Khái quát công nghệ hạt nhân thế hệ IV trong tương lai

Tuesday, 31/05/2016, 00:00

 Mở đầu

     Theo báo cáo năm 2015 của Công ty TNHH Phát triển qui trình năng lượng (EPD), từ năm 2002 quá trình tuyển chọn thế hệ thứ IV công nghệ hạt nhân bắt đầu với sự thay đổi lớn về ý tưởng thiết kế. Dưới đây là khái quát một số cân nhắc cho một thế hệ mới (thế hệ IV – Ge4) của công nghệ năng lượng hạt nhân. Các thiết kế này có xu hướng làm tăng hiệu quả, tăng tính an toàn và độ tin cậy, hơn nữa, còn mở ra cơ hội hướng đến lợi ích thương mại khác như sản xuất hydro.

Lò nhiệt độ rất cao (VHTR: Very High Temperature Reactor) 

Mô tả

     Thiết kế VHTR điển hình (Hình 1) sử dụng chất tải nhiệt hêli được vận hành theo chu trình năng lượng Brayton với nhiệt độ làm việc rất cao đạt tới trên 1000°C. Thiết kế khởi đầu được phát triển vào thập niên 1980 và đã chứng tỏ được khả năng của nó trong nhiều nước. Lò mô đun đệm cuội (Pebble Bed Module Reactor)- PBMR- của Nam Phi là một thiết kế như vậy với hàng loạt các đặc tính ưu thế. Lò có nhiên liệu là Th-232 kết hợp với U-235 có lớp vỏ TRISO và nơtron được làm chậm bởi graphit. Thiết kế nhiên liệu này cho phép các quá trinh tái sinh/tái xử lý/tiếp nhiên liệu của vùng hoạt bất biến; loại bỏ tỉ lệ phần trăm đáng kể mất mát dập lò do các thiết kế ô mạng thanh.

     Khí hêli cung cấp một môi trường tải nhiệt không có phản ứng với một tiết diện hạt nhân thấp có thể hoặc điều khiển trực tiếp tuốc bin sản xuất điện hoặc được chuyển đến xử lý nhiệt để làm tăng hiệu quả sản xuất khí hydro một cách tiết kiệm. Với chất tải nhiệt bằng khí, tính an toàn của hệ thống được tăng lên. Trong trường hợp sai hỏng vỏ thanh nhiên liệu, các chất phóng xạ sẽ được bao kín bên trong vùng hoạt không có khả năng vận chuyển qua chất tải nhiệt.

     Các chất tải nhiệt khác đã được cân nhắc nhưng chưa được thử nghiệm. Muối nóng chảy (sẽ được đề cập chi tiết ở dưới) đưa ra ưu điểm về nhiệt độ sôi rất cao với tiềm năng ngăn chặn các chất phóng xạ tốt nhưng hạn chế sự quan sát vùng hoạt bằng mắt và có hoạt tính hóa học cao. 

Ưu, nhược điểm:

- Ưu điểm: Chất tải nhiệt bằng khí hêli; Nhiên liệu là Th và U; Hiệu suất biến đổi nhiệt-điện cao hơn (>50%); Sản xuất được hydro.

- Nhược điểmNhiên liệu không thể được quay ra ngoài khi yêu cầu; Hệ số dẫn nhiệt của hêli thấp; Nghiên cứu bị hạn chế.

Lò tải nhiệt bằng nước siêu tới hạn (SWCR: Supercritical Water Cooled Reactor)

Mô tả

     Loại lò SCWR (Hình 2) sử dụng nước là chất tải nhiệt sơ cấp.Chu trình tải nhiệt là một lần và dựa trên cơ sở lò nước nhẹ LWR vận hành tại nhiệt độ và áp suất cao. Do nước tải nhiệt có áp suất cao như vậy nên nó không bao giờ thay đổi pha khi làm nóng lên hay lạnh đi. Mục đích chủ yếu của công nghệ này là cung cấp chi phí phát điện thấp.Thiết kế này có một tầm quan trọng bởi nó được xây dựng trên các công nghệ đang chủ đạo các thiết kế LWR và PWR hiện nay.

