Điện hạt nhân dựa trên nhiên liệu thori - Tiềm năng, cơ hội và thách thức của Việt Nam

Nhận định về mục tiêu 150.000 MW năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2035 Việt Nam đang đặt ra mục tiêu phát triển thêm khoảng 150.000 MW năng lượng tái tạo đến năm 2035. Với giả định trung bình 100 MW cho mỗi dự án, điều này đồng nghĩa với việc cần triển khai thêm 1.500 dự án trong vòng 10 năm - một con số khổng lồ [*]. Báo cáo của chuyên gia Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam dưới đây phân tích tính khả thi của mục tiêu, các cơ chế, chính sách hiện hành, cũng như tiềm năng hỗ trợ triển khai nhanh chóng, đồng thời đánh giá những thách thức, đặc biệt là về nguồn nhân lực và đề xuất các giải pháp chính sách để đạt được mục tiêu một cách hiệu quả, bền vững. Phân tích cho thấy: 150.000 MW có thể vượt quá các mục tiêu hiện tại được ghi nhận trong các văn bản chính sách chính thức. Để đạt được sự tăng trưởng này, Việt Nam cần có những thay đổi mang tính cách mạng trong cơ chế, chính sách (bổ sung, hoặc điều chỉnh), đầu tư cơ sở hạ tầng và phát triển nguồn nhân lực. Báo cáo nhấn mạnh tầm quan trọng của việc học hỏi kinh nghiệm quốc tế, giải quyết các nút thắt hiện tại trong quy trình phê duyệt và phát triển dự án, đồng thời xây dựng một lực lượng lao động đủ năng lực để quản lý, vận hành hệ thống năng lượng tái tạo quy mô lớn.

Theo ước tính, thori có trữ lượng dồi dào hơn urani khoảng 3-4 lần trên toàn cầu. Tại Việt Nam, thori tồn tại trong các mỏ đất hiếm ở Lai Châu, Yên Bái và trong sa khoáng ở một số khu vực khác.

Nguồn nhiên liệu hạt nhân tiềm năng:

Thori (Th-232) là một nguyên tố phóng xạ tự nhiên, có trữ lượng dồi dào hơn urani khoảng 3-4 lần trên toàn cầu. Theo ước tính của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA): Trữ lượng thori toàn thế giới là hơn 6 triệu tấn, tập trung ở các quốc gia như: Ấn Độ (khoảng 1,07 triệu tấn), Brazil (632.000 tấn), Úc (595.000 tấn) và Mỹ (595.000 tấn).

Tại Việt Nam, thori tồn tại trong các mỏ đất hiếm ở tỉnh Lai Châu, Yên Bái (tỉnh Lào Cai sau sáp nhập) và trong sa khoáng ở một số khu vực khác, với trữ lượng ước tính hàng chục nghìn tấn, đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong nhiều thập kỷ, nếu được khai thác và sử dụng hiệu quả.

Không giống urani-235 (U-235), thori-232 (Th-232) không tự phân hạch trực tiếp để tạo năng lượng. Thay vào đó, nó là một “nhiên liệu sinh sản” (fertile material). Khi hấp thụ neutron trong lò phản ứng, Th-232 chuyển hóa thành Th-233, sau đó phân rã thành protactini-233 và cuối cùng thành U-233. U-233 là đồng vị phân hạch mạnh, duy trì phản ứng dây chuyền hạt nhân để sản xuất năng lượng nhiệt, từ đó sinh ra điện.

Quá trình này mang lại nhiều lợi thế: Chất thải phóng xạ từ chu trình thori có chu kỳ bán rã ngắn hơn (khoảng 500 năm so với hàng chục nghìn năm từ urani), đồng thời U-233 khó bị sử dụng để chế tạo vũ khí hạt nhân hơn U-235, hoặc plutoni-239, giảm rủi ro về an ninh. Với trữ lượng thori phong phú cả trong nước và toàn cầu, đây là cơ hội tiềm năng để Việt Nam giảm phụ thuộc vào nhập khẩu urani, tối ưu hóa nguồn lực nội địa.

Các công nghệ lò hạt nhân có thể sử dụng thori:

Nhiều thiết kế lò phản ứng nổi bật đã và đang được phát triển có thể sử dụng thori hiệu quả, bao gồm:

1. Lò muối nóng chảy (Molten Salt Reactor - MSR):

Lò MSR sử dụng thori hòa tan trong muối nóng chảy (florua, hoặc clorua) ở nhiệt độ cao, vừa là nhiên liệu vừa là chất làm mát. Thiết kế này hoạt động ở áp suất thấp, tăng cường an toàn, có thể xử lý và tái sử dụng nhiên liệu trực tiếp, giảm chất thải. Mỹ từng thử nghiệm mô hình MSR nhỏ tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge vào năm 1967, chứng minh tính khả thi của công nghệ.

Hiện nay, Trung Quốc đang phát triển lò MSR thori và đã có lò thí nghiệm với quy mô 2 MW nhiệt ở sa mạc Gobi, với mục tiêu thương mại hóa vào năm 2030.

Nguyên lý lò MSR.

Lõi lò MSR tại Oak Ridge, Mỹ.

