Dự án ANItA (Sáng kiến công nghệ hạt nhân học thuật-công nghiệp để đạt được một tương lai năng lượng bền vững), một trung tâm năng lực quốc gia của Thụy Điển về công nghệ năng lượng hạt nhân, mục đích để xác định các thiết kế lò phản ứng hạt nhân mô-đun nhỏ (SMR) phù hợp với nhu cầu sản xuất điện của Thụy Điển trong tương lai gần. Hơn nữa, mục đích là để chỉ ra những điểm mới so với công nghệ lò phản ứng hiện tại của Thụy Điển.
Các thiết kế SMR phù hợp
SMR được coi là một lựa chọn để bổ sung công suất hạt nhân mới ở Thụy Điển. SMR có thể được sử dụng cho các mục đích khác nhau. Ngoài việc sản xuất điện, nhiệt sinh ra có thể được sử dụng để sưởi ấm nhà ở và các tòa nhà thương mại hoặc được cung cấp cho các quy trình công nghiệp khác nhau, bao gồm cả sản xuất khí hydro. Tất cả các ứng dụng này đều được điều tra trong dự án ANItA.
Có nhiều loại SMR khác nhau đã được đề xuất, một số dựa trên công nghệ của các lò phản ứng hạt nhân quy mô lớn hiện tại và một số khác dự định sử dụng trong các hệ thống điện hạt nhân Thế hệ IV trong tương lai (2030). Các loại dựa trên công nghệ của các lò phản ứng hạt nhân hiện có thường thuộc về lò phản ứng thế hệ III+. Các mô tả thiết kế SMR đã được IAEA biên soạn (Những tiến bộ trong phát triển công nghệ lò phản ứng mô-đun nhỏ, IAEA, 2022), dù không phải tất cả.
SMR khác với các lò phản ứng quy mô lớn ở chỗ chúng nhỏ hơn và lắp đặt theo mô-đun. Nghĩa là SMR có kích thước vật lý nhỏ hơn cũng như sản lượng điện thấp hơn, nhưng được chế tạo theo mô-đun tại cơ ở sản xuất, sau đó chuyên chở đến lắp đặt tại công trường xây dựng lò phản ứng. Đây là lợi thế tiềm năng so với các lò phản ứng quy mô lớn. Kích thước và sản lượng nhỏ hơn thường dễ thiết kế và việc vận hành dễ dàng hơn, đồng thời sử dụng cho các mục đích khác ngoài việc sản xuất điện. Ngoài ra do việc lắp đặt theo mô-đun cũng cho phép rút ngắn thời gian xây dựng, giảm chi phí.
Hiện tại, Thuỵ Điển có 6 lò phản ứng quy mô lớn đang hoạt động và 6 lò đã ngừng hoạt động vĩnh viễn. Các lò này hoạt động từ năm 1972 đến năm 1985 và thuộc loại lò phản ứng nước nhẹ (LWR), có nghĩa là chúng sử dụng nước thường làm chất làm mát, và điều chỉnh năng lượng của neutron được giải phóng trong quá trình phân hạch (fission) diễn ra trong nhiên liệu hạt nhân (uranium). Thuật ngữ lò phản ứng nước nhẹ được sử dụng để phân biệt chúng với lò phản ứng nước nặng (tức là nước được làm giàu trong đồng vị hydro deutarium).
Có hai loại lò phản ứng nước nhẹ chính: lò phản ứng nước sôi (BWR) và lò điều áp (PWR); cả hai đều được sử dụng ở Thụy Điển. Công nghệ lò phản ứng nước nhẹ là công nghệ lò phản ứng phổ biến nhất không chỉ ở Thụy Điển mà còn trên toàn thế giới.
Luật ở Thụy Điển được điều chỉnh cho phép lò phản ứng nước nhẹ trên đất liền (trái ngược với trên biển), từ góc độ cấp phép, việc triển khai SMR dễ hơn so với các loại khác. Ngoài ra, để dễ dàng triển khai, thiết kế cần phải thực hiện ở giai đoạn đầu. Hơn nữa, SMR nên được phát triển bởi một tổ chức có khả năng cung cấp lò phản ứng và có trụ sở tại một quốc gia có thể chấp nhận về mặt chính trị để có được công nghệ hạt nhân.
