Lò phản ứng điện hạt nhân dạng mô-đun nhỏ đang bắt đầu trở thành xu hướng được phát triển ứng dụng trên phạm vi toàn thế giới. Những đơn vị đề xuất công nghệ và các khoa học gia hạt nhân đều cho rằng đây là một giải pháp năng lượng hạt nhân an toàn rồi theo thời gian nó sẽ có giá thành rẻ hơn.

Có nhiều màn hình được xếp ngay ngắn thành hàng trong một phòng điều khiển kín nhưng rộng rãi tại Corvallis, bang Oregon, nơi các kỹ sư của công ty Nuscale Power theo dõi thu nhận sóng năng lượng hạt nhân, có nhiều hình biểu tượng hiển thị phát sáng trên các màn hình lớn, thể hiện sản lượng điện của 12 lò phản ứng hạt nhân thu nhỏ hoạt động đồng loạt với nhau. Theo tính toán, các lò phản ứng mô-đun thu nhỏ này sẽ tạo ra một tổng lượng điện năng bằng với lượng điện của một nhà máy điện hạt nhân thông thường ở Hoa Kỳ - sản xuất đủ điện để cung cấp cho một quần thể 540.000 nóc gia. Trên một màn hình lớn, xuất hiện một số biểu tượng hình cây cọ cho biết đơn vị lò phản ứng nào trong số cả chục lò đang vận hành là cái đang được tùy biến thiết lập hoạt động ở chế độ độc lập, cho phép trung tâm ngắt kết nối, loại khỏi mạng lưới trong trường hợp khẩn cấp.

Phòng điều khiển giả lập, đơn vị thiết kế lò phản ứng mô-đun nhỏ của NuScale Power ở Oregon.

Một điều thật thú vị, phòng điều khiển này chỉ là một hệ thống giả lập và dĩ nhiên các lò phản ứng được mô tả thể hiện bằng các biểu tượng đang xuất hiện trên hệ thống bao gồm các màn hình máy tính lớn nêu trên, trong thực tế hoàn toàn không tồn tại.

Nuscale Power đã đầu tư hơn 900 triệu dollars để phát triển công nghệ lò phản ứng mô-đun thu nhỏ - Small Modular Reactors - viết tắt là SMR.

Nuscale cho biết họ là đại diện điển hình cho mô hình phát triển công nghệ, vận hành các nhà máy điện hạt nhân cỡ nhỏ - đây là thế hệ tiếp theo của các lò phản ứng điện hạt nhân đang có trong hiên tại. Nuscale đang thao tác vận hành suông sẻ mọi việc trên một nguyên mẫu quy mô đầy đủ hoàn chỉnh và cho biết họ đang trong giai đoạn tiến tới khởi công xây dựng một nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của mình - Một dự án điện năng hạt nhân có công xuất 720 megawatt, tạo ra điện hạt nhân thương mại cho một vùng dân cư ở Idaho – dự án sẽ được hoàn tất trong vòng hai năm. Ủy ban điều tiết điện hạt nhân Hoa Kỳ cũng vừa hoàn tất giai đoạn đánh giá về thiết kế của Nuscale, chứng nhận loại SMR đầu tiên mà ủy ban đã xem xét, dự kiến ​​phê duyệt chấp thuận vào cuối năm 2020. Trước đó Bộ Năng lượng Hoa Kỳ đã đầu tư 317 triệu dollars vào nghiên cứu và phát triển dự án SMR này của Nuscale Power.

Nuscale không phải là đơn vị duy nhất trên thế giới phát triển mô hình các lò phản ứng thu nhỏ SMR. Tại Nga, chính phủ cũng đã từng ra mắt một lò phản ứng công xuất 70MW được thiết kế nổi trên biển Bắc Băng Dương. Trung Quốc đã công bố kế hoạch từ năm 2016 để phát triển thiết kế SMR nổi do ngân sách nhà nước tài trợ. Ba tỉnh của Canada - Ontario, New Brunswick và Saskatchewan - đã ký một bản ghi nhớ để xem xét việc phát triển và triển khai các lò phản ứng mô-đun nhỏ SMR. Tập đoàn Rolls-Royce ở Anh cũng đang nghiên cứu phát triển SMR có công xuất 440MW.

