Tìm hiểu công nghệ hạt nhân mới thích hợp cho các nền kinh tế nhỏ

Nhà máy hạt nhân có thể vận chuyển bằng xe tải

Nếu chúng ta muốn theo đuổi năng lượng hạt nhân ở quy mô mà IEA yêu cầu, thì sẽ phải nỗ lực rất nhiều. Lộ trình của IEA yêu cầu thế giới tăng cường xây dựng từ 5 nhà máy hạt nhân lớn mỗi năm lên 20 nhà máy mỗi năm trong thập niên tới. Các nhà máy lớn thường có chi phí hàng tỉ USD và tiềm ẩn nhiều rủi ro tài chính lớn. Ví dụ, Công ty Điện lực Westinghouse gần đây đã nộp đơn xin phá sản do chi phí họ ném vào đầu tư vượt mức hàng tỉ USD trong quá trình xây dựng bốn nhà máy hạt nhân ở Mỹ.

Một kế hoạch để giảm những chi phí khổng lồ và quá cao đó là xây dựng các lò phản ứng mô-đun nhỏ, từ các lò phản ứng có thể vận chuyển trên xe tải và sản xuất vài trăm megawatt, cho đến các lò phản ứng cỡ một megawatt nhỏ giống như các máy phát điện diesel khổng lồ. Các mô-đun có thể được xây dựng sẵn tại nhà máy và vận chuyển đến địa điểm để lắp đặt. Tất cả điều kể trên sẽ làm cho các lò phản ứng này ít gánh chịu rủi ro hơn đối với các nhà đầu tư (mặc dù giá trên một đơn vị điện cuối cùng có thể cao hơn giá của một nhà máy điện hạt nhân lớn hơn).

Một số lò công nghệ hạt nhân mới (SMR) đã hoạt động ở Nga, Trung Quốc và Ấn Độ. Hàng chục lò SMR nữa đang được phát triển. Canada có kế hoạch hành động SMR quốc gia và tính đến năm 2021 đã có 10 đề xuất xây lò SMR đang trên bàn xem xét.

Nhưng theo nhà vật lý Granger Morgan, giám đốc của Trung tâm về khí hậu và năng lượng tại Carnegie Mellon, cho đến nay, lời hứa về chi phí thấp hấp dẫn cho các lò SMR vẫn chưa thành hiện thực. Morgan đã tính toán những con số về hạt nhân ở Mỹ và cảm thấy thất vọng: “Tôi nghĩ SMR sẽ hứa hẹn nhiều hơn, nhưng chúng tôi không thể nắm rõ các con số”.

Thông điệp đó được đưa ra vào tháng 11.2023 khi công ty NuScale loại bỏ các kế hoạch xúc tiến nổi bật của mình là xây dựng lò SMR dưới lòng đất ở Idaho trước tình hình chi thành tăng vọt. Những người khác cho rằng (lò hạt nhân) nhỏ không phải lúc nào cũng tốt. Mặc dù các nhà máy nhỏ hơn có ít tiềm ẩn rủi ro hơn nhưng chiến lược này về tổng thể cũng tạo ra nhiều nhà máy hơn, nghĩa là có nhiều mối lo hơn trong việc bảo vệ chống trộm và khủng bố. Francesca Giovannini, chuyên gia về chính sách hạt nhân tại Trường Harvard Kennedy nói “Khi có nhiều vật liệu phân hạch được phân tán hơn; bạn sẽ phải đảm trách nhiều cơ sở hạ tầng hơn. Theo tôi, chuyện đó sẽ trở thành một mớ hỗn độn”

Lò hạt nhân thế hệ tiếp theo

Trong khi một số người đang tập trung vào việc làm cho các nhà máy hạt nhân nhỏ hơn, thì bên cạnh đó cũng có một phong trào nhằm làm cho chúng an toàn hơn và hiệu quả hơn. Thế hệ thiết kế lò phản ứng tiếp theo - Thế hệ IV, theo thuật ngữ của ngành - bao gồm sáu dòng lò phản ứng chính, tất cả đều rất khác so với tiêu chuẩn ngày nay, mỗi dòng có nhiều biến thể có thể vẫn đang được phát triển. Phần lớn sự chú ý (đặc biệt là ở Mỹ) tập trung vào ba dòng: làm mát bằng khí ở nhiệt độ cao, muối nóng chảy và làm mát bằng natri lỏng.

