X-energy và tham vọng lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí heli

X-energy đang phát triển lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) nhằm phục vụ nhóm khách hàng "khát điện" nhất hành tinh: các nhà sản xuất công nghiệp cần nhiệt độ cực cao để tạo ra hàng tỷ tấn xi măng, nhựa, sợi và hóa chất mỗi năm.

Các tấm pin mặt trời và tuabin gió rất giỏi sản xuất điện, nhưng ngành công nghiệp nặng còn cần một thứ khác: nhiệt thô — và với khối lượng khổng lồ. Việc sản xuất xi măng, thủy tinh, thép cũng như hóa chất, nhựa và phân bón vẫn phụ thuộc rất nhiều vào nhiên liệu hóa thạch để tạo ra nguồn nhiệt đó.

Vì sao lò hạt nhân truyền thống không đủ nóng?

Các lò phản ứng hạt nhân truyền thống đơn giản là không đủ nóng. Hệ thống làm mát của chúng cần nước lỏng để hoạt động, và ngay cả khi tăng áp suất để nâng điểm sôi của nước, nhiệt độ vận hành tối đa vẫn thấp hơn mức cần thiết hàng trăm độ C.

Lò Xe-100 mà X-energy đề xuất sẽ dùng khí heli làm chất tải nhiệt thay cho nước, nhờ đó có thể vận hành ở áp suất thấp hơn nhiều nhưng nhiệt độ cao hơn hẳn. Khí heli sẽ gia nhiệt cho nước và tạo ra hơi nước siêu nóng, mà ngành công nghiệp có thể dùng trực tiếp hoặc để phát 80 MW điện qua tuabin — hoặc kết hợp cả hai. Con số này tương đương khoảng một phần mười công suất của hầu hết lò phản ứng đang vận hành ngày nay.

Nhiên liệu TRISO: an toàn và chống nóng chảy

Tương tự các SMR khác, Xe-100 dùng loại nhiên liệu uranium hiện đại gọi là TRISO (viết tắt của tristructural-isotropic), có khả năng chống ăn mòn và chống nóng chảy cực tốt. Những "viên sỏi" TRISO nhỏ gọn được nạp liên tục vào đỉnh lò, rồi chảy chậm xuống đáy, nơi chúng được tái chế hoặc loại bỏ như chất thải.

Công ty khẳng định lò này an toàn nội tại ngay cả khi mất điện: nếu nhiệt độ bên trong tăng cao, phản ứng hạt nhân sẽ tự động chậm lại và dừng hẳn.

Thông tin cơ bản

• Lĩnh vực: Phân hạch hạt nhân
• Thành lập: 2009
• Trụ sở: Rockville, Maryland, Mỹ
• Chi tiết đáng chú ý: Lò làm mát bằng heli đầu tiên từng được đề xuất cho Dự án Manhattan thời Thế chiến II, nhưng bị gạt sang một bên để nhường chỗ cho thiết kế làm mát bằng nước đơn giản và rẻ hơn.

Tiềm năng tác động

Sưởi công nghiệp hiện chiếm 18% tổng phát thải khí nhà kính toàn cầu mỗi năm, trong đó khoảng một nửa đến từ các quy trình nhiệt độ cao rất khó điện khí hóa. Đặt các lò hạt nhân nhỏ ngay tại những cơ sở sản xuất lớn có thể thu hẹp một trong những dấu chân carbon lớn nhất thế giới.

Lò Xe-100 cũng có thể được ngành nhiên liệu hóa thạch sử dụng, khi hiện nay họ tiêu thụ lượng lớn khí tự nhiên để tạo nhiệt phục vụ khai thác dầu từ cát dầu và trong quá trình lọc dầu.

Tính linh hoạt của Xe-100 còn cho phép dùng nó để phát điện truyền thống. Nhờ thu nhỏ kích thước và công suất so với các nhà máy phân hạch quy mô gigawatt hiện nay, những lò nhỏ như Xe-100 có thể phục vụ nhiều thị trường hơn — thậm chí cho từng trung tâm dữ liệu riêng lẻ. AI và các trung tâm dữ liệu hiện là cấu phần lớn nhất trong nhu cầu điện mới ở Mỹ, và mức tiêu thụ này dự kiến sẽ tăng gấp đôi một lần nữa vào năm 2030.

X-energy cho biết có thể ghép cụm tới 12 lò phản ứng để cung cấp điện 24/7 tại chỗ, với chi phí thấp hơn nhà máy hạt nhân truyền thống và không cần thêm hạ tầng truyền tải.

Những điểm cần lưu ý

Công nghệ phân hạch làm mát bằng heli có thể đã được hiểu rõ về mặt lý thuyết, nhưng hiện chỉ có Trung Quốc vận hành loại hình phát điện quy mô thương mại này — và hai lò ở đó đã gặp khó khăn trong việc chạy liên tục. X-energy nói rằng chuỗi cung ứng nhiên liệu tích hợp theo chiều dọc của mình sẽ đảm bảo vận hành ổn định, với tuổi thọ lò lên tới 60 năm.

Tuy nhiên, bài toán kinh tế của SMR vẫn chưa được chứng minh rõ ràng. Chi phí và tiến độ hạt nhân vốn nổi tiếng là hay "phình to", và Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ tính toán rằng điện từ SMR sẽ đắt hơn hơn sáu lần so với điện từ các trang trại mặt trời. Dù môi trường quản lý và tài trợ chính phủ ở Mỹ hiện đang có lợi cho hạt nhân, điều đó có thể thay đổi trong khung thời gian phát triển dài của X-energy.

Về an toàn và chống phổ biến vũ khí hạt nhân, lò TRISO tỏ ra rất hiệu quả (những viên cầu cứng khó bị chuyển thành vũ khí), nhưng lại kém ấn tượng hơn về chất thải. Xe-100 có thể tạo ra lượng nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng gấp 10 lần trên mỗi đơn vị năng lượng so với lò hiện có, dù chất thải mức thấp hơn của nó cần hệ thống lưu trữ ít phức tạp hơn.

Các bước tiếp theo

Ủy ban Quản lý Hạt nhân Mỹ đã cấp cho công ty con của X-energy giấy phép chế tạo nhiên liệu cho các viên TRISO-X, với nhà máy đầu tiên dự kiến hoàn thành vào năm 2028. Một lò Xe-100 cung cấp nhiệt và điện cho cơ sở hóa chất lớn ở Texas do Dow vận hành cũng đã vượt qua rào cản pháp lý đầu tiên và có thể đi vào hoạt động vào đầu những năm 2030.

Song song đó, X-energy đang hướng tới một cụm 4 lò Xe-100 với tổng công suất 320 MW tại Richland, Washington, hợp tác với Amazon, và một đội lò lớn hơn 6 GW ở đông bắc nước Anh. Cả hai dự án đều nhắm mục tiêu phát điện trong thập niên 2030.

Góc nhìn cho độc giả Việt Nam

Câu chuyện của X-energy đáng chú ý với Việt Nam ở hai điểm. Thứ nhất, cuộc đua điện hạt nhân mô-đun nhỏ đang nóng lên trên toàn cầu, trong khi Việt Nam đã đặt lại vấn đề hạt nhân vào quy hoạch năng lượng quốc gia. Thứ hai, nhu cầu điện cho trung tâm dữ liệu và AI tại khu vực Đông Nam Á đang tăng rất nhanh — mô hình lò nhỏ đặt tại chỗ, cung cấp điện 24/7, có thể là hướng đi mà các ông lớn công nghệ sẽ cân nhắc khi mở rộng hạ tầng trong khu vực.