Ưu điểm của lò
hơi hạt nhân
Chạy tầu thủy
Cung cấp nhiệt năng cho đô thị và khu công nghiệp
Khử muối trong nước biển và nước bị ô nhiễm
Sản xuất khí hydrogen
Khí hóa than
Khai thác mỏ dầu
Kết luận
ĐẶNG Đình Cung
Kỹ sư Tư vấn
Những áp dụng tương lai của lò
hơi hạt nhân
Chúng ta thường biết rằng những
lò phản ứng hạt nhân được dùng trong giảng dạy,
nghiên cứu khoa học kỹ thuật và sản xuất điện. Nhưng
một lò phản ứng hạt nhân còn có thể dùng vào nhiều
việc khác. Trong bài này chúng tôi xin trình bày một
số áp dụng tương lai của lò phản ứng hạt nhân. Sau
khi nêu lên những ưu điểm của lò hơi hạt nhân, chúng
tôi sẽ trình bày nhu cầu năng lượng và nguyên tắc kỹ
thuật của mỗi áp dụng và những gì các lò hơi hạt
nhân có thể đóng góp cho áp dụng đó.
Ưu điểm của lò hơi hạt nhân
Trong một lò phản ứng hạt nhân,
nước có hai công dụng : (a) làm giảm tốc độ những
neutron để chúng có thể đập vỡ những hạt nhân
uranium U‑235 và sinh ra năng lượng, và (b) chuyển
ra khỏi lò năng lượng sinh ra từ những phản ứng hạt
nhân. Những lò phản ứng hạt nhân thông dụng là những
kiểu lò chạy bằng nước nhẹ gọi chung là lò phản
ứng nước nhẹ (LWR, Light Water Reactor). Những
lò đó sinh ra hơi nước hoặc trực tiếp ngay trong lò
phản ứng, như những kiểu lò phản ứng nước sôi (BWR,
Boiled Water Reactor), hoặc ở ngoài lò qua một bộ
chuyển nhiệt, như những kiểu lò phản ứng nước nén
(PWR, Presurized Water Reactor). Vì vậy, một lò phản
ứng hạt nhân thường cũng được gọi là lò hơi hạt
nhân.

Nguồn : Westinghouse
Hơi nước sinh ra có thể dùng để
sản xuất điện, nhưng cũng có thể dùng trong mọi sinh
hoạt cần đến hơi nước. Ngành năng lượng phân biệt
mêga-watt dưới dạng nhiệt và mêga-watt dưới dạng
điện. Khi chuyển từ dạng hơi nước sang dạng điện thì
năng lượng khả dụng sẽ giảm vì phải chịu hiệu suất
Carnot của vật lý và hiệu suất cơ học không hoàn hảo
của các động cơ. Muốn có công suất một mêga-watt
điện (viết tắt là MWe) thì phải sản xuất hai
mêga-watt dưới dạng nhiệt (viết tắt là MWt) từ một
lò hơi dùng năng lượng hóa thạch và ba mêga-watt
dưới dạng nhiệt từ một lò hơi hạt nhân. Sai biệt về
công suất đó là một nguồn lãng phí trong sử dụng
năng lượng. Vậy, trên phương diện thực tiễn, nếu
nhất thiết không cần phải dùng đến điện năng thì tốt
hơn là dùng năng lượng trực tiếp dưới dạng hơi nước.
Một lò hơi hạt nhân có nhiều ưu
điểm so với một lò hơi cổ điển :
- Với cùng một công suất, thể
tích cũng như khối lượng riêng của một lò hơi hạt
nhân cao hơn.
- Vì không cần đến bãi dự trữ
nhiên liệu, diện tích cần thiết để lắp đặt và vận
hành một lò hơi hạt nhân nhỏ hơn rất nhiều.
- Một lò hơi hạt nhân an toàn
và làm ít ô nhiễm hơn mọi phương tiện biến đổi
năng lượng khác[i].
- Công suất một lò hơi hạt
nhân có thể lên tới 3.000 MWt và những lò đang
được khai triển lại còn có công suất lớn hơn nữa.
- Những kiểu lò hơi hạt nhân
có công suất nhỏ, khoảng 100/200 MWt, đặc, và có
nõi lò bất khả xâm trong một thùng giam hãm chỉ có
một đầu vào và một đầu ra của mạch hơi nước đang
được khai triển để có thể phổ biến những áp dụng
của năng lượng hạt nhân mà không e ngại về tăng
sinh vũ khí hạt nhân.
Nhờ đó chúng ta có thể nghĩ tới
những áp dụng hoặc chưa phổ biến hoặc chưa được đưa
vào thực hiện hay thử nghiệm :
- Đặt một
lò hơi hạt nhân ở những nơi đất hẹp người đông như
là những khu công nghiệp hay là ngoại ô những
thành phố.
