Canada đẩy nhanh dự án lò phản ứng hạt nhân mô-đun nhỏ đầu tiên ở Bắc Mỹ

Thiết kế BWRX-300 được giới thiệu là có thể loại bỏ khoảng 90% các hệ thống truyền thống. Thay vì đặt cao trên mặt đất trong một mái vòm bê tông khổng lồ, lõi lò phản ứng được bố trí trong một giếng sâu dưới lòng đất, với độ sâu hơn 30 m. Ảnh: Gevernova

Tháng 11/2023, dự án Carbon Free Power Project tại Idaho, Mỹ, do NuScale và Utah Associated Municipal Power Systems (UAMPS) phát triển, đã bị chấm dứt. Dự án gặp khó khăn trong việc bảo đảm sự tham gia của khách hàng và hiệu quả kinh tế.

Trường hợp này cho thấy những thách thức lớn của SMR không chỉ nằm ở công nghệ, mà còn ở chi phí đầu tư, khả năng huy động vốn và việc hình thành thị trường tiêu thụ điện. Tuy nhiên, việc một dự án bị hủy không đồng nghĩa Mỹ từ bỏ phát triển lò phản ứng mô-đun nhỏ.

Ở phía bắc, Canada lựa chọn một hướng đi khác. Tại Nhà máy điện hạt nhân Darlington, thuộc tỉnh Ontario, công tác chuẩn bị mặt bằng được triển khai trước khi hoàn tất toàn bộ quy trình cấp phép xây dựng. Ontario Power Generation (OPG), doanh nghiệp điện lực của tỉnh, lựa chọn lò phản ứng BWRX-300 do GE Hitachi phát triển, đồng thời tận dụng kinh nghiệm vận hành điện hạt nhân đã tích lũy qua nhiều thập kỷ.

Dự án này không chỉ là nỗ lực bổ sung nguồn điện sạch cho Ontario. Theo cách tiếp cận được giới thiệu trong video, Darlington còn có thể trở thành mô hình tham khảo cho các quốc gia muốn phát triển thế hệ nhà máy điện hạt nhân mới, trong bối cảnh nhu cầu điện tăng nhanh do trí tuệ nhân tạo (AI), trung tâm dữ liệu, xe điện và công nghiệp xanh.

TỪ DỰ ÁN BỊ HỦY TẠI MỸ ĐẾN BƯỚC TIẾN CỦA CANADA

Trong khoảng nửa thế kỷ, xây dựng một nhà máy điện hạt nhân truyền thống luôn là quyết định đầu tư có chi phí và mức độ rủi ro rất lớn. Những dự án quy mô lớn như Vogtle tại bang Georgia, Mỹ, hay Flamanville tại Pháp từng phải đối mặt với thời gian xây dựng kéo dài từ 12 đến 15 năm, những yêu cầu kỹ thuật phức tạp và các khoản vượt ngân sách lên tới hàng chục tỷ USD.

Phối cảnh nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò BWRX-300. Ảnh: GE Hitachi.

Một lò phản ứng lớn có thể tiêu tốn hơn 15 tỷ USD trước khi phát ra dòng điện đầu tiên. Đến thập niên 2010, rủi ro tài chính đã khiến nhiều doanh nghiệp điện lực ngần ngại đặt hàng các nhà máy mới. Với một doanh nghiệp điện lực cấp vùng, chi phí đầu tư ban đầu quá lớn thậm chí có thể trở thành mối đe dọa đối với khả năng tồn tại của doanh nghiệp.

Trong khi đó, hệ thống điện toàn cầu lại cần những nguồn cung ổn định hơn. Các nhà máy nhiệt điện than dần bị đóng cửa, điện gió và điện mặt trời phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, còn nhu cầu tiêu thụ điện tăng mạnh do xe điện, công nghiệp nặng và các trung tâm dữ liệu quy mô lớn.

Điều này đặt ra yêu cầu về nguồn điện nền có thể hoạt động liên tục 24 giờ mỗi ngày, 7 ngày mỗi tuần, bất kể trời mưa, gió ngừng thổi hay mặt trời lặn.

Ý tưởng về lò phản ứng hạt nhân mô-đun nhỏ xuất phát từ chính bài toán đó. Thay vì xây dựng một nhà máy khổng lồ theo thiết kế riêng tại công trường trong nhiều năm, các kỹ sư hướng đến việc sản xuất lò phản ứng theo thiết kế tiêu chuẩn trong nhà máy, vận chuyển các cấu kiện bằng xe tải hoặc tàu hỏa đến địa điểm xây dựng, sau đó lắp ráp và kết nối với lưới điện hiện hữu.

