Tình hình phát triển, ứng dụng các công nghệ hạt nhân tiên tiến trên thế giới

Những thuận lợi và khuyết thiếu cần bổ sung cho dự án điện hạt nhân đầu tiên của Việt Nam Như chúng ta đều biết, Chỉ thị đầu tiên của năm 2025 (số 1/CT-TTg, ngày 3/1) Thủ tướng Chính phủ Phạm Minh Chính yêu cầu Bộ trưởng Công Thương chỉ đạo triển khai, hoàn thành công tác đầu tư dự án Nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận trong 5 năm. Sau chỉ đạo của Thủ tướng, câu hỏi được dư luận quan tâm là: Trong khoảng thời gian này, chúng ta có thể hoàn thành được không? Để giải đáp phần nào cho nội dung này, bước đầu, Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam có một số trao đổi, nhận định, đề xuất dưới đây.

Phát triển và ứng dụng các lò phản ứng công suất lớn thế hệ III+:

Thiết kế lò phản ứng thế hệ III+ là công nghệ mang tính đột phá về mặt an toàn so với các thế hệ trước. Các lò phản ứng thế hệ III+ có các tính năng an toàn thụ động không yêu cầu kiểm soát chủ động, hoặc can thiệp của người vận hành, mà thay vào đó dựa vào trọng lực, hoặc đối lưu tự nhiên để giảm thiểu tác động của các sự kiện bất thường. Việc đưa vào các tính năng an toàn thụ động cùng với các cải tiến khác có thể giúp đẩy nhanh quá trình đánh giá chứng nhận lò phản ứng và do đó rút ngắn thời gian xây dựng. Các lò phản ứng thế hệ III+ cũng có hiệu suất đốt cháy nhiên liệu cao hơn so với các lò phản ứng thế hệ trước, giúp giảm mức tiêu thụ nhiên liệu và chất thải hạt nhân.

Các thiết kế lò phản ứng thế hệ III+ tiêu biểu trên thế giới có thể được kể đến như:

1. Lò phản ứng VVER-1200 của Liên Bang Nga.

2. Lò phản ứng CANDU tiên tiến (ACR-1000) của Canada.

3. Lò phản ứng AP1000 thiết kế nâng công suất dựa trên công nghệ AP600 của Hoa Kỳ.

4. Lò phản ứng nước áp lực châu Âu (EPR và EPR2) do Pháp và Đức thiết kế, chế tạo.

5. Lò phản ứng nước sôi đơn giản hóa kinh tế (ESBWR) do GE Hitachi Nuclear Energy thiết kế dựa trên công nghệ lò nước sôi tiên tiến ABWR.

6. Lò phản ứng APR-1400 là lò phản ứng hạt nhân nước áp lực tiên tiến được thiết kế bởi Tập đoàn Điện lực Hàn Quốc.

7. EU-ABWR cũng là thiết kế dựa trên công nghệ ABWR được gia tăng công suất và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn của EU.

8. Lò phản ứng nước áp lực tiên tiến APWR do Mitsubishi Heavy Industries (MHI) thiết kế.

8. Công nghệ lò nước áp lực tiên tiến ATMEA I do MHI hợp tác với AREVA thiết kế.

Hình 1: Các lò phản ứng APR-1400 tại Nhà máy điện hạt nhân Barakah (UAE). Nguồn: KEPCO.

Hầu hết các lò phản ứng mới hoàn thành và hiện đang được xây dựng trong năm 2024 là các lò công suất lớn thế hệ III và III+. Trung Quốc tiếp tục dẫn đầu thế giới về việc mở rộng công suất điện hạt nhân bằng cách bắt đầu xây dựng 5 lò phản ứng mới, bao gồm các lò phản ứng CAP1000 (phiên bản sửa đổi của công nghệ lò AP1000 của Hoa Kỳ): Haiyang-4, Lianjiang-1, Sanmen-4, Xudapu-1 và 1 lò phản ứng thế hệ III do Trung Quốc tự phát triển loại HPR1000, Lufeng-6.

Tại Hoa Kỳ, lò phản ứng Vogtle-3 công nghệ AP1000 (1117 MWe) đã được đưa vào vận hành vào tháng 7/2023. Tại Belarus, lò phản ứng Belarusian-2 công nghệ VVER-1200 (1110 MWe) đã được kết nối với lưới điện vào ngày 13 tháng 5 cùng năm.

