TVEL: Những đổi mới sáng tạo trong nhiên liệu hạt nhân

Trong một cuộc trả lời phỏng vấn độc quyền vớiWorld Nuclear News bên lề ATOMEXPO 2019, Konstantin Vergazov – phó chủ tịch phụ trách KHCN và chất lượng của TVEL(ảnh), đã giải thích về những loại nhiên liệu mới này.

Nhiên liệu MOX và REMIX

Năm 2018, Rosatom đã chấp thuận một kế hoạch với tầm nhìn 100 năm về lò phản ứng neutron nhanh và lò phản ứng neutron nhiệt. Để chuẩn bị cho kế hoạch này, TVEL đang phát triển nhiên liệu pha oxide MOX và nhiên liệu REMIX, với việc sử dụng nguyên liệu uranium đã qua sử dụng với plutonium. Đây là cách tiếp cận hợp phần kép (dual-component).

“Chúng tôi đang rất tích cực đầu tư quá trình này và hiện thời thì nó cũng khá tốn kém”, Vergazov nói. “Đây mới là giai đoạn đầu tiên nhưng trong tương lai, một khi chúng tôi đưa được plutonium và uranium tái sinh vào chu trình nhiên liệu này thì chi phí nhiên liệu cho việc sản xuất điện năng sẽ giảm xuống”.

Rosatom lập kế hoạch lắp đặt các lò phản ứng neutron nhanh thương mại đầu tiên. "Hiện nay chưa có quốc gia nào khác đưa được công nghệ này vào vận hành”, Vergazov nói. “Tại công ty hóa học Siberia (SCC) ở Seversk, chúng tôi đã xây dựng một trung tâm trình diễn, một lò phản ứng, một cơ sở tái chế nhiên liệu đã qua sử dụng và một cơ sở sản xuất nhiên liệu cho lò phản ứng nhanh. Đây là một dự án đầu tư cho R&D và khi đạt được kết quả, chúng tôi sẽ đưa chúng lên thị trường hạt nhân thế giới, dĩ nhiên chúng tôi sẽ bắt đầu thử nghiệm ở Nga trước".

Địa điểm này “đang ở đỉnh điểm của sự sẵn sàng”, ông cho biết. “Tất cả các thiết bị theo yêu cầu cho việc sản xuất nhiên liệu đã được cung ứng. Giai đoạn tiếp theo sẽ là xây dựng lò phản ứng neutron nhanh BREST-OD-300”. Lò phản ứng neutron nhanh làm mát bằng chì BREST-OD-300 là một phần của Dự án Đột phá (Proryv) của Rosatom, dự án nhằm loại bỏ chất thải phóng xạ khỏi quá trình tạo ra điện hạt nhân với những chu trình nhiên liệu mới, công nghệ mới.

Vào tháng 12/2018, TVEL đã lắp đặt tổ hợp sản xuất nhiên liệu MOX cho lò phản ứng neutron nhanh BN-800– được xây dựng như tổ máy thứ 4 với có công suất 789 MW của nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk ở quận Sverdlovsk.

“Nhưng đây mới là bước đầu tiên trong một cuộc hành trình dài”, Vergazov nói. “Việc xây dựng một lò phản ứng neutron nhanh thương mại độc nhất vô nhị trong lĩnh vực công nghiệp hạt nhân toàn cầu và xây dựng một cơ sở sản xuất nhiên liệu MOX đòi hỏi một lượng đầu tư lớn. Kế hoạch của chúng tôi có tầm nhìn 50 đến 100 năm nên việc đầu tư ngày hôm nay sẽ cho kết quả trong tương lai. Với việc kết hợp plutonium và uranium đã qua sử dụng trong chu trình nhiên liệu kín này chúng tôi sẽ tiết kiệm được nguyên liệu thô và gia tăng hiệu quả kinh tế. Và chúng tôi sẽ còn tái xử lý chất thải hạt nhân từ các lò neutron nhiệt để thu được nhiên liệu cho các lò phản ứng neutron nhanh”.

Công ty của TVEL ở Seversk đang sản xuất nhiên liệu MNUP nhưng có thể một ngày nào đó sẽ sản xuất nhiên liệu MOX, ông nói.

Rosatom đã ba lần tải nhiên liệu thí nghiệm REMIX vào tổ máy số ba VVER-1000 của nhà máy điện hạt nhân Balakovo tại vùng Saratov vào tháng 6/2016, sau khi được Rostechnadzor cấp phép.

