Năng lượng nguyên tử đã trải qua hơn tám thập kỷ phát triển, dịch chuyển mạnh mẽ từ các chương trình quân sự thời kỳ Chiến tranh Lạnh sang phục vụ các mục tiêu hòa bình và phát triển bền vững của nhân loại. Trong số các vật liệu hạt nhân, Uranium giữ vị trí trung tâm nhờ những đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt. Bài viết này cung cấp cái nhìn toàn diện về Uranium, từ các thuộc tính lý – hóa cơ bản, bức tranh địa chính trị khai thác quặng, chu trình nhiên liệu hạt nhân, cho đến các ứng dụng đột phá trong phát điện thế hệ mới, y tế, nông nghiệp, công nghiệp và hiện trạng ứng dụng thực tiễn tại Việt Nam.
Bản chất vật lý, hóa học và hệ đồng vị của Uranium
Uranium là nguyên tố kim loại đặc biệt thuộc nhóm actinide trong bảng tuần hoàn hóa học. Ở trạng thái tinh khiết, Uranium là kim loại nặng màu trắng bạc, sở hữu độ đặc khít cực cao với khối lượng riêng xấp xỉ p~19,05g/cm3 (gấp khoảng 1,7 lần khối lượng riêng của chì). Một khối Uranium lập phương cạnh chỉ 10cm đã có khối lượng lên tới 20kg. Trong tự nhiên, Uranium tồn tại dưới dạng một hỗn hợp gồm ba đồng vị phóng xạ chính với các tỷ lệ khối lượng, chu kỳ bán rã (T1/2) và hoạt độ phóng xạ riêng biệt:
- U-238: đồng vị chiếm ưu thế tuyệt đối với hàm lượng tự nhiên đạt 99,28%, chu kỳ bán rã cực dài khoảng 4,51×109 năm và hoạt độ phóng xạ riêng tương đối thấp ở mức 12,4 Bq/mg.
- U-235: đồng vị duy nhất trong tự nhiên có khả năng phân hạch bằng neutron chậm, chiếm tỷ lệ 0,72%, chu kỳ bán rã 7,10×108 năm và hoạt độ phóng xạ riêng đạt 80 Bq/mg.
- U-234: đồng vị hiếm chỉ chiếm 0,0057%, được tạo ra từ chuỗi phân rã của U-238, sở hữu chu kỳ bán rã ngắn hơn ở mức 2,47×105 năm nhưng có hoạt độ phóng xạ riêng rất cao lên tới 2,31×105 Bq/mg.
Hoạt độ phóng xạ riêng của Uranium tự nhiên tinh khiết (bao gồm cả ba đồng vị) là 25,4 Bq/mg. Do chu kỳ bán rã của U-238 và U-235 rất dài, hằng số phân rã λ = ln(2)/T1/2 cực nhỏ, các đồng vị này phân rã chủ yếu bằng cách phát xạ hạt alpha với mức năng lượng trung bình dao động từ 4,15MeV đến 4,85MeV trên mỗi biến đổi hạt nhân. Bức xạ beta và gamma kèm theo là rất yếu. Do đó, Uranium tự nhiên được Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) xếp vào nhóm vật liệu có hoạt độ phóng xạ riêng thấp (Low Specific Activity – LSA).
Trong tự nhiên, các đồng vị Uranium tồn tại trong trạng thái cân bằng phóng xạ với các sản phẩm phân rã của chúng. Chuỗi phân rã của U-238 tạo ra một loạt các đồng vị trung gian nguy hại hơn như Thorium-234, Radium-226, khí Radon-222 và Polonium-210. Tương tự, U-235 phân rã tạo ra Actinium-227, Radium-223 và các đồng vị khác. Phần lớn hoạt độ phóng xạ đo được ngoài môi trường tự nhiên của các mỏ quặng thực chất đến từ các hạt nhân con này chứ không phải từ bản thân hạt nhân Uranium mẹ.
