Lò phản ứng hạt nhân siêu nhỏ - Mục tiêu lớn về tương lai năng lượng sạch của Westinghouse

Tầm nhìn chính sách năng lượng Việt Nam - Tham khảo gợi ý của chuyên gia quốc tế Bài viết “Tầm nhìn chính sách năng lượng - Hướng đến một Việt Nam thịnh vượng và bền vững” được Tạp chí Năng lượng Việt Nam dẫn lại dưới đây là của nhà khoa học, nhà quản lý Eric Van Vaerenbergh [*]. Nội dung được chuyển ngữ và biên tập bởi TS. Phùng Quốc Trí - Trung tâm Nghiên cứu Hạt nhân Vương quốc Bỉ, Chủ tịch Hội trí thức Việt Nam tại Bỉ và Luxembourg. Trân trọng gửi tới bạn đọc cùng tham khảo.

Năng lượng Nhật Bản [kỳ 86]: Nhân lực điện hạt nhân của các nước đi đầu và vấn đề của Việt Nam Trong Kế hoạch năng lượng cơ bản của Nhật Bản (lần thứ 7) được xây dựng vào tháng 2 năm 2025, thay vì mục tiêu “giảm phụ thuộc vào năng lượng hạt nhân” như trước đây, định hướng “tận dụng tối đa năng lượng hạt nhân” đã được đề ra, với việc đề cập rõ ràng đến “xây dựng mới”. Theo đó, tại Hội nghị điện hạt nhân thường niên (lần thứ 58) diễn ra vào ngày 8-9/4 tại Nhật Bản, các vấn đề và ví dụ về các sáng kiến liên quan đến đào tạo nhân lực đã được chia sẻ dựa trên kinh nghiệm của châu Âu.

Lý do lò thu nhỏ ngày càng thiết thực:

Khi nhà máy điện hạt nhân đầu tiên đi vào hoạt động vào năm 1957, Hoa Kỳ bắt đầu đón nhận nguồn năng lượng hạt nhân. Tiến trình điện hạt nhân bắt đầu gặp trở ngại từ những năm 90 của thế kỷ trước - khi các vụ tai nạn ở Chernobyl và Three Mile Island xảy ra, khiến sự nhiệt tình của công chúng giảm mạnh. Trong ba thập kỷ tiếp theo, hoạt động nghiên cứu và xây dựng các lò phản ứng mới cũng bị đình trệ theo.

Tuy nhiên, trong những năm gần đây, sự quan tâm đến điện hạt nhân bắt đầu trỗi dậy - khi nhu cầu năng lượng của thế giới tăng mạnh, nhưng lại không được tăng phát thải CO2. Không giống như các nhà máy điện hạt nhân truyền thống, một số lò phản ứng ngày nay (được gọi là lò phản ứng siêu nhỏ, có kích thước thu hẹp), dự tính có thể dễ dàng lắp vừa bên trong một chiếc xe tải lớn.

Mô hình lò phản ứng thu nhỏ, hay vi mô (microreactor). Nguồn: inl.gov.

Theo giới chuyên gia: Thế hệ lò này có thể giải quyết tốt bài toán năng lượng, vì linh hoạt, cơ động và có chi phí đầu tư khá thấp. Nhiều lò phản ứng kết hợp với nhau có thể cung cấp điện cho một trường đại học, hoặc một cộng đồng ở xa xôi. Đặc biệt hơn, nó có thể được lắp đặt trên xà lan và hoạt động như nhà máy điện hạt nhân nổi, cung cấp điện đến nơi cần thiết trên biển, hoặc đại dương.

Theo TS. Jacopo Buongiorno - Khoa học hạt nhân tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT): Trong khi các nhà máy điện hạt nhân có thể tạo ra một gigawatt công suất điện, thì những người anh em nhỏ này tạo ra một lượng khiêm tốn hơn (từ 1 đến 20 megawatt) đủ để cung cấp điện cho hàng nghìn ngôi nhà. “Chúng rất nhỏ, đơn giản, với ít thép và bê tông”.

