Ngành công nghiệp hạt nhân toàn cầu đang tìm kiếm các giải pháp vượt trội để giải quyết hạn chế vốn có của các thiết kế Lò Nước nhẹ (LWR) Thế hệ II và III truyền thống. Sự chuyển dịch sang hệ thống Thế hệ IV được thúc đẩy bởi các mục tiêu kép: nâng cao tính an toàn thụ động và tối ưu hóa chu trình nhiên liệu để đạt được hiệu suất cao hơn và giảm thiểu chất thải phóng xạ hoạt độ cao. Trong bối cảnh này, chu trình nhiên liệu thorium nổi lên như một điểm chiến lược, cung cấp nguồn tài nguyên nhiên liệu dồi dào và các đặc tính vật lý hạt nhân vượt trội. Việc đánh giá chu trình thorium không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn cần xem xét tới lịch sử phát triển, hiện trạng triển khai tại các quốc gia tiên phong và những rào cản kỹ thuật/pháp lý đang kìm hãm thương mại hóa công nghệ này.
Thorium-232 là đồng vị phổ biến nhất của Thorium trong tự nhiên và được xếp vào nhóm vật liệu “fertile” vì khả năng không phân hạch trực tiếp. Để trở thành nhiên liệu, Th-232 phải trải qua quá trình chuyển hóa hạt nhân thành đồng vị phân hạch Uranium-233. Quá trình chuyển đổi diễn ra khi Th-232 hấp thụ một neutron. Sản phẩm tạo thành là Th-233, chất này trải qua hai lần phân rã beta liên tiếp để tạo ra U-233. Cơ chế này song song với quá trình chuyển U-238 (fertile) thành Pu-239 (fissile) trong các lò phản ứng uranium truyền thống. Uranium-233 có ưu thế vật lý vượt trội so với U-235 hoặc Pu-239 khi phân hạch tạo ra đủ neutron để không chỉ duy trì phản ứng dây chuyền mà còn chuyển hóa thêm Th-232 thành U-233 để thay thế lượng nhiên liệu đã tiêu thụ. Đặc tính này, được gọi là khả năng “tái sản” (breeding), làm cho chu trình Thorium-Uranium trở nên đặc biệt và có tiềm năng kéo dài nguồn tài nguyên năng lượng gần như vô hạn.
Mối quan tâm ban đầu đối với chu trình thorium xuất phát từ lo ngại rằng trữ lượng uranium toàn cầu có thể bị cạn kiệt. Mặc dù nguồn cung uranium hiện tại vẫn đủ, việc sử dụng thorium vẫn mang lại lợi thế chiến lược do tính phổ biến của nó. Theo số liệu chính thức từ ấn phẩm Uranium 2016: Resources, Production and Demand (‘Red Book’) của OECD NEA và IAEA, tổng trữ lượng thorium ước tính toàn cầu (có thể khai thác với chi phí $80/kg Th trở xuống) là 6,355,000 tấn.
Trữ lượng Thorium ước tính toàn cầu (Tấn)
| Quốc gia | Trữ lượng Ước tính (Tấn) |
| Ấn Độ | 846,000 |
| Brazil | 632,000 |
| Úc | 595,000 |
| Hoa Kỳ | 595,000 |
| Ai Cập | 380,000 |
| Thổ Nhĩ Kỳ | 374,000 |
| Venezuela | 300,000 |
| Canada | 172,000 |
| Nga | 155,000 |
| Nam Phi | 148,000 |
| Trung Quốc | 100,000 |
| Na Uy | 87,000 |
| Greenland | 86,000 |
| Phần Lan | 60,000 |
| Thụy Điển | 50,000 |
| Kazakhstan | 50,000 |
| Các quốc gia khác | 1,725,000 |
| Tổng cộng Thế giới | 6,355,000 |
Nguồn: WNA/OECD NEA & IAEA Uranium 2016 Red Book
Ý tưởng về lò phản ứng nhiên liệu thorium không phải là mới, nó có từ trước khi kết thúc Chiến tranh Thế giới II. Tại Hoa Kỳ, các dự án ban đầu được phát triển tại Phòng Thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge (ORNL) ở Tennessee, bao gồm Thí nghiệm Lò phản ứng đồng nhất (Homogeneous Reactor Experiment) và Lò phản ứng Aircraft trong những năm 1950. Những kinh nghiệm từ các lò phản ứng nhiên liệu này đã đặt nền móng cho dự án quan trọng nhất của Alvin Weinberg: Lò hạt nhân thí nghiệm sử dụng muối nóng chảy.
