Các vụ rò rỉ và tai nạn của các lò phản ứng hạt nhân gây ra những hậu quả khủng khiếp cho nhân loại. Có thể có những thương tổn kéo dài hàng thế kỷ. Có vùng đất chết sẽ hình thành sau những vụ thảm kịch ấy. Và chi phí dọn dẹp hậu quả cũng là con số khổng lồ. Nhưng với một số quốc gia năng lượng điện từ các nguồn này là thực sự cần thiết. Họ chưa có nguồn năng lượng thay thế khác. Để khắc phục những nhược điểm của các lò truyền thống. Người ta đã cải tiến công nghệ làm mát mới mà không cần nước.
Trung Quốc có công nghệ là phản ứng hạt nhân sử dụng thorium
Lò phản ứng hạt nhân muối nóng chảy sử dụng thorium thay cho uranium có thể xây trên sa mạc. Và cung cấp điện cho 100.000 người dân. Một nhóm nghiên cứu làm việc cho chính phủ Trung Quốc công bố thiết kế dành cho lò phản ứng thương mại. Hứa hẹn trở thành lò phản ứng đầu tiên trên thế giới không cần nước làm mát. Cho phép xây dựng hệ thống ở những vùng sa mạc xa xôi. Nhằm cung cấp điện cho các khu vực có dân cư đông đúc hơn.
Lò phản ứng muối nóng chảy hoạt động nhờ thorium lỏng thay vì uranium. An toàn hơn so với lò phản ứng truyền thống, phát tán ít bức xạ hơn ra môi trường. Công tác xây dựng lò phản ứng thương mại đầu tiên sẽ hoàn thành năm 2030. Trung Quốc đang lên kế hoạch xây dựng vài lò phản ứng trên các sa mạc và đồng bằng ở khu vực miền trung và miền tây. Nước này cũng cân nhắc xây lò phản ứng ở một số nước theo thỏa thuận trong Sáng kiến Vành đai và Con đường. Bởi khác với uranium, thorium không thể sử dụng để chế tạo vũ khí hạt nhân.
Kế hoạch của Trung Quốc về các lò phản ứng hạt nhân trong tương lai
“Những lò phản ứng quy mô nhỏ có lợi thế lớn về mặt hiệu quả, độ linh hoạt và kinh tế. Chúng có thể đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển giao sang năng lượng sạch trong tương lai.
Theo dự kiến, lò phản ứng cỡ nhỏ sẽ được triển khai rộng rãi trong vài năm tới”, giáo sư Yan Rui và đồng nghiệp ở Viện Vật lý Ứng dụng Thượng Hải, chia sẻ trong nghiên cứu công bố trên tạp chí Kỹ thuật Hạt nhân của Trung Quốc tuần trước. “Lò phản ứng muối nóng chảy có lợi thế là đa mục đích, kích thước nhỏ và độ linh hoạt cao, đồng thời dễ thiết kế. Trong những năm gần đây, tiềm năng của lò phản ứng muối nóng chảy quy mô nhỏ đang thu hút sự quan tâm của cộng đồng quốc tế”.
Một động lực quan trọng cho chương trình lò phản ứng muối nóng chảy đến từ tuyên bố của chủ tịch nước Tập Cận Bình vào năm ngoái. Về việc Trung Quốc sẽ trung hòa carbon năm 2060, theo các nhà khoa học tham gia dự án. Theo kế hoạch chính thức, lò phản ứng ở miền tây hẻo lánh của đất nước sẽ cung cấp nguồn điện sạch và ổn định cho miền đông dân cư đông đúc hơn. Kết hợp với các nhà máy điện gió và điện mặt trời.