- Khai
triển những áp dụng công nghiệp cần đến rất nhiều
hơi nước hay nhiệt năng mà cho tới nay công suất
của những lò hơi cổ điển không cho phép thực hiện.
- Đặt lò
hơi hạt nhân có công suất nhỏ để cung cấp năng
lượng trên những nền di động như là tầu biển và
dàn khai thác dầu khí.
- Thay
thế lò hơi cổ điển bằng lò hơi hạt nhân công suất
nhỏ ở những nơi có ít nhu cầu nhiệt năng mà không
sợ những vật liệu phân hạch bị đánh cắp.
- Thay
thế sản xuất nhiệt năng tập trung vào một lò hơi
lớn bằng một mạng nhiệt năng liên kết với nhiều lò
hơi hạt nhân nhỏ để có nhiều nguồn hơi nước bảo
đảm cung cấp hơi liên tục.
Chạy tầu thủy
Vận tải là một ngành tiêu thụ
một phần tư năng lượng của Thế-Giới, trong đó một
phần mười dành cho tầu thủy. Những tầu nhỏ thường
chạy bằng máy nổ có thể lên đến vài triệu mã lực.
Những tầu cỡ trung bình, trọng tải từ 1.000 DWT đến
10/20.000 DWT, chạy bằng tua bin khí. Lớn hơn nữa
thì có lò hơi với công suất 100/150 MWt. Lò hơi có
thể là một lò chạy bằng năng lượng hóa thạch và,
trên phương diện kỹ thuật, không gì cản trở thay thế
lò cổ điển đó bằng một lò hạt nhân.
Vấn đề của một tầu thủy là
thỉnh thoảng phải chờ ở hải cảng để được tiếp tế
nhiên liệu. Với những tầu có trọng tải nhỏ hay vừa
thì sự ràng buộc đó không quan trọng mấy. Nhưng với
những tầu lớn thì sự ràng buộc đó là cả một sự tốn
kém thời gian lẫn tiền của. Một tầu có lò hơi cổ
điển phải được tiếp tế nhiên liệu trung bình mỗi
1.000 hải lý. Một tầu có lò hơi hạt nhân thì có thể
chạy tới ít nhất 500.000 hải lý trước khi mới cần
phải thay nõi lò phản ứng !
Những lò phản ứng dùng trên tầu
biển thuộc loại nước nén hay là loại được làm nguội
bằng kim loại lỏng. Để lò phản ứng có tích lượng
riêng cao, nhiên liệu là uranium được làm giầu ở hàm
lượng U‑235 từ 40 đến hơn 95 phần trăm. Hàm lượng
này vượt xa hàm lượng tối đa 20 phần trăm mà cơ quan
IAEA (International Atomic Energy Agency, Cơ Quan
Nguyên Tử Lực Quốc Tế) cho phép. Vì thế mà cho tới
nay chỉ có những chiến hạm các nước đã có vũ khí hạt
nhân và, trong số những tầu dân sự, vài tầu phá băng
cuả Liên-Xô cũ là có lò hơi hạt nhân. Những tầu dân
sự khác, như tầu Otto Hahn của Đức, Savannah của
Hoa-Kỳ và Mutsu của Nhật, đều phải ngưng hoạt động
sau vài trục trặc kỹ thuật.
Vận tải bằng đường biển là
phương tiện tiết kiệm năng lượng nhất. Mặc dù trọng
tải nhiều tầu biển rất lớn và, trong tương lai, sẽ
còn lớn hơn, đòi hỏi về công suất cũng không là bao
nhiêu. Một tầu trọng tải 100.000 DWT chỉ cần đến một
công suất chừng 100/150 MW, nghiã là công suất của
một lò hơi cổ điển tầm thường và công suất của một
lò hơi hạt nhân nhỏ. Những lò hơi hạt nhân nhỏ sẽ
không có vấn đề với IAEA. Khi chúng được hiệu chỉnh
thì có thể nghĩ tới trang bị những tầu biển dân sự.
Cung cấp nhiệt năng cho đô thị và khu công
nghiệp

Nguồn : CPCU
Ở đô thị, nhà của thường dân,
những văn phòng cũng như những cơ sở thương mại đều
có nhu cầu nước nóng gia dụng, tăng nhiệt độ không
khí khi trời lạnh và giảm nhiệt độ không khí khi
trời nóng. Một số quy trình sản xuất công nghiệp
cũng có nhu cầu nhiệt năng trực tiếp dưới dạng hơi
nước hay là từ hơi nước đã được ngưng. Những ngành
công nghiệp như là hóa học hay chế biến thực phẩm
tiêu thụ rất nhiều nhiệt năng.
