Thế và thời của năng lượng hạt nhân

Tại COP 29 vừa qua ở Azerbaijan, các nhà lãnh đạo thế giới tiếp tục đánh giá năng lượng hạt nhân đóng vai trò thiết yếu trong việc đạt được các mục tiêu khí hậu toàn cầu, thậm chí là nguồn "năng lượng của tương lai", sạch, an toàn và vô hạn. Nhưng bài toán phát triển, vận hành, khai thác và các vấn đề phát sinh quanh câu chuyện năng lượng hạt nhân còn rất nhiều điều phải bàn.

Bức tranh tổng quan

Theo Hiệp hội Hạt nhân Toàn cầu, với gần 440 lò phản ứng đang hoạt động, điện hạt nhân đóng góp khoảng 10% vào tổng sản lượng điện trên thế giới, đồng thời chiếm 25% tổng lượng điện năng carbon thấp. Hiện có khoảng 31 quốc gia và vùng lãnh thổ trên thế giới đang vận hành các lò phản ứng hạt nhân để sản xuất điện, với sản lượng trong năm 2023 đạt 2.602 TWh, đánh dấu sự tăng trưởng kỷ lục so với trước.

Năng lượng hạt nhân ngày càng trở thành một phần không thể thiếu trong bức tranh năng lượng của nhiều quốc gia. Năm 2020, 24% tổng lượng điện mà Liên minh châu Âu sử dụng là từ các nhà máy hạt nhân, với 13 quốc gia vận hành lò phản ứng hạt nhân gồm: Pháp, Bỉ, Đức, Bulgaria, Czech, Phần Lan, Hungary, Hà Lan, Romania, Slovakia, Slovenia, Tây Ban Nha và Thụy Điển. Pháp - sử dụng 70% điện năng được sản xuất từ các nhà máy hạt nhân - là nước sản xuất điện hạt nhân lớn nhất trong EU vào năm 2021 với 51,8% thị phần của toàn EU; tiếp theo là Đức (9,4%), Tây Ban Nha (7,7%), Thụy Điển (7,2%) và Bỉ (6,9%).

Trong những năm gần đây, một số quốc gia đang có xu hướng tăng cường đầu tư vào năng lượng hạt nhân, đặc biệt là các nước đang phát triển như Trung Quốc và Ấn Độ. Hiệu suất của các lò phản ứng hạt nhân đã được cải thiện đáng kể theo thời gian. Hiệp hội Hạt nhân Toàn cầu ghi nhận trong 40 năm qua, tỷ lệ các lò phản ứng đạt đến hệ số công suất cao đã tăng đáng kể.

Tại Mỹ, khoảng 18,6% điện năng đến từ các nguồn hạt nhân. Nước này vừa công bố kế hoạch hỗ trợ phát triển các nhà máy điện hạt nhân mới, nhằm giảm khí thải carbon và chống lại biến đổi khí hậu. Bộ Năng lượng Mỹ đã hợp tác với các nhà phát triển và công ty xây dựng để triển khai các dự án này, bất chấp chi phí an ninh và sự cạnh tranh từ năng lượng khí đốt không ngừng gia tăng. Dù không xây dựng thêm nhà máy hạt nhân mới trong thời gian gần đây, Mỹ vẫn là nước sản xuất năng lượng hạt nhân lớn nhất thế giới.

Pháp đặt mục tiêu phát triển năng lượng hạt nhân để đáp ứng nhu cầu năng lượng và giảm thiểu khí thải carbon. Paris đã công bố kế hoạch xây dựng ít nhất 6 lò phản ứng hạt nhân mới vào năm 2035 nhằm đảm bảo năng lượng bền vững và giảm phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch.

Anh cũng có kế hoạch tương tự với các dự án lớn như Nhà máy điện hạt nhân Hinkley Point C, dự kiến sẽ cung cấp khoảng 7% nhu cầu điện của đất nước khi hoàn thành. Theo đề án tổng thể về quy hoạch phát triển hệ thống năng lượng của Nga đến năm 2042, Nga cần có thêm 11 nhà máy điện hạt nhân lớn và nhỏ, trong đó có kế hoạch xây dựng các nhà máy điện hạt nhân mới thay thế cho các nhà máy Kursk, Kolskaya và Smolensk hiện có, cũng như tổ hợp năng lượng thế hệ mới với lò phản ứng BREST-OD-300. Tổng thống Nga Vladimir Putin từng tuyên bố đến năm 2045, tỷ trọng năng lượng hạt nhân trong cân bằng năng lượng tổng thể của Nga sẽ tăng lên 25%.

