Lò phản ứng phân hạch có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của thế giới bằng cách sử dụng lượng nhiên liệu hạt nhân tương đối nhỏ. Ngoài ra, chúng còn tạo ra lượng khí thải carbon thấp, giải quyết thách thức chính trong sản xuất năng lượng.

Dẫu vậy, các lò phản ứng phân hạch hạt nhân phải đối mặt với hai vấn đề chính: sử dụng nhiên liệu kém và xử lý chất thải phóng xạ phức tạp.

Để giải quyết những thách thức này, Viện Vật lý và Kỹ thuật Điện AI Leypunsky của Nga đã bắt đầu thử nghiệm các đặc tính vật lý neutron của lò phản ứng VVER-S với nhiên liệu hạt nhân MOX (oxit hỗn hợp). Các thử nghiệm được tiến hành tại cơ sở thử nghiệm BFS-1.

Các lò phản ứng này hoạt động dựa trên phản ứng phân hạch hạt nhân, trong đó một nguyên tử (như urani 235) bị tách thành hai nguyên tử nhỏ hơn, giải phóng năng lượng và nơtron. Các nơtron này có thể tiếp tục tách các nguyên tử nhỏ hơn và duy trì phản ứng dây chuyền.

“Một mô hình lắp ráp không có vật liệu hạt nhân bên trong đã được tạo hình hoàn chỉnh và trình lên Ủy ban An toàn Hạt nhân. Sau khi được cấp phép, một số bộ phận của mô hình đã được thay thế bằng các thanh nhiên liệu thực tế có plutonium năng lượng”, Alexander Zhukov, người đứng đầu tổ hợp BFS, cho biết.

Một phiên bản VVER hoàn toàn khác

Lò phản ứng VVER-S, hiện đang được Rosatom, tập đoàn hạt nhân nhà nước của Nga, phát triển. Lò phản ứng này được làm mát và điều tiết bằng nước, ước tính có thể sản xuất 600 MW điện.

Điều này có nghĩa là nước không chỉ loại bỏ nhiệt dư thừa khỏi nhiên liệu mà còn đóng vai trò là chất điều hòa neutron, làm chậm các neutron chuyển động nhanh để cải thiện hiệu quả của quá trình.

Tuy nhiên, quá trình điều tiết nước này khác với các lò phản ứng hạt nhân thông thường. VVER-S sử dụng hệ thống cơ học thay đổi tỷ lệ nước với nhiên liệu uranium. Vì vậy, thay vì axit boric hấp thụ các neutron dư thừa, uranium-238 sẽ làm điều đó, tạo ra plutonium, một nhiên liệu phân hạch mới.

Plutonium có thể được sử dụng làm nhiên liệu mới. Phương pháp này, được gọi là điều chỉnh quang phổ, giúp lò phản ứng VVER-S khác biệt so với các lò phản ứng khác trong chuỗi VVER – vốn được mệnh danh là “kiệt tác công nghệ”.

Nhiên liệu hạt nhân MOX

Nhiên liệu MOX kết hợp plutonium thu hồi từ nhiên liệu lò phản ứng đã qua sử dụng với uranium nghèo (phần còn lại của uranium). Về bản chất, lò phản ứng tái chế nguyên liệu còn dư thừa, giải quyết các thách thức về quản lý chất thải.

Theo Rosatom, nếu lò phản ứng VVER-S có thể sử dụng toàn bộ nhiên liệu MOX, việc sử dụng urani tự nhiên trong lò phản ứng sẽ giảm 50%. Ngoài ra, trong suốt thời gian hoạt động, nó có thể giúp tiết kiệm được số tiền tương đương với chi phí vốn của lò phản ứng.

Lò phản ứng có thể giúp đạt được dự án “chu trình nhiên liệu cân bằng” mà Nga đang hướng tới bằng cách tối đa hóa việc khai thác năng lượng trong khi giảm thiểu chất thải. Cách tiếp cận này giải quyết hai thách thức dai dẳng với lò phản ứng phân hạch hạt nhân. 

Bức tranh lớn hơn

Các lò phản ứng VVER-S là một phần trong sáng kiến rộng lớn hơn của Nga được nêu trong Chiến lược phát triển hạt nhân 2050, trong đó họ đặt mục tiêu giải quyết năm nhiệm vụ. Các nhiệm vụ này bao gồm giảm mức tiêu thụ uranium tự nhiên, tạo ra chu trình nhiên liệu khép kín, hỗ trợ sản lượng điện linh hoạt, giảm chi phí xây dựng và giảm thiểu chất thải phóng xạ.

Hai lò phản ứng sử dụng phương pháp điều chỉnh quang phổ đầu tiên được lên kế hoạch xây dựng tại nhà máy điện hạt nhân Kola 2 ở vùng Murmansk phía bắc của Nga. Việc xây dựng dự kiến bắt đầu vào năm 2028, với các lò phản ứng dự kiến bắt đầu hoạt động vào năm 2035.

Nhờ kích thước vừa phải, các lò phản ứng này có thể thay thế các nhà máy điện than cũ hoặc làm nguồn điện ở những khu vực có cơ sở hạ tầng lưới điện không đủ đáp ứng.