Phát triển lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới Lò phản ứng hạt nhân ở Pháp

Trong những năm tới dự kiến sẽ có vài chục lò phản ứng hạt nhân thế hệ III+ an toàn được triển khai ở Mỹ. Giờ đây, các nhà khoa học đang hướng tới lò phản ứng thế hệ IV, có khả năng sản xuất hyđro, nhiệt công nghệ cũng như điện năng, trong khi đó lượng chất thải tạo ra lại ít hơn nhiều.

Trong bất kỳ ngành kinh doanh dựa trên công nghệ nào cũng vậy, trước tiên phải có các nhà khoa học khám phá các bí mật của thiên nhiên, sau đó các kỹ sư sử dụng kiến thức đó, thiết kế ra các sản phẩm mới mà đến một lúc nào đó chúng ta không thể sống nếu thiếu chúng. Không có các nhà khoa học thì không có tiến bộ về công nghệ. Không có các kỹ sư thì không có sản phẩm. Một trong những thách thức lớn nhất đối với một công ty dựa trên công nghệ là phải tập trung đầu tư vào nghiên cứu và phát triển vào những lĩnh vực tiềm năng nhất. Đây cũng chính là trường hợp của ngành điện hạt nhân Mỹ.

Bài báo tóm lược và so sánh những ưu điểm của một số hệ thống điện hạt nhân đang được phát triển và cạnh tranh nhau để thu hút sự chú ý và được đầu tư. Để hình dung được mức độ ác liệt trong cạnh tranh, hãy so sánh các con số sau: Trong năm 2007, Microsoft đã chi trên 7 tỉ USD vào nghiên cứu và phát triển để duy trì sức cạnh tranh trên thị trường dịch vụ trực tuyến đang bắt đầu nở rộ, với kỳ vọng sau này sẽ thu được khoản lợi nhuận gấp nhiều lần; ngân sách của Bộ Năng lượng Mỹ dành cho “khoa học và công nghệ” trong năm tài chính đó là 3,9 tỉ USD.

Thế hệ tiếp theo

Hiện nay trên thế giới có ba thế hệ các hệ thống điện hạt nhân đang vận hành, các thế hệ này bắt nguồn từ những mẫu thiết kế ban đầu được phát triển để sử dụng trên tàu biển từ cuối những năm 1940 (xem hình 1). Thế hệ I bao gồm những nguyên mẫu ban đầu lò phản ứng hạt nhân từ những năm 1950 và 1960, ví dụ như Shippingport (1957 -1982), Dresden-1 (1960 -1978), và Calder Hall-1 (1956-2003) ở Vương quốc Anh. Chỉ có hai nhà máy vận hành thương mại thuộc thế hệ I vẫn còn hoạt động, thuộc sở hữu của British Nuclear Group, mà theo kế hoạch sẽ đóng cửa trong năm nay (2008), và nhà máy điện hạt nhân Wylfa ở xứ Wales (Vương quốc Anh), dự kiến sẽ đóng cửa vào năm 2010.

Các hệ thống thế hệ II bắt đầu vận hành vào những năm 1970 và bao gồm phần lớn trong số trên 400 lò phản ứng vận hành thương mại kiểu nước dưới áp lực (PWR) và kiểu nước sôi (BWR). Các lò phản ứng này, thường được gọi là lò phản ứng nước nhẹ (LWR), sử dụng các phương pháp an toàn “chủ động” truyền thống bao gồm các tác động điện hoặc cơ khí thực hiện theo lệnh. Một số hệ thống theo thiết kế còn vận hành kiểu thụ động (ví dụ, sử dụng van giảm áp) và làm việc không cần đến người điều khiển hoặc mất nguồn điện tự dùng.

