Trung Quốc sắp vận hành thử nghiệm lò phản ứng hạt nhân chạy bằng nhiên liệu thorium

Lò phản ứng thorium của Trung Quốc còn khác thường ở chỗ nó có muối nóng chảy lưu thông bên trong, thay cho nước. Công nghệ mới có tiềm năng sản xuất năng lượng hạt nhân tương đối an toàn và rẻ; nó tạo ra chất thải phóng xạ tồn tại rất lâu nhưng ở một lượng nhỏ hơn nhiều so với các lò phản ứng thông thường.

Theo chính quyền tỉnh Cam Túc, lò phản ứng thử nghiệm được xây ở thị trấn Vũ Uy, nằm ở rìa sa mạc Gobi. Lò phản ứng hoàn thành vào cuối tháng 8 và có kế hoạch chạy thử trong tháng này.

Thorium là một kim loại màu bạc, có tính phóng xạ yếu, được tìm thấy tự nhiên trong đá và hiện nay ít được sử dụng trong công nghiệp. Các nhà nghiên cứu cho biết nó là phế phẩm của ngành công nghiệp khai thác đất hiếm đang phát triển ở Trung Quốc và do đó là một giải pháp thay thế hấp dẫn cho uranium nhập khẩu.

“Thorium dồi dào hơn uranium rất nhiều và vì vậy nó sẽ là một công nghệ rất hữu ích nếu có trong thời gian 50 hoặc 100 năm nữa," Lyndon Edwards, kỹ sư hạt nhân tại Cơ quan Khoa học và Công nghệ Hạt nhân Úc, cho biết. Nhưng có thể sẽ mất nhiều thập kỷ để hiện thực hóa công nghệ này, vì vậy chúng ta cần phải bắt đầu ngay bây giờ, Edwards nói thêm.

Trung Quốc đã khởi động chương trình phát triển lò phản ứng thoriumtừ năm 2011, đầu tư khoảng 3 tỷ nhân dân tệ (500 triệu USD), theo Ritsuo Yoshioka, cựu chủ tịch Diễn đàn muối nóng chảy Thorium ở Oiso, Nhật Bản,

Được vận hành bởi Viện Vật lý Ứng dụng Thượng Hải (SINAP), lò phản ứng Vũ Uy có công suất thiết kế là 2 megawatt, chỉ đủ cung cấp năng lượng cho 1.000 ngôi nhà. Nhưng nếu thử nghiệm thành công, Trung Quốc hy vọng sẽ xây dựng một lò phản ứng 373 megawatt vào năm 2030, có thể cung cấp năng lượng cho hàng trăm nghìn ngôi nhà.

Lò phản ứng thorium này là một trong những “công nghệ hoàn hảo” để giúp Trung Quốc đạt mục tiêu không phát thải carbon vào khoảng năm 2050, nhà mô hình hóa năng lượng Jiang Kejun, Viện Nghiên cứu Năng lượng thuộc Ủy ban Cải cách và Phát triển Quốc gia ở Bắc Kinh, cho biết

Đồng vị thorium-232 có trong tự nhiên không thể phân hạch - phản ứng mà các lò phản ứng hạt nhân sử dụng để tạo ra nhiệt, nhưng khi được chiếu xạ trong lò phản ứng, nó sẽ hấp thụ neutron để tạo thành uranium-233, là vật liệu phân hạch tạo ra nhiệt.

Thorium đã được thử nghiệm làm nhiên liệu trong các loại lò phản ứng hạt nhân khác ở các quốc gia bao gồm Mỹ, Đức và Vương quốc Anh, và là một phần của chương trình hạt nhân ở Ấn Độ. Nhưng cho đến nay nó vẫn chưa chứng tỏ được hiệu quả về mặt chi phí. Quá trình sử dụng khiến nó đắt hơn cả chiết xuất uranium và, không giống như một số đồng vị có trong tự nhiên của uranium, thorium cần được chuyển đổi thành vật liệu phân hạch.

Một số nhà nghiên cứu ủng hộ thorium như một loại nhiên liệu vì các chất thải của nó có ít cơ hội được vũ khí hóa hơn so với uranium, nhưng những người khác lại lập luận rằng vẫn tồn tại rủi ro.

