Ưu thế của lò phản ứng mô đun nhỏ và sự phát triển trên thế giới

Thursday, 23/06/2016, 00:00

  Mở đầu

       Thiết kế lò phản ứng nhỏ và trung bình theo mô đun được gọi tắt là SMR (small modular reactor) đang được coi là xu thế của công nghệ năng lượng hạt nhân trong tương lai. 

       Ban Năng lượng hạt nhân của IAEA đã đưa ra một số sáng kiến để hỗ trợ cho sự phát triển và triển khai loại hình SMR do nhận thức được tiềm năng của chúng là một lựa chọn để thúc đẩy an ninh cung cấp năng lượng cho các quốc gia đã và đang phát triển. Động lực để phát triển thiết kế SMR là do những ưu thế của loại hình thiết kế này, gồm: đáp ứng nhu cầu phát điện linh hoạt cho dải rộng người sử dụng và các ứng dụng; thay thế các nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch đã già cỗi; tăng cường sự thực hiện an toàn nhờ các đặc tính an toàn thụ động và nội tại; đề ra khả năng cung cấp điều kiện kinh tế tốt hơn; sự thích hợp cho các ứng dụng không có điện; các giải pháp cho những vùng xa xôi không có cơ sở hạ tầng lưới điện; và đưa ra các khả năng cho các hệ thống năng lượng kết hợp các nguồn năng lượng hạt nhân và năng lượng thay thế.   

Tình hình phát triển SMR trên thế giới

 Lý do phát triển SMR

       Từ thế kỷ 20, cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA đã định nghĩa rằng các tổ máy vận hành “nhỏ” tương ứng với công suất điện dưới 300 MWe và “trung bình” ứng với công suất khoảng 700 MWe.Từ tham chiếu này, giờ đây chúng được coi là các lò phản ứng nhỏ và trung bình – (SMRs).

       Một phần do chi phí đầu tư cao của các lò năng lượng lớn và một phần do nhu cầu phục vụ các lưới điện nhỏ dưới 4 GWe nên có một xu hướng phát triển các tổ máy nhỏ.  Chúng có thể được xây dựng độc lập hoặc như một mô đun trong một tổ hợp lớn với công suất được bổ sung gia tăng khi yêu cầu. Các tổ máy nhỏ độc lập cho các nơi hẻo lánh được nhìn nhận ở góc độ là một sự đầu tư để dễ quản lý hơn là góc độ cạnh tranh giá thành của các thiết bị được quan tâm.

       Một lý do nữa để có hứng thú với SMR là chúng dễ dàng hơn cho việc thay thế các nhà máy điện sử dụng than thường có công suất nhỏ (dưới 500 MWe).

 Các ưu điểm của SMR 

       Hiệp hội hạt nhân thế giới (World Nuclear Association) đã định nghĩa các lò mô đun nhỏ (SMRs) là các lò phản ứng hạt nhân có công suất nhỏ hơn hoặc bằng 300 MWe được thiết kế với công nghệ mô đun khi tạo dựng nhà máy mô đun để đạt được tiết kiệm về sản xuất hàng loạt và thời gian xây dựng. 

       Hiện nay có bốn lựa chọn công nghệ đang được theo đuổi, đó là các lò nước nhẹ (LWR), lò nơtron nhanh (FNR), lò nhiệt độ cao làm chậm nơtron bằng graphit (HTR) và các dạng khác nhau của lò muối nóng chảy (MSRs). LWR có rủi ro công nghệ thấp nhất nhưng FNR có thể nhỏ hơn đơn giản hơn, thời gian vận hành dài hơn trước khi thay đảo nhiên liệu. Nhìn chung các lò phản ứng nhỏ hiện đại, và đặc biệt là SMRs, được chờ đợi có tính đơn giản nhất trong thiết kế, tiết kiệm trong sản xuất, thời gian xây dựng ngắn và chi phí tìm địa điểm giảm thiểu. Hầu hết SMR được thiết kế để nhắm tới có một mức độ cao của an toàn thụ động hoặc an toàn nội tại. Cũng nhiều lò được thiết kế để lắp đặt dưới đất nhằm có mức độ an ninh cao chống lại sự đe dọa khủng bố. Một báo cáo năm 2010 của Hội Hạt nhân Hoa Kỳ (American Nuclear Society) chỉ ra rằng nhiều yếu tố thiết yếu dự phòng an toàn hoặc ít nhất là thận trọng trong các lò lớn đều không cần có trong các thiết kế lò nhỏ tương lai. Theo báo cáo năm 2015 của Hiệp hội hạt nhân thế giới, tiềm năng to lớn của SMR dựa trên một số yếu tố sau:

       - Do kích thước nhỏ và có tính mô đun nên các nhà máy điện hạt nhân với công nghệ SMR hầu hết có thể được xây dựng trong một vùng được kiểm soát và được lắp đặt theo từng mô đun nhằm cải thiện chất lượng và hiệu quả xây dựng.