Trở ngại đối với lò phản ứng thu nhỏ:

Mức giá dễ chấp nhận khiến lò phản ứng vi mô trở thành một khoản đầu tư hấp dẫn đối với các công ty - từ các công ty khởi nghiệp của Hoa Kỳ như Radiant Nuclear và Oklo, đến những công ty khổng lồ đã thành danh với nhiều thập kỷ kinh nghiệm trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân như Westinghouse. Nhưng con đường đến với một sản phẩm thương mại khả thi rất phức tạp (bao gồm nghiên cứu, phát triển, thử nghiệm rộng rãi và phê duyệt theo quy định). “Đó là một quá trình dài và nghiêm ngặt” - TS. Jon Ball - người đứng đầu dự án nghiên cứu lò phản ứng siêu nhỏ eVinci của Westinghouse (Hoa Kỳ) cho hay.

Lò phản ứng thu nhỏ, hay vi mô (microreactor) là lò phản ứng vi kênh, là thiết bị trong đó các phản ứng hạt nhân diễn ra trong một không gian với kích thước ngang điển hình dưới 1 mm; dạng giới hạn điển hình nhất như vậy là các kênh vi mô. Lò phản ứng kiểu này được nghiên cứu trong lĩnh vực kỹ thuật quy trình vi mô, cùng với các thiết bị khác (như bộ trao đổi nhiệt vi mô) trong đó các quy trình vật lý diễn ra. Thường là lò phản ứng dòng chảy liên tục (trái ngược lò phản ứng mẻ - phải nạp nhiên liệu từng lần cho đến khi dùng hết). Nó có thể mang lại nhiều lợi thế so với lò phản ứng quy mô thông thường bao gồm: Cải thiện hiệu quả năng lượng, tốc độ phản ứng và năng suất, tính an toàn, độ tin cậy, khả năng mở rộng, sản xuất tại chỗ, cũng như mức độ kiểm soát quy trình rất tốt.

Tất cả các lò phản ứng hạt nhân đều lấy năng lượng từ phản ứng phân hạch hạt nhân, quá trình phân tách một nguyên tử (thường là Uranium-235) bằng cách bắn phá nó bằng neutron, giải phóng năng lượng và các neutron bổ sung. Một chất làm mát sẽ hút nhiệt thu được ra khỏi lõi lò phản ứng, biến nó thành hơi nước, làm quay tua bin và tạo ra điện. Để tạo ra phản ứng duy trì, chúng ta cần một vật liệu để làm chậm các neutron và tạo cơ hội cho chúng va chạm với các nguyên tử uranium khác.

Hầu hết các nhà máy điện hạt nhân ở Hoa Kỳ, được gọi là lò phản ứng nước nhẹ, đều sử dụng nước làm chất làm mát và chất làm chậm. Nhưng những thách thức trong việc thu nhỏ lò phản ứng hạt nhân xuống kích thước lò phản ứng vi mô như eVinci của Westinghouse dài 30 feet (trên 9 mét) đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu thử nghiệm các vật liệu nhiệt tình tham gia.

Ví dụ, so với các lò phản ứng lớn, việc duy trì phản ứng dây chuyền với các lò phản ứng nhỏ khó hơn, vì “tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao của chúng có rất nhiều neutron bị rò rỉ ra ngoài” - Buongiorno nói. Giải pháp là “làm cho nhiên liệu của bạn ngon hơn”, hoặc với hàm lượng Uranium-235 cao hơn, hoặc với sự tham gia hoạt động trong phản ứng phân hạch nhiều hơn. Hãy sử dụng nhiên liệu TRISO - các quả cầu Uranium-235 mật độ cao được bao bọc trong các lớp carbon và gốm. Lớp vỏ ngoài của nó không bị tan chảy trong khi kết cấu của nó giữ lại các sản phẩm phụ phân hạch phóng xạ mạnh có khả năng gây nguy hiểm.