TVEL vẫn đang gia hạn việc chiếu xạ nhiên liệu REMIX trong lò phản ứng nghiên cứu MIR tại Viện nghiên cứu lò phản ứng nguyên tử quốc gia ở Dimitrovgrad, ông cho biết thêm. “Chúng tôi đang thực hiện các nghiên cứu chi tiết và dự án đó còn chưa kết thúc nhưng chúng tôi sẽ sớm cung cấp thông tin về các keeys quả nghiên cứu. Đây thực sự là một trải nghiệm mới với chúng tôi và chúng tôi đang theo dõi các kết quả sơ bộ”.

Lò phản ứngBREST-OD-300 làm mát bằng chì.

Về kế hoạch cho lò phản ứng BN-1200 với mục tiêu sẽ công bố vào năm 2027, Vergazov cho biết: “Trong tương lai gần chúng tôi sẽ nghiên cứu ý tưởng đó tại Seversk, nơi chúng tôi đang xây dựng trung tâm trình diễn và tổ hợp năng lượng, nhwung hiện tại thì chưa có quyết định nào được đưa ra. Trong khuôn khổ kế hoạch tầm nhìn 100 năm của chúng tôi, có hai lựa chọn đưa ra là chúng tôi có thể phát triển công nghệ lò phản ứng neutron nhanh như thế nào và liệu chúng tôi sẽ dùng muối hay chì làm chất làm mát”.

Hiện TVEL đã hoàn thành tất cả các nghiên cứu cần thiết về việc sử dụng nhiên liệu hỗn hợp uranium-plutonium cho các lõi lò phản ứng của các lò neutron nhiệt chứ không chỉ cho các lò neutron nhanh. “Chúng tôi đã thực hiện các kiểm tra chiếu xạ tại nhà máy điện hạt nhân Balakovo để chứng minh kết quả của các nghiên cứu đó nhưng chúng tôi chắc chắn rằng việc đưa plutonium vào chu trình nhiên liệu này sẽ có tác động lớn tới toàn bộ chu trình nhiên liệu, bao gồm cả việc lưu trữ. Nó đòi hỏi những cách tiếp cận khác nhau để xử lý chất thải hạt nhân uranium, plutonium và nhiên liệu đã qua sử dụng, bao gồm cả khâu tái chế và lưu trữ. “Do đó chúng tôi chưa đi đến quyết định cuối cùng về việc sản xuất nhiên liệu REMIX. Chúng tôi vẫn đang trong quá trình R&D. Chúng tôi không vội thương mại hóa REMIX vì thứ nhất chúng tôi muốn kiểm tra các ý tưởng của chúng tôi ở các lò phản ứng do Nga thiết kế tại Nga bởi vì để thương mại hóa bất kỳ sản phẩm công nghệ mang tính đổi mới sáng tọa nào cũng cần có khả năng chứng minh với khách hàng là nó được vận hành tốt; thứ hai việc vận chuyển plutonium qua biên giới là một vấn đề vẫn cần được thảo luận. Đây không phải là vấn đề không thể không giải quyết được nhưng là vấn đề nhạy cảm, đòi hỏi một cách tiếp cận đặc biệt”.

Những quốc gia khác có thể sử dụng công nghệ này với lượng plutonium sẵn có của họ trong một thời gian nào đó, ông nói.

Công nghệ này có thể được sử dụng mà không cần những hiệu chỉnh trong lò phản ứng nước áp lực tiêu chuẩn, nhưng “đầu tiên chúng tôi phải tiến hành rất cẩn thận và chính xác các nghiên cứu của mình và kiểm tra nhiên liệu chiếu xạ và sau chiếu xạ tại Nga cũng như kiểm tra trên thị trường nội địa trước. Để đề xuất công nghệ này với một khách hàng quốc tế, chúng tôi phải có đủ 100% kinh nghiệm thực sự trên các lò phản ứng của chúng tôi đã”.

Trung Quốc cũng quyết định xây CFR 600 - một lò phản ứng neutron nhanh – và muốn có công nghệ do chính họ làm ra, Vergazov cho biết, đồng thời nói thêm rằng TVEL sẽ sản xuất nhiên liệu cho nó. “Nhiên liệu này vẫn đang trong giai đoạn phát triển. Với Trung Quốc, đây là một trải nghiệm hoàn toàn mới và chúng tôi chúc họ thành công. Điều đó có nghĩa là chiến lược của chúng tôi không chỉ dành cho lò phản ứng neutron nhanh ở Nga mà còn cho thế giới. Với nền công nghiệp hạt nhân toàn cầu thì dự án ở Trung Quốc sẽ là điểm tham chiếu tốt để chứng minh chất lượng công nghệ của chúng tôi”.

