Lò muối nóng chảy (MSR) - Hiện trạng công nghệ, các thiết kế chính, vai trò IAEA, gợi ý cho Việt Nam

Điện hạt nhân Việt Nam - Từ chuyện hôm qua, đến mùa Xuân hy vọng Mỗi độ Tết đến, Xuân về, người ta thường nói chuyện mở hàng, chuyện gieo quẻ đầu năm, chuyện nhìn lại năm cũ để mong một năm mới hanh thông hơn. Với ngành năng lượng - một lĩnh vực vốn quen với những con số khô khan và biểu đồ kỹ thuật - thì mùa Xuân lại là dịp hiếm hoi để nói những câu chuyện dài hơi hơn, nhẹ nhàng hơn, nhưng không kém phần quan trọng. Điện hạt nhân ở Việt Nam cũng vậy: Đây không chỉ là câu chuyện của công nghệ, của lò phản ứng, hay kilowatt-giờ, mà là câu chuyện của tầm nhìn, của niềm tin và của sự chuẩn bị cho tương lai.

Sự quan tâm ngày càng gia tăng đối với lò phản ứng muối nóng chảy (Molten Salt Reactors - MSR) không chỉ xuất phát từ đặc tính công nghệ mới mẻ, mà còn từ nhu cầu cấp thiết về các nguồn năng lượng ít carbon, an toàn hơn và linh hoạt hơn trong bối cảnh chuyển dịch năng lượng toàn cầu. MSR được kỳ vọng có thể cung cấp điện năng hiệu quả; đồng thời tạo ra nhiệt độ cao phục vụ nhiều ứng dụng công nghiệp quan trọng.

Trong bối cảnh Việt Nam đang nghiên cứu các định hướng tái khởi động chương trình điện hạt nhân và tìm kiếm các công nghệ phù hợp cho giai đoạn phát triển dài hạn, việc tiếp cận, đánh giá, hiểu đúng bản chất của các công nghệ lò phản ứng tiên tiến như MSR có ý nghĩa quan trọng không chỉ về mặt kỹ thuật, mà còn về hoạch định chính sách và đào tạo nguồn nhân lực.

I. Hai thiết kế chính và ưu điểm của lò phản ứng muối nóng chảy:

1. Hai thiết kế chính:

Lò phản ứng muối nóng chảy là lò phản ứng phân hạch hạt nhân, trong đó nhiên liệu và/hoặc chất làm mát ở dạng muối nóng chảy. Muối nóng chảy là các hợp chất ion có nhiệt độ nóng chảy cao, có khả năng tích trữ và truyền tải lượng nhiệt lớn ở áp suất khí quyển.

Hiện nay, các khái niệm MSR được phát triển dựa trên hai thiết kế cơ bản. Thiết kế thứ nhất sử dụng nhiên liệu rắn truyền thống, trong đó muối nóng chảy đóng vai trò là chất làm mát thay thế nước. Thiết kế này kế thừa nhiều kinh nghiệm từ các lò phản ứng hiện hữu; đồng thời cho phép vận hành ở nhiệt độ cao hơn và áp suất thấp hơn.

Thiết kế thứ hai - MSR nhiên liệu lỏng - hòa tan vật liệu phân hạch như urani, hoặc thori trực tiếp vào muối nóng chảy. Trong cấu hình này, nhiên liệu đồng thời là môi chất tải nhiệt, cho phép loại bỏ nhiều giới hạn của nhiên liệu rắn, đạt độ cháy cao hơn và giảm lượng nhiên liệu đã qua sử dụng.

Ưu điểm nổi bật của MSR bao gồm hiệu suất nhiệt cao, an toàn thụ động, khả năng giảm phát thải khí nhà kính và tính linh hoạt về chu trình nhiên liệu. Đặc biệt, khả năng cung cấp nhiệt độ cao mở ra triển vọng khử carbon cho các ngành công nghiệp khó giảm phát thải như sản xuất hydro, thép và hóa chất.

