Xu hướng phát triển lò phản ứng mô-đun nhỏ trên thế giới

Nội dung text: Xu hướng phát triển lò phản ứng mô-đun nhỏ trên thế giới

1. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN LÒ PHẢN ỨNG MÔ-ĐUN NHỎ TRÊN THẾ GIỚI Phạm Như Việt Hà, Bùi Hà Dũng, Nguyễn Thị Thanh Thủy, Trần Việt Phú Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân Hiện nay trên thế giới đang có sự quan tâm mạnh mẽ đến các lò phản ứng nhỏ và đơn giản hơn để tạo ra điện và nhiệt từ năng lượng hạt nhân. Mối quan tâm này đối với các lò phản ứng điện hạt nhân cỡ nhỏ được thúc đẩy bởi mong muốn giảm tác động của các chi phí vốn và cung cấp điện không dùng các hệ thống lưới điện lớn. Lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) được định nghĩa là lò phản ứng hạt nhân với công suất điện từ 300 MWe trở xuống, được thiết kế và chế tạo dựa trên công nghệ mô-đun tại nhà máy, theo đuổi mô hình kinh tế sản xuất hàng loạt và thời gian xây dựng ngắn. Các công nghệ liên quan đến SMR rất nhiều và rất đa dạng với hơn 70 thiết kế tính cho đến thời điểm hiện tại. Bài viết này trình bày tổng quan tình hình phát triển SMR trên thế giới, các đặc điểm thiết kế chính và cân nhắc đối với chu trình nhiên liệu của các thiết kế SMR, và khả năng ứng dụng cùng các lợi ích tiềm năng của các SMR trong tương lai. 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN tiến hoặc thậm chí là các tính năng an toàn vốn có LÒ PHẢN ỨNG MÔ-ĐUN NHỎ và có thể triển khai như một nhà máy đơn hoặc Khi sản xuất điện hạt nhân được hình thành nhiều mô-đun. Thuật ngữ SMR không đề cập đến từ những năm 1950, quy mô của các tổ máy lò một thế hệ lò phản ứng hoặc một tập hợp con các phản ứng đã tăng từ 60 MWe lên đến hơn 1600 loại công nghệ (có cả các công nghệ SMR thuộc MWe. Đồng thời, đã có hàng trăm lò phản ứng Thế hệ thứ III và Thế hệ thứ IV), mà áp dụng cho công suất nhỏ hơn được xây dựng để sử dụng cho công suất danh định của một thiết kế lò phản ứng hải quân (công suất nhiệt lên đến 190 MW) và nhất định và cách thức mà nó được xây dựng. làm nguồn nơtron, mang lại kinh nghiệm và sự Ngày càng có nhiều sự quan tâm đến các SMR và chuyên nghiệp to lớn trong việc chế tạo các lò khả năng ứng dụng của chúng. Trong Hội nghị phản ứng sinh điện cỡ nhỏ [1]. quốc tế về biến đổi khí hậu và vai trò của điện hạt nhân được tổ chức vào tháng 9 năm 2019, đã cho Theo phân loại của Cơ quan Năng lượng nguyên thấy rằng SMR đang được nhiều quốc gia thành tử quốc tế (IAEA – International Atomic Energy viên coi là một lựa chọn hạt nhân khả thi và tiềm Agency), lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) được năng để góp phần giảm thiểu biến đổi khí hậu. định nghĩa là lò phản ứng hạt nhân với công suất điện từ 300 MWe trở xuống. Đây là các lò phản SMR đang được phát triển cho tất cả các loại lò ứng thuộc thế hệ mới hơn, có các thành phần và phản ứng chính: lò phản ứng làm mát bằng nước hệ thống có thể được chế tạo tại nhà máy và sau nhẹ (LWR – Light Water Reactor), lò phản ứng đó được vận chuyển dưới dạng mô-đun đến địa làm mát bằng khí nhiệt độ cao (HTGR – High điểm để lắp đặt khi có nhu cầu [2]. Hầu hết các Temperature Gas-Cooled Reactor), lò phản ứng thiết kế SMR áp dụng các tính năng an toàn tiên làm mát bằng kim loại lỏng, natri và khí với phổ nơtron nhanh (FNR – Fast Neutron Reactor), lò Số 68 - Tháng 9/2021 1
2. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN phản ứng muối nóng chảy (MSR – Molten Salt hành thương mại vào tháng 5 năm 2020. Hiện Reactor) và mới đây nhất là lò phản ứng siêu nhỏ trên thế giới có hơn bảy mươi (70) thiết kế SMR (Micro Reactor). Loại lò LWR có rủi ro công nghệ đang được phát triển cho nhiều ứng dụng khác thấp nhất; nhưng loại lò FNR có thể nhỏ hơn, đơn nhau, tăng 40% so với năm 2018 [2]. giản hơn và hoạt động lâu hơn trước khi phải tiếp Cấu trúc của bài viết này được trình bày như sau. nhiên liệu. Động lực chính của sự phát triển SMR Mục 1 giới thiệu tổng quan tình hình phát triển là đáp ứng nhu cầu phát điện linh hoạt cho nhiều SMR trên thế giới. Mục 2 trình bày các đặc điểm người dùng và ứng dụng hơn, bao gồm thay thế thiết kế chính và cân nhắc đối với chu trình nhiên các nhà máy điện hóa thạch đã cũ, cung cấp chế liệu của các thiết kế SMR dựa trên các công nghệ độ đồng phát cho các nước đang phát triển có LWR, thế hệ thứ IV và lò phản ứng siêu nhỏ. Mục lưới điện nhỏ, các khu vực xa và ngoài lưới điện, 3 thảo luận khả năng ứng dụng cùng các lợi ích và cho phép các hệ thống năng lượng hạt nhân và tiềm năng của các SMR. Cuối cùng, phần kết luận năng lượng tái tạo kết hợp với nhau [1, 2]. Nhiều được trình bày ở Mục 4. SMR được dự tính cho các thị trường điện hoặc năng lượng thích hợp, nơi các lò phản ứng lớn sẽ không khả thi. Thông qua công nghệ mô-đun 2. CÁC ĐẶC ĐIỂM THIẾT KẾ CHÍNH VÀ hóa, SMR hướng tới tính kinh tế của sản xuất CHU TRÌNH NHIÊN LIỆU hàng loạt với thời gian xây dựng ngắn hơn. Các 2.1 Các đặc điểm thiết kế chính SMR có thể triển khai trong thời gian gần sẽ có hiệu suất an toàn tương đương hoặc tốt hơn so Các thiết kế SMR đang được phát triển sử dụng với các thiết kế lò phản ứng tiến hóa hiện nay. nhiều loại chất làm mát và dạng nhiên liệu với các mức độ sẵn sàng công nghệ (TRL - Technology Việc phát triển SMR đang được tiến hành ở các Readiness Level) và mức độ sẵn sàng cấp phép nước phương Tây với nhiều vốn đầu tư tư nhân, (LRL - Licensing Readiness Level) khác nhau. bao gồm cả các công ty nhỏ. Sự tham gia của Hầu hết các khái niệm SMR có thể được chia những nhà đầu tư mới này cho thấy một sự thay nhóm thành năm loại lớn như sau [3]: đổi sâu sắc đang chuyển dịch từ nghiên cứu và phát triển (R&D) hạt nhân do chính phủ lãnh đạo • Loại LWR-SMR một lò phản ứng - sử dụng công và tài trợ sang khu vực tư nhân và những người nghệ và nhiên liệu LWR đã được kiểm chứng tốt có mục tiêu kinh doanh mạnh mẽ, thường gắn để cung cấp các lò phản ứng độc lập có thể thay với mục đích xã hội. Mục đích đó thường là triển thế các tổ máy nhiên liệu hóa thạch nhỏ hoặc khai năng lượng sạch giá cả phải chăng, phát thải được triển khai dưới dạng phát điện phân tán. cacbon thấp. Các SMR có thể giúp giảm thiểu • Loại LWR-SMR đa mô-đun - cũng sử dụng công đáng kể rủi ro tài chính liên quan đến các nhà nghệ LWR và có thể được vận hành để thay thế máy điện hạt nhân quy mô lớn, từ đó cho phép cho công suất tải nền cỡ trung bình hoặc trong chúng cạnh tranh hiệu quả với các nguồn năng một khuôn khổ phát điện phân tán, tùy thuộc vào lượng khác [1]. Một cột mốc quan trọng đã đạt công suất phát. được trong việc triển khai công nghệ SMR: Nhà • Loại SMR di động/có thể vận chuyển được - hiện máy điện hạt nhân nổi Akademik Lomonosov ở đang áp dụng công nghệ LWR và nhằm mục đích Liên bang Nga với hai mô-đun lò phản ứng KLT- dễ dàng di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác; ví 40S đã được kết nối với lưới điện và bắt đầu vận dụ: lò phản ứng KLT-40S của nhà máy điện hạt 2 Số 68 - Tháng 9/2021
3. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN nhân nổi Akademic Lomonosov, Liên bang Nga Những công nghệ này là các biến thể nhỏ và tiến (Hình 1). hóa của các lò phản ứng thế hệ thứ II và thế hệ thứ III/III+ đang hoạt động trên toàn thế giới, và • SMR thế hệ thứ IV - áp dụng các công nghệ được hưởng lợi từ nhiều thập kỷ kinh nghiệm vận tiên tiến, không phải LWR và bao gồm nhiều hành và quản lý pháp quy. khái niệm đã được Diễn đàn Quốc tế Thế hệ thứ IV (GIF - Generation IV International Forum) nghiên cứu trong nhiều năm qua. • SMR siêu nhỏ (MMR – Micro Modular Reac- tor) - là các thiết kế có công suất dưới 10 MWe, thường có khả