Bạn đã bao giờ tự hỏi liệu những phương tiện nhỏ như chiếc ô tô chạy trên đường hằng ngày có thể sử dụng được năng lượng hạt nhân hay không?

Rất nhiều quốc gia trên thế giới đang cố gắng thực hiện một sứ mệnh xem như là khả thi trong tương lai, đó là loại bỏ động cơ đốt trong (ICE) trên nhiều phương tiện. Đằng sau điều này có nhiều lý do, nhưng chủ yếu là do cơ sở hạ tầng nền tảng cho nền văn minh của chúng ta được cung cấp bởi nhiên liệu hóa thạch, nó cần phải được thay đổi và để thực hiện được điều này là cả một quá trình dài hơi với một kế hoạch hợp lý.
Một giải pháp thay thế cho xe ICE là xe điện (EV), tuy nhiên công nghệ này vẫn chưa chứng minh được sự tiện lợi cũng như tối ưu được chi phí cho dòng xe ICE. Một con đường công nghệ khác đầy tiềm năng và vẫn còn bỏ ngỏ để chúng ta khai thác, đó chính là ô tô chạy bằng năng lượng hạt nhân. Nếu bạn là một fan hâm mộ của loạt trò chơi máy tính Fallout hoặc loạt phim "Back to the Future", chắc hẳn hạn sẽ quan tâm đến giải pháp này.

Một lò phản ứng hạt nhân được chế tạo ngay trong ô tô


Có thể bạn không tin nhưng đây là điều hoàn toàn có thể, nó đã từng được nghiên cứu trong quá khứ và lịch sử xe ô tô. Hãy quay về những năm 1950, thời kỳ đỉnh điểm của cơn sốt hạt nhân, "Nucleon" là khái nghiệm về những chiếc ô tô có thể chạy hơn 5.000 dặm (hơn 8.000 km) mà không cần tiếp nhiên liệu. Tuy nhiên, các kỹ sư thời đó không thể biến một ý tưởng như vậy thành chiếc xe có thể chạy trên đường. Tuy nhiên, nó đã từng được hình dung về một cấu trúc trên bản vẽ với chiều dài 16,7 feet (5,09m) và rộng 6,45 feet (1,97m), chiều dài tương đương chiếc bán tải nhỏ gọn Ford Maverick, phần mái của chiếc xe sẽ cao hơn mặt đất khoảng 3,45 feet (1,05m). Các bánh xe được thiết kế nằm gần nhau để hỗ trợ cho trọng lượng nặng của một lò phản ứng hạt nhân trên xe.


Ford đã dự tính một thứ gọi là "viên nang năng lượng" sẽ nằm trong "thân" của "Nucleon", lò phản ứng này sẽ dễ dàng được bảo dưỡng và tiếp nhiên liệu, đồng thời có thể tạo ra nguồn năng lượng cho xe chạy thông qua "bộ chuyển đổi mô-men xoắn điện tử."
Nghe có vẻ hơi hoang đường vào thời đại ngày nay nhưng vào thời kỳ cơn sốt năng lượng hạt nhân của thế kỷ trước, nó đã được tin tưởng chỉ là vấn đề thời gian bởi rất nhiều phương tiện khác cũng đã được cung cấp năng lượng theo cách tương tự.
Ngạc nhiên hơn nữa là "Nucleon" chưa phải là ý tưởng đầu tiên, các kỹ sư đã đề xuất phương tiện chạy bằng năng lượng hạt nhân từ khoảng năm 1903. Và năm 1941, Tiến sĩ RM Langer, một nhà vật lý của Caltech cũng đã khám phá ý tưởng về một phương tiện chạy bằng uranium-235.

