Năng lượng nguyên tử và con người

Phòng điều khiển nhà máy điện nguyên tử Davis-Besse ở Oak Harbor, Ohio (Mỹ) 

Trong 100 năm qua, điện, ô tô và máy bay, rađiô và điện thoại, vô tuyến truyền hình và nhiều thứ khác nữa đã đi vào cuộc sống hằng ngày và chúng ta chỉ nhớ đến chúng mỗi khi chúng đột nhiên biến mất. Giống như bất kỳ máy móc phức tạp nào, cái thế giới mà con người tạo ra này yếu ớt và không bền vững nếu chúng ta không tìm ra phương sách giữ gìn và bảo tồn.

Trong hệ thống những giá trị đó, năng lượng chiếm vị trí rất đặc biệt. Không có nó, nền văn minh ngày nay không thể tồn tại. Để khai thác năng lượng, thời đại nào cũng vậy - từ đống lửa đến nhà máy điện nguyên tử - con người phải bỏ ra khoảng một phần ba sức lực của mình. Trong tiếng Hy Lạp cổ, khái niệm năng lượng đã được sử dụng để chỉ sự khởi đầu tích cực nào đó, nhưng chỉ có khoa học mới giải thích được bản chất dị thường của nó. Khác với vật chất có thể sử dụng nhiều lần, năng lượng chỉ có thể tiêu thụ một lần. Một trăm năm trước đây, Frederick Soddy, một trong những người sáng lập học thuyết về tính phóng xạ đã viết: "Tài sản đích thực của thế giới chính là năng lượng của nó. Cái tạo nên sự khác biệt giữa thế kỷ này và các thế kỷ trước đây chính là sự nhận thức về bản chất dị thường của năng lượng... Sợ hết thức ăn vốn thuộc về bản năng của chúng ta; sợ tiêu thụ hết nguồn nhiên liệu thì con người vẫn còn phải học...".

Nguồn năng lượng trên trái đất là hữu hạn và tập trung chủ yếu trong các hạt nhân urani (U) và thori (Th) được sinh ra trong các "lò luyện của các vì sao", trước cả khi hình thành trái đất và hệ mặt trời. Hiện nay trong hàng triệu người chỉ vài người hiểu được thực tế đó, nhưng để bảo tồn được trình độ và những thành tựu của nền văn minh hiện đại thì những nỗ lực của họ rõ ràng là chưa đủ: để làm được việc đó, cần phải thay đổi nhận thức về thế giới của toàn thể nhân loại.

Vào đầu kỷ nguyên của chúng ta, trên trái đất chỉ có khoảng 200 - 300 triệu người sinh sống, và một nghìn năm trôi qua, số lượng đó đã thay đổi đáng kể. Vào giữa thiên niên kỷ thứ hai, cư dân của hành tinh đã bắt đầu tăng nhanh. Vào thời Crixtop Côlông (~ năm 1.500) đã có gần 500 triệu người sinh sống, vào thời Galilê (~ năm 1.600) đã có 550 triệu, vào thời Niutơn (~ năm 1.700) đã tăng tới xấp xỉ 650 triệu, và vào đầu thể kỷ 19, vào thời của Watt và Faraday đã là gần 1 tỉ người. Trong thế kỷ 20, dân số trên hành tinh cứ sau 40 - 50 năm lại tăng lên gấp đôi. Vào thời của Plank, đầu thế kỷ 20, là 1,6 tỉ, đến cuối thế kỷ 20 là 6 tỉ người. Dễ thấy rằng với nhịp độ sinh sôi này, chỉ sau 1.000 năm nữa, khối lượng con người sẽ vượt khối lượng của quả đất.

Cách suy luận đó rõ ràng là sai, và trong thực tế tốc độ gia tăng dân số trái đất đã bắt đầu thay đổi. Năm 1900, tốc độ gia tăng dân số thế giới là xấp xỉ 10 triệu người/năm và tiếp đó tăng liên tục, đến năm 1989 tốc độ gia tăng này đạt giá trị cực đại là 87,9 triệu người/năm). Từ đó, lần đầu tiên trong lịch sử thành văn, tốc độ này giảm ổn định và năm 2004 đã xuống còn 72,5 triệu người/năm. Theo các dự báo lạc quan, đến cuối thế kỷ 21, tốc độ đó sẽ sụt xuống tới không, và dân số trên trái đất sẽ ổn định ở mức xấp xỉ 10 - 12 tỉ người.

Con người cần bao nhiêu năng lượng?

Định mức năng lượng trung bình ngày đêm mà con người tiêu thụ qua thực phẩm bằng khoảng 2 - 3 nghìn kilocalo, tức là = (0,8 - 1,3).10⁷ J (năng lượng đốt cháy xấp xỉ 300 g than). Như vậy công suất trung bình cho sinh hoạt của con người chỉ là xấp xỉ 120 W, tức là cỡ công suất của que diêm cháy. Trên trái đất hiện đang có 6,3 tỉ người sinh sống và tổng công suất cho sinh hoạt của họ bằng khoảng 0,8.10¹² W.