năng hoạt động bán tự trị và với khả năng vận chuyển được cải thiện so với các SMR lớn hơn. MMR thường không dựa trên LWR và áp dụng nhiều phương pháp tiếp cận công nghệ khác nhau, bao gồm cả thế hệ thứ IV. MMR chủ yếu dành cho vận hành ngoài lưới điện Hình 2. Các lò phản ứng siêu nhỏ và có thể vận ở các địa điểm xa xôi, nơi chúng được dự kiến sẽ chuyển được [4, 5], có thể cung cấp năng lượng cho cạnh tranh với các nguồn điện phổ biến (Hình 2). các cộng đồng ở vùng sâu vùng xa, hỗ trợ các lưới điện siêu nhỏ độc lập và khôi phục điện cho các khu vực bị thiên tai với khả năng được vận chuyển, lắp đặt và khởi động trong vài ngày Công nghệ thế hệ thứ IV sử dụng các chất làm mát (kim loại lỏng, muối nóng chảy hoặc khí) và các cấu hình hệ thống khác so với LWR. Mặc dù các thiết kế dựa trên thế hệ thứ IV không có cùng cấp độ kinh nghiệm vận hành và pháp quy như các thiết kế dựa trên LWR và vẫn cần nghiên cứu bổ sung trong một số lĩnh vực (như hiệu suất và Hình 1. Nhà máy điện hạt nhân nổi Academik khả năng của nhiên liệu và các vật liệu cấu trúc), Lomonosov với hai mô-đun lò phản ứng KLT-40S nhưng các thiết kế này vẫn được hưởng lợi từ lịch đã được kết nối với lưới điện và bắt đầu vận hành sử R&D sâu rộng mà dựa vào đó các nhà phát thương mại vào tháng 5 năm 2020 triển và cơ quan pháp quy có thể học hỏi. Các Các khái niệm SMR dựa trên LWR là các khái thiết kế thế hệ thứ IV trưởng thành nhất là các niệm hoàn thiện nhất với TRL và LRL cao nhất, và hệ thống làm mát bằng kim loại lỏng hoặc khí chúng có khả năng sớm nhất để triển khai thương với một số lò phản ứng hiện đang hoạt động hoặc mại. Một số khái niệm đang được xây dựng (như đang được xây dựng. Các thiết kế này cũng có thể CAREM ở Argentina, ACPR50S ở Trung Quốc) được sử dụng cho các ứng dụng phi điện nhờ có hoặc đang vận hành thương mại (như KLT-40S ở nhiệt độ đầu ra cao hơn và chu trình nhiên liệu Liên bang Nga). Các thiết kế khác đang đạt được hạt nhân tiên tiến. tiến độ cấp phép đáng kể và có thể được xây dựng Mặc dù có mất mát hiệu suất nhiệt đối với một như các nguyên mẫu ban đầu vào năm 2030. Số 68 - Tháng 9/2021 3
4. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN số thiết kế LWR-SMR, việc giảm kích thước của Trọng lượng và kích thước trực tiếp quyết định công nghệ SMR so với các lò phản ứng hạt nhân mức độ dễ dàng cho phép các thành phần khác lớn truyền thống mang lại một số tính năng ưu nhau có thể được sản xuất, vận chuyển, nâng lên việt như sau đối với hầu hết các thiết kế [3]: và lắp đặt. Kích thước nhỏ hơn của các thiết kế SMR cho phép áp dụng các phương án mô-đun • Thiết kế tích hợp: Vùng hoạt nhỏ hơn cho phép hóa đầy tham vọng cũng như áp dụng các kỹ sử dụng các thiết kế tích hợp, kết hợp tất cả các thuật sản xuất mới. thành phần của hệ thống cung cấp hơi hạt nhân (NSSS) vào một thùng lò duy nhất. Cấu hình này, • Tăng cường tính linh hoạt: SMR có thể đạt được với tổng lượng chất làm mát sơ cấp chứa bên các chế độ theo tải tăng cường nhờ vào các tính trong thùng sơ cấp lớn hơn đáng kể so với cấu năng thiết kế vốn có, cũng như thông qua việc tối hình vòng ngoài truyền thống, làm tăng đáng kể ưu hóa sự vận hành đa mô-đun. Tính linh hoạt nhiệt dung và quán tính nhiệt của hệ thống. Do của SMR cũng bao gồm các khả năng triển khai đó, cấu hình như vậy sẽ dẫn đến các đặc tính an (như các hạn chế về địa điểm ít hơn) và tính đa toàn vốn có được tăng cường và các hệ thống đơn dạng của sản phẩm đầu ra (sản xuất điện và nhiệt giản, dễ vận hành và bảo trì hơn. kết hợp). • An toàn vốn có: Công suất đầu ra thấp hơn và 2.2 Các cân nhắc đối với chu trình nhiên liệu tỷ lệ bề mặt trên thể tích cao hơn do vùng hoạt Các SMR đang được phát triển sẽ cần phải được nhỏ hơn sẽ làm tăng hiệu quả của các hệ thống tích hợp với chu trình nhiên liệu hạt