Chuyển đổi chu trình nhiên liệu: Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Hoa Kỳ đi tiên phong trong nghiên cứu về tương lai của năng lượng hạt nhân

64

Những nỗ lực hợp tác nghiên cứu rộng rãi tại Argone nhằm vẽ ra viễn cảnh về tương lai của năng lượng hạt nhân.

Những phân tích của Argonne đã xem xét mọi khía cạnh của việc duy trì hay mở rộng năng lực hạt nhân (Ảnh của Shutterstock/ Industry And Travel.)

 

Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Hoa Kỳ (EIA), nhà máy điện hạt nhân Oyster Creek ở Forked River, New Jersey, ngay phía Bắc thành phố Atlantic đã đóng cửa vĩnh viễn vào tháng 9 vừa qua.  Được coi là nhà máy điện hạt nhân thương mại lâu đời nhất ở Hoa Kỳ, nhưng Oyster Creek là nhà máy đầu tiên phải đối diện với làn sóng “nghỉ hưu” đang ngày càng trở nên rõ nét của các nhà máy điện hạt nhân.

 

Tại Hoa Kỳ, có 60 nhà máy điện hạt nhân hiện đang vận hành thương mại, trong đó bao gồm 98 lò phản ứng đang hoạt động và tạo ra khoảng 20% sản lượng điện quốc gia. Hầu hết các lò được xây dựng vào những năm 1960, 1970 và 1980, và sắp hết giấy phép hoạt động với thời hạn từ 40 đến 60 năm. Nếu các giấy phép không được gia hạn hay không có các lò phản ứng mới được triển khai, thì việc đóng cửa các nhà máy có thể là tín hiệu cho thấy sự  giảm sút mạnh mẽ trong sản xuất năng lượng hạt nhân từ nay đến năm 2050.

 

Một số chuyên gia coi việc đóng cửa nhà máy điện hạt nhân là cơ hội tăng trưởng cho năng lượng tái tạo. Trái lại, nhiều người khác vẫn xem năng lượng hạt nhân như nguồn năng lượng mang tính sống còn, có khả năng tạo ra điện không phát thải, đem lại môi trường  trong sạch hơn.

 

Ông Bo Feng, Kỹ sư chính về hạt nhân, Phòng Khoa học và kỹ thuật hạt nhân cho hay, “chúng tôi đang làm việc với các công ty hạt nhân có cùng tầm nhìn dài hạn và hy vọng rằng họ có thể giúp thương mại hóa các công nghệ của chúng tôi trên quy mô lớn.”

 

Kể từ khi thành lập vào năm 1946, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) hoàn toàn được trao quyền thúc đẩy công nghệ hạt nhân, giúp hoàn thành các phân tích chi tiết về tiềm năng chuyển đổi sang một tương lai mới cho năng lượng hạt nhân. Các phân tích đã xem xét mọi khía cạnh của việc duy trì hoặc mở rộng năng lực hạt nhân – từ thay thế cơ sở hạ tầng hạt nhân đến triển khai các chu trình nhiên liệu tiên tiến. Mục tiêu  là xác định các thiết kế có thể tiết kiệm tài nguyên, giảm tác động môi trường và loại bỏ hoặc giảm nhu cầu về kho lưu trữ chất thải hạt nhân.

 

Giới thiệu về các nghiên cứu chuyển đổi chu trình nhiên liệu

 

Những kỹ sư hạt nhân tại Argonne như ông Ed Hoffman và ông Bo Feng đã chủ trì nhiều công trình nghiên cứu chuyển đổi chu trình nhiên liệu, bằng cách phối hợp với các phòng thí nghiệm giữa các quốc gia, và tiếp nối một nghiên cứu đồ sộ mang tên, Đánh giá và sàng lọc chu trình nhiên liệu hạt nhân – được thực hiện từ năm 2011 đến 2014, dưới sự bảo trợ của Văn phòng Năng lượng Hạt nhân của DOE, nhằm củng cố cơ sở của các quyết định nghiên cứu và phát triển, bao gồm sàng lọc toàn diện các công nghệ lò phản ứng khả thi và các lựa chọn chu trình nhiên liệu.