Về mặt hóa học, Uranium là một kim loại hoạt động mạnh, không bao giờ tồn tại dưới dạng đơn chất tự do mà liên kết tạo thành các khoáng vật oxide phức tạp. Hai dạng oxide phổ biến nhất là Uranium dioxide (UO2) – hợp chất không tan trong môi trường nghèo oxy (anoxic) và Uranium trioxide (UO3) – hợp chất có độ hòa tan trung bình trong môi trường nước bề mặt. Trong công nghiệp chế biến và làm giàu nhiên liệu, Uranium được chuyển đổi sang dạng Uranium hexafluoride (UF6). Đây là hợp chất độc đáo có khả năng thăng hoa thành thể khí ở nhiệt độ tương đối thấp (56,5oC ở áp suất khí quyển), tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình phân tách đồng vị bằng phương pháp ly tâm chất khí.
Bản đồ địa chính trị, tài nguyên và khai thác Uranium
Mặc dù có hoạt tính phóng xạ, Uranium không phải là nguyên tố quá hiếm trong vỏ Trái Đất. Với nồng độ trung bình khoảng 2,8ppm (2,8 g/tấn), Uranium phổ biến hơn cả vàng, bạc hay thủy ngân, tương đương với hàm lượng của thiếc và chỉ thấp hơn một chút so với cobalt hay chì. Trữ lượng quặng Uranium có khả năng khai thác kinh tế phân bố không đều trên phạm vi toàn cầu, tạo nên một bản đồ địa chính trị năng lượng phức tạp.
Theo số liệu thống kê từ Hiệp hội Hạt nhân Thế giới (WNA), tổng trữ lượng tài nguyên Uranium đã được xác định có khả năng khai thác đạt khoảng 5.925.700 tấn.
| Quốc gia | Trữ lượng xác định (tU) | Tỷ lệ phần trăm toàn cầu (%) |
| Australia | 1.671.200 | 28% |
| Kazakhstan | 813.900 | 14% |
| Canada | 582.000 | 10% |
| Namibia | 497.900 | 8% |
| Russia | 476.600 | 8% |
| Niger | 336.000 | 6% |
| South Africa | 320.900 | 5% |
| China | 270.500 | 5% |
| Brazil | 167.800 | 3% |
| Mongolia | 144.600 | 2% |
| Ukraine | 106.700 | 2% |
| Botswana | 87.200 | 1% |
| USA | 67.800 | 1% |
| Tanzania | 57.700 | 1% |
| Các quốc gia khác | 324.900 | 5% |
| Tổng cộng thế giới | 5.925.700 | 100% |
Phân tích bảng số liệu cho thấy nghịch lý địa chính trị: Australia sở hữu tới 28% tài nguyên Uranium toàn cầu nhưng sản lượng khai thác thực tế lại thấp hơn nhiều so với tiềm năng. Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ các rào cản chính sách nghiêm ngặt về môi trường, sự phản đối của các cộng đồng bản địa và các lệnh cấm khai thác quặng phóng xạ tại một số tiểu bang lớn của quốc gia này. Ngược lại, những quốc gia có trữ lượng thấp hơn như Kazakhstan hay Namibia lại vươn lên dẫn đầu về sản lượng khai thác thực tế nhờ chính sách khuyến khích công nghiệp hạt nhân và quy trình cấp phép tối giản. Sản lượng khai thác quặng Uranium toàn cầu có sự biến động lớn theo chu kỳ kinh tế, chính sách năng lượng và các biến động địa chính trị.
Sự sụt giảm sản lượng toàn cầu từ mức hơn 60.000 tU năm 2015 xuống đáy 47.731 tU vào năm 2020 là hệ quả kéo dài của cuộc khủng hoảng giá sau sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi năm 2011. Trong giai đoạn này, giá Uranium lao dốc không phanh, buộc các tập đoàn khai khoáng lớn phải đóng cửa hoặc tạm dừng hoạt động nhiều mỏ quặng lớn có chi phí vận hành cao (ví dụ mỏ McArthur River ở Canada).