nhân, có an toàn thụ động cho cả các điều kiện hoạt động nghĩa là xây dựng trên cơ sở hạ tầng hiện có, hoặc bình thường và không bình thường. Nhiều thiết trong một số trường hợp, dựa trên các khoản đầu kế dựa trên LWR có lượng nước dự trữ rất lớn tư chuyên dụng vào các năng lực công nghiệp để làm mát thụ động các hệ thống lò phản ứng mới. Phạm vi của các khái niệm SMR đang được ngay cả trong những điều kiện khắc nghiệt. Sự xem xét, và mức độ hoàn thiện công nghệ tổng phụ thuộc nhiều hơn vào các hệ thống làm mát thể của chúng, đã dẫn đến việc cân nhắc một số thụ động cho phép các thiết kế đơn giản hơn, dễ lựa chọn chu trình nhiên liệu. Cho đến nay, rất dàng vận hành và bảo trì. ít nhà phát triển SMR đã phát triển hoặc cung • Lượng nhiên liệu trong vùng hoạt ít hơn: có các cấp thông tin đầy đủ các chiến lược của họ trong lợi ích tại nhà máy và ngoài nhà máy. Tại nhà máy: lĩnh vực này, đặc biệt là liên quan đến phần cuối ít phải che chắn hơn và liều lượng phơi nhiễm (back-end) của chu trình nhiên liệu [2, 3]. bức xạ cho người lao động do đó được giảm bớt. Các chiến lược chu trình nhiên liệu cho LWR- Ngoài nhà máy: lượng nhiên liệu ít hơn hay số SMR hạng nguồn nhỏ hơn làm giảm xác suất xảy ra tai nạn và mức độ phát tán phóng xạ tiềm năng, LWR-SMR được kỳ vọng sẽ phát triển chu trình có thể làm giảm các yêu cầu đối với vùng lập nhiên liệu ở phần đầu (front-end) tương thích với kế hoạch khẩn cấp (EPZ - Emergency Planning các khả năng công nghiệp hiện có, đặc biệt là về Zone). Những lợi ích như vậy có nghĩa là một số mức độ làm giàu (dưới 5%) hoặc loại nhiên liệu và SMR có thể được đặt gần nơi cần được cung cấp bó nhiên liệu. Phạm vi công nghệ nhiên liệu và độ năng lượng hơn. sâu cháy nhiên liệu cũng có nghĩa là ngay tại bước tiếp cận đầu tiên, nhiên liệu từ LWR-SMR phải • Cải thiện sự mô-đun hóa và khả năng chế tạo: tương thích với các giải pháp tái chế nhiên liệu 4 Số 68 - Tháng 9/2021
5. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN đối với các quốc gia đã thiết lập chiến lược khép và sản xuất đồng vị phóng xạ y tế. Nhiên liệu kín chu trình nhiên liệu của họ. Một ngoại lệ liên HALEU hiện nay được chế tạo bằng cách làm quan đến SMR nổi trên biển được phát triển ở giảm độ giàu từ các kho dự trữ uranium làm giàu Liên bang Nga, là quốc gia đang xem xét mức độ cao (HEU) của Mỹ hoặc Nga. Tuy nhiên, theo báo làm giàu gần 20%. Hầu hết các nhà phát triển đã cáo của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE), nguồn không loại trừ khả năng SMR sử dụng nhiên liệu dự trữ HEU có thể cạn kiệt hoàn toàn vào năm oxit hỗn hợp (MOX – Mixed Oxide), nhưng cho 2030-2040. Do đó, nếu không có sự phát triển của đến nay nó hiếm khi được thảo luận như một ưu các khả năng sản xuất HALEU, sự phát triển của tiên cho các lò phản ứng này [3]. Ngoài ra, hiệu các công nghệ SMR tiên tiến có thể bị hạn chế suất nhiệt thấp hơn đối với các thiết kế LWR- nghiêm trọng [3-5]. SMR có nghĩa là yêu cầu lượng uranium trên mỗi Nguồn cung cấp nhiên liệu HALEU an toàn, an đơn vị năng lượng được sản xuất ra sẽ cao hơn và ninh trong tương lai đòi hỏi phải nâng cấp cơ sở điều này sẽ tác động trực tiếp đến các chi phí chu hạ tầng chu trình nhiên liệu hạt nhân hiện tại để trình nhiên liệu. Hơn nữa, cũng cần chú ý rằng tuân thủ các giới hạn an toàn tới hạn tiềm ẩn, đặc chu kỳ nạp tải nhiên liệu của LWR-SMR được dự biệt là phát triển các cơ sở làm giàu, khử chuyển kiến sẽ dài hơn so với các LWR hiện có. đổi và chế tạo. Hơn nữa, các giải pháp đóng gói và Các chiến lược chu trình nhiên liệu cho SMR vận chuyển mới sẽ là cần thiết, đặc biệt là để vận thế hệ thứ IV và lò phản ứng siêu nhỏ chuyển các số lượng lớn HALEU cần thiết cho việc triển khai toàn cầu của các SMR tiên tiến. Trong khi hầu hết các SMR thế hệ thứ IV và các Việc thiết kế và