Kế hoạch giảm lệ thuộc nước ngoài về nhiên liệu hạt nhân của Hoa Kỳ

Việt Nam cần làm gì để bảo đảm an toàn cho nhà máy điện hạt nhân đầu tiên? Phân tích đa chiều dưới đây của chuyên gia pháp quy hạt nhân [*] viết cho Tạp chí Năng lượng Việt Nam đề cập đến “an toàn của nhà máy điện hạt nhân”, và trả lời cho câu hỏi: Việt Nam cần làm gì để bảo đảm an toàn cho nhà máy điện hạt nhân đầu tiên? Rất mong nhận được sự chia sẻ của cơ quan quản lý nhà nước, cơ quan chủ trì dự án Luật Năng lượng Nguyên tử (sửa đổi), chủ đầu tư, chuyên gia và bạn đọc.

Hợp tác năng lượng và tầm nhìn điện hạt nhân trong quan hệ đối tác toàn diện Việt Nam - Hungary Nhân kỷ niệm 75 năm thiết lập quan hệ ngoại giao (1950-2025), Việt Nam - Hungary đang mở rộng hợp tác trong lĩnh vực năng lượng, với trọng tâm là năng lượng tái tạo và điện hạt nhân, phù hợp với mục tiêu phát triển bền vững, giảm phát thải mà cả hai nước đã cam kế trước cộng đồng quốc tế. Đề cập tới nội dung này, Tạp chí Năng lượng Việt Nam giới thiệu bài viết của Lưu Hải Nam - Khoa Quan hệ Quốc tế (Đại học Pázmány Péte, Hungary) dưới đây để bạn đọc cùng tham khảo.

Các bộ liên quan đang xem xét giải pháp (ban đầu) cho dự án điện hạt nhân Ninh Thuận 1 và 2 Thực hiện ý kiến chỉ đạo của Phó Thủ tướng Chính phủ Bùi Thanh Sơn, Văn phòng Chính phủ vừa có Văn bản gửi các bộ liên quan - theo chức năng, nhiệm vụ được giao, nghiên cứu và có ý kiến về báo cáo kiến nghị của Tạp chí Năng lượng Việt Nam về thúc đẩy tiến độ, đảm bảo hiệu quả đầu tư dự án điện hạt nhân Ninh Thuận 1, Ninh Thuận 2, gửi Bộ Công Thương tổng hợp. Được biết, hiện các bộ: Công Thương, Tài chính, Khoa học và Công nghệ, Nông nghiệp và Môi trường... đang nghiên cứu, tổng hợp về nội dung liên quan để báo cáo Thủ tướng Chính phủ.

Về nguồn uranium làm giàu trên thế giới hiện nay:

Theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới (WNA): Uranium tìm thấy trong tự nhiên chủ yếu gồm hai đồng vị là U-235 (0,7%), còn lại là U-238. Quá trình sản xuất năng lượng trong lò phản ứng hạt nhân là ‘phân hạch’, hoặc phân rã các nguyên tử đồng vị U-235, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt. Chiết tách đồng vị là một quá trình vật lý để cô đặc, hay làm giàu một đồng vị so với các đồng vị khác. Hầu hết các lò phản ứng đều là lò phản ứng nước nhẹ (có hai loại là PWR và BWR), yêu cầu uranium phải được làm giàu từ 0,7% ban đầu đến 3-5% U-235 trong nhiên liệu. Đây là uranium làm giàu thấp thông thường (LEU). Có quan điểm ủng hộ làm giàu lên khoảng 7%, thậm chí gần 20% đối với một số nhiên liệu lò phản ứng điện đặc biệt, như LEU có hàm lượng trung bình (HALEU).

Làm giàu uranium là một hoạt động nhạy cảm về mặt chiến lược và đòi hỏi nhiều vốn, nên tạo ra những rào cản đáng kể đối với bất kỳ nhà cung cấp mới nào. Do đó, có tương đối ít nhà cung cấp làm giàu thương mại vận hành trên toàn thế giới hiện nay.

Theo WNA: Thế giới hiện có 3 nhà sản xuất lớn là Orano, Rosatom và Urenco. Các nhà máy làm giàu thương mại lớn tập trung tại Nga, Pháp, Đức, Hà Lan, Anh và Hoa Kỳ. CNNC là một nhà cung cấp uranium làm giàu lớn nhất trong nước của Trung Quốc, hãng này đang nuôi hy vọng xuất khẩu.

