Lò hạt nhân nhỏ - Cơ hội mới cho Việt Nam?

Công nghệ lò phản ứng hạt nhân module nhỏ mở ra cơ hội để Việt Nam không chỉ phát triển năng lượng sạch, mà còn có thể trở thành trung tâm sản xuất thiết bị hạt nhân của khu vực.

Mô hình nhà máy điện SMR của Rolls Royce (Anh) công suất 470MW - Ảnh: Rolls-Royce SMR

Trong bối cảnh Việt Nam khởi động lại chương trình điện hạt nhân, lò phản ứng hạt nhân module nhỏ (SMR) nổi lên như một lựa chọn tiềm năng.

SMR có ưu điểm về an toàn, linh hoạt, và chi phí xây dựng thấp hơn so với lò truyền thống. Tuy nhiên công nghệ này vẫn chưa được thương mại hóa rộng rãi, đòi hỏi cần có sự hợp tác với các nước tiên tiến như Nga, Mỹ, Trung Quốc.

Nếu tận dụng tốt cơ hội, Việt Nam không chỉ làm chủ công nghệ mà còn có thể trở thành trung tâm sản xuất và xuất khẩu các module hạt nhân trong tương lai.

Các công nghệ lò phản ứng hạt nhân

Công nghệ lò phản ứng hạt nhân đã trải qua một chặng đường phát triển dài với bốn thế hệ khác nhau. Thế hệ đầu tiên ra đời trong những năm 1950 - 1960, ngay sau Thế chiến thứ 2, với đại diện tiêu biểu là lò graphite-CO2 của Pháp.

Loại lò này sử dụng uranium tự nhiên làm nhiên liệu do khi đó Pháp chưa làm chủ công nghệ làm giàu uranium. Bên cạnh đó còn có các lò nước áp lực nhỏ, tuy nhiên những lò thế hệ thứ nhất này nay đã không còn hoạt động.

Bước sang giai đoạn 1970 - 1990, thế hệ thứ 2 xuất hiện và vẫn đang vận hành cho đến ngày nay. Thế hệ này bao gồm nhiều loại lò tiên tiến hơn như lò nước áp lực (PWR), lò nước sôi (BWR), lò nước nặng (CANDU) và lò làm mát bằng khí cải tiến (AGR).

Tiếp nối thành công đó, từ sau năm 2000, thế hệ thứ 3 được phát triển với những đại diện nổi bật như VVER1200 của Nga, AP1000 của Mỹ, APR1400 của Hàn Quốc và EPR của Pháp.

Hiện nay, thế hệ thứ 4 đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển với nhiều thiết kế đột phá. Các mẫu lò prototype đang được thử nghiệm bao gồm lò natrium neutron nhanh (SFR), lò nhiệt độ cao (VHTR), lò chì neutron nhanh (LFR), lò nước siêu tới hạn (SCWR), lò khí neutron nhanh (GFR) và lò muối nóng chảy (MSR).

Như vậy, ngành điện hạt nhân hiện đang có hai lựa chọn chính là lò thế hệ thứ 3 và thế hệ thứ 4. Các lò thế hệ thứ 3 về bản chất là phiên bản nâng cấp của thế hệ thứ 2, được cải tiến để đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn mới, đặc biệt là những bài học rút ra từ các sự cố lớn như TMI (Mỹ), Chernobyl (Ukraine) và Fukushima (Nhật).

Trong khi đó, thế hệ thứ 4 được xem là tương lai của ngành với những đột phá công nghệ, đặc biệt là khả năng sử dụng neutron nhanh. Công nghệ này cho phép tận dụng đồng vị U238 chiếm tới 99% uranium tự nhiên, thay vì chỉ sử dụng 0,7% U235 như các lò thế hệ thứ 3, giúp tăng hiệu suất sử dụng nhiên liệu lên gấp trăm lần và giảm thiểu chất thải hạt nhân.

Tuy nhiên, chỉ một số ít quốc gia như Pháp, Nhật, Nga, Trung Quốc và Mỹ đã làm chủ được công nghệ thế hệ thứ 4, và những công nghệ này vẫn chưa được thương mại hóa rộng rãi.

Mô hình nhà máy điện SMR của Kaeri (Hàn Quốc) công suất 100MW - Ảnh: Viện nghiên cứu năng lượng nguyên tử Hàn Quốc (KAERI)

Những SMR

Bên cạnh những lò truyền thống công suất cỡ hơn 1.000MW điện, hiện nay còn có cuộc đua phát triển những lò phản ứng gọi là lò module nhỏ (small modular reactor).

Những lò này theo kiểu thế hệ thứ ba hoặc thứ tư nhưng được thiết kế nhỏ gọn hơn - từ lò rất nhỏ công suất điện nhỏ hơn 50MW cho đến những lò tầm trung công suất 200 - 400MW.

