Các nhà khoa học hạt nhân Nga tiến gần hơn một bước tới 'năng lượng vĩnh cửu'

Xu thế lò phản ứng hạt nhân tương lai

Việc chuyển sang sử dụng nhiên liệu MOX được coi là bước đầu tiên trong việc thực hiện “chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín” ở quy mô công nghiệp.

Trái tim của bất kỳ nhà máy điện hạt nhân nào là lò phản ứng hạt nhân. Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới - Chicago Pile-1 (CP-1) đã được lắp ráp vào năm 1942 tại Mỹ. Ở Liên Xô và Châu Âu, các lò phản ứng đầu tiên đã được đưa vào hoạt động vào cuối năm 1946. Đây lò phản ứng loại F-1, trong đó, neutron nhanh xuất hiện trong quá trình phân hạch của các hạt nhân uranium-235 (U235) bị than chì làm chậm lại thành năng lượng nhiệt.

Năm 1951, Mỹ lần đầu tiên thử sử dụng nhiệt từ mạch làm mát của lò phản ứng thử nghiệm để tạo ra điện. Năm 1954 Liên Xô đã vận hành nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên trên thế giới tại thành phố Obninsk, công suất 5 MW.

Các lò phản ứng mà sự phân hạch xảy ra dưới tác động của các neutron chậm (tức là neutron bị chậm lại) được gọi là “nhiệt” (các lò phản ứng neutron nhiệt). Phần lớn các tổ máy điện hạt nhân trên thế giới hiện nay đều sử dụng loại lò phản ứng này. Nhưng, cũng có những lò phản ứng neutron nhanh không có bộ điều tiết.

Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk, Nga. Ảnh: Sputnik/ Beloyarsk.

“Ngay từ đầu, các nhà vật lý hạt nhân đã hiểu rằng, các lò phản ứng neutron nhanh, trong đó các neutron ngay lập tức gây ra phản ứng phân hạch lặp đi lặp lại, có những ưu điểm rõ rệt. Cái chính là khả năng tái chế nhiên liệu hạt nhân. Những dự án như vậy đã được thực hiện ở Mỹ, Pháp, Đức, Nhật Bản. Nhưng ở đó chúng đã bị dừng vì nhiều lý do: vừa tốn kém, vừa gặp khó khăn về công nghệ. Ở Liên Xô, và sau đó là ở Nga, những khó khăn này đã được khắc phục bằng cách tạo ra các lò phản ứng neutron nhanh BN mạnh mẽ đáng tin cậy. Bây giờ những nước khác đang học hỏi từ kinh nghiệm của chúng tôi, những lò phản ứng tương tự đang được xây dựng ở Trung Quốc và Ấn Độ.”, Tiến sĩ Khoa học Vật lý và Toán học Georgy Tikhomirov, Phó Giám đốc Viện Vật lý và Công nghệ Hạt nhân của Đại học nghiên cứu hạt nhân quốc gia Nga (MEPhI) cho biết.

Hiện nay trên thế giới chỉ có hai lò phản ứng hạt nhân neutron nhanh công suất cao BN-600 và BN-800, tại Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk, vùng Sverdlovsk, Ural, Nga. Các nhà khoa học chắc chắn rằng những lò phản ứng này có triển vọng trong tương lai.

Nguồn năng lượng vô hạn

Trong tự nhiên, quặng uranium U235 khá ít ỏi (khoảng 0,7%), đồng vị duy nhất có khả năng phân hạch một cách tự nhiên. Phần còn lại là đồng vị Urani 238 là vật liệu làm giàu. Và trữ lượng quặng uranium trên Trái đất là có hạn. Do đó, các nhà khoa học đang tìm cách tạo ra các đồng vị nhân tạo hỗ trợ phản ứng dây chuyền. Hứa hẹn nhất trong số đó là Pu239. Nó được hình thành trong lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân khi U238 chiếm phần lớn nhiên liệu hạt nhân tiếp nhận một neutron.

Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng chứa khoảng 1% U235 (dư lượng chưa cháy) và khoảng 1% Pu239. Theo các nhà khoa học, việc tái sử dụng các đồng vị này, ngay cả trong các lò phản ứng hạt nhân neutron nhiệt sẽ giúp tiết kiệm tới 30% uranium. Nếu sơ đồ này được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân neutron nhanh với hệ số tái tạo vật liệu dễ phân hạch rất cao, thì các lò phản ứng này sẽ có khả năng đáp ứng đầy đủ nhu cầu của các nhà máy điện hạt nhân và giảm sản xuất nhiêu liệu hạt nhân mới ít nhất trong mấy năm tới. Các nhà vật lý gọi đây là chu trình nhiên liệu khép kín.

Trái tim của nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk. Nguồn: ROSATOM.