Nhiên liệu mới ATF

TVEL hiện cũng đang xem xét đồng thời bốn lựa chọn cho nhiên liệu ATF và tất cả chúng đều được kiểm tra tại lò phản ứng MIR tại Dimitrovgrad. Giải pháp “mang tính cách mạng nhất” là lớp sơn phủ không có zirconium, Vergazov nói.

Bốn lựa chọn này có hai về lớp sơn phủ - lớp áo zirconium; không zirconium (hợp kim chromium-nickel) và hai về chất nền nhiên liệu - uranium dioxide cổ điển và hợp kim uranium molybdenum. Một lựa chọn khác là chất nền uranium và silicon. Theo ông Vergazov, “trong tháng 1/2019, chúng tôi đã tải đợt chu trình nhiên liệu thực nghiệm đầu tiên vào lò phản ứng này, một cho lò phản ứng VVER cổ điển và một là lò phản ứng PWR. Mỗi tổ hợp nhiên liệu đều có những thanh nhiên liệu với bốn kết hợp khác nhau của các vật liệu vỏ và vật liệu nền nhiên liệu, nó giải thích tại sao chúng tôi có thể nói cả bốn lựa chọn đều được kiểm nghiệm”.

Khi được hỏi loại công nghệ ATF nào khiến ông quan tâm nhất, Vergazov nói: “Chúng tôi biết rằng có những quốc gia đang kiểm nghiệm nhiên liệu uranium và silicon, họ cũng thử nghiệm lớp vỏ thanh nhiên liệu không zirconium. Và giống như những người tham gia sân chơi toàn cầu khác, chúng tôi đang cố gắng tạo ra thanh nhiên liệu có lớp phủ bằng vật liệu silicon carbon”.

Mỗi phần nhiên liệu đều có 24 thanh nhiên liệu với những kết hợp khác nhau về vật liệu, vốn đã được thử nghiệm tại lò phản ứng MIR trong các điều kiện gần với những lò phản ứng đang được vận hành, bao gồm các thông số làm mát của lò VVER và PWR. Lò phản ứng nghiên cứu này được thiết kế để có khả năng thực hiện các nghiên cứu song song trong vòng tuần hoàn làm mát riêng rẽ, vốn là điều quan trọng với các thử nghiệm nhiên liệu đồng thời với các lò phản ứng do Nga thiết kế và nước ngoài thiết kế.

Nhiên liệu cho lò phản ứng VVER 1000

TVEL đã phát triển một dòng nhiên liệu “thế hệ thứ tư”, TVS-4 cho các lò phản ứng VVER 1000. Các phần nhiên liệu này, vốn được thiết kế với nhiều nét tiên tiến hơn, có thể cải thiện một cách đáng kể hiệu suất kinh tế của lò phản ứng hạt nhân trong khi vẫn bảo đảm khả năng an toàn ở mức tương đương.

Nếu đưa vào áp dụng, loại nhiên liệu này sẽ góp phần làm giảm giá thành điện năng của các nhà máy điện hạt nhân xuống 2 đến 4%. Nhiên liệu của công nghệ thế hệ thứ tư đã được giới thiệu cho các nhà máy điện hạt nhân của châu Âu với các lò phản ứng VVER – năm 2018, đợt vận hành thứ ba của nhiên liệu TVSA-12 trên lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân Kozloduy ở Bulgaria và đợt đầu tiên của TVSA-T.mod.2 được nạp vào lò phản ứng hạt nhân Temelín ở CH Czech. TVEL đã lên kế hoạch cung cấp nhiên liệu thế hệ thứ tư này cho những quốc gia khác.

Hiện TVEL đang sẵn sàng giới thiệu nhiên liệu được làm giàu nhiều hơn 5% (hiện nay là 4.85%), cho phép các lò phản ứng ở các nhà máy điện hạt nhân có thể chuyển sang vận hành một chu trình nhiên liệu 24 tháng, điều đó có nghĩa là hai năm một lần, lò phản ứng sẽ dừng vận hành để nạp nhiên liệu vào lò phản ứng thay vì năm rưỡi một lần.

Rosenergoatom, công ty vận hành nhà máy điện hạt nhân của tập đoàn Rosatom, đã sẵn sàng chuyển công nghệ lò phản ứng VVER-1000 từ chu trình nhiên liệu 12 tháng tới chu trình 18 tháng và lập kế hoạch tương tự với công nghệ lò phản ứng VVER-1200.