Tập đoàn Rosatom của Nga hiện đang xây dựng nhà máy điện hạt nhân với 4 lò phản ứng công nghệ VVER-1200 mỗi nhà máy tại El Dabaa, Ai Cập và Akkuyu, Thổ Nhĩ Kỳ. Bangladesh cũng đang tiến hành xây dựng nhà máy điện hạt nhân Roopur với 2 lò phản ứng VVER-1200 [1].

Tại châu Âu, lò phản ứng EPR Olkiluoto 3 của Phần Lan với công suất 1.600 MWe đã đi vào hoạt động vào tháng 5 năm 2023 và hiện là lò phản ứng có công suất lớn nhất ở châu Âu. Pháp cũng đã công bố kế hoạch đầy tham vọng để xây dựng từ 8 đến 14 lò phản ứng EPR2 mới vào năm 2050. Lò phản ứng EPR Flamanville 3 của Pháp đã được phép nạp nhiên liệu vào năm 2024. Romania cũng vừa mới trao hợp đồng xây dựng 2 lò phản ứng CANDU mới tại quốc gia này.

Hàn Quốc đã thành công trong việc triển khai thiết kế lò phản ứng APR-1400 ở trong nước và xuất khẩu ra quốc tế. Vào ngày 21/12/2023, lò phản ứng Shin Hanul 2 (1340 MWe) công nghệ APR-1400 tại Hàn Quốc đã được kết nối với lưới điện. Các lò phản ứng Shin Kori 3 và 4, cùng với Shin Hanul 1 cũng đang hoạt động hiệu quả. Các lò phản ứng APR-1400 do Hàn Quốc xây dựng tại Nhà máy điện hạt nhân Barakah (UAE) cũng đã được kết nối với lưới điện. Thành công của dự án Barakah đã củng cố vị thế của Hàn Quốc như một nhà cung cấp công nghệ hạt nhân đáng tin cậy trên thị trường quốc tế [2].

Bảng dưới đây liệt kê các lò phản ứng hạt nhân đang được xây dựng tại các quốc gia trên thế giới (tính đến ngày 1 tháng 7 năm 2024).

Bảng 1: Các lò phản ứng hạt nhân đang được xây dựng [3]:

Các công nghệ hạt nhân tiên tiến thế hệ IV:

Các lò phản ứng hạt nhân thế hệ IV hiện đang đạt được những tiến bộ đáng kể trong quá trình nghiên cứu và triển khai. Các thiết kế lò phản ứng thế hệ IV hướng tới mục tiêu cải thiện an toàn, tính bền vững, hiệu quả và giảm chi phí xây dựng và vận hành. Diễn đàn Quốc tế các thiết kế lò phản ứng thế hệ IV (Generation IV International Forum - GIF) đã lựa chọn 6 công nghệ lò phản ứng làm ứng cử viên cho Thế hệ IV, bao gồm:

- Lò phản ứng nhiệt độ rất cao (VHTR).

- Lò phản ứng muối nóng chảy (MSR).

- Lò phản ứng nơtron nhanh làm mát bằng natri (SFR).

- Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn (SCWR).

- Lò phản ứng nơtron nhanh làm mát bằng khí (GFR).

- Lò phản ứng nơtron nhanh làm mát bằng chì (LFR).

Bảng 2: Thông số kỹ thuật các lò phản ứng thế hệ IV [4]:

Trung Quốc hiện đang đi đầu với việc xây dựng và đưa vào vận hành thành công lò phản ứng thử nghiệm nhiệt độ cao làm mát bằng khí sử dụng nhiên liệu dạng viên sỏi HTR-PM với công suất 250 MWe vào tháng 12 năm 2023. Sự kiện này đánh dấu sự ra đời của lò phản ứng thế hệ IV thương mại đầu tiên trên thế giới.

Đến tháng 3 năm 2024, dự án này đã kết nối với hệ thống nhiệt sưởi ấm tại địa phương, đáp ứng nhu cầu sưởi ấm của 1.850 hộ gia đình và góp phần thay thế 3.700 tấn than mỗi mùa sưởi ấm, giúp giảm 6.700 tấn khí thải CO2 ra môi trường [5].

