Thorium thay thế Uranium trong tương lai?

Năng lượng sinh khối góp phần đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia

Thorium-một kim loại phóng xạ nhẹ-xuất hiện trong đất và đá, là một chất thải trong khai thác đất hiếm từ cát monazite. Kim loại này trong tự nhiên có nhiều hơn là uranium và sản sinh nhiều  hơn là phân tách. Khi được sử dụng trong kỹ thuật hạt nhân, thorium có thể được sử dụng cùng với một nguyên liệu phân hạch như plutonium tái chế, có thể mang lại những hứa hẹn quan trọng là một nhiên liệu thay thế cho uranium trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân.

Sử dụng thorium là một nguồn nhiên liệu sơ cấp mới đã là một viễn tưởng tò mò từ nhiều năm rồi. Theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới (WNA), việc tách ra được giá trị năng lượng tiềm ẩn của thorium vẫn là vấn đề thách thức và đòi hỏi chi phí lớn, và cần phải được đầu tư đáng kể vào nghiên cứu và phát triển. Có nghĩa là ngành năng lượng có thể chuyển sang thorium là một lựa chọn khả thi, vẫn phải nghiên cứu và phát triển để nâng cấp công nghệ thorium.

Giới quan sát thị trường uranium và giới chống đối điện hạt nhân đều biết đến thorium, con kỳ lân này hiện đang trong phòng rồi nó sẽ là năng lượng sạch trong tương lai gần. Tiêu thụ năng lượng hạt nhân thế giới đang gia tăng và việc cung cấp uranium trong tương lai vẫn là điều không chắc chắn, thorium đang được coi là có thể thay thế uranium để cung cấp điện hạt nhân và an toàn với chi phí hợp lý.

Ví dụ, Ấn Độ đã quan tâm đến năng lượng hạt nhân nguồn thorium từ nhiều thập kỷ. Lò phản ứng nghiên cứu Kamini 30 kWth sử dụng U-233, thu hồi từ nhiên liệu ThO2 được chiếu xạ trong một lò phản ứng khác, khởi động trong năm 1996 gần thành phố Kalpakkam. Lò phản ứng được xây dựng gần ngay lò phản ứng thử nghiệm tái sinh nhanh 40 MWt, ThO2 được chiếu xạ trong lò phản ứng tái sinh này.

Thorium đang được nghiên cứu

Câu hỏi-thorium hoạt động như thế nào để tạo ra năng lượng đã được trả lời trong năm 2013, khi một công ty tư nhân Na Uy, Thor Energy, bắt đầu sản xuất ra điện năng tại lò phản ứng thử nghiệm Halden của Công ty ở Na Uy với thorium. “Đây là bước đi cơ bản đầu tiên trong tiến triển thorium”, Oystein Asphjell, CEO của Thor Energy, nói với hãng tin Reuters.           

Công ty hạt nhân khổng lồ Westinghouse, một đơn vị của Toshiba, là một thành viên của một tổ hợp quốc tế do Thor Energy lập ra để đầu tư và quản lý các cuộc thí nghiệm.                                      

Là một công ty đang nghiên cứu sử dụng thorium làm nhiên liệu hạt nhân, Thor Energy đã lập ra một tổ hợp quốc tế với chức năng đầu tư tài chính và quản trị các cuộc thí nghiệm thorium. Một trong những thành viên của tổ hợp là không ai khác hơn là Westinghouse, một công ty được lập ra để sản xuất năng lượng hạt nhân.

Nhưng Thor Energy không chỉ là công ty tham gia nghiên cứu xem liệu thorium có thể là nguồn quan trọng thay thế uranium trong công nghiệp năng lượng hạt nhân. Các công ty từ Mỹ, Australia và Cộng hoà Czech cũng đang thiết kế lò phản ứng thorium và nghiên cứu những khía cạnh khác nhau của công nghệ năng lượng sử dụng thorium. Tuy nhiên, Thor Energy là công ty đầu tiên bắt đầu sản xuất năng lượng bằng thorium.