Hiện nay, hơn 25 thiết kế lò SMR nước nhẹ trên đất liền đã được đề xuất. Trong số này, 1 lò BWR và 4 lò PWR được sử dụng làm thiết kế tham khảo cho dự án này (ANItA). Có 5 loại lò SMR được xem xét và nhà sản xuất gồm:
- BWRX-300 (GE-Hitachi)
- Rolls-Royce SMR (Rolls-Royce)
- AP300TM(Westinghouse)
- VOYGRTM(NuScale)
- NUWARDTM(EDF)
Điểm mới trong các thiết kế SMR được đề xuất
Trong các thiết kế SMR nước nhẹ được đề xuất, có một số tính năng mới đáng chú ý so với các lò phản ứng hiện tại và trước đây của Thụy Điển. Một số tính năng này đang hoặc đã được sử dụng trong các lò phản ứng khác ngoài Thụy Điển, và một số tính năng mới trên thế giới. Nhiều điểm mới dự kiến sẽ dẫn đến việc xây dựng và vận hành đơn giản hóa các lò phản ứng. Tuy nhiên, trước khi công nghệ mới này được ứng dụng trong một lò phản ứng thực tế, điều cần thiết là tính năng mới phải được hiểu rõ từ góc độ kỹ thuật và không có rào cản pháp lý nào để thực hiện.
Một mẫu mô hình nhà máy điện hạt nhân SMR
Các tính năng mới đáng chú ý của các thiết kế SMR được đề xuất so với các lò phản ứng hiện tại và trước đây của Thụy Điển, ngoài kích thước nhỏ hơn và tăng cấu trúc mô-đun, bao gồm:
- Tăng cường sử dụng chu trình tự nhiên(không dùng maý bơm): Chu trình tự nhiên có nghĩa là không sử dụng máy bơm để lưu thông chất làm mát lò phản ứng. Điều này cho phép thiết kế và vận hành lò phản ứng đơn giản với ít thành phần hơn và ít nhu cầu bảo trì hơn. Ngoài ra, nó cho phép tăng độ an toàn, không dựa vào máy bơm.
- Tăng cường an toàn thụ động: An toàn thụ động trong thiết kế SMR, nghĩa là không cần hành động của người vận hành, nguồn cung cấp điện bên ngoài hoặc các hệ thống phụ trợ khác để giữ cho lõi lò phản ứng được làm mát trong ba ngày hoặc lâu hơn. An toàn thụ động, ở một mức độ lớn, được kích hoạt bằng cách sử dụng lưu thông tự nhiên. Các tính năng khác cho phép an toàn thụ động bao gồm hệ thống trọng lực và áp lực.
- Thiết kế mới vỏ bảo vệ lò phản ứng: Vỏ lò phản ứng là một cấu trúc có chức năng chứa phóng xạ trong trường hợp xảy ra tai nạn. Tất cả các lò phản ứng của Thụy Điển đều có các thùng chứa được làm bằng bê tông dự ứng lực, trong khi các thiết kế SMR có các thùng chứa được làm bằng thép hoặc vật liệu composite thép-bê tông.
- Thiết kế tích hợp lò điều áp: Trong thiết kế PWR tích hợp, một số thành phần chính, ví dụ: máy tạo hơi nước, cơ chế truyền động cho thanh điều khiển và bộ điều áp, được đặt bên trong bình chịu áp lực lò phản ứng. Lò PWR tích hợp nhỏ gọn hơn nhiều so với lò PWR thông thường và lò phản ứng SRM được thiết kế để phân phối dưới dạng một đơn vị được kết nối với các bộ phận phi hạt nhân của nhà máy điện.
- Các loại nước hoá chất mới: Điểm mới đáng chú ý nhất trong nước hoá chất là đề xuất sử dụng chất làm mát PWR không chứa boron trong một số SMR. Boron hiện vẫn được sử dụng trong PWR để kiểm soát khả năng phản ứng, tức là tốc độ của quá trình phân hạch. Một số loại nước hoá chất mới (không chứa boron) khác cũng được đề xuất cho lò SMR. Nước hoá chất cần được tối ưu hóa để giữ cho sự xuống cấp vật liệu ở mức tối thiểu (chống ăn mòn). Điều này rất cần thiết cho hoạt động lâu dài của các lò phản ứng.