Hiệp hội Năng lượng Hạt nhân Trung Quốc cho biết, nước này hiện có 56 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động, với tổng công suất khoảng 5% nhu cầu điện. Để cạnh tranh với Mỹ, Trung Quốc đang nỗ lực vượt bậc với 27 lò phản ứng trong quá trình xây dựng, cùng sự hỗ trợ mạnh mẽ từ chính phủ và các chiến lược phát triển công nghệ.

Tại hội nghị "Lộ trình hướng tới năng lượng hạt nhân mới" được Cơ quan Năng lượng Hạt nhân (NEA) thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD) tổ chức ngày 19/9/2024, 13 quốc gia thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD) đã bày tỏ sự quan tâm tham gia thỏa thuận hợp tác nhằm phát triển các dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân mới, với mục tiêu tăng gấp ba công suất điện hạt nhân vào năm 2050 để đạt mục tiêu phát thải ròng bằng 0.

Nhật Bản cũng đang khôi phục năng lượng hạt nhân sau thảm họa Fukushima, với lò phản ứng Onagawa mới được tái khởi động. Nước này đặt mục tiêu đạt được 20-22% tổng sản lượng điện từ các lò phản ứng hạt nhân vào năm 2030. Trong đó, Nhật Bản có kế hoạch xây dựng thêm 9 lò phản ứng hạt nhân mới trong chiến lược Chuyển đổi Xanh, với mục tiêu đạt 20-22% sản lượng điện từ năng lượng hạt nhân vào năm 2030. Ngoài ra, Nhật Bản cũng đang phát triển các lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) và tham gia nghiên cứu nhiệt hạch.

Tại Đông Nam Á, Thái Lan và Philippines đang lên kế hoạch xây dựng các nhà máy hạt nhân để đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Indonesia cũng có kế hoạch triển khai điện hạt nhân vào những năm 2030.

Bài toán chi phí

Năng lượng hạt nhân không phát thải khí nhà kính trực tiếp, góp phần quan trọng vào mục tiêu giảm thiểu biến đổi khí hậu toàn cầu, trong khi ngành công nghiệp hạt nhân tạo ra nhiều việc làm, thúc đẩy phát triển công nghệ và đóng góp vào tăng trưởng kinh tế. Các nhà máy điện hạt nhân thường đòi hỏi công nghệ cao và kỹ thuật chuyên sâu, tạo ra nhiều cơ hội việc làm cho các kỹ sư, nhà khoa học và các chuyên gia khác. Tuy nhiên, trong phát triển năng lượng hạt nhân, bài toán chi phí là vấn đề đặc biệt quan trọng bởi tính phức tạp, đa dạng của các loại chi phí từ vốn, vận hành, bảo trì,... đến những chi phí phát sinh khác.

Thứ nhất, chi phí vốn bao gồm tất cả các chi phí liên quan đến chuẩn bị, xây dựng và tài trợ cho một nhà máy điện hạt nhân. Các chi phí này bao gồm chi phí liên quan đến việc chuẩn bị mặt bằng, cơ sở hạ tầng, hệ thống làm mát. Một công trình điện hạt nhân cần hàng nghìn công nhân và sử dụng nhiều vật liệu như thép, bê tông cùng quá trình xây dựng phức tạp với các hệ thống cung cấp điện, làm mát, thông gió, kiểm soát an toàn...

Thứ hai, chi phí vận hành được chia thành chi phí cố định (phát sinh dù có sản xuất điện hay không) và chi phí động (thay đổi theo sản lượng điện), gồm các chi phí liên quan đến nhiên liệu như sử dụng urani hoặc vật liệu khác trong lò phản ứng, các chi phí để hoạt động và duy trì nhà máy - từ tiền lương nhân công, phí vật tư đầu vào và duy tu bảo dưỡng. Thậm chí, trong khoản này, người ta còn phải tính trước đến chi phí đóng cửa nhà máy sau khi hết tuổi thọ, bao gồm xử lý chất thải và nhiên liệu đã qua sử dụng.