Những người đề xuất mô hình SMR đều cho rằng hiện đang là thời điểm chín muồi cho làn sóng xây dựng loại lò phản ứng điện hạt nhân thu nhỏ thế hệ mới này vì nhiều lý do. Đầu tiên, nếu cộng đồng toàn cầu đang có bất kỳ hy vọng nào về việc cắt giảm lượng khí thải CO2 vào giữa thế kỷ 21 này, các công nghệ mới về điện hạt nhân phải được xem xét đưa vào hoạt động thương mại trong bối cảnh phát triển hơn nữa các nguồn năng lượng. Thứ hai, năng lượng hạt nhân truyền thống đang gặp phải nhiều vấn đề, trên khắp thế giới, có nhiều nhà máy điện hạt nhân hiện đã cũ kỹ mà việc xây dựng thay thế bằng các nhà máy năng lượng hạt nhân mới có quy mô lớn đang giậm chân tại chỗ vì sự chậm trễ và chi phí khổng lồ. Ước tính một nhà máy điện hạt nhân quy mô lớn có thể tiêu tốn hơn 10 tỷ dollars. Những người ủng hộ loại lò phản ứng mô-đun nhỏ bằng nhiều cách, chứng minh cho thấy việc lắp đặt vận hành lò SMR dễ dàng nhanh chóng và chi phí rẻ hơn nhiều.

2 Rolls-Royce đang dẫn đầu một nhóm phát triển các lò phản ứng hạt nhân cỡ nhỏ trên các trang nền của các nhà máy điện hạt nhân cũ.

Theo chiều ngược lại, có nhiều người lại chỉ trích năng lượng hạt nhân, cho rằng các lò phản ứng mô-đun dù nhỏ cũng gặp phải nhiều vấn đề tương tự như lò phản ứng quy mô lớn, đáng chú ý nhất là vấn đề vận hành và xử lý chất thải phóng xạ chưa được giải quyết thỏa đáng. Những người phản đối cho rằng ngay cả ở dạng lò thu nhỏ, năng lượng điện hạt nhân vẫn rất đắt - đó là một trong những dạng năng lượng tốn kém nhất, đòi hỏi phải có trợ cấp đáng kể từ chính phủ để xây dựng và vận hành, chưa kể đến bảo hiểm. Nuscale thông qua mô hình SMR tính toán sẽ cung cấp gía điện tiêu thụ ở mức trần là 6,5 cent mỗi kilowatt giờ, giá thành này được đưa ra sau khi cân nhắc kỹ lưỡng, như một động lực để chính thức đưa dự án đầu tiên của mình đi vào hoạt động thương mại. Sở Nước và Điện lực Los Angeles cho biết đối với chính sách mua điện từ nguồn năng lượng tái tạo, họ chỉ chấp nhận giá thầu mua điện ở mức 2 cent mỗi kWh.

Có một số khác lại lập luận cho rằng năng lượng hạt nhân chỉ có thể cạnh tranh khi giá năng lượng tái tạo tăng mạnh. Hơn một phần ba các nhà máy điện hạt nhân của Mỹ hiện không có lợi nhuận hoặc dự kiến sẽ phải ​​đóng cửa. Trên phạm vi toàn cầu, năng lượng điện hạt nhân hiện chỉ chiếm 10,8% trong năm 2015, mức giảm kỷ lục là 17,6% vào năm 1996. Sau thảm họa nhà máy điện hạt nhân tại tỉnh Fukushima năm 2011 tại Nhật Bản, Đức đã quyết định đóng cửa hoàn toàn ngành công nghiệp điện hạt nhân và sau đó các nước như Bỉ, Thụy Sĩ và Ý đã từ chối thay thế dần các lò phản ứng hiện có hoặc có dự định tiến lên sử dụng các lò công nghệ mới, an toàn hơn.