 

Nghiên cứu Đánh giá và sàng lọc chu trình nhiên liệu hạt nhân được thực hiện bởi nhiều nghiên cứu viên đến từ các học viện và phòng thí nghiệm quốc gia khác nhau, cho thấy sự hợp tác rộng rãi, giúp thu hẹp phổ rộng các lựa chọn, khu trú thành 40 nhóm đánh giá các lựa chọn chu trình nhiên liệu với hiệu suất vật lý tương tự nhau.  Trong số 40 nhóm được chọn, người ta đã chỉ ra 04 nhóm có triển vọng nhất, dựa trên những lợi ích và thách thức tiềm năng của nhóm.

 

Ông Hoffman đưa ra ví dụ, có rất nhiều công nghệ lò phản ứng nhanh, nhưng từ góc độ vật lý, tất cả những công nghệ này sẽ hoạt động tương tự nhau. Vì vậy, tất cả sẽ thuộc cùng một nhóm đánh giá nếu được vận hành với cùng các mục tiêu về chu trình nhiên liệu. Tuy nhiên, một khi được phát triển và triển khai đầy đủ, chúng có thể tạo ra khác biệt về các khía cạnh khác, chẳng hạn như khía cạnh về chi phí.

 

Thiết kế chu trình nhiên liệu mới

 

Chu trình nhiên liệu hiện tại của Hoa Kỳ được coi là quá trình một lần (once-through process) trong đó nhiên liệu được sử dụng để sản xuất năng lượng hạt nhân – chủ yếu có nguồn gốc từ uranium – được khai thác, sử dụng và cuối cùng được xử lý loại bỏ.

 

Các chu trình nhiên liệu trong tương lai hoặc tiên tiến có thể sẽ kết hợp một số công nghệ tái chế các vật liệu (ví dụ, uranium và plutonium) từ nhiên liệu đã sử dụng, tiết kiệm tài nguyên, giảm tác động môi trường và giảm nhu cầu mở rộng kho lưu trữ chất thải hạt nhân.

 

Sau khi sử dụng 09 tiêu chí đánh giá bao gồm các rủi ro về an ninh, phát triển và kinh tế – môi trường, nghiên cứu Đánh giá và sàng lọc chu trình nhiên liệu hạt nhân (https://fuelcycleevaluation.inl.gov/SitePages/Home.aspx) đưa ra kết luận rằng các lò phản ứng nhanh với việc tái chế liên tục vật liệu sẽ mang lại lợi ích lớn nhất. Sự kết hợp này tạo ra chất thải ít hơn nhiều và làm giảm tác động môi trường của các nhà máy điện hạt nhân.

 

Lò phản ứng nhanh là một loại lò phản ứng hạt nhân duy trì phản ứng chuỗi phân hạch thông qua neutron nhanh, không phải là neutron nhiệt được sử dụng trong lò phản ứng nhiệt. Loại lò này có thể sử dụng uranium-238 (238U) làm nguồn nhiên liệu, có sẵn hơn nhiều so với uranium-235 (235U) được sử dụng trong các lò phản ứng nước nhẹ (LWR). Trong phản ứng nhiệt, neutron di chuyển với tốc độ khoảng 2.200 mét mỗi giây; trong một lò phản ứng nhanh, chúng di chuyển với tốc độ khoảng 9 triệu mét mỗi giây, tương đương 3% tốc độ ánh sáng.

 

98 lò phản ứng hạt nhân hiện đang hoạt động tại Hoa Kỳ đều là các loại LWR nhiệt, không tương thích với nguồn nhiên liệu dồi dào hơn như 238U. Do 238U chiếm 99,3% nguồn cung uranium của hành tinh nên các kỹ sư đang cố gắng tìm ra các phương pháp có tính kinh tế để phục hồi nguồn tài nguyên to lớn này trong các thiết kế lò phản ứng và chu trình nhiên liệu trong tương lai.

