Các tàu ngầm nguyên tử vận hành như thế nào?

VietTimes – Chính phủ Australia vừa tuyên bố một thỏa thuận quốc phòng lịch sử với Mỹ và Anh, giúp nước này đủ khả năng chế tạo hạm đội mới gồm các tàu ngầm nguyên tử.

Tàu ngầm nguyên tử mang lại nhiều lợi ích chiến lược cho bên sở hữu (Ảnh: CNET)

Tàu ngầm nguyên tử mang lại nhiều lợi ích chiến lược cho bên sở hữu (Ảnh: CNET)

Các cuộc nghiên cứu về động cơ đẩy chạy bằng năng lượng nguyên tử lắp cho tàu thuyền đã bắt đầu từ những năm 1940, mở đầu cho “kỷ nguyên nguyên tử”. Kể từ đó, chỉ có 6 quốc gia là sở hữu và vận hành các tàu ngầm nguyên tử: Trung Quốc, Pháp, Ấn Độ, Nga, Anh và Mỹ.

Khi xét tới thực tế là Australia vừa mới xé bỏ một bản hợp đồng đóng các tàu ngầm truyền thống trị giá 90 tỉ đôla Australia (66 tỉ USD), thì tuyên bố về thỏa thuận mới đây có lẽ sẽ khiến nhiều người phải bất ngờ.

Vậy cụm từ “nguyên tử” trong tàu ngầm nguyên tử là nói về khía cạnh nào? Đầu tiên cần phải nói rằng một tàu ngầm chạy bằng năng lượng nguyên tử không phải là một vũ khí nguyên tử, hay vũ khí hạt nhân. Đơn giản hơn, vẻ bề ngoài của chúng chả khác gì các tàu ngầm khác, chỉ khác là chúng chạy bằng năng lượng nguyên tử.

Trong những ngày đầu của công cuộc nghiên cứu nguyên tử, các nhà khoa học đã nhanh chóng nhận ra rằng một nguồn năng lượng khổng lồ được sản sinh ra từ việc “phân tách hạt nhân” có thể được ứng dụng để sinh ra điện năng. Các lò phản ứng nguyên tử bên trong các nhà máy điện đã được sử dụng để cung cấp điện cho các hộ gia đình và nhiều ngành công nghiệp sản xuất trên khắp thế giới trong suốt 70 năm. Tương tự, mỗi chiếc tàu ngầm hạt nhân đều vận hành nhờ nguồn năng lượng đến từ lò phản ứng mini lắp đặt bên trong nó.

Nằm ở trung tâm mỗi nguyên tử là một hạt nhân của nó, được thành từ các hạt proton và neutron. Số lượng proton sẽ xác định nguyên tố hóa học mà nguyên tử đó thuộc về; những hạt nhân có cùng số lượng proton nhưng khác số lượng neutron được gọi là các đồng vị của nguyên tố đó.

Một số hạt nhân rất nặng dễ bị tác động bởi một quá trình gọi là phản ứng phân hạch, trong đó chúng phân tách thành 2 hạt nhân nhẹ hơn với tổng khối lượng nhỏ hơn so với hạt nhân gốc. Phần còn lại được chuyển hóa thành năng lượng. Năng lượng phát ra cực kỳ lớn, như trong phương trình nổi tiếng của nhà bác học Albert Einstein, E= mc², trong đó năng lượng sản sinh ra tương đương với sự thay đổi trong khối lượng nhân với bình phương của vận tốc ánh sáng.

Các lò phản ứng hạt nhân trên tàu ngầm nguyên tử thường có nhiên liệu là uranium. Uranium tự nhiên được khai thác chủ yếu là một đồng vị có tên uranium-238, được trộn với một lượng nhỏ (0,7%) đồng vị uranium-235. Để lò phản ứng hoạt động, nhiên liệu uranium cần phải được “làm giàu” để chứa tỷ lệ uranium-235 nhất định. Đối với các tàu ngầm nguyên tử, tỷ lệ này thường là 50%. Mức độ làm giàu là nhân tố chủ chốt trong việc duy trì phản ứng dây chuyền để tạo ra nguồn năng lượng liên tục và an toàn.