Tuy nhiên, kể từ sau năm 2020, thị trường Uranium toàn cầu ghi nhận sự phục hồi mạnh mẽ. Sự bùng nổ này được thúc đẩy bởi sự trỗi dậy của các quỹ đầu tư tài chính thu mua Uranium vật chất tích trữ trực tiếp trên thị trường giao ngay, cùng với sự đứt gãy chuỗi cung ứng năng lượng do xung đột Nga – Ukraine và xu hướng dịch chuyển sang năng lượng xanh chống biến đổi khí hậu. Đến năm 2024, tổng sản lượng khai thác đã hồi phục về mức 60.213 tU, đáp ứng khoảng 90% nhu cầu vận hành thực tế của các lò phản ứng hạt nhân thương mại toàn cầu, phần còn lại được bù đắp từ các nguồn dự trữ quốc gia và vật liệu tái chế.
Doanh nghiệp và các mỏ khai thác lớn nhất
Thị trường khai thác Uranium toàn cầu có mức độ tập trung cực cao, chịu sự chi phối lớn bởi các doanh nghiệp nhà nước hoặc có vốn góp nhà nước lớn. Trong năm 2024, mười công ty khai thác hàng đầu đã đóng góp trên 90% tổng sản lượng toàn cầu, với sự phân chia thị phần rõ rệt.
| Tên Công ty | Quốc gia | Sản lượng 2024 (tU) | Thị phần toàn cầu (%) |
| Kazatomprom | Kazakhstan | 12.463 | 21% |
| Cameco | Canada | 10.193 | 17% |
| Orano | Pháp | 6.815 | 11% |
| Uranium One | Nga | 5.829 | 10% |
| CGN | Trung Quốc | 5.761 | 10% |
| Navoi Mining | Uzbekistan | 4.000 | 7% |
| CNNC | Trung Quốc | 3.286 | 6% |
| ARMZ | Nga | 2.738 | 5% |
| BHP | Australia | 2.693 | 5% |
| General Atomics/Quasar | Mỹ | 1.808 | 3% |
| Các đơn vị khác | – | 4.627 | 8% |
Sự phân bổ sản lượng theo mỏ quặng cũng phản ánh sự tập trung hóa sâu sắc này. Chỉ riêng 10 mỏ lớn nhất thế giới đã chiếm đến hơn 60% sản lượng toàn cầu năm 2024:
| Tên Mỏ | Quốc gia | Chủ sở hữu chính | Phương pháp | Sản lượng (tU) | Tỷ lệ (%) |
| McArthur River/Key Lake | Canada | Cameco | Hầm lò | 7.808 | 13% |
| Cigar Lake | Canada | Cameco/Orano | Hầm lò | 6.501 | 11% |
| Husab | Namibia | Swakop Uranium (CGN) | Lộ thiên | 4.437 | 7% |
| Karatau (Budenovskoye 2) | Kazakhstan | Uranium One/Kazatomprom | ISL | 3.299 | 6% |
| Inkai, sites 1-3 | Kazakhstan | Kazatomprom/Cameco | ISL | 2.992 | 5% |
| Akdala & South Inkai 4 | Kazakhstan | Uranium One/Kazatomprom | ISL | 2.803 | 5% |
| Olympic Dam | Australia | BHP Billiton | Phụ phẩm | 2.693 | 5% |
| Moinkum & Tortkuduk | Kazakhstan | Orano/Kazatomprom | ISL | 2.388 | 4% |
| Rössing | Namibia | CNNC | Lộ thiên | 2.205 | 4% |
| Khorassan 1 | Kazakhstan | Kazatomprom/Uranium One | ISL | 2.030 | 3% |
Sự phát triển công nghệ đã thay đổi căn bản cách thức thu hồi Uranium từ lòng đất. Trong thế kỷ 20, phương pháp khai thác lộ thiên (open pit) và hầm lò (underground) chiếm thế thượng phong. Tuy nhiên, sang thế kỷ 21, công nghệ hòa tan tại chỗ (In-situ Leaching – ISL hoặc In-situ Recovery – ISR) đã dần thay thế và trở thành phương pháp khai thác chủ đạo. Nếu như năm 2000, phương pháp ISL chỉ chiếm 16% sản lượng toàn cầu thì đến nay tỷ lệ này đã vượt quá 50% (và đạt khoảng 55% vào năm 2024).