Một số không nhiều các nhà máy thế hệ III đã được xây dựng. Dễ thấy nhất là lò BWR tiên tiến đã được đưa vào vận hành năm 1996. Hiện nay ở Mỹ chưa có lò nào được đưa vào hoạt động, mặc dầu danh mục mà Uỷ ban điều tiết hạt nhân Mỹ (Nuclear Regulatory Commission – NRC) đưa ra có tới hai tá đang xếp hàng để được chứng nhận. Tất cả các thiết kế lò phản ứng đề xuất đang được NRC xem xét đều được coi là thiết kế thế hệ III+: Lò phản ứng nước dưới áp lực cấp tiến của công ty Areva (EPR), lò tinh giản cải tiến BWR hoặc ESBWR của công ty GE, lò APR 1000 sửa đổi của Westinghouse, và lò tiên tiến PWR hoặc ABWR của Mitsubishi Heavy Industries.

Các ví dụ duy nhất về thiết kế lò phản ứng thế hệ III đang vận hành là sáu lò ABWR, trong đó có bốn chiếc tại Nhật Bản. Công ty Hitachi đã hoàn chỉnh hết sức kỹ lưỡng các qui trình xây dựng trong quá trình xây dựng các lò phản ứng Nhật Bản. Ví dụ Tổ máy 7 Kashiwazaki Kariwa động thổ ngày 1 tháng 7/1993, đạt trạng thái tới hạn vào ngày 1 tháng 11/1996, và bắt đầu vận hành thương mại ngày 2 tháng 7/1997, tức là 4 năm và 1 ngày sau khi xúc xẻng đất đầu tiên. Nếu như trong những năm tới, ngành năng lượng hạt nhân Mỹ chấp nhận kỹ thuật xây dựng của Hitachi thì có thể tiết kiệm được bao nhiêu tỉ đô la và cả thời gian nữa.

Không thể chối cãi là cả ba thế hệ lò phản ứng hạt nhân đầu tiên đều thành công về kinh tế, sau khi đã phải chịu những khó khăn ngày càng lớn về yêu cầu độ tin cậy quá cao trong thời gian đầu tồn tại. Theo Viện Năng lượng hạt nhân thì trong năm 2006, các nhà máy điện hạt nhân Mỹ đã cung cấp sản lượng điện cao, đứng thứ hai trong lịch sử của ngành, đồng thời giá thành sản xuất điện năng trung bình đạt mức thấp kỷ lục là 1,66 cent/kWh. Trên thực tế, trong 8 năm qua, giá thành sản xuất điện luôn thấp hơn 2 cent/kWh, trong khi đó hệ số công suất lại luôn cao hơn 90%. Hơn nữa, việc nâng cao hiệu suất vận hành trong 10 năm qua đã mang lại kết quả tương đương với gần 20 nhà máy điện hạt nhân mới.

Các hệ thống thế hệ III và III+ bắt đầu phát triển trong những năm 1990, dựa trên kinh nghiệm của các đội ngũ các lò LWR của Mỹ, Nhật Bản và Tây Âu. Có lẽ cải tiến đáng kể nhất so với các thiết kế thế hệ thứ hai, đó là việc đưa vào các đặc điểm an toàn “thụ động”, không đòi hỏi điều khiển chủ động hoặc sự can thiệp của người vận hành; thay vào đó, các thiết kế này dựa vào trọng lực hoặc đối lưu tự nhiên để giảm nhẹ tác động của các sự kiện bất thường. Đặc điểm này, bên cạnh các yếu tố khác, sẽ giúp đẩy nhanh quá trình xét duyệt lò phản ứng, và nhờ vậy, rút ngắn lịch trình xây dựng. Một khi được đưa vào vận hành, chắc chắn các nhà máy sử dụng các lò phản ứng thế hệ III và III+ sẽ đạt được mức đốt kiệt nhiên liệu cao hơn (giảm tiêu thụ nhiên liệu và giảm chất thải tạo ra) và sẽ vận hành tới 60 năm.

Các nhà khoa học hạt nhân đã nhường việc thực hiện các thiết kế thế hệ III+ kiểu thép và bê tông cho các kỹ sư và chuyển sang phát triển các phương án hạt nhân “thế hệ tiếp sau nữa”, thường được gọi là lò phản ứng thế hệ IV.