Xe hơi chạy bằng Nuke rất phổ biến trong khoa học viễn tưởng

Tạo lò phản ứng hạt nhân trong ô tô thực sự là thách thức


Việc thu nhỏ một lò phản ứng hạt nhân để có một kích thước phù hợp khi gắn nó trên ô tô được coi là một thách thức lớn về mặt kỹ thuật. Không đơn giản chỉ là việc chế tạo lò phản ứng cho một phương tiện đơn thuần mà là việc quản lý vấn đề an toàn năng lượng một cách tuyệt đối khi lò phản ứng này hoạt động.
Tiến sĩ L. Dale Thomas, Phó Giám đốc Cơ quan đẩy Trung tâm Nghiên cứu tại Đại học Alabama ở Huntsville cho biết trong một cuộc phỏng vấn với The Drive rằng "Bản thân lõi lò phản ứng (bao gồm cả tấm chắn) cho một lò phản ứng hạt nhân nhỏ thực sự có thể vừa với khoang động cơ của một phương tiện cá nhân, điều này sẽ tạo ra năng lượng dồi dào để cung cấp năng lượng cho chính nó. Tuy nhiên, khó khăn bắt đầu từ vấn đề chuyển đổi năng lượng. Lò phản ứng hạt nhân sẽ tạo ra nhiệt năng, cần chuyển hóa thành cơ năng". Quá trình này yêu cầu khá nhiều chuyển đổi về dạng năng lượng để phương tiện hoạt động.


Một lò phản ứng hạt nhân đầy đủ hoạt động bằng cách biến nước thành hơi (nhiệt năng), sau đó tiếp tục sử dụng để chuyển thành tuabin hơi nước (nhiệt thành cơ học), chiếc tuabin hơi nước này được sử dụng để sản xuất điện. Nếu thu nhỏ kích thước của nó để vừa với ô tô, sẽ cần thêm một bộ chuyển đổi để biến điện năng trở lại thành cơ năng thông qua động cơ. Quá trình phức tạp này cũng kéo theo sự tổn thất năng lượng, và để khi có một chiếc xe năng lượng hạt nhân thực sự thì giải pháp nào cho những nhiệt lượng dư thừa đó?
Với các động cơ đốt trong, phần nhiệt thải được được loại bỏ khỏi hệ thống thông qua khí thải và bộ tản nhiệt động cơ, tuy nhiên với một lò phản ứng hạt nhân, phần nhiệt lượng này không thể đơn giản là việc thải ra môi trường, cần có một cách xử lý khác. Điều này đòi hỏi cần rất nhiều bộ trao đổi nhiệt hệ thống kín hoạt động tương tự như hệ thống điều hòa không khí để tiếp khí. Việc thiết lập các thiết bị như vậy sẽ làm tăng trọng lượng cho hệ thống điện của xe, đồng thời ảnh hưởng đến tính thẩm mỹ của chiếc xe.

Ý tưởng vẫn đang là ý tưởng


Bởi vì những lý do trên, dường như ý tưởng về một lò hạt nhân ở quy mô nhỏ của một chiếc ô tô cá nhân đơn giản là không thể thực hiện được vào ngày trước. Tiến sĩ Thomas giải thích rằng “Năng lượng hạt nhân di động ở quy mô nhỏ như vậy không khả thi vào những năm 50" Không đơn giản là vấn đề kích thước của lò phản ứng mà là sự chuyển đổi năng lượng nhiệt thành cơ học và xử lý nhiệt thải bên trong một phương tiện cá nhân là chưa khả thi"


Vào thời kỳ "Nucleon", nhiều nhà khoa học và công nghệ có thể cho rằng vấn đề này có thể được giải quyết khá nhanh chóng. Tuy nhiên các công nghệ chuyển đổi năng lượng thu nhỏ vẫn chưa được nghiên cứu một cách nghiêm túc như ở hiện nay và cuối cùng "Nucleon" vẫn chỉ là một khái niệm.

Tại sao đến nay chúng ta vẫn chưa có bất kỳ chiếc ô tô chạy bằng năng lượng hạt nhân nào?


Một trong những lý do chủ yếu là những bảo vệ cần thiết cho người ngồi trên xe về những bức xạ có thể gây tử vong. Công nghệ hạt nhật ngày càng được cải thiện từ sau những năm 1950. Vào năm 2009, một chiếc ô tô hạt nhân có tên Cadillac World Thorium Fueled Concept Car đã được đề xuất trên lý thuyết với khả năng chạy hơn 100 năm mà ít hoặc không cần bảo dưỡng.
Chiếc xe này đã được ra mắt lần đầu tiên tại Triển lãm Ô tô Chicago năm 2009, nhưng nó vẫn là một tác phẩm trưng bày và không có lò phản ứng hạt nhân nào hoạt động được bên dưới mui xe. Thorium trở thành một lựa chọn tốt vì nó ít phóng xạ hơn và dồi dào hơn các nhiên liệu hạt nhân khác như uranium. Trên thực tế cũng đã có những thiết kế hiện đại cho lò phản ứng hạt nhân vi mô dựa trên việc sử dụng thorium làm nhiên liệu, tuy vậy nó vẫn chưa ủ nhỏ gọn để đặt bên trong khung của một chiếc ô tô cá nhân.


Năng lượng hạt nhân phổ biến trong những thứ như tàu ngầm nhưng vẫn chưa được phát triển cho ô tô.
Charles Stevens, một nhà nghiên cứu tại công ty Laser Power Systems của Massachusetts đã có một cách tiếp cận tiềm năng khác về vấn đề này. Ông đề xuất phát triển một loại laser chạy bằng thorium có thể được sử dụng để tạo ra đủ năng lượng cung cấp năng lượng cho một chiếc xe trong khi không tạo ra khí thải. Stevens đã cố gắng tạo ra một hệ thống nguyên mẫu bằng cách sử dụng tia laser cường độ cao "MaxFelaser" độc quyền được cung cấp bởi thorium. Nó hoạt động bằng cách sử dụng chùm tia laze để làm bay hơi nước thành hơi có áp suất, làm quay một tuabin và tạo ra điện. Nguồn điện này được sử dụng để cung cấp năng lượng cho động cơ đẩy - giống như trong ô tô EV. Theo báo cáo, hệ thống của Steven có thể tạo ra tổng cộng 250 kilowatt, với khối lượng khoảng hơn 200 kg và đủ nhỏ để nhét dưới mui xe ô tô. Tuy nhiên, ý tưởng này vẫn chưa có cơ hội được hiện thực hóa vì chưa có một chiếc chạy bằng laser thorium nào trên đường.

Liệu có thể dùng "pin nguyên tử" để cung cấp năng lượng cho ô tô không?


Thay vì gắn lò phản ứng hạt nhân nhỏ trong xe hơi, chúng ta có thể nghĩ đến một ý tưởng khác đó là dùng pin nguyên tử, nó hoạt động dựa trên sự phân rã ổn định của các đồng vị hạt nhân để tạo ra nguồn cung cấp điện. Đặc biệt là chúng tạo ra rất ít hoặc hầu như không có chất thải, và thực tế là chất thải hạt nhân có thể được sử dụng là nguồn nhiên liệu. Những loại pin này có tuổi thọ cũng như mật độ năng lượng rất cao.


Pin nguyên tử có thể là nguồn năng lượng tiềm năng cho ô tô

Công nghệ về pin nguyên tử đã từng tồn tại và được chứng minh, nó là nguồn năng lượng khá phổ biến trong tàu vũ trụ. Nó cũng được đánh giá là sự lựa chọn tuyệt vời vì tuổi thọ, độ bền nhưng giá thì cũng rất cao.

NDB Technology, một doanh nghiệp tư nhân trong lĩnh vực công nghệ cũng đang tìm cách phát triển công nghệ này. Khái niệm "pin nano hạt nhân" của công ty đề xuất sử dụng chất thải hạt nhân tái chế, với nhiều lớp phủ kim cương tổng hợp chắc chắn để bảo vệ và chế tạo pin hạt nhân có kích thước cực nhỏ. "Năng lượng được hấp thụ trong viên kim cương thông qua sự tán xạ không đàn hồi, được sử dụng để tạo ra điện." Một số loại pin thậm chí có kích thước nhỏ vừa với các thiết bị điện tử như Smartphone. NDB cho biết công nghệ tuyệt vời này có thể tồn tại tới 28.000 năm.


Nếu thành công thì đây sẽ là một tin tốt cho các nhà phát minh ô tô hạt nhân, nếu loại pin này có thể lắp vào những thiết bị như tivi hoặc điện thoại, thì chắc chắn chúng có thể được chế tạo đủ lớn để cung cấp năng lượng cho cả một chiếc ô tô. Tuy nhiên, để có thể ra mắt và được công nhận trên thị trường thì nó cần vượt qua được thành kiến của cộng đồng về sự nguy hiểm hay không tin tưởng vào năng lượng hạt nhân. Đó cũng là một tin tuyệt vời với ngành công nghiệp hạt nhân vì chất thải từ hoạt động của họ có thể biến thành tài sản của người khác, có nghĩa rằng, thay vì phải bỏ chi phí để xử lý chất thải, họ có thể giao nó cho một công ty hoặc nhà sản xuất ô tô cần nó.

Liệu năng lượng hạt nhân có thể là chén thánh cho thị trường xe điện?


Tương lai của việc sử dụng năng lượng hạt nhân trong các phương tiện giao thông sẽ thay đổi nếu chúng ta thay thế việc gắn lò phản ứng hạt nhân vào ô tô bằng việc sử dụng năng lượng hạt nhân để làm nguồn sạc cho xe điện.
Chẳng hạn đối với những loại xe điện lớn như xe tải, chúng cần nhiều năng lượng để di chuyển. Động cơ đốt trong từng "ngự trị" và là nguồn năng lượng không thể thay thế, nhưng những áp lực về môi trường khiến cho ngành xe tải phải hoạt động theo xu hướng "xanh hơn", điển hình là những đoàn tàu chạy hoàn toàn bằng điện.


Xe tải EV sắp ra mắt, liệu có sử dụng nguồn năng lượng hạt nhân là duy nhất

Tuy nhiên một vấn đề lớn là xe tải điện yêu cầu một lượng điện gấp 5 đến 10 lần so với xe điện nhỏ bình thường. Vì thế, nhưng đề xuất về một chiếc xe tải chạy hoàn toàn bằng điện đều cần được tiếp cận với một nguồn năng lượng dồi dào. Và để hướng đến mục tiêu môi trường, nguồn điện này cần phải được tạo ra từ một nguồn nhiên liệu sạch, chắc chắn đó không phải là một nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch. Lúc này chúng ta cần cân nhắc đến một lò phản ứng hạt nhân vi mô cho các phương tiện này, nhất là các phương tiện vận chuyển hàng hóa thường xuyên chạy đường dài có tần suất hoạt động liên tục.

Foro Nuclear giải thích, "khái niệm về lò phản ứng hạt nhân cỡ nhỏ không phải là mới. Đã có những lò phản ứng nhỏ từ lâu, tạo ra năng lượng điện ở những vùng xa xôi như Bắc Cực, căn cứ quân sự, tàu vũ trụ...trong nhiều năm mà không cần sạc lại".


Để cung cấp năng lượng cho xe tải EV, các lò phản ứng siêu nhỏ kiểu này có thể là một món quà trời cho. Các kỹ sư tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (ANL) ở Illinois đã nghiên cứu một thiết kế thú vị cho một lò phản ứng hạt nhân vi mô có khả năng lắp đặt tại nhiều địa điểm trên thế giới. Những lò phản ứng này thừa khả năng tạo ra năng lượng cần thiết để sạc cho bất cứ phương tiện nào, chẳng hạn như một chiếc xe tải 18 bánh trong thời gian ngắn.
Những lò phản ứng này có kích thước gần bằng hai máy nước nóng gia đình và được kết nối với một hệ thống lưu trữ năng lượng. Nó được xem xét là khá rẻ để xây dựng và lắp đặt, với những ưu điểm như:

- Tính linh hoạt: Thể hiện việc cung cấp nguồn điện rất ổn định có thể dễ dàng điều chỉnh theo nhu cầu. Đối với những trường hợp không rút điện khỏi hệ thống, nhiệt có thể được lưu trữ trong một kho chứa phụ, sử dụng chất lỏng trơ, sẵn sàng để sử dụng sau này.
- Tính an toàn: Các lò phản ứng này sử dụng một loại nhiên liệu hạt nhân đặc biệt để giữ tất cả các chất phóng xạ cách ly khỏi mọi tiếp xúc bên ngoài. Đó chính là loại viên nén chứa uranium được phủ bởi một số lớp vật liệu làm từ carbon và gốm, nó sẽ ngăn cản việc giải phóng các sản phẩm phân hạch phóng xạ.
- Tiết kiệm chi phí: Các lò phản ứng nhỏ sử dụng viên nén có thể hoạt động hơn 10 năm, chi phí thu phí rất rẻ cho các phương tiện lớn như xe tải trong thời gian dài.


Những rủi ro đối với các phương tiện chạy bằng năng lượng hạt nhân

Nguồn điện hạt nhân có tính phóng xạ cao, nên các biện pháp an toàn cần được thực hiện để ngăn chặn việc ảnh hưởng đến những người ngồi trên xe cũng như cộng đồng. Các tác động ngắn hạn và dài hạn của việc tiếp xúc với bức xạ hiện đã được nghiên cứu khá kỹ, vì thế việc hạn chế điều này là điều bắt buộc. Nhưng giới hạn của việc che chắn an toàn này là như thế nào, việc dùng thêm các bộ phận cồng kềnh sẽ làm tăng thêm trọng lượng cho chiếc xe cũng như tính thẩm mỹ cho chiếc xe, có nghĩa là xe hạt nhân sẽ cần phải có những thứ khác để cung cấp lượng che chắn cần thiết.


