Lò phản ứng muối nóng chảy - sự bùng nổ sản xuất năng lượng tương lai

Lò phản ứng muối nóng chảy (thường được viết tắt là MSR), là một loại lò phản ứng hạt nhân đặc biệt, trong đó chất làm mát và/hoặc nhiên liệu bao gồm hỗn hợp muối nóng chảy.

05/08/2022 14:31

MSR có nhiều hình dạng và kích cỡ, thiết kế khác nhau và thường sử dụng nhiên liệu nóng chảy tạo thành từ muối uranium, thorium hoặc plutonium fluoride làm giàu hòa tan trong hỗn hợp muối florua lithium và berili - trái ngược với chất rắn nhiên liệu được sử dụng trong hầu hết các loại lò phản ứng hạt nhân khác. Sau đó, lõi MSR sử dụng than chì để hướng dòng chảy của muối nóng chảy ở khoảng 700 độ C. Nhiệt tạo ra từ nhiên liệu sau đó được sử dụng để sản xuất hơi nước cho lò, cung cấp năng lượng cho các tuabin tạo ra điện. Một trong những MSR được nhắc đến nhiều nhất là Lò phản ứng Florua Thorium lỏng (LFTR).

Lò MSR hoạt động như thế nào?

Một cách có thể đo lường khả năng sản xuất năng lượng của một quy trình nhất định là sử dụng một thứ gọi là “năng lượng hoàn trả trên năng lượng đầu tư” (ERoEI), hay còn gọi là năng lượng hoàn vốn đầu tư.

Lò phản ứng muối nóng chảy - sự bùng nổ sản xuất năng lượng tương lai -0 — Phòng điều khiển của một thí nghiệm lò phản ứng muối nóng chảy ban đầu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, khoảng năm 1965.

Để được sử dụng thực sự, cần phải khai thác nhiều năng lượng hơn từ quá trình này hơn là tiêu thụ để chạy hệ thống - bất kể nó có thể là gì. Tấm pin mặt trời có ERoEI khoảng 10, nghĩa là bạn nhận lại được gấp 10 lần lượng năng lượng đã đầu tư. Đối với nhiên liệu hóa thạch như than đá, con số đó nằm trong khoảng từ 18 đến 43.

Để sản xuất một gigawatt/ năm điện, một nhà máy than sẽ cần xử lý hơn 570 km tàu chở đầy than; trong khi một lò MSR chỉ cần 2.205 lbs (1.000 kg) nhiên liệu (thường là thori hoặc uranium) để có kết quả tương tự. Một lợi ích khác của lò MSR là tuổi thọ tiềm năng của chúng và các yêu cầu bảo trì tương đối đơn giản hơn.

Hiện nay, hầu hết các nhà máy điện hạt nhân truyền thống tồn tại khoảng 35 năm, hoặc lâu hơn. Ở Mỹ, hầu hết những nhà máy này đều được xây dựng vào thập niên 1970 và 1990, có nghĩa là nhiều nhà máy trong số chúng sẽ sớm được cho ngừng hoạt động (hoặc đại tu). Ngày nay, rất ít lò phản ứng mới được xây dựng để thay thế chúng – do rất tốn kém để xây dựng và rất khó được chấp thuận. Điều này sẽ dẫn đến một cuộc khủng hoảng năng lượng rất nghiêm trọng ở Mỹ nếu các công nghệ tái tạo không thể đối phó với áp lực. Điều này có nghĩa là hầu hết các khu vực sẽ quay trở lại với mạng lưới nhà máy điện sử dụng nhiên liệu hóa thạch để lấp đầy khoảng trống.

Nhiều chuyên gia tin rằng hạt nhân là lựa chọn thực sự duy nhất, nhưng với mỗi nhà máy mới mất khoảng một thập kỷ để xây dựng - điều này có thể trở thành một vấn đề rất nghiêm trọng. Một số lò MSR, như lò phản ứng muối nóng chảy nhỏ gọn (CMSR) của Seaborg Technologies có thiết kế dạng mô-đun. Điều này có nghĩa là việc bảo trì, sửa chữa và thay thế lõi trong tương lai có thể là công việc tương đối đơn giản - về mặt lý thuyết kéo dài tuổi thọ của chúng một cách đại trà.

Seaborg Technologies, một startup tư nhân tại Đan Mạch, hiện đang theo đuổi giải pháp nhà máy điện hạt nhân nổi nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng của các quốc gia thuộc Thế giới thứ ba. Những lãnh đạo của Seaborg (đặt theo tên nhà hóa học nguyên tử Glenn T. Seaborg, chủ nhân Nobel 1951) tin rằng điện hạt nhân giá rẻ hoàn toàn có thể thay thế nguồn từ nhiên liệu hóa thạch (than đá, khí đốt, dầu diesel,…) mà không phát thải CO2.

Thế hệ lò phản ứng muối nóng chảy nhỏ gọn CMSR (Compact Molten Salt Reactor) của Seaborg ra đời để lấp đầy khoảng trống đó. Khi được triển khai trên bè, giàn nổi hay tàu kéo dọc bờ biển, nó có thể sẵn sàng cung cấp điện cho đất liền qua hệ thống truyền tải với hiệu suất rất cao. Một lò CMSR như vậy thường có vòng đời hoạt động lên tới 24 năm và cắt giảm được hàng chục triệu tấn CO2 so với nhà máy nhiệt điện than cùng công suất. Seaborg hiện đã huy động được gần 20 triệu Euro từ nhiều nhà đầu tư tư nhân, trong đó có tỷ phú ngành bán lẻ Anders Holch Povlsen.

Chất thải từ lò MSR

Lò MSR thực sự là một trong những thiết kế nhà máy điện tốt hơn đối với việc tạo ra chất thải - đặc biệt là khi so sánh với mạng lưới nhà máy nhiệt điện than truyền thống. Khi than được đốt để sản xuất năng lượng, kết quả là một lượng đáng kể tro cũng như mọi chất dạng hạt khác sinh ra.

Tất nhiên, các nhà máy nhiệt điện than cũng tạo ra một lượng carbon dioxide đáng kể như một sản phẩm phụ. So với các lò MSR, nhà máy than kém hiệu quả hơn đáng kể. MSR tạo ra khoảng 1 tấn chất thải cho mỗi gigawatt điện hàng năm. So sánh điều này với khoảng 9 triệu tấn carbon dioxide cho một nhà máy chạy bằng than tạo ra cùng một lượng năng lượng. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng cũng có sự khác biệt về chất trong các loại chất thải.

Chất thải từ các lò MSR là chất phóng xạ và cần được lưu trữ tối thiểu 300 năm trước khi có thể thải trở lại lòng đất. Lò MSR chỉ là một biến thể hiệu quả cao của nhà máy điện hạt nhân truyền thống, gần đây đã trở thành một nguồn năng lượng an toàn hơn. So sánh với các lò phản ứng hạt nhân truyền thống thực sự làm cho hiệu quả của MSR rõ ràng hơn nhiều.

Như đã đề cập, một MSR điển hình cần khoảng 1.000 kg nhiên liệu muối cho mỗi gigawatt/năm điện được sản xuất. Một lò phản ứng hạt nhân nhiên liệu rắn truyền thống cần khoảng 250 tấn uranium được làm giàu để thực hiện công việc tương tự, và phần lớn chất thải phải được lưu trữ trong vòng 100.000 năm trước khi nó có thể được thải trở lại mặt đất.