuyền,

the concentration of U-235 is enriched

nồng độ quặng uranium 235 sẽ được tăng

to four to seven times its natural abundance.

gấp bốn đến năm lần lượng tự nhiên.

Today, enrichment is often done by passing a gaseous uranium compound

Ngày nay, việc làm giàu thường diễn ra bằng cách đưa hợp chất uranium dạng khí

through centrifuges

qua máy li tâm

to separate lighter U-235 from heavier U-238.

để tách đồng vị uranium 235 nhẹ hơn ra khỏi đồng vị uranium 238 nặng hơn;

But the same process can be continued to highly enrich U-235

nhưng một quá trình tương tự có thể tiếp tục để làm giàu uranium 235 ở mức cao

up to 130 times its natural abundance

đến 130 lần lượng tự nhiên

and create an explosive chain reaction in a bomb.

và gây ra một phản ứng dây chuyền có sức công phá trong một quả bom.

Methods like centrifuge processing must be carefully regulated

Các phương pháp như quá trình li tâm cần được điều chỉnh cẩn thận

to limit the spread of bomb-grade fuel.

để hạn chế sự phát tán nhiên liệu ở mức công phá.

Remember, only a fraction of the released fission energy

Lưu ý là chỉ có một phần của năng lượng phân hạch tỏa ra

goes into speeding up neutrons.

có tác dụng tăng tốc neutron.

Most of the nuclear power goes into the kinetic energy of the fission products.

Phần lớn năng lượng hạt nhân trở thành động năng của sản phẩm phân hạch.

Those are captured inside the reactor as heat by a coolant,

Chúng được giữ lại để sinh nhiệt ở bên trong lò phản ứng nhờ chất làm lạnh,

usually purified water.

thường là nước tinh khiết.

This heat is eventually used to drive an electric turbine generator by steam

Nhiệt này sau cùng được dùng để chạy turbine phát điện bằng hơi nước

just outside the reactor.

bên ngoài lò phản ứng.

Water flow is critical not only to create electricity,

Dòng nước rất cần thiết không chỉ cho việc tạo ra điện

but also to guard against the most dreaded type of reactor accident,

mà còn cho việc phòng ngừa một trong các sự cố kinh khủng nhất của lò phản ứng,

the meltdown.

hiện tượng tan chảy lõi hạt nhân.

If water flow stops because a pipe carrying it breaks,

Nếu dòng nước ngừng chảy vì đường ống dẫn vỡ,

or the pumps that push it fail,

hay máy bơm gặp vấn đề,

the uranium heats up very quickly and melts.

uranium sẽ nóng lên rất nhanh và chảy ra.

During a nuclear meltdown,

Khi xảy ra tan chảy hạt nhân,

radioactive vapors escape into the reactor,

hơi phóng xạ sẽ tràn vào lò phản ứng,

and if the reactor fails to hold them,

và nếu lò phản ứng không thể giữ chúng,

a steel and concrete containment building is the last line of defense.

một cấu trúc bằng bê tông cốt thép sẽ là phòng tuyến bảo vệ cuối cùng.

But if the radioactive gas pressure is too high,

Nếu áp suất hơi phóng xạ quá cao,

containment fails and the gasses escape into the air,

cấu trúc này cũng vô hiệu, và hơi sẽ vào không khí,

spreading as far and wide as the wind blows.

lan đi theo gió rất xa với bán kính rộng.

The radioactive fission products in these vapors

Sản phẩm phân hạch trong hơi tỏa ra

eventually decay into stable elements.

cuối cùng sẽ phân hủy thành các nguyên tố ổn định.

While some decay in a few seconds,

Một số sẽ phân hủy trong vài giây,

others take hundreds of thousands of years.

số khác phải mất hàng trăm ngàn năm để trở về trạng thái ổn định.

The greatest challenge for a nuclear reactor

Vấn đề lớn nhất đối với một lò phản ứng

is to safely contain these products

là lưu giữ các sản phẩm phân hạch này an toàn,

and keep them from harming humans or the environment.