Bên cạnh đó, cấu hình muối nóng chảy còn cho phép thiết kế lò phản ứng theo hướng mô-đun hóa, thuận lợi cho chế tạo hàng loạt, vận chuyển và lắp đặt tại hiện trường, từ đó góp phần kiểm soát chi phí đầu tư và tiến độ xây dựng - những vấn đề từng gây khó khăn cho các dự án điện hạt nhân truyền thống.

2. Giúp khử carbon trong ngành công nghiệp hướng tới mục tiêu phát thải ròng bằng không:

Phần lớn các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới hiện nay sử dụng lò phản ứng nước áp lực (PWR). Trong các lò phản ứng này, nước được sử dụng làm chất làm mát và được bơm dưới áp suất cao vào lõi lò phản ứng. Tại đó, nước được làm nóng bởi năng lượng giải phóng từ sự phân hạch hạt nhân và được giải phóng dưới dạng hơi nước, làm quay tua bin để sản xuất điện.

Tuy nhiên, nếu sử dụng muối làm chất làm mát chính thay vì nước, nó có thể hấp thụ một lượng nhiệt khổng lồ ở áp suất khí quyển, cho phép các lò phản ứng sử dụng công nghệ này hoạt động ở nhiệt độ rất cao. Điều này có thể cho phép sản xuất nhiệt chất lượng cao, mở ra khả năng khử carbon trong các quy trình công nghiệp như sản xuất hydro cho thép xanh mà không cần thải ra lượng lớn khí nhà kính (GHG) hiện đang được phát thải khi sản xuất hydro bằng nhiên liệu hóa thạch.

3. Giảm thiểu chất thải hạt nhân mức cao và tùy chọn chu trình nhiên liệu bền vững:

MSR sử dụng công nghệ nhiên liệu lỏng, có giới hạn cháy cao hơn trong nhiên liệu được sử dụng để vận hành, dẫn đến lượng chất thải ít hơn, đặc biệt là ít hơn chất thải hoạt độ cao - loại chất thải tồn tại hàng trăm năm (gọi là chất thải mức cao). Do thiết kế không yêu cầu nhiên liệu rắn, thiết kế MSR giảm bớt yêu cầu đối với xây dựng và sau đó là việc xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng.

Urani, plutoni và thori đều có thể hòa tan trong các thành phần muối thích hợp - có nghĩa là MSR có khả năng thích ứng với nhiều chu trình nhiên liệu hạt nhân khác nhau (như chu trình urani-plutoni và thori-urani), cho phép mở rộng nguồn nhiên liệu, các chu trình nhiên liệu bền vững hơn. Việc sử dụng hiệu quả plutoni và các actini nhỏ trong MSR còn mở ra khả năng “đốt”, hoặc tái sinh chất thải hạt nhân tồn đọng từ các lò phản ứng nước nhẹ, qua đó giảm gánh nặng lưu giữ chất thải dài hạn và nâng cao tính bền vững của hệ thống năng lượng hạt nhân.

Nhiệt độ cao do MSR tạo ra sau đó có thể được sử dụng để phát điện và cho các ứng dụng nhiệt độ cao khác trong quy trình sản xuất.

Ngoài ra, thori dồi dào gấp ba lần urani và dễ khai thác hơn.

4. Các tính năng an toàn thụ động:

MSR nói chung có các tính năng an toàn thụ động - các yếu tố thiết kế tăng cường an toàn thông qua các nguyên lý vật lý tự nhiên mà không cần sự can thiệp của con người. Khi nhiệt độ tăng, muối nóng chảy giãn nở làm giảm mật độ nơtron và tự động làm giảm công suất phản ứng. Một số thiết kế MSR còn sử dụng cơ chế “nút đông muối”. Trong trường hợp quá nhiệt, hoặc mất nguồn điện, nút này sẽ tan chảy, cho phép muối nhiên liệu chảy xuống các bể chứa an toàn dưới lõi lò - nơi hình học được thiết kế để phản ứng phân hạch tự dừng lại hoàn toàn.

