Mở rộng quy mô năng lượng hạt nhân toàn cầu: Không chỉ là chuyện riêng của ngành hạt nhân
Để góp phần giải quyết một cách nhanh chóng và hiệu quả cuộc khủng hoảng khí hậu toàn cầu, chúng ta không thể bỏ qua năng lượng hạt nhân, một phần quan trọng của nguồn năng lượng hỗn hợp ít phát thải carbon, sạch và đáng tin cậy. Trong cuộc chạy đua biến đổi khí hậu này, ngành công nghiệp hạt nhân thế giới cần sự hỗ trợ của các chính phủ, trước mắt cũng như lâu dài.
Chương trình Harmony của Hiệp hội hạt nhân thế giới (World Nuclear Association) ước tính, năng lượng hạt nhân cần được mở rộng tương đương với mức gia tăng của năng lượng tái tạo để có thể cung cấp ít nhất 25% nhu cầu điện năng thế giới vào năm 2050. Điều đó tương đương với việc cần gia tăng số lượng các nhà máy điện hạt nhân được xây mới hàng năm với công suất khoảng 1 gigawatt (Gwe) từ 7 nhà máy lên khoảng 30 nhà máy. Trong cuộc chạy đua với biến đổi khí hậu, việc xây dựng 30 nhà máy hạt nhân mới mỗi năm là một mục tiêu đầy tham vọng và ẩn chứa nhiều thách thức. Vậy, ngành hạt nhân thế giới phải đối đầu với những vấn đề gì để đạt được mục tiêu này, nhất là khi nó đang ở trong thế gắn bó chặt chẽ giữa các hệ thống nhà máy điện hạt nhân, công nghệ hạt nhân cũ và mới?
Tuy nhiên, những vấn đề đặt ra trong thực tiễn hiện nay còn phức tạp hơn thế. Theo một nghiên cứu gần đây của Sáng kiến Năng lượng MIT (MIT Energy Initiative), các bài học và vấn đề diễn ra trong các lĩnh vực công nghiệp khác cũng có thể liên quan tới việc cải thiện quy hoạch, cấp phép và xây dựng cơ sở hạt nhân, vốn là những yếu tố hiện đang gây khó khăn cho ngành công nghiệp hạt nhân. Từng trải qua thời kỳ hoàng kim vào cuối những năm 1970 và đầu những năm 1980 nhưng sau nhiều thập kỷ, ngành công nghiệp hạt nhân đã mất khả năng đó trong vài thập kỷ vì nhiều lý do chủ quan và khách quan. Để hạn chế những điểm bất lợi đó và đưa năng lượng hạt nhân trở lại với tư cách là một giải pháp bền vững trong giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu, chúng ta cần các hỗ trợ ngoài ngành hạt nhân để có thể triển khai từng giai đoạn nâng cấp nhà máy và xây dựng các nhà máy mới với công nghệ tiên tiến.
Cần xây dựng các nhà máy công nghệ hạt nhân thế hệ mới
Thiết kế và xây dựng nhà máy điện hạt nhân thương mại thường dựa trên quy mô thế hệ bắt đầu từ các nhà máy thế hệ thứ nhất (Gen I) cho đến các nhà máy thế hệ thứ tư (Gen IV) tiên tiến nhất. Hiện tại, hầu hết các nhà máy hạt nhân trên thế giới đều thuộc thế hệ công nghệ thứ hai (Gen II). Ở một số quốc gia trên thế giới, lò phản ứng thế hệ thứ ba và tiên tiến (Gen III và III +) cũng được hoàn thành và kết nối với lưới điện. Diễn đàn quốc tế thế hệ IV (The Generation IV International Forum GIF), một tổ chức quốc tế thúc đẩy các công nghệ năng lượng hạt nhân mới, đã xác định sáu hệ thống năng lượng hạt nhân hứa hẹn nhất cho hiện thực hóa thương mại bao gồm các lò phản ứng nhanh khác nhau với chu trình nhiên liệu kín, lò phản ứng muối nóng chảy, lò phản ứng siêu tới hạn và lò phản ứng nhiệt độ rất cao. Ở đây, chu trình nhiên liệu khép kín là chúng ta có thể tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và trích xuất những yếu tố đã tham gia vào quá trình tạo năng lượng như uranium và plutonium tại cùng một vị trí của lò phản ứng. Điều này sẽ giúp chúng ta không phải vận chuyển nhiên liệu có chứa plutonium tới nơi chôn cất nhiên liệu như cách làm thông thường, vốn có khoảng cách xa với nhà máy điện hạt nhân, thậm chí xuyên biên giới.