Các công ty và nhà khoa học ủng hộ kế hoạch phát triển lò phản ứng mô-đun nhỏ SMR cho rằng công nghệ này sẽ mang đến một hướng đi mới cho năng lượng hạt nhân, đây là một giải pháp tiên tiến, khắc phục được nhiều nhược điểm nan giải của lò phản ứng lớn truyền thống. SMR ít có khả năng bị nóng quá mức, một phần vì lõi của nó nhỏ nên tạo ra nhiệt ít hơn. Các thiết kế sáng tạo trong công nghệ SMR cũng có thể giảm thiểu hoặc loại bỏ các rủi ro kỹ thuật khác thí dụ như trường hợp khi máy bơm làm mát bị hỏng. Nuscale cho biết công nghệ lò SMR của họ thiết kế các bộ phận chi tiết chuyển động ít hơn so với các lò phản ứng truyền thống nên giảm hẳn nguy cơ xảy ra các trục trặc kỹ thuật là nguồn gốc gây tai nạn hạt nhân nghiêm trọng.

Ngoài ra xây dựng các lò phản ứng thu nhỏ cũng cho phép lò được sản xuất hàng loạt tại một cơ sở trung tâm rồi được vận chuyển, lắp đặt tại những địa điểm xa xôi, nơi mà lò phản ứng thông thường có quy mô lớn không thể triển khai được. SMR thường được thiết kế có công xuất 50 đến 300MW, so với công xuất 1.000MW là mức bình quân của các lò phản ứng điện hạt nhân quy mô lớn kiểu truyền thống. Có lẽ sau đây mới là điều quan trọng nhất: những người đề xuất ủng hộ SMR tin rằng nhờ giá thành thấp, có thể được chế tạo vận chuyển dễ dàng, lắp đặt nhanh chóng, vận hành an toàn, các lò phản ứng hạt nhân mô-đun thu nhỏ SMR sẽ mở ra cho họ thị trường mới ở các nước đang phát triển.

Các nhà máy điện hạt nhân truyền thống cỡ lớn ngày càng được xem là giải pháp tốn kém.

Đồng sáng lập kiêm giám đốc công nghệ của Nuscale, ông Jose Reyes cho biết về sự an toàn và khá đơn giản về SMR. Theo ông, các lò phản ứng thu nhỏ tuy là một ý tưởng mới nhưng trên thực tế công nghệ này đã có từ lâu rồi. Lò SMR đầu tiên được đưa vào hoạt động là khoảng đầu năm 1955, được xây dựng ở sông Elk, bang Minnesota, dự án này lúc đó vượt quá ngân sách 9,8 triệu dollars và chỉ hoạt động được ba năm rưỡi trước khi xuất hiện các vết nứt ở hệ thống làm mát lò.

Năm 2000, Bộ Năng lượng đã tài trợ cho một dự án tại Đại học bang Oregon để nghiên cứu một lò phản ứng nước nhẹ đa ứng dụng. Năm 2007, trường đại học đã cấp độc quyền cho Nuscale với giải pháp thiết kế mới SMR, cũng như cho phép Nuscale được tiếp tục sử dụng cơ sở thử nghiệm của nhà trường. Năm 2011, Fluor Corporation, một công ty kỹ thuật đa quốc gia, đầu tư thêm vào Nuscale. Năm 2018, Ủy ban điều tiết điện hạt nhân Hoa Kỳ đã phê duyệt giai đoạn đầu, đánh giá thiết kế SMR của Nuscale. Nuscale Power có gần 400 nhân viên, 529 bằng sáng chế đã được cấp hoặc đang chờ kết quả chứng nhận bản quyền.

Cũng nên biết rằng trên thế giới còn nhiều thiết kế khác đang được phát triển theo dạng SMR nhưng chung quy đó chỉ là cách thu nhỏ hệ thống các nhà máy hạt nhân có quy mô lớn với định hướng triển khai giải pháp sử dụng ít nhiên liệu hơn mà thôi.

