Lò phản ứng công suất nhỏ (SMR) là các lò phản ứng cỡ nhỏ có công suất dưới 300 MWe. Với các ưu điểm vượt trội so với các lò phản ứng hạt nhân truyền thống như hiệu quả kinh tế cao, kích thước nhỏ gọn, dễ dàng chọn địa điểm xây dựng, dễ vận chuyển, dễ vận hành, tính an toàn cao giúp cho SMR đang và sẽ là xu hướng phát triển điện hạt nhân của thế giới hiện nay.

Mỹ là nước dẫn đầu về các thiết kế SMR với những dự án dùng đối lưu tự nhiên (ĐLTN) như NuScale, SMR – 160, BWRX – 300.

Lò phản ứng hạt nhân sản xuất Điện đầu tiên có từ những năm 1950 - 1960. Khởi đầu là các lò phản ứng công suất nhỏ (Tại Mỹ, năm 1951 với lò EBR-I, công suất điện 0.2 MWe [1]; tại Nga, năm 1954, nhà máy điện hạt nhân Obninsk công suất 5 MWe hòa lưới điện dân dụng).

Ngày nay đã có những lò phản ứng hạt nhân thương mại đạt đến mức công suất 1600 MWe. Để phân loại công suất, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) định nghĩa lò phản ứng 'nhỏ' khi lò có công suất dưới 300 MWe [3] và được gọi chung là SMRs (Small Modular Reactors).

Tuy nhiên, 'SMRs' được sử dụng phổ biến hơn như một từ viết tắt của 'lò phản ứng với các đơn nguyên nhỏ (module)', trong đó các lò đơn nguyên công suất nhỏ được thiết kế để xây dựng kết nối và tổ hợp thành một nhà máy điện hạt nhân lớn. Ngoài ra còn có các đơn nguyên lò phản ứng rất nhỏ - vSMRs - được đề xuất dùng cho các trạm phát điện công suất dưới 15 MWe, phục vụ cho các hộ tiêu thụ nhỏ cách xa lưới điện chung như vùng sâu, hải đảo.

Với sự tiến bộ của công nghệ hiện nay các SMR được thiết kế và chế tạo theo kỹ thuật mô-đun (modular technology), khả năng sản xuất hàng loạt các đơn nguyên SMR giúp giảm giá thành và  thời gian xây dựng một nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) dùng SMR rút ngắn đáng kể . Đây là lợi thế cạnh tranh của SMR so với lò phản ứng công suất lớn phát điện thông qua chu trình hơi nước với chi phí đầu tư cao, thời gian thi công kéo dài. SMR có thể được xây dựng độc lập hoặc dưới dạng các mô-đun trong một tổ hợp lớn hơn, với công suất được tăng dần theo sự gia tăng nhu cầu phụ tải. Các SMR đáp ứng các yêu cầu về vốn đầu tư ít, nhưng vẫn đảm bảo các tiêu chí cần thiết đặc biệt là về an toàn hạt nhân và giảm phát thải khí gây hiệu ứng nhà kính.

Tính kinh tế của SMR được đánh giá cao hơn rất nhiều so với các NMĐHN truyền thống. Cụ thể, một báo cáo năm 2010 của một ủy ban đặc biệt do ANS (American Nuclear Society - Hiệp hội Hạt nhân Hoa Kỳ) trình bày cho thấy nhiều điều khoản an toàn cần thiết trong các lò phản ứng công suất lớn không cần thiết phải áp dụng cho các thiết kế trên cơ sở SMR. Điều này giúp giảm đáng kể chi phí đầu tư cũng như thời gian xây dựng nhà máy.