Mỗi tòa nhà hay mỗi nhà máy có
thể tự sản xuất nguồn nhiệt năng cần thiết. Nhưng
mua nhiệt năng từ một cơ sở kinh doanh nhiệt năng
thì sẽ làm cho tập thể tiết kiệm năng lượng cơ bản.
Cơ sở này biến mọi vật liệu có thể đốt được thành
nhiệt năng hay trích nhiệt năng từ bộ ngưng của một
nhà máy điện để bán. Nhiệt năng đó có thể ở dưới
dạng nước nóng ở áp suất cao để vẫn còn ở dạng nước
quá nhiệt. Nước quá nhiệt đó được bơm vào một ống
nước tới nơi tiêu thụ. Ở nơi tiêu thụ, nhiệt năng
được chuyển sang những thiết bị chạy bằng nhiệt năng
qua những bộ chuyển nhiệt. Sau đó, nước đã được làm
nguội có áp suất đã đựoc giảm đi quay trở về cơ sở
sản xuất để được đun nóng và tăng áp suất trước khi
đi một vòng nữa. Mạng ống nước nóng đó gọi là
mạng nhiệt năng. Nếu mạng nhiệt năng bao trùm
đầy đặc một đô thị hay một khu công nghiệp thì mua
hơi nước sẽ rẻ hơn là tự sản xuất nhiệt năng vì cơ
quan quản lý mạng nhiệt năng có khả năng chọn những
nguồn năng lượng thích hợp nhất để sản xuất hơi.
Hiện nay nguồn năng lượng của
những mạng nhiệt năng là cặn những thùng dầu, khí
đồng hành[ii],
gỗ vụn, bã mía, rác đô thị, những chất thải khác có
trữ lượng năng lượng cao,... Ít khi nào người ta
dùng những nhiên liệu quý báu như là dầu hay khí
đốt. Ở những khu mỏ than, người ta dùng than vụn hay
than có trữ lượng năng lượng quá thấp để có thể
thành thương phẩm. Ở một cảng dầu, người ta dùng cặn
nạo từ những thùng chứa dầu của tầu biển hay ở trên
đất liền. Ở những vùng khai thác rừng, người ta dùng
gỗ vụn của những nhà máy cưa hay gom từ những công
trường đốn gỗ. Ở các miền quê, người ta dùng bã mía,
trấu thóc, rơm, vỏ dừa,... mọi vật liệu có thể sinh
ra nhiệt lượng khi bị đốt. Một mạng nhiệt năng dùng
những vật liệu đó thường nhằm mục đích chính giải
quyết vấn đề ô nhiễm môi trường do phế liệu gây ra.
Lợi tức của dịch vụ cung cấp hơi nước là một nguồn
tài trợ đáng kể của dịch vụ thanh toán phế liệu của
một địa phương.
Thực tế thì không bao giờ người
ta lắp đặt một lò hơi chỉ để cung cấp mạng nhiệt
năng của một đô thị hay một khu công nghiệp. Một đô
thị hay một khu công nghiệp bao giờ cũng cần đến
điện và nhiệt năng.
Để sản xuất điện với một lò hơi
thì hơi phải ở nhiệt độ trên 300 C và áp suất trên
90 Mpa hay cao hơn nữa. Sau khi đi qua tua bin thì
nhiệt độ và áp xuất của hơi nước giảm. Nếu giảm chưa
đủ thì có bộ ngưng làm giảm thêm. Làm như vậy thì
tổn hao một nửa tới hai phần ba trữ lượng năng lượng
cơ bản mà chúng ta có thể dùng để cung cấp năng
lượng cho mạng nhiệt năng. Nhiệt năng cần thiết để
đáp ứng những nhu cầu gia dụng hay công nghiệp
thường ở nhiệt độ hơn 100 C một chút, quá lắm là lên
tới 250 C, một nhiệt độ rất thấp so với nhiệt độ hơi
nước của một nhà máy nhiệt điện. Áp suất chỉ cần đủ
để nước giữ nước ở dạng quá nhiệt. Vì không cần đến
nhiệt độ và áp suất cao, mạng nhiệt năng có thể dùng
làm nguồn nước lạnh cho bộ ngưng của nhà máy điện.
Như vậy, thay vì bỏ phí ra sông hay ra biển qua bộ
ngưng, nhiệt năng tồn tại trong mạch của tua bin có
thể được dùng trong mạng nhiệt năng.