Lò SMR công nghệ của Nuscale Power

SMR của Nuscale nội trội do thiết kế chỉ cao 23 mét, tính toán cho thấy với một tập hợp 125 lò phản ứng của Nuscale có thể được bố trí thay thế, đưa vào lắp đặt hoạt động đồng loạt trong một tòa nhà của lò phản ứng truyền thống quy mô lớn, mặc dù Nuscale có kế hoạch triển khai SMR theo từng cụm nhỏ chỉ với 12 lò. Hệ thống lò SMR của Nuscale về nguyên tắc cũng không khác gì các lò lớn, nhưng tính khác biệt độc đáo được thể hiện ở phần lõi nhiên liệu sử dụng hơi nước làm mát tách biệt hẳn với dàn máy phát điện được bố trí trong một khoang riêng. Điều này làm giảm nguy cơ xảy ra tai nạn do các đường ống ít có khả năng bị vỡ. Công nghệ độc đáo SMR của Nuscale sử dụng nhiệt ngay tại lõi để điều khiển dòng nước làm mát, loại bỏ hoàn toàn cụm thiết bị bơm làm mát cùng các bộ phận chuyển động liên quan là những thứ dễ bị hỏng hóc. Mỗi đơn vị lò SMR sẽ hoạt động khép kín độc lập nhưng sử dụng chung một hệ thống làm mát.

Vế khía cạnh thuần túy kỹ thuật, một lò phản ứng hạt nhân kiểu truyền thống khi bị mất nước làm mát, nhiệt độ của lò ngay tại lõi sẽ tăng dần bởi phản ứng nhiệt hạch cho đến khi lò phát nổ như trường hợp đã xảy ra tại Chernobyl ở Ukraine vào năm 1986. Còn trong thảm họa hạt nhân của lò Fukushima Daiichi năm 2011 tại Nhật, sau khi sóng thần làm hỏng máy phát điện khiến việc bơm nước làm mát vào lò bị gián đoạn, ngay cả sau khi lò đã bị tắt, năng lượng phát sinh từ phản ứng nhiệt hạch vẫn tiếp tục làm tan chảy lõi gây ra thảm họa phóng xạ. Đó là lý do tại sao các kỹ sư của Nuscale đã chế tạo một loại van ứng cứu tự động trên các khoang của từng đơn vị lò SMR riêng biệt, van sẽ mở ra khi mất điện và đưa ngay hơi nước vào khoang, nước ngưng tụ, tuần hoàn làm mát lò mà không cần máy bơm. Ngay cả trong trường hợp xấu nhất, khi mất toàn bộ nguồn điện cần thiết để vận hành, lò phản ứng sẽ tự động tắt một cách an toàn và giữ mát trong thời gian không giới hạn.

Reyes cho biết thêm, đây là lần đầu tiên, một chương trình điện hạt nhân do tư nhân đầu tư được phép thương mại hóa. Vào năm 2015, Sở điện lực thành phố Utah, nơi có trách nhiệm cung cấp điện trải rộng khắp sáu tiểu bang ở miền tây Hoa Kỳ, đã đồng ý cho xây dựng lò phản ứng công nghệ của Nuscale. Với sự hỗ trợ tài chính từ Bộ Năng lượng, Sở đã quyết định chọn địa điểm xây dựng tại Cơ sở Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho, gần Idaho Falls, bang Idaho. Công trình xây dựng rất tốn kém, Ross Snuggerud, giám đốc vận hành kỹ thuật của Nuscale cho biết. Chỉ riêng một mục hàng rào vành đai khu vực đã ngốn hết 1,4 tỷ dollars. Nuscale lên kế hoạch vận hành các lò phản ứng SMR của mình vào năm 2027.