Theo những kỳ vọng ban đầu được nêu trong video, phương pháp này có thể giảm một nửa thời gian xây dựng và cắt giảm 60% chi phí vốn ban đầu. Tuy nhiên, khi bước vào triển khai thực tế, nhiều dự án SMR vẫn mắc kẹt trong các thủ tục quản lý kéo dài, thay đổi thiết kế và chi phí cung ứng gia tăng. Dự án tại Idaho là ví dụ điển hình cho những khó khăn đó.

Một công ty hạt nhân của Mỹ đã dành hơn một thập kỷ phát triển thiết kế lò phản ứng nước nhẹ và nhận được sự chấp thuận của cơ quan quản lý liên bang. Dự án được kỳ vọng cung cấp điện sạch cho hàng chục doanh nghiệp điện lực đô thị tại một số bang miền Tây, qua đó chứng minh rằng Mỹ có thể xây dựng các lò phản ứng nhỏ với chi phí thấp hơn và thời gian ngắn hơn so với các nhà máy truyền thống.

Nhưng lạm phát khiến giá thép, bê tông và các đầu vào xây dựng tăng mạnh. Chi phí ước tính của dự án tăng từ 5,3 tỷ USD lên hơn 9,3 tỷ USD. Giá điện mục tiêu vượt 89 USD/MWh, khiến các thành phố tham gia dự án khó chấp nhận. Từng doanh nghiệp điện lực rút khỏi thỏa thuận, và đến cuối năm 2023, dự án chính thức bị hủy bỏ.

Thất bại này làm gia tăng những nghi ngờ về tính khả thi kinh tế của SMR. Các ý kiến chỉ trích cho rằng thu nhỏ một nhà máy điện hạt nhân không đồng nghĩa với giảm chi phí, bởi những khoản đầu tư cố định vẫn phải được phân bổ trên sản lượng điện thấp hơn.

Trong khi dự án Mỹ tan rã, Canada theo đuổi một cách tiếp cận khác: không bắt đầu bằng việc phát minh một công nghệ hoàn toàn mới, mà lựa chọn thiết kế dựa trên các cấu phần công nghiệp đã được kiểm chứng và tập trung vào khả năng triển khai thực tế.

Tại Darlington, OPG lựa chọn BWRX-300, lò phản ứng nước sôi công suất 300 MW do GE Hitachi phát triển, dựa trên một thiết kế có quy mô lớn hơn. Việc kế thừa nền tảng kỹ thuật đã có giúp dự án tránh phải bắt đầu từ đầu và hạn chế những thay đổi thiết kế kéo dài.

Một khác biệt quan trọng khác là cách tổ chức công trường. Thay vì chờ hoàn tất mọi chi tiết kỹ thuật mới bắt đầu các công việc tại hiện trường, Ontario triển khai thủ tục cho phép chuẩn bị mặt bằng từ sớm.

Cuối năm 2022, các đội thi công bắt đầu đào đắp, xây dựng đường, triển khai kết nối điện cao thế và lắp đặt các hệ thống tiện ích ngầm tại Darlington. Khi quá trình cấp phép xây dựng chính thức tiếp tục được tiến hành, mặt bằng đã được san nền, chuẩn bị và kết nối với lưới điện.

Cách làm này giúp OPG hoàn thành các hạng mục chuẩn bị mặt bằng sớm hơn kế hoạch nhiều tháng và thấp hơn ngân sách trong giai đoạn 2023-2024. Trong khi các dự án khác vẫn phải xử lý những bất đồng về thiết kế, Canada đã có một công trường sẵn sàng chuyển sang giai đoạn xây dựng.

BWRX-300: THIẾT KẾ TINH GỌN VÀ CƠ CHẾ AN TOÀN THỤ ĐỘNG

Nếu cách tổ chức triển khai tạo lợi thế về tiến độ, thiết kế kỹ thuật là yếu tố tiếp theo được video nhấn mạnh khi lý giải hướng đi của Canada.

Các nhà máy điện hạt nhân truyền thống thường cần hệ thống bảo vệ quy mô lớn, nhiều máy bơm áp suất cao, máy phát điện dự phòng, cùng mạng lưới đường ống chuyên dụng để duy trì dòng chất làm mát qua nhiên liệu hạt nhân. Khi nguồn điện cấp cho các máy bơm bị gián đoạn, hệ thống phải dựa vào những cơ chế dự phòng để ngăn nhiệt độ trong lõi lò tăng đến mức nguy hiểm.

BWRX-300 được thiết kế để loại bỏ khoảng 90% các hệ thống truyền thống. Lõi lò phản ứng được bố trí trong một kết cấu sâu dưới lòng đất, với độ sâu được mô tả là hơn 30 m, thay vì đặt cao trên mặt đất trong một mái vòm bê tông quy mô lớn.

Kết cấu ngầm được giới thiệu là giúp tăng khả năng bảo vệ trước các tác động bên ngoài và điều kiện thời tiết cực đoan. Đáng chú ý hơn, thiết kế này sử dụng cơ chế làm mát tuần hoàn tự nhiên, dựa trên trọng lực và sự đối lưu nhiệt để nước lưu chuyển qua lõi lò.

Trong trường hợp mất điện từ lưới điện bên ngoài và các máy phát điện dự phòng không hoạt động, lò phản ứng có thể tự làm mát liên tục trong ít nhất bảy ngày mà không cần con người can thiệp, không cần nguồn điện và không cần bổ sung nước. Theo cách mô tả này, hệ thống giảm sự phụ thuộc vào các máy bơm, van và mạng lưới đường ống dự phòng phức tạp.

Việc giảm số lượng thiết bị và cấu phần được kỳ vọng sẽ giúp hạ chi phí chế tạo, bảo trì và vận hành. Tuy nhiên, lợi thế kinh tế của thiết kế không chỉ đến từ bản thân lò phản ứng, mà còn từ cách tổ chức sản xuất.

Các mô-đun tiêu chuẩn có thể được chế tạo trong nhà máy chuyên dụng, dưới những quy trình kiểm soát chất lượng chặt chẽ, rồi vận chuyển đến công trường để lắp ráp. Cách làm này giúp giảm khối lượng lao động cần thiết tại hiện trường, hạn chế tác động của thời tiết và tạo điều kiện kiểm soát chất lượng các mối hàn, cấu kiện theo tiêu chuẩn thống nhất.

Nếu được triển khai theo đúng thiết kế và quy trình đã chuẩn hóa, phương thức sản xuất theo mô-đun có thể giúp rút ngắn công việc tại công trường và tạo điều kiện nhân rộng dự án tại nhiều địa điểm.

Đây là khác biệt đáng kể so với cách xây dựng nhà máy điện hạt nhân truyền thống, vốn phụ thuộc nhiều vào các hoạt động thiết kế, chế tạo và thi công riêng biệt tại từng công trường.

Dù vậy, những lợi ích về an toàn và chi phí mà video đề cập cần được xem xét trong mối liên hệ với thiết kế cụ thể, điều kiện cấp phép và yêu cầu vận hành của từng dự án. Việc sử dụng các cơ chế an toàn thụ động không đồng nghĩa với việc loại bỏ mọi rủi ro, nhưng cho thấy hướng tiếp cận nhằm giảm sự phụ thuộc vào những hệ thống cơ khí phức tạp.

Với Canada, kết hợp giữa thiết kế tinh gọn, sản xuất tiêu chuẩn hóa và kinh nghiệm vận hành hạt nhân lâu năm được xem là cơ sở để chuyển SMR từ một ý tưởng kỹ thuật sang một dự án công nghiệp có khả năng triển khai thực tế.

TỪ DARLINGTON ĐẾN MỸ VÀ CHÂU ÂU: MÔ HÌNH CANADA LAN TỎA

Khi công trường Darlington tiếp tục tiến triển, sự quan tâm từ các doanh nghiệp điện lực quốc tế cũng tăng lên. Những đơn vị từng chịu tổn thất do các dự án hạt nhân chậm tiến độ bắt đầu xem xét khả năng tận dụng thiết kế và kinh nghiệm triển khai của Canada, thay vì tự phát triển toàn bộ công nghệ và quy trình cấp phép từ đầu.

Một đối tác đáng chú ý là Tennessee Valley Authority (TVA), một trong những doanh nghiệp điện lực thuộc sở hữu nhà nước lớn nhất Mỹ.

Thay vì tự chi hàng trăm triệu USD để phát triển thiết kế và khuôn khổ cấp phép riêng, TVA ký thỏa thuận hợp tác với OPG. Hai bên nhất trí chia sẻ thông tin kỹ thuật, thiết kế tiêu chuẩn và chi phí cấp phép nhằm triển khai các lò phản ứng BWRX-300 tương tự tại bang Tennessee.

Thỏa thuận này thể hiện một cách tiếp cận khác trong phát triển điện hạt nhân: thay vì mỗi doanh nghiệp phải tự giải quyết toàn bộ các vấn đề thiết kế và cấp phép, những kinh nghiệm được tích lũy từ dự án đầu tiên có thể trở thành cơ sở cho các dự án tiếp theo.

Nếu được nhân rộng, cách làm này có thể giảm chi phí phát triển ban đầu, hạn chế việc lặp lại các công việc kỹ thuật và tạo điều kiện để nhiều doanh nghiệp cùng tham gia triển khai một thiết kế đã được tiêu chuẩn hóa.

Tác động của dự án Darlington còn lan sang châu Âu. Ba Lan, quốc gia cần thay thế các nhà máy nhiệt điện than cũ và tìm kiếm những giải pháp bảo đảm an ninh năng lượng, đã quan tâm đến mô hình của Canada.

Doanh nghiệp năng lượng Ba Lan Synthos Green Energy hình thành quan hệ hợp tác nhằm phát triển tối đa 24 lò phản ứng BWRX-300, dựa trên các tiêu chuẩn vận hành được xây dựng tại Ontario. Thụy Điển và Cộng hòa Séc cũng bắt đầu nghiên cứu cách tiếp cận của Canada để đẩy nhanh quá trình chuyển đổi năng lượng.

Những diễn biến này cho thấy triển vọng của SMR không chỉ phụ thuộc vào hiệu suất của một tổ máy riêng lẻ. Khả năng nhân rộng còn liên quan đến việc chuẩn hóa thiết kế, tổ chức chuỗi cung ứng, tích lũy kinh nghiệm vận hành và xây dựng cơ chế quản lý có thể áp dụng cho nhiều dự án.

Trong lĩnh vực điện hạt nhân, mỗi dự án thường phải đáp ứng các yêu cầu nghiêm ngặt về thiết kế, an toàn, cấp phép và xây dựng. Nếu các công việc này phải thực hiện lại từ đầu tại từng địa điểm, lợi thế về quy mô và chi phí của SMR có thể bị suy giảm.

Ngược lại, khi các doanh nghiệp có thể sử dụng chung một nền tảng thiết kế và chia sẻ kinh nghiệm triển khai, những dự án tiếp theo có cơ hội giảm bớt thời gian chuẩn bị. Đây là cơ sở để mô hình của Canada được quan tâm tại các thị trường đang tìm kiếm nguồn điện ổn định, ít phát thải và có thể mở rộng theo nhu cầu.

Canada đang chuyển từ vị trí một quốc gia phát triển dự án điện hạt nhân phục vụ nhu cầu trong nước sang vai trò cung cấp kinh nghiệm kỹ thuật, phương thức vận hành và mô hình triển khai cho các đối tác quốc tế. Tuy nhiên, quy mô hợp tác và khả năng triển khai thực tế tại từng quốc gia vẫn phụ thuộc vào các quyết định đầu tư, thủ tục cấp phép và điều kiện cụ thể của mỗi dự án.

NHU CẦU ĐIỆN TĂNG VÀ BÀI TOÁN THƯƠNG MẠI HÓA SMR

Triển vọng của điện hạt nhân mô-đun nhỏ gắn liền với một thay đổi lớn hơn trong nền kinh tế toàn cầu: nhu cầu điện đang tăng nhanh khi các ngành công nghiệp bước vào giai đoạn số hóa và giảm phát thải.

Sự phát triển của trí tuệ nhân tạo, điện toán đám mây, các trung tâm dữ liệu, sản xuất xe điện và thép xanh đang tạo thêm áp lực lên hệ thống điện Bắc Mỹ. Những cụm máy chủ quy mô lớn cần nguồn điện liên tục, đủ công suất để vận hành không phụ thuộc vào thời điểm có gió hay ánh nắng.

Nếu chỉ dựa vào các nhà máy điện khí tự nhiên, lượng phát thải carbon có thể tăng. Trong khi đó, những nhà máy điện hạt nhân truyền thống quy mô lớn cần thời gian dài để xây dựng, khó đáp ứng nhanh nhu cầu điện mới của các trung tâm công nghệ.