Khi Trung Quốc vận hành lò phản ứng thử nghiệm, đây cũng sẽ là lò phản ứng muối nóng chảy đầu tiên hoạt động kể từ năm 1969, thời điểm các nhà nghiên cứu Mỹ tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge ở Tennessee đóng cửa lò phản ứng của họ. Và nó sẽ là lò phản ứng muối nóng chảy đầu tiên được cấp nhiên liệu bằng thorium. Các nhà nghiên cứu đã hợp tác với SINAP cho biết thiết kế của Trung Quốc sao chép thiết kế của Oak Ridge, nhưng cải tiến quy trình sản xuất, vật liệu và thiết bị đo đạc.

Các nhà nghiên cứu ở Trung Quốc liên quan trực tiếp đến lò phản ứng đã không trả lời yêu cầu xác nhận thiết kế của lò phản ứng và thời gian chính xác bắt đầu các cuộc thử nghiệm.

So với các lò phản ứng sử dụng nước, như các nhà máy điện hạt nhân thông thường, các lò phản ứng muối nóng chảy hoạt động ở nhiệt độ cao hơn đáng kể, có nghĩa là chúng có thể tạo ra điện một cách hiệu quả hơn nhiều, Charles Forsberg, kỹ sư hạt nhân tại Viện Công nghệ Massachusetts ở Cambridge, cho biết.

Lò phản ứng của Trung Quốc sẽ sử dụng muối gốc florua, muối này tan chảy thành chất lỏng trong suốt, không màu khi được làm nóng đến khoảng 450ºC. Muối hoạt động như một chất làm mát để vận chuyển nhiệt ra khỏi lõi lò phản ứng. Ngoài ra, thay vì thanh nhiên liệu rắn (bên ngoài là kim loại có nhiệt độ nóng chảy cao, bên trong là nhiên liệu), lò phản ứng muối nóng chảy sử dụng muối lỏng làm chất nền cho nhiên liệu, chẳng hạn như thorium, và nhiên liệu hòa tan trực tiếp vào lõi.

Lò phản ứng muối nóng chảy được coi là tương đối an toàn vì nhiên liệu đã được hòa tan trong chất lỏng, nếu lò phản ứng muối nóng chảy bị mất nguồn điện (như trường hợp đã xảy ra tại nhà máy Fukushima sau thảm họa sóng thần), nhiên liệu sẽ tự động chảy vào một bể chứa phụ và đông cứng lại sau vài giờ, vì thế sẽ không xảy ra tình trạng lò bị nóng chảy. Và lò phản ứng muối nóng chảy hoạt động ở áp suất thấp hơn so với các lò phản ứng hạt nhân thông thường, giúp giảm nguy cơ phát nổ.

Yoshioka cho biết nhiều quốc gia đang nghiên cứu các lò phản ứng muối nóng chảy để tạo ra điện rẻ hơn từ uranium hoặc sử dụng plutonium thải từ các lò phản ứng làm nhiên liệu, nhưng riêng Trung Quốc đang tìm cách sử dụng nhiên liệu thorium.

Forsberg nói, lò phản ứng của Trung Quốc sẽ là “nơi thử nghiệm để học hỏi rất nhiều”, từ việc phân tích sự ăn mòn đến xác định đặc điểm của hỗn hợp muối và nhiên liệu khi nó lưu thông.

Simon Middleburgh, nhà khoa học vật liệu hạt nhân tại Đại học Bangor, Vương quốc Anh, đồng ý: “Chúng ta sẽ học được rất nhiều khoa học mới. Nếu họ cho phép, tôi sẽ đến đó ngay."

Có thể mất vài tháng để lò phản ứng của Trung Quốc hoạt động hết công suất. Middleburgh nói: “Nếu bất cứ điều trong quá trình vận hành không như ý, họ sẽ phải dừng lại và bắt đầu lại từ đầu. Ví dụ, máy bơm hỗn hợp có thể bị hỏng, đường ống có thể bị ăn mòn hoặc có thể xảy ra tắc nghẽn. Tuy nhiên, các nhà khoa học vẫn hy vọng thử nghiệm thành công."

Các lò phản ứng muối nóng chảy chỉ là một trong nhiều công nghệ hạt nhân tiên tiến mà Trung Quốc đang đầu tư. Năm 2002, một diễn đàn liên chính phủ đã xác định sáu công nghệ lò phản ứng đầy hứa hẹn sẽ hoạt động vào năm 2030, bao gồm các lò phản ứng được làm mát bằng khí chì hoặc natri. Trung Quốc đều có các chương trình dành cho tất cả các công nghệ này.