Những ý tưởng đằng sau những công nghệ này và thậm chí cả một số nhà máy điện giai đoạn đầu đã tồn tại trong nhiều thập niên. Nhưng các biến thể mới từ những ý tưởng cũ này kết hợp nhiên liệu và thiết kế mới, hứa hẹn sẽ an toàn hơn, hiệu quả hơn và thân thiện với môi trường hơn. Morgan cho biết: “Họ đang làm đủ mọi thứ công nghệ cao, rất đáng kinh ngạc” và ông không nghi ngờ gì về việc các lò phản ứng mới hơn có thể được chế tạo an toàn hơn lò thế hệ cũ.

Hầu hết các lò phản ứng hiện có đều là hệ thống uranium làm mát bằng nước, thứ công nghệ được chọn chủ yếu là do lịch sử. Giống như tất cả các loại lò phản ứng, loại lò làm mát bằng nước cũng có ưu và nhược điểm. Công nghệ làm mát bằng nước cần áp suất cao để ngăn nước làm mát bị sôi ở nhiệt độ hoạt động thông thường (khoảng 300 độ C). Và chúng được thiết kế để hoạt động với các neutron chuyển động tương đối chậm (neutron là các hạt hạ nguyên tử va chạm với nhiên liệu hạt nhân để bắt đầu quá trình phân hạch hạt nhân). Các neutron chuyển động chậm có nhiều khả năng tương tác với các hạt nhiên liệu hơn, nhưng các hệ thống sử dụng chúng cũng bị hạn chế về loại nhiên liệu mà chúng có thể sử dụng. Thảm họa có thể xảy ra nếu phản ứng phân hạch diễn ra mất kiểm soát hoặc lò phản ứng quá nóng và lõi “tan chảy”, như đã xảy ra tại Chernobyl và Fukushima, dẫn đến thải phóng xạ ra môi trường.

Các mẫu lò phản ứng làm mát bằng nước mới nhất (đôi khi được gọi là thế hệ III+) sử dụng một số điều chỉnh mới trong thiết kế để giảm số lượng thiết bị an toàn cần sự can thiệp của con người, nhằm mục đích tự động ngăn chặn tai nạn trong quá trình vận hành. Tuy nhiên, các lò phản ứng thế hệ IV sử dụng các vật liệu làm mát hoàn toàn khác, thường được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, hiệu quả hơn và thường sử dụng neutron tốc độ nhanh hơn có thể chuyển đổi các đồng vị tự nhiên phổ biến nhất của uranium thành nhiên liệu có thể sử dụng được.

Ví dụ, các lò phản ứng làm mát bằng khí ở nhiệt độ cao chạy ở nhiệt độ lên tới 950°C, khiến chúng có hiệu suất nhiệt cao hơn từ 20 đến 33% so với các lò phản ứng làm mát bằng nước. Vì vật liệu được sử dụng trong các lò phản ứng này thường ổn định ở nhiệt độ lên tới 1.600°C, nóng hơn dung nham nên có biên độ an toàn lớn.

Trong lò phản ứng muối nóng chảy, cả nhiên liệu và chất làm mát đều ở dạng lỏng. Vì vậy, sự cố, theo nghĩa truyền thống, là không thể xảy ra. Và các lò phản ứng làm mát bằng -natri lỏng có tính năng an toàn tích hợp: Nếu chúng nóng lên, natri lỏng sẽ nở ra và cho phép nhiều neutron thoát ra ngoài qua các khoảng trống giữa các nguyên tử, do đó phản ứng (được thúc đẩy bởi neutron) sẽ diễn ra một cách tự nhiên.