     Trong thiết kế này, khi nước rời khỏi vùng hoạt sẽ có nhiệt độ là 500oC. Do nước có nhiệt độ và áp suất cao nên sẽ không bao giờ sôi có nghĩa là nước sẽ không thay đổi pha dẫn đến sử dụng được nhiên liệu là uran có độ làm giàu thấp. Chu trình của thiết kế này thực sự rất đơn giản. Nó không cần thiết cho bộ sinh hơi hay bộ bay hơi “họ hàng” PWR, BWR của nó. Công nghệ không cần bơm tuần hoàn và chỉ có một nửa số đường ống hơi. Một trong các khía cạnh lớn nhất về công nghệ này là kích thước của lò phản ứng nhỏ đáng kinh ngạc, nhỏ hơn cả hai PWR và BWR.

        

                        Hình 1. Mô hình thiết kế VHTR                                                    Hình 2. Mô hình thiết kế SWCR

Ưu, nhược điểm:

- Ưu điểm: Hiệu suất biến đổi nhiệt-điện 45%; Có thể sử dụng phần lớn các bộ phận thùng lò phản ứng của PWR và BWR; Không cần có bơm phun, bộ điều áp và thiết bị sấy khô; Cải tiến hợp lý tiếp theo đối với các cấu hình PWR và BWR.

- Nhược điểm: Cần nhiều nghiên cứu về nước siêu tới hạn; Áp suất cao của nước tải nhiệt tạo ra tiềm năng lớn hơn về sự cố LOCA; Áp suất và nhiệt độ cao đòi hỏi phân tích mới về các ống và bộ phận đảm bảo đủ năng lực.

Lò muối nóng chảy (SMRMSR: Molten Salt Reactor) 

Mô tả

     Tận dụng các ưu điểm của công nghệ sẵn từ năm 1960, lò phản ứng muối nóng chảy (MSR) đã được thiết kế cho rất nhiều ứng dụng (Hình 3). Từ các nhà máy thương mại, đến máy bay ném bom có động cơ hạt nhân, MSR có các lợi thế của việc hoạt động áp suất thấp với truyền nhiệt tại vùng hoạt cao hơn. Điều này cho phép kích thước lò được giảm với số lượng bơm và đường ống ít hơn nhưng hiệu quả vận hành cao hơn.Trong thiết kế MSR thế hệ thứ IV có 2 đề xuất công nghệ là lò dùng nhiên liệu muối nóng chảy và lò tải nhiệt bằng muối nóng chảy.

     Trước hết với thiết kế đơn giản hơn, ít tham vọng hơn, lò nhiên liệu muối nóng chảykhông tái sinh nhiên liệu mới, không đòi hỏi tái xử lý nhiên liệu trực tuyến và sử dụng chu kỳ nhiên liệu làm giàu uranium đã có từ lâu. Trong lý thuyết của lò nhiên liệu muối nóng chảy thông thường hoặc cơ bản, nhiên liệu là một hỗn hợp nóng chảy muối florua lithi và beli (FliBe) được hòa tan với florua uran (U-235 hoặc U-233) có độ làm giàu thấp. Vùng hoạt chứa chất làm chậm bằng graphit để trần được sắp xếp cho phép chảy qua dòng muối nhiệt độ 700oC tại áp suất thấp. Áp suất vận hành thấp tạo ra khả năng nhiều vùng hoạt nhỏ hơn là lò phản ứng lớn.Lò nhiên liệu muối nóng chảy không dễ ảnh hưởng đến các vấn đề ăn mòn (uran và thori làm giảm độ phản ứng hóa học khi liên kết với flo).Vì nhiên liệu được hòa tan trong muối nên không có chi phí cho sản xuất nhiên liệu. Hơn nữa, tiềm năng tái sinh là khả dụng.

     Lò tải nhiệt bằng muối nóng chảy với nhiên liệu là chất rắn  có vài ưu điểm như áp suất vận hành thấp và an toàn nội tại, đặc biệt nhất là không có hơi trong vùng hoạt để gây ra nổ hơi, kích cỡ lò không lớn. Nhưng vấn đề chống ăn mòn cần được giải quyết. Vật liệu thích hợp dùng trong môi trường ăn mòn của loại lò điển hình chưa được phát triển.