chứng nhận các công-te-nơ vận lò phản ứng siêu nhỏ đang xem xét sử dụng nhiên tải mới là một quá trình phức tạp và tốn kém, đòi liệu dựa trên uranium, thì việc phát triển các cơ hỏi phải tuân thủ các tiêu chuẩn của Tổ chức Tiêu sở chu trình nhiên liệu mới vẫn được yêu cầu. chuẩn hóa Quốc tế/Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Một đặc điểm chung cơ bản của một số khái niệm Hoa Kỳ (ISO/ANSI) và sự chấp thuận của các cơ lò phản ứng này là chúng sẽ cung cấp chu kỳ nạp quan vận tải có thẩm quyền. Ngoài ra, tác động tải nhiên liệu dài hơn nhiều. Các lò phản ứng siêu của nhiên liệu HALEU đến phần cuối (back-end) nhỏ dạng ống nhiệt là một ví dụ chính, với các lò của chu trình nhiên liệu có thể cần được đánh giá phản ứng này có thời gian nạp tải nhiên liệu lên sâu hơn. Việc quản lý lâu dài nhiên liệu hạt nhân đến 20 năm. Các SMR thế hệ thứ IV hoạt động với đã qua sử dụng và chất thải phóng xạ hoạt độ cao nhiên liệu TRISO (tristructural-isotropic) hoặc do nhiên liệu HALEU tạo ra có thể yêu cầu cần với nhiên liệu muối nóng chảy có thể sử dụng các phải điều chỉnh các phương pháp tiếp cận hiện phương pháp nạp tải nhiên liệu trực tuyến. Ngoài tại, bao gồm nâng cấp các cơ sở tái chế và các thiết ra, một số loại SMR thuộc kiểu lò phản ứng neu- kế thùng chứa mới để lưu trữ tạm thời nhiên liệu tron nhanh thế hệ thứ IV hiện đang xem xét sử đã qua sử dụng. dụng nhiên liệu dựa trên plutonium. Một số thiết kế đang xem xét việc sử dụng nhiên liệu uranium độ giàu thấp HALEU (High-Assay 3. KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG VÀ CÁC LỢI ÍCH Low-Enriched Uranium). Nhiên liệu HALEU có TIỀM NĂNG mức độ làm giàu từ 5 đến 19,75%. Các ứng dụng Các SMR thích hợp cho sản xuất điện nhưng của HALEU ngày nay chỉ giới hạn trong việc sản nhiều thiết kế cũng đặc biệt thích hợp để sinh xuất các lô nhỏ cho các lò phản ứng nghiên cứu Số 68 - Tháng 9/2021 5
6. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN nhiệt, khử muối nước biển và sản xuất hydro. Các hóa và xây dựng nhiều lò phản ứng trên một địa nghiên cứu điều biến theo tải chi tiết của các SMR điểm duy nhất đã cho phép các nhà máy điện hạt để đồng phát hydro đã cho thấy điều này là khả nhân hiện có đạt được chi phí thấp. Ở giai đoạn thi. Các nghiên cứu khác cũng đã khảo sát sự kết này, chi phí thực sự của các SMR và các lợi ích hợp của SMR với các công nghệ khử muối khác kinh tế của chúng vẫn chưa được kiểm chứng. nhau. Các SMR và các lò phản ứng siêu nhỏ cũng Tuy nhiên, các SMR áp dụng một cách tiếp cận được thiết kế phù hợp cho các ứng dụng công khác đối với các lò phản ứng lớn nhằm cố gắng nghiệp hơn là các lò phản ứng lớn. Nếu các thiết giảm chi phí và tối đa hóa các lợi ích kinh tế. Các kế lò phản ứng này, cung cấp nhiệt và năng lượng yếu tố quan trọng nhất là: chất lượng cao, có thể được xây dựng một cách • Giảm chi phí vốn sử dụng cho một lò phản ứng kinh tế ở các quy mô nhỏ, chúng có thể khử cac- đơn lẻ. Điều này làm cho khoản đầu tư có khả bon cho một số cơ sở công nghiệp nhất định. Một năng mở rộng và “có thể được ngân hàng chiết nơi khác mà các SMR có thể tìm thấy vị trí thích khấu” hơn, có nghĩa là sẽ dễ dàng hơn để tìm hợp là ở các cộng đồng vùng sâu vùng xa hoặc nguồn tài chính cần thiết - bao gồm cả nguồn tài các lưới điện nhỏ mà không thích hợp để sử dụng chính tư nhân. một nhà máy điện hạt nhân lớn. Các SMR là đủ nhỏ để có thể vận chuyển bằng tàu thủy, đường • Mô-đun hóa. Quá trình chuyển đổi thiết kế và sắt hoặc thậm chí bằng xe tải đến địa điểm yêu xây dựng tại chỗ của một nhà máy hạt nhân điển cầu. Công suất nhỏ, phạm vi ứng dụng và việc bố hình sang chế tạo các mô-đun tại nhà máy để vận trí địa điểm dễ dàng của các SMR giúp chúng có chuyển và lắp đặt tại hiện trường. Chế tạo tại nhà thể nhanh chóng mở rộng hạm đội