Ý tưởng về lò phản ứng hạt nhân bằng muối nóng chảy
Công nghệ cũng có thể cung cấp nguồn năng lượng mới cho tàu chiến của Trung Quốc cũng như tàu sân bay và tàu ngầm. Ý tưởng về lò phản ứng hoạt động bằng muối nóng chảy thay vì cuộn nhiên liệu rắn đã xuất hiện từ thập niên 1940. Trong thập kỷ sau đó, Mỹ bắt đầu chương trình thí nghiệm để chế tạo máy bay ném bom dùng năng lượng từ công nghệ này.
Trong thập niên 1960, Mỹ đã xây dựng một cơ sở để thử nghiệm khả năng sản xuất điện của công nghệ. Trong khi các nước khác như Pháp, Liên bang Xô Viết và Nhật Bản cũng tiến hành những chương trình tương tự. Ý tưởng này rất hấp dẫn. Bởi nhiên liệu lỏng đóng vai trò như chất tự làm mát. Giúp loại bỏ nhu cầu sử dụng nước. Đồng thời độ phóng xạ thấp hơn của thorium giúp giảm bớt nguy cơ phổ biến hạt nhân.
Các dự án ban đầu trên đều thất bại. Do không thể giải quyết vấn đề như đường ống nứt dễ dàng dưới tác động xói mòn của muối nóng chảy chứa phóng xạ. Nhưng giới nghiên cứu đã học hỏi được nhiều từ những thí nghiệm. Trong thời gian gần đây, những nhà nghiên cứu trong lĩnh vực này nhận được sự hỗ trợ đều đặn từ chính phủ Trung Quốc. Năm 2011, Bắc Kinh thông qua kế hoạch xây dựng nguyên mẫu Lò phản ứng muối nóng chảy thorium (TMSR) ở Vũ Uy, thành phố sa mạc ở tỉnh Cam Túc.
Tính an toàn của công nghệ mới
Nhiều nhóm nghiên cứu trên khắp cả nước cũng được huy động để giải quyết vấn đề kỹ thuật khiến những lần thử trước đây đều thất bại. Như phát triển hợp kim chịu bức xạ từ muối thorium ở nhiệt độ gần 1.000 độ C. Dù dự án bị chậm trễ so với lịch trình, một phần do Covid-19. Công tác xây dựng TMSR sẽ hoàn thành vào tháng sau. Và quá trình thử nghiệm thiết bị có thể bắt đầu sớm nhất vào tháng 9/2021.
Tuy nguyên mẫu chỉ có thể sản xuất 2 megawatt (MW). Nếu thành công, đây sẽ là lần đầu tiên ý tưởng biến thành hiện thực. Lò phản ứng thương mại thiết kế bởi Yan và đồng nghiệp có thể cung cấp tới 100 MW. Ít hơn lò phản ứng uranium nhưng đủ để cấp điện cho khu vực dân cư bao gồm 100.000 cư dân. Dù nhà máy điện cần thiết bị khác như turbine hơi nước. Bản thân lò phản ứng chỉ cao 3 m và rộng 2,5 m. Tương đương kích thước phòng tắm.
Lò phản ứng hoạt động thông qua để thorium truyền qua lò. Tham gia phản ứng chuỗi hạt nhân và chuyển nhiệt lượng vào máy phát hơi nước ở bên ngoài trước khi quay lại lò phản ứng để bắt đầu chu kỳ mới. Công nghệ an toàn hơn lò phản ứng hạt nhân truyền thống. Bởi trong trường hợp xảy ra tai nạn, muối nóng chảy sẽ đổ xuống bể chứa dưới lòng đất. Với điểm tan chảy cao, muối nóng chảy sẽ nhanh chóng nguội đi và cứng lại. Mà không cần giải phóng trực tiếp chất thải rắn và lỏng. Qua đó ngăn chặn phân tán phóng xạ vào môi trường.
Lợi thế của Trung Quốc khi sử dụng công nghệ mới
Trung Quốc có một vài trong số những nguồn dự trữ thorium nhiều nhất thế giới. Đây là kim loại giống bạc có độ phóng xạ yếu. Một số nhà khoa học tính toán quốc gia này có trữ lượng thorium đủ để đáp ứng nhu cầu năng lượng trong ít nhất 20.000 năm.