Thứ ba, chi phí ngoài là các chi phí xã hội liên quan đến vận hành nhà máy hạt nhân. Tất nhiên, so với các nhà máy nhiệt điện, chi phí ngoài của năng lượng hạt nhân thấp hơn, đặc biệt là khi không phải tính đến các chi phí về khí nhà kính và ô nhiễm của nhiên liệu hóa thạch.

Thứ tư, phí hệ thống, chủ yếu liên quan đến việc tích hợp điện hạt nhân vào lưới điện quốc gia và các loại thuế đặc biệt đối với hạt nhân.

Những yếu tố cần và đủ

Các hệ thống an toàn trong lò phản ứng hạt nhân nhằm đảm bảo ba mục tiêu chính: dập lò trong trường hợp khẩn cấp, duy trì an toàn khi dập lò, và ngăn ngừa phát thải chất phóng xạ ra môi trường. Hiểu đơn giản, hệ thống an toàn trong lò phản ứng hạt nhân bao gồm những phần như:

Hệ thống bảo vệ lò phản ứng (RPS) với chức năng chính là ngừng ngay lập tức phản ứng hạt nhân bằng cách sử dụng các thanh điều khiển hoặc hệ điều khiển chất lỏng dự phòng để hấp thụ nơtron và dập lò;

Hệ thống nước dịch vụ cần thiết (ESWS) sẽ tuần hoàn nước làm mát từ các thiết bị trao đổi nhiệt và các thành phần khác, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các hệ thống làm mát chính và làm mát thanh nhiên liệu đã sử dụng;

Hệ thống làm lạnh vùng hoạt khẩn cấp (ECCS) có nhiệm vụ làm mát và ngừng phản ứng hạt nhân trong trường hợp sự cố, các hệ phụ trợ của hệ thống này bao gồm hệ phun chất tải nhiệt áp cao (HPCI), hệ giảm áp tự động (ADS), và hệ phun chất tải nhiệt áp thấp (LPCI);

Hệ thống cung cấp điện khẩn cấp sử dụng máy phát để duy trì hoạt động của các thiết bị trong trường hợp mất điện. Pin ắc quy cung cấp nguồn điện cuối cùng để dập lò;

 Các hệ thống ngăn chặn bức xạ gồm cấu trúc bảo vệ như vỏ nhiên liệu, thùng lò phản ứng và các hệ ngăn chặn sơ cấp, thứ cấp giúp ngăn ngừa phát tán chất phóng xạ ra môi trường. Hệ thống bắt giữ vùng hoạt giúp làm mát và giữ an toàn khi xảy ra sự cố nóng chảy;

 Hệ thống xử lý khí thải dự phòng để xử lý khí phóng xạ và duy trì áp suất âm trong nhà lò nhằm hạn chế phát thải ra môi trường;

Hệ thống thông gió và ngăn chặn bức xạ để làm sạch không khí và chất phóng xạ, ngăn phát tán trong môi trường.

Trong lịch sử 60 năm sản xuất điện hạt nhân dân sự, Hiệp hội Hạt nhân Quốc tế cho rằng về cơ bản chỉ có 3 vụ tai nạn nghiêm trọng như tai nạn trên đảo Three Mile tại Mỹ năm 1979, thảm họa năm 1986 tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl, gần Pripyat, Ukraine (lúc này còn thuộc Liên bang Xôviết cũ) và thảm họa động đất - sóng thần gây hư hại nghiêm trọng tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Dai-ichi ở tỉnh Fukushima năm 2011.

Với những rủi ro và nguy cơ ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khỏe con người nếu phóng xạ rò rỉ hoặc mất an toàn hạt nhân, việc đảm bảo an toàn trong các hoạt động liên quan đến năng lượng hạt nhân được đặc biệt chú trọng.

Công ước an toàn hạt nhân của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) thiết lập một khuôn khổ pháp lý quốc tế về an toàn hạt nhân, bao gồm cả các nguyên tắc cơ bản, các biện pháp bảo vệ và các yêu cầu đối với các cơ sở hạt nhân, để đảm bảo rằng các cơ sở hạt nhân được thiết kế, xây dựng, vận hành và ngừng hoạt động một cách an toàn, nhấn mạnh các tiêu chuẩn về quản lý chất thải phóng xạ, tiêu chuẩn về an toàn bức xạ.

