Các phương hướng công nghệ điện hạt nhân trong tương lai đến (kỳ 1)

Quá trình phát triển công nghệ LPU (Lò phản ứng hạt nhân)

Trên hình 1 là một cây thế hệ (phylum-giống như trong sinh học) biểu diễn mối quan hệ họ hàng giữa các loại LPU dọc theo quá trình phát triển từ thời phôi thai Fermi-Joliot-Curie tại gốc đến những LPU hiện đại của năm 2040.

Hình 1 . Tại gốc ta có hai nhánh chính :các LPU sử dụng uranium thiên nhiên và uranium làm giàu. Sự phối hợp giữa hai nhánh LPU làm chậm bằng chì và tải nhiệt bằng khí mở đường cho các LPU nhiệt độ cao. Một vài nhánh đã « tuyệt chủng »: NUGG vì lý do kinh tế, RBMK vì lý do an toàn.

Lịch sử phát triển LPU  

Quá trình phát triển các LPU đi qua 4 thế hệ. Trên hình 2 ta có thể đối chiếu các loại lò tiêu biểu với những năm tương ứng của biên niên sử LPU (hình 2).

Hình 2 . Quá trình phát triển LPU từ những năm đầu tiên đến những năm sau 2030.

Thế hệ IV gồm những năm  sau 2030 đòi hỏi những công nghệ hoàn toàn mới, những ý tưởng mới.Có thể gọi đó là giai đoạn của những bước tiến “cách mạng” đòi hỏi vài thập kỷ để phát triển.

Sáu loại lò mới trong tương lai gần

Năm 2001 Diễn đàn GIF  hay còn được gọi là GEN IV gồm các nước :Argentina, Brazil, Canada, Pháp, Nhật, Hàn quốc, Nam Phi, Thụy sĩ , Anh, Mỹ, the European Union,…đã đề ra ý tưởng về 6 loại LPU cho tương lai đến: SFR, LFR, SCWR, VHTR,GFR &MSR.

Sau đây là sơ đồ của 6 loại lò đó (hình 3, 4, 5).

Hình 3.  Hệ SFR gồm một LPU neutron nhanh (hình bên trái) kết hợp với một chu trình kín để tái xử lý các artinide và tái tạo plutonium.Hệ LFR cũng gồm một LPU neutron nhanh (hình bên phải) kết hợp với một chu trình nhiên liệu kín cho khả năng sử dụng tối ưu uranium

Hình 4. Hai chu trình nhiên liệu được nghiên cứu cho hệ SCWR tương ứng với 2 phương án của hệ: một LPU neutron nhanh (hình bên trái) và chu trình kín để tái xử lý các artinide, một LPU neutron chậm và chu trình nhiên liệu hở. Cả hai đều sử dụng nước trên tới hạn.

VHTR là một hệ làm lạnh bằng khí với một tâm có phổ neutron nhiệt và một chu trình nhiên liệu hở. Hoạt động ở nhiệt độ rất cao (>1000 độ C) (hình bên phải).

Những nghiên cứu cho các hệ (LPU và chu trình nhiên liệu) trong tương lai

Những nghiên cứu trong tương lai sẽ dựa trên phương pháp mô hình. Những nguyên lý vật lý có thể là đã biết song điều đó không có nghĩa là vấn đề mô hình là dễ dàng.

Những tiến bộ của các công cụ máy tính có thể giúp thực hiện quá trình này. Đó phải là những chương trình “đa kích thước (multiscale)-từ vi mô đến vĩ mô” giao diện của nhiều lĩnh vực vật lý neutron +thủy nhiệt động học (neutronics và thermohydraulics).

Trong những LPU tương lai vấn đề vật liệu và nhiên liệu là quan trọng vì sẽ gặp phải những điều kiện nghiêm khắc do nhiệt độ cao trong một số thiết kế, do chiếu xạ bởi thông lượng lớn của các neutron nhanh.

Hiện tượng ăn mòn thường bị gia tốc bởi nhiệt độ cao. Riêng vấn đề ăn mòn cũng hình thành một chuyên đề nghiên cứu rất lớn.

Các hư hỏng chiếu xạ trong vật liệu do neutron nhanh khác với hư hỏng chiếu xạ do neutron chậm vì neutron nhanh có thể gây nên những phản ứng hạt nhân.

Những hợp kim chịu nhiệt (refractory) như sứ, composite là những vật liệu ứng viên tốt cho năng lượng hạt nhân.

Vấn đề nhiên liệu cũng sẽ gây nhiều khó khăn vì phải kết hợp các ưu điểm cơ học và nhiệt học dưới tác động chiếu xạ +các ràng buộc hình học (do neutronics quyết định).

Tổ chức Gen IV không những đưa ra những thiết kế tương lai về LPU mà còn lưu ý đến chu trình nhiên liệu. Quá trình tái xử lý và tái sử dụng nhiên liệu phụ thuộc nhiều vào nhiên liệu.

Vì thế đôi khi ở đây không dùng từ LPU riêng lẻ mà nói đến những hệ (system) để bao gồm cả các LPU lẫn chu trình nhiên liệu. Cho nên các quá trình tách chiết (partitioning - xem chú thích), lưu trữ và chuyển hóa (transmutation - xem chú thích) nhiên liệu trở thành những khâu quan trọng trong R&D.

Chế tạo Hydrogen

Ngoài việc cung cấp điện năng các LPU tương lai sẽ chế tao hydrogen dùng trong công nghiệp, trong sưởi ấm, trong vận tải (thay nhiên liệu xăng dầu).Sử dụng các LPU trong việc song song tạo ra điện năng và hydrogen được mô tả trên hình 6.

Hình 6. Sơ đồ sử dụng các LPU trong việc tạo ra điện năng và hydrogen

                                                                                                          (Còn tiếp)