 

Ý tưởng về các lò phản ứng tiên tiến

 

Người ta đang cân nhắc một loạt các công nghệ lò phản ứng và chu trình nhiên liệu, bao gồm một số ý tưởng về lò phản ứng nhanh tích hợp, chẳng hạn như lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium-cooled fast reactors). Giống như các loại LWR hiện tại, lò này sử dụng nhiên liệu rắn truyền thống hơn, được bịt kín trong các thanh kim loại và được thay thế định kỳ. Nhiên liệu đó sau đó được tái chế bằng cách sử dụng điện hóa (cách tái chế điển hình cho nhiên liệu kim loại) hoặc công nghệ tái xử lý nước (aqueous reprocessing technologies).

 

Mô hình lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (Ảnh: ResearchGate)

 

Các biến thể của lò phản ứng nhanh tích hợp bao gồm lò phản ứng muối nóng chảy sử dụng nhiên liệu ở dạng muối pha trộn với các muối khác làm chất làm mát. Vì nhiên liệu ở dạng lỏng nên có thể tổng hợp và xử lý dòng nhiên liệu nhỏ để triệt tiêu các sản phẩm phân hạch gây hạn chế hoạt động. Ngoài ra, vì nhiên liệu được tiêu thụ bởi phân hạch, nên có thể thay thế nhiên liệu liên tục mà không cần phải tắt lò phản ứng.

 

Các ý tưởng về lò phản ứng tiên tiến này, vận hành dựa trên các neutron nhanh hoặc nhiệt, được thiết kế với các biện pháp an toàn vốn có hoặc thụ động cho phép chúng tự tắt và làm mát mà không cần các cơ chế kích hoạt như trong loại lò LWR.

 

Một loại lò phản ứng khác đang thu hút sự quan tâm là lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMRs) có thể được vận chuyển và lắp ráp tại các nhà máy. Thay vì hai tổ máy có công suất 2.000megawatt điện, một công ty điện lực có thể vận hành 10 hoặc 20 tổ máy tạo ra 100 megawatt điện tại mỗi tổ máy. Xây dựng các SMRs kế tiếp nhau tại một thời điểm sẽ cho phép nhân rộng loại lò này trên quy mô lớn, trong khi đó lại tiềm tàng ít rủi ro hơn mà tổng mức đầu tư cần thiết nhỏ hơn.

 

Do đó, ông Hoffman giải thích thêm, loại lò SMRs sẽ cân bằng được sự đánh đổi giữa quy mô kinh tế với hiệu quả của nhà máy. Ý tưởng về SMRs đang tiếp tục được nghiên cứu và phát triển bởi một số các công ty tại Hoa Kỳ. Argonne đã và đang nghiên cứu tất cả các thiết kế lò phản ứng và đang hỗ trợ các công ty khởi nghiệp về thiết kế lò phản ứng hạt nhân.

 

Chuyển đổi chu trình nhiên liệu

 

Do nghiên cứu đánh giá và sàng lọc ban đầu tập trung nhiều hơn vào phân tích chuyển đổi chu trình nhiên liệu, nên chủ đề này đã được tiếp tục nghiên cứu. Ông Hoffman và ông Feng gần đây đã trình bày báo cáo tham luận tại một số hội nghị trong nước và quốc tế, mô tả quá trình chuyển đổi chu trình nhiên liệu sẽ như thế nào nếu tất cả các LWR hiện tại của Mỹ được thay thế bằng các lò phản ứng quang phổ nhanh (fast spectrum reactors) hoạt động theo chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín (nghĩa là tất cả uranium và plutonium sẽ được tái chế).