- Lắp đặt vài lò phản ứng trong một khối chung và được điều khiển từ một phòng điều khiển chung: Một số lò phản ứng nhỏ đặt trong một khối chung và được điều khiển từ một phòng điều khiển chung có thể hiệu quả từ góc độ xây dựng và vận hành. Phòng điều khiển duy nhất giúp vận hành các lò phản ứng với ít nhân viên hơn.
- Tăng khả năng theo dõi tải: Khả năng theo dõi tải là khả năng điều chỉnh sản lượng điện cho lưới điện tùy thuộc vào nhu cầu điện. Ở một mức độ nào đó, tính linh hoạt này đã tồn tại trong các lò phản ứng hiện tại. Có hai cách chính để theo dõi tải, một là giảm công suất lò phản ứng khi nhu cầu điện giảm và cách khác là duy trì lò phản ứng ở công suất tối đa và sử dụng hơi nước cho các mục đích khác ngoài sản xuất điện, ví dụ, để sản xuất hydro hoặc cung cấp nhiệt cho các quy trình công nghiệp khác.
- Bảo quản khô nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng: Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng ở Thụy Điển được lưu trữ trong các hồ chứa nước (được gọi là lưu trữ ướt) tại cơ sở lưu trữ tạm thời Clab ở Oskarshamn. Một số thiết kế SMR bao gồm lưu trữ khô nhiên liệu đã qua sử dụng tại vị trí lò phản ứng, như được thực hiện ở một số quốc gia khác. Có hai lợi ích chính của việc lưu trữ khô ở Thụy Điển. Thứ nhất, sẽ không cần phải mở rộng Clab hoặc xây dựng một cơ sở lưu trữ ướt mới sau khi đạt đến công suất của nó. Thứ hai, việc vận chuyển nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng sẽ ít thường xuyên hơn. Điều này có thể đặc biệt có lợi nếu SMR được triển khai tại các địa điểm mới không được kết nối với cơ sở hạ tầng giao thông hiện tại bằng đường biển.
Cần kiểm chứng thêm
Các tính năng mới có thể ảnh hưởng ít nhiều trong cấp phép, xây dựng và vận hành lò phản ứng hạt nhân SMR. Bảo trì các bộ phận lò phản ứng và quản lý chất thải phóng xạ ở đây được coi là một phần của hoạt động của các lò phản ứng.
Đối với SMR, tất cả các tính năng mới nêu trên, cũng như kích thước nhỏ hơn và tăng cường sử dụng mô đun, có thể ảnh hưởng đến việc cấp phép và vận hành. Kích thước nhỏ hơn, tăng cường sử dụng mô-đun và thiết kế ngăn chặn mới cũng sẽ ảnh hưởng đến việc xây dựng các nhà máy điện.
Để triển khai thành công SMR ở Thụy Điển, điều quan trọng là phải giải quyết các rào cản tiềm ẩn do các tính năng mới gây ra. Các điểm mới cần được hiểu rõ và chức năng của chúng cần được chứng minh, và cần được cấp phép. Do đó, cần phải điều tra thêm về các tính năng kỹ thuật mới cũng như luật pháp liên quan đến năng lượng hạt nhân. Ngoài ra, các khía cạnh kinh tế của SMR cần được xem xét. Một số điểm mới và các rào cản tiềm năng tương ứng là chủ đề của các dự án khác do ANItA đang thực hiện.
Tóm lại, công nghệ lò SMR là một lựa chọn để bổ sung công suất hạt nhân mới nhằm đáp ứng nhu cầu điện trong tương lai ở Thụy Điển. Trong số các loại SMR khác nhau được đề xuất, lò SMR nước nhẹ, có nhiều khả năng được xây dựng trong tương lai tương đối gần. Do sự tương đồng của SMR với các lò phản ứng hiện tại, phần lớn các SMR nước nhẹ được đề xuất nên khá đơn giản để được cấp phép, xây dựng và vận hành. Tuy nhiên, có một số tính năng kỹ thuật mới trong các thiết kế SMR được đề xuất cần điều tra thêm để triển khai và vận hành thành công ở Thụy Điển.
Trần Phương Đông (tham khảo và biên soạn)
Nguồn: Johan Eriksson, 2024.