Hiện nay các giám đốc nhà máy
điện và chính quyền điạ phương khai triển mạng nhiệt
năng và cố gắng thu hút những ngành công nghiệp tiêu
thụ nhiệt năng vào những khu công nghiệp xung quanh
nhà máy điện của họ để tận dụng nguồn năng lượng .
Một mạng nhiệt năng có công suất 1.000 MWt có thể
cung cấp hơi cho những máy nước nóng và máy điều hòa
nhiệt độ của tất cả những tòa nhà của một thành phố
như Singapore. Đó là công suất một lò phản ứng hạt
nhân công suất rất tầm thường.
Khi vận chuyển hơi nước trong
những ống thì có thất thoát nhiệt năng. Vì thế,
người ta tìm cách đặt cơ sở sản xuất nhiệt năng ở
gần nơi tiêu thụ nhất, không quá 10 km. Vì những đòi
hỏi về nhiệt độ và áp suất của một mạng không quá
đáng, các lò phản ứng nước nhẹ hiện có mặt trên thị
trường đều thích hợp hơn những lò cổ điển. Nếu dân
địa phương chấp nhận rằng rủi ro của năng lượng hạt
nhân thấp hơn là những ngành công nghiệp khác thì
chúng ta có thể xây những nhà máy điện hạt nhân gần
đô thị và sử dụng năng lượng hữu hiệu qua mạng nhiệt
năng.
Khử muối trong nước biển và nước bị ô nhiễm
Nước là một thành phần quan
trọng của đời sống. Thế mà hơn một nửa nhân loại
không có nước ngọt trong sạch mặc dù một nửa nhân
loại cư trú cách một bờ biển tối đa 50 km, nơi có 99
phần trăm nước của quả cầu. Cũng có nhiều người
thiếu nước sinh hoạt mặc dù sống ở nơi có nước ngọt
tự nhiên nhưng nguồn nước đã bị ô nhiễm. Cả tới ở
Việt-Nam, dân những vùng ven biển cũng chỉ có thể
dùng nước lợ. Khử muối trong nước biển hay nước đã
bị ô nhiễm để có nước ngọt trong sạch là một đòi hỏi
bức xức của mọi chính quyền địa phương.
Công suất một nhà máy khử muối
tùy ở dân số, đòi hỏi về tiện ích của dân địa phương
và nhu cầu cuả những nhà máy. Hiện trên Thế-Giới có
12.500 nhà máy khử muối. Một nửa số nhà máy đó đặt ở
Trung đông. Công suất trung bình của một nhà máy là
2.000 mét khối mỗi ngày. Nhưng có nhà máy sản xuất
chỉ có 100 mét khối mỗi ngày và có nhà máy sản xuất
tới 500.000 mét khối mỗi ngày.
Hồi tiền cổ những thủy thủ đã
biết đặt một chất xốp để hấp thụ hơi nước bốc ra từ
một nồi đun nước và sau đó ép chất xốp đó để lấy
nước uống. Bây giờ thì chúng ta có bốn phương pháp
khử muối : phương pháp cất đa ứng (MED, Multi Effect
Distillation), phương pháp cất chớp đa cấp (MSF,
Multi Stage Flash Distillation ), phương pháp ép hơi
(VC, Vapour Compression) và phương pháp thấm thấu
ngược (RO, Reverse Osmosis).
Phương pháp cất đa ứng dùng
nhiệt năng ở nhiệt độ dưới 100 C và phương pháp cất
chớp đa cấp, có hiệu suất cao hơn, dùng nhiệt năng ở
120/125 C. Hai phương pháp này cần đến 200 kW-h
nhiệt năng cho mỗi mét khối nhưng thích ứng với
những nhà máy có công suất lớn. Phương pháp ép hơi
dùng nhiệt năng ở khoảng 50/80 C cho bộ cất đầu tiên
và điện cho máy nén hơi nước cuả những bộ cất tiếp
theo. Phương pháp này cần đến 20 kW-h vừa nhiệt năng
vừa điện năng để xử lý một mét khối nước và thích
ứng với những nhà máy công suất lớn và trung bình.
Phương pháp thấm thấu ngược, thích ứng với những nhu
cầu nhỏ (một gia đình đến một chung cư), chỉ dùng
điện để chạy máy nén nước và cần đến chừng 6 kW-h để
xử lý mỗi mét khối nước.
Như với những mạng nhiệt năng,
một lò hơi hạt nhân có thể cung cấp năng lượng cho
một nhà máy khử muối công suất 100.000 mét khối nước
mỗi ngày hay cao hơn. Tốt nhất là lò hơi đó dùng để
sản xuất điện và lấy nhiệt năng của bộ ngưng để khử
muối. Tốt hơn nữa, nhiệt năng của bộ ngưng dùng để
khử muối và để cung cấp mạng nhiệt năng.
