Lò phản ứng hạt nhân nhỏ: Chìa khóa mở ra tương lai năng lượng sạch?

Sau nhiều thập kỷ chững lại, ngành năng lượng hạt nhân đang chứng kiến một làn sóng đổi mới với sự trỗi dậy của các lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR). Công nghệ này hứa hẹn giảm chi phí, tăng tính linh hoạt và mở ra cơ hội sử dụng năng lượng hạt nhân cho nhiều khu vực và ngành công nghiệp, bao gồm cả các trung tâm dữ liệu AI.

Sự trở lại này diễn ra sau thời gian dài các nhà máy điện hạt nhân truyền thống gần như không được xây mới tại Mỹ và châu Âu. Các lò phản ứng SMR với công suất nhỏ hơn nhưng thiết kế thông minh đang thu hút hàng tỷ USD đầu tư từ chính phủ và khu vực tư nhân.

SMR là gì và vì sao chúng khác biệt?

Các lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) có công suất tối đa 300 megawatt (MWe), đủ điện cho khoảng 300.000 hộ gia đình. Con số này khiêm tốn hơn nhiều so với mức 1.000 MWe của các lò phản ứng nước nhẹ (light-water reactor - LWR) truyền thống. Tuy nhiên, lợi thế của SMR không nằm ở công suất mà ở tính mô-đun trong thiết kế và thi công.

Thay vì xây dựng toàn bộ nhà máy tại chỗ, các phần lớn của lò phản ứng sẽ được sản xuất hàng loạt trong nhà máy và vận chuyển đến địa điểm để lắp ráp.

"Hãy nghĩ về nó như chơi Lego," Jacopo Buongiorno, giám đốc Trung tâm Hệ thống Năng lượng Hạt nhân Tiên tiến tại MIT, giải thích. "Tôi có những viên gạch đúc sẵn và kết nối chúng thành lò phản ứng."

Mô hình lò phản ứng mô-đun nhỏ đang được xây dựng

Nhiên liệu và chất làm mát mới: An toàn hơn hay rủi ro hơn?

Một trong những khác biệt lớn nhất của SMR nằm ở việc sử dụng các loại nhiên liệu và chất làm mát mới, không giống với nước và viên uranium dioxide của các lò truyền thống.

Nhiên liệu TRISO: Lò thử nghiệm Hermes 1 của công ty Kairos Power ở Oak Ridge, Tennessee, là lò phản ứng phi nước nhẹ đầu tiên được Ủy ban Điều tiết Hạt nhân Mỹ (NRC) phê duyệt trong hơn 50 năm. Thay vì các thanh nhiên liệu, Hermes 1 sử dụng các viên nhiên liệu TRISO (tristructural isotropic) — các hạt uranium có kích thước bằng hạt anh túc được bọc trong lớp vỏ carbon-gốm. Thiết kế này giúp nhiên liệu không bị nóng chảy ở nhiệt độ cao do tai nạn, một tính năng mà ngành công nghiệp gọi là walk-away safe. Tuy nhiên, TRISO đòi hỏi loại uranium làm giàu cao độ (HALEU), một thách thức lớn về chuỗi cung ứng hiện tại.

Chất làm mát bằng muối nóng chảy: Hermes 1 được làm mát bằng hỗn hợp muối florua gọi là FLiBe thay vì nước. Muối này sôi ở nhiệt độ 1.430°C, cao hơn nhiều so với nhiệt độ vận hành 650°C của lò, cho phép lò hoạt động ở áp suất khí quyển thường. Điều này làm giảm đáng kể chi phí vì không cần bình chứa chịu áp lực lớn, đồng thời giảm rủi ro phát tán phóng xạ khi có sự cố rò rỉ.