đồng thời không để chúng gây hại đến con người hay môi trường.

Containment doesn't stop mattering once the fuel is used up.

Việc lưu giữ vẫn còn là vấn đề ngay cả khi nhiên liệu được sử dụng hết;

In fact, it becomes an even greater storage problem.

trên thực tế, vấn đề này còn đáng lo ngại hơn.

Every one to two years,

Cứ mỗi một đến hai năm,

some spent fuel is removed from reactors

một phần nhiên liệu đã sử dụng sẽ được chuyển ra khỏi lò phản ứng

and stored in pools of water that cool the waste

và được trữ trong các hồ nước để làm nguội chất thải hạt nhân,

and block its radioactive emissions.

đồng thời ngăn chặn rò rỉ phóng xạ.

The irradiated fuel is a mix of uranium that failed to fission,

Nhiên liệu phóng xạ là hỗn hợp gồm uranium không thể phân hạch,

fission products,

sản phẩm phân hạch,

and plutonium, a radioactive material not found in nature.

và plutonium, một chất phóng xạ không có trong tự nhiên.

This mix must be isolated from the environment

Hỗn hợp này phải được cách li với môi trường

until it has all safely decayed.

đến khi chúng hoàn toàn phân hủy đến mức an toàn.

Many countries propose deep time storage in tunnels drilled far underground,

Nhiều nước đề xuất lưu giữ dài hạn trong các đường hầm đào rất sâu dưới lòng đất,

but none have been built,

nhưng chưa có cái nào được xây,

and there's great uncertainty about their long-term security.

và vẫn có sự bấp bênh rất lớn đối với vấn đề an ninh về lâu dài.

How can a nation that has existed for only a few hundred years

Làm thế nào một đất nước mới chỉ tồn tại trong vài trăm năm

plan to guard plutonium through its radioactive half-life

có kế hoạch quản lí lượng plutonium có chu kì bán rã

of 24,000 years?

tới 24.000 năm?

Today, many nuclear power plants sit on their waste, instead,

Thay vào đó, hiện nay nhiều nhà máy điện hạt nhân nằm trên chất thải của chúng,

storing them indefinitely on site.

trữ chất thải trên phần đất nhà máy vô thời hạn.

Apart from radioactivity, there's an even greater danger with spent fuel.

Bên cạnh phóng xạ, vẫn còn một mối nguy lớn hơn với nhiên liệu đã sử dụng.

Plutonium can sustain a chain reaction

Plutonium có thể duy trì phản ứng dây chuyền

and can be mined from the waste to make bombs.

và có thể được khai thác từ chất thải hạt nhân để chế tạo bom.

Storing spent fuel is thus not only a safety risk for the environment,

Lưu giữ nhiên liệu đã qua sử dụng là mối nguy không chỉ đối với môi trường,

but also a security risk for nations.

mà còn đối với an ninh của các quốc gia.

Who should be the watchmen to guard it?

Ai sẽ giữ vai trò giám sát để quản lí lượng nhiên liệu này?

Visionary scientists from the early years of the nuclear age

Các nhà khoa học có tầm nhìn ngay từ buổi đầu của thời đại hạt nhân

pioneered how to reliably tap the tremendous amount of energy

đã đi đầu trong việc khai thác hiệu quả mức năng lượng khổng lồ

inside an atom -

bên trong một nguyên tử -

as an explosive bomb

để thành một quả bom có sức sát thương lớn

and as a controlled power source with incredible potential.

và để thành một nguồn năng lượng có kiểm soát với tiềm năng phi thường;

But their successors have learned humbling insights

song các thế hệ tiếp nối họ đã có các hiểu biết khiêm tốn

about the technology's not-so-utopian industrial limits.

về những giới hạn phi lí tưởng về mặt công nghiệp của công nghệ này.

Mining the subatomic realm makes for complex, expensive, and risky engineering.

Khai thác tài nguyên hạ nguyên tử đòi hỏi kĩ thuật phức tạp, tốn kém và đầy rủi ro.