Riêng Nga kiểm soát khoảng 44% công suất làm giàu uranium của thế giới.

Hoa Kỳ làm gì để lấp khoảng trống thiếu hụt uranium làm giàu?

Mùa Xuân 2024, Chính phủ Hoa Kỳ tuyên bố sẽ cấm nhập khẩu một số thành phần quan trọng cho năng lượng, trong đó có uranium làm giàu. Nếu không đủ nguồn cung, Hoa Kỳ không thể hiện thực hóa hệ thống điện trên nền năng lượng sạch.

Để đảm bảo tương lai nguồn năng lượng sạch, Hoa Kỳ cần ứng dụng một thế hệ lò phản ứng mới trên quy mô lớn - đó có thể là lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR). Mỗi tổ máy SMR sẽ sản xuất đủ năng lượng sạch để cung cấp điện cho khoảng 650 ngôi nhà ngay cả ở những nơi xa xôi nhất. Nhưng do SMR dùng nhiên liệu giàu hơn nhiều so với lò phản ứng truyền thống, uranium làm giàu thấp có hàm lượng trung bình (HALEU), nên Hoa Kỳ không còn lựa chọn nào khác ngoài việc phải ‘định hình’ lại cách thức thu thập và xử lý uranium.

Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) ước tính: Nhu cầu về HALEU có thể lên tới 50 tấn mỗi năm (kể từ năm 2035 trở đi). Mặc dù chưa có lò phản ứng nào sử dụng HALEU làm nhiên liệu, nhưng có thể các lò SMR giai đoạn trình diễn đang được phát triển sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc chứng minh công nghệ này là khả thi.

Mặc dù bầu không khí chính trị trong tương lai giữa Hoa Kỳ và Nga vẫn chưa chắc chắn, nhưng lịch sử cho thấy, quốc gia này nên củng cố nguồn cung nhiên liệu hạt nhân ngay trong nước. Trên thực tế, theo Ken Petersen - cựu Chủ tịch của Hiệp hội Hạt nhân Hoa Kỳ: Lệnh hạn chế nhập khẩu uranium làm giàu của Hoa Kỳ từ Nga đã có từ những năm 1990. Nếu Hoa Kỳ cung cấp năng lượng cho các lò phản ứng mô-đun nhỏ thế hệ tiếp theo thì phải tìm ra cách sản xuất uranium làm giàu một cách đáng tin cậy mà không cần Nga. Và các nhà lập pháp đã đưa ra một kế hoạch ngắn hạn phi truyền thống - đó là dùng uranium từ các đầu đạn hạt nhân cũ.

Lý do DOE lựa chọn lò phản ứng mô-đun nhỏ:

Các lò phản ứng hạt nhân trải dài từ thế hệ 1 (từ những năm 1950 và 1960) đến thế hệ 4 (như hiện nay) - đó là các lò phản ứng SMR HALEU tiên tiến đang được phát triển. Cả hiệu suất đốt nhiên liệu và mức độ an toàn đều được cải thiện qua từng thế hệ. Theo thống kê của Văn phòng Năng lượng Hạt nhân thuộc DOE: Hiện Hoa Kỳ có 94 lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ 2 và thứ 3 hoạt động an toàn và hiệu quả.

Các lò phản ứng mô-đun nhỏ là một sự thay thế hấp dẫn, vì chúng có chi phí trả trước thấp hơn và có thể được xây dựng ở nhiều quy mô khác nhau. Chúng cũng có kích thước tương tự như các nhà máy nhiệt điện than, vì vậy khi các nhà máy hiện tại ngừng hoạt động, các SMR có thể thay thế, lắp đặt tại chỗ, tận dụng địa điểm hiện có.

Các tập đoàn lớn tại Hoa Kỳ hiện đang ủng hộ các dự án SMR. Là một phần của thỏa thuận trị giá 500 triệu USD, Amazon đang hợp tác với X-energy có trụ sở tại Rockville, Maryland để tài trợ cho lò phản ứng đầu tiên của mình tại Texas. Mục tiêu là đưa hơn 5 GW các dự án điện vào hoạt động vào năm 2039. Google cũng đã công bố đang hợp tác với Kairos Power có trụ sở tại California để triển khai nhiều lò phản ứng lên đến 500 MW, vào năm 2035.

