Công nghệ hạt nhân Nga đã thay đổi như thế nào kể từ thảm họa Chernobyl?

Ảnh do Bộ Quốc phòng Nga cung cấp ngày 7/3/2022: Toàn cảnh nhà máy điện hạt nhân Chernobyl ở thành phố Pripyat. Ảnh: EyePress News/TTXVN

Mặc dù thảm họa Chernobyl không hoàn toàn là lỗi công nghệ, Nga đã tái cấu trúc các lò phản ứng RBMK ngay sau đó để loại bỏ ngay cả khả năng giả định về một tai nạn lớn.

Rosatom có kế hoạch thay thế hoàn toàn các lò phản ứng RBMK-1000 bằng các tổ máy điện VVER-TOI mới trong vòng 15 năm tới. Quá trình này đã bắt đầu tại nhà máy điện hạt nhân Kursk. Từ ngày 1/5, Tổ máy số 1 của nhà máy điện hạt nhân VVER-TOI sẽ chính thức đi vào hoạt động. Doanh thu từ công suất và điện năng của Tổ máy số 1 thuộc Nhà máy điện hạt nhân Kursk-2 sẽ đạt tổng cộng 11 tỷ ruble mỗi tháng (9 tỷ ruble từ công suất và khoảng 2 tỷ ruble từ điện năng). Việc đưa vào vận hành cũng sẽ đóng góp hơn 10 tỷ ruble tiền thuế bổ sung cho ngân sách Liên bang Nga hàng năm.

Các lò phản ứng VVER-TOI là các lò phản ứng thế hệ thứ ba (lò phản ứng RBMK là thế hệ thứ hai). Thế hệ thứ hai bao gồm phần lớn các nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động hiện nay. Tuy nhiên, một loạt tai nạn tại các lò phản ứng thế hệ thứ hai (Three Mile Island, Fukushima, Chernobyl) đã chứng minh rằng các yêu cầu an toàn được tích hợp vào thiết kế và xây dựng các nhà máy này là không đầy đủ.

Việc khắc phục những sai lầm này đã dẫn đến sự phát triển của thế hệ lò phản ứng hạt nhân hiện đại – Thế hệ III – với trọng tâm là an toàn, tính mô đun và tuổi thọ hoạt động kéo dài. Hệ thống an toàn của các lò phản ứng thế hệ thứ ba hoạt động mà không cần sự can thiệp của con người hoặc nguồn điện bên ngoài, dựa vào các định luật vật lý như trọng lực hoặc sự lưu thông không khí tự nhiên. Ví dụ, trong trường hợp lõi lò phản ứng bị nóng chảy, một thiết bị gọi là bộ thu lõi được lắp đặt bên dưới bình áp suất lò phản ứng trong các tổ máy Thế hệ III. Bộ thu này chứa và vô hiệu hóa toàn bộ kim loại nóng chảy hình thành trong quá trình nóng chảy lõi – corium.

Vòng bảo vệ an toàn bên ngoài cũng đã được tăng cường:

Các lò phản ứng Thế hệ III có thể chịu được va chạm trực tiếp của máy bay hoặc đạn pháo, và được bảo vệ khỏi động đất và sóng thần.

Quá trình mô phỏng chỉ ra rằng các nhà máy điện hạt nhân Thế hệ III an toàn hơn khoảng 20 lần so với các thế hệ trước, hậu quả của tai nạn cũng thấp hơn đáng kể. Ngoài ra còn có những lợi thế về kinh tế: Hệ thống thế hệ III được thiết kế để có tuổi thọ sử dụng lâu hơn—lên đến 60 năm hoặc hơn—chúng hoạt động với độ cháy nhiên liệu cao hơn, cho phép thời gian giữa các lần tiếp nhiên liệu dài hơn và chi phí vận hành thấp hơn.

Các lò phản ứng thế hệ IV hiện mới chỉ là thử nghiệm. Trên thế giới cũng đang thử nghiệm một số công nghệ.

