Lò nước nhẹ vẫn thống trị ngành điện hạt nhân
Tại hội thảo "Xu hướng công nghệ lượng tử, hạt nhân và công bố quốc tế đỉnh cao" tổ chức ngày 16/6, GS.TS. Trần Hoài Nam (Trường Đại học Phenikaa) đã chia sẻ về xu hướng mới nhất của "Công nghệ lò phản ứng hạt nhân: Hiện trạng và triển vọng tương lai"
GS.TS Trần Hoài Nam cho biết, công nghệ hạt nhân bắt đầu từ năm 1939 khi hiện tượng phân hạch hạt nhân được phát hiện. Chỉ hơn một thập kỷ sau, lò phản ứng hạt nhân đầu tiên đi vào hoạt động năm 1951, mở ra kỷ nguyên khai thác năng lượng từ hạt nhân.
Trong hơn 70 năm phát triển, công nghệ lò phản ứng đã trải qua bốn thế hệ với những bước tiến lớn về hiệu suất và độ an toàn. Những tai nạn hạt nhân nghiêm trọng trong lịch sử cũng trở thành động lực thúc đẩy quá trình hoàn thiện công nghệ.
Công nghệ lò phản ứng hạt nhân đang bước vào kỷ nguyên mới.
Sự cố Three Mile Island năm 1979 là tai nạn hạt nhân dân sự tồi tệ nhất trong lịch sử Hoa Kỳ. Nguyên nhân do lỗi thiết bị và con người khiến hệ thống làm nguội hỏng, làm một phần lõi lò phản ứng bị nóng chảy và rò rỉ một lượng phóng xạ nhỏ ra môi trường. Điều này cho thấy tầm quan trọng của đánh giá rủi ro xác suất trong vận hành nhà máy điện hạt nhân.
Tai nạn Chernobyl năm 1986 dẫn tới sự ra đời của khái niệm "văn hóa an toàn" trong ngành công nghiệp hạt nhân toàn cầu. Trong khi đó, thảm họa Fukushima năm 2011 đã thúc đẩy quá trình chuyển đổi từ các hệ thống an toàn chủ động sang các hệ thống an toàn thụ động ở các lò phản ứng thế hệ III và III+.
Theo GS.TS Trần Hoài Nam, hiện nay, các lò phản ứng nước nhẹ (LWR), bao gồm lò phản ứng nước áp lực (PWR) và lò phản ứng nước sôi (BWR), chiếm khoảng 80% số lò phản ứng đang vận hành trên thế giới.
Sự thống trị của công nghệ này đến từ mức độ trưởng thành cao, chuỗi cung ứng hoàn thiện và khả năng thương mại hóa quy mô lớn. Trong các lò nước nhẹ, nước vừa đóng vai trò chất làm mát vừa là chất làm chậm neutron.
Những thiết kế hiện đại tiêu biểu đang được triển khai trên thế giới gồm AP1000 của Mỹ, EPR của châu Âu, APR1400 của Hàn Quốc và VVER-1200 của Nga.
Các lò phản ứng thế hệ III và III+ hiện được xem là công nghệ tiên tiến nhất đang vận hành thương mại. Điểm nổi bật của các thiết kế này là tích hợp nhiều lớp bảo vệ an toàn thụ động cùng các hệ thống "bẫy vùng hoạt" nhằm ngăn chặn nguy cơ phá vỡ lớp vỏ bảo vệ trong trường hợp xảy ra sự cố nóng chảy lõi lò phản ứng.
Bài toán nhiên liệu và chất thải hạt nhân vẫn là thách thức lớn
GS Nam phân tích, bên cạnh các ưu điểm về phát thải thấp và khả năng cung cấp điện ổn định, điện hạt nhân vẫn đối mặt với những thách thức dài hạn liên quan đến nhiên liệu và chất thải phóng xạ. Với tốc độ tiêu thụ hiện nay, trữ lượng uranium thông thường trên thế giới chỉ đủ đáp ứng nhu cầu trong khoảng 100 năm nếu tiếp tục sử dụng chu trình nhiên liệu một lần như hiện nay.
Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng vẫn chứa khoảng 95% uranium-238, khoảng 1% uranium-235, khoảng 1% plutonium và gần 3% sản phẩm phân hạch cùng các nguyên tố actinide thứ cấp. Thông thường, nhiên liệu đã qua sử dụng được lưu giữ trong các bể làm mát tại nhà máy khoảng 10 năm trước khi chuyển sang kho chứa khô có thể kéo dài tới 100 năm. Trong dài hạn, việc xử lý cuối cùng đòi hỏi các giải pháp lưu giữ an toàn trong thời gian lên tới hàng nghìn năm.