Bản chất của công nghệ ISL là tận dụng các giếng khoan để bơm dung dịch hòa tan axit (thường là axit sulfuric loãng như áp dụng tại Kazakhstan) hoặc dung dịch kiềm cacbonat cùng các chất oxy hóa (như hydrogen peroxide áp dụng tại Australia) trực tiếp vào vỉa quặng nằm sâu trong lòng đất. Các dung dịch này phản ứng chọn lọc, hòa tan Uranium tạo thành phức chất uranyl sunfat hoặc uranyl cacbonat hòa tan trong nước. Dung dịch sau đó được bơm ngược lên bề mặt qua các giếng thu hồi để đưa vào nhà máy tuyển quặng, tách chiết Uranium bằng nhựa trao đổi ion thu được quặng tinh “bánh vàng” (U3O8).
Công nghệ ISL sở hữu những ưu điểm vượt trội bao gồm: không phá hủy cảnh quan bề mặt, không tạo ra hàng triệu tấn đất đá thải phóng xạ như khai thác lộ thiên hay hầm lò, giảm thiểu tối đa suất đầu tư ban đầu, và bảo vệ sức khỏe người lao động khỏi nguy cơ hít phải khí phóng xạ radon (Rn-222) trong không gian hầm lò kín. Tuy nhiên, ISL đòi hỏi một cấu trúc địa chất đặc thù, trong đó vỉa quặng phải nằm kẹp giữa các tầng đá sét không thấm nước để ngăn ngừa tuyệt đối sự rò rỉ dung dịch axit chứa gốc Uranyl gây ô nhiễm các tầng nước ngầm xung quanh.
Chu trình nhiên liệu hạt nhân
Để một lượng quặng thô Uranium trong lòng đất có thể biến đổi thành dòng điện thắp sáng các đô thị, nó phải trải qua một hành trình kỹ thuật phức tạp được gọi là Chu trình Nhiên liệu Hạt nhân. Chu trình này được chia thành ba giai đoạn chính: Giai đoạn đầu (Front-end), Giai đoạn vận hành lò phản ứng (Service period) và Giai đoạn cuối (Back-end).
Quá trình bắt đầu bằng việc tuyển quặng để nâng hàm lượng từ nồng độ tự nhiên cực thấp trong đá lên thành bột “bánh vàng” (U3O8). Độ giàu tự nhiên của các vỉa quặng dao động rất lớn, từ các mỏ cực kỳ cao cấp ở vùng Bắc Saskatchewan, Canada (đạt hàm lượng trung bình lên tới 20%, tương đương 200.000ppm) cho đến các mỏ nghèo cấp thấp ở Namibia (chỉ đạt 0,01% đến 0,02% U, tương đương 100ppm đến 200ppm). Do U3O8 là chất rắn không bay hơi, bước tiếp theo bắt buộc phải chuyển đổi hóa học thành khí Uranium hexafluoride (UF6). Quá trình này tạo nên một điểm nghẽn địa chính trị cực lớn do yêu cầu kỹ thuật vô cùng khắt khe và các quy định chống phổ biến vũ khí hạt nhân. Hiện tại, toàn thế giới chỉ có đúng 5 nhà máy chuyển đổi quy mô thương mại đang hoạt động, phân bổ tại Canada, Trung Quốc, Pháp, Nga và Mỹ. Ba nhà cung cấp thương mại quốc tế chính phục vụ hầu hết thị trường ngoài nội địa là Rosatom (Nga), Orano (Pháp) và liên doanh Urenco (Anh-Đức-Hà Lan).