     Các đặc tính hóa học của muối nóng chảy yêu cầu tái xử lý và làm sạch liên tục. Các muối florua phản ứng với nước tạo ra axit flohydric (HF) gây ăn mòn rất lớn. Quá trình tái xử lý có lợi vì tách các sản phẩm phân hạch làm tăng tiết kiệm nơtron của lò phản ứng. Các lợi thế về an toàn (giữ lại các sản phẩm phân hạch, rủi ro nổ hơi thấp hơn, ít rủi ro về sai lệch sôi bằng năng lượng hạt nhân) được kết hợp với hiệu quả cao hơn do nhiệt độ vận hành cao đã khuyến khích các đề xuất thiết kế mới.

Ưu, nhược điểm:

- Ưu điểm: Vận hành tại áp suất thấp cải thiện tính an toàn và đơn giản hóa thiết kế; Cho phép kích thước lò nhỏ và không cần chế tạo thanh nhiên liệu; Công nghệ đã được nghiên cứu và chứng minh; Nhiệt độ vận hành cao hơntạo ra hiệu quả sản xuất điện cao; Giữ lại các sản phẩm phân hạch giảm phát thải.

- Nhược điểm: Tiềm năng ăn mòn cao; Các vật liệu được yêu cầu chống ăn mòn cao chưa phát triển/hợp thức hóa.

          

                      Hình 3. Mô hình thiết kế MSR                                                 Hình 4. Mô hình thiết kế SFR

Lò nơtron nhanh tải nhiệt bằng khí (GFR: Gas cooled Fast Reactor)

Mô tả

     Tương tự như VHTR, GFR sử dụng hêli làm chất tải nhiệt vận hành một chu trình năng lượng Brayton để phát điện. Chất tải nhiệt hêli có vài ưu điểm và độ tin cậy đã được đề cập ở trên. Lợi thế của GFR là khả năng tái sinh của nó.Lượng uran dồi dào cũng như hàng loạt các nhiên liệu phân hạch khác có thể được sử dụng mà không cần thiết làm chậm nơtron. Vì các đặc tính hấp thụ của nhiên liệu dễ đáp ứng đến phổ nơtron nhanh, nên nhiên liệu có thể tạo ra trong lò phản ứng qua thời gian, cuối cùng tạo nhiều nhiên liệu hơn đã được đặt ban đầu trong vùng hoạt.

     Việc thiết kế lại vùng hoạt để thích ứng với sai hỏng nhiên liệu và sự cố do nhiệt độ cao có cả các ưu và nhược điểm.

Ưu,nhược điểm.

- Ưu điểm: Khả năng tái sinh nhiên liệu; Mật độ năng lượng cao hơn; Thiết kế nhiên liệu mới.

- Nhược điểm: Hệ số dẫn nhiệt của hêli thấp; Sự hư hại do nơtron nhanh; Nghiên cứu bị hạn chế.

Lò nơtron nhanh tải nhiệt bằng natri (SFR: Sodium Cooled Fast Reactor)

Mô tả

     Loại lò thế hệ IV này thường có 2 kích cỡ khác nhau phụ thuộc vào hiệu suất năng lượng mong muốn. Kích thước nhỏ hơn thích ứng với nhu cầu công suất điện 150 -600 MWe trong khi kích thước lớn hơn vận dụng cho nhu cầu 500-1500 MWe. Cả hai dạng thiết kế này sử dụng natri là chất làm chậm. Natri là một vật liệu nặng hơn và khi nơtron va chạm với các nguyên tử natri chúng không bị mất nhiều năng lượng như với nước. Đây là một lợi thế chủ yếu để sử dụng loại lò này. Cả hai loại lò nói trên đều dùng nhiên liệu là hỗn hợp plutoni- uran. Loại kích cỡ nhỏ dùng nhiên liệu này hòa trộn với các hợp kim kim loại trong khi loại lớn sử dụng oxyt plutoni-uran.    

     Các khía cạnh độc nhất vô nhị của việc sử dụng natri trong lò phản ứng nhanh là năng lượng có thể được lấy ra khỏi lò phản ứng từ chất phóng xạ cũng như tính năng an toàn đến từ dùng chất tải nhiệt là kim loại chứ không phải là nước. Natri thường rời khỏi lò phản ứng tại nhiệt độ 510- 550° C. Thông thường, thiết kế cho SFR ưu ái một bể chứa chất tải nhiệt như Hình 4 trên. Sau khi chất tải nhiệt rời khỏi lò phản ứng, nó chuyển đến thiết bị trao đổi nhiệt và ở đây nhiệt năng được chuyển cho vòng khác trong nhà máy điện.Vòng này đến tua bin để cung cấp cơ năng cho máy phát điện.