Lò Natrium của TerraPower: Do Bill Gates đồng sáng lập, lò này sử dụng kim loại natri lỏng làm chất làm mát. Natri có khả năng dẫn nhiệt tốt và sôi ở gần 900°C, cao hơn nhiệt độ vận hành 500°C của lò. Một tính năng an toàn quan trọng là natri có thể liên kết với các đồng vị phóng xạ nguy hiểm như caesium-137 và iodine-131, giữ chúng trong bể chứa thay vì phát tán ra môi trường trong trường hợp rò rỉ.

Các viên nhiên liệu TRISO với lớp vỏ carbon gốm

Sức hút từ nhu cầu điện của trung tâm dữ liệu AI

Sự phát triển nhanh chóng của trí tuệ nhân tạo (AI) đang tạo ra nhu cầu khổng lồ về điện cho các trung tâm dữ liệu. Đây chính là động lực kinh tế quan trọng thúc đẩy sự quan tâm đến SMR. Các công ty công nghệ lớn như Google đã ký thỏa thuận mua điện từ các dự án SMR, cho thấy tiềm năng thương mại rõ ràng của công nghệ này.

Sự hấp dẫn của việc xây dựng nhanh hơn, rẻ hơn và nhu cầu năng lượng sạch ngày càng tăng đã khiến việc phát triển SMR trở nên hấp dẫn về mặt thương mại. Kairos Power đang xây dựng nhà máy trình diễn Hermes 2 với công suất 50 MWe và dự kiến bắt đầu hoạt động thương mại vào năm 2030 cho Google.

Thách thức về vật liệu và chi phí

Nhiệt độ hoạt động cao hơn và môi trường hóa học khác biệt đặt ra những thách thức lớn về vật liệu. Muối nóng chảy có xu hướng hòa tan crom, thành phần làm nên thép không gỉ. Vì vậy, các bộ phận của lò không nên chứa quá 7% crom. Ngoài ra, bức xạ trong lò phản ứng nhiệt độ cao có thể tạo ra các khuyết tật khiến vật liệu trở nên giòn hơn.

Raluca Scarlat, kỹ sư hạt nhân tại Đại học California, Berkeley, cho biết: "Một số thiết kế SMR có nhiều đặc tính an toàn vốn có, dựa vào vật lý thay vì kỹ thuật phức tạp, chẳng hạn như khả năng hoạt động ở áp suất khí quyển, mang lại nhiều cơ hội hơn để thiết kế các hệ thống an toàn thụ động."

Các nhà phê bình như Edward Lyman từ Liên minh các nhà khoa học quan tâm (Union of Concerned Scientists) vẫn cho rằng SMR chưa chắc đã kinh tế hơn các nhà máy lớn, khi các nhà máy phải sản xuất hàng loạt mô-đun mới có thể đạt hiệu quả chi phí. Một số thiết kế cũng có thể tiềm ẩn rủi ro do sử dụng nhiên liệu và chất làm mát khác biệt.

Tương lai của năng lượng hạt nhân

Mặc dù còn nhiều thách thức, các chuyên gia tin rằng sự phát triển vật liệu, nhiên liệu và thiết kế lò phản ứng mới là một quá trình chậm rãi nhưng xứng đáng. Với việc có thể đặt gần nơi tiêu thụ điện hơn nhờ vùng an toàn nhỏ hơn, SMR có thể giải quyết bài toán năng lượng cho các khu công nghiệp, khu vực xa xôi, và đặc biệt là các trung tâm dữ liệu AI đang "khát" điện.

Nhà máy trình diễn công nghệ SMR với chất làm mát kim loại lỏng

Năng lượng hạt nhân, với sự hỗ trợ của các công nghệ SMR, đang được kỳ vọng là một phần quan trọng trong chiến lược chuyển dịch năng lượng toàn cầu, giúp thế giới thoát khỏi sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch. Tại Việt Nam, trong bối cảnh nhu cầu điện cho phát triển kinh tế số ngày càng lớn, việc theo dõi và học hỏi những công nghệ tiên tiến này sẽ là bài toán quan trọng cho chiến lược an ninh năng lượng quốc gia trong tương lai.