Bên trong lò phản ứng, uranium-235 bị bắn phá bởi các hạt neutron, khiến cho một số hạt nhân trải qua phản ứng nhiệt hạch. Kết quả là có thêm neutron được phóng ra, và quy trình này tiếp diễn trong cái gọi là “phản ứng dây chuyền hạt nhân”. Năng lượng phát ra dưới dạng sức nóng, có thể được sử dụng để làm chạy các turbine để sản sinh ra điện năng, giúp vận hành tàu ngầm.

Lợi và hại của tàu ngầm nguyên tử

Một lợi thế lớn của các tàu ngầm chạy bằng năng lượng nguyên tử chính là không cần tiếp nhiên liệu. Khi một tàu ngầm nguyên tử đi vào hoạt động, nó đã được cung cấp một lượng nhiên liệu uranium đủ để tồn tại trong suốt hơn 30 năm.

Hiệu suất cao của năng lượng nguyên tử cũng cho phép tàu ngầm chạy với vận tốc cao trong một khoảng thời gian dài hơn so với các tàu ngầm chạy bằng năng lượng dầu diesel/điện. Thêm nữa, không giống như động cơ đốt trong, các lò phản ứng hạt nhân không cần không khí. Điều đó có nghĩa rằng tàu ngầm nguyên tử có thể ẩn mình dưới nước suốt nhiều tháng liền, tạo cho chúng khả năng “tàng hình” tốt hơn và cho phép chúng tham gia vào các nhiệm vụ có thời lượng lớn, ở những khu vực xa xôi.

Yếu điểm của chúng, rất đơn giản: Chi phí. Chi phí chế tạo mỗi chiếc tàu ngầm nguyên tử thường lên tới vài tỉ USD, và cần có một đội ngũ nhân công chuyên môn cao về khoa học nguyên tử.

Nhờ có các chương trình đào tạo đẳng cấp mà các trường đại học hàng đầu và cơ quan chính phủ cung cấp, Australia rõ ràng là đáp ứng được những nhu cầu ngày càng tăng trong lĩnh vực này, và cũng sẽ hưởng nhiều lợi ích từ kinh nghiệm và kỹ thuật được Mỹ và Anh chia sẻ thông qua thỏa thuận mới “Aukus”.

Trong giai đoạn này, chi tiết về việc Australia sẽ lấy nguồn nhiên liệu uranium ở đâu vẫn chưa rõ. Mặc dù Australia có trữ lượng uranium dồi dào, nhưng họ lại không đủ khả năng để làm giàu uranium, bởi vậy có thể phải nhập nhiên liệu chạy tàu ngầm nguyên tử từ nước ngoài.

Sự nhầm lẫn thường thấy

Tàu ngầm nguyên tử đương nhiên không phải vũ khí nguyên tử. Để uranium có thể được coi là ở “mức độ vũ khí”, nó cần phải được làm giàu lên mức 90% uranium-235.

Xét cho cùng, Australia trước nay chưa từng chế tạo một vũ khí hạt nhân nào, và nước này cũng là một bên ký kết các hiệp ước về không phổ biến vũ khí hạt nhân cùng với các cơ chế kiểm soát xuất khẩu quốc tế, trong đó bao gồm Hiệp định về Không phổ biến Vũ khí Hạt nhân và Sáng kiến Giải giáp và Không phổ biến vũ khí hạt nhân.

Lợi thế chiến lược mà các tàu ngầm nguyên tử mang lại chính là khả năng “tàng hình” và ghim mục tiêu một cách bí mật mà không bị phát hiện.

Duy trì sự an toàn, cho cả thủy thủ đoàn và môi trường tự nhiên, cũng là vấn đề cực kỳ quan trọng. Nhiều bộ phim Hollywood, như “K19: The Widowmaker”, có nội dung về một chiếc tàu ngầm nguyên tử gặp trục trặc ngay trong hành trình đầu tiên, từng khiến nhiều người nhận thức rõ về hiểm họa do phóng xạ gây nên.

Tuy nhiên, các biện pháp kiểm soát an toàn hiện đại cùng các quy trình chặt chẽ ngày nay đã giúp giảm tối đa nguy cơ tàu ngầm nguyên tử gặp nạn, nếu như so với trong quá khứ.

Quyết định chính sách của Australia vừa qua vẫn chưa rõ sẽ mang lại cho họ những kết quả như thế nào về mặt địa chính và chiến lược. Nhưng có điều đã rõ là họ đã thể hiện quyết tâm theo đuổi khoa học nguyên tử.