+Ví dụ, tại Mỹ, một số công ty nhỏ đã thực hiện các dự án phát triển lò phản ứng muối nóng chảy—một công nghệ được coi là có tiềm năng mang lại độ an toàn thụ động cao nhất. Chất làm mát trong các lò phản ứng này là hỗn hợp các muối nóng chảy, có thể hoạt động ở nhiệt độ cao, đảm bảo hiệu suất nhiệt động học cao trong khi duy trì áp suất thấp.

Tuy nhiên, lò phản ứng muối nóng chảy có một "điểm yếu" vẫn chưa được giải quyết thành công kể từ những năm 1960. Đó là thành phần hóa học cực kỳ phức tạp của nhiên liệu và vật liệu chế tạo lò phản ứng. Muối nóng chảy chứa toàn bộ bảng tuần hoàn các nguyên tố, tạo ra môi trường ăn mòn cao dưới bức xạ ion hóa mạnh. Do đó, bất chấp thiết kế đơn giản, câu hỏi quan trọng vẫn là: tuổi thọ thực tế của lò này là bao nhiêu và do đó, có thể đảm bảo an toàn đến mức nào?

+Lò phản ứng khí nhiệt độ cao. Các lò phản ứng này hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nhiều—lên đến 1000°C—cho phép không chỉ tăng đáng kể hiệu suất và hiệu quả nhiệt động lực học mà còn cho phép điện phân ở nhiệt độ cao hoặc chu trình lưu huỳnh-iốt để sản xuất hydro. Năm 2023, lò phản ứng khí nhiệt độ cao HTR-PM đã đi vào vận hành thử nghiệm tại Tổ máy số 1 của Nhà máy điện hạt nhân Shidaowan ở Trung Quốc. Hiệu suất phát điện của lò phản ứng này được cho là 40%, so với mức 31-33% điển hình của hầu hết các tổ máy điện thế hệ II và III.

+Lò phản ứng thế hệ IV tiên tiến nhất là lò phản ứng neutron nhanh làm mát bằng natri. Nga là quốc gia dẫn đầu trong lĩnh vực này. Năm 2025, nước này bắt đầu chuẩn bị mặt bằng cho việc xây dựng lò phản ứng neutron nhanh làm mát bằng natri seri BN-1200, với công suất điện 1220 MW.

Mục tiêu chính của "dự án natri" của Nga là phát triển chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín bền vững (CNFC). Các lò phản ứng seri BN đồng thời giải quyết hai thách thức: sản xuất nhiên liệu plutonium từ đồng vị "dư thừa" uranium-238 và đốt cháy các actinide phụ, các đồng vị nguy hiểm tích tụ trong nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng (SNF).

Nga cũng đang phát triển dự án nhiên liệu MOX (hỗn hợp uranium-plutonium oxit), cho phép sử dụng một lượng lớn đồng vị uranium-238, chiếm hơn 99% tổng lượng uranium tự nhiên, trong năng lượng hạt nhân. Cơ sở sử dụng chính nhiên liệu MOX là Tổ máy số 4 của Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk, với lò phản ứng BN-800. Năm 2026, hoạt động thử nghiệm nhiên liệu MOX bắt đầu tại Nhà máy điện hạt nhân Balakovo, sử dụng lò phản ứng VVER-1000, cho phép chuyển đổi một lượng đáng kể các lò phản ứng nước nhẹ dòng VVER sang nhiên liệu uranium-plutonium.

Vào tháng 4/2026, lò phản ứng BN-800 nói trên tại nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk đã hoàn thành chương trình thí điểm đầu tiên trên thế giới về vận hành nhiên liệu MOX urani-plutoni với việc bổ sung và đốt cháy sau các chất phóng xạ gọi là actinide phụ - những thành phần độc hại nhất và có thời gian bán rã dài nhất của nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Như vậy, Nga đã tiến một bước hướng tới việc tạo ra một chu trình hạt nhân "vĩnh cửu", nơi tất cả chất thải hạt nhân được chuyển đổi trở lại thành năng lượng.

Tâm Hằng