Hiện có hai loại lò phản ứng mô-đun nhỏ khác nhau đang được phát triển (lò phản ứng SMR nước thế hệ 3+ và lò SMR tiên tiến thế hệ 4). Lò phản ứng SMR thế hệ 4 an toàn hơn và rẻ hơn. Nếu lò phản ứng quá nóng, nó sẽ tự tắt. Lò phản ứng SMR thế hệ 4 cũng có thể đạt nhiệt độ cao hơn nhiều so với các lò phản ứng hạt nhân và lò SMR hiện tại, tạo ra hiệu quả trong việc chuyển đổi điện, cho phép phát triển các lò phản ứng nhỏ hơn - loại lò phản ứng cần nhiên liệu uranium làm giàu cao hơn.

Làm giàu là một quá trình lý - hóa học tạo ra hàm lượng đồng vị uranium-235 cao hơn trên một đơn vị nhiên liệu và thường được thực hiện bằng máy ly tâm khí, tách các đồng vị. Có nhiều cấp uranium khác nhau tùy thuộc vào mức độ làm giàu, hoặc nồng độ của uranium-235:

- Urani làm giàu thấp có độ làm giàu dưới 20% và được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân hiện tại của Hoa Kỳ.

- Làm giàu cao được cô đặc đến hơn 20% uranium-235, được sử dụng cho vũ khí hạt nhân và các ứng dụng quân sự khác.

- Uranium làm giàu trung bình được cô đặc đến giữa 5 và 19,75% U-235, được sử dụng trong thế hệ lò phản ứng hạt nhân tiếp theo - nó được coi là tương lai của năng lượng hạt nhân Hoa Kỳ.

“Quy trình làm giàu này là cách duy nhất bạn có thể tạo ra đủ vật liệu để ngành công nghiệp [hạt nhân] của Hoa Kỳ thành công trong tương lai” - Jeff Chamberlin - Phó giám đốc phụ trách Cục An ninh Hạt nhân Quốc gia cho hay.

Giải pháp tình thế tạo nguồn HALEU tại chỗ của Hoa Kỳ:

Do không có nguồn cung cấp sản xuất HALEU trong nước, nên Cục An ninh Hạt nhân Quốc gia Hoa Kỳ (NNSA) đã học Nga lấy uranium từ các đầu đạn đã ngừng hoạt động và dùng uranium phế thải từ các dự án hạt nhân cũ để phát triển nhiên liệu hạt nhân làm giàu trung bình cho các lò phản ứng mô-đun nhỏ. Đây là một giải pháp không chính thống diễn ra thông qua quá trình hòa loãng (Downbleding).

Downbleding là một quá trình pha loãng đưa uranium làm giàu cao ở nồng độ trên 20% và pha trộn với uranium nghèo để hạ mức độ làm giàu của urani xuống mức từ 5 đến 19,75% - mức an toàn để sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân cho lò SMR. Mức độ làm giàu càng cao thì hiệu quả năng lượng càng lớn. Ở mức độ làm giàu 20% để đạt đến cấp độ vũ khí - uranium sẽ thuộc loại HEU (Uranium làm giàu cao), do đó ngưỡng HALEU sẽ giảm xuống một chút. Hai mươi phần trăm là ngưỡng để sử dụng uranium trong các ứng dụng dân sự và quân sự.

Theo NNSA: Phương pháp downbleding không phải là mới, nhưng hiện là cần thiết. Vật liệu được để riêng và tuyên bố là dư thừa đối với quốc phòng có từ thời Chiến tranh Lạnh nay được dùng làm nguồn cung cấp cho các lò phản ứng nghiên cứu và sản xuất đồng vị y tế. Tuy nhiên, bản chất nhạy cảm của việc xử lý uranium từ đầu đạn (có nghĩa là quá trình này chỉ được thực hiện bởi các cơ quan của chính phủ, như DOE và NNSA).

Sử dụng quy trình này, NNSA có thể tạo ra 1,5 tấn HALEU từ quá trình pha trộn đầu đạn và khoảng 6 tấn (nếu bao gồm cả uranium phế liệu). Con số này không phải là sản lượng ước tính hàng năm, mà là tổng số chung và khi phế liệu, đầu đạn cũ không còn nữa, thì nguồn cung cũng sẽ hết. Đợt sản xuất HALEU hạn chế này sẽ được cung cấp cho các cuộc trình diễn lò phản ứng tiên tiến, nhưng một quy trình làm giàu quy mô lớn hơn sẽ là điều bắt buộc trong tương lai.