2. Lò nước nặng (Heavy water reactor):

Các lò nước nặng như CANDU (Canada) có thể được điều chỉnh để dùng thori kết hợp với urani, hoặc plutoni làm chất khởi động. Nước nặng (D₂O) làm chậm neutron hiệu quả, tối ưu hóa quá trình chuyển hóa Th-232 thành U-233. Công nghệ này tận dụng được cơ sở hạ tầng hiện có của CANDU.

3. Lò phản ứng tái sinh nhanh (Fast Breeder Reactor - FBR):

Lò FBR sử dụng neutron nhanh để chuyển hóa thori thành U-233, đồng thời tạo thêm nhiên liệu phân hạch. Pháp đã vận hành lò FBR Superphénix (1985-1997), trong khi Nga sử dụng lò BN-800 (kết nối lưới điện năm 2016) với khả năng tích hợp thori trong tương lai. Các dự án này khẳng định tính khả thi của FBR (dù đòi hỏi đầu tư kỹ thuật lớn).

Nguyên lý lò FBR.

Lõi lò BN800 tại Nga.

4. Lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao (High-Temperature Gas-cooled Reactor - HTGR):

Lò HTGR dùng viên nhiên liệu (TRISO), có thể dùng thori như lõi nhiên liệu, với khí heli làm chất làm mát. Thiết kế này an toàn nhờ khả năng tự điều chỉnh nhiệt độ và chịu nhiệt cao. Trung Quốc đã đưa lò HTR-PM (thế hệ 4) vào vận hành thương mại tháng 12/2023 tại Sơn Đông - đánh dấu bước tiến trong ứng dụng thori, mở ra triển vọng cho các hệ thống nhỏ gọn.

Triển vọng tại Việt Nam:

Với mục tiêu phát thải ròng bằng 0 vào năm 2050 và nhu cầu điện tăng trưởng mạnh, thori có thể là chìa khóa cho chiến lược năng lượng của Việt Nam trong tương lai. Các công nghệ như MSR, FBR, hay HTGR tận dụng nguồn thori nội địa, cung cấp năng lượng ổn định, ít phát thải carbon, giảm phụ thuộc vào nhập khẩu. Đây là cơ hội để Việt Nam tiến gần hơn đến một hệ thống năng lượng bền vững.

Thách thức:

Dù tiềm năng lớn, việc triển khai lò thori tại Việt Nam đối mặt với nhiều thách thức. Công nghệ MSR, FBR và HTGR vẫn đang trong quá trình phát triển, chưa đạt thương mại hóa rộng (như lò nước nhẹ dùng urani).

“Thất bại của dự án lò tái sinh nhanh (FBR) ở Monju (Nhật Bản) cũng là một trong những bài học kinh nghiệm mà Việt Nam cần tìm hiểu kỹ trước khi tính tới việc đưa nội dung nghiên cứu sử dụng nguồn thori nội địa vào chương trình điện hạt nhân dài hạn” - Khuyến nghị của chuyên gia Tạp chí Năng lượng Việt Nam.

Việt Nam cần đầu tư nghiên cứu, phát triển cơ sở hạ tầng và tăng cường đào tạo nhân lực. Chi phí ban đầu cao cũng là rào cản. Tuy nhiên, với chủ trương mở rộng hợp tác quốc tế, lựa chọn đối tác chiến lược, tiếp thu, tiến tới làm chủ công nghệ, những thách thức này không phải là rào cản không thể vượt qua. Hợp tác quốc tế sẽ giúp tối ưu hóa chi phí và rút ngắn thời gian triển khai. Chú trọng thiết kế an toàn thụ động, bắt đầu từ các lò công suất nhỏ, Việt Nam có thể giảm thiểu rủi ro sự cố, ngăn chặn ở mức cao nhất khả năng ảnh hưởng đến dân cư và môi trường.

Thori và các công nghệ lò hạt nhân tiên tiến, có tiềm năng mở ra hướng đi mới cho ngành năng lượng Việt Nam. Với trữ lượng dồi dào và tiềm năng vượt trội, thori không chỉ là một giải pháp năng lượng, mà còn là cơ hội để đất nước khẳng định vị thế trong lĩnh vực công nghệ hạt nhân.

Dù còn nhiều thử thách, triển vọng của thori là không thể phủ nhận, hứa hẹn một tương lai năng lượng sạch cho Việt Nam./.

Đón đọc: Lò phản ứng hạt nhân nhỏ cho Việt Nam và đề xuất bước khởi động triển khai Quyết định 1131/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ

ĐĂNG KHOA - PECC3

Tài liệu tham khảo:

1. International Atomic Energy Agency (IAEA) - Thorium Fuel Cycle - Potential Benefits and Challenges (IAEA-TECDOC-1450, 2005).

2. World Nuclear Association (WNA) - Thorium.

3. Oak Ridge National Laboratory (ORNL) - Molten Salt Reactor Experiment (MSRE).

4. China National Nuclear Corporation (CNNC) - Progress on Thorium-based Molten Salt Reactor.

5. Russian Nuclear Program - BN-800 Fast Breeder Reactor (Rosatom, 2016-2023).

6. French Nuclear Energy Agency (CEA) - Superphénix: A Historical Perspective (1997).

7. Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam (VINATOM) - Nghiên cứu tiềm năng thorium trong các mỏ đất hiếm Việt Nam.

8. Scientific American - Thorium Reactors: Nuclear Redemption or Nuclear Hazard?

9. MIT Energy Initiative - The Future of Nuclear Energy in a Carbon-Constrained World (2018).