03-12-2019 09:20
Lò phản ứng hạt nhân 2 tỉ năm ở Châu Phi được vận hành hàng trăm nghìn năm, được xem là một công trình khoa học vĩ đại kì bí mà chủ nhân sáng tạo ra nó vẫn còn là một ẩn đố.
Có người cho rằng đây là công trình do con người tạo dựng nên từ… 2 tỉ năm trước, nhưng 2 tỉ năm trước thậm chí còn chưa có vượn người. Người khác lại nghĩ, đây là công trình của Mẹ Thiên Nhiên đầy quyền năng.
Tạm gác lại những tranh cãi xung quanh nguồn gốc bí ẩn của lò hạt nhân này, chúng ta sẽ đi tìm hiểu cách vận hành của nó vốn được đúc kết sau hàng loạt công trình nghiên cứu của các nhà khoa học trên khắp thế giới.
Năm 1970, một dạng công nghệ tiên tiến được phát hiện, đã làm các nhà khoa học kinh ngạc không chỉ bởi sự đơn giản mà còn vì nó là thành tựu đạt được cách đây hàng tỉ năm. Phát hiện chấn động này được củng cố sau hàng thập kỷ nghiên cứu, nhưng mức độ chuyên sâu của nó vẫn sẽ để lại bài học đáng giá cho các nhà quản lý.
Công nghệ này chính là lò Oklo, lò phản ứng hạt nhân được đặt theo tên của một khu vực Tây Phi thuộc nước cộng hòa Gabon. Lò phản ứng hạt nhân Oklo đã ngừng hoạt động trong một thời gian rất dài, khoảng 1,5 tỉ năm trước, nhưng dấu hiệu hoạt động trước đó thì không thể nhầm lẫn. Ít nhất vào 2 tỉ năm trước, lò đã vận hành được khoảng 300.000 năm. Lò phản ứng này từng tiến hành các chuỗi phản ứng phân rã hạt nhân ổn định.
Vậy chúng hoạt động như thế nào? Giả thuyết đầu tiên cho rằng các hằng số vật lý cơ bản ước chế các phản ứng hạt nhân ngày nay có thể có sự khác biệt vào 2 tỉ năm trước.
Theo phân tích từ chất thải tại lò Oklo, các thông số vật lý này không biến đổi ngay từ ban đầu. Điều đó nghĩa là lò phản ứng sẽ cần đồng vị có khả năng phân hạch với nồng độ tương đương mức độ chúng ta yêu cầu ngày nay.
Biện pháp đảm bảo an toàn trong công nghệ làm giàu hạt nhân được xác định là một trong những vấn đề mang tầm quốc tế. Cụ thể, việc làm giàu uranium tại Iran được nhìn nhận là mối nguy có thể đưa đến chiến tranh thế giới. Nếu chúng ta gặp nhiều khó khăn đến thế khi muốn biến uranium thô thành loại hữu dụng trong các các phản ứng phân hạch ổn định, thì làm thế nào một hành tinh vô tri vô giác có thể làm được điều đó?
Quay trở lại thời điểm lò phản ứng Oklo tự hoạt động vào lần đầu tiên, lúc đó Trái đất vừa vặn có tuổi bằng một nửa so với bây giờ. Điều đó có nghĩa là hành tinh của chúng ta chỉ mới được hình thành từ bụi đá của Thiên Hà chưa được bao lâu.
Như vậy, chỉ rất ít chu kì bán rã phóng xạ xảy ra, và các đồng vị không ổn định thì được tìm thấy ở nồng độ cao hơn nhiều. Các đồng vị uranium hữu ích nhất trong ngành năng lượng hạt nhân là uranium-235, vốn chỉ chiếm 0.7202% trong bất kì mẫu uranium nào được phát hiện trong tự nhiên hiện nay. Ban đầu, khi hệ Mặt trời mới được hình thành, con số đó sẽ vào khoảng hơn 17% và giảm dần cho đến giá trị như ngày nay.
Và vào 2 tỉ năm trước, các nhà khoa học ước tính lò phản ứng Oklo sẽ có các mẫu vật chứa uranium-235 với tỉ lệ 3.6%, gần với ngưỡng làm giàu của các lò phản ứng hạt nhân hiện đại. Tuy nhiên, chỉ gói các nguyên liệu vào một không gian kín thì không thể làm nên một nhà máy điện.
Một phản ứng phân rã hạt nhân ổn định sẽ xảy ra do tác động của neutrons, một trong hai thành phần của hạt nhân nguyên tử, khi chúng bị đánh văng khỏi nguyên tử gốc rồi va chạm với các nhiều nguyên tử khác, quá trình này được lặp lại nhiều lần.