Dự án Lò hạt nhân thí nghiệm sử dụng muối nóng chảy (Molten Salt Reactor Experiment – MSRE) được coi là thành tựu kỹ thuật vĩ đại nhất của ORNL dưới sự lãnh đạo của Alvin Weinberg. MSRE đã đạt phản ứng hạt nhân tự duy trì đầu tiên vào ngày 1 tháng 6 năm 1965. Về mặt kỹ thuật, MSRE đáng chú ý vì nhiên liệu (các muối nóng chảy) vừa đóng vai trò là chất mang nhiên liệu phân hạch, vừa là chất làm mát, hoàn toàn khác biệt so với các lò phản ứng nhiên liệu rắn truyền thống. Thành tựu lịch sử quan trọng nhất của MSRE đối với chu trình thorium là ngày 8 tháng 10 năm 1968, khi trở thành lò phản ứng đầu tiên trên thế giới vận hành bằng Uranium-233. Trong thời gian hoạt động, MSRE đã vận hành được hơn 13,000 giờ ở công suất tối đa.
Chương trình Muối Nóng chảy (MSRP) chính thức kết thúc vào năm 1973, sau khi Ủy ban Năng lượng Nguyên tử (AEC) quyết định chuyển hướng tập trung sang các thiết kế lò phản ứng khác. Việc chấm dứt một chương trình kỹ thuật thành công như MSRE thường được hiểu là không bắt nguồn từ thất bại khoa học, mà từ các quyết định chính sách và chiến lược phức tạp hơn trong thời kỳ Chiến tranh Lạnh. Trong bối cảnh đó, Hoa Kỳ và các cường quốc hạt nhân khác ưu tiên mạnh mẽ phát triển Lò Phản ứng tái sinh nhanh (LMFBR) sử dụng Plutonium-239. Plutonium-239 là đồng vị phân hạch sản xuất dễ dàng hơn trong các lò phản ứng thông thường và có vai trò cốt lõi trong chương trình vũ khí hạt nhân.
Một trong những lợi thế quan trọng của MSR là các tính năng an toàn thụ động. MSR vận hành ở nhiệt độ rất cao nhưng ở áp suất vận hành thấp, gần bằng áp suất khí quyển. Áp suất vận hành thấp này làm giảm đáng kể nguy cơ xảy ra sự cố vỡ lớn, qua đó giảm thiểu rủi ro mất chất làm mát (LOCA) so với các lò phản ứng nước nhẹ áp suất cao. Nhiệt độ vận hành cao cho phép MSR đạt được hiệu suất chuyển đổi nhiệt thành điện năng cao hơn so với các lò phản ứng truyền thống. Ngoài ra, nhiệt độ cao này cũng lý tưởng để cung cấp nhiệt cho các ứng dụng công nghiệp phi điện lực (process heat).