Phần lớn, các công nghệ hạt nhân tiên tiến này đều sử dụng chu trình nhiên liệu kín. Dù đang thăm dò và nghiên cứu chu trình như vậy nhưng hiện tại, Hoa Kỳ vẫn đang sử dụng chu trình nhiên liệu mở, vốn không cần xử lý lại hoặc tái chế nhiên liệu đã qua sử dụng (trước đây, Hoa Kỳ là nhà tiên phong của lò phản ứng neutron nhanh làm mát bằng natri cho đến khi quyết định từ bỏ công nghệ đầy hứa hẹn này do những lo ngại về sự phổ biến vũ khí hạt nhân). Mặt khác, Nga và Pháp sử dụng chu trình nhiên liệu kín cho thế hệ lò phản ứng hiện tại. Các công nghệ Gen IV tiên tiến với các ý tưởng tái xử lý nhiên liệu hạt nhân vẫn còn trong giai đoạn đầu của nghiên cứu và phát triển. Do đó, chúng ta vẫn cần nhiều năm thử nghiệm trước khi triển khai các lò phản ứng Gen IV một cách tin cậy, an toàn, không phát sinh chi phí đầu tư trên quy mô thương mại.
Chính sách hỗ trợ các công nghệ hạt nhân thế hệ cũ và mới
Chúng ta cần rất nhiều năm để tới khi công nghệ thế hệ Gen IV sẵn sàng được thương mại hóa. Do đó, để đáp ứng mục tiêu xây dựng 30 nhà máy hạt nhân mỗi năm, chúng ta nên áp dụng một cách làm phù hợp: gia hạn tuổi thọ và gia hạn giấy phép cho các lò phản ứng hiện hành trong thời gian tới; ra mắt các lò phản ứng thế hệ Gen III và III + nâng cấp trong thời kỳ trung hạn; xây dựng các lò phản ứng, chủ yếu theo công nghệ Gen IV trong dài hạn.
Khuyến nghị ngắn hạn (2020-2030). Ngày nay, có khoảng 450 lò phản ứng hạt nhân đang vận hành trên toàn thế giới với công suất khoảng 400.000 megawatt điện (Mwe). Nhiều lò phản ứng thế hệ II với độ tuổi từ 30 đến 40 năm đang phải đối mặt với khả năng ngừng hoạt động hoặc gia hạn giấy phép. Tại Hoa Kỳ, 86 trong số 99 nhà máy hạt nhân đã được gia hạn giấy phép để kéo dài thời gian hoạt động lên tới 60 năm, thậm chí có kế hoạch mở rộng thời gian lên tới 80 năm. Tuy nhiên, việc gia hạn thời gian vận hành sẽ phải vượt qua những đánh giá an toàn nghiêm ngặt, đồng thời chứng minh được tính kinh tế trong vận hành. Hiện tại, Pháp cũng đang theo đuổi việc kéo dài tuổi thọ cho nhóm lò phản ứng hiện tại của mình thêm 10 năm (theo quy định Grand Carénage của Cơ quan điện lực Pháp EDF).
Việc cấp giấy phép gia tăng thời gian vận hành cho 214 lò phản ứng có công suất 200.368 Mwe, vốn đã qua 30 đến 40 năm vận hành, thay vì đóng cửa chúng sẽ giúp năng lượng hạt nhân khả năng giữ vững vị trí trong cung cấp điện năng trên quy mô toàn cầu.