Hình 1: Ví dụ vận chuyển các module của NuScale bằng phà. [7]

Các thiết kế SMR tiêu biểu hiện nay

Hiện nay trên thế giới có rất nhiều dự án SMR đang được triển khai. Nga được coi là nước đưa SMR đầu tiên KLT-40S trên thế giới vào vận hành [4,5,6]. Hai lò phản ứng KLT-40S gắn trên tàu Akademik Lomonosov đã bắt đầu cung cấp điện cho thị trấn ven biển Pevek của Nga. Điều này đánh dấu việc chính thức bắt đầu hoạt động của các lò phản ứng mô-đun nhỏ đầu tiên trên thế giới. Tuy nhiên, thiết kế của Nga vẫn theo dạng truyền thống của lò phản ứng nước áp lực dùng đối lưu cưỡng bức (có máy bơm) nhưng kích thước nhỏ gọn hơn. Tại Mỹ đang có rất nhiều dự án đang trong giai đoạn kiểm duyệt chờ được đưa vào thực tế xây dựng. Tất cả các thiết kế SMR mới hiện nay của Mỹ đều tập trung vào dùng ĐLTN để làm mát lò phản ứng từ các nguồn nước  tự nhiên như sông, hồ.

Trong trường hợp làm mát bằng nước không khả thi có thể sử dụng không khí để làm mát theo nguyên tắc ĐLTN. Tuy nhiên lượng điện năng sản xuất được sẽ giảm đi. Các SMR có thể thỏa mãn tốt các yêu cầu về an toàn do chỉ sử dụng ĐLTN để vận hành các hệ thống an toàn thụ động với sự tin cậy rất cao do lực ĐLTN sẽ không bao giờ bị mất đi. Ngoài ra, sử dụng ĐLTN cho hệ thống làm mát lò phản ứng khi vận hành sẽ tiết kiệm đáng kể chi phí vận hành cũng như bảo trì thiết bị.

Những ưu điểm chính của SMR là:

+ Kích thước nhỏ gọn, các thành phần chính như lò phản ứng và lò hơi có thể tháo lắp dưới dạng module. Mỗi module thường có dạng hình trụ bán kính không quá 1.5m, chiều dài không quá 20m. Điều này giúp cho việc vận chuyển trở nên dễ dàng hơn nhiều so với các thiết bị của NMĐHN truyền thống (hình 1). Diện tích lắp đặt của tòa nhà lò phản ứng cho 1 module dao động từ 100 – 200 m2.

+ Hệ thống an toàn thụ động dùng ĐLTN có thể vận hành liên tục, làm mát lò phản ứng trong các trường hợp xảy ra tai nạn vô thời hạn, không cần sự can thiệp của con người.

+ Do sử dụng lực ĐLTN nên nhà máy có thể khởi động mà không cần nguồn năng lượng điện bên ngoài ( chỉ cần năng lượng từ các máy phát nhỏ là đủ). Điều này hết sức quan trọng ở những nơi xa xôi hẻo lánh chưa có điện.

+ Những thiết kế mới nhất sử dụng chất tải nhiệt là nước khử khoáng (demineralized water) không cần phải có axit boric (chất hấp thụ neutron) để điều hòa hoạt độ (reactivity) nên sẽ chống ăn mòn lò, kéo dài đáng kể thời gian phục vụ của lò, lên đến 80 năm. Ngoài ra, việc không dùng axit boric sẽ giảm đáng kể chi phí vận hành nhà máy.

KLT-40S (Nga)

Lò KLT – 40S có công suất nhiệt là 150 MWt và công suất điện là 35 MWe (hình 2). Có thể xem đây là lò VVER loại mini.

Hình 2: Sơ đồ lò phản ứng KLT – 40S và các thiết bị kèm theo [6]

NuScale (Mỹ)

NuScale là thiết kế của NuScale Power, LLC. NuScale SMR có lò phản ứng và lò hơi được tích hợp trong 1 module hình trụ (hình 3). Module này được đặt dưới nước trong tòa nhà lò phản ứng, mục đích là để cung cấp môi trường làm mát thụ động cho lò phản ứng khi có tai nạn xảy ra. Mỗi tòa nhà lò phản ứng có thể lắp đến 12 modules NuScale (hình 4). Mỗi module NuScale có công suất nhiệt là 160 MWt và công suất điện là 50 MWe. Nhà máy có thể phát được tối đa 50x12 = 600 MWt nếu lắp đủ 12 modules. Cần lưu ý rằng hoàn toàn có thể xây dựng nhà máy với chỉ 1 module, tùy theo tình hình thực tế. Hiên nay NuScale là dự án dẫn đầu trong tiến độ phê duyệt của NRC (Nuclear Regulatory Commission – Ủy ban điều tiết hạt nhân Mỹ). Dự án sẽ có khả năng được phê duyệt vào tháng 8 năm 2021 và sẽ được bắt đầu xây dựng trong năm 2022.

