Lò phản ứng hạt nhân thu nhỏ: Cuộc cạnh tranh với năng lượng tái tạo?
Dự án năng lượng thay thế của tương lai
Các màn hình máy tính khổng lồ xếp thành chuỗi dài bên trong căn phòng điều khiển tối tăm, không có cửa sổ ở Corvallis thuộc bang Oregon (Mỹ), nơi nhóm kỹ sư của công ty Nuscale Power hy vọng sẽ xác định được làn sóng năng lượng hạt nhân tiếp theo. Các biểu tượng phát sáng lấp đầy màn hình, thể hiện sản lượng điện của 12 lò phản ứng hạt nhân thu nhỏ. Cùng với nhau, các lò phản ứng modul nhỏ này sẽ tạo ra cùng một lượng điện năng như một trong những nhà máy hạt nhân thông thường hiện đang có ở Mỹ - sản xuất đủ điện để cung cấp cho 540.000 ngôi nhà.
Trên màn hình phát sáng, một cây cọ cho biết đơn vị nào trong số hàng chục đơn vị đang ở "Chế độ Đảo" ("Island Mode"), cho phép một lò phản ứng duy nhất ngắt kết nối khỏi lưới trong trường hợp khẩn cấp. "Chế độ đảo" giữ cho cộng đồng an toàn và hoạt động trong thời gian xảy ra thảm họa hoặc các sự kiện khẩn cấp khi các dịch vụ năng lượng từ lưới điện chính bị gián đoạn. Phòng điều khiển này chỉ là một "mô hình thử nghiệm", và các lò phản ứng được mô tả trên màn hình máy tính, trên thực tế, không tồn tại. Tuy nhiên, Nuscale đã đầu tư hơn 900 triệu USD để phát triển công nghệ lò phản ứng modul nhỏ (SMR) mà công ty cho biết sẽ đại diện cho các nhà máy điện hạt nhân thế hệ tiếp theo.
Nuscale đang làm việc trên một nguyên mẫu quy mô đầy đủ và cho biết họ đang trên đường khởi công nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của mình - một dự án 720 megawatt cho một dịch vụ công cộng ở Idaho - trong vòng 2 năm. Ủy ban điều tiết hạt nhân Mỹ (NRC) vừa hoàn thành giai đoạn đánh giá thứ 4 về thiết kế của Nuscale, chứng nhận SMR đầu tiên mà ủy ban đã xem xét. Công ty dự kiến phê duyệt cuối cùng vào cuối năm 2020. Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) đã đầu tư 317 triệu USD trong nghiên cứu và phát triển dự án SMR của Nuscale. Nuscale không đơn độc trong việc phát triển các lò phản ứng thu nhỏ.
| Bên trong phòng điều khiển giả lập của Nuscale Power ở Corvallis thuộc bang Oregon (Mỹ). |
Tại Nga, chính phủ đã cho ra mắt lò phản ứng 70MW nổi ở Bắc Băng Dương. Trung Quốc đã công bố kế hoạch vào năm 2016 để xây dựng thiết kế SMR nổi do 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 modul nhỏ. Và Rolls-Royce Consortium ở Anh đang nghiên cứu phát triển SMR 440MW.
Những người đề xuất nói rằng thời gian đã chín muồi cho làn sóng lò phản ứng hạt nhân mới này vì nhiều lý do. Đầu tiên, họ lập luận rằng nếu cộng đồng toàn cầu có bất kỳ hy vọng nào về việc cắt giảm lượng khí thải CO2 vào giữa thế kỷ, các công nghệ hạt nhân mới phải được kết hợp. Thứ hai, năng lượng hạt nhân truyền thống đang gặp nhiều vấn đề. Nhiều nhà máy hiện tại đang già đi, và việc xây dựng năng lượng hạt nhân mới đang bị ảnh hưởng bởi sự chậm trễ đáng kể và chi phí quá lớn; các nhà máy điện hạt nhân quy mô lớn có thể tiêu tốn hơn 10 tỷ USD. Cuối cùng, những người ủng hộ nói rằng khi nguồn cung cấp năng lượng tái tạo tăng lên, các lò phản ứng modul nhỏ có thể xử lý tốt hơn tính chất biến đổi của năng lượng gió và mặt trời vì SMR dễ dàng "bật và chạy".
Tuy nhiên, những người chỉ trích năng lượng hạt nhân cho rằng các lò phản ứng modul nhỏ gặp phải nhiều vấn đề tương tự như lò phản ứng lớn, đáng chú ý nhất là vấn đề an toàn và vấn đề chưa được giải quyết là phải làm gì với chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài. Và những người phản đối nói rằng ngay cả ở dạng nhỏ hơn, năng lượng hạt nhân cũng rất đắt đỏ - đó là một trong những dạng năng lượng tốn kém nhất, đòi hỏi phải có trợ cấp đáng kể của chính phủ để xây dựng và vận hành, chưa kể đến bảo hiểm. SMR của Nuscale đang cung cấp mức 6,5 cent mỗi kilowatt giờ như một động lực để đưa dự án đầu tiên của họ cất cánh.
Tuy nhiên, vào tháng 9-2019, Bộ Nước và Điện Los Angeles công bố chấp nhận một giá thầu điện đến từ năng lượng tái tạo, ở mức 2 cent mỗi kW/giờ. Một số người lập luận rằng năng lượng hạt nhân không thể cạnh tranh khi giá tái tạo giảm mạnh. Hơn một phần ba các nhà máy hạt nhân của Mỹ hiện không có lợi nhuận hoặc dự kiến đóng cửa. Trên toàn cầu, năng lượng hạt nhân hiện chỉ cung cấp 10,8% điện năng trong năm 2015, giảm từ mức cao kỷ lục 17,6% vào năm 1996. Sau thảm họa Fukushima 2011 tại Nhật Bản, Đức đã quyết định đóng cửa hoàn toàn ngành công nghiệp hạt nhân và các nước như Bỉ, Thụy Sĩ và Italy đã từ chối thay thế các lò phản ứng hiện có hoặc tiến lên với các kế hoạch cho những lò mới.
Nhưng các công ty và nhà khoa học ủng hộ sự phát triển của các lò phản ứng modul nhỏ nói rằng công nghệ này mang đến một hướng đi mới cho năng lượng hạt nhân - một trong những cách khắc phục nhiều nhược điểm của các lò phản ứng truyền thống, lớn hơn. Theo đó, SMR ít có khả năng bị quá nóng một phần vì lõi nhỏ của chúng tạo ra nhiệt ít hơn nhiều so với lõi trong các lò phản ứng lớn. Các thiết kế sáng tạo trong công nghệ SMR cũng có thể làm giảm các rủi ro kỹ thuật khác, như máy bơm làm mát bị hỏng. Nuscale cho biết SMR của công ty có các bộ phận chuyển động ít hơn nhiều so với các lò phản ứng truyền thống, giúp giảm khả năng sơ suất có thể gây ra tai nạn.
| Rolls-Royce đang dẫn đầu một nhóm phát triển các lò phản ứng hạt nhân nhỏ hơn trên các vị trí của các nhà máy điện cũ. |
Giảm thiểu tai nạn
Xây dựng các lò phản ứng nhỏ hơn cũng cho phép chúng được sản xuất hàng loạt tại một cơ sở trung tâm và vận chuyển dễ dàng hơn, giúp lắp đặt SMR ở những địa điểm xa nơi mà lò phản ứng thông thường không khả thi. SMR thường được thiết kế để sản xuất 50 đến 300MW điện - so với 1.000MW điển hình của các lò phản ứng quy mô lớn truyền thống. Có lẽ quan trọng nhất, những người đề xuất lập luận rằng SMR có chi phí thấp hơn nhiều và có thể được xây dựng nhanh hơn các lò phản ứng hạt nhân lớn, mở ra thị trường mới ở các nước đang phát triển.
Thiết kế lò phản ứng nhỏ hơn không phải là một ý tưởng mới. Trên thực tế, SMR dân sự đầu tiên đã được đưa vào hoạt động sớm nhất là vào năm 1955. Nó được xây dựng ở sông Elk, bang Minnesota, chiếm ngân sách 9,8 triệu USD và chỉ hoạt động 3 năm rưỡi trước khi các vết nứt xuất hiện trong hệ thống làm mát của nó. Kể từ đó, chỉ có kích thước lò phản ứng thương mại phát triển.
Nhiều thiết kế SMR đang phát triển chỉ đơn giản là thu nhỏ hệ thống của các nhà máy hạt nhân quy mô lớn, sử dụng ít nhiên liệu hơn. Lò phản ứng của Nuscale sẽ chỉ cao 23 mét. Hơn 125 lò phản ứng Nuscale có thể được đưa vào "tòa nhà lò" (containment building) truyền thống, mặc dù công ty có kế hoạch triển khai chúng theo nhóm 12 lò. Hệ thống của Nuscale cũng không thể thiếu - nhiên liệu, hơi nước và máy phát điện - sẽ nằm trong một bể. Reyes giải thích: "Điều này làm giảm nguy cơ tai nạn vì có ít đường ống bị vỡ hơn. Công nghệ cũng sử dụng nhiệt của lõi để điều khiển dòng nước làm mát, loại bỏ sự cần thiết của bơm làm mát và các bộ phận chuyển động có thể bị hỏng. Mỗi lò phản ứng sẽ được khép kín, với nhiều lò phản ứng chia sẻ một bể làm mát".