Tại Derby ở Anh, Tập đoàn Rolls-Royce cũng đang làm việc trên một thiết kế SMR khác cho một lò phản ứng công xuất 440MW. Có vẻ như năng lượng điện hạt nhân là lãnh vực nằm ngoài phạm vi hoạt động thông thường nhưng theo Rolls-Royce, họ vẫn tin rằng đây là một bước ngoặt lớn sẽ mang lại hiệu quả kinh tế. Rolls-Royce có kế hoạch triển khai công nghệ SMR của mình trên các khu công nghiệp cũ, thậm chí có thể lắp đặt trở lại trên cơ sở các nhà máy điện hạt nhân quy mô lớn đã bị đóng cửa. Tuy vậy các thiết kế của Rolls-Royce vẫn còn trong giai đoạn đầu. Đến nay, Rolls-Royce đã nhận được tài trợ 18 triệu bảng từ chính phủ Anh, họ đang yêu cầu thêm 200 triệu bảng.

Bỏ qua những rào cản về tài chính và các quy định, cả Rolls-Royce lẫn Nuscale đều dự đoán một thị trường rộng lớn sẽ đến với họ, đó là khả năng cung cấp lò phản ứng loại nhỏ SMR cho các nước Châu Phi và Nam Mỹ, là các quốc gia ngoài hệ thống lưới điện kém hiệu quả lại không có khả năng tài chính dồi dào để xây dựng lò phản ứng quy mô lớn truyền thống. Ngay ở các nước phát triển, SMR vẫn có thể dễ dàng mang lại khả năng tạo ra điện cung cấp cho những khu vực xa xôi hẻo lánh, như Canada chẳng hạn, gần đây đã công bố kế hoạch nghiên cứu xác định trước các địa điểm có tiềm năng xây dựng SMR ở phía bắc, là vùng lãnh thổ lạnh giá quanh năm bao phủ bởi băng tuyết, nơi đây hiện còn đang dùng động cơ diesel để tạo ra nguồn điện sinh hoạt.

Còn các công nghệ khác với SMR thì sao? Người ta cho rằng dù bất kể quy mô nào, năng lượng hạt nhân luôn có những lo ngại về mức chi phí quá lớn và độ an toàn chưa được giải quyết triệt để. SMR có thể sẽ giúp mang lại lợi ích nhiều hơn khi được sử dụng không chỉ để tạo ra năng lượng điện mà còn phát triển các lò phản ứng sản xuất Hydro dùng làm nhiên liệu hoặc hỗ trợ giải pháp khử muối trong nước biển ở mức độ công nghiệp. Nuscale cũng đồng tình cho rằng sử dụng năng lượng điện dư thừa từ SMR để khử muối có thể là một thị trường sinh lợi, giúp bù đắp vào chi phí sản xuất điện thương mại hiện đang có giá thành tương đối cao của nó.

Để có thể giảm tối đa giá thành trên điện sản xuất thương mại, SMR phải được chế tạo triển khai với số lượng lớn do đó cần phải có một thiết kế SMR được tiêu chuẩn hóa. Nhưng để một công ty đầu tư vào sản xuất hàng loạt lò cùng các thành phần thiết bị khác cho hệ thống của nó, các nhà đầu tư cần một thị trường đáng tin cậy mà trong thực tế nhiều nhà đầu tư tư nhân lại luôn tỏ ra dè chừng với công nghệ mới.

Kinh nghiệm gần đây nhất về SMR là của Westinghouse, họ đã làm việc trên một thiết kế SMR từ một thập kỷ trước, cuối cùng phải từ bỏ vào năm 2014. Transatomic Power có trụ sở tại Massachusetts, là một công ty công nghệ hạt nhân, đã hủy bỏ đeo đuổi SMR vào năm 2018 mặc dù đã được chính phủ Hoa Kỳ tài trợ 111 triệu dollars. Một thiết kế SMR khác từ Babcock & Wilcox, một nhà phát triển năng lượng tiên tiến, đã đóng hồ sơ vào năm 2017. Trong khi Nga xoay sở mọi cách để có được SMR do nhà nước tài trợ thì chi phí xây dựng của lò đã vượt quá ước tính ban đầu gấp bốn lần và giá thành sản xuất cũng cao gấp bốn lần so với giá điện hạt nhân của Hoa Kỳ trong hiện tại.