Sau khi chuyển đổi thành khí UF6, Uranium được đưa vào các nhà máy làm giàu. Bằng phương pháp ly tâm chất khí, hàm lượng đồng vị dễ phân hạch U-235 được nâng từ mức tự nhiên lên mức từ 3% đến 5%. Đây là mức làm giàu thấp tiêu chuẩn (Low-Enriched Uranium – LEU), thường được gọi là Uranium cấp độ phản ứng (reactor-grade). Khí UF6 đã làm giàu sau đó trải qua quá trình tái chuyển đổi ngược lại thành dạng bột mịn màu đen Uranium dioxide (UO2). Bột này được ép chặt và nung ở nhiệt độ cao để tạo thành các viên gốm nhiên liệu (pellets) hình trụ nhỏ bền nhiệt. Các viên gốm này được xếp vào các ống kim loại bằng hợp kim zirconium dài để tạo thành các thanh nhiên liệu, sau đó được bó lại thành các bó nhiên liệu sẵn sàng nạp vào lò phản ứng.
Nhiên liệu hạt nhân sau khi nạp vào lò phản ứng nước nhẹ thương mại sẽ trải qua chu kỳ vận hành trung bình khoảng 3 năm để phát ra nhiệt lượng khổng lồ thông qua các phản ứng phân hạch dây chuyền phục vụ quay tuabin phát điện. Khi nồng độ đồng vị phân hạch U-235 giảm xuống dưới ngưỡng duy trì phản ứng hiệu quả, nhiên liệu được rút ra khỏi lò phản ứng và được gọi là nhiên liệu đã qua sử dụng (Spent Fuel). Tại giai đoạn này, các quốc gia lựa chọn một trong hai hướng tiếp cận chiến lược cho chu trình nhiên liệu:
- Chu trình nhiên liệu mở (Once-through cycle): nhiên liệu đã qua sử dụng được coi hoàn toàn là chất thải phóng xạ nguy hại. Chúng được lưu giữ tạm thời trong các bể nước làm mát đặt ngay tại nhà máy từ 5 đến 10 năm để giảm nhiệt dư và cường độ phóng xạ, sau đó chuyển vào các thùng bê tông khô (dry casks) chứa phân tán hoặc tập trung trước khi đưa đi chôn cất vĩnh viễn.
- Chu trình nhiên liệu khép kín (Closed cycle): Đây là một giải pháp khoa học bền vững và tiết kiệm tài nguyên vượt trội. Nhiên liệu đã qua sử dụng được đưa tới các nhà máy tái chế hóa học công nghệ cao (hiện đang vận hành thương mại tại Pháp, Nga, Ấn Độ, Nhật Bản và Trung Quốc). Quá trình tái chế cho phép thu hồi khoảng 95%-96% Uranium chưa cháy hết và khoảng 1% Plutonium tạo ra trong quá trình vận hành lò. Hỗn hợp Uranium và Plutonium tái chế này được chế tạo thành nhiên liệu oxide hỗn hợp (Mixed Oxide Fuel – MOX), nạp lại cho các lò phản ứng thế hệ tiếp theo để tiếp tục phát điện.
Đối với phần chất thải phóng xạ cao cấp còn lại không thể tái chế, giải pháp tối ưu và an toàn nhất hiện nay là chôn cất địa chất sâu (Deep Geologic Disposal – DGD). Finland là quốc gia đi đầu thế giới khi đưa kho lưu giữ địa chất sâu Onkalo đi vào hoạt động chính thức, trong khi Thụy Điển, Pháp và Vương quốc Anh đang tích cực hoàn thiện các dự án tương tự.
Ứng dụng thế hệ mới: lò phản ứng Mô-đun nhỏ (SMR), nhiên liệu HALEU và TRISO
Phát điện năng lượng hạt nhân là ứng dụng dân sự lớn nhất và quan trọng nhất của Uranium. Tính đến nay, có 416 lò phản ứng hạt nhân đang vận hành thương mại tại 31 quốc gia, cùng với 63 lò phản ứng khác đang trong quá trình xây dựng tại 15 quốc gia. Trước yêu cầu cấp bách về an ninh năng lượng và cam kết đạt phát thải ròng bằng không (Net Zero) để ứng phó biến đổi khí hậu, một liên minh đa quốc gia đã được thành lập với mục tiêu đầy tham vọng: tăng gấp ba lần công suất năng lượng hạt nhân toàn cầu vào năm 2050.