Sản xuất khí hydrogen

Khí hydrogen đã được sản xuất
đại tràng từ đầu kỷ nguyên công nghiệp hóa học. Sản
lượng toàn cầu của khí hydrogen là 10 triệu tấn mỗi
năm, gia tăng 10 phần trăm mỗi năm. Một nửa lượng
khí hydrogen dùng để sản xuất phân bón có nitrogen
và nửa kia dùng để giảm hàm lượng lưu huỳnh trong
nhiên liệu hydrogen cácbua ở những nhà máy lọc dầu.
Trong tương lai, khí hydrogen
sẽ có thêm một thị trường vĩ đại. Đó là thị trường
giao thông vận tải. Những phương tiện vận tải hiện
nay thải ra khí carbon mono-oxyd và những loại khí
làm ô nhiễm môi trường khác. Để giải quyết vấn đề,
có ý kiến dùng khí hydrogen làm nhiên liệu cho những
phương tiện vận tải : đốt khí hydrogen chỉ thải ra
có hơi nước. Nhưng cho tới nay chưa có thực hiện nào
đáng kể vì nhiều vấn đề kỹ thuật về dự trữ, vận
chuyển và phân bố khí hydrogen chưa được giải quyết
ổn thỏa.
Sản xuất khí hydrogen có hai
phương pháp được phổ biến : điện phân nước ở nhiệt
độ xung quanh và cải hóa khí tự nhiên bằng hơi nước
(steam reforming of natural gas). Những phương pháp
phân tách hơi nước ở nhiệt độ trên 1.000 C ở điện
thế cao hay phân tách hơi nước ở nhiệt độ trên
1.000 C qua một số giai đoạn phản ứng hóa học vẫn
còn ở giai đoạn thử nghiệm. Phương pháp thịnh hành
nhất là phương pháp cải hóa khí tự nhiên. Hiện nay,
95 phần trăm khí hydrogen được sản xuất theo phương
pháp này vì nó cho phép sản xuất đại tràng.
Nhưng phương pháp cải hóa khí
tự nhiên sinh ra khí carbon di-oxyd, một khí gây ra
hiệu ứng nhà kính. Vấn đề đó chưa đặt ra vì tổng số
khối lượng khí hydrogen đang được sản xuất hãy còn
tương đối ít. Nhưng vấn đề sẽ đặt ra khi những
phương tiện giao thông vận tải phải chuyển sang dùng
khí hydrogen. Lúc đó, những lò hơi cổ điển khó mà có
thể đạt được nhiệt độ 1.000 C cho những phương pháp
phân tách hơi nước. Những lò hơi hạt nhân chạy ở
những nhiệt độ khoảng đó thì mới đang được nghiên
cứu nên chưa ai biết sẽ thực hiện được không.
Vậy chỉ còn phương pháp sản
xuất khí hydrogen bằng phương pháp điện phân nước.
Mặc dù phương pháp này đã được khám phá từ hơn hai
thế kỷ nay, có hiệu suất năng lượng cao và dễ được
vận dụng nhưng cho tới nay ít được áp dụng vì không
thích ứng với đòi hỏi của sản xuất khí ở quy mô lớn.
Nhưng hạn chế này lại là một lợi thế khi khí
hydrogen được dùng đại tràng làm nhiên liệu cho
ngành giao thông vận tải. Theo phương pháp điện phân
thì khí hydrogen có thể được sản xuất một cách phân
cấp. Chúng ta có thể biến đổi những trạm xăng hiện
nay thành những cơ sở điện phân nước để cung cấp khí
hydrogen. Thậm chí mỗi tòa nhà cá nhân cũng có thể
có một bộ điện phân. Như thế, việc cung cấp nhiên
liệu sẽ an toàn hơn nhờ có nhiều đơn vị sản xuất
nhỏ.
Như nói ở trên, sản xuất khí
hydrogen bằng phương pháp điện phân thì không khó
mấy. Thiết kế một bộ điện phân
cũng không có gì là khó. Vấn đề chính, nhưng ngoài
đề tài của bài này, là khai triển phương pháp dự trữ
an toàn khí hydrogen trên phương tiện vận tải. Điện
cần thiết cho những đơn vị sản xuất khí hydrogen
bằng những bộ điện phân nhỏ sẽ do mạng điện công
cộng cung cấp. Những mạng điện công cộng có thể dùng
điện sản xuất từ nhiều nguồn năng lượng cơ bản khác
nhau. Trong tương lai, năng lượng cơ bản dùng để sản
xuất điện của mạng điện Việt-Nam chủ yếu sẽ là thủy
năng và năng lượng hạt nhân.