Chuyển sang vấn đề xử lý chất thải phóng xạ, Mô-đun SMR áp dụng nguyên tắc lò phản ứng nước, thách thức lớn nhất đối với các nhà thiết kế chính ở chỗ công nghệ SMR vẫn sẽ tiếp tục tạo ra chất thải có độ phóng xạ cao, xét cho cùng, đến nay không có quốc gia nào có giải pháp lâu dài an toàn về cách xử lý đối với loại chất thải nguy hiểm này. Hoa Kỳ đã tìm được một nơi giúp lưu trữ vĩnh viễn chất thải hạt nhân tại vùng hoang mạc bang Nevada kể từ năm 1987 nhưng cũng nên biết thêm rằng có đến hơn 70% chất thải hạt nhân tại Hoa Kỳ đang còn chứa trong các bể làm mát trên mặt đất tại 98 lò phản ứng điện hạt nhân, nằm rải rác trên 30 tiểu bang, mà thường với số lượng lớn như vậy thì ít được coi an toàn.

Công nghệ SMR của Nuscale hy vọng sẽ thay thế các nhà máy nhiệt điện sử dụng than ở Mỹ và Anh, Nuscale cho biết có thể triển khai trên cơ sở các nhà máy điện đã bị đóng cửa thậm chí xây dựng ngay tại các khu vực đông dân cư, Ủy ban Điều tiết Hạt nhân (NRC) Hoa Kỳ đang xem xét loại bỏ bớt một số biện pháp an toàn tiêu chuẩn, bao gồm nới lỏng cả yêu cầu về một khu vực sơ tán khẩn cấp và sự cần thiết của nguồn điện dự phòng. Nuscale cho rằng vì SMR chỉ chứa một lượng nhỏ chất phóng xạ, lò có thể được xây dựng chôn ngầm dưới lòng đất nên độ rủi ro thấp nhưng điều này lại đưa đến những lời chỉ trích gay gắt từ chính các chuyên gia hạt nhân. Ngay cả Liên minh các nhà khoa học có khuynh hướng cổ vũ năng lượng hạt nhân cũng chỉ trích thái độ vô trách nhiệm khi phê phán NRC có ý định giảm thiểu yêu cầu an toàn và an ninh cho bất kỳ lò phản ứng nào ở mọi quy mô.

Duy chỉ có một điều mà tất cả mọi người dường như đồng tình đó là nhu cầu tìm kiếm một nguồn năng lượng mới không có carbon đang là vấn đề rất cấp bách. Những người ủng hộ giải pháp hạt nhân đã lập luận rằng kỳ vọng giảm lượng khí thải xuống bằng 0 sẽ không thể đạt được trong thời gian đủ nhanh nếu không dựa vào năng lượng hạt nhân, bởi vậy đã có một sự đồng thuận trong chính sách năng lượng rằng nhận định này là hoàn toàn đúng.

Nhưng song song đó cũng phải nhìn nhận thêm quy mô năng lượng tái tạo từ gió và mặt trời cũng đã gia tăng nhanh hơn dự kiến, đến khi nào công nghệ lưu trữ năng lượng của nó được cải tiến hiệu quả hơn thì lúc đó nó vẫn còn có ý nghĩa dù song song đó có cả năng lượng điện hạt nhân của bất kỳ công nghệ nào.

Kết luận của Peter Bradford cựu thành viên Ủy ban Điều tiết Hạt nhân Hoa Kỳ NRC: “Điều thực sự cần thiết vào thời điểm này là phải có sự cạnh tranh giữa các nguồn năng lượng với nhau để xem ai có thể mang lại lợi ích cao nhất cho việc giảm lượng khí thải carbon bằng chi phí thấp nhất.”

APP ILIXX Admin