Về ý tưởng thiết kế, lò phản ứng thế hệ IV có mọi đặc điểm của các lò thế hệ III+, cộng thêm khả năng hỗ trợ sản xuất hyđro, thu hồi nhiệt, và thậm chí cả việc khử muối mặn trong nước. Ngoài ra, các thiết kế này còn bao gồm việc quản lý các actinit. Actinit là các nguyên tố hoá học có số thứ tự nguyên tử từ 89 (actini) tới 103 (lôrenxi); thuật ngữ này thường áp dụng cho các nguyên tố nặng hơn uran, còn được gọi là các chất siêu uran. Các actinit đều là chất phóng xạ, thường có chu kỳ bán rã dài, và chiếm tỉ lệ đáng kể trong nhiên liệu thải từ các lò LWR.

Ban Năng lượng hạt nhân của Bộ Năng lượng Mỹ chịu trách nhiệm phát triển các khoa học cần thiết cho năm công nghệ khác nhau về thế hệ IV. Bảng 1 nêu tóm tắt các đặc tính và tham số vận hành của sáu phương án hệ thống lò phản ứng thế hệ IV, kể cả lò phản ứng muối nóng chảy, được liệt kê vào để đảm bảo tính đầy đủ mặc dầu hiện nay Mỹ không nghiên cứu phương án này. Đối với từng ý tưởng thiết kế, ưu tiên phản ánh tình hình phát triển công nghệ và tiềm năng đáp ứng các mục tiêu của chương trình và của quốc gia.

Nói chung, các hệ thống thế hệ IV bao gồm việc tái chế hoàn toàn các actinit và các công trình chu kỳ nhiên liệu tại chỗ, dựa trên các phương án xử lý tiên tiến dùng nước (aqueous), nhiệt luyện kim (pyrometallurgical) hoặc phương pháp khô khác. Tái xử lý tại chỗ cho phép giảm vận chuyển vật liệu hạt nhân, một vấn đề làm tăng rủi ro phổ biến hạt nhân. Bộ Năng lượng Mỹ đã mở rộng hoạt động điều phối để thu hút một số pháp nhân trong nước và quốc tế và tổ chức Cơ quan hợp tác năng lượng hạt nhân toàn cầu (GNEP).

Dưới đây tóm tắt tình hình phát triển của sáu phương án hệ thống lò phản ứng thế hệ IV

Lò GFR (Hình 2) được thiết kế chủ yếu để sản xuất điện và quản lý các chất actinit, nhưng nó cũng có khả năng hỗ trợ sản xuất hyđro. Đặc điểm của hệ thống chuẩn GFR: phổ nơtron nhanh, lò phản ứng chu trình Brayton làm mát bằng hêli, chu trình nhiên liệu kín để tái chế các actinit, và nhà máy hiệu suất 48%. Phương án bố trí hệ thống GFR đã được Cộng đồng Năng lượng nguyên tử châu Âu (Euratom), Pháp, Nhật Bản và Thuỵ Sĩ ký vào tháng 11/2006.

Một số dạng nhiên liệu (gốm, phần tử nhiên liệu, và các phần tử bọc gốm) hiện đang được xem xét dùng cho lò GFR có cùng điểm chung: Cho phép lò phản ứng vận hành ở nhiệt độ rất cao, nhưng vẫn đảm bảo bao bọc tốt các sản phẩm phân hạch. Cấu hình phần lõi sẽ hoặc là các khối lắp ráp nhiên liệu dựa trên dạng chốt hoặc dạng đĩa, hoặc là các khối lăng trụ. Khả năng nâng cao tính năng hiện vẫn đang được nghiên cứu, cụ thể như sử dụng vật liệu có độ bền cao hơn, chịu tác động của nơtron nhanh (lưu lượng tích phân theo thời gian) ở nhiệt độ rất cao, và phát triển tuabin làm mát bằng hêli có khả năng sản xuất điện với hiệu suất cực cao. Các trị số mục tiêu của một số tham số chính, ví dụ như mật độ năng lượng và mức độ đốt kiệt nhiên liệu, là đủ để đạt tính năng hợp lý của công nghệ thế hệ I.