Để phản ứng này xảy ra chính xác, bạn cần đủ lượng đồng vị “có khả năng phân hạch” nhằm giúp chuỗi phản ứng này không bị dừng lại, bởi nếu neutrons bị ném ra khỏi một nguyên tử phân hạch mà không ảnh hưởng đến một nguyên tử phân hạch khác thì phản ứng này sẽ ngừng lại. Theo xác suất thống kê, phản ứng này sẽ tiếp tục tự xảy ra nếu hàm lượng đồng vị phân hạch cho phản ứng hạt nhân vượt mức 3,2%.
Nhưng điều này chỉ nói lên rằng giữa các nguyên tử đã trải qua quá trình phân hạch và các nhà khoa học vẫn không hiểu quá trình đó bắt đầu như thế nào, vì neutrons được phóng thích bởi quá trình phân hạch là các hạt cao năng lượng, có xu hướng xuyên qua các hạt uranium đã được làm giàu mà không cần bất kì tương tác nào. Hóa ra, lò phản ứng Oklo đã xử lý vấn đề này theo cách mà các kỹ sư hạt nhân hiện nay đã làm, đó là nước.
Lò phản ứng nước nhẹ rất độc lập của Tự Nhiên
Các lò phản ứng hiện đại làm chậm tốc độ của neutron được phóng thích từ sự phân hạch chỉ bằng cách cho một lượng lớn nước vào trong hệ thống. Nước sẽ kìm hãm tốc độ của neutrons đến mức có thể xảy ra va chạm với hạt nhân uranium, tạo nên lò phản ứng Oklo theo kiểu lò phản ứng nước nhẹ (LWR).
Lò phản “nước nặng” sử dụng thứ đắt tiền hơn, một đồng vị khác của nước với tên gọi là deuterium (D2O). Lò phản ứng nước nặng làm các neutron di chuyển chậm hơn nhiều, cho phép chúng ta thực sự sử dụng được các mẫu Uranium – 235 với tỉ lệ thấp hơn.
Điều thú vị là việc kết hợp hệ thống này với nước sẽ dẫn đến cơ chế hoạt động ngắt quãng của lò phản ứng Oklo, nghĩa là nó sẽ được bật trong khoảng nửa giờ rồi tắt trong 2,5 giờ và cứ lặp đi lặp lại như vậy.
Điều này xảy ra vì khi nước được đưa vào hệ thống, nó sẽ làm chậm sự di chuyển của các neutron và cho phép phản ứng dây chuyền bắt đầu, phản ứng dây chuyền này sẽ đốt nóng cả hệ thống và làm nước bốc hơi, khi đó phản ứng kết thúc.
Hệ thống đun sôi – tích nước – đun sôi này sẽ làm cho khu vực này cực kỳ không ổn định và có lẽ một vài dấu vết của hoạt động mạnh mẽ này giải thích tại sao khu vực này trở nên đặc biệt trong truyền thuyết địa phương.
Mặc dù vậy, có lẽ điều quan trọng nhất là lò phản ứng này đã hoạt động từ thời cổ đại với nguyên lý hoạt động tương tự với các lò phản ứng hạt nhân ngày nay. Lò âm thầm hoạt động trước cả sự tiến hóa của sinh vật đơn bào, cho đến nay vẫn chứa chất thải (sản phẩm của phản ứng) từ những phản ứng hạt nhân cũ.
Điều đáng ngạc nhiên khác nữa là lò được cách ly một cách đơn giản nhưng đã là quá đủ để các nhà khoa học lấy làm bằng chứng trấn an người dân địa phương về sự an toàn dài hạn của cơ sở lưu trữ phế thải ở núi Yucca thuộc sa mạc Nevada, Mỹ.
Một lượng lớn chất thải hạt nhân đã nằm yên dưới Oklo hàng tỉ năm; mà không cần phải đặt sâu trong sa mạc Nevada, cũng không được bọc trong các bức tường kim loại chắc chắn. Một công trình phải chăng quá hoàn hảo.
Chúng ta vẫn có xu hướng nghĩ rằng các công nghệ càng tiên tiến thì càng mất đi tính tự nhiên, nhưng thực tế thành tựu khoa học tiên tiến phần lớn đều đang khai thác các nguồn lực cơ bản nhất của vũ trụ. Mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu của sự sống trên Trái Đất (nguồn năng lượng vô tận của Mặt trời sinh ra từ phản ứng nhiệt hạch bên trong lõi của nó), cùng lúc cung cấp năng lượng cho chính vũ trụ.
Lò phản ứng Oklo có thể là thành tựu của tự nhiên, hay của một ai đó, nhưng điều chúng ta buộc phải thừa nhận đó là tính siêu việt của công nghệ hiện đại không chỉ tồn tại trong thời nay, mà nó đã có thể xuất hiện từ cách đây 2 tỉ năm.
Hàn Mai, Hạo Nhiên (Theo Extremetech)