Triển vọng nguồn HALEU dài hạn:

Để tạo ra HALEU, DOE đang nghiên cứu giải pháp tùy chọn, tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng từ các lò phản ứng nghiên cứu do chính phủ sở hữu bằng hai quy trình hóa học khác nhau.

Phương pháp đầu tiên là xử lý điện hóa. Nhiên liệu đã qua sử dụng được đặt trong bồn hóa chất muối nóng chảy ở nhiệt độ cao và dòng điện sẽ tách kim loại uranium làm giàu cao, sau đó có thể được làm sạch và trộn với uranium làm giàu thấp. Theo DOE, có thể tạo ra tổng cộng khoảng 10 tấn HALEU bằng phương pháp nói trên.

Phương pháp thứ hai (vẫn đang được phát triển) là quy trình chiết xuất zirconium lai hòa tan nhiên liệu đã chiếu xạ trong khí axit clohydric để loại bỏ vật liệu bọc nhôm/zirconium - lớp vỏ kim loại bảo vệ thanh nhiên liệu hạt nhân khỏi bị ăn mòn và ngăn chặn việc giải phóng các sản phẩm phân hạch vào chất làm mát. Sau đó, uranium được pha trộn với uranium làm giàu thấp và đưa qua hệ thống chiết xuất dung môi mô-đun để tách uranium.

Terrapower, Westinghouse, Radiant và X-energy - các công ty đều hợp tác với Dow Chemical để xây dựng lò phản ứng khí nhiệt độ cao dựa trên HALEU tại Texas - là một số công ty đầu tiên lên kế hoạch pha trộn HALEU. Goff cho biết: “Một vài tấn vật liệu đã được xác định để hỗ trợ các thử nghiệm ban đầu và lõi đầu tiên, nhưng đối với lõi thứ hai, chúng tôi cần công suất thương mại mới để có thể cung cấp đủ HALEU cho các lò phản ứng thế hệ 4”.

Cả Petersen và Goff đều tuyên bố rằng: Nhiều lò phản ứng tiên tiến đã ở giai đoạn con gà và quả trứng trong một thời gian, khi không công ty nào muốn phát triển thêm lò phản ứng của mình trước khi có nhiên liệu và không ai muốn phát triển nhiên liệu mà không có lò phản ứng. Petersen cho biết: “Chính phủ đã vào cuộc để thu hẹp khoảng cách đó”. Sẽ có sự phụ thuộc ngắn hạn vào việc pha trộn nhiên liệu ở Hoa Kỳ, nhưng đây không phải là giải pháp bền vững lâu dài.

DOE đang tài trợ cho 4 công ty để giúp dẫn đầu năng lực làm giàu HALEU quy mô lớn. DOE cũng đồng thời xây dựng một cơ sở làm giàu ở Piketon, Ohio, với Centrus Energy, hiện đang sản xuất 100 kg HALEU mỗi năm. Sản lượng dự kiến ​​sẽ tăng lên 900 kg trong những năm tới.

Goff tin rằng: Các lò phản ứng khác nhau (như thế hệ 2 hiện nay, SMR nước thế hệ 3+ và SMR tiên tiến thế hệ 4) sẽ rất cần để đáp ứng nhu cầu năng lượng hạt nhân trong tương lai của Hoa Kỳ, nhằm mục tiêu tăng gấp ba lần công suất hạt nhân từ 100 GW lên 300 GW. Do đó, việc tăng cả công suất uranium làm giàu thấp và uranium làm giàu trung bình sẽ rất quan trọng.

Hầu hết uranium làm giàu thấp được sử dụng hiện nay tại Hoa Kỳ đều được sản xuất trong nước, và với các lò phản ứng tiên tiến mới được thiết lập để thay đổi bối cảnh năng lượng của mình, hy vọng quốc gia này cũng có thể củng cố năng lực làm giàu HALEU. Đây sẽ là một quá trình dài và mất nhiều thời gian, nhưng nó sẽ cho phép Hoa Kỳ xây dựng một chuỗi cung ứng mạnh mẽ, độc lập hơn mà không bị ảnh hưởng bởi các biến động địa chính trị trong những năm tới./.

BBT TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/conversion-enrichment-and-fabrication/uranium-enrichment

https://www.popularmechanics.com/science/energy/a64174823/small-modular-nuclear-reactors-uranium/