Hình 2: Dự án lò phản ứng nhiệt độ cao thế hệ IV thử nghiệm HTR-PM tại Shidaowan. Ảnh: China Huaneng.

Các nước như Mỹ, Nga, Pháp và Canada cũng đang tích cực phát triển các dự án lò phản ứng thế hệ IV của riêng mình, hứa hẹn một tương lai đầy tiềm năng cho ngành công nghiệp hạt nhân trong những thập kỷ tới.

1. Lò phản ứng nơtron nhanh làm mát bằng khí (Gas-cooled Fast Reactor - GFR):

Một dự án lò phản ứng GFR thử nghiệm có tên ALLEGRO đang được các quốc gia bao gồm Cộng hòa Séc, Hungary và Slovakia nghiên cứu với sự hỗ trợ kỹ thuật từ Pháp. Lò phản ứng ALLEGRO có công suất 75 MWt được thiết kế để chứng minh tính khả thi của công nghệ GFR cho các ứng dụng thương mại trong tương lai. Lò phản ứng này sử dụng khí heli làm chất làm mát, cho phép đạt được nhiệt độ đầu ra khỏi vùng hoạt lò phản ứng khoảng 850°C. Nhiệt độ cao này không chỉ giúp tăng hiệu suất sản xuất điện, mà còn mở ra khả năng sử dụng nhiệt quá trình cho các ứng dụng công nghiệp như sản xuất hydro.

Đến năm 2024, dự án ALLEGRO đã hoàn thành giai đoạn thiết kế sơ bộ và đang trong quá trình chuẩn bị cho giai đoạn thiết kế chi tiết. Các thách thức kỹ thuật chính bao gồm phát triển vật liệu chịu nhiệt và bức xạ cao, thiết kế hệ thống làm mát khẩn cấp, và tối ưu hóa chu trình nhiên liệu.

Dự kiến việc xây dựng ALLEGRO sẽ bắt đầu vào cuối thập kỷ này với mục tiêu vận hành thử nghiệm vào đầu những năm 2030 [6].

2. Lò phản ứng nơtron nhanh làm mát bằng chì (Lead-cooled Fast Reactor - LFR):

BREST-OD-300 là thiết kế LFR tiên tiến nhất hiện nay đang được phát triển bởi Rosatom của Nga. Đây là một lò phản ứng thử nghiệm với công suất 300 MWe sử dụng chì lỏng làm chất làm mát. Việc xây dựng BREST-OD-300 bắt đầu vào năm 2021 tại Seversk (Nga) và dự kiến đưa vào vận hành vào năm 2028. Lò phản ứng sử dụng chì lỏng làm chất làm mát cho phép vận hành ở áp suất gần với áp suất khí quyển, giảm nguy cơ rò rỉ và sự cố khác.

Đến năm 2024, dự án BREST-OD-300 đã đạt được nhiều tiến bộ đáng kể. Các thành phần chính của lò phản ứng (bao gồm vỏ lò phản ứng, hệ thống tuần hoàn chì) đã được sản xuất và lắp đặt. Các kỹ sư đang tập trung vào việc hoàn thiện hệ thống kiểm soát và bảo vệ, cũng như phát triển quy trình vận hành an toàn cho lò phản ứng. Chu trình nhiên liệu của lò phản ứng BREST-OD-300 là từ 5-6 năm và tuổi thọ hoạt động khoảng 30 năm [7].

Hình 3: Công trường xây dựng lò phản ứng thử nghiệm thế hệ IV BREST-OD-300 tại Seversk (Nga). Nguồn: CXK.

3. Lò phản ứng muối nóng chảy (Molten Salt Reactor - MSR):

Tại Hoa Kỳ, lò phản ứng nhiệt độ cao sử dụng muối nóng chảy KP-FHR của Kairos Power là thiết kế lò phản ứng kết hợp giữa nhiên liệu TRISO dạng khối cầu và chất làm mát muối florua. Công nghệ này nhằm mục tiêu cung cấp năng lượng sạch, an toàn và cạnh tranh về chi phí với khí đốt tự nhiên trên thị trường điện Hoa Kỳ. Kairos Power đang xây dựng lò phản ứng thử nghiệm công nghệ KP-FHR mang tên Hermes tại Oak Ridge, Tennessee, dự kiến sẽ đi vào hoạt động vào năm 2027, đồng thời cũng đã được phê duyệt xây dựng lò phản ứng thương mại thử nghiệm có công suất 35 MWt mang tên Hermes 2.