Từ khi phát minh ra máy móc, con người ta tăng công suất của mình nhiều lần. Vào đầu thế kỷ 20 nhờ gió, hơi nước, năng lượng các dòng sông và sức kéo gia súc, công suất đó ở các nước phát triển đã tăng tới 0,5 kW trên đầu người, và đến đầu thế kỷ 21, sản xuất năng lượng toàn thế giới đã đạt 1,3.10¹³ W, nghĩa là tính trung bình khoảng 2 kW trên đầu người, lớn gấp 20 lần so với mỗi người tiêu thụ qua thực phẩm.

Lịch sử phát triển nền văn minh của chúng ta là cuộc đấu tranh không ngừng để tăng công suất con người trên mức mà mỗi người ban đầu đã có với thực phẩm. Khoảng 500 nghìn năm trước đây, con người đã làm chủ được lửa, khoảng 40 nghìn năm trước đã thuần dưỡng súc vật và 5 nghìn năm trước công nguyên con người đã đóng súc vật kéo cầy, vào đầu kỷ nguyên chúng ta, đã xây dựng cối xay nước và vào thế kỷ 11 đã phát minh cối xay gió. Năm 1784 James Watt đã chế tạo ra động cơ hơi nước, động cơ này cùng với đầu máy hơi nước Stephenson (1825) đã vượt trước cách mạng công nghiệp tới 100 năm. Đơn vị công suất watt đã được chọn để tôn vinh ông. Khoảng 100 năm sau (1885) đã xuất hiện ô tô của Daimler và Benz với động cơ chạy xăng, động cơ này sau này đã làm thay đổi hoàn toàn thế giới. Những phát minh của Faraday và sáng chế các máy điện đã hoàn tất thời đại cách mạng công nghiệp và vào lúc giao thời giữa các thế kỷ 19 và 20, thế giới đã chuyển từ thế kỷ hơi nước sang thế kỷ điện. Nhà máy điện đầu tiên và các lưới điện phân phối đi kèm đã được Edison xây dựng năm 1881. Sau nửa thế kỷ, công suất các lưới điện trên toàn thế giới đã là 3.10¹⁰ W, năm 1970 công suất đã tăng tới 5,7.10¹¹ W và đến cuối thế kỷ 20 đã đạt 2,1.10¹² W. Ngày nay khoảng một phần ba toàn bộ nhiên liệu được khai thác đang tiêu hao cho sản xuất điện, ngoài ra còn cho giao thông vận tải, sinh hoạt, luyện kim và hóa chất,v.v., làm tăng dòng năng lượng lên tới 1,3.10¹³ W. Tìm kiếm đâu ra nguồn năng lượng đó và liệu còn cần bao nhiêu năng lượng nữa?

Trong suốt nhiều thế kỷ nguồn năng lượng bổ sung cho con người, ngoài thực phẩm, là năng lượng gió và các dòng sông, gỗ và gia súc, mà thực chất là năng lượng của các lò nhiệt hạch trên mặt trời được dự trữ trong khí quyển, đại dương, cây cỏ. Vào thế kỷ 18, ở mọi nơi người ta đã bắt đầu sử dụng than, cũng là năng lượng từ mặt trời nhưng đã được các cây cỏ tích trữ hàng trăm triệu năm trước khi xuất hiện con người. Cuối thế kỷ 19, dầu mỏ đã bắt đầu lấn át than ở khắp nơi, đặc biệt sau khi xuất hiện các ô tô và máy bay. Cuối cùng, vào thế kỷ 20, người ta đã bắt đầu tăng cường sử dụng khí thiên nhiên và nó nhanh chóng chèn ép dầu mỏ.

Vào đầu thế kỷ 21, các lò mỗi năm đốt gần 12 tỉ (1,2.1010) tấn nhiên liệu quy ước (TNQ = 7.109 cak = 2,94.1010 J), chủ yếu là than (36%), dầu mỏ (38%) và khí (26%), giải phóng xấp xỉ 3,6.1020 J năng lượng, trong số đó khoảng 1/3 (1,2.1020 J) sử dụng cho sản xuất điện. Xét tới tỉ số biến đổi được chấp nhận của nhiệt chuyển thành điện  , mỗi năm tất cả các nhà máy nhiệt điện trên thế giới sản xuất 0,44.1020 J điện (~ 1,4.1012 W), tức là khoảng 65% tổng công suất điện của hành tinh. 35% còn lại được bổ sung bởi một nửa là các nhà máy thủy điện (NMTĐ) và một nửa các nhà máy điện nguyên tử (NMĐNT), và 0,5% là do các nguồn khác (mặt trời, gió, địa nhiệt, v.v.). Toàn bộ công suất nhiệt của ngành năng lượng vào đầu thế kỷ 21 là 1,34.1013 W, trong đó ở dạng điện năng mới chỉ tiêu thụ 2,1.1012 W (xấp xỉ 15%), trong đó 0,36.1012 W được ngành năng lượng nguyên tử cung cấp. Con số này hiện đang còn nhỏ nhưng cũng lớn hơn công suất toàn bộ ngành điện thế giới năm 1954, khi khởi động nhà máy điện nguyên tử đầu tiên.