Khí hóa than
Trữ lượng
than trong lòng đất có thể cung cấp năng lượng trong
hai thế kỷ nữa theo nhịp tiêu thụ hiện nay của nhân
loại. Nhưng đốt than thì làm ô nhiễm môi trường vì
tạo ra nhiều bụi, khí carbon di-oxyd, một khí gây ra
hiệu ứng nhà kính, và khí sulphur di-oxyd, một khí
gây ra mưa acid. Mặc dù khí hóa than cũng sinh ra
carbon di-oxyd nhưng lối dùng than kiểu này vừa tiện
lợi lại vừa ít làm hại cho môi trường : ít ra chúng
ta giảm lượng bụi và lượng khí sulphur di-oxyd.
Ngoài ra, vận chuyển năng lượng dưới dạng khí thì dễ
hơn vận chuyển dưới dạng than. Chúng ta có thể dùng
khí sinh ra từ quy trình khí hóa than để đáp ứng
những nhu cầu gia dụng hay công nghiệp cần đến năng
lượng.
Phương pháp
khí hóa than dựa trên tương tác giữa nguyên tử
carbon của than với hơi nước và khí oxygen. Phản ứng
này sinh ra một hỗn hợp khí hydrogen, khí carbon
mono-oxyd, carbon di-oxyd và khí hydrogen có thể
dùng làm nguồn năng lượng. Phản ứng đã được áp dụng
vào thế kỷ XIX để sản xuất khí đốt cho mạng khí đốt
của đô thị trong những lò ga và với than đã được
mang lên mặt đất.
Người ta sản
xuất khí đốt như vậy trong một lò ga, với than bới
từ lòng đất ra. Nhưng cũng có thể khí hóa than tại
chỗ, nghĩa là ở ngay những lớp than trong lòng đất
mà không cần phải moi ra ngoài trời.
Dưới mặt đất
có nhiều lớp than đá khai thác không có lợi vì lớp
than hoặc quá mỏng, hoặc quá vụn, hoặc quá sâu. Ở
nhiều nước có những mỏ than bây giờ ngưng hoạt động
vì than còn lại không bõ khai thác nữa. Nhưng ở lòng
đất vẫn còn rất nhiều than. Tỷ dụ ở Pháp, sau ba thế
kỷ khai thác, tất cả những mỏ than đều ngưng hoạt
động, các hố đã bị lấp, nhưng trong lòng đất vẫn còn
những khối than khổng lồ tản mác xung quanh những
đường hầm và những mạch khai thác cũ. Đất đá ở những
khu khai thác cũ đã bị rạn nứt khi những thợ mỏ và
máy móc đến đó đào bới. Lâu dần khí đốt, chủ yếu là
khí methane, từ than đá còn lại tỏa ra. Có nhiều
người dự định khoan một giếng để khai thác khí đó
như là lấy khí đốt từ một túi khí tự nhiên. Nhưng
năng lượng mót được như vậy không đáng kể so với
năng lượng của than còn tại chỗ.
Từ lâu đã có
ý kiến khai thác tiềm năng năng lượng còn lại đó
bằng phương pháp khí hóa than. Vào những năm 1930,
Liên-Xô có thử khí hóa than tại chỗ. Người ta đào
hai giếng ở hai nơi của vùng mỏ. Khí oxygen và hơi
nước được thổi vào một giếng. Khoảng cách giữa hai
giếng có thể được coi là một lò ga khổng lồ. Khí đốt
được lấy ra ở giếng kia. Khí đó thường được dùng để
chạy một nhà máy điện. Phương pháp khí hóa than tại
chỗ bị bỏ quên trong một thời gian. Gần đây, với
triển vọng khan hiếm năng lượng và lo âu về môi
trường tự nhiên, nhiều nước như Hoa-Kỳ, Úc, Anh,...
lại bắt đầu chú ý đến.
Dùng lò chạy
bằng năng lượng hóa thạch để khí hóa than tại chỗ
hay trong một lò ga thì không có lợi mấy vì phải
dùng một năng lượng hóa thạch để sản xuất hơi nước
cho phản ứng khí hóa. Ngoài ra, quy mô sản xuất khí
sẽ bị giới hạn bởi vì công suất nhiệt của một lò hơi
cổ diển không quá 1.000 MWt. Ngược lại, một lò hơi
hạt nhân sẽ không dùng đến năng lượng hóa thạch và
công suất có thể lên đến mấy nghìn mêga-watt nhiệt.
Đây là một thị trường tiềm tàng cho những lò hơi hạt
nhân có công suất lớn.