Ngoài việc mở rộng giấy phép hoạt động của các nhà máy này, cần thiết có thêm sự hỗ trợ của chính phủ thông qua cung cấp các khoản tín dụng để nâng cấp kỹ thuật như thay thế máy phát hơi nước, các biện pháp kiểm soát lũ lụt, tháp giải nhiệt hoặc tăng cường khả năng chống động đất. Những gì diễn ra trong hiện tại cho thấy, ở nhiều quốc gia, năng lượng hạt nhân không có được điều này. Ví dụ tại Hoa Kỳ, bất kỳ khoản hỗ trợ nào cho điện hạt nhân từ chính phủ tại Hoa Kỳ cũng bị phản đổi, mặt khác nó còn phải chịu cạnh tranh về chi phí với các nhà máy khí tự nhiên, góp phần dẫn đến việc đóng cửa sớm khoảng 20 nhà máy hạt nhân. Mặc dù trước mắt các nhà máy khí đốt tự nhiên thải ra ít carbon hơn các nhà máy nhiệt điện than về lâu dài nhưng chính phủ cần kéo dài tuổi thọ của các nhà máy hạt nhân hiện tại, dự kiến sẽ phải đóng cửa sớm vào năm 2025. Tuy nhiên ở Nga, với sự chỉ đạo trực tiếp của chính phủ, ngành công nghiệp hạt nhân đang phát triển mạnh và nhận được sự hỗ trợ dưới nhiều hình thức khác nhau.
Khuyến nghị trung hạn (2025-2040). Trong giai đoạn này, với nhu cầu ngày càng tăng về điện năng và sự cấp bách thay thế các nhà máy than hiện có, các nước đang phát triển cần xây dựng các nhà máy điện hạt nhân mới. Khó khăn mà họ phải đối mặt là phải mất từ 5 đến 8 năm để xây dựng một nhà máy điện hạt nhân mới, điều này khiến tăng chi phí đầu tư. Do vậy, cần giảm thời gian xây dựng để đáp ứng yêu cầu của 30 nhà máy mỗi năm và để có được điều này, các chính phủ có thể áp dụng một chiến lược tiêu chuẩn hóa có thể nhân rộng, giúp kiểm soát và giảm chi phí vốn đầu tư của các nhà máy hạt nhân.
Có thể trong giai đoạn này, những thay đổi đáng kể cần được thực hiện trong ngành công nghiệp hạt nhân của Hoa Kỳ để hỗ trợ sản xuất và xây dựng các nhà máy mới. So với Trung Quốc, Hoa Kỳ phải đối mặt với các vấn đề pháp lý, hậu cần và kinh tế phức tạp và rối rắm hơn. Ví dụ, việc xây dựng hai lò phản ứng nước nhẹ tiên tiến ở Nam Carolina đã bị bỏ xó vì chi phí tăng, sự chậm trễ trong xây dựng… Westinghouse, nhà cung cấp công nghệ cho nhà máy, đã tuyên bố phá sản trong khi hai dự án có thiết kế tương tự và quy mô lớn hơn ở Trung Quốc đã hoàn thành và kết nối với lưới điện quốc gia.
Rút những bài học kinh nghiệm này, các nước phát triển nên áp dụng cách quản lý dự án và triển khai xây dựng thành công như vậy. Để mọi việc được tiến hành thuận lợi, các chính phủ cần đầu tư kinh phí để chia sẻ chi phí cấp phép theo quy định, chi phí cho R&D cũng như chi phí dành cho lò phản ứng đầu tiên theo công nghệ mới để giúp ngành đạt được các mốc kỹ thuật cụ thể. Tương tự các khoản kinh phí đầu tư cho các nhà máy điện gió, hỗ trợ của chính phủ trong các khoản tín dụng chi phí sản xuất để thưởng cho hoạt động thành công của các thiết kế mới sẽ hữu ích, thúc đẩy sự ra đời các nhà máy điện hạt nhân công nghệ mới.
Chúng ta có thể nhìn thấy hiệu quả từ các hỗ trợ này, ví dụ việc thiết kế lò phản ứng một cách hiệu quả sẽ tránh được các yêu cầu làm lại tốn kém sau này khi tiến hành xây dựng. Điều này càng có ý nghĩa bởi sau tai nạn nhà máy hạt nhân Fukushima, một số tiến bộ về an toàn được bổ sung với những yêu cầu mới về các loại vật liệu ốp và nhiên liệu mới, bể chứa nước lớn trong trường hợp mất chất làm mát và xây hai lớp vỏ bảo vệ lò phản ứng cũng như các bơm, máy phát điện diesel phòng trường hợp khẩn cấp được chuyển lên khu vực cao hơn.