       - Kích thước nhỏ và đặc tính an toàn thụ động tạo ra sự thích ứng SMR cho các nước với lưới điện nhỏ hơn và có ít kinh nghiệm về điện hạt nhân.

       - Kích thước, hiệu quả xây dựng và các hệ thống an toàn thụ động có thể dẫn đến vấn đề tài chính dễ dàng hơn so với các nhà máy điện hạt nhân lớn.

       - Ngoài ra, việc đạt được “tiết kiệm về sản xuất hàng loạt” của thiết kế SMR sẽ làm giảm hơn nữa chi phí.  

 Sự phát triển lò mô đun nhỏ SMR

       Thiết kế lò mô đun nhỏ SMR ngày càng được quan tâm và phát triển trên thế giới. Theo báo cáo của IAEA, năm 2011 đã có 125 lò nhỏ và trung bình đang vận hành và 17 tổ máy đang xây dựng, trong tổng số 28 nước vớitổng công suất điện là 57 Gwe. Dưới đây là tóm tắt tình hình phát triển lò mô đun nhỏ SMR trong một số quốc gia lớn. 

 •Phát triển SMRs tại Mỹ:

       Mỹ là một trong những nước phát triển công nghệ SMR mạnh mẽ nhất trên thế giới. Báo cáo của IAEA năm 2009 đã kết luận rằng đến năm 2030 trên thế giới sẽ có khoảng 96 SMR đang vận hành mà trong số đó không có lò nào của nước Mỹ. Thế nhưng đến năm 2011, nước Mỹ bắt đầucó sự nhìn nhận về thiết kế SMR. Viện Chính sách năng lượng Chicago đã gửi báo cáo đến Bộ Năng lượng Mỹ (DOE) nói rằng sự phát triển các lò phản ứng nhỏ có thể tạo ra cơ hội cho nước Mỹ đoạt lại thị phần công nghệ hạt nhân đã bị xói mòn hơn hàng chục năm qua khi các công ty của các nước khác đã mở rộng các lò phản ứng qui mô trọn vẹn cho mục đích nội địa và xuất khẩu. Nhìn chung, báo cáo cho rằng các lò phản ứng nhỏ có thể làm giảm đáng kể rủi ro về tài chính liên quan đến các NMĐHN qui mô, cho phép tiềm năng các lò nhỏ cạnh tranh hiệu quả với các nguồn năng lượng khác. 

      Tháng Giêng năm 2012, DOE đã kêu gọi các tập đoàn công nghiệp ủng hộ sự phát triển một hoặc hai thiết kế lò nước nhẹ của Mỹ với số vốn cấp là 452 triệu đô la trong 5 năm. Có 4 ứng dụng được làm từ các công ty Westinghouse, Babcock & Wilcox, Holtec, và NuScale Power với các lò phản ứng có công suất trong dải từ 225 xuống 45 MWe (Hình 1). Tháng 11 năm 2012, DOE đã quyết định hỗ trợ tài chính cho thiết kế của B&W công suất 180 MWe (tham khảo Hình 2) thông qua hợp đồng chia sẻ kinh phí 5 năm và sẽ đầu tư một nửa tổng chi phí của dự án.  

         

                  Hình 1. Bốn ứng dụng SMR đầu tiên của Mỹ                   Hình 2. Mô hình thiết kế SMR của B&W

       Tháng 3 năm 2012 DOE đã ký hợp đồng với ba công ty quan tâm đến xây dựng các lò nhỏ tại Savanah River ở miền Nam Carolina. Ba công ty đó là: Hyperion với một lò nhanh công suất 25 MWe (Hình 3), Holtec với một lò PWR công suất 140 MWe (Hình 4), và NuScale với một lò PWR công suất 45 MWe. 

       Tháng 3 năm 2013 DOE lại tổ chức hỗ trợ tài chính vòng hai từ các đề xuất của Westinghouse, Holtec, NuScale, General Atomics, và Hybrid Power Technologies. Cuối cùng tài chính hỗ trợ của DOE đã dành cho 2 SMR (không phải loại PWR)của EM2 và Hybrid.