Khai thác mỏ dầu
Khi mới khai
thác một túi dầu thì dầu phun ra khỏi giếng nhờ áp
suất tự nhiên ở dưới đất. Nếu áp suất không đủ thì
người ta dùng máy để bơm dầu lên. Sau đó, để tiếp
tục lấy dầu, người ta nhồi nước vào trong túi dầu để
làm tăng áp suất của túi. Với lo âu về khí carbon
di-oxyd gây ra hiệu ứng nhà kính, người ta đang nghĩ
đến việc nhồi khí đó từ những nhà máy vào túi dầu để
duy trì áp suất thay cho nước. Nhưng dù giữ áp suất
để tiếp tục tăng áp suất bằng cách nào đi nữa thì
cũng chỉ trích được có 30/35 phần trăm trữ lượng
trong túi dầu. Phần còn lại vẫn còn bám vào những
hạt khoáng vật trong túi dầu như là nước bám vào
những sợi vải của một áo đã được vắt khô. Mặc dù
những hạt nhỏ như hột cát và phim dầu bám vào những
hạt rất mỏng, nhưng số hạt nhiều không lường được
nên khối lượng dầu còn lại rất lớn.
Ngày xưa, để
tiếp tục khai thác túi dầu, người ta dùng thuốc tẩy
để tách phim dầu khỏi những hạt khoáng vật đó. Có
một phương pháp khác là bơm hơi nước vào túi dầu.
Hơi nước cũng có tác dộng tách phim dầu khỏi những
hạt khoáng vật. Làm như thế gọi là khích thích
túi dầu. Những phương pháp này làm cho tỷ số dầu
lấy ra được 40/50 phần trăm dầu hiện diện trong túi
dầu[iii].
Bây giờ, người ta chuyển sang phương pháp bơm hơi
nước vì phương pháp này rẻ và tôn trọng môi trường
hơn. Hơi nước có tác động làm cho phim dầu rời khỏi
hạt khoáng vật và tụ lại ở phần trên của túi dầu để
được bơm ra ngoài trời. Sau khi hơi ngưng lại thì
nước ngưng sẽ đọng ở dưới túi dầu và tham gia vào
việc tăng áp suất trong túi.
Hiện nay
người ta đặt một lò hơi chung với dàn bơm dầu. Lò
hơi đó chạy bằng khí đồng hành của giếng dầu hay
bằng một phần dầu của giếng. Vì ở một dàn bơm dầu có
ít chỗ nên chỉ có thể dùng được những lò hơi nhỏ với
công suất thấp. Nhưng những lò hơi hạt nhân công
suất nhỏ sắp tới có thể thay thế những lò hơi cổ
diển, tăng khả năng sản xuất hơi và tăng lượng dầu
trong túi dầu có thể bơm được.
Với triển
vọng nguồn dầu sẽ cạn, người ta đang nghĩ đến những
mỏ đá phiến hay những bãi cát có nhựa. Nhựa là một
chất hydrogen carbide đặc tương tự như nhựa dùng để
tráng đường giao thông. Thực ra nhựa là một thể dầu
có chuỗi carbon rất dài nên đặc hơn dầu cổ điển.
Trong ngành dầu mỏ người ta gọi nhựa đó là dầu
không chính quy. Người ta tính rằng trữ lượng
năng lượng của những mỏ đá phiến hay bãi cát có nhựa
tương đương với trữ lượng của những mỏ dầu.
Với dầu
không chính quy thì nhựa bao bọc những viên đá phiến
hay những hột cát. Muốn lấy nhựa để mang vào chòi
lọc dầu thì hay hột cát. Nhựa bị hơi nóng làm chảy,
rời khỏi viên đá hay hột cát và tụ lại ở một điểm
thuận tiện để có thể gom lại. Để biến nhựa thành
những nhiên liệu thông thường có chuỗi carbon ngắn
hơn, người ta gây phản ứng crắckinh. Phản ứng này
rất thông thường đối với những chuyên gia ngành dầu
vì đã được áp dụng để lọc dầu thường rồi. Vấn đề là
làm thế nào để có một nguồn hơi nước lớn và rẻ để
khai thác mỏ. Với công nghệ hiện nay thì chỉ có
những lò hơi hạt nhân lớn mới có thể giải quyết
được.
Kết luận
Mỗi năm,
lượng điện sản xuất trên Thế-Giới là 16.742 TW-h,
trong đó phần của năng lượng hạt nhân là 2.635 TW-h
(15,7 phần trăm) và lượng nhiệt năng là 3.345 TW-h,
trong đó phần của năng lượng hạt nhân là 6 TW-h (0,2
phần trăm)[iv].