II. Hiện trạng công nghệ lò phản ứng muối nóng chảy:

Theo đánh giá tổng hợp của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) trong ấn phẩm “Status of Molten Salt Reactor Technology” (TRS-489, 2023), công nghệ MSR hiện đang ở giai đoạn phát triển tích cực, nhưng chưa đạt đến mức độ sẵn sàng để triển khai thương mại trên quy mô lớn. Các hoạt động nghiên cứu, phát triển và trình diễn MSR trên thế giới hiện nay trải dài từ nghiên cứu cơ bản, thử nghiệm vật liệu và hóa học muối, xây dựng các vòng thử nghiệm muối nóng chảy, cho tới các dự án trình diễn công nghệ và chuẩn bị cấp phép. Điều này phản ánh rõ đặc điểm của một công nghệ lò phản ứng tiên tiến đang trong quá trình hoàn thiện; đồng thời cũng cho thấy tiềm năng dài hạn của MSR trong hệ thống năng lượng ít carbon.

1. Mức độ sẵn sàng công nghệ (Technology Readiness Level - TRL):

Phần lớn các thiết kế MSR hiện nay đang ở mức TRL từ 3 đến 6, tùy thuộc vào cấu hình và mức độ kế thừa từ các công nghệ lò phản ứng đã được chứng minh trước đó. Các MSR sử dụng nhiên liệu rắn truyền thống và muối nóng chảy làm chất làm mát thường có mức độ sẵn sàng công nghệ cao hơn, do tận dụng được kinh nghiệm thiết kế, vận hành, phân tích an toàn của các lò phản ứng nước nhẹ và lò phản ứng nhiệt độ cao. Trong khi đó, các MSR nhiên liệu lỏng (dù được đánh giá có tiềm năng vượt trội về an toàn nội tại), hiệu quả sử dụng nhiên liệu và khả năng quản lý chất thải - vẫn đang ở giai đoạn phát triển sớm hơn, do phải giải quyết đồng thời nhiều vấn đề phức tạp về hóa học muối, xử lý nhiên liệu trực tuyến, kiểm soát vật liệu phóng xạ trong môi trường vận hành.

Những kết quả thử nghiệm lịch sử tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (Mỹ) trong thập niên 1960, đặc biệt là chương trình Molten Salt Reactor Experiment (MSRE), cho đến nay vẫn là nền tảng thực nghiệm quan trọng nhất đối với MSR nhiên liệu lỏng. Tuy nhiên, việc gián đoạn nghiên cứu trong thời gian dài đã tạo ra khoảng trống về dữ liệu thực nghiệm quy mô lớn, đòi hỏi các chương trình nghiên cứu phát triển (R&D) hiện nay phải đầu tư đáng kể để tái xây dựng năng lực thử nghiệm và xác nhận công nghệ.

2. Hiện trạng nghiên cứu vật liệu và hóa học muối:

Một trong những thách thức kỹ thuật then chốt của MSR là bảo đảm tính tương thích lâu dài giữa vật liệu kết cấu và muối nóng chảy ở nhiệt độ cao, trong điều kiện bức xạ nơtron và môi trường hóa học khắc nghiệt. Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào phát triển và đánh giá các hợp kim nền niken, vật liệu phủ bảo vệ bề mặt, cũng như các giải pháp kiểm soát ăn mòn do muối fluorua, hoặc clorua gây ra.

Đối với MSR nhiên liệu lỏng, hóa học muối đóng vai trò đặc biệt quan trọng trong việc duy trì tính ổn định của nhiên liệu, kiểm soát trạng thái oxy hóa - khử, hạn chế sự kết tủa của các sản phẩm phân hạch và bảo đảm khả năng giữ lại các chất phóng xạ trong muối. Việc hiểu rõ sự thay đổi thành phần hóa học của muối theo độ cháy nhiên liệu và trong các điều kiện bất thường được coi là điều kiện tiên quyết để chứng minh an toàn và độ tin cậy của công nghệ này.

3. An toàn hạt nhân và phân tích tai nạn:

MSR có nhiều đặc tính an toàn nội tại và an toàn thụ động, xuất phát từ các quy luật vật lý tự nhiên như giãn nở nhiệt của muối, hệ số phản ứng âm và khả năng thoát nhiên liệu thụ động. Tuy nhiên, các phương pháp phân tích an toàn truyền thống được xây dựng cho lò phản ứng nước nhẹ không thể áp dụng trực tiếp cho MSR. Hiện trạng nghiên cứu an toàn MSR đang tập trung vào phát triển các mô hình tích hợp mô tả đồng thời hành vi nơtron, thủy nhiệt, động lực học, hóa học muối và vận chuyển chất phóng xạ.