Hình 3: Trái – Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò SMR NuScale. Phải – Sơ đồ nguyên lý hoạt động của BWRX – 300 của GE Hitachi. [7,8,9]

Hình 4: Sơ đồ NMĐHN với tổ hợp các lò phản ứng NuScale SMR. [7]

BWRX – 300 (Mỹ)

BWRX – 300 là sản phẩm của GEH (Liên minh hạt nhân do GE và Hitachi thành lập) có công suất điện là 300MWe, hoạt động dựa trên nguyên lý ĐLTN. Thiết kế của  BWRX – 300 dựa trên thiết kế của ESBWR  (Economic  Simplified  Boiling  Water  Reactor) [9]. Các ưu điểm chính của BWRX – 300 là nhỏ gọn, ít tốn vật liệu hơn so với các SMR dùng nước áp lực, vì áp suất trong lò nước sôi bao giờ cũng nhỏ hơn nhiều so với nước áp lực và hơi sản xuất trực tiếp từ lò đi thẳng vào turbine. Tuy nhiên các hệ thống an toàn chống rò rỉ hơi phóng xạ và yêu cầu của turbine hơi cũng như bộ phận làm mát turbine hơi cần khắt khe hơn lò nước áp lực có 2 vòng tuần hoàn. Vì những lí do an toàn mà hiện tại BWRX đang đi sau các lò SMR dùng nước áp lực trong cuộc đua lấy chứng chỉ của Ủy ban điều tiết hạt nhân Mỹ.

Hình 5: Sơ đồ NMĐHN với 1 module lò phản ứng BWRX-300. [9]

SMR - 160 (Mỹ)

SMR-160 là một lò phản ứng nước áp lực do Holtec International (Mỹ) phát triển. Bạn đọc có thể tham khảo thêm ở bài viết "Giới thiệu kết quả nghiên cứu mô hình ổn định của đối lưu tự nhiên cho các nhà máy điện hạt nhân thế hệ 4" [10,11].

Với lợi thế nhỏ gọn, tính an toàn được đảm bảo, chi phí đầu tư và vận hành thấp hơn rất nhiều so với NMĐHN truyền thống có cùng công suất. SMR sẽ là xu hướng phát triển điện hạt nhân hiện nay và trong tương lai, cho phép mang điện hạt nhân đến mọi nơi trên thế giới.

Thực hiện: Nguyễn Trị

Nguồn tham khảo:

[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Experimental_Breeder_Reactor_I

[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Obninsk_Nuclear_Power_Plant

[3]https://www.world-nuclear.org/press/press-statements/first-small-modular-reactors-open-a-new-world-of-a.aspx

[4] https://www.world-nuclear.org/press/press-statements/first-small-modular-reactors-open-a-new-world-of-a.aspx

[5] Phạm Đức Trung, “Nhà máy điện hạt nhân nổi - Thêm một sự lựa chọn cho công nghệ phát điện mới trong tương lai” bản tin Pecc2 tháng 2 năm 2021.

[6] https://www.rosenergoatom.ru/upload/iblock/68d/68d2a9ecbfe31ad79ea5efa0e45526b3.pdf

[7] https://www.NuScalepower.com/technology/technology-overview

[8] D. T. Ingersoll, C. Colbert, R. Bromm,b and Z. Houghtona, “NuScale Energy Supply for Oil Recovery and Refining Applications” Proceedings of ICAPP 2014, Charlotte, USA, April 6-9, 2014

[9] https://nuclear.gepower.com/build-a-plant/products/nuclear-power-plants-overview/bwrx-300

[10] SMR 160 essential information. Technical presentation, Holtec International Company. See also URL: https://holtecinternational.com/

[11] Nguyễn Trị, “Giới thiệu kết quả nghiên cứu mô hình ổn định của ĐLTN cho các nhà máy điện hạt nhân thế hệ 4”, bản tin Pecc2 tháng 3 năm 2021