Các nhà nghiên cứu tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL), Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đã hoàn thiện một thiết kế lõi lò phản ứng hạt nhân bằng phương pháp in 3D, mở rộng quy trình sản xuất cần thiết để sản xuất nó, đồng thời phát triển các phương pháp để kiểm nghiệm độ bền và độ tin cậy của các bộ phận lõi lò được in 3D.
Các nhà khoa học của ORNL đã lựa chọn và tối ưu hóa được một thiết kế để in trong khoảng thời gian 3 tháng, chứng minh khả năng có thể sản xuất nhanh chóng một mẫu thử nghiệm lõi lò phản ứng (Ảnh: Brittany Cramer/ORNL)
ORNL đã bắt đầu Chương trình Thử thách Biến đổi Lò phản ứng (Transformational Challenge Reactor-TCR) vào năm 2019 với mục đích thiết kế, sản xuất và vận hành thêm một lò phản ứng cỡ siêu nhỏ vào năm 2023. Chương trình này là đòn bẩy từ ORNL trên các lĩnh vực như sản xuất, vật liệu, khoa học hạt nhân, kỹ thuật hạt nhân, tính toán hiệu năng cao, phân tích dữ liệu và các lĩnh vực liên quan khác. ORNL cho biết chương trình TCR sẽ đưa ra những vật liệu mới, tiên tiến và sử dụng các hệ thống điều khiển và cảm biến tích hợp, cho phép chế tạo ra các hệ thống hiệu quả, có độ tối ưu hóa cao, giảm giá thành, dựa vào các tiến bộ khoa học với tiềm năng mở ra con đường mới trong việc thiết kế, sản xuất, cấp phép và vận hành lò.
Giám đốc ORNL, Thomas Zacharia cho biết: “Ngành công nghiệp hạt nhân hiện vẫn đang bị bó buộc về mặt ý tưởng trong việc thiết kế, chế tạo và triển khai các công nghệ năng lượng nguyên tử. Bộ Năng lượng Mỹ đã khởi động chương trình này nhằm tìm kiếm một cách tiếp cận mới để phát triển nhanh chóng các giải pháp năng lượng có hiệu quả kinh tế cao, cho phép cung cấp ổn định nguồn năng lượng sạch”.
Chương trình TCR đã hoàn thiện vài thử nghiệm có tính nền móng, bao gồm việc chọn được một thiết kế lò, và việc triển khai cấp tốc trong giai đoạn 3 tháng đã thể hiện được độ linh động của công nghệ sản xuất mới, giúp nhanh chóng chế tạo một mẫu thử nghiệm lõi lò. Các nhà nghiên cứu hiện đang tập trung vào việc hoàn thiện thiết kế đã được lựa chọn và các quá trình thực hiện để đảm bảo được một hệ thống năng lượng tối ưu và đáng tin cậy.
Lõi lò được sản xuất theo phương pháp tiên tiến từ chương trình TCR sẽ được chứa trong loại vỏ lò đã được kiểm nghiệm chất lượng và được chế tạo theo phương pháp thông thường từ thép không rỉ 304H. Lõi lò sẽ bao gồm các viên nhiên liệu bọc trong uranium nitride (UNx) và chứa trong một cấu trúc được sản xuất theo phương pháp tiên tiến từ cacbua silic. Bó nhiên liệu sẽ được sắp xếp trong cấu trúc tiên tiến làm bằng thép không rỉ 316L và được sắp xếp xen kẽ với thành phần chất làm chậm yttrium hydride (YHx). Chất làm chậm dạng hydride sẽ giúp giảm khối lượng urani độ giầu thấp (LEU) để đạt đến tới hạn. Hệ thống lò này sẽ được đặt trong một không gian được thông khí phía trong nhà lò của ORNL. TCR sẽ là lò phản ứng hạt nhân thứ 14 được ORNL chế tạo.
Ông Kurt Terrani, giám đốc kỹ thuật chương trình TCR cho biết: “Chúng tôi đang tích cực phát triển năng lực để biến chương trình này thành ứng dụng thực tế trong vài tháng vừa qua, và nỗ lực của chúng tôi đã minh chứng được rằng công nghệ này đã sẵn sàng để trình diễn khả năng chế tạo lõi lò phản ứng hạt nhân bằng công nghệ in 3D”.
Là một phần trong nỗ lực triển khai lò phản ứng hạt nhân in 3D, trong chương trình này, người ta còn tạo ra một nền tảng phần mềm giúp chuyển giao công nghệ này sang quy mô công nghiệp để có thể nhanh chóng ứng dụng công nghệ sản xuất năng lượng hat nhân này.
Ông Terrani nói thêm: “Toàn bộ ý tưởng về lò TCR có thể được hiện thực hóa nhờ những tiến bộ vượt bậc trong kĩ thuật gia công chế tạo. Bằng cách sử dụng công nghệ in 3D, chúng tôi có thể sử dụng loại công nghệ và vật liệu mà trước đây ngành hạt nhân không thể dùng đến trong một vài thập kỷ gần đây. Nó bao gồm các cảm biến giúp việc điểu khiển có thể tiến hành gần như hoàn toàn tự động và một thư viện dữ liệu cùng các các biện pháp tiếp cận, đánh giá chất lượng nhanh chóng, mới mẻ sẽ giúp ích cho toàn bộ ngành hạt nhân”.
ORNL hiện cộng tác với các phòng thí nghiệm quốc gia Argonne và Idaho và ngành công nghiệp để nhanh chóng ứng dụng công nghệ này cho hoạt động thương mại. BWXT sẽ hỗ trợ trong vấn đề sản xuất cho chương trình đồng thời cung cấp nhiên liệu TRISO.
An Thái – Thục Phương, Viện Công nghệ xạ hiếm