Hai công trình GFR đã được xây dựng ở Mỹ. Công trình đầu tiên mang tên Peach Bottom 1, tại quận York, bang Pennsylvania, là lò phản ứng thực nghiệm làm chậm bằng graphít, hoạt động từ năm 1967 tới năm 1974. Công trình kia là Nhà máy điện Fort Saint Vrain (bang Colorado). Lò này vận hành từ năm 1979 đến năm 1989, đốt nhiên liệu urani-thori ở nhiệt độ cao, và có khả năng sản xuất 330 MW. Các phần tử (thanh) nhiên liệu của nhà máy Fort Saint Vrain có tiết diện lục lăng, mật độ năng lượng đủ thấp để nếu có mất chất làm mát sơ cấp cũng không dẫn đến gây quá nhiệt trực tiếp lõi lò phản ứng. Người vận hành có vài tiếng đồng hồ để đóng lò phản ứng trước khi lõi bị hư hại. Năm 1996, khu Fort Saint Vrain đã được cải tạo thành nhà máy tuabin khí chu trình hỗn hợp.

Trong số các công trình trình diễn khác về công nghệ GFR đang hoạt động phải kể đến lò phản ứng thử nghiệm nhiệt độ cao (high-temperature test reactor - HTTR) làm chậm bằng graphít của Nhật, công suất toàn phần 30 MW nhiệt đã đạt được từ năm 1999. Lò này sử dụng các khối lắp ráp nhiên liệu dài hình lục lăng, khác với các thiết kế lò phản ứng phần tử tầng (particle-bed reactor – PBR) đang cạnh tranh. Thử nghiệm chứng tỏ rằng lõi có thể đạt tới nhiệt độ đủ để sản xuất ra hyđro.

Độc lập với các công trình trên là lò phản ứng môđun tầng sỏi (pebble-bed modular reactor - PBMR), công suất 300 MW nhiệt, sử dụng hệ thống biến đổi công suất tuabin khí chu trình kín, đang được công ty điện lực Eskom của Nam Phi thiết kế triển khai.

Cuối cùng, một consortium các viện nghiên cứu của Nga đã kết hợp với General Atomics thiết kế tuabin khí - lò phản ứng hêli dạng môđun (GT-MHR), công suất 300-30 MW nhiệt. Toàn bộ nhà máy GT-MHR hầu như được chứa trong hai khoang áp lực thông nhau, tất cả nằm bên trong kết cấu bê tông ngầm dưới đất. Lõi của GT-MHR đang được thiết kế để sử dụng bất kỳ trong số nhiều loại nhiên liệu đa dạng (kể cả thori/uran hàm lượng cao và Th/U-233). Lò này còn có khả năng biến đổi plutoni phẩm cấp vũ khí hạt nhân hoặc plutoni phẩm cấp lò phản ứng thành điện năng.

Lò phản ứng nhanh làm mát bằng chì (lead-cooled fast reactor - LFR)

Lò LFR, như dự kiến trong Chương trình thế hệ IV của Ban Năng lượng hạt nhân của Bộ Năng lượng Mỹ, sẽ dựa trên ý tưởng thiết kế lò phản ứng nhỏ, an toàn, di động, và vận hành độc lập (SSTAR). Sứ mệnh chủ yếu của việc phát triển SSTAR là cung cấp nguồn bổ sung, đáp ứng nhu cầu tại các nước đang phát triển và cộng đồng người dân những vùng hẻo lánh, không tiếp cận được lưới điện. Các công nghệ LFR đã được trình diễn thành công trên quốc tế. Ví dụ đầu tiên là lò phản ứng nhanh BREST của Nga, tiêu thụ nhiên liệu plutoni phẩm cấp lò phản ứng đồng thời tạo ra chất này ở dạng nguyên liệu. Công nghệ BREST dựa trên 40 năm kinh nghiệm của Nga về làm mát bằng chì-bismut các lò phản ứng trên tàu ngầm cấp alpha.