     Phát triển của SFR được quyết định chủ yếu bởi sự phát triển vật liệuchế tạo nhiên liệu. Mỹ cho rằng các lò phản ứng thế hệ IV có khả năng thực hiện được nhất để sản xuất điện cho quốc gia trong khoảng 12 năm. SFR được phát triển nhất trong tất cả các lò thế hệ thứ IV. Vài tổ máy đã được xây dựng và vận hành khắp Châu Âu.

 Ưu, nhược điểm:

- Ưu điểm: Có các lợi thế của mọi lò nhanh khác; Có 2 công nghệ chu trình nhiên liệu; Khôi phục và tái chế các actinit đến 99,9%; Hệ số tẩy xạ thấp vốn có của sản phẩm; Không bao giờ phải tách plutoni tại bất kỳ giai đoạn nào; Đạt được hiệu suất nhiệt đến 40%.

- Nhược điểm: Chí phí đầu tư cao; Cần thiết nghiên cứu và phát triển hệ thống nhiên liệu; Nghiên cứu hệ thống chung vẫn còn cần để thẩm tra hệ thống an toàn thụ động và thiết kế thành phần; Natri có thể bắt lửa và bị nổ khi tiếp xúc với nước và không khí.

 Lò nơtron nhanh tải nhiệt bằng chì (LRF: Lead Cooled Fast Reactor) 

 Mô tả

     Lò phản ứng thứ 4 này sử dụng chì hoặc bitmut chì là chất tải nhiệt sơ cấp bên trong vùng hoạt. Nó tạo ra việc sử dụng phổ nơtron nhanh và một chu trình nhiên liệu kín. Các tổ máy nhỏ có thể được thiết kế ứng với công suất 50 – 150 MWe, kích cỡ trung bình bao từ 300 đến 400 Mwe và thậm chí một tổ máy lớn sẽ  phát ra 1200 MWe. Mỗi thiết kế được hoạch định cho bất cứ nơi đâu và vận hành từ 15 đến 30 năm trước khi có bất cứ đánh giá lại hoặc điều chỉnh nâng cấp được thực hiện.

     Nhiên liệu được sử dụng là uran với kim loại hoặc nitri. Chì ra khỏi vùng hoạt có nhiệt độ khoảng từ 500 – 800oC. Hợp kim chì hấp thụ nơtronthấp và năng lượng giảm thấp tạo ra tuần hoàn tự nhiên dễ dàng. Vòng tải nhiệt sơ cấp vận hành không có áp sẽ cho phép các thiết kế tương lai sử dụng an toàn thụ động.

     Loại lò này đang được thiết kế đặc biệt cho các ứng dụng điện trên thế giới. Nó có thể cung cấp năng lượng rẻ và tin cậy. Hơn nữa hệ thống này sử dụng một phạm vi các kỹ thuật mới như: tuần hoàn tự nhiên, các bơm hút chất lỏng, các thiết bị trao đổi nhiệt trực tiếp và các bình sinh hơi trực tiếp. 

 Ưu,nhược điểm

- Ưu điểm: Vận hành không có áp loại bỏ được khả năng sự cố LOCA tiềm ẩn; Thiết kế có thể được chế tạo bên ngoài và đem đến lắp ráp ở nơi cần; Thiết kế có thể dễ được điều chỉnh vận hành với hydro; Thời gian để thay đảo nhiên liệu dài từ 10 đến 20 năm.

- Nhược điểm: Yêu cầu nhiều nghiên cứu và phát triển để trở thành công nghệ chủ đạo; Nhiên liệu mới cần được phân tích cho kỹ thuật thực hiện; Thiết kế thành phần đặt ra rủi ro mới cho các hãng sản xuất bên ngoài; Có thể sẽ đòi hỏi thêm 22 năm nghiên cứu nữa trước khi công nghệ có giá trị thương mại.

 Trần Thu Hà

Nguồn: “Generation IV Nuclear Reactor Comparisons”trên internet

Lượt xem: 843