Mặc dù các lò phản ứng quy mô lớn truyền thống vẫn giữ vai trò xương sống cho nguồn điện nền baseload, ngành công nghiệp hạt nhân toàn cầu đang chứng kiến một cuộc cách mạng mang tên Lò phản ứng Mô-đun nhỏ (Small Modular Reactor – SMR). SMR được định nghĩa là các lò phản ứng tiên tiến có công suất dưới 300MWe mỗi mô-đun, được chế tạo hàng loạt dưới dạng các mô-đun tiêu chuẩn hóa ngay tại nhà máy, sau đó vận chuyển bằng đường bộ, đường thủy hoặc đường sắt đến địa điểm lắp đặt. Microreactor là một nhánh nhỏ hơn của SMR, sở hữu công suất cực tiểu dưới 20MWe, có khả năng vận hành độc lập hoàn toàn hoặc tích hợp vào các lưới điện vi mô (microgrid) phục vụ các vùng sâu vùng xa, hải đảo hoặc các tiền đồn quân sự.
Các ưu thế công nghệ vượt trội của SMR so với lò phản ứng truyền thống bao gồm:
- Tính an toàn thụ động tự thân (Passive Safety): phần lớn các thiết kế SMR tích hợp các hệ thống an toàn thụ động hoàn toàn, hoạt động dựa trên các nguyên lý vật lý tự nhiên như đối lưu nhiệt tự do, trọng lực và chênh lệch áp suất mà không cần sự can thiệp của con người hay nguồn cấp điện dự phòng từ bên ngoài. Điều này loại bỏ hoàn toàn rủi ro nóng chảy vùng tẻ lò như đã từng xảy ra tại Fukushima Daiichi.
- Khả năng tài chính khả thi: do quy mô nhỏ và thời gian xây dựng rút ngắn đáng kể, SMR giúp giảm thiểu rủi ro chậm tiến độ và vượt tổng mức đầu tư – những điểm yếu cố hữu khiến các dự án hạt nhân lớn tại Mỹ và Pháp gặp khó khăn trong những năm gần đây.
- Tính linh hoạt cao: SMR có khả năng điều tần (load-following), phối hợp nhịp nhàng với các nguồn năng lượng tái tạo biến thiên liên tục như điện gió và điện mặt trời. Ngoài ra, chúng có thể cung cấp nhiệt năng trực tiếp cho các ngành công nghiệp nặng, hệ thống sưởi ấm đô thị, khử mặn nước biển, hoặc điện phân sản xuất hydro xanh.
Hiện nay, có hơn 80 thiết kế SMR đang được phát triển trên toàn cầu với nhiều loại chất làm mát khác nhau như nước nhẹ, khí heli nhiệt độ cao (HTGR), kim loại lỏng hay muối nóng chảy. Theo kịch bản phát triển tối ưu của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), công suất SMR toàn cầu dự kiến đạt 120GW (và có thể lên tới 190GW trong kịch bản tích cực nhất) vào năm 2050, thu hút dòng vốn đầu tư lũy kế khổng lồ dao động từ 670 tỷ USD đến 900 tỷ USD.
Sự chuyển dịch sang các thiết kế SMR tiên tiến đòi hỏi những đột phá mang tính cách mạng trong công nghệ chế tạo nhiên liệu Uranium. Tâm điểm của cuộc cách mạng này là nhiên liệu HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium – Uranium độ làm giàu thấp nồng độ cao).