Tương tự như vậy, nhu cầu tăng hiệu suất lò phản ứng, có các lò phản ứng hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, đã thúc đẩy các nhà nghiên cứu thay thế nước bằng chất làm mát như muối nóng chảy, kim loại lỏng - tất cả đều có điểm sôi cao hơn nước, hoặc khí heli - có khả năng làm chậm và không bị phân tách thành hydro ở nhiệt độ cao.

Lò phản ứng vi mô “được thiết kế để làm mát thụ động - nghĩa là không cần điện, không cần máy bơm” - Jess Gehin - Giám đốc phân ban thí nghiệm thuộc Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho (INL) - nơi các công ty như Westinghouse và Radiant có kế hoạch thử nghiệm lò phản ứng vi mô của họ, cho hay. Thay vào đó, chúng giảm nhiệt thông qua các cơ chế không can thiệp như dẫn nhiệt, giảm áp suất, hoặc truyền nhiệt bức xạ. Nhìn chung, khả năng rò rỉ phóng xạ là “cực thấp”.

Triển vọng lò phản ứng thu nhỏ:

Tiềm năng chưa được khai thác của năng lượng hạt nhân là rất lớn, trong khi đó nhiên liệu hóa thạch dễ bị ảnh hưởng bởi biến động của thị trường, tác động đến giá của chúng; còn năng lượng mặt trời và gió phụ thuộc vào điều kiện thời tiết. Mặt khác, năng lượng hạt nhân “không thải ra carbon, có thể hoạt động 24/7 và rất đáng tin cậy. Khi đưa vào khai thác, chúng có thể hoạt động trong 5 đến 8 năm mà không cần tiếp nhiên liệu” - TS. Jess Gehin bổ sung thêm.

Với tính tiềm năng về năng lượng lẫn môi trường, các công ty có mối quan tâm như Big Tech - nơi có các trung tâm dữ liệu và nhu cầu năng lượng rất cao rất quan tâm đến các loại lò này. Ngoài ra, các trường đại học, hay viện nghiên cứu của Hoa Kỳ cũng rất lạc quan (như ĐH Penn State và MIT đều bày tỏ muốn eVinci cung cấp năng lượng cho trường). Các lò phản ứng siêu nhỏ còn lý tưởng cho các cộng đồng xa xôi (như căn cứ quân sự, hoặc các khu khai thác mỏ - nơi dầu diesel đắt đỏ và khó kiếm). Do vận hành tự động, chỉ cần một đội ngũ từ 1-2 người để theo dõi mọi thứ, thay vì nhiều người như các nhà máy điện hạt nhân truyền thống, nên lò phản ứng thu nhỏ được xem là ứng viên sáng giá trong tương lai.

Westinghouse Electric Company LLC là một công ty điện hạt nhân của Hoa Kỳ được thành lập vào năm 1999 (từ bộ phận năng lượng hạt nhân của Westinghouse ban đầu). Hiện Westinghouse đang có kế hoạch triển khai các tổ máy thương mại đầu tiên vào năm 2030.

“Westinghouse hy vọng có thể cho ra đời các lò phản ứng vi mô giống như cách Henry Ford sản xuất ô tô trong nhà xưởng của họ. Đây là công nghệ được kỳ vọng có thể tạo ra kỷ nguyên mới - kỷ nguyên năng lượng sạch dồi dào, dễ tiếp cận, an toàn và có thể lắp đặt ở hầu hết mọi nơi (cả trên đất liền, trên biển, lẫn ngoài không gian)” - TS. Jon Ball nói cùng báo giới./.

BBT TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Link tham khảo:

https://world-nuclear.org/images/articles/REPORT-Lesson-learning-in-Nuclear-Construction.pdf

https://en.wikipedia.org/wiki/Microreactor