Mỏ uranium tỉnh giấc
Ở miền nam bang Texas, mỏ uranium Alta Mesa từng là biểu tượng của một thời kỳ đã lùi xa. Trong Chiến tranh Lạnh, các mỏ uranium quanh khu vực này từng khai thác đủ sản lượng để cấp điện cho khoảng 8 triệu hộ gia đình mỗi năm, nuôi sống cả chương trình hạt nhân dân sự lẫn quân sự của nước Mỹ. Nhưng đến cuối thập niên 1990, nhu cầu sụt giảm và nguồn nhập khẩu giá rẻ khiến hoạt động khai thác nội địa không còn khả thi. Sự cố Fukushima năm 2011 sau đó càng khoét sâu tâm lý dè dặt với năng lượng hạt nhân, đẩy ngành uranium Mỹ vào giai đoạn ngủ đông kéo dài gần ba thập kỷ.
Bước ngoặt chỉ thực sự đến trong vài năm gần đây, khi hơn 40 quốc gia lên kế hoạch xây mới hoặc cân nhắc phát triển lò phản ứng hạt nhân. Nguyên nhân đến từ hai hướng cùng lúc: các chính phủ tìm kiếm nguồn điện sạch, ổn định để thay thế nhiên liệu hóa thạch, trong khi những ngành tiêu tốn năng lượng như trí tuệ nhân tạo (AI) và khai thác tiền điện tử đẩy nhu cầu điện tăng vọt. Alta Mesa được khởi động lại từ năm 2024 và nhanh chóng trở thành mỏ uranium lớn thứ hai của Mỹ chỉ sau một năm vận hành.
Sức hấp dẫn của uranium nằm ở mật độ năng lượng gần như không loại nhiên liệu nào sánh được: một viên nhiên liệu uranium cỡ đầu ngón tay có thể sinh ra lượng năng lượng tương đương một tấn than đá hoặc 480 mét khối khí tự nhiên. Nhưng chính vì nhiều năm sản lượng bị kìm hãm, ngành công nghiệp này giờ phải chạy nước rút để bắt kịp nhu cầu đang tăng nhanh hơn nguồn cung.
Cuộc xung đột Nga - Ukraine năm 2022 phơi bày thêm một điểm yếu: chuỗi cung ứng nhiên liệu hạt nhân toàn cầu phụ thuộc vào một số ít quốc gia. Thực tế đó buộc nhiều nước phải tính lại bài toán an ninh năng lượng, không chỉ dựa vào thị trường mà còn phải tính đến rủi ro địa chính trị.
Những cường quốc khai thác uranium “cựa mình”
Kazakhstan hiện là nước sản xuất uranium lớn nhất thế giới, chiếm khoảng 40% sản lượng toàn cầu, chủ yếu nhờ công nghệ khai thác tại chỗ: dung dịch được bơm xuống lòng đất để hòa tan uranium, sau đó đưa lên bề mặt và chế biến thành bột yellowcake - nguyên liệu đầu vào để sản xuất nhiên liệu hạt nhân.
Nhưng khai thác được uranium mới chỉ là bước đầu. Kazakhstan vẫn phải phụ thuộc vào Nga để làm giàu uranium trước khi đưa vào sử dụng. Chiến sự ở Ukraine đã khiến một số khách hàng phương Tây yêu cầu chuyển hướng vận chuyển qua hành lang khác thay vì tuyến quá cảnh qua Nga như trước.
Trong bối cảnh đó, Australia - quốc gia sở hữu trữ lượng uranium đã biết lớn nhất thế giới, gấp đôi Kazakhstan - đang nhận được sự chú ý trở lại. Nhưng biến trữ lượng thành sản lượng thực tế không hề nhanh. Theo bà Andrea Marsland-Smith, CEO của công ty Alligator Energy, một dự án khai thác uranium thường mất khoảng 5 năm để khoan thăm dò và đánh giá mỏ, rồi thêm 5 năm nữa để xin giấy phép.