Về độ nhỏ, những SMR có kích cỡ chỉ từ 1/10 đến 1/4 những lò truyền thống thế hệ thứ 2, thứ 3.

Về tính module, SMR được thiết kế chia thành các module có thể được sản xuất và kiểm tra ngay trong xưởng.

Công việc cần làm tại công trường được giảm đến mức tối thiểu, như là kết nối những module được vận chuyển đến trực tiếp từ nơi sản xuất. Việc này giúp xây dựng lò nhanh hơn và chất lượng các thiết bị cũng được kiểm tra tốt hơn.

Một ưu điểm nổi bật của SMR là hệ thống an toàn thụ động, được tối ưu hóa nhờ công suất nhỏ gọn. Trong trường hợp xảy ra sự cố, lò phản ứng sẽ tự động chuyển về trạng thái an toàn mà không cần sự can thiệp của con người hay các nguồn lực bên ngoài như điện và nước làm mát.

Quá trình này hoạt động hoàn toàn dựa trên các nguyên lý vật lý tự nhiên như đối lưu, trọng lực và chênh lệch nhiệt độ. Nhờ đặc tính này, các SMR có thể được xây dựng ở nhiều vị trí khác nhau mà không nhất thiết phải gần nguồn nước lớn như sông hay biển.

Đồng thời, thiết kế này cũng giúp ngăn ngừa các thảm họa tương tự như sự cố Fukushima - nơi sóng thần đã gây ngập lụt và làm mất nguồn điện cung cấp cho hệ thống làm mát khẩn cấp.

Kích thước nhỏ còn giúp kéo dài thời gian một chu trình vận hành giữa hai lần thay nhiên liệu lên đến 5 - 7 năm so với 1 - 1,5 năm của những lò thế hệ thứ 2 và thứ 3. Với công suất nhỏ, những lò module còn ít ảnh hưởng đến mạng lưới điện.

Về mặt kinh tế, việc xây dựng các SMR có nhiều ưu điểm so với lò phản ứng lớn truyền thống. Thay vì phải thực hiện phần lớn công việc tại công trường như đối với lò lớn, các SMR được sản xuất theo mô hình công nghiệp hiện đại, tương tự như ngành sản xuất ô tô hay máy bay.

Các module của lò có thể được sản xuất đồng thời tại nhiều nhà máy khác nhau, thậm chí ở nhiều quốc gia, trước khi được vận chuyển và lắp ráp tại địa điểm xây dựng.

Khi được sản xuất với số lượng lớn, mô hình này mang lại nhiều lợi ích: chi phí giảm nhờ quy mô, chất lượng được kiểm soát tốt hơn nhờ quy trình chuẩn hóa, và hiệu quả cao hơn nhờ chuyên môn hóa sản xuất.

Đặc biệt, việc áp dụng các công nghệ sản xuất tiên tiến như in 3D có thể giúp rút ngắn thời gian và tối ưu hóa quá trình sản xuất các chi tiết và thiết bị của nhà máy.

Lựa chọn nào cho Việt Nam

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều dự án SMR-AMR với các thiết kế rất khác nhau, và độ trưởng thành trong thiết kế cũng rất khác nhau tùy theo loại công nghệ, từ những lò chỉ ở giai đoạn thiết kế ý tưởng, đến những lò đạt mức có thể được công nghiệp hóa.

Các nước phát triển hạt nhân (Nga, Hàn Quốc, Nhật, Pháp, Mỹ, Trung Quốc) đều đang chạy đua phát triển những lò nhỏ.

Tuy nhiên như đã nói ở trên, lợi ích kinh tế của SMR chỉ có thể đạt được nếu một số lượng lớn lò giống nhau được sản xuất ra (tính kinh tế dây chuyền). Hiện nay, chưa một công nghệ nào thực sự bứt phá và tìm kiếm được nhiều đơn đặt hàng.

Điều này một phần vì các nước này đều sản xuất được lò lớn thế hệ thứ 3, không nước nào muốn mạo hiểm xây dựng xưởng sản xuất cho SMR trước khi đảm bảo được nhiều hợp đồng xây dựng.

Đối với các quốc gia mới bắt đầu phát triển năng lượng hạt nhân như Việt Nam, công nghệ SMR mang đến nhiều lợi thế đáng kể so với lò phản ứng truyền thống.

Những ưu điểm này bao gồm mức độ an toàn cao hơn, quy trình sản xuất đơn giản hơn, khả năng tiếp cận và làm chủ công nghệ dễ dàng hơn, chi phí đầu tư thấp hơn, thời gian triển khai nhanh hơn và rủi ro tài chính thấp hơn. Không chỉ vậy, việc phát triển công nghệ này còn mở ra cơ hội để Việt Nam xây dựng các nhà máy sản xuất module hạt nhân.