Để giải quyết các thách thức về an toàn, hiệu quả sử dụng nhiên liệu và chi phí đầu tư, nhiều quốc gia đang tập trung phát triển các lò phản ứng thế hệ IV. Mục tiêu của thế hệ công nghệ này là đạt được mức độ an toàn nội tại cao hơn, sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn, giảm chất thải phóng xạ và nâng cao hiệu quả kinh tế.
Sáu công nghệ cốt lõi của thế hệ IV gồm lò phản ứng nhanh làm mát bằng khí, chì hoặc natri; lò phản ứng muối nóng chảy; lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn và lò phản ứng nhiệt độ rất cao.
Một trong những xu hướng nổi bật nhất hiện nay là lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR). Các SMR thường có công suất dưới 300 MW điện và đang được nhiều quốc gia theo đuổi. Hiện thế giới có hơn 100 thiết kế SMR và lò phản ứng siêu nhỏ đang được nghiên cứu, phát triển. Ưu điểm của SMR là giảm đáng kể vốn đầu tư ban đầu, có thể chế tạo theo dạng mô-đun trong nhà máy, linh hoạt trong lựa chọn địa điểm xây dựng, đồng thời tăng cường mức độ an toàn và bảo mật.
Những công nghệ mới đầy triển vọng
Một trong những dấu mốc đáng chú ý của ngành điện hạt nhân là việc lò phản ứng nhiệt độ cao làm mát bằng khí HTR-PM chính thức vận hành thương mại từ năm 2023. Công nghệ này sử dụng nhiên liệu TRISO có khả năng giữ lại các sản phẩm phân hạch ở nhiệt độ lên tới 1.600°C. Nhờ đặc tính an toàn nội tại, lò phản ứng có thể tránh được nguy cơ nóng chảy lõi ngay cả khi mất hoàn toàn chất làm mát.
Ngoài phát điện, nhiệt độ đầu ra khoảng 750 độ C của HTR-PM còn mở ra khả năng sản xuất hydro và cung cấp nhiệt cho nhiều ngành công nghiệp.
Trong khi đó, thiết kế NuScale của Mỹ được xem là một trong những SMR tiên tiến nhất hiện nay với công suất khoảng 77 MW điện mỗi mô-đun. Hệ thống có thể kết hợp tối đa 12 lò phản ứng vào cùng một tổ máy phát điện, giúp tăng tính linh hoạt và độ dự phòng trong vận hành.
Các lò phản ứng neutron nhanh cũng được kỳ vọng sẽ đóng vai trò quan trọng trong tương lai nhờ khả năng đốt cháy plutonium và các actinide thứ cấp, qua đó nâng cao hiệu suất sử dụng uranium và giảm lượng chất thải phóng xạ cần lưu giữ lâu dài.
Theo Quy hoạch điện VIII, Việt Nam dự kiến phát triển hai nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận với tổng công suất từ 4.000-6.400 MW. Tầm nhìn đến năm 2050, tổng công suất điện hạt nhân có thể đạt từ 10.500-14.000 MW.
GS.TS Trần Hoài Nam cho rằng cùng với việc lựa chọn công nghệ phù hợp, đặc biệt là công nghệ SMR, Việt Nam cần đầu tư mạnh vào đào tạo nguồn nhân lực và nghiên cứu khoa học.
Những lĩnh vực cần ưu tiên gồm mô phỏng đa vật lý cho lò phản ứng, vật liệu tiên tiến, đánh giá an toàn độc lập đối với các công nghệ nhập khẩu, cũng như xây dựng năng lực phục vụ công tác thanh sát, bảo đảm an ninh và an toàn hạt nhân.
Trong bối cảnh ngành năng lượng toàn cầu đang hướng tới mục tiêu phát thải thấp, điện hạt nhân được đánh giá sẽ tiếp tục giữ vai trò quan trọng. Sự xuất hiện của các lò phản ứng thế hệ IV và SMR được kỳ vọng sẽ tạo ra bước ngoặt mới, giúp công nghệ hạt nhân trở nên an toàn hơn, linh hoạt hơn và phù hợp hơn với nhu cầu phát triển bền vững trong tương lai.
