Những tiến bộ trong nghiên cứu giúp năng lượng hạt nhân cạnh tranh về chi phí
Năng lượng hạt nhân là một nguồn năng lượng phát thải carbon thấp, đóng vai trò rất quan trọng để giảm lượng khí thải carbon. Một yếu tố quan trọng để năng lượng hạt nhân tiếp tục tồn tại như là một nguồn năng lượng trong tương lai, là phải tìm ra những phương pháp mới và sáng tạo để cải thiện chi phí vận hành và bảo trì (O & M) trong các thế hệ lò phản ứng tiên tiến tiếp theo. Cơ quan Dự án Nghiên cứu tiên tiến (ARPA-E) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã thành lập chương trình có tên gọi là “Phát điện được quản lý bởi chương trình tài sản hạt nhân thông minh” (Generating Electricity Managed by Intelligent Nuclear Assets – GEMINA) để thực hiện chính xác điều này. Thông qua tài trợ 27 triệu đô la, GEMINA đang tăng tốc nghiên cứu, khám phá và phát triển các công nghệ kỹ thuật số mới sẽ giúp giảm chi phí O & M một cách hiệu quả và bền vững.
Bên trong Phòng thí nghiệm Lò phản ứng hạt nhân MIT. Nguồn: MIT
Ba nhóm nghiên cứu của MIT đã nhận được tài trợ APRA-E GEMINA để tạo ra dữ liệu và chiến lược quan trọng nhằm giảm chi phí O & M cho thế hệ nhà máy điện hạt nhân tiếp theo giúp chúng tiết kiệm, linh hoạt và hiệu quả hơn. Các nhóm MIT bao gồm các nhà nghiên cứu từ Khoa Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân (NSE), Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường và Phòng thí nghiệm Lò phản ứng hạt nhân MIT. Bằng cách tận dụng các công nghệ tiên tiến trong mô phỏng độ chính xác cao và khả năng đặc biệt của lò phản ứng nghiên cứu MIT, các nhóm do MIT dẫn đầu sẽ hợp tác với các đối tác công nghiệp hàng đầu với kinh nghiệm O & M thực tế và tự động hóa, để hỗ trợ phát triển các bản sao lò phản ứng kỹ thuật số. Các bản sao kỹ thuật số là bản sao ảo của các hệ thống vật lý được lập trình để có các thuộc tính, thông số kỹ thuật và đặc điểm tính chất giống như các hệ thống thực. Mục tiêu là áp dụng trí tuệ nhân tạo, các hệ thống điều khiển tiên tiến, bảo trì dự đoán và phát hiện lỗi dựa trên mô hình bên trong các bản sao kỹ thuật số để đưa ra chi phí vận hành và bảo trì cơ bản cho các nhà máy điện hạt nhân tiên tiến.
Trong một dự án tập trung vào phát triển các bản sao kỹ thuật số có độ chính xác cao cho các hệ thống quan trọng trong các lò phản ứng hạt nhân tiên tiến, hai giáo sư của Viện NSE là Emilio Baglietto và Koroush Shirvan sẽ hợp tác với các nhà nghiên cứu từ GE Research và GE Hitachi. GE Hitachi BWRX-300, một lò phản ứng mô-đun nhỏ được thiết kế để cung cấp năng lượng linh hoạt, được sử dụng như một thiết kế tham chiếu. BWRX-300 là một khái niệm lò phản ứng mô-đun nhỏ đầy hứa hẹn nhằm mục đích cạnh tranh với khí đốt tự nhiên để hiện thực hóa sự thâm nhập thị trường tại Hoa Kỳ. Nhóm nghiên cứu sẽ lắp ráp, đánh giá và thực hiện các bản sao kỹ thuật số có độ chính xác cao của các hệ thống BWRX-300. Các bản sao kỹ thuật số xử lý các dạng hỏng hóc về cơ khí và nhiệt, giúp cho các hoạt động O & M vượt xa các thiết bị của lò BWRX-300 được chọn và mở rộng đến tất cả các lò phản ứng tiên tiến có sử dụng dòng chất lưu. Vai trò của độ phân giải độ trung thực cao là trọng tâm của phương pháp này, vì nó giải quyết những thách thức đặc thù của ngành công nghiệp hạt nhân.
Viện NSE sẽ tận dụng những tiến bộ lớn mà họ đã đạt được trong những năm gần đây để thúc đẩy quá trình chuyển đổi ngành công nghiệp hạt nhân sang mô phỏng độ chính xác cao dưới dạng động lực học chất lỏng. Sự chính xác về độ phân giải không gian và thời gian của các quá trình mô phỏng, được kết hợp với bản sao kỹ thuật số kết nối với trí tuệ nhân tạo (AI), mang đến cơ hội đưa ra các phương pháp bảo trì có tính dự báo trước, có thể giúp giảm đáng kể chi phí vận hành của các tổ hợp nhà máy điện hạt nhân. GE Research cho thấy là một đối tác lý tưởng, nhờ kinh nghiệm to lớn của họ trong việc phát triển bản sao kỹ thuật số và liên kết chặt chẽ với đội ngũ thiết kế GE Hitachi và BWRX-300. Đội ngũ này đặc biệt có vị thế tốt để giải quyết các thách thức về vấn đề pháp quy khi áp dụng các bản sao kỹ thuật số cho các thiết bị an toàn thông qua việc mô tả các sự bất định một cách rõ ràng. Dự án do MIT dẫn đầu trong ba năm này được hỗ trợ bởi nguồn tài chính trị giá $ 1,787,065.