Ở bang Tây Australia, nơi chưa có giấy phép khai thác uranium mới nào được cấp kể từ năm 2017, một số dự án còn nằm trên vùng đất có ý nghĩa tâm linh sâu sắc với cộng đồng thổ dân bản địa. Các dự án này có thể mang lại cơ hội việc làm và phát triển hạ tầng cho các vùng khai khoáng, nhưng việc cấp phép mỏ cũng đặt ra câu hỏi về việc đánh đổi những vùng đất gắn liền với tổ tiên và bản sắc cộng đồng lấy sự thịnh vượng.
Tại châu Âu, Thụy Điển nắm giữ 27% trữ lượng uranium đã biết của lục địa này. Chúng nằm trong lớp đá phiến alum vốn có thể giải phóng kim loại nặng vào nguồn nước nếu bị xáo trộn. Vì lo ngại môi trường, nước này cấm khai thác uranium từ năm 2018. Nhưng giá điện tăng cao ở châu Âu và áp lực giảm phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu đã khiến Thụy Điển dỡ bỏ lệnh cấm này từ đầu năm nay, dù vẫn duy trì các quy định giám sát môi trường chặt chẽ.
Nhật Bản đi theo một hướng khác: khai thác uranium từ đại dương. Theo ông Taishi Sugiyama, Giám đốc nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Toàn cầu Canon, lượng uranium hòa tan trong nước biển lớn gấp hàng trăm lần trữ lượng đã biết trên đất liền. Tuy nhiên, uranium trong nước biển tồn tại ở nồng độ cực thấp, khiến việc chiết xuất với chi phí hợp lý vẫn là thách thức lớn.
Các nhà khoa học Nhật Bản đã thử nghiệm loại vật liệu dạng sợi bện có khả năng hấp thụ hợp chất uranium từ nước biển, kể cả tại suối nước nóng có tính axit cao Kusatsu Onsen, nơi kim loại được đẩy lên bề mặt một cách tự nhiên.
Vì uranium trong nước biển rất loãng, chi phí chiết xuất hiện vẫn cao, và theo ông Noriaki Seko, Trưởng dự án tại Viện Khoa học và Công nghệ Lượng tử Quốc gia Nhật Bản, hướng đi hiện nay là cải tiến vật liệu để có thể tái sử dụng nhiều lần, từ đó kéo giảm chi phí và mở đường cho việc khai thác nguồn uranium tiềm năng rất lớn này.
Nhiên liệu mới và những cuộc săn tìm ở… Mặt Trăng
Trữ lượng uranium trên đất liền được ước tính chỉ đủ dùng trong khoảng 120 đến 130 năm nữa nếu duy trì tốc độ tiêu thụ hiện nay. Đây là một trong những lý do khiến nhiều nước tìm cách giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu này, bên cạnh yếu tố địa chính trị.
Ông Lin Boqiang, Viện trưởng Viện Nghiên cứu Chính sách Năng lượng Trung Quốc thuộc Đại học Hạ Môn, nhận định rằng ngay cả khi uranium còn sẵn có trên thị trường, biến động địa chính trị vẫn có thể khiến một quốc gia không thể tiếp cận được nguồn cung đó.
Trung Quốc, nước phải nhập khẩu phần lớn uranium sử dụng, đang thử nghiệm lò phản ứng muối nóng chảy chạy bằng thorium - một nguyên tố phóng xạ tự nhiên - tại sa mạc Gobi. Khác với lò làm mát bằng nước phải vận hành ở áp suất cao, muối nóng chảy không sôi ở nhiệt độ cao, và nếu xảy ra sự cố quá nhiệt, nhiên liệu sẽ được dẫn vào bể chứa; nếu rò rỉ, muối sẽ nguội và đông cứng lại quanh vật liệu phóng xạ.
Những người ủng hộ công nghệ thorium cho rằng nó có thể sinh ra nhiều năng lượng hơn từ lượng nhiên liệu ít hơn, tạo ít chất thải phóng xạ hơn và khó bị chuyển hóa thành vũ khí hơn uranium. Theo ông Lin, trữ lượng thorium của Trung Quốc có thể đáp ứng nhu cầu trong khoảng 10.000 năm, nhưng trước mắt kế hoạch gần nhất là một lò trình diễn công suất 100 megawatt nhiệt vào năm 2035, đủ cấp điện cho hàng chục nghìn hộ gia đình.