Ngược lại, trữ lượng uranium của nước này thấp nhất trong số các quốc gia có vũ khí hạt nhân. Dù Trung Quốc sắp đưa vào hoạt động 7 – 8 nhà máy điện hạt nhân mới trong vài năm tới. Nhưng nhà chức trách vẫn lo ngại tình trạng thiếu nhiên liệu có thể ảnh hưởng tới an ninh năng lượng của họ.
Lò phản ứng hạt nhân nổi sử dụng muối nóng chảy
Ý tưởng của Công ty khởi nghiệp Seaborg Technologies ở Copenhagen
Công ty khởi nghiệp Seaborg Technologies ở Copenhagen bắt tay vào chế tạo một loại lò phản ứng hạt nhân mới rẻ, cơ động, linh hoạt và siêu an toàn. Với kích thước lớn ngang container; lò phản ứng muối nóng chảy cỡ nhỏ có thể sản xuất hàng loạt với số lượng hàng nghìn chiếc. Sau đó đặt trên sà lan trôi nổi và triển khai trên khắp thế giới.
Tương tự những lò phản ứng muối nóng chảy khác đã tồn tại từ thập niên 1950. Sản phẩm của Seaborg Technologies được thiết kế để giảm tối đa hệ quả từ các vụ tai nạn. Đầu tiên, lò sử dụng nhiên liệu hạt nhân trộn lẫn với muối flo. Hỗn hợp chuyển thành dạng lỏng ở trên 500 độ C. Cho phép chảy qua lò phản ứng vận hành ở áp suất gần với áp suất khí quyển. Muối lỏng đóng vai trò như chất làm mát cho nhiên liệu hạt nhân. Thay thế nước áp suất cao làm mát ở các thiết kế lò phản ứng cũ. Nhưng nếu nhiên liệu này tiếp xúc với không khí thay vì thoát ra dưới dạng hơi nước. Nó hoạt động như dung nham và cứng lại thành đá.
Đá thải ra từ lò có tính phóng xạ, nhưng có thể dọn sạch. Nó cũng có độ hòa tan thấp trong nước nên khá an toàn nếu rơi xuống biển. Thứ hai, nếu nhiệt độ vượt ngoài tầm kiểm soát vì lý do nào đó. Chốt bằng muối đông cứng ở đáy lò phản ứng là thứ đầu tiên tan chảy; lập tức trút lõi lò vào hàng loạt bể làm mát ở bên dưới.
Không tốn mặt bằng như các lò phản ứng hạt nhân truyền thống
Nhưng có lẽ khác biệt có tác động lớn nhất trong thiết kế của Seaborg là lắp lò phản ứng trên sà lan trôi nổi ngoài khơi. Thay vì phát triển nhà máy năng lượng hạt nhân ở đất liền. Lợi thế đầu tiên là khả năng sản xuất số lượng lớn lò phản ứng ở một cơ sở. Các sà lan có thể di chuyển tới bất cứ nơi nào trên hành tinh. Neo ngoài khơi hoặc hoạt động trên những dòng sông lớn nhỏ. Tùy theo kích thước của lò phản ứng. Do đó không cần chuẩn bị sẵn mặt bằng. Hệ thống cũng vận hành hoàn toàn độc lập và dễ dàng kết nối với mạng lưới điện.
Thách thức với tất cả lò phản ứng muối nóng chảy là xói mòn. Bản thân muối nóng chảy có tính ăn mòn rất cao. Đây sẽ là khó khăn lớn trong việc thiết kế mọi thành phần tiếp xúc với muối nhiên liệu. Việc đặt lò trên sà lan trôi nổi trong nước biển cũng tạo điều kiện cho lớp ngoài của lò tiếp xúc với tác nhân ăn mòn. Tàu chở hàng thường được thiết kế để hoạt động 25 năm do ảnh hưởng từ nước biển.
