Tiềm năng phát triển của SMRs
Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) định nghĩa lò phản ứng hạt nhân cỡ nhỏ là những lò có công suất dưới 300 MWe và được gọi chung là SMRs (Small Modular Reactors). Tuy nhiên, SMR cũng có nghĩa là các lò phản ứng theo dạng mô-đun, có kích cỡ nhỏ, được sản xuất trong thời gian ngắn và có thể kết hợp nhiều mô-đun với nhau.
Theo báo cáo của IAEA, hiện nay có khoảng hơn 70 thiết kế SMR được phát triển cho các mục đích khác nhau. Có thể chia các thiết kế này thành các nhóm sau:
- Lò phản ứng trên đất liền làm mát bằng nước;
- Lò phản ứng nổi làm mát bằng nước;
- Lò phản ứng nhiệt độ cao làm mát bằng khí;
- Lò phản ứng nơtron nhanh;
- Lò phản ứng muối nóng chảy;
- Lò phản ứng siêu nhỏ (micro SMR).
Quá trình chuyển dịch năng lượng đang diễn ra một cách nhanh chóng trên thế giới với việc các quốc gia đang thực hiện các bước đi nhằm hạn chế tối đa phát thải cacbon trong sản xuất điện năng. Để đạt được mục tiêu đầy tham vọng này rất cần có các công nghệ năng lượng mới không phát thải cacbon. Tại Hội nghị quốc tế về biến đổi khí hậu và vai trò của điện hạt nhân được IAEA tổ chức vào tháng 9 năm 2019, SMR đang được nhiều Quốc gia thành viên IAEA coi là một lựa chọn hạt nhân tiềm năng và khả thi để góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và chống biến đổi khí hậu. Nhờ sở hữu nhiều ưu điểm nổi trội, các lò SMR đang được Nga, Mỹ, Nhật Bản, Vương Quốc Anh và các quốc gia châu Âu khác quan tâm và đầu tư mạnh mẽ cho nghiên cứu cũng như đưa vào hoạt động. Các ưu điểm của SMR có thể kể đến như sau:
- Lò phản ứng truyền thống cần có chi phí đầu tư lớn và thời gian xây dựng dài, trong khi đó, SMR được xây dựng theo dạng mô-đun, dễ dàng vận chuyển tới nơi lắp đặt, giúp giảm chi phí đầu tư và giảm thời gian xây dựng, các tính năng an toàn được nâng cao và đồng thời có khả năng tùy chỉnh quy mô đáp ứng nhu cầu của hệ thống lưới điện;
- Kích thước nhà máy nhỏ nên lựa chọn địa điểm xây dựng linh hoạt hơn;
- Có khả năng phục vụ nhiều ứng dụng khác nhau: cung cấp điện, nhiệt, khử muối, sản xuất hydro hoặc kết hợp cùng với các nguồn năng lượng tái tạo;
- Có thể xây dựng tại các vùng xa xôi, nơi không có khả năng tiếp cận với lưới điện, vùng có lưới điện nhỏ, các đảo, giàn khoan ngoài khơi;
- Có thể thay thế cho các cơ sở nhà máy điện sử dụng năng lượng hóa thạch đã cũ hoặc chuẩn bị được dỡ bỏ;
- Thân thiện với môi trường, giảm phát thải CO2.
Hình 1. Một số ưu điểm của SMR
Theo nghiên cứu của Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia Hoa Kỳ (NREL), diện tích đất sử dụng để tạo ra 1 GWh điện của công nghệ SMR nhỏ hơn rất nhiều so với các công nghệ sản xuất điện sạch khác như điện gió và điện mặt trời.
Hình 2. So sánh diện tích đất cần thiết để tạo ra 1 GWh giữa các công nghệ phát điện (Nguồn: NREL)
Xu hướng đóng cửa các nhà máy điện than
Xu hướng đóng cửa các nhà máy nhiệt điện đốt than đã cũ, dừng hoạt động do các chính sách chuyển dịch sang năng lượng sạch nhằm bảo vệ môi trường đang lan tỏa ở rất nhiều quốc gia. Tỷ lệ đóng góp của nhiệt điện đốt than vào sản xuất điện năng ngày càng giảm cho dù việc phát triển các công nghệ thu giữ và lưu trữ cacbon (CCS) mang lại hy vọng tiếp tục hoạt động cho các nhà máy điện này. Tuy nhiên, thực tế cho thấy các nhà máy điện đốt than đang dần được thay thế phần lớn bằng các công nghệ sản xuất điện khác như sử dụng khí tự nhiên, năng lượng gió và năng lượng mặt trời.
Các nhà máy điện đốt than được thay thế bằng các nhà máy điện sử dụng khí tự nhiên chỉ có thể làm giảm sự phát thải cacbon, do đó chúng cần được thay thế bằng các nguồn năng lượng khác không gây phát thải, trong đó năng lượng hạt nhân được coi là công nghệ rất phù hợp cho vai trò này. Ứng dụng các công nghệ lò phản ứng hạt nhân tiên tiến, đặc biệt là SMR cho các nhà máy điện đốt than đã cũ hoặc dừng hoạt động đang là một trong những ứng dụng giúp mục tiêu không phát thải cacbon trong ngành năng lượng trở nên khả thi.