Ấn Độ, quốc gia sở hữu một trong những trữ lượng thorium lớn nhất thế giới, cũng theo đuổi hướng đi tương tự để tăng tính tự chủ năng lượng. Ông Anil Kakodkar, cựu Chủ tịch Ủy ban Năng lượng Nguyên tử Ấn Độ, cho biết thorium ở nước này chủ yếu nằm trong cát ven biển, và gần như toàn bộ đường bờ biển Ấn Độ đều chứa loại khoáng chất này.
Ấn Độ hiện vận hành 24 lò phản ứng và đặt mục tiêu tăng công suất điện hạt nhân lên gấp 11 lần vào năm 2047, với thorium giữ vai trò trung tâm trong chiến lược đó. Nước này đang hợp tác với công ty Clean Core Thorium Energy của Mỹ để nghiên cứu và triển khai loại nhiên liệu pha trộn giữa thorium và HALEU (loại nhiên liệu uranium được làm giàu cao hơn thông thường), trong lúc giới khoa học tiếp tục nghiên cứu khả năng dùng thorium hỗ trợ cho các lò chạy bằng uranium.
Xa hơn nữa, giới khoa học đang đặt cược vào công nghệ nhiệt hạch - quá trình giải phóng năng lượng bằng cách kết hợp các nguyên tử, tương tự phản ứng diễn ra trong lòng Mặt Trời. Để tái tạo quá trình này trên Trái đất, hydro phải được nung nóng thành plasma ở nhiệt độ trên 100 triệu độ C và giữ ổn định bằng các nam châm siêu dẫn được làm lạnh xuống gần âm 270 độ C. “Đó là khi thứ lạnh nhất và thứ nóng nhất trong vũ trụ chỉ cách nhau vài bước chân”, Tiến sĩ kỹ thuật hạt nhân Nick Touran tại Đại học Michigan giải thích.
Muốn chịu được các điều kiện khắc nghiệt đó và dòng neutron tốc độ cao (thứ có thể làm suy yếu thành lò phản ứng), Trung Quốc đã phát triển loại thép chịu bức xạ. Gần đây, cơ sở thí nghiệm Tokamak siêu dẫn tiên tiến của nước này từng duy trì trạng thái plasma ở nhiệt độ gần gấp 7 lần lõi Mặt Trời trong hơn 17 phút.
Nhưng ngay cả khi các cỗ máy nhiệt hạch vận hành trơn tru, nhiên liệu vẫn là một rào cản. Phản ứng nhiệt hạch phổ biến hiện nay kết hợp deuterium - có thể chiết xuất từ nước biển - với tritium, một dạng hydro hiếm chỉ xuất hiện như sản phẩm phụ của các quá trình hạt nhân khác.
Các công ty như Astral Systems của Anh và Kyoto Fusioneering của Nhật Bản đang thử nghiệm những cách khác nhau để tăng nguồn cung tritium. Một lựa chọn khác là heli-3, có thể kết hợp với deuterium mà không sinh ra chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài hay neutron gây hại cho thiết bị lò phản ứng.
Vấn đề là những mỏ heli-3 dồi dào nhất được biết đến lại nằm trên… Mặt Trăng. Sứ mệnh Hằng Nga 5 của Trung Quốc năm 2020 từng mang về mẫu đất Mặt Trăng chứa heli-3, còn công ty Magna Petra của Mỹ hiện đang phát triển công nghệ để khai thác heli-3 từ bụi Mặt Trăng.
CEO của Magna Petra, ông Jeffrey Max, mô tả đó là nguồn nhiên liệu sạch gần như vô tận cho tương lai. Tất nhiên, có thể sẽ còn rất lâu để một kg heli-3 được đưa từ Mặt Trăng về Trái đất. Nhưng việc “vươn địa bàn” đến tận Cung Trăng cho thấy cuộc tìm kiếm nhiên liệu hạt nhân mới hiện đã sôi động đến mức nào.