Hiện trạng phơi nhiễm phóng xạ

Theo các điều tra của Ủy ban An toàn Hạt nhân Canada, liều lượng trên 1.000 milisieverts (mSv) có thể sẽ gây ra các triệu chứng của bệnh bức xạ. Các công nhân làm trong các nhà máy năng lượng hạt nhân thường phải chịu cho 50 mSv một năm làm việc. Còn với những người bình thường, họ phải chịu khoảng 1 mSv trên một năm từ các nguồn bức xạ vũ trụ, nhưng có thể ở mức cao hơn ở những khu vực có địa chất phóng xạ cao. Điều này cũng đặt ra những giới hạn an toàn và là thách thức cho những chiếc xe chạy bằng điện hạt nhân.

Vấn đề khác cần tính đến đó là những vụ tai nạn, nó có thể dẫn đến một thảm họa ô nhiễm hạt nhân cực kỳ nghiêm trọng, thêm nữa là việc bảo vệ nhiên liệu hạt nhân khỏi sự lạm dụng của những kẻ khủng bố. Đây là những vấn đề tiềm ẩn cần được nhìn nhận nghiêm túc đối với bất kỳ đề xuất xe chạy bằng năng lượng hạt nhân nào trong tương lai.

Hãy xem một số ý tưởng về những chiếc ô tô chạy bằng năng lượng hạt nhân thú vị khác


Ô tô Arbel-Symétric

Là một ví dụ thú vị về loại ô tô chạy bằng năng lượng hạt nhân. Ban đầu nó được thiết kế như một chiếc xe hybrid, phiên bản đầu tiên chạy bằng động cơ xăng thông thường. Sau đó nó được phát triển thêm và được trưng bày tại Geneva Motor Show 1958. Nó đã được quảng cáo với nhiều nguồn năng lượng thay thế khác nhau bao gồm tuabin 40KW và đáng kinh ngạc là biến thể "Pin nguyên tử" 40KW sử dụng chất thải hạt nhân. Tuy nhiên Arbel không được Chính phủ Pháp cho phép sử dụng nhiên liệu hạt nhân và dự án đã bị hủy bỏ.
Ford Seattle-ite XXI

Ý tưởng cho một chiếc xe chạy bằng năng lượng hạt nhân là Ford Seattle-ite XXI cực kỳ mới lạ ở thời điểm này, chẳng hạn như các đơn vị năng lượng pin nhiên liệu có thể hoán đổi cho nhau, các bộ phận có thể thay thế, hệ thống thông tin tự động, bản đồ, định vị. Chiếc xe có 6 bánh, 4 trong số đó có thể xoay được, tương tự như chiếc xe FAB1 nổi tiếng trong Thunderbirds và chiếc xe đua Tyrrell P34. Tuy nhiên nó chưa bao giờ đi vào hoạt động.
Simca Fulgur 1958

Là một thiết kế ô tô đến từ Pháp chiếc xe có phần trên bằng bong bóng nhựa và bánh xe ẩn, khiến nó được ví như người ngoài hành tinh. Mẫu xe này được ra mắt tại Triển lãm ô tô Genera 1959 và được quảng cáo là có khả năng chạy bằng năng lượng hạt nhân, điều khiển bằng giọng nói và dẫn đường bằng radar.
Studebaker-Packard Astral 1957

Với thiết kế hoàn toàn khác biệt, có những hình thức che chắn năng lượng để bảo vệ người lái và hành khách khỏi bất kỳ bức xạ nào phát ra từ lò phản ứng hạt nhân trên xe, các tấm chắn này cũng sẽ bảo vệ khi xe bị va chạm. Đáng buồn là Studebaker-Packard đã không tồn tại đủ lâu biến mẫu xe ý tưởng của mình thành hiện thực.


Có thể thấy rằng, trong khi năng lượng hạt nhân đã được sử dụng phổ biến trên các phương tiện giao thông lớn như tàu chiến và tàu ngầm thì vấn đề kỹ thuật, an toàn và cả sự thiếu nhiệt tình của các nghiên cứu cũng như các ngành sản xuất đã ngăn cản việc đưa nó lên ô tô. Tuy nhiên, hãy tưởng tượng về vấn đề khí thải carbon trên toàn cầu từ ngành giao thông vận tải, thì năng lượng hạt nhân có thể là một giải pháp tuyệt vời để giải quyết.


Nguồn
Interestingengineering