Hình 3. Một nhà máy nhiệt điện đốt than tại bang Georgia, Hoa Kỳ được lên kế hoạch đóng cửa vào năm 2028 (Nguồn: Panoramio)
Tại sao SMR là sự thay thế phù hợp?
Tương tự nhà máy nhiệt điện đốt than, các lò SMR cũng sản xuất điện từ việc cung cấp nhiệt lượng để tạo ra hơi nước. Ngoài sự khác biệt về cách thức tạo ra nhiệt, các nhà máy điện đốt than và nhà máy điện hạt nhân đều có nhiều hệ thống và thành phần tương tự nhau như tuabin hơi, hệ thống hơi chính, máy phát điện, bình ngưng, bơm nước, hệ thống gia nhiệt nước, hệ thống nước làm mát, hệ thống điện, hệ thống xử lý nước, v.v.
Hình 4. Sự chuyển đổi các hệ thống từ nhà máy nhiệt điện than sang lò phản ứng SMR
(Nguồn:[1])
Do đó, một số cơ sở hạ tầng của nhà máy nhiệt điện đốt than có thể được hoán đổi và tái sử dụng cho nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò SMR như: nguồn nước làm mát (sông, hồ, biển,…), hệ thống cung cấp nước làm mát, hệ thống khử khoáng, nước dịch vụ, hệ thống phòng cháy chữa cháy, sân phân phối, trạm biến áp, văn phòng, nhà kho và các tòa nhà hiện hữu khác. Việc tận dụng các hệ thống này có thể giúp tiết kiệm hàng trăm triệu đô la Mỹ trong khi vẫn bảo đảm việc làm và lợi ích kinh tế cho địa phương.
Cải tiến hạt nhân mang lại việc làm và cung cấp năng lượng sạch
Thay thế bằng lò phản ứng SMR không chỉ đem lại cơ hội để tận dụng cơ sở hạ tầng của nhà máy điện than, mà còn tạo điều kiện sử dụng lực lượng lao động của chính nhà máy điện đốt than này.
Các nhân sự lao động kỹ thuật cao tại các nhà máy điện than hoàn toàn có thể được đào tạo cho các vai trò trong nhà máy điện hạt nhân tùy thuộc vào từng vị trí và công nghệ lò SMR được ứng dụng. Một vài vị trí sẽ cần được đào tạo, huấn luyện, cấp chứng chỉ bổ sung do các yêu cầu khắt khe của nhà máy điện hạt nhân. Tuy nhiên việc chuyển đổi này vẫn là một phương án hiệu quả về mặt chi phí so với việc tuyển dụng mới, đồng thời có tác động tích cực tới cộng đồng địa phương khi lực lượng lao động được tiếp tục ở lại làm việc tại nhà máy.
Theo các phân tích, một lò phản ứng SMR có thể cung cấp hơn 200 việc làm tại chỗ, nhiều hơn so với một nhà máy điện than thông thường. Những công việc này sẽ được duy trì trong suốt thời gian hoạt động của nhà máy, từ 20 đến 60 năm hoặc lâu hơn nữa với mức lương tương đối tốt. Ngoài ra, nhiều công việc mới cũng sẽ được tạo ra trong quá trình xây dựng lò SMR. Lượng công việc mới này sẽ đem lại những lợi ích kinh tế trực tiếp cho cộng đồng địa phương.
Những bước đi đầu tiên
Đầu năm 2021, TerraPower và PacifiCorp đã công bố hợp tác để thúc đẩy dự án thử nghiệm lò phản ứng hạt nhân nơtron nhanh sử dụng muối làm mát tại một nhà máy nhiệt điện than dự kiến sẽ dừng hoạt động ở Wyoming, Hoa Kỳ.
Bên cạnh đó, các công ty khác như NuScale Power LLC với lò phản ứng SMR đầu tiên nhận được chứng nhận thiết kế của Ủy ban điều tiết hạt nhân Hoa Kỳ (NRC) cũng đã tham gia vào dự án Carbon-Free Power Project (CFPP) để thử nghiệm lò phản ứng của công ty này tại một nhà máy điện than cũ đã ngừng hoạt động.
Chính quyền một số bang của Mỹ cũng đang rất quan tâm đến lợi ích của việc thay thế các nhà máy nhiệt điện than bằng lò SMR như bang Montana, bang North Dakota, bang Utah và bang West Virginia.
Giải pháp của tương lai
Sự tối ưu về mặt chi phí của việc tận dụng cơ sở hạ tầng và nguồn nhân lực từ nhà máy nhiệt điện cũ, cùng với ưu điểm về việc cung cấp năng lượng sạch, không phát thải cacbon của công nghệ lò phản ứng SMR khiến cho việc thay thế các nhà máy nhiệt điện đốt than trở thành một giải pháp cần thiết và có tính thực tế cao.
Tuy nhiên, việc chuyển đổi từ các nhà máy nhiệt điện than cũ bằng các lò phản ứng SMR vẫn đang trong quá trình nghiên cứu và thử nghiệm. Sự thành công của quá trình chuyển đổi này cần có sự ủng hộ của cộng đồng địa phương, sự phê duyệt và hỗ trợ từ các cơ quan chức năng để có thể sớm đưa vào ứng dụng trong thực tế.
Theo PECC2