       Tháng 12 năm 2013 DOE đã thông báo cấp thêm vốn cho NuScale trên cơ sở chia sẻ chi phí 50-50 với số tiền lên đến 217 triệu đô trong 5 năm để phát triển và cấp phép cho thiết kế lò nhỏ công suất 45 MWe.

    

     Hình 3. Thiết kế SMR 25 MWe của Hyperion                            Hình 4. Thiết kế lò 160-SMR của Holtec

       Hiện nay DOE đang thảo luận với bốn nhà phát triển SMR nữa nhằm đạt được một bộ các lò nhỏ trong 10-15 năm để cung cấp năng lượng.

       Trường Đại học S&T Missouri đã thiết lập Tập đoàn Giáo dục và Nghiên cứu lò mô đun nhỏ (SmrEC) để nghiên cứu tính kinh tế của việc triển khai các cụm SMR cho nước Mỹ. SmrREC đã xây dựng một mô hình toàn diện về kinh doanh, sản xuất và chuỗi cung ứng nhu cầu cho một nền công nghiệp hạt nhân mới lấy SMR làm trọng tâm.

       Vào đầu năm 2016 các nhà phát triển và khách hàng tiềm năng cho SMRs thiết lập tập đoàn Khởi đầu SMR để thúc đẩy thương mại hoá thiết kế lò phản ứng SMR. Tổ chức này sẽ đại diện cho các công ty tương tác với Ủy ban Qui phạm hạt nhân Hoa Kỳ (NRC), Quốc hội và ngành hành pháp về vấn đề lò phản ứng nhỏ. Viện năng lượng hạt nhân Hoa Kỳ (NEI) đang trợ giúp trong việc thành lập tập đoàn này, và để làm việc chặt chẽ với tổ chức về các chính sách và quyền ưu tiên liên quan đến công nghệ lò phản ứng nhỏ.

 • Phát triển SMRs tại Vương quốc Anh

       Năm 2014 chính phủ Anh đã phát hành một báo cáo của tập đoàn thuộc Phòng Thí nghiệm hạt nhân quốc gia (NNL) về lý thuyết SMR với tính khả thi và tiềm năng ở Anh. Tiếp theo là pha 2 được dự định để cung cấp cơ sở kinh tế, tài chính, kỹ thuật được yêu cầu hỗ trợ cho một quyết định chính sách về SMR.

       Tháng 3 năm 2016, Bộ Năng lượng & Biến đổi khí hậu Anh (DECC) đã kêu gọi sự quan tâm trong cuộc đua tranh để nhận biết giá trị tốt nhất SMR cho Vương quốc Anh. DECC đã nói mục tiêu của giai đoạn ban đầu là" để đánh giá quan tâm thị trường giữa nhà phát triển công nghệ, các tiện ích, nhà đầu tư tiềm năng và nhà tài trợ về phát triển, thương mại hoá và tài trợ SMRs ở nước Anh". DECC cho rằng giai đoạn này sẽ là" cấu trúc đối thoại" giữa chính phủ và người tham dự, sử dụng một bộ tập hợp các tiêu chuẩn, trong đó thiết kế SMR phải "được dành cho sản xuất và lắp ráp, và có thể được sản xuất tại chỗ các mô đun hay các hệ thống với tổng giá trị lên tới tối thiểu là 40% tổng chi phí của nhà máy".

 • Phát triển SMRs tại một số nước khác

       Dự án lò phản ứng mô đun nhỏ tiên tiến nhất là ở Trung Quốc, nơi Chinergy đang bắt đầu xây dựng HTR - PM công suất điện 210 MWe, bao gồm bộ đôi lò phản ứng hạt nhân nhiệt độ cao - HTRs (được làm nguội bằng khí cabonic hoặc hê li) với công suất nhiệt 250 MWt

    

       Ảnh một SMR nổi (CGN) của Trung quốc                              Ảnh 2 lò CANDU 6 (công nghệ PHWR)

        Ấn Độ cũng xây dựng loại lò phản ứng nhỏ gồm lò phản ứng nước nặng có áp (PHWRs) dựa trên công nghệ CANDU công suất 220 MWe, và lò phản ứng nước áp lực (PWR) củaTrung Quốc công suất 300-325 MWe. Công ty Năng lượng hạt nhân của Ấn độ (NPCIL) hiện đang tập trung vào phiên bản 540 MWe và 700 MWe của PHWR và đang đưa ra cả hai 220 và 540 MWe phiên bản quốc tế.

       

Trần Thu Hà

Nguồn: “Small nuclear power reactor”, trên internet

Lượt xem: 660