Với việc áp dụng kỹ thuật xây dựng mô-đun và hợp tác với các phòng thí nghiệm quốc gia, Kairos Power đang tiến gần hơn đến việc thương mại hóa lò phản ứng KP-FHR vào đầu những năm 2030.

Ngoài Kairos Power, Công ty TerraPower cũng đang phát triển lò phản ứng sử dụng muối Clo nóng chảy MCFR (Molten Chloride Fast Reactor). Dự án này được khởi xướng dưới sự tài trợ của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, với tổng mức đầu tư dự án là 76 triệu đô la (dựa trên tỷ lệ chia sẻ chi phí công - tư 60-40%).

TerraPower dự kiến sẽ xây dựng một lò phản ứng MCFR thử nghiệm Kemmerer Power Station Unit 1, công suất khoảng 345 MW vào năm 2027 tại Wyoming (Hoa Kỳ).

Ngoài ra, một phiên bản của MCFR (gọi là m-MSR) đang được phát triển cho ứng dụng hàng hải, có thể cung cấp một giải pháp độc đáo cho môi trường hàng hải thương mại.

Tại Trung Quốc, TMSR-LF1 là một trong những thiết kế MSR đang được phát triển bởi Viện Khoa học Ứng dụng Thượng Hải. Đây là một lò phản ứng thử nghiệm với công suất 2 MWt, sử dụng muối flo làm nhiên liệu và chất làm mát. Việc xây dựng TMSR-LF1 bắt đầu vào năm 2024 và hoàn thành vào năm 2025.

Tại Canada, Công ty Terrestrial Energy đang phát triển lò phản ứng IMSR (Integral Molten Salt Reactor). Các dự án này đều nhằm mục đích khai thác tiềm năng của công nghệ MSR để tạo ra các lò phản ứng an toàn, hiệu quả và bền vững hơn.

4. Lò phản ứng nơtron nhanh làm mát bằng natri (Sodium-cooled Fast Reactor - SFR):

CFR-600 là một trong những dự án SFR đang được xây dựng bởi Trung Quốc (tại Xiapu, tỉnh Phúc Kiến). Đây là một lò phản ứng thử nghiệm với công suất 600 MWe sử dụng natri lỏng làm chất làm mát. Việc xây dựng CFR-600 bắt đầu vào năm 2017 và hoàn thành vào năm 2024. Công nghệ SFR có nhiều ưu điểm bao gồm khả năng sử dụng hiệu quả nhiên liệu uranium và plutonium, giảm đáng kể lượng chất thải phóng xạ, và có thể “đốt cháy” các nguyên tố kim loại tồn dư từ các lò phản ứng nước nhẹ. Natri lỏng là chất làm mát hiệu quả, cho phép vận hành ở áp suất thấp và nhiệt độ cao, tăng hiệu suất nhiệt của lò phản ứng.

Đến năm 2024, các hệ thống chính của lò phản ứng CFR-600 (bao gồm lò phản ứng, hệ thống tuần hoàn natri sơ cấp và thứ cấp) đã được lắp đặt hoàn chỉnh. Các kỹ sư đang tập trung vào việc hoàn thiện hệ thống kiểm soát và bảo vệ, cũng như chuẩn bị cho quá trình nạp nhiên liệu và khởi động lò phản ứng [8].

Ngoài CFR-600, nhiều quốc gia khác cũng đang phát triển công nghệ SFR. Tại Nga, các lò phản ứng nơtron nhanh (như BN-600, BN-800) đã đi vào hoạt động từ lâu và đang được sử dụng để thử nghiệm nhiên liệu MOX cho các lò phản ứng nhanh trong tương lai.

Pháp đang phát triển dự án ASTRID - lò phản ứng nhanh tiên tiến, mặc dù dự án này đã bị trì hoãn do các vấn đề về ngân sách. Tại Ấn Độ, lò phản ứng nhanh nguyên mẫu (PFBR) đang trong giai đoạn cuối của quá trình xây dựng và dự kiến sẽ đi vào hoạt động trong những năm tới.