Mỹ, quốc gia đi đầu trong việc phát triển năng lượng hạt nhân, giao Ủy ban Điều tiết hạt nhân chịu trách nhiệm cấp phép và giám sát các hoạt động liên quan đến năng lượng hạt nhân, ban hành các quy định chi tiết về thiết kế, xây dựng, vận hành và ngừng hoạt động của các nhà máy điện hạt nhân, cũng như các quy định về bảo vệ bức xạ và quản lý chất thải phóng xạ.

Cộng đồng Năng lượng nguyên tử châu Âu (Euratom), đã ban hành các hướng dẫn và quy định chung về an toàn hạt nhân, bao gồm các tiêu chuẩn về thiết kế, xây dựng, vận hành và ngừng hoạt động của các cơ sở hạt nhân.

Từ những năm 1990, với sự phát triển của các thiết kế lò phản ứng trên thế giới, các nhà hoạch định chính sách trong ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân và các cơ quan quản lý đã tìm cách chuẩn hóa thiết kế và hài hòa các quy định. Trong số này, nhóm công tác Đánh giá và Cấp phép thiết kế lò phản ứng (CORDEL) thuộc Hiệp hội Hạt nhân Thế giới và Chương trình đánh giá thiết kế đa quốc gia (MDEP) của Cơ quan Năng lượng Hạt nhân thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển châu Âu (OECD) đóng vai trò rất quan trọng trong việc thúc đẩy sự hợp tác toàn cầu, đảm bảo các đánh giá một cách khách quan và toàn diện các thiết kế lò phản ứng hạt nhân mới, tạo điều kiện cho các quốc gia thành viên chia sẻ kinh nghiệm, kiến thức và hợp tác trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân.

Các nhà máy điện hạt nhân thế hệ IV mới nhất hiện nay được thiết kế với mục tiêu cải thiện đáng kể hiệu suất, an toàn và giảm thiểu chất thải phóng xạ so với các thế hệ trước. Một số đặc điểm nổi bật của các nhà máy thế hệ này phải kể đến yếu tố đảm bảo an toàn thụ động, nói cách khác là nhiều hệ thống an toàn trong các nhà máy thế hệ IV hoạt động dựa trên các nguyên lý vật lý tự nhiên, không cần đến nguồn điện hoặc can thiệp của con người, do đó giúp giảm thiểu rủi ro trong trường hợp xảy ra sự cố. Các lò phản ứng thế hệ IV cũng được thiết kế để có thể làm mát một cách tự nhiên, ngay cả khi mất hoàn toàn nguồn điện; đồng thời được xây dựng với các loại nhiên liệu mới để cải thiện hiệu suất và giảm thiểu lượng chất thải phóng xạ. Thiết kế của các lò phản ứng thế hệ IV thường được tối ưu hóa để giảm thiểu nguy cơ sản xuất vật liệu phân hạch cho vũ khí hạt nhân.

Nhà máy điện hạt nhân Shidaowan của công ty Huaneng ở tỉnh Sơn Đông, Trung Quốc, đi vào hoạt động thương mại vào ngày 6/12/2023, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong ngành công nghiệp hạt nhân thế giới. Đây là nhà máy điện hạt nhân thế hệ IV, sử dụng công nghệ lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao (HTGR). Một số ví dụ khác về nhà máy điện hạt nhân thế hệ IV đang được nghiên cứu và phát triển trên thế giới còn có lò phản ứng muối nóng chảy (MSR); lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri lỏng (SFR); hay lò phản ứng nước siêu tới hạn (SCWR), nói một cách dễ hiểu là nước trong lò phản ứng sẽ được đun nóng đến nhiệt độ và áp suất rất cao, vượt quá điểm tới hạn của nước, sau đó nước ở trạng thái siêu tới hạn được bơm qua lõi lò phản ứng để hấp thụ nhiệt, hơi nước được dẫn đến tuabin để quay tuabin và sinh ra điện, hơi nước đó sẽ được làm lạnh và ngưng tụ thành nước, rồi được bơm trở lại lò phản ứng.