So sánh đặc tính vận hành LWR truyền thống với MSR Thorium
| Tiêu chí So sánh | LWR Truyền thống (Gen II/III) | MSR Thorium-U-233 (Gen IV) |
| Áp suất Vận hành | Rất cao (khoảng 150-160 bar) | Thấp (Gần áp suất khí quyển) |
| Nhiệt độ Vận hành | Thấp hơn (khoảng 300oC) | Rất cao (trên 600 oC) |
| Dạng Nhiên liệu | Rắn (UO2) | Lỏng (Muối fluoride hoặc chloride) |
| Rủi ro LOCA | Cao (Do áp suất lớn) | Thấp hơn đáng kể (Do áp suất thấp) |
| Chất thải Cấp cao | Cao | Thấp hơn và tiềm năng giảm thiểu |
| Khả năng Sinh sản | Không đáng kể/Khó khăn | Tiềm năng sinh sản cao |
Ấn Độ, quốc gia sở hữu trữ lượng thorium lớn nhất thế giới (846,000 tấn), đã xây dựng một chương trình hạt nhân chiến lược 3 giai đoạn nhằm đạt được sự độc lập về nhiên liệu. Giai đoạn III của chương trình này tập trung vào việc triển khai Lò phản ứng nước nặng tiên tiến (Advanced Heavy Water Reactor – AHWR), được thiết kế để sử dụng thorium làm vật liệu sinh sản chính. AHWR là lò phản ứng 300 MWe, sử dụng nước nặng làm chất điều tiết và nước nhẹ làm chất làm mát. Nhiên liệu ban đầu bao gồm plutonium hoặc 233U mồi cùng với thorium. Mục tiêu cuối cùng là lò phản ứng có thể tự duy trì sản xuất 233U, với khoảng 80% năng lượng đến từ thorium khi đạt trạng thái cân bằng. Về tiến độ, thiết kế AHWR dự kiến sử dụng 20% Uranium làm giàu thấp (LEU) và 80% Thorium. Kế hoạch ban đầu năm 2011 là bắt đầu xây dựng sau 18 tháng xin giấy phép và có thể đi vào hoạt động vào khoảng năm 2020. Tuy nhiên, tính đến tháng 8 năm 2017, địa điểm xây dựng vẫn chưa được công bố. Hiện tại, các thông tin công bố chính thức năm 2024 tập trung vào chương trình không gian (ISRO) mà không cung cấp dữ liệu rõ ràng về tiến độ xây dựng AHWR, cho thấy sự chậm trễ đáng kể trong việc triển khai giai đoạn quan trọng này.
Trung Quốc là quốc gia có chương trình phát triển loại lò phản ứng thorium lớn nhất trên thế giới. Học viện Khoa học Trung Quốc (CAS) đã khởi động chương trình R&D về Lò phản ứng Muối nóng chảy tái sinh thorium (Th-MSR hoặc TMSR) tại Viện Vật lý ứng dụng Thượng Hải (SINAP) vào tháng 1 năm 2011. Trung tâm Nghiên cứu TMSR đang xây dựng một lò phản ứng MSR nguyên mẫu công suất 5 MWe. Chương trình SINAP phát triển hai dòng công nghệ MSR: một dòng sử dụng nhiên liệu rắn (TRISO trong viên hoặc lăng trụ) và một dòng sử dụng nhiên liệu lỏng. Việc Trung Quốc tuyên bố mục tiêu đạt được “quyền sở hữu trí tuệ hoàn toàn” (full intellectual property rights) đối với công nghệ này cho thấy chương trình TMSR mang tính chiến lược cao, vượt ra ngoài mục tiêu năng lượng đơn thuần. Đây là một động thái công nghiệp nhằm định vị Trung Quốc là người dẫn đầu trong lĩnh vực công nghệ hạt nhân tiên tiến Thế hệ IV.
Ngày 1/11, Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc thông báo đã xây dựng và vận hành thành công lò phản ứng thí nghiệm muối nóng chảy thorium, đánh dấu bước đột phá trong công nghệ năng lượng hạt nhân thế hệ mới. Lò phản ứng được xây dựng tại tỉnh Cam Túc, là cơ sở đầu tiên trên thế giới vận hành với nhiên liệu thorium và thực hiện thành công quá trình chuyển đổi thorium-uranium ngay trong lò. Đây là thành tựu nổi bật của hệ thống năng lượng hạt nhân phân hạch tiên tiến thế hệ thứ tư do Trung Quốc hoàn toàn tự chủ nghiên cứu, thiết kế và xây dựng. Dự án bắt đầu từ năm 2011 và đến nay, các nhà khoa học Trung Quốc đã tự làm chủ toàn bộ các công nghệ cốt lõi, từ vật liệu, thiết bị đến tích hợp hệ thống. Đặc biệt, thiết kế lò phản ứng tích hợp một khối, đưa các thiết bị cốt lõi như lõi lò, bơm muối nhiên liệu và bộ trao đổi nhiệt vào bình chính của lò đã giúp giảm thiểu tối đa nguy cơ rò rỉ phóng xạ.
