Xu hướng phát triển các thế hệ lò phản ứng hạt nhân

Kể từ khi AM-1 (Atom-Mirny hay “Nguyên tử hòa bình”), nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên thế giới, được đưa vào hoạt động tại Obninsk, Liên Xô cũ năm 1954 cho tới nay, ngành công nghiệp hạt nhân đã cho ra đời 3 thế hệ lò phản ứng, và đang hướng tới việc thiết kế và xây dựng thế hệ lò phản ứng thứ IV hiệu quả hơn, nhiều tác dụng và an toàn hơn.

Các công nghệ lò phản ứng từ tổ máy đầu tiên AM-1 cho đến các công nghệ tiên tiến nhất như AP1000 hay VVER1200 đều sử dụng một nguyên lý chung đó là dùng neutron được làm chậm để gây ra phản ứng dây chuyền có kiểm soát trong lõi lò phản ứng, từ đó tạo ra nhiệt lượng để trực tiếp hoặc gián tiếp sinh ra hơi nước làm quay tuốc-bin và phát ra điện.

Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân

Trước đây, các lò phản ứng thuộc thế hệ thứ I (Generation I) chủ yếu là các lò mang tính thử nghiệm còn hiện nay phần lớn các lò phản ứng đang hoạt động thương mại trên thế giới là các lò thuộc thế hệ lò phản ứng thứ II (Generation II). Thế hệ lò này có thể chia làm 4 nhóm chính là lò phản ứng nước nhẹ (LWR – Light Water Reactor) sử dụng nước thông thường (H₂O hay “nước nhẹ”) làm chất tải nhiệt và làm chậm neutron; lò phản ứng nước nặng (CANDU – CANada Deuterium-Uranium reactor) sử dụng nước nặng (D₂O hay Deuterium) làm chất tải nhiệt và làm chậm neutron, đây là công nghệ được thiết kế và xây dựng đầu tiên tại Canada; lò phản ứng và lò phản ứng khí cải tiến (AGR – Advanced Gas-Cooled Reactor) sử dụng khí CO₂ làm chất tải nhiệt và graphit để làm chậm neutron, các nhà máy sử dụng công nghệ này hiện chỉ còn hoạt động ở Vương quốc Anh. Cùng sử dụng graphit để làm chậm neutron nhưng dùng nước nhẹ để tải nhiệt là công nghệ lò RMBK (Reaktor bolshoy moshchnosti kanalniy) của Liên Xô cũ.

Bản thân nhóm lò phản ứng nước nhẹ cũng lại được chia thành hai nhánh nhỏ hơn là lò phản ứng nước sôi (BWR – Boiling Water Reactor) và lò phản ứng nước áp lực (PWR – Pressurized Water Reactor hay lò VVER – Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor của Nga). Công nghệ lò BWR được công ty General Electric (GE) của Hoa Kỳ bắt đầu triển khai thiết kế và xây dựng từ thập niên 1950, công nghệ này chỉ sử dụng duy nhất một vòng nước làm mát theo đó nhiệt từ lò phản ứng trực tiếp làm sinh hơi nước để quay tuốc-bin phát điện. Khác với BWR, lò phản ứng nước áp lực sử dụng hai vòng nước làm mát, trong đó vòng nước đầu tiên có áp suất rất cao được sử dụng làm trung gian để tải nhiệt sang vòng nước thứ hai, nơi hơi nước được sinh ra để quay tuốc-bin. Hai quốc gia khởi xướng cho công nghệ lò nước áp lực vào thập niên 1960 là Hoa Kỳ (công ty Westinghouse) và Liên Xô cũ.

Giản đồ hoạt động của lò phản ứng nước áp lực: Vòng nước sơ cấp (màu đỏ) truyền nhiệt từ lò phản ứng (reactor vessel) tới vòng nước thứ cấp (màu xanh) để sinh hơi làm quay tuốc-bin (turbine) và máy phát điện (generator). Vòng nước sơ cấp và lò phản ứng được đặt trong cấu trúc bảo vệ (containment structure).

Kể từ giữa thập niên 90 của thế kỉ trước, thế hệ lò phản ứng thứ III và III+ (Generation III/III+) bắt đầu được một số nước có công nghiệp điện hạt nhân tiên tiến như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Pháp, Liên bang Nga phát triển. Đây là thế hệ lò có công suất lớn (từ 1000 – 1700 MW) với đại diện thuộc cả ba nhóm chính:

Trong số các công nghệ lò thuộc thế hệ thứ III/III+ thì hiện 4 lò phản ứng sử dụng công nghệ lò ABWR đã đi vào hoạt động tại Nhật Bản (tại các nhà máy Kashiwazaki-Kariwa, Hamaoka và Shika), một số lò sử dụng công nghệ EPR, AP1000, APR1400, APWR1700 và VVER1200 đang được xây dựng còn các công nghệ khác mới chỉ dừng lại trên bản vẽ. Đặc điểm của công nghệ lò phản ứng thuộc thế hệ thứ III/III+ là những cải tiến mang tính cách mạng đối với mọi khía cạnh của lò phản ứng từ độ an toàn, tính kinh tế, điều kiện xây dựng, vận hành cho tới tăng tính ổn định cho hoạt động của lò.