Tìm câu trả lời

Suất đầu tư của nhà máy điện hạt nhân gồm tổng chi phí xây dựng, lắp đặt và các chi phí liên quan khác, chia cho tổng lượng điện năng mà nhà máy sản xuất được trong suốt vòng đời của nhà máy. Do đó trong mọi kế hoạch đầu tư và vận hành nhà máy điện hạt nhân, vấn đề tuổi thọ là yếu tố được đặc biệt quan tâm. Các nhà máy điện hạt nhân hiện nay thường có tuổi thọ thiết kế là 40-60 năm, và có thể kéo dài đến 80 năm, tuy nhiên con số này có thể thay đổi tùy thuộc vào thiết kế cụ thể của nhà máy và các quy định của từng quốc gia.

Tuổi thọ của nhà máy chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm chất lượng và độ bền của vật liệu, đặc biệt là các vật liệu chịu áp suất và nhiệt độ cao như thép không gỉ, bê tông. Sự phát triển công nghệ mới, như công nghệ kiểm soát ăn mòn và bảo trì dự đoán, cũng có thể nâng cao hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của nhà máy. Bên cạnh đó, điều kiện vận hành, bảo dưỡng định kỳ và sửa chữa kịp thời cũng đóng vai trò quan trọng trong việc duy trì tuổi thọ, trong khi điều kiện môi trường xung quanh như độ ẩm, nhiệt độ và rung động có thể tác động tiêu cực đến khía cạnh này. Các sự cố và tai nạn trong quá trình vận hành cũng có thể là tác nhân gây giảm tuổi thọ của nhà máy.

Việc gia hạn tuổi thọ của nhà máy điện hạt nhân là khả thi và nhiều quốc gia đã áp dụng các chương trình gia hạn. Tháng 5/2023, Nhật Bản đã thông qua luật cho phép lò phản ứng hạt nhân hoạt động quá 60 năm, nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng và mục tiêu khí hậu. Theo quy định cũ, các lò phản ứng hạt nhân Nhật Bản chỉ có thời gian vận hành 40 năm và được gia hạn một lần, tối đa 20 năm, tùy thuộc vào các yêu cầu về an toàn. Luật mới quy định giới hạn tuổi thọ kỹ thuật của các lò phản ứng hạt nhân vẫn là 60 năm, nhưng có quy chế về ngoại lệ với các lò phản ứng trước đó phải dừng hoạt động vì lý do "không thể lường trước" như thay đổi quy định an toàn hay lệnh tạm thời dừng hoạt động do tòa án ban hành. Quy định mới cũng cho phép các đơn vị vận hành trừ thời gian lò phản ứng ngừng hoạt động khi tính toán tuổi thọ.

Tập đoàn điện lực quốc gia Pháp (EDF) trước đó cũng hy vọng kéo dài tuổi thọ các động cơ điện hạt nhân tới 50 năm, thậm chí là 60 năm, nhằm đạt hiệu suất khai thác tốt hơn.

Việc gia hạn tuổi thọ phải đảm bảo nhà máy đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn hiện hành, các thiết bị và hệ thống vẫn hoạt động ổn định, và mang lại lợi ích kinh tế - xã hội. Thêm vào đó, cần phải nhìn nhận thực tế là chi phí gia hạn tuổi thọ của nhà máy khá cao, từ đánh giá an toàn và kỹ thuật, chi phí nâng cấp thiết bị, và chi phí bảo trì. Các yếu tố như tuổi thọ của nhà máy, mức độ nâng cấp và công nghệ áp dụng sẽ ảnh hưởng đến chi phí để gia hạn.

Dù phát triển năng lượng hạt nhân là bài toán phức tạp, gồm nhiều vấn đề thách thức đan xen, đòi hỏi một lộ trình dài hơn, bài bản, không thể phủ nhận năng lượng hạt nhân vẫn được coi là một trong những giải pháp quan trọng trong việc đối phó với biến đổi khí hậu và nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của thế giới.

Tương lai của năng lượng hạt nhân phụ thuộc vào việc giải quyết được các thách thức hiện nay và đáp ứng được các yêu cầu ngày càng cao về an toàn, hiệu quả cũng như phát triển bền vững.