Sau khi chương trình ORNL kết thúc, cả chính phủ và ngành công nghiệp ở phương Tây hiện đang đánh giá lại công nghệ muối nóng chảy, coi đây là một giải pháp tiềm năng cho thách thức năng lượng toàn cầu. Các công ty khởi nghiệp trong lĩnh vực Gen IV như Flibe và Terrestrial Energy đang tích cực theo đuổi R&D và tìm kiếm khuôn khổ pháp lý để thương mại hóa các thiết kế MSR.
Mặc dù một cuộc họp tư vấn của IAEA vào năm 2015 kết luận rằng không có rào cản kỹ thuật cơ bản nào được biết đến để ngăn cản MSR trở thành một giải pháp năng lượng an toàn và khả thi, nhiều thách thức kỹ thuật và kỹ sư chuyên sâu vẫn cần được giải quyết trước khi triển khai thương mại quy mô lớn. Các thách thức phát triển quan trọng nhất đối với MSR xoay quanh hóa học muối và khoa học vật liệu. Việc xác định và đặc trưng hóa các tổ hợp muối và vật liệu cấu trúc phù hợp là một ưu tiên tuyệt đối. Các vật liệu phải chịu được môi trường hóa học ăn mòn của muối fluoride hoặc chloride ở nhiệt độ vận hành và bức xạ neutron cường độ cao.
Một rào cản đáng kể đối với việc cấp phép là sự thiếu vắng phần mềm mô phỏng đa vật lý (multiphysics simulation software) MSR được cơ quan quản lý chấp thuận. Việc xây dựng niềm tin vào phần mềm đòi hỏi phải có dữ liệu xác minh thực nghiệm. Tuy nhiên, việc thiết lập các thiết bị thí nghiệm để thu thập dữ liệu lại yêu cầu sự chấp thuận quy định, tạo ra một vòng lặp cấp phép phức tạp (licensing loophole). Giải quyết lỗ hổng này yêu cầu sự hợp tác chặt chẽ giữa các nhà phát triển, nhà nghiên cứu và cơ quan quản lý để xây dựng một khung pháp lý phù hợp với đặc tính độc đáo của lò phản ứng lỏng Thế hệ IV. Lò phản ứng lỏng đặt ra yêu cầu cao hơn về cơ chế kiểm soát. Do nhiên liệu lưu thông, cần có các mô phỏng độ trung thực cao để kiểm tra nguồn neutron trễ (delayed neutron precursors), vốn có thể biến đổi trong lõi lò MSR lỏng. Hiện tại, các hạt tán xạ nhiệt năng lượng thấp (thermal scattering kernels) cho các loại muối khác nhau vẫn chưa có sẵn, gây khó khăn cho việc mô phỏng neutron chính xác.
Sự hồi sinh của công nghệ MSR Thorium đang nhận được sự hỗ trợ quốc tế mạnh mẽ. Cuộc họp tư vấn của IAEA vào năm 2015 đã kết luận rằng, với nguồn vốn cần thiết và sự tập trung nguồn lực, công nghệ MSR có thể được chứng minh thương mại trong vòng hai thập kỷ tới. Tuy nhiên, dự báo này phụ thuộc vào việc giải quyết thành công nhiều thách thức kỹ thuật và kỹ sư đang tồn tại. Việc triển khai MSR trên thị trường cũng là yếu tố ảnh hưởng đến sự tham gia của các nhà phát triển và nhà cung cấp trong việc xây dựng chuỗi cung ứng mới.
Từ khóa: thorium;
– CMD –