 

Công trình nghiên cứu mới đang xem xét các vấn đề kỹ thuật, yêu cầu cơ sở hạ tầng, yêu cầu dòng khối, lộ trình kinh tế, cung và cầu năng lượng, cũng như khung thời gian và tác động của độ trễ.

 

Hiện tại, việc thay thế toàn bộ năng lượng được tạo ra từ các nhà máy hạt nhân chuẩn bị “nghỉ hưu” bằng các nguồn tài nguyên tái tạo là không khả thi. Nếu không có kế hoạch chuyển đổi sang các công nghệ điện hạt nhân mới, Hoa Kỳ có thể buộc phải sử dụng nhiều nhiên liệu hóa thạch hơn cho ngành năng lượng hoặc thay thế các nhà máy điện hạt nhân hiện tại bằng các công nghệ truyền thống.

 

Xây dựng nhà máy điện hạt nhân trong khuôn khổ các quy định liên quan có thể tiêu tốn hàng chục tỷ đô la. Hơn nữa, việc lập kế hoạch thi công sẽ mất một khoảng thời gian dài đáng kể cho những chi tiết và cách thức tổ chức được cụ thể hóa. Ông Feng lưu ý, để đáp ứng những thách thức này, điều cần thiết là phải có được sự hỗ trợ của chính phủ; những phương thức mang tính đổi mới để giảm chi phí vốn; việc tiếp tục hợp tác giữa các học viện, phòng thí nghiệm quốc gia, toàn ngành công nghiệp hạt nhân và một bộ phận công chúng đã thực sự ý thức được tầm quan trọng của năng lượng hạt nhân.

 

Ông Feng cho biết thêm rằng, các kỹ sư và nhà khoa học của Argone đều tập trung vào các lợi ích và mục tiêu xã hội lâu dài, vì vậy nhiều người trong số họ hiện đang nghiên cứu về các lò phản ứng hạt nhân tiên tiến và các công nghệ chu trình nhiên liệu tiên tiến với hy vọng sẽ được triển khai trong tương lai.

 

“Chúng tôi đang cộng tác với các công ty hạt nhân, cùng chia sẻ tầm nhìn dài hạn và hy vọng rằng những công ty này có thể thương mại hóa các công nghệ của chúng tôi trên quy mô lớn. Nghiên cứu được thực hiện về các quá trình chuyển đổi chu trình nhiên liệu sẽ đưa ra các yêu cầu về cơ sở hạ tầng, công nghệ và vật liệu cụ thể trong các kịch bản khác nhau để triển khai lò phản ứng tiên tiến.

 

Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne hướng đến việc tìm kiếm giải pháp để giải quyết các vấn đề về khoa học và công nghệ mang tầm quốc gia. Là phòng thí nghiệm quốc gia đầu tiên, Argonne tiến hành nghiên cứu khoa học cơ bản và ứng dụng hàng đầu trong hầu hết mọi ngành khoa học. Các nhà nghiên cứu của Argonne hợp tác chặt chẽ với các nhà nghiên cứu từ hàng trăm công ty, trường đại học và các cơ quan liên bang, tiểu bang và thành phố để giải quyết các vấn đề cụ thể, thúc đẩy nền khoa học của Hoa Kỳ tiếp tục dẫn đầu thế giới và thực hiện các công tác chuẩn bị cho một tương lai tốt hơn của quốc gia này. Với đội ngũ nhân viên từ hơn 60 quốc gia, Argonne được quản lý bởi công ty UChicago Argone, thay cho Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ.

 

Văn phòng Khoa học của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ là tổ chức hỗ trợ lớn nhất cho nghiên cứu cơ bản về khoa học vật lý ở Hoa Kỳ và đang nỗ lực giải quyết một số thách thức cấp bách nhất của thời đại chúng ta. Để biết thêm thông tin, hãy truy cập trang web của Văn phòng Khoa học tại địa chỉ: https://science.energy.gov/

 

Phạm Thị Thu Trang, Ban Kế hoạch và Quản lý khoa học