Các kịch bản tai nạn đặc thù của MSR, như rò rỉ muối nhiên liệu, mất dòng chảy cưỡng bức, thay đổi thành phần muối, hoặc sự cố tại hệ thống trao đổi nhiệt, đang được nghiên cứu thông qua mô phỏng và các thí nghiệm quy mô nhỏ. Tuy nhiên, số lượng thí nghiệm xác nhận phục vụ cho phân tích an toàn MSR hiện vẫn còn hạn chế, và cần được mở rộng đáng kể trong thời gian tới.

4. Khung pháp quy và cấp phép:

Một đặc điểm nổi bật trong hiện trạng phát triển MSR là sự thiếu vắng một khung tiêu chuẩn và yêu cầu pháp quy hoàn chỉnh dành riêng cho loại hình lò phản ứng này. Các cơ quan pháp quy hạt nhân quốc gia hiện chủ yếu dựa vào các khung pháp quy được xây dựng cho lò phản ứng nước nhẹ, trong khi MSR - đặc biệt là MSR nhiên liệu lỏng - đặt ra nhiều vấn đề mới liên quan đến định nghĩa nhiên liệu, ranh giới hệ thống, quản lý chất thải và phân chia trách nhiệm an toàn.

Do đó, cần thúc đẩy đối thoại sớm và liên tục giữa các nhà thiết kế, tổ chức nghiên cứu và cơ quan pháp quy, nhằm từng bước xây dựng cơ sở pháp lý, hướng dẫn an toàn, cũng như phương pháp cấp phép phù hợp cho MSR. Một số quốc gia đã bắt đầu áp dụng cách tiếp cận này thông qua các chương trình đánh giá thiết kế trước cấp phép, qua đó tích lũy kinh nghiệm thực tiễn cho cả phía quản lý và phía phát triển công nghệ.

5. Đánh giá tổng thể về hiện trạng công nghệ:

Tổng hợp các phân tích của IAEA cho thấy công nghệ lò phản ứng muối nóng chảy hiện đang ở giai đoạn chuyển tiếp quan trọng, từ nghiên cứu khái niệm sang trình diễn công nghệ và chuẩn bị cho thương mại hóa trong trung và dài hạn. Mặc dù còn tồn tại nhiều thách thức về kỹ thuật, an toàn và pháp quy, xu hướng gia tăng đầu tư R&D, số lượng dự án quốc gia và quốc tế, cùng với sự quan tâm ngày càng lớn đến các giải pháp năng lượng ít carbon, cho thấy MSR đang dần trở thành một trong những hướng công nghệ lò phản ứng tiên tiến có tiềm năng chiến lược trong thế kỷ XXI.

III. Các thiết kế MSR đang tiến gần đến việc triển khai thương mại:

Trên thế giới, nhiều thiết kế MSR đang được phát triển và dần tiến tới các bước trình diễn công nghệ và cấp phép. Mặc dù phần lớn vẫn dựa trên các nguyên lý từ các nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge trong thập niên 1960, các thiết kế hiện đại đã tích hợp nhiều cải tiến đáng kể về vật liệu, an toàn và khả năng chế tạo mô-đun.

Một số quốc gia như Canada, Mỹ, Trung Quốc và Nga đang triển khai các chương trình MSR ở các mức độ khác nhau. Đáng chú ý, tại Canada, một thiết kế MSR mô-đun nhỏ đã hoàn thành đánh giá thiết kế trước cấp phép vào năm 2023 - đánh dấu cột mốc quan trọng trong quá trình hiện thực hóa công nghệ này. Theo trang tin World Nuclear News (WNN), Viện Vật lý Ứng dụng Thượng Hải (thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc) thông báo ngày 1/11/2025: “Lò phản ứng muối nóng chảy chạy bằng thori TMSR-LF1 thử nghiệm tại tỉnh Cam Túc, đã đạt được bước chuyển đổi thành công đầu tiên nhiên liệu hạt nhân thori-urani”.