Kỹ sư nghiên cứu chính của MIT và Giám đốc tạm quyền của Phòng thí nghiệm lò phản ứng hạt nhân Gordon Kohse sẽ lãnh đạo việc hợp tác với các thành viên của MPR để tạo ra dữ liệu chiếu xạ quan trọng được sử dụng trong việc thiết kế bản sao kỹ thuật số của lò phản ứng muối nóng chảy (MSRs). Các lò MSR tạo ra vật liệu phóng xạ khi nhiên liệu hạt nhân được hòa tan trong muối nóng chảy ở nhiệt độ cao và trải qua quá trình phân hạch khi nó chảy qua vùng hoạt lò phản ứng. Hiểu được đặc tính của các vật liệu phóng xạ này rất quan trọng đối với thiết kế lò MSR, và đối với việc dự đoán cũng như giảm chi phí O & M – một bước quan trọng trong việc đưa năng lượng hạt nhân thế hệ tiếp theo, sạch, an toàn ra thị trường. Nhóm do MIT dẫn đầu sẽ sử dụng khả năng đặc biệt của lò phản ứng nghiên cứu hạt nhân MIT để cung cấp dữ liệu xác định cách thức các vật liệu phóng xạ được tạo ra và vận chuyển trong các thiết bị của lò MSR. Bản sao kỹ thuật số của MSR sẽ cần đến dữ liệu quan trọng này, hiện không có sẵn. Nhóm MIT sẽ theo dõi hoạt độ phóng xạ trong và sau khi chiếu xạ muối nóng chảy có chứa nhiên liệu trong các vật liệu sẽ được sử dụng trong xây dựng MSR. Cùng với Kohse, nhóm nghiên cứu của MIT bao gồm David Carpenter và Kaichao Sun từ Phòng thí nghiệm Lò phản ứng hạt nhân MIT, và Charles Forsberg và Giáo sư Mingda Li từ NSE. Storm Kauffman và nhóm của MPR mang lại nhiều kinh nghiệm trong ngành công nghiệp hạt nhân cho dự án và sẽ đảm bảo rằng dữ liệu được tạo ra phù hợp với nhu cầu của các nhà phát triển lò phản ứng. Dự án hai năm này được tài trợ $ 899.825.
Ngoài hai dự án do MIT dẫn đầu, nhóm MIT thứ ba sẽ hợp tác chặt chẽ với Viện nghiên cứu năng lượng điện (EPRI) về mô hình mới để giảm chi phí vận hành và bảo trì lò phản ứng tiên tiến. Đây là một nghiên cứu chứng minh tính khả thi của ý tưởng (proof-of-concept), tìm kiếm phương thức loại bỏ phương pháp bảo trì và sửa chữa truyền thống. Dự án do EPRI dẫn đầu sẽ kiểm tra mô hình thay thế và tân trang lại, trong đó các bộ phận được thiết kế và thử nghiệm có chủ đích cho thời gian sống ngắn hơn và dễ dự đoán hơn với tiềm năng tiết kiệm chi phí O & M. Cách tiếp cận này tương tự như phương pháp của ngành hàng không thương mại, trong đó nhiều lần tân trang – bao gồm cả thay thế động cơ – có thể giữ cho một chiếc máy bay vận hành một cách kinh tế trong nhiều thập kỷ. Nghiên cứu sẽ đánh giá một số thiết kế lò phản ứng tiên tiến liên quan đến tiết kiệm chi phí và các lợi ích kinh tế quan trọng khác, chẳng hạn như tăng tính bền vững cho các nhà cung cấp. Nhóm MIT tập hợp Jeremy Gregory từ Khoa Kỹ thuật Xây dựng và Môi trường, Lance Snead từ Phòng thí nghiệm Lò phản ứng hạt nhân, và các giáo sư Jacopo Buongiorno và Koroush Shirvan từ NSE.
Ông Shirvan, người đứng đầu dự án của MIT cho biết: Dự án hợp tác này sẽ đưa ra cái nhìn mới về việc giảm chi phí vận hành và bảo trì bằng cách cho phép công nghệ hạt nhân thích nghi tốt hơn với các điều kiện thị trường năng lượng luôn thay đổi. Vai trò của MIT là xác định các lộ trình giảm chi phí sẽ được áp dụng trên một loạt các công nghệ lò phản ứng tiên tiến đầy hứa hẹn. Đặc biệt, chúng tôi cần kết hợp những tiến bộ mới nhất trong khoa học vật liệu và kỹ thuật cùng với cơ cấu xây dựng dân sự trong các chiến lược của chúng tôi.
Những tiến bộ đạt được do 3 nhóm nghiên cứu của MIT này, cùng với 6 người được trao giải khác trong chương trình GEMINA, sẽ cung cấp một khung cơ bản, hợp lý hóa chi phí O & M hơn cho các lò phản ứng hạt nhân tiên tiến thế hệ tiếp theo – một yếu tố quan trọng để cạnh tranh với các nguồn năng lượng thay thế.
Nguyễn Thị Thu Hà/VINATOM dịch
Nguồn: http://news.mit.edu/2020/making-nuclear-energy-cost-competitive-0527