lò phản ứng máy rẻ hơn xây dựng tại chỗ và kiểm soát chất toàn cầu hiện tại, từ ít hơn 500 lò phản ứng đang lượng dễ dàng hơn, mặc dù những lợi ích này có hoạt động, đến hàng nghìn lò phản ứng cần thiết thể bị hạn chế bởi sự sẵn có của phương tiện vận để cung cấp năng lượng cacbon thấp cho một loạt chuyển giá rẻ. Các SMR có lợi thế khác biệt so với các hoạt động của con người trên toàn thế giới. các lò phản ứng lớn vì có thể có tỷ lệ các bộ phận Ngoài ra, các công nghệ hạt nhân mới như các được sản xuất tại nhà máy cao hơn. thiết kế SMR tiên tiến sẽ phải hoạt động trong • Nhiều lò phản ứng tại một địa điểm. Số lượng một lưới điện tương lai với mức năng lượng tái lò phản ứng được lắp đặt cùng một địa điểm càng tạo cao. Do đó, một khái niệm đã đạt được sức nhiều thì tổng chi phí đầu tư cho mỗi lò phản ứng hút đáng kể trong những năm gần đây là hệ thống càng nhỏ. Ngoài ra, doanh thu từ (các) lò phản năng lượng lai tích hợp, trong đó các lò phản ứng đầu tiên có thể được sử dụng để tài trợ cho ứng như SMR và năng lượng tái tạo kết hợp chặt việc xây dựng các lò phản ứng tiếp theo. Điều chẽ với nhau theo cách tối ưu hóa sản lượng của này đúng với cả các lò phản ứng lớn và nhỏ, tuy chúng để phục vụ mục đích sản xuất điện và các nhiên, có thể lắp đặt thêm nhiều SMR trước khi ứng dụng khác [6]. bị hạn chế bởi các giới hạn về địa điểm khác. Kinh tế và các động lực chi phí • Học hỏi và các nền kinh tế sản xuất hàng loạt. Quy mô của nền kinh tế thường được sử dụng để Có khả năng là nhiều lò phản ứng của một thiết giảm các chi phí phát điện của những nhà máy kế SMR nhất định sẽ được sản xuất hơn so với điện hạt nhân lớn thông thường. Điều này, cùng một thiết kế lò phản ứng lớn nhất định. Do đó có với việc triển khai các hạm đội được tiêu chuẩn thể xảy ra quá trình đặt hàng các bộ phận với số 6 Số 68 - Tháng 9/2021
7. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN lượng lớn. Điều này cho phép các SMR khai thác nhiều lò phản ứng hơn và điều này có thể sẽ được các nền kinh tế sản xuất hàng loạt và hưởng lợi từ lan truyền trong một thời gian dài hơn. Tương tự một quy trình mua sắm được tiêu chuẩn hóa hơn. các lò phản ứng lớn, SMR sẽ có vai trò cung cấp Hoàn thành việc lắp đặt một số lượng lớn hơn các năng lượng cacbon thấp trong một hỗn hợp năng lò phản ứng cũng sẽ cải thiện các tốc độ học hỏi. lượng bền vững trong tương lai, đáp ứng nhu cầu rộng rãi của người sử dụng và những ứng dụng • Các cân nhắc danh mục đầu tư. Quy mô càng năng lượng khác nhau. nhỏ thì càng dễ dàng đa dạng hóa danh mục đầu tư được tạo ra. Kích thước nhỏ và các tính năng Tầm quan trọng của việc cấp phép lò phản ứng an toàn thụ động của các SMR cũng phù hợp Cấp phép là một trong những yếu tố quan trọng với các quốc gia có lưới điện nhỏ hơn và ít kinh nhất ảnh hưởng đến việc thẩm định đầu tư và nghiệm hơn về điện hạt nhân. khả năng tồn tại của các dự án nhà máy điện hạt • Nhiều thiết kế SMR được cho là sẽ đơn giản hơn nhân. Các quy trình cấp phép hiện tại đã được các thiết kế lò phản ứng lớn ngày nay. Bằng cách điều chỉnh theo thời gian để phù hợp với thiết dựa trên các nguyên tắc vật lý tự nhiên để duy trì kế và phê duyệt địa điểm của các thiết kế lò phản an toàn, giảm nhu cầu về nhiều hệ thống an toàn ứng lớn. Những thay đổi đối với quy trình cấp chủ động, chúng sẽ giảm độ phức tạp và các chi phép có thể giúp nhận ra nhiều lợi thế kinh tế - phí liên quan. kỹ thuật của các SMR. Ví dụ, việc giảm quy mô của khu vực EPZ theo yêu cầu pháp quy sẽ tạo Ngoài ra, việc xây dựng các SMR dự kiến sẽ ngắn điều kiện thuận lợi cho việc bố trí SMR với các hơn so với các lò phản ứng lớn. Điều này rất quan hoạt động công nghiệp khác. Việc cấp phép có trọng vì tiến độ xây dựng có ảnh hưởng lớn đến khả năng là một thách thức đối với các SMR, vì kinh tế