Hình ảnh (từ vệ tinh) lò phản ứng muối nóng chảy chạy bằng thori TMSR-LF1, công suất 2 megawatt, do Viện Vật lý Ứng dụng Thượng Hải (thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc) chế tạo được thử nghiệm tại sa mạc Gobi, tỉnh Cam Túc, Trung Quốc.

Các thiết kế mô-đun nhỏ (SMR) dựa trên MSR được kỳ vọng sẽ giảm chi phí đầu tư ban đầu, rút ngắn thời gian xây dựng và tăng tính linh hoạt trong triển khai. Tuy nhiên, các thách thức về tiêu chuẩn an toàn, chuỗi cung ứng, phân tích tai nạn và xác nhận thực nghiệm vẫn cần được giải quyết trước khi thương mại hóa rộng rãi.

IV. Vai trò của IAEA trong hỗ trợ phát triển và triển khai MSR:

IAEA hỗ trợ phát triển và triển khai MSR thông qua một loạt các sáng kiến, bao gồm các cuộc họp kỹ thuật và hội thảo:

1. Năm 2023, IAEA và Cơ quan Năng lượng hạt nhân của Tổ chức Hợp tác và Phát triển kinh tế (OECD-NEA) đã đồng tổ chức hội thảo quốc tế về “Hóa học chu trình nhiên liệu cho công nghệ lò phản ứng muối nóng chảy” tại Viên và công bố “Báo cáo tình trạng công nghệ lò phản ứng muối nóng chảy”.

2. Năm 2025, IAEA tổ chức cuộc họp kỹ thuật về vật lý lò phản ứng, thủy lực nhiệt và thiết kế nhà máy lò phản ứng muối nóng chảy tại trụ sở IAEA, Viên, Áo, ngày 22-25/4/2025.

3. Sáng kiến ​​Hài hòa và tiêu chuẩn hóa hạt nhân (NHSI) của IAEA, được thành lập năm 2022, đang xem xét cách đẩy nhanh việc triển khai các lò phản ứng tiên tiến, bao gồm cả MSR, thông qua các phương pháp quản lý hài hòa và tiêu chuẩn hóa công nghiệp.

4. IAEA xuất bản các ấn phẩm về tình trạng công nghệ MSR.

5. IAEA cũng duy trì Hệ thống thông tin về lò phản ứng tiên tiến (ARIS) - một nền tảng web tổng hợp thông tin, bao gồm dữ liệu kỹ thuật và các đặc điểm khác về tất cả các lò phản ứng tiên tiến hiện đang được phát triển.

V. Kết luận và kiến nghị:

Lò phản ứng muối nóng chảy đại diện cho một trong những hướng phát triển quan trọng của công nghệ lò phản ứng hạt nhân thế hệ tiếp theo. Với khả năng vận hành ở nhiệt độ cao, áp suất thấp, tính an toàn thụ động và tiềm năng hỗ trợ khử carbon cho nhiều lĩnh vực công nghiệp, MSR được cộng đồng quốc tế đặc biệt quan tâm.

Mặc dù còn nhiều thách thức về kỹ thuật, an toàn và pháp quy, các tiến bộ nghiên cứu trong những năm gần đây cùng với sự hỗ trợ của IAEA cho thấy MSR đang từng bước tiến gần hơn đến giai đoạn trình diễn và thương mại hóa.

Đối với Việt Nam, việc theo dõi sát sao sự phát triển của công nghệ MSR, tham gia các hoạt động hợp tác quốc tế của IAEA, từng bước xây dựng năng lực đánh giá an toàn, pháp quy và nguồn nhân lực là cần thiết, nhằm chuẩn bị cho các lựa chọn năng lượng bền vững trong tương lai. Đồng thời, công nghệ MSR cho phép nghiên cứu sử dụng thori trong thành phần nhiên liệu, hỗ trợ chủ trương bảo đảm an ninh nhiên liệu cho chương trình điện hạt nhân dài hạn của Việt Nam./.

HỘI ĐỒNG KHOA HỌC TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM