Trung Quốc sắp kích hoạt lò phản ứng muối nóng chảy hạt nhân thử nghiệm chạy bằng thorium
Tại tỉnh Cam Túc ở phía tây bắc xa xôi của Trung Quốc, các nhà khoa học Trung Quốc đã thiết kế và chế tạo thành công một lò phản ứng muối nóng chảy chạy bằng năng lượng thorium — và họ sắp đưa nó vào hoạt động.
Ban đầu, năm 2024 là năm hoàn thành dự kiến cho nguyên mẫu kể trên; nhưng ngân sách thiết kế và nghiên cứu lành mạnh, cộng với động lực từ Bắc Kinh, đã thúc đẩy việc hoàn thành lò phản ứng nói trên trước thời hạn.
Công nghệ đằng sau lò phản ứng muối nóng chảy không phải là mới — ông Alvin Weinberg tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge đã vận hành một nguyên mẫu tương tự vào những năm 1960; nhưng các lò phản ứng làm mát bằng nước thông thường đã được đưa vào sử dụng thay thế.
Đặc biệt, nếu Trung Quốc chuyển thành công từ uranium sang thorium và chứng minh được khả năng thương mại của lò phản ứng hạt nhân mới của họ, thì họ hy vọng sẽ có được toàn quyền sở hữu trí tuệ.
‘Lò phản ứng đầu tiên thuộc loại này’
Tháng 01/2011, Viện Nghiên cứu Vật lý Ứng dụng Thượng Hải (SINAP) đã khởi động một chương trình nghiên cứu và thiết kế trị giá 444 triệu USD cho một lò phản ứng muối nóng chảy hoạt động nhờ thorium (TMSR). Việc nghiên cứu và phát triển (R&D) đã thành công và hồi tháng 09/2018, quá trình xây dựng TMSR trên đã bắt đầu, với thời gian hoàn thành ước tính là năm 2024.
Tuy nhiên, năm 2024 là quá lâu đối với một số người. Sau khi xúc tiến thành công việc xây dựng, hôm 02/08 Bộ Sinh thái và Môi trường Trung Quốc (MEE) đã chấp thuận yêu cầu của SINAP để khởi động lò phản ứng nhiệt điện 2 megawatt (MWt) này, theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới.
“Văn phòng của chúng tôi đã tiến hành một cuộc xem xét kỹ thuật các tài liệu đăng ký mà quý vị gửi và tin rằng kế hoạch vận hành lò phản ứng thử nghiệm muối nóng chảy dựa trên nhiên liệu lỏng thorium 2 MWt của quý vị là có thể chấp nhận được và do đó được chấp thuận.”
MEE quy định rằng nếu có bất kỳ “sự cố bất thường lớn nào xảy ra” trong quá trình vận hành, thì sự bất thường đó cần phải được báo cáo “kịp thời” cho Trạm giám sát An toàn Bức xạ và Hạt nhân Tây Bắc.
Liên quan đến sản xuất năng lượng, 2 MWt có thể cung cấp năng lượng cho khoảng 1,000 ngôi nhà, có nghĩa là nguyên mẫu này sẽ không tạo ra một lượng năng lượng đáng kể so với các lò phản ứng hạt nhân truyền thống. Nhưng nếu nguyên mẫu này thành công, Trung Quốc hy vọng sẽ chế tạo được 373 MWt vào năm 2030.
Ban đầu, thorium sẽ chỉ chiếm 20% nguồn nhiên liệu của TMSR. Kế hoạch là tăng từ 20% thorium phân hạch lên 80%.
Trung Quốc đang bảo vệ chặt chẽ thiết kế TMSR của mình. Tuy nhiên, Hiệp hội Hạt nhân Thế giới báo cáo rằng thiết kế mới này được xây dựng dựa trên thí nghiệm lò phản ứng muối nóng chảy (MSRE) năm 1965 của Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge.
Giống như Trung Quốc, MSRE của Oak Ridge bắt đầu với hỗn hợp nhiên liệu uranium đã cạn kiệt và được làm giàu. Sau đó vào năm 1968, uranium-233 được thêm vào hỗn hợp — thorium không phân tách và giải phóng năng lượng; thay vào đó, thorium chuyển thành đồng vị uranium-233 khi nó hấp thụ một neutron
Điều quan trọng là lõi của lò phản ứng muối nóng chảy bao gồm muối hóa lỏng và thorium đã chuyển hóa, giúp hỗn hợp chất lỏng này có thể hoạt động như cả chất làm mát và nhiên liệu. Một thế mạnh nữa là, các chuyên gia khẳng định rằng các lò phản ứng muối nóng chảy hoạt động ở áp suất thấp hơn làm giảm nguy cơ nổ tan chảy.