Để tăng tính an toàn, thế hệ lò phản ứng thứ III/III+ sử dụng vỏ bảo vệ (containment) kép, có thể đứng vững kể cả trong trường hợp bị máy bay đâm vào (một khía cạnh thường xuyên được đề cập đến trong thiết kế lò phản ứng kể từ sau sự kiện 11/9 khi hai chiếc máy bay bị không tặc tấn công, đâm và phá hủy hoàn toàn Trung tâm Thương mại Quốc tế tại New York). Bên cạnh đó thế hệ lò phản ứng thứ III/III+ còn được trang bị thêm hệ thống điều khiển (I&C) kỹ thuật số, các hệ thống bảo vệ bổ sung trong đó có cơ cấu bảo vệ đáy lò (core catcher) trong trường hợp lõi lò bị nóng chảy và các hệ thống an toàn thụ động. Các hệ thống an toàn thụ động là đặc điểm tiêu biểu của công nghệ lò AP1000 do hãng Westinghouse (Hoa Kỳ) thiết kế và chế tạo. Sử dụng các nguyên lý tự nhiên như đối lưu, truyền nhiệt, công nghệ lò AP1000 cho phép trong trường hợp nhà máy xảy ra tai nạn nghiêm trọng thì lò phản ứng vẫn có thể tiếp tục tự làm nguội mà không cần các biện pháp đối phó và can thiệp từ bên ngoài của nhân viên vận hành trong vòng 72 giờ.

Tần suất hư hỏng lõi lò (Core damage frequency) của các lò thuộc thế hệ III/III+. Có thể thấy lò VVER1200 (AES-2006) của Liên bang Nga có tần suất hư hỏng vào loại thấp nhất, nhỏ hơn nhiều so với 5×10-7/năm hoạt động của lò phản ứng hay 1 triệu năm hoạt động của lò phản ứng mới có 1 lần hỏng hóc.

Về mặt kinh tế, đặc điểm chung của công nghệ lò thuộc thế hệ thứ III/III+ là thiết kế được tiêu chuẩn và đơn giản hóa nhằm tăng hiệu suất và thời gian sử dụng của nhà máy, thường là 60 năm và có thể đạt tới 80 năm (so với 30 – 40 năm của các lò thuộc thế hệ thứ II). Để giảm thời gian xây dựng, một số công nghệ lò thuộc thế hệ III/III+ như AP1000 có các mô-đun được chế tạo trước tại nhà máy và sau đó chỉ cần lắp đặt với nhau tại địa điểm xây dựng. Nhờ sử dụng phương pháp xây dựng này mà việc xây dựng các lò phản ứng AP1000 tại Tam Môn, Trung Quốc dự kiến sẽ được hoàn thành trong thời gian kỷ lục là 4 năm. Việc tiêu chuẩn hóa, đặc biệt là tuân thủ theo các hướng dẫn an toàn của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) và các tiêu chuẩn quốc tế khác, cũng giúp công nghệ lò thuộc thế hệ thứ III/III+ giảm bớt được thời gian bảo trì và tạo điều kiện dễ dàng hơn cho nhân viên vận hành nhà máy. Với những ưu điểm đáng kể nói trên, các công nghệ lò thuộc thế hệ thứ III được hy vọng sẽ dần thay thế cho các lò thuộc thế hệ thứ II trong tương lai gần.

Không dừng lại ở thế hệ III/III+, hiện nay, một số quốc gia trên thế giới đã triển khai nghiên cứu công nghệ lò thế hệ thứ IV (Generation IV) nhằm tăng cường hơn nữa tính bền vững của công nghệ lò, cải thiện hiệu quả sử dụng nguyên liệu và giảm thiểu vấn đề chất thải phóng xạ. Một diễn đàn quốc tế về thế hệ lò thứ IV có tên GIF (Generation IV International Forum) đã được thành lập với thành viên là tất cả các quốc gia có nền công nghiệp điện hạt nhân phát triển như Hoa Kỳ, Liên bang Nga, Canada, Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc, Pháp, Liên minh châu Âu, Thụy Sĩ và Nam Phi với hy vọng trong tương lai gần, những công nghệ lò phản ứng mới với công nghệ mang tính đột phá sẽ được phổ biến rộng rãi để đem lại điện hạt nhân cho các quốc gia với giá thành rẻ hơn và độ tin cậy cao hơn.