Theo phân loại truyền thống, Uranium có độ giàu dưới 5% U-235 là Uranium độ giàu thấp tiêu chuẩn sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân hiện nay, trong khi Uranium có độ giàu từ 20% trở lên được coi là Uranium độ giàu cao (Highly Enriched Uranium – HEU). HALEU nằm ở khoảng giữa hai phân khúc này, với độ làm giàu U-235 dao động từ 4,95% đến dưới 20% (tiệm cận ngưỡng giới hạn kiểm soát phổ biến vũ khí hạt nhân).
Việc nâng cao hàm lượng phân hạch trong HALEU mang lại những giá trị kỹ thuật cốt lõi:
- Cho phép thiết kế các vùng tẻ lò phản ứng cực kỳ nhỏ gọn nhưng lại có mật độ công suất phát nhiệt rất cao.
- Kéo dài đáng kể chu kỳ hoạt động của nhiên liệu trong lò (lên tới 5 – 10 năm mới phải nạp lại nhiên liệu thay vì chu kỳ 18 tháng như hiện tại).
- Tăng hiệu suất cháy (burnup), giảm thiểu đáng kể khối lượng chất thải phóng xạ phát sinh tính trên mỗi đơn vị điện năng tạo ra.
Cấu trúc đặc biệt này biến mỗi hạt TRISO thành một bình ngăn giữ chất phóng xạ độc lập siêu nhỏ, có khả năng chịu đựng nhiệt độ cực hạn lên tới hơn 1.600oC mà không bị phá hủy cấu trúc hay rò rỉ đồng vị phóng xạ ra môi trường ngoài.Đây được coi là loại nhiên liệu “không thể nóng chảy”, mở ra kỷ nguyên mới cho sự an toàn tuyệt đối của năng lượng hạt nhân dân sự.
Khử mặn hạt nhân (Nuclear Desalination)
Tình trạng khan hiếm nguồn nước ngọt sạch đang trở thành thách thức sống còn đối với sự phát triển của nhiều quốc gia, đặc biệt là tại khu vực Trung Đông và Bắc Phi. Khử mặn nước biển bằng năng lượng hạt nhân (Nuclear Desalination) là giải pháp tích hợp lò phản ứng hạt nhân đồng phát (cogeneration) vừa sản xuất điện năng vừa cung cấp nhiệt lượng hoặc điện năng trực tiếp cho các nhà máy lọc nước biển quy mô công nghiệp mà không phát thải khí nhà kính.
Hiện nay, thế giới đã tích lũy được hơn 200 năm-lò phản ứng vận hành khử mặn hạt nhân an toàn, chủ yếu tại Kazakhstan, Ấn Độ và Nhật Bản. Ba công nghệ khử mặn chính được ghép nối thành công bao gồm: chưng cất đa hiệu ứng (Multi-Effect Distillation – MED), chưng cất chớp nhoáng đa cấp (Multi-Stage Flash – MSF) sử dụng năng lượng nhiệt trực tiếp từ tuabin hơi nước, và công nghệ lọc màng thẩm thuấu ngược (Reverse Osmosis – RO) sử dụng điện năng. Nhằm hỗ trợ các quốc gia đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật và tối ưu hóa tài chính cho các dự án tích hợp này, IAEA đã phát triển và cung cấp miễn phí các bộ công cụ phần mềm chuyên dụng bao gồm:
- DEEP (Desalination Economic Evaluation Program): Hỗ trợ tính toán chi tiết hiệu năng và đánh giá hiệu quả kinh tế so sánh giữa các cấu hình đồng phát điện – nước khác nhau sử dụng nhiên liệu hạt nhân hoặc nhiên liệu hóa thạch truyền thống.
- DE-TOP (Desalination Thermodynamic Optimization Program): Công cụ phân tích chuyên sâu về mặt nhiệt động lực học (exergy) để tối ưu hóa hiệu suất dòng chảy hơi nhiệt từ lò phản ứng sang hệ thống khử mặn nước biển.