Nhưng Thor Energy không chỉ là công ty duy nhất đã đi bước dài trong lĩnh vực thorium. Trong thực tế, theo Cục Địa chất Mỹ (USGS), Ấn Độ đã quan tâm đến năng lượng hạt nhân trên cơ sở thorium từ hàng thập kỷ. Các nhà phát triển hạt nhân của Ấn Độ đã thiết kế một lò phản ứng nước nặng tiên tiến, lò này sử dụng thorium là một nhiên liệu. Thiết kế lò đầu tiên 300 MWe AHWR (920 MWt, 284 MWe net) được hoàn tất đều năm 2014 ở BARC. Đây là một lò phản ứng chủ yếu sử dụng nhiên liệu là thorium nhưng lại là vạn năng xét về nhiên liệu. Dự kiến sẽ chế tạo, xây dựng lò đầu tiên này trong năm 2017 và vận hành khoáng năm 2022.

Đức vận hành lò phản ứng thử nghiệm nguyên tử Atom Versuchs Reaktor (AVR) ở Jülich trong  750 tuần lễ giữa những năm 1967 và 1988. Đây là một lò phản ứng tầng sỏi cuội nhỏ được vận hành với công suất 15 MWe, chủ yếu bằng nhiêu liệu thorium-HEU. Khoảng 1.360 kg thorium được sử dụng trong khoảng 100.000 viên sỏi cuội. Đạt được mức đốt cháy 150 GWd/t.

Cũng nên xem viễn cảnh thorium là nguồn nhiên liệu ở Trung Quốc, nước này ký một thỏa thuận pha 2 trong năm 2009 để nghiên cứu khả thi kinh tế-kỹ thuật cho việc sử dụng thorium qui mô đày tải tại một hệ thống điện lò Candu, một lò phản ứng nước nặng sử dụng nhiên liệu là thorium. Trung Quốc đặt ra mục tiêu sản xuất thorium vào năm 2020.

Tại Indonesia, Bộ trưởng Năng lượng Saleh Husin đề xuất là Indonesia theo đuổi phát triển nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiên liệu thorium để đón bắt tính ưu việt của nguyên liệu phóng xạ này ở Indonesia và đảm bảo cung cấp năng lượng cho phát triển công nghiệp. Ông Husin nói, “Thorium rất nhiều ở Bangka Belitung.” Và cho rằng một nhà máy điện hạt nhân sử dụng thorium sẽ chỉ có giá 3 cents/kWh.

Năng lượng thorium hoạt động như thế nào

Không giống như uranium, thorium không thể tách ra để tạo ra một phản ứng dây chuyền hạt nhân, nó không phân hạch. Tuy nhiên, nếu nó bị bắn phá bằng các neutron từ một nhiên liệu phân hạch, như uranium-235 hoặc plutonium-239; hạt nhân thorium hấp thụ các neutron dư thừa, các neutron được điều tiết có thể tạo ra U-233, một đồng vị phân hạch mà loại đồng vị này không tồn tại trong tự nhiên. U-233 này giải phóng đủ năng lượng để kích hoạt gia tốc phân tử, cộng thêm phần dư thừa có thể chạy một nhà máy điện. Sau khi qui trình bắt đầu, quá trình phân hạch uranium-233 làm biến đổi nhiều thorium gần nó thành nhiên liệu hạt nhân.

Đây là một quá trình phức tạp, bao gồm những cơ chế muối nóng chảy trong lò phản ứng (MSR) so với lò phản ứng nước áp lực trong quá trình đốt cháy thorium, nhưng phản ứng như mô tả ở trên là điều hấp dẫn chủ yếu của thorium, và hứa hẹn về nguyên tắc sử dụng thorium.

WNA nhấn mạnh rằng một nguyên tắc cơ bản trong thiết kế hệ thống nhiên liệu thorium là việc sắp xếp không đồng nhất nhiên liệu-tại đó một vùng nhiên liệu phân hạch cao (và do đó công suất cao) được gọi là vùng hạt mầm được tách ra khỏi phần thorium sinh trưởng của nhiên liệu (công suất thấp hay bằng 0). Quá trình này nhằm cung cấp thêm neutron cho hạt nhân thorium, tạo cho nó chuyển đổi thành U-233 phân hạch. Nguyên tắc này được áp dụng cho tất cả các hệ thống lò phản ứng chạy bằng nhiên liệu thorium.