xây dựng điện hạt nhân theo hai cách. chi phí cấp giấy phép thiết kế, xây dựng và vận Thứ nhất, nó sẽ giảm các chi phí cố định hàng hành không nhất thiết phải ít hơn đối với các lò ngày. Trên một công trường xây dựng hạt nhân, phản ứng lớn [1, 6]. Một thách thức liên quan đến nơi có hàng nghìn người làm việc và các trang cấp phép khác là sự khác biệt giữa các chế độ cấp thiết bị đắt tiền (ví dụ: các cần cẩu) đang được phép công nghệ lò phản ứng ở cấp quốc gia của sử dụng, các chi phí cố định hàng ngày là đáng các quốc gia khác nhau [6]. Giấy phép thiết kế có kể. Thứ hai, nó sẽ mang lại doanh thu cho dự án. được ở một quốc gia chỉ có giá trị đối với quốc Thời gian xây dựng SMR ngắn hơn có nghĩa là gia đó. Một quá trình cấp phép có thể mất nhiều điện/nhiệt - và doanh thu - được tạo ra sớm hơn năm và tiêu tốn hàng trăm triệu đô la với tất cả so với một dự án lớn hơn. các chi phí phát sinh thậm chí trước khi có khả Kinh nghiệm xây dựng các nhà máy hạt nhân lớn năng một dự án sẽ được tiến hành. Do đó, quá cho thấy ba yếu tố đặc biệt quan trọng để giảm trình cấp phép là một cam kết rủi ro đối với các tiến độ và chi phí xây dựng, đó là: (i) các hoạt bên liên quan phải trả tiền cho nó, và thậm chí động xây dựng liên tục trong thời gian dài để duy nhiều hơn nữa khi các khoản đầu tư được thực trì lực lượng lao động có trình độ và kinh nghiệm; hiện nhỏ hơn, như trường hợp của các SMR. (ii) xây dựng hàng loạt của cùng một thiết kế; và (iii) nhiều lò phản ứng tại cùng một địa điểm. Rõ ràng là các SMR cũng có thể được hưởng lợi từ 4. KẾT LUẬN tất cả những khía cạnh này vì cần phải xây dựng Các lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) đang đạt Số 68 - Tháng 9/2021 7
8. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN được những tiến bộ để trở thành một sản phẩm mẽ và bí quyết xây dựng bền vững, dẫn đến các hạt nhân khả thi về mặt thương mại vào đầu chi phí vốn có tính cạnh tranh hơn. Do đó, thị những năm 2030. Các tính năng kinh tế - kỹ thuật trường SMR tiềm năng sẽ không bị giới hạn bởi của chúng, mà một số trong đó đã được chứng các cân nhắc kinh tế và sẽ đòi hỏi nỗ lực phối minh trong các ngành công nghiệp khác, không hợp giữa các chính phủ, cơ quan pháp quy, nhà chỉ có thể giúp vượt qua những thách thức giao cung cấp và chủ sở hữu tương lai để đồng thời hàng thường gặp phải trong các dự án hạt nhân giải quyết những thách thức của hiện tại và trong lớn gần đây mà còn mở rộng các giá trị của công tương lai. nghệ hạt nhân để cung cấp điện và nhiệt cacbon Các SMR và lò phản ứng siêu nhỏ sẽ mở rộng các thấp một cách linh hoạt và có thể điều biến được cơ hội triển khai công nghệ hạt nhân. Do có kích trên một số lĩnh vực. thước nhỏ hơn, các tính năng an toàn thụ động Khi đánh giá tính hợp lý về mặt kinh tế của SMR, tăng cường và các khu vực lập kế hoạch khẩn câu hỏi về thị trường vẫn là trọng tâm. Một mặt, cấp nhỏ hơn, chúng có thể đơn giản đến những nếu SMR được chế tạo theo kiểu sản xuất hàng nơi mà các lò phản ứng quy mô lớn không thể. loạt, tương tự như máy bay thương mại, thì lợi ích Chúng cung cấp các lựa chọn cho khách hàng kinh tế có thể rất đáng kể. Tuy nhiên, điều này đòi một nguồn năng lượng sạch ổn định và đáng tin hỏi thị trường cho một thiết kế đơn lẻ phải tương cậy mà không cần các yêu cầu về bất động sản và đối lớn, tức là nhấn mạnh sự cần thiết của một thị các chi phí vốn của một dự án xây dựng lớn. Các trường toàn cầu, đồng thời gợi ý rằng chỉ một tập cường quốc hạt nhân trên thế giới, đặc biệt là Hoa hợp con nhỏ trong số nhiều thiết kế đang được Kỳ, hiện đang hỗ trợ phát triển các lò phản ứng phát triển cuối cùng sẽ có thể thiết lập một thị tiên tiến như SMR và lò phản ứng siêu nhỏ có thể trường toàn cầu như vậy. Để đạt được thị trường dùng cho các quá trình sử dụng nhiều