Điển hình hiện nay, Jordan – quốc gia có tới 75% diện tích là sa mạc khô cằn – đang tích cực phối hợp với IAEA triển khai nghiên cứu khả thi xây dựng tổ hợp lò phản ứng SMR để cấp điện và sinh nhiệt cho nhà máy lọc nước biển đặt tại vịnh Aqaba (Biển Đỏ), sau đó bơm ngược dòng nước ngọt tinh khiết về thủ đô Amman để giải quyết triệt để tình trạng thiếu nước sinh hoạt. Saudi Arabia cũng đang định hình chiến lược chuyển dịch kinh tế, nghiên cứu tích hợp các lò phản ứng hạt nhân tiên tiến vào hệ thống siêu nhà máy lọc nước biển quốc gia để giảm thiểu tối đa việc đốt dầu thô trực tiếp.
Việt Nam phát triển ứng dụng năng lượng nguyên tử từ khá sớm so với các quốc gia trong khu vực, ghi nhận nhiều thành tựu quan trọng trong việc làm chủ công nghệ và đưa kỹ thuật hạt nhân vào phục vụ trực tiếp phát triển kinh tế – xã hội đất nước. Trái tim của ngành công nghệ hạt nhân Việt Nam chính là Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (DNRR) thuộc Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt. Lò phản ứng này ban đầu là loại lò nghiên cứu TRIGA Mark II có công suất danh định 250kWt, do Hoa Kỳ chế tạo và bắt đầu vận hành từ năm 1963. Trước ngày giải phóng thành phố Đà Lạt năm 1975, toàn bộ các thanh nhiên liệu Uranium độ giàu cao (20% U-235) đã bị tháo dỡ đưa về Mỹ, khiến lò ngừng hoạt động hoàn toàn. Sau đó, với sự giúp đỡ to lớn về mặt kỹ thuật của Liên Xô và hỗ trợ pháp lý từ IAEA, lò phản ứng đã được khôi phục, cải tạo sâu và nâng cấp công suất lên gấp đôi đạt 500MWt (sử dụng lò phản ứng kiểu IVV-9). Ngày 20/3/1984, Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt chính thức vận hành trở lại. Từ đó đến nay, đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật Việt Nam đã hoàn toàn làm chủ công nghệ, vận hành lò tuyệt đối an toàn suốt hơn 40 năm qua với tần suất trung bình 4 tuần một đợt chiếu mẫu liên tục 100 giờ.
Nhận thức rõ giới hạn công suất của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt hiện nay đã tới ngưỡng kịch trần và lò đã vận hành lâu năm, Việt Nam đang phối hợp chặt chẽ với Tập đoàn Nguyên tử Quốc gia Nga (Rosatom) tích cực triển khai dự án xây dựng Trung tâm Khoa học Công nghệ Hạt nhân (CNST) mới đặt tại thành phố Long Khánh, tỉnh Đồng Nai.
Trọng tâm của trung tâm mới này là lò phản ứng nghiên cứu đa mục tiêu dạng bể nước có công suất định mức lên tới 10MWt (gấp 20 lần công suất lò Đà Lạt hiện tại). Khi đi vào vận hành chính thức, lò phản ứng mới này sẽ đem lại bước nhảy vọt về chất cho ngành năng lượng nguyên tử Việt Nam bao gồm:
- Tăng năng lực sản xuất đồng vị phóng xạ y tế lên gấp hàng chục lần, bảo đảm tự chủ hoàn toàn các loại dược chất thế hệ mới và hướng tới xuất khẩu ra thị trường khu vực Đông Nam Á.
- Tạo ra kênh chiếu xạ pha tạp silicon đơn tinh thể quy mô công nghiệp để sản xuất vật liệu bán dẫn chất lượng cao phục vụ ngành công nghiệp điện tử trong nước.
- Cung cấp chùm neutron cường độ cực mạnh phục vụ nghiên cứu vật lý cơ bản, cấu trúc vật liệu tiên tiến và đào tạo nguồn nhân lực hạt nhân chất lượng cao sẵn sàng cho các định hướng phát triển điện hạt nhân trong tương lai.
Từ khóa: uranium;
– CMD –