5. Lò phản ứng nước siêu tới hạn (Supercritical Water-cooled Reactor - SCWR):

Mặc dù không có dự án xây dựng cụ thể nào cho SCWR tính đến năm 2024, công nghệ này vẫn đang được nghiên cứu tích cực bởi nhiều quốc gia, đặc biệt là Canada và Trung Quốc. SCWR hứa hẹn mang lại hiệu suất nhiệt cao hơn đáng kể (khoảng 45%) so với các lò phản ứng nước nhẹ hiện tại nhờ vào việc sử dụng nước ở trạng thái siêu tới hạn làm chất làm mát.

Tại Canada, dự án Canadian SCWR đang tập trung vào việc phát triển vật liệu chịu được môi trường nước siêu tới hạn, thiết kế hệ thống an toàn, và tối ưu hóa cấu trúc lõi lò phản ứng. Canada cũng đang nghiên cứu khả năng sử dụng nhiên liệu thorium cho SCWR, mở ra tiềm năng cho một chu trình nhiên liệu bền vững hơn.

Trung Quốc đang tích cực phát triển công nghệ SCWR thông qua dự án CSR1000. Quốc gia này đã đạt được tiến bộ đáng kể trong việc phát triển vật liệu và thiết kế hệ thống an toàn cho SCWR, đồng thời cũng đang xem xét khả năng kết hợp công nghệ SCWR với chu trình nhiên liệu nơtron nhanh nhằm tăng cường hiệu quả sử dụng nhiên liệu và giảm chất thải phóng xạ.

Mặc dù SCWR vẫn còn nhiều thách thức kỹ thuật cần giải quyết, công nghệ này vẫn được coi là một trong những hướng phát triển đầy hứa hẹn cho ngành công nghiệp hạt nhân trong tương lai.

6. Lò phản ứng nhiệt độ rất cao (Very High Temperature Reactor - VHTR):

Lò phản ứng nhiệt độ rất cao (Very High Temperature Reactor - VHTR) là một trong những thiết kế lò phản ứng thế hệ IV đầy hứa hẹn với một số dự án thử nghiệm và thương mại đang được triển khai. Đại diện tiêu biểu cho thiết kế lò phản ứng nhiệt độ rất cao là HTR-PM (High Temperature Reactor-Pebble bed Module) tại Trung Quốc là dự án VHTR đầu tiên đã đi vào hoạt động thương mại.

Tại Nhật Bản, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Nhật Bản (JAEA) đang phát triển lò phản ứng HTTR (High Temperature Engineering Test Reactor) với công suất 30 MWt. HTTR đã đạt được nhiệt độ đầu ra 950°C trong các thử nghiệm, chứng minh khả năng của công nghệ VHTR trong việc đạt được nhiệt độ rất cao. Dựa trên kinh nghiệm từ HTTR, JAEA đang phát triển thiết kế GTHTR300C, một lò phản ứng công suất lớn hơn với khả năng sản xuất điện và hydro./.

Trích “Báo cáo phân tích và nhận định của PECC2 về triển vọng phát triển năng lượng Việt Nam”.

BBT TẠP CHÍ NĂNG LƯỢNG VIỆT NAM

Tài liệu tham khảo:

[1] IAEA, “Nuclear power reactors in the world 2024”.

[2] World Nuclear News, “Fourth Barakah unit connected to grid - 25 March 2024”. [Online]. Available: https://www.world-nuclear-news.org/articles/fourth-barakah-unit-connected-to-grid.

[3] WNISR, “World Nuclear Industry Status Report 2024 - 2024”.

[4] World Nuclear Association, “Generation IV Nuclear Reactors - 30 April 2024”. [Online]. Available: https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reactors/generation-iv-nuclear-reactors.

[5] World Nuclear Association, “HTR-PM heating project commissioned - 2 April 2024”. [Online]. Available: https://www.world-nuclear-news.org/articles/htr-pm-heating-project-commissioned.

[6] ALLEGRO, [Online]. Available: https://allegroreactor.cz/.

[7] European Nuclear Society 2024, “Rosatom Starts The Construction Of Brest-OD-300 Fast Neutron Reactor” [Online]. Available: https://www.euronuclear.org/news/rosatom-starts-brest-300-construction/.

[8] NS Energy, “CFR600 Nuclear Reactor Pilot Project” [Online]. Available: https://www.nsenergybusiness.com/projects/cfr600-nuclear-reactor-pilot-project/.