Về môi trường pháp lý, các chính phủ nên thiết lập các chương trình tài trợ xung quanh việc thử nghiệm nguyên mẫu và triển khai thương mại hóa các thiết kế lò phản ứng tiên tiến. Để tăng cường năng lực cho nguồn nhân lực, các chính phủ nên hỗ trợ việc đào tạo tại các trường đại học gần với các nhà máy điện hạt nhân; mở rộng các chương trình đào tạo quốc tế phối hợp dựa trên kinh nghiệm thành công đạt được từ những nơi khác nhau; khuyến khích tất cả các quốc gia có nhà máy điện hạt nhân trở thành thành viên của các tổ chức an toàn hạt nhân để cải thiện năng lực an toàn của mình.
Khuyến nghị dài hạn (2040-2050). Theo Diễn đàn quốc tế Gen IV, trong các khung thời gian dài hơn, các lò phản ứng Gen IV sẽ chiếm ưu thế tại những nhà máy điện hạt nhân mới. Song song với đó, các lò phản ứng nhanh sẽ đem lại nhiều lợi ích tiềm năng như sử dụng tài nguyên uranium tốt hơn, ví dụ việc tạo ra mỗi Gwe điện trên lò phản ứng nước nhẹ thông thường cần tới khoảng 75 tấn nhiên liệu uranium với độ làm giàu thấp nhưng đối với các lò phản ứng tiên tiến như lò phản ứng nhanh BN-1200 mới của Nga chỉ cần 4 tấn.
Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại, việc mở rộng quy mô các lò phản ứng nhanh chưa thực hiện được, đặc biệt là ở Hoa Kỳ và Pháp. May mắn là kinh nghiệm với các cơ sở trình diễn quy mô nhỏ ở Nga và Trung Quốc đang tạo điều kiện cho họ theo đuổi các lò phản ứng nhanh quy mô thương mại trong vòng từ 10 đến 20 năm tới. Nga có kế hoạch kết nối một lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri tiên tiến, BN-1200 với công suất 1.200 Mwe, vào lưới điện quốc gia vào năm 2032. Trung Quốc dự đoán công nghệ CFR 1000 công suất 1.000 đến 1.200 Mwe, sẽ được xem xét vào năm 2020. Một số quốc gia châu Âu cũng đang trong quá trình nghiên cứu và nhiều tập đoàn nghiên cứu hạt nhân châu Âu đang trong quá trình thiết kế, phát triển và xây dựng bốn lò phản ứng trình diễn. Pháp đang có kế hoạch tái gia nhập thị trường lò phản ứng nhanh và Ấn Độ cũng đang phát triển các dự án thí điểm chu trình nhiên liệu và chu trình tương tự.
Tại Hoa Kỳ, các lò phản ứng mô-đun nhỏ có nhiều hứa hẹn nhất cho sự phát triển của Gen IV. NuScale, lò phản ứng mô-đun nhỏ, là loại lò đầu tiên trải qua quá trình đánh giá chứng nhận thiết kế của Ủy ban pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ. Một khi chứng chỉ thiết kế được cấp, người ta sẽ không được yêu cầu bất cứ thay đổi nào trong thiết kế và trong quá trình cấp phép, sẽ không lật lại các vấn đề an toàn kỹ thuật đã được giải quyết và phê duyệt, nhằm rút ngắn thời gian cấp phép trước khi bắt đầu xây dựng. Có thể tìm thấy thị trường cho các lò phản ứng mô-đun nhỏ ở các nước đang trong quá trình công nghiệp hóa với lưới điện nhỏ hoặc khép kín. Các công ty khởi nghiệp Hoa Kỳ đang nghiên cứu các lò phản ứng muối nóng chảy, dẫu còn cách xa mốc thử nghiệm.
Do các nước đang phát triển có nhu cầu cần nhiều năng lượng hơn và thế giới phát triển sẽ làm tăng ô nhiễm với các nhà máy than, các chính phủ nên hợp tác với ngành công nghiệp hạt nhân để từng bước xây dựng các nhà máy điện hạt nhân thế hệ tiếp theo song song với việc nâng cấp các cơ sở hiện có. Mặc dù có vẻ táo bạo nhưng mục tiêu xây dựng 30 nhà máy mỗi năm sẽ là chìa khóa để giúp thế giới đáp ứng các mục tiêu phát thải carbon được đặt ra trong Thỏa thuận Paris.
Thu Hà dịch