Dễ thấy rằng toàn bộ sự phong lưu của nền văn minh hiện tại chủ yếu dựa vào các nguồn dự trữ than, dầu mỏ và khí. Chúng sẽ đủ dùng bao lâu, điều đó phụ thuộc vào nhu cầu hiện nay và dự báo cho tương lai. Từ khi phát hiện ra châu Mỹ, dân số thế giới đã tăng lên 15 lần và chỉ trong thế kỷ vừa qua đã tăng lên 4 lần. Theo dự báo, đến giữa thế kỷ 21, sản xuất năng lượng sẽ tăng gấp đôi, còn điện năng sẽ tăng lên gấp ba. Ngoài ra, sự phân bố năng lượng hiện nay rất không đồng đều, thí dụ ở Ethiopia mỗi người chỉ có khoảng 100 W, ở Nga là khoảng 6 kW, ở Mỹ khoảng 12 kW; 1/4 dân số thế giới tiêu thụ 3/4 năng lượng sản xuất ra, trong đó xấp xỉ 1/3 năng lượng do người dân Mỹ sử dụng, trong khi đó dân số nước này chỉ chiếm 4,6% dân số thế giới. Gần 1/3 dân số hành tinh chúng ta đến nay vẫn chưa tiếp cận được với điện. Hậu quả của điều đó sẽ hoặc là chiến tranh (đã bắt đầu rồi đó), hoặc là dần dần cân bằng các mức tiêu thụ, điều đo sẽ còn làm tăng dòng năng lượng lên. Tới giữa thế kỷ 21, công suất năng lượng sản xuất ra (~ 3.1013 W) gần bằng năng lượng bức xạ từ lòng đất (3,2.1013 W) và xấp xỉ 0,03% công suất của dòng năng lượng mặt trời, năng lượng này được hấp thụ trong khí quyển và đi tới bề mặt của của trái đất (xấp xỉ 1017 W).

Như vậy là nhiều hay ít để phá hủy các quá trình hài hoà phức tạp trong sinh quyển trái đất? Ngày nay chưa ai có thể trả lời câu hỏi đó một cách chắc chắn, mặc dầu không thể dựa vào đó để yên tâm không lo lắng (ngay cả những cơn bão mạnh nhất và có sức phá hoại lớn nhất cũng bắt nguồn từ những cơn gió xoáy nhỏ và khó nhận thấy). Vấn đề này cũng đã được đặt tên "ô nhiễm nhiệt đối với sinh quyển" và nằm trong nhiều hiện tượng gây ra bởi sự tăng trưởng đột ngột sản xuất năng lượng. (Trong nửa thế kỷ 21 này sẽ sản xuất một lượng năng lượng bằng toàn bộ năng lượng đã sản xuất ra trong suốt lịch sử trước đây của loài người).

Với nhịp độ tiêu dùng hiện nay đối với nhiên liệu hữu cơ thiên nhiên, dầu mỏ và khí đốt rõ ràng sẽ cạn kiệt vào cuối thế kỷ 21. Trữ lượng than sẽ còn đủ cho 200 - 300 năm nữa, nhưng điều đó không cứu vãn được tình thế, bởi vì trong trường hợp đó sẽ phát sinh vấn đề khác – ô nhiễm khí quyển bởi các sản phẩm cháy của than, chủ yếu là các khí SO_x và CO₂. Ngay hiện nay, mỗi năm phát thải vào khí quyển 6,5 tỉ tấn CO₂, tức là mỗi cư dân trên hành tinh 1 tấn, còn với kịch bản "than" để phát triển ngành năng lượng thì lượng phát thải đó sẽ tăng lên nhiều lần. Theo khẳng định của các nhà sinh thái học, hậu quả của quá trình đó sẽ là "hiệu ứng nhà kính", nghĩa là tăng nhiệt độ trung bình của trái đất, tan băng hà vùng cực và đi kèm theo là những thảm họa thiên nhiên quy mô toàn cầu: mực nước đại dương dâng cao, ngập các thành phố ven biển, hạn hán, bão lụt và kể cả thay đổi khí hậu của hàng loạt khu vực thế giới. Thay đổi khí hậu là quá trình có quán tính và một khi nó đã bắt đầu, nó sẽ không ngừng trong suốt hàng nghìn năm như đã xảy ra vào thời kỳ băng hà gần đây, mới chỉ kết thúc cách đây 12 nghìn năm. Khó có thể tin tưởng rằng nền văn minh tinh tế và yếu đuối của chúng ta sẽ chịu đựng nổi sự tiến công mạnh mẽ và thô bạo của thiên nhiên.

(Còn nữa)