Trong bối cảnh đó, lợi thế được kỳ vọng của SMR là khả năng bổ sung công suất theo từng giai đoạn. Tại Darlington, OPG dự kiến phát triển tối đa bốn tổ máy trên cùng một địa điểm, với tổng công suất 1.200 MW. Thay vì phải hoàn thành một nhà máy quy mô lớn ngay từ đầu, doanh nghiệp có thể triển khai từng tổ máy theo tiến độ và nhu cầu sử dụng điện.

Cách tiếp cận này tạo ra khả năng đưa tổ máy đầu tiên vào vận hành và bắt đầu tạo doanh thu trong khi các tổ máy tiếp theo vẫn đang được xây dựng. Về mặt tài chính, điều đó có thể giúp giảm áp lực phải huy động vốn cho toàn bộ công suất dự kiến ngay từ đầu.

Thiết kế BWRX-300 được sử dụng lặp lại, chi phí của các tổ máy tiếp theo tại cùng một địa điểm có thể thấp hơn đáng kể so với tổ máy đầu tiên. Chi phí vốn tính trên mỗi megawatt được mô tả là có thể giảm tới 60% so với các nhà máy hạt nhân truyền thống được thiết kế riêng.  

Một hướng triển khai khác là xây dựng SMR tại địa điểm của các nhà máy nhiệt điện than đã ngừng hoạt động. Những địa điểm này có thể sở hữu sẵn đường dây truyền tải điện cao thế, hạ tầng nước làm mát và lực lượng lao động kỹ thuật địa phương. Việc tận dụng các nguồn lực hiện hữu có thể giúp giảm một phần nhu cầu đầu tư hạ tầng mới và tạo điều kiện chuyển đổi các khu vực công nghiệp sử dụng than sang nguồn điện ít phát thải hơn.

Đối với Ontario, bốn tổ máy dự kiến tại Darlington được kỳ vọng tạo nền tảng cho chiến lược tăng trưởng sạch trong nhiều thập kỷ. Mục tiêu phát điện đầu tiên được đặt ra trước khi thập niên 2020 kết thúc, theo kế hoạch được đề cập trong video.

Điều đáng chú ý trong cách tiếp cận của Canada là sự kết hợp giữa kinh nghiệm vận hành điện hạt nhân lâu năm, lựa chọn thiết kế dựa trên nền tảng kỹ thuật đã có và công tác chuẩn bị dự án từ sớm. Thay vì chỉ tập trung vào việc phát triển công nghệ trên giấy, OPG hướng đến việc tổ chức mặt bằng, quy trình cấp phép và các hạng mục kỹ thuật theo hướng tạo thuận lợi cho thi công.

Trong khi dự án SMR tiêu biểu của Mỹ tại Idaho bị hủy bỏ sau khi chi phí tăng mạnh, Darlington cho thấy một hướng triển khai khác, dựa vào tính tiêu chuẩn hóa và kế hoạch thực hiện theo từng bước. Những kinh nghiệm từ dự án này đang được các doanh nghiệp điện lực và đối tác quốc tế quan tâm, trong bối cảnh nhiều quốc gia tìm kiếm nguồn điện nền sạch để đáp ứng nhu cầu của nền kinh tế hiện đại.

Điều Canada muốn chứng minh là SMR không nhất thiết phải dừng lại ở một ý tưởng đầy triển vọng nhưng khó triển khai. Với thiết kế phù hợp, quy trình chuẩn bị được tổ chức tốt và khả năng nhân rộng, công nghệ này có thể trở thành một lựa chọn trong cơ cấu nguồn điện tương lai.

Tuy nhiên, để chuyển kỳ vọng thành kết quả thương mại, các dự án vẫn phải vượt qua những yêu cầu về cấp phép, an toàn, chi phí đầu tư, chuỗi cung ứng và tiến độ xây dựng. Darlington vì thế không chỉ là cuộc thử nghiệm về công nghệ lò phản ứng nhỏ, mà còn là phép thử đối với khả năng tổ chức và quản lý các dự án hạt nhân trong điều kiện kinh tế hiện đại.

Bằng việc kết hợp kinh nghiệm vận hành tích lũy qua nhiều thập kỷ với một thiết kế lò phản ứng được tinh gọn và tiêu chuẩn hóa, Canada đang tìm cách khẳng định vị thế trong quá trình chuyển dịch năng lượng toàn cầu. Nếu mô hình Darlington đáp ứng được các mục tiêu về tiến độ, chi phí và an toàn, những bài học từ dự án này có thể ảnh hưởng đến cách Bắc Mỹ và châu Âu triển khai các nhà máy điện hạt nhân trong những thập kỷ tới.