“IAEA cho rằng, với trữ lượng uranium hiện có, các lò phản ứng hạt nhân neutron nhiệt có thể hoạt động trong khoảng 150 năm tới. Và nếu chúng ta biết cách xử lý nhiên liệu hạt nhân để tái sử dụng, thì vấn đề nguyên liệu thô cho năng lượng hạt nhân sẽ được giải quyết trong vài nghìn năm tới.”, TS Georgy Tikhomirov lưu ý.

Theo ông Tikhomirov, nếu nạp nhiên liệu gồm U238 và Pu239 (có vai trò xúc tác) vào lò phản ứng neutron nhanh thì trong nhiên liệu đã qua sử dụng sẽ có nhiều Pu239 hơn so với nhiên liệu ban đầu. Trong quá trình xử lý, các sản phẩm phân hạch và plutonium dư thừa được loại bỏ khỏi nó và một lượng nhỏ uranium tự nhiên được thêm vào. Kết quả là, nhiên liệu mới có thể lại được nạp vào lò phản ứng. Và điều này có thể được lặp đi lặp lại hầu như vô tận, ít nhất là trong một thời gian khá dài.

Về mặt lý thuyết, mọi thứ có vẻ khá đơn giản. Nhưng, trên thực tế, cần phải có một loại nhiên liệu đặc biệt để lò phản ứng neutron nhanh trở thành vĩnh cửu.

Nhiên liệu hỗn hợp hứa hẹn

Bước đầu tiên hướng tới một chu trình hạt nhân khép kín là việc tạo ra một loại nhiên liệu hạt nhân oxit hỗn hợp, chứa plutonium chiết xuất từ nhiên liệu đã qua sử dụng - nhiên liệu MOX. Nhiên liệu này đã được sử dụng từ những năm 1980. Giờ đây, tỷ lệ nhiên liệu MOX trong tổng khối lượng nhiên liệu hạt nhân được sản xuất trên thế giới là 5% và ở Pháp là 10%.

“Nhiên liệu MOX chủ yếu được sử dụng làm nhiên liệu bổ sung cho các lò phản ứng neutron nhiệt. Nhưng, để xây dựng ngành năng lượng hạt nhân quy mô đầy đủ cần phải có nhiều lò phản ứng neutron nhanh. Nga chiếm ưu thế trong lĩnh vực phát triển các lò phản ứng như vậy.”, TS Georgy Tikhomirov cho biết.

Lò phản ứng BN-800 tại nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk ngay từ đầu được thiết kế cho nhiên liệu MOX. Nhưng, phải đến tháng 9/2022, lò phản ứng mới bắt đầu hoạt động hết công suất với 100% nhiên liệu MOX. Không hề phóng đại nếu gọi sự kiện này là sự khởi đầu của kỷ nguyên năng lượng vĩnh cửu.

Nhiên liệu MOX là nhiên liệu tương lai của các nhà máy điện hạt nhân mới trên thế giới. Ảnh: Sputnik / Pavel Lisitsyn.

Trong khuôn khổ Chương trình toàn diện về phát triển năng lượng hạt nhân ở Liên bang Nga cho đến năm 2030, các chuyên gia lên kế hoạch đưa vào vận hành lò phản ứng neutron nhanh BN-1200 mạnh hơn tại Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk. Trong khi một lò phản ứng thử nghiệm BREST-OD-300 đang được xây dựng ở vùng Tomsk, Siberia như một phần của dự án khoa học đột phá (Proryv).

Theo ông Georgy Tikhomirov, lò phản ứng thử nghiệm BREST-OD-300 sẽ sử dụng nhiên liệu hỗn hợp uranium (UN) và plutonium (PuN) nitride thay cho nhiên liệu MOX. Nhiên liệu mới dày đặc hơn, chì được sử dụng như chất làm mát trong lò phản ứng. Những người ủng hộ dự án đều tin rằng, ở các lò phản ứng chì vốn đã an toàn, việc phát thải các chất phóng xạ vào khí quyển thường bị loại trừ và các tính toán xác nhận điều này.

Các nhà khoa học Siberia lên kế hoạch tạo ra tổ hợp năng lượng hạt nhân theo chu trình nhiên liệu khép kín đầu tiên trên thế giới. Tổ hợp sẽ bao gồm một nhà máy điện hạt nhân với lò phản ứng neutron nhanh làm mát bằng chì và một nhà máy tái chế nhiên liệu hỗn hợp nitride uranium-plutonium (MNUP) đã qua sử dụng và tạo ra các yếu tố nhiên liệu mới cho lò phản ứng.

“Mục tiêu của dự án Proryv là chứng minh rằng các lò phản ứng neutron nhanh có thể cạnh tranh về mặt kinh tế với các lò phản ứng neutron nhiệt, thậm chí vượt qua chúng về mặt an toàn. Nếu mọi việc suôn sẻ, sau lò phản ứng BREST-OD-300 thử nghiệm sẽ xuất hiện một lò phản ứng công nghiệp. Tiếp sau, những dự án kiểu này có thể xuất hiện ở các quốc gia khác.”, tiến sĩ Tikhomirov cho biết.

Văn Phong/Sputnik