Như chúng ta có thể thấy, phần của năng lượng hạt
nhân dùng để sản xuất nhiệt năng gần như là không
đáng kể. Những con số đó cho thấy triển vọng phát
triển của những lò hơi hạt nhân dùng để sản xuất
điện và, đặc biệt, dùng để cung cấp nhiệt năng cho
những nhu cầu gia dụng và công nghiệp.
Như trình
bày ở trên, chúng ta có thể khẳng định rằng công
nghệ hạt nhân rút cục chỉ khác những công nghệ năng
lượng khác ở một lò hơi đặc biệt chạy nhờ những phản
ứng hạt nhân.
Lò hơi chỉ
là một phần nhỏ của một hệ thống sản xuất và tiêu
thụ năng lượng sinh ra từ những lò hơi cổ điển hay
lò hơi hạt nhân. Những bộ phận khác đều không thuộc
về công nghệ hạt nhân. Nghiên cứu thiết kế những hệ
thống và bộ phận đó không cần phải hiểu biết gì về
khoa học kỹ thuật hạt nhân cả. Mỗi hệ thống đều khác
nhau vì những đòi hỏi về công suất năng lượng và đặc
tính kỹ thuật của hơi nước đều khác nhau tùy ở mỗi
tình huống cá biệt. Tay nghề của một cơ quan thiết
kế công nghiệp biểu hiện ở khả năng kết cấu những bộ
phận làm sao để hệ thống năng lượng thích ứng với ba
điều kiện : (a) cân bằng cung cấp với nhu cầu năng
lượng trong không gian và thời gian, (b) sử dụng tối
ưu nguồn năng lượng cơ bản và (c) giảm thiểu vi phạm
môi trường.
Hiện chỉ có
vài công ty hay tập đoàn nhiều công ty đa quốc gia
có khả năng thiết kế và chế tạo lò hơi hạt nhân. Mỗi
tập đoàn cũng chỉ có thể thiết kế được một hai mẫu
lò thôi. Vậy Việt-Nam không còn cơ hội để vào cuộc
nữa. Mọi đầu tư vào nhân lực và thiết bị nhằm mục
đích đó là vô vọng. Quá lắm là Việt-Nam có thể tham
gia vào dự án thiết kế của một tập đoàn có sẵn để
đảm nhiệm một phần rất nhỏ của một dự án. Điều này
không có gì là hổ thẹn vì nhiều nước có công nghiệp
tân tiến hùng mạnh cũng chọn ở trong tình trạng này.
Những bộ
phận cấu tạo hệ thống cung cấp và tiêu thụ năng
lượng thì đa dạng. Trên Thế-Giới có nhiều công ty
lớn nhỏ chế tạo những bộ phận đó. Có những bộ phận
dễ thiết kế và chế tạo, có những bộ phận phức tạp
hơn. Việt-Nam có thể vào thị trường đó. Mỗi xí
nghiệp sẽ chọn bộ phận thích ứng với khả năng kỹ
thuật của mình.
Ngoài ra,
những tập đoàn thiết kế công nghiệp quốc tế không
thể đáp ứng được tất cả nhu cầu xây dựng công nghiệp
cuả Thế-Giới. Ngành này thường được coi là đòn bẩy
để phát triển công nghệ của một nước. Vậy Việt-Nam
nên gấp rút thành lập một tập đoàn lớn chuyên về
thiết kế xây dựng công nghiệp. Tuy nhiên vẫn còn chỗ
cho nhiều văn phòng thiết kế nhỏ. Đào tạo những
chuyên gia cho ngành thiết kế xây dựng công nghiệp
thì rất mau và không tốn kém mấy.
[i] Chúng tôi xin
bàn về vấn đề an toàn và tôn trọng môi trường
của năng lượng hạt nhân vào một dịp khác.
[ii] Dầu bốc hơi một
chút. Khí tỏa ra là một khí đốt chủ yếu gồm bởi
khí methane. Người ta gọi khí đó là khí đồng
hành. Nếu một túi dầu chỉ phát ra một ít khí
đồng hành thôi thì người ta đốt khí ở ngọn một
ống chỉ thiên để khỏi gây tai nạn nổ. Nhưng nếu
dầu tỏa ra nhiều khí đồng hành thì lấy khí làm
nguồn năng lượng như khí tự nhiên có thể là có
lợi. Ở Việt-Nam, một số nhà máy nhiệt điện chạy
một phần bằng khí đồng hành.
[iii]
Khi xưa những hãng dầu đều có
công ty con sản xuất thuốc tẩy và bột giặt quần
áo là vì vậy.
[iv] Thống kê của
IEA (International Energy Agency, Cơ Quan Năng
Lượng Quốc Tế) trên trạm Internet
www.iea.org.