Sau khi có thêm uranium-233, MSRE của Oak Ridge hoạt động thành công cho đến tháng 12/1968. Tuy nhiên, những tiến bộ trong lĩnh vực công nghệ hạt nhân cạnh tranh cao và thiếu sự ủng hộ về mặt chính trị đã dẫn đến việc ngừng hoạt động lò phản ứng hạt nhân này. Do đó, MSRE của Phòng thí nghiệm Oak Ridge không bao giờ đạt được khả năng thương mại.
Thorium so với uranium
Công nghệ hạt nhân hiện nay dựa vào quặng uranium để làm nhiên liệu, vốn phổ biến như kẽm hoặc thiếc nhưng không phải là tài nguyên tái tạo.
Hơn nữa, mặc dù tổng lượng tài nguyên uranium của thế giới vẫn chưa được biết đến, nhưng các nguồn đã biết hiện nay đủ để cung cấp cho các lò phản ứng thông thường trong khoảng 90 năm. Mặc dù điều đó nghe có vẻ đáng lo ngại, nhưng đó là “mức độ tài nguyên bảo đảm cao hơn mức bình thường đối với hầu hết các loại khoáng sản,” theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới.
Tuy nhiên, có một số hạn chế không kém phần quan trọng đối với các lò phản ứng hạt nhân uranium, đó là chất thải uranium có tính phóng xạ lên tới hàng ngàn năm.
Ngược lại, thorium cũng rất dồi dào, có thể có trữ lượng gấp ba lần uranium, và tạo ra ít chất thải phóng xạ hơn với tuổi thọ nguy hại khoảng 300 năm. Nó cũng ổn định hơn về mặt hóa học và tương đối trơ, khiến việc lưu trữ và khử thorium đơn giản hơn.
Một ưu điểm nữa là các lò phản ứng muối nóng chảy không cần nước để làm mát, có nghĩa là chúng có thể hoạt động ở các vùng sa mạc. Theo báo cáo của Nuclear Engineering International, Trung Quốc có kế hoạch tận dụng tối đa yếu tố này bằng cách xây dựng các TMSR trên khắp các vùng sa mạc phía tây của mình.
Tuy nhiên, các lò phản ứng thorium vẫn có một số nhược điểm.
Ví dụ, các vật liệu được sử dụng để sản xuất các thành phần cho lò phản ứng muối nóng chảy phải duy trì tính nguyên vẹn của chúng trong môi trường có tính ăn mòn và phóng xạ cao.
Năm 1995, Ủy ban An toàn Cơ sở Hạt nhân Quốc phòng (DNFSB) đã xem xét MSRE tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge. Báo cáo cho biết: “Các Bể Chứa Xả Nhiên Liệu được cho là đang bị ăn mòn và có khả năng xảy ra hiện tượng nứt vì ăn mòn do ứng suất trong hệ thống đường ống khí thải và lớp đệm than.”
Có một vấn đề liên quan về các sản phẩm phân hạch phóng xạ. Cụ thể, các sản phẩm phân hạch thuộc nguyên tố họ actinide có tính phóng xạ, và các tác động hóa học của chúng có thể gây ăn mòn tại bể chứa và di chuyển đến các khu vực khác, điều này đã xảy ra với MSRE của Oak Ridge.
“Kể từ khi Thí nghiệm Lò phản ứng Muối nóng chảy ngừng hoạt động cách đây 25 năm, vài kg uranium phân hạch (chủ yếu là 233U) đã di chuyển từ các Bể Chứa Nhiên Liệu qua đường ống của hệ thống khí thải và lắng đọng trong một đoạn ngắn của lớp đệm than,” báo cáo của Ủy ban An toàn Cơ sở Hạt nhân Quốc phòng nêu rõ.
Bất chấp những hạn chế này, Trung Quốc tin rằng tương lai của điện hạt nhân liên quan đến các lò phản ứng muối nóng chảy thorium. Và nếu Trung Quốc chứng minh thành công khả năng thương mại cho TMSR của mình, thì Viện Khoa học Trung Quốc có kế hoạch theo đuổi toàn quyền sở hữu trí tuệ đối với công nghệ này, theo Hiệp hội Hạt nhân Thế giới.