năng lượng toàn cầu trong mọi trường hợp sẽ đòi hỏi các mức hiện đang dựa vào nhiên liệu hóa thạch, bao gồm độ hài hòa hóa pháp quy và hợp nhất thị trường sản xuất hydro, khử muối nước biển, sưởi ấm, lọc cao hơn. Mặt khác, hầu hết các thiết kế SMR chưa dầu và sản xuất phân bón. Điều này mở ra cơ hội đạt đến giai đoạn hoàn thiện nâng cao và các thị trường quan trọng cho các nhà phát triển hạt thuộc tính của chúng vẫn cần được thử nghiệm nhân và cơ hội làm giảm đáng kể lượng khí thải và chứng minh. Các SMR dựa trên LWR gần với cacbon trong các quá trình công nghiệp trên quy khả năng thương mại hơn so với các hệ thống thế mô toàn cầu. Gần đây, IAEA cũng đã nghiên cứu hệ thứ IV, do đó cần có những nỗ lực nghiên cứu và công bố lộ trình công nghệ của việc triển khai và phát triển bổ sung. Bởi vậy, một mức độ không các SMR với mục đích hỗ trợ các quốc gia thành chắc chắn nhất định tồn tại, ảnh hưởng trực tiếp viên trong lĩnh vực này cũng như để thúc đẩy việc đến nhận thức rủi ro và do đó góp phần hạn chế tăng cường hợp tác, chia sẻ kiến thức và giúp đảm quy mô tiềm năng của thị trường. Khi các SMR bảo những nỗ lực của các nhà phát triển công có sự trưởng thành nhờ những thiết kế trình diễn nghệ, ngành công nghiệp, người sử dụng và cơ đầu tiên dự kiến được đưa vào vận hành thử vào quan quản lý tập trung vào một mục tiêu chung cuối những năm 2020, một số rủi ro này sẽ giảm [7]. dần theo thời gian, làm tăng sự quan tâm từ các Xu hướng phát triển SMR trên thế giới hiện nay khách hàng tiềm năng. Sự quan tâm gia tăng này và triển vọng khả thi về mặt thương mại của một sẽ hỗ trợ việc thiết lập một chuỗi cung ứng mạnh số thiết kế SMR tiên tiến vào đầu những năm 8 Số 68 - Tháng 9/2021
9. THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN 2030 mở ra các cơ hội thuận lợi cho các quốc gia Pathways, United Nations Economic Commission for mới về hạt nhân như Việt Nam để học hỏi, hợp Europe, Geneva, 2021. tác và trao đổi kinh nghiệm với các quốc gia đang files/2021-03/UNECE%20Use%20of%20nuclear%20 fuel%20resources%20for%20sustainable%20develop- quan tâm, nghiên cứu và triển khai các công nghệ ment_%20Final_0.pdf SMR. Điều này có thể thực sự quan trọng, giúp các quốc gia như Việt Nam vừa có thể theo kịp [7] IAEA, Technology Roadmap for Small Modular Reactor Deployment, IAEA Nuclear Energy Series tình hình nghiên cứu, triển khai các công nghệ No. NR‑T‑1.18, Vienna, 2021. SMR trên thế giới và trong khu vực vừa có thể org/MTCD/Publications/PDF/PUB1944_web.pdf dần dần xây dựng, nâng cao các năng lực về kỹ thuật, pháp lý và chính sách liên quan đến các công nghệ SMR. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] WNA, Small Modular Reactors, Updated Septem- ber 2021. tion-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-power-reac- tors/small-nuclear-power-reactors.aspx. [2] IAEA, Advances in Small Modular Reactor Tech- nology Developments: A Supplement to: IAEA Ad- vanced Reactors Information System (ARIS), 2020 Edition. Book_2020.pdf [3] OECD, Small Modular Reactors: Challenges and Opportunities, NEA No. 7560, 2021. oecd-nea.org/upload/docs/application/pdf/2021- 03/7560_smr_report.pdf [4] DOE, DOE-NE Strategic Vision, Office of Nu- clear Energy, 08 January 2021. gov/sites/prod/files/2021/01/f82/DOE-NE%20Strate- gic%20Vision%20-Web%20-%2001.08.2021.pdf [5] Nuclear Innovation Alliance, Partnership for Global Security, U.S. Advanced Nuclear Energy Strat- egy for Domestic Prosperity, Climate Protection, Na- tional Security, and Global Leadership, February 2021. nuclear-energy-strategy [6] UNECE, Application of the United Nations Frame- work Classification for Resources and the United Na- tions Resource Management System: Use of Nuclear Fuel Resources for Sustainable Development - Entry Số 68 - Tháng 9/2021 9