Các lò phản ứng có thể sử dụng thorium làm nhiên liệu

Có 7 loại lò phản ứng có thể sử dụng thorium làm nhiên liệu hạt nhân. Cho tới nay 5 trong số này đã đi đi vào vận hành xét về vài phương diện nào đó, hai loại còn lại vẫn đang còn là khái niệm.

Lò phản ứng nước nặng (PHWRs): Kiểu lò này thích hợp tốt cho nhiên liệu thorium bởi: tính kinh tế neutron hoàn hảo, năng lượng neutron trung bình nhanh hơn, khả năng tái nạp nhiên liệu trực tuyến linh hoạt. Ngoài ra, lò nước nặng (đặc biệt CANDU) đang hoạt động tốt và đã đạt công nghệ phổ cập thương mại.

Lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao (HTRs): Kiểu lò này thích hợp tốt cho sử dụng nhiên liệu thorium dưới dạng các hạt thorium trộn với plutonium hoặc uranium được làm giầu, được bao phủ bằng những lớp pyrolytic carbon và silicon carbide để giữ lại các khí phân hạch. Các hạt nhiên liệu được trộn trong chất liệu nền graphite-chất liệu này rất ổn định ở nhiệt độ cao. Những nhiên liệu như thế có thể được bức xạ trong thời gian rất dài và như vậy đốt cháy sâu nạp liệu phân hạch ban đầu. Nhiên liệu thorium có thể được thiết kế cho cả kiểu ‘sỏi cuội’ và ‘lăng trụ’ của lò phản ứng HTR.

Lò phản ứng nước sôi (nước nhẹ-BWRs): Các bó nhiên liệu BWR có thể được thiết kế linh hoạt  là các thanh nhiên liệu với cấu thành khác nhau (hàm lượng phân hạch), và các thông số cấu trúc cho phép nhiên liệu điều tiết thích hợp nhiều hơn hay ít hơn (ví dụ, thanh nhiên liệu chỉ có một nửa chiều dài).

Lò phản ứng nước (nhẹ) áp lực (PWRs): Có thể thiết kế nhiên liệu thorium cho lò PWR, mặc dù kém linh hoạt hơn so với lò BWR. Nhiện liệu được bố trí không đồng nhất để nhằm làm cho nhiên liệu bị đốt cháy hết.

Lò neutron nhanh (FNRs): Thorium có thể là một thành phần nhiên liệu cho lò phản ứng vận hành với một phổ tần neutron nhanh - trong đó các hạt nhân nặng có thể phân hạch và có tiềm năng tạo ra một nhiên liệu thorium.

Lò phản ứng muối nóng chẩy (MSR): Kiểu lò này vẫn đang trong giai đoạn thiết kế nhưng sẽ là rất thích hợp cho sử dụng thorium là nhiên liệu. Nhiên liệu chất lỏng duy nhất có thể kết hợp là fluoride thorium và uranium (U-233 và/hoặc U-235) là một hỗn hợp muối có độ nóng chẩy 400-700ºC, và chất lỏng này vừa làm chức năng là chất lỏng truyền nhiệt và là chất nền cho nhiên liệu phân hạch. Chất lỏng luân chuyển qua một khu vực trung tâm rồi qua một quá trinh hóa học, quá trình này loại bỏ các sản phẩm phân hạch khác nhau (chất độc) và/hoặc U-233 có giá trị. Vài thiết kế lò MSR sử dụng nhiên liệu thorium để tạo ra một số lượng U-233 cho mục đích sử dụng.

Lò phản ứng gia tốc (ADS): Hệ thống ADS tới hạn là một khái niệm năng lượng phân hạch hạt nhân độc đáo, tiềm năng cho sử dụng thorium. Các neutron va chạm được tạo ra khi proton năng lượng cao từ một máy gia tốc va đập một mục tiêu nặng như chì. Các neutron này được định hướng trong một vùng có nhiên liệu thorium, ví dụ, Th-plutonium, vùng này phản ứng để tạo ra nhiệt giống như một lò phản ứng thông thường. Hệ thống vẫn là tới hạn tức là, không có thể duy trì một phản ứng chuỗi mà không có chùm tia proton. Cái khó hiện nay là độ tin cậy của các máy gia tốc năng lượng cao và tính kinh tế bởi chúng tiêu hao nhiều năng lượng.

