Bên trong lò phản ứng Thorium – Điều gì khiến thiết kế của Trung Quốc trở nên khác biệt?

Công nghệ hạt nhân đang được viết lại

Trong phần trước, chúng ta đã biết Trung Quốc vừa vận hành thành công lò phản ứng sử dụng thorium đầu tiên trên thế giới – một bước tiến có thể định hình lại bức tranh năng lượng toàn cầu. Trong bài này, chúng ta sẽ đi sâu vào cơ chế hoạt động và đặc điểm kỹ thuật của công nghệ này, giải thích vì sao nó khác biệt và tiềm năng hơn các lò phản ứng truyền thống.

Muối nóng chảy – 'chất dẫn truyền' mới trong công nghệ hạt nhân

Lò phản ứng muối nóng chảy (Molten Salt Reactor – MSR) là công nghệ từng được nghiên cứu tại Mỹ vào thập niên 1960 nhưng bị bỏ quên. Nay, Trung Quốc hồi sinh nó và đẩy nhanh tiến độ đưa vào thử nghiệm thực tế.

Thay vì dùng thanh nhiên liệu rắn và nước làm mát như các lò nước nhẹ (LWR) phổ biến hiện nay, MSR hòa tan nhiên liệu (như uranium tetrafluoride và thorium tetrafluoride) trực tiếp vào muối fluoride ở trạng thái lỏng, đồng thời muối này cũng đóng vai trò chất làm mát.

Cụ thể, TMSR-LF1 sử dụng muối FLiBe (lithium-beryllium fluoride) với lithium-7 tinh khiết cao nhằm hạn chế tạo ra tritium – một đồng vị phóng xạ khó kiểm soát.

Cách hoạt động của lò phản ứng thorium

1. Phản ứng dây chuyền: Hạt nhân Uranium-235 (hoặc sau này là Uranium-233 sinh ra từ thorium) phân hạch, giải phóng năng lượng và neutron.

2. Chu trình thorium: Thorium-232 hấp thụ neutron, tạo ra Protactinium-233 (Pa-233), sau đó phân rã thành Uranium-233 – một nhiên liệu hạt nhân mới.

3. Làm mát và trao đổi nhiệt: Nhiên liệu lỏng được lưu thông qua hệ thống trao đổi nhiệt, truyền năng lượng đến hệ thống phát điện.

4. Loại bỏ khí phóng xạ: MSR có thể tách và loại bỏ các khí phóng xạ như xenon-135 trực tiếp trong quá trình vận hành.

5. Cơ chế an toàn thụ động: Trong tình huống khẩn cấp, muối nóng chảy sẽ tự chảy qua một “nút đông” (freeze plug) vào bể chứa an toàn, nơi nó nguội đi và ngừng phản ứng hạt nhân.

Những ưu điểm kỹ thuật nổi bật của MSR

An toàn cao:

• Vận hành ở áp suất khí quyển → không có nguy cơ nổ do áp suất cao.

• Không có thanh nhiên liệu → không thể bị “tan chảy” như Fukushima.

• Hệ thống làm mát thụ động → tự động ngừng phản ứng nếu mất điện.

Hiệu suất cao:

• Nhiệt độ vận hành lên đến 650–700°C → hiệu suất nhiệt cao hơn, giảm tiêu hao nhiên liệu.

• Khả năng sản xuất điện, nhiệt công nghiệp, hydro, và khử mặn nước biển.

Chu trình nhiên liệu linh hoạt và sạch hơn:

• Có thể tái nạp nhiên liệu mà không cần tắt lò.

• Giảm thiểu chất thải tồn tại lâu dài như plutonium hoặc americium.

• Chu trình thorium ít tạo ra nguyên tố siêu urani hơn chu trình uranium truyền thống.

TMSR-LF1: Thiết kế tinh vi, thử nghiệm đầy tham vọng

Lò phản ứng TMSR-LF1 sử dụng:

• Graphite làm chậm neutron để giữ phản ứng trong phổ nhiệt.

• Hợp kim siêu bền UNS N10003 (phiên bản Trung Quốc của Hastelloy-N) cho toàn bộ phần tiếp xúc với muối nóng.

• Thời gian vận hành thiết kế: 10 năm.

Đáng chú ý, TMSR-LF1 không chỉ là bản sao của MSRE từ Mỹ, mà được thiết kế với khả năng:

• Nạp thêm thorium trong khi vận hành

• Giám sát trực tuyến sự hình thành U-233 từ Pa-233

• Hướng tới chu trình nhiên liệu kín, tức là vừa sản xuất vừa tái chế nhiên liệu trong một hệ thống khép kín

So với lò phản ứng truyền thống

Việt Nam học được gì từ công nghệ này?

Việt Nam từng lên kế hoạch xây dựng nhà máy điện hạt nhân tại Ninh Thuận, nhưng đã hủy vào năm 2016. Tuy nhiên, với xu hướng phát triển năng lượng sạch, ổn định và độc lập tài nguyên, công nghệ như MSR đáng để xem xét lại.

Vì MSR có thể phù hợp với các vùng khô hạn, ít nước làm mát, lại không yêu cầu nhiên liệu uranium phong phú, nó có thể mở ra một hướng đi mới cho những nước đang phát triển, nếu được thương mại hóa thành công.

Công nghệ hạt nhân thế hệ IV đang hiện hình

Công nghệ MSR mà Trung Quốc đang phát triển đại diện cho thế hệ lò phản ứng hạt nhân thứ tư – với nhiều đặc tính vượt trội về an toàn, hiệu quả và khả năng bền vững.

Tuy nhiên, công nghệ này cũng mang theo nhiều thách thức, đặc biệt là về vật liệu, tái chế nhiên liệu, và chi phí đầu tư ban đầu. Trong bài tiếp theo, chúng ta sẽ tìm hiểu những khó khăn lớn nhất mà công nghệ này cần vượt qua để có thể thương mại hóa.

Tiếp theo, chúng ta hãy cùng khám phá "Trung Quốc, Ấn Độ, Mỹ hay Nga – Ai đang dẫn đầu cuộc đua công nghệ hạt nhân Thorium?"