Nếu nước làm mát của lò phản ứng hạt nhân truyền thống bị mất, sự phân hạch của nó có thể tăng lên, hoạt động quá đà cho đến khi nó phát nổ, như điều đã xảy ra vào năm 1986 tại Chernobyl ở Ukraine. Ngay cả sau khi lò phản ứng bị tắt, nhiệt từ sự phân rã phóng xạ có thể làm tan chảy lõi, như sự cố đã xảy ra trong thảm họa hạt nhân Fukushima Daiichi ở Nhật Bản, khi sóng thần làm hỏng các máy phát điện bơm nước qua các lò phản ứng ngừng hoạt động. Đó là lý do tại sao các kỹ sư của Nuscale cũng đã chế tạo các van xả trên thùng lò phản ứng - cấu tạo sẽ mở khi mất điện và giải phóng hơi nước vào thùng lò để ngưng tụ, tuần hoàn và làm mát.
Tại Derby ở Anh, Rolls-Royce Consortium đang làm việc trên một thiết kế SMR khác cho lò phản ứng 440MW đã lên kế hoạch. Tập đoàn Anh có kế hoạch triển khai SMR của mình trên các khu công nghiệp cũ, thậm chí có thể trên cơ sở các nhà máy điện hạt nhân quy mô lớn đã bị đóng cửa. Thiết kế vẫn còn trong giai đoạn đầu, và đại diện Rolls-Royce nói rằng hoạt động của lò phản ứng đòi hỏi ít nhất một thập niên mới có thể đi vào hoạt động. Đến nay, Rolls-Royce đã nhận được 24 triệu USD từ chính phủ Anh và đang yêu cầu thêm 260 triệu USD.
| Các nhà máy điện hạt nhân truyền thống lớn đang ngày càng được coi là một cách tốn kém để sản xuất điện khi chi phí tái tạo giảm. |
Bất chấp những rào cản về tài chính và quy định
Rolls-Royce và Nuscale đều dự đoán một thị trường rộng lớn, bao gồm bán lò phản ứng cho các nước châu Phi và Nam Mỹ, nơi các hệ thống lưới kém mạnh mẽ hơn có thể không hỗ trợ tải năng lượng của các lò phản ứng quy mô lớn truyền thống. Ngay cả ở các nước phát triển, SMR có thể cung cấp khả năng tạo ra điện ở những nơi mới. Canada, chẳng hạn, gần đây đã công bố kế hoạch khám phá các địa điểm SMR tiềm năng ở các địa điểm xa xôi ở phía bắc xa xôi hiện đang dựa vào động cơ diesel để tạo ra điện.
Một cách khác để làm cho SMR có lợi nhuận có thể là sử dụng chúng không chỉ để tạo ra điện cho lưới điện, mà còn phát triển các lò phản ứng tiên tiến cũng có thể sản xuất hydro làm nhiên liệu hoặc khử muối nước. Nuscale nói rằng sử dụng năng lượng dư thừa để khử muối có thể là một thị trường sinh lợi, giúp bù đắp chi phí điện tương đối cao của nó. Nhưng các đối thủ của SMR cho rằng bất kể quy mô, năng lượng hạt nhân có những lo ngại về chi phí và an toàn chưa được giải quyết. Để tiết kiệm thông qua sản xuất hàng loạt, cần phải có một thiết kế SMR được tiêu chuẩn hóa - theo các nhà phê bình. Và SMR cũng sẽ phải được xây dựng với số lượng lớn.
Nhưng để đầu tư sản xuất lò phản ứng và các thành phần của nó, một công ty sẽ cần một thị trường đáng tin cậy, trong khi đó nhiều nhà đầu tư tư nhân vẫn cảnh giác với công nghệ mới. Andrew Storer, giám đốc điều hành Trung tâm nghiên cứu sản xuất hạt nhân tiên tiến (Nuclear AMRC) - nơi dự báo thị trường cho các nhà sản xuất điện hạt nhân - đang khuyên mọi người ''Đừng đầu tư". Westinghouse đã làm việc trên một thiết kế SMR trong một thập niên trước khi từ bỏ vào năm 2014. Transatomic Power có trụ sở tại Massachusetts là một công ty công nghệ hạt nhân đã từ bỏ kế hoạch xây dựng SMR vào năm 2018 mặc dù đã được chính phủ Mỹ bơm cho 111 triệu USD; tiếp theo là một thiết kế SMR từ nhà phát triển năng lượng tiên tiến Babcock & Wilcox đã xếp xó từ năm 2017. Trong khi Nga đã xoay xở để có được SMR do nhà nước tài trợ, chi phí xây dựng của nó đã vượt qua ước tính gấp 4 lần.
Nuscale nói rằng vì SMR chứa lượng chất phóng xạ ít hơn và có thể được đặt dưới lòng đất, nên rủi ro thấp hơn và yêu cầu ít nhân viên an ninh hơn. Cuối cùng, mọi cuộc thảo luận về hạt nhân đều chuyển sang chất thải phóng xạ và an toàn. SMR sử dụng lò phản ứng nước áp lực sẽ tiếp tục tạo ra nhiên liệu chi tiêu có tính phóng xạ cao, tuy nhiên chưa có quốc gia nào có giải pháp lâu dài về cách lưu trữ an toàn loại chất thải này.