Thorium so với uranium

Thorium là một lựa chọn hấp dẫn thay thế uranium đối với nhiều quốc gia. Nó vừa rẻ lại có nhiều hơn uranium, giá cả urani sẽ tăng khi phản ứng dữ dội từ thảm hoạ Fukushima nguội dần đi. Còn có những lợi ích khác từ thorium. Trong một phản ứng hạt nhân phát điện bằng thorium, hầu hết thorium tự bị tiêu tán hết, như vậy sẽ ít chất thải hơn, phần lớn chất thải còn lại không nguy hại trong 30 năm. Hiện nay, nguyên liệu chất thải hạt nhân nguy hại nhất phải được lưu giữ trong suốt 10.000 năm. Ngoài ra, một tấn thorium tương đương với 200-250 tấn urani xét về hiệu quả trong một lò phản ứng nước nhẹ hoặc nước nặng; tương đương 3,5 triệu tấn than.

Việc tách thorium ít tốn kém hơn so với tách urani tính theo đơn vị năng lượng, bởi vì thorium hiện diện với mật độ cao hơn so với các kim loại khác xét về trọng lượng. Thorium cũng có đặc tính khác thường: gần như không thể sử dụng được vào làm vũ khí hạt nhân vì nó không chứa đồng vị phân hạch. Như vậy thorium cũng giải quyết những vấn đề cấm phổ biến vũ khí hạt nhân vì những nhà máy điện hạt nhân từ nguồn nhiên liệu thorium chỉ sản sinh ra một lượng nhỏ plutonium không đủ để chế tạo vũ khí hạt nhân.

Sự nguy hại của uranium-càng được nhấn mạnh khi xẩy ra thảm hoạ Fukushima - thường khiến các nhà phân tích và những người khác coi thorium một cách nghiêm túc hơn. Vì bản thân thorium không phân hạch, phản ứng có thể được dùng trong trường hợp khẩn cấp. Các nghiên cứu và khuyến nghị sử dụng thorium cho thấy có thể cho phép các quốc gia như Iran và Bắc Triều Tiên có được điện hạt nhân mà không gây lo ngại là các nước này bí mật phát triển vũ khí hạt nhân.

Thorium cũng có thể được sử dụng cùng với phát điện hạt nhân bằng urani thông thường, nghĩa là một ngành công nghiệp thorium phồn thịnh có thể không cần thiết làm cho urani lỗi thời.

Thú vị là ý tưởng sử dụng thorium để thay thế than ở Mỹ mới nẩy sinh sau thông báo mới đây  của Tổng thống Barack Obama về Kế hoạch điện sạch. Trong cuộc nói chuyên tại Harvard iLab, Joe Lassiter-Giáo sư của Trường Kinh doanh Harvard nói tại sao ông ta tin chắc rằng điện hạt nhân là một thành phần quan trọng trong công cuộc chống lại mối đe dọa phát thải từ nhà máy điện than trên toàn cầu, Giáo sư nói rằng cả hai uranium và thorium là nhiên liệu thay thế quan trọng.

Tìm kiếm thorium ở đâu

Thorium hiện diện với lượng nhỏ trong đất và đá bất cứ nơi nào, và người ta ước tính thorium có nhiều gấp 3-4 lần uranium, thông thường đất chứa hàm lượng trung bình khoảng 6 phần triệu (ppm) của thorium (ngoài ra, thorium có tiềm năng năng lượng gấp 200 lần so với urani). Trữ lượng lớn thorium được tìm thấy ở Trung Quốc, Australia, Mỹ, Thổ Nhĩ Kỳ, Ấn Độ và Na Uy. Còn thì thorium xuất hiện dưới dạng vết ở bất cứ nơi nào.

Cục Địa chất Mỹ đã lập một báo cáo các nguồn tài nguyên thorium ở Mỹ. Thorium được tìm thấy tại các tụ khoáng mạch biểu sinh, các tụ khoáng hàm lượng thấp và các tụ khoáng sa khoáng và cát đen. Thorium có thể được tìm thấy ở Montana, Idaho, Colorado, Carolinas, Florida và Georgia, đây là những nơi có phạm vi rộng lớn có thể thăm dò, phát triển và khai thác thorium.

Tất nhiên, Mỹ không phải là quốc gia duy nhất có trữ lượng thorium lớn. Các nước khác nêu ở trên cũng có nguồn tài nguyên này lớn để các công ty năng lượng và khoáng sản quyết định phát triển tài nguyên thorium trong nước họ. Theo Cục Địa chất Mỹ (USGS), trong năm 2014 thăm dò và phát triển các dự án đất hiếm có chứa thorium ở Australia, Brazil, Canada, Greenland, Ấn Độ, Nga, Nam Phi, Mỹ và Việt Nam.

Theo tài liệu Uranium 2014 hay Red Book của IAEA-NEA, thế giới hiện có khoảng 6,4 triệu tấn tài nguyên thorium đã điều tra và ước tính, trong đó Ấn Độ có 846.000 t, Brazil 632.000 t, Australia 595.000 t, Mỹ 595.000 t, Ai Cập 380.000 t, Thổ Nhĩ Kỳ 374.000 t, Venezuela 300.000 t, Canada 172.000 t, Nga 155.000 t, Nam Phi 148.000 t, Trung Quốc 100.000 t, Na Uy 87.000 t, Greenland 86.000 t, Phần Lan 60.000 t, Thụy Điển 50.000 t, Kazakhstan 50.000 t, các nước khác 1.725.000 t. Thực ra chưa có tiêu chuẩn phân loại quốc tế cho tài nguyên thorium và các nguồn tài nguyên thorium được xác định không có cùng ý nghĩa xét về cách phân định và cách xác định giống như đối với uranium.

Ở Australia, Cục Địa chất (Geoscience Australia) ước tính tài nguyên monazite của nước này khoảng 5,2 triệu tấn. Với hàm lượng thorium trung bình 7%, thì có khoảng 340.000 tấn thorium trong tài nguyên monazite. Ngoài ra, Geoscience Australia cho biết nguồn tài nguyên tại Nolans Bore, cách Alice Springs 135km về phía Tây Bắc chứa 60.600 tấn ThiO2 (khoảng 53.300 tấn thorium); tụ khoáng khác, Toongi, cách Dubbo ở New South Wales 30 km về phía Nam chứa khoảng 35.000 tấn thorium. Với 3 tụ khoáng này, Australia đã có tới 452.300 tấn thorium.

Công ty Skyharbour Resources là một công ty chuyên thăm dò thorium. Dự án Falcon Point uranium và thorium của Công ty này nằm ở lưu vực Athabasca ở Saskatchewan-Canada. Trong khi dự án này vẫn còn trong giai đoạn sớm, nhưng Công ty đã công bố khảo nghiệm từ chương trình khoan trong tháng 6, cho thấy sự hiện diện 0,172 % U3O8 và 0,112 % ThO2 ở độ sâu dưới 2,5 m.

Cũng có vài công ty đất hiếm tìm thấy thorium ở các mỏ dự án của mình, đó là các mỏ phức hợp đá alkaline và mỏ loại mạch. Các công ty tìm thấy nguồn thorium tại các dự án của mình ở Australia như công ty Arafura Resources , Northern Minerals, Capital Mining và Lynas Corporation.

Vào đầu tháng 4 năm nay, mỏ thorium ngẫu nhiên được thìm thấy ở vùng Bayyaram của huyện Khammam, Ấn Độ.

Việt Nam có tài nguyên đất hiếm ở Lào Cai và Lai Châu, có tổng trữ lượng và tài nguyên sa khoáng dự báo quặng titan khoảng 650 triệu tấn quặng tinh. Trong quặng sa khoáng này có monazite-một khoáng sản chủ yếu là thorium.

TRẦN MINH HUÂN

Tài liệu tham khảo: 

Một lựa chọn cho năng lượng hạt nhân, TMH, www.moit.gov 07/02/2014, Tạp chí Thông tin Khoa học hạt nhân, www.vinamin.vn                                                             

Investing News: Tuesday January 21, 2014

Investing News Network • August 16, 2015  

Investing News Network • May 15, 2016                                              http://www.vimluki.com.vn/details/229-Tai-nguyen-titan-Viet-Nam-Dinh-huong-phat-trien

http://www.world-nuclear.org/information-library/current-and-future-generation/thorium.aspx