Lò phản ứng muối nóng chảy (MSR) là lò phản ứng phân hạch hạt nhân trong đó nhiên liệu và/hoặc chất làm mát là muối nóng chảy. Muối nóng chảy là muối hóa lỏng ở nhiệt độ cao và có thể lưu trữ lượng lớn năng lượng nhiệt ở áp suất khí quyển. Hai MSR nghiên cứu đầu tiên được đưa vào hoạt động là tại Hoa Kỳ và vào giữa thế kỷ 20. Lò phản ứng nghiên cứu Aircraft (ARE) trong những năm 1950 chủ yếu được thúc đẩy vì kích thước nhỏ gọn của công nghệ này, trong khi lò phản ứng muối nóng chảy (MSRE) dạng nghiên cứu được phát triển trong những năm 1960 lại nhằm mục đích chứng minh tính khả thi của nhà máy điện hạt nhân khi sử dụng chu trình nhiên liệu thorium với công nghệ lò phản ứng tái sinh. Việc tăng cường nghiên cứu về thiết kế lò phản ứng thế hệ IV đã làm mới lại sự quan tâm trong thế kỷ 21 ở nhiều quốc gia. Ngày 11/10/2023, TMSR-LF1 của Trung Quốc đạt đến trạng thái tới hạn và sau đó đã hoạt động đạt công suất tối đa.
Khi được sử dụng làm nhiên liệu, muối nóng chảy được hòa tan với vật liệu phân hạch. Vật liệu phân hạch được định nghĩa là vật liệu có khả năng phân hạch (phản ứng trong đó hạt nhân của một nguyên tử phân tách thành hai hạt nhân con và giải phóng năng lượng). Điều này xảy ra sau khi hạt nhân bị một neutron năng lượng cao (nhanh) hoặc neutron năng lượng thấp (chậm) va chạm. Điển hình như vật liệu phân hạch là uranium-235, plutonium-239 hoặc uranium-233 có thể được trộn với các vật liệu phân hạch khác như uranium-238.
Phần lớn các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới hiện nay sử dụng lò phản ứng nước áp lực (PWR) hoặc lò phản ứng nước sôi (BWR). Trong các lò này, nước được sử dụng làm chất làm mát và được bơm ở áp suất cao vào vùng hoạt (lõi) lò phản ứng. Tại đó, nước được đun nóng bằng năng lượng giải phóng từ quá trình phân hạch hạt nhân và được giải phóng dưới dạng hơi nước, giúp tua bin sản xuất điện. Tuy nhiên, nếu muối được sử dụng làm chất làm mát chính thay vì nước, nó có thể hấp thụ một lượng nhiệt lớn ở áp suất khí quyển, cho phép các lò phản ứng sử dụng công nghệ này hoạt động ở nhiệt độ rất cao. Điều này có thể tạo ra nhiệt độ cao, tăng khả năng khử cacbon cho các quy trình công nghiệp như sản xuất hydro mà không thải ra lượng lớn khí nhà kính (GHG) như hiện nay (phát thải khi sản xuất hydro bằng nhiên liệu hóa thạch). MSR ngày càng được quốc tế quan tâm vì có tiềm năng cung cấp sản lượng điện hiệu quả và tiết kiệm chi phí, đồng thời tạo ra quy trình nhiệt độ cao có thể sử dụng cho nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau. Những lợi thế đó tương tự như ở lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao (sử dụng khí heli làm chất làm mát thay vì muối nóng chảy).
Được phát triển vào những năm 1950 cho đến nay, một số thiết kế MSR đã không yêu cầu nhiên liệu rắn, giúp loại bỏ nhu cầu sản xuất và xử lý nhiên liệu rắn. Các MSR với công nghệ nhiên liệu lỏng tạo ra ít chất thải hạt nhân hoạt độ cao hơn vì chúng có giới hạn cháy cao hơn trong nhiên liệu, do đó tạo ra ít rủi ro và quản lý chất thải hơn. Ngoài ra, MSR có các tính năng an toàn thụ động tốt – các yếu tố thiết kế tăng cường an toàn thông qua các nguyên lý vật lý tự nhiên mà không cần sự can thiệp của con người. Ví dụ, nếu lò phản ứng quá nóng, muối lỏng sẽ giãn nở và tự nhiên làm tăng rò rỉ neutron từ lõi lò phản ứng, nghĩa là giảm phản ứng phân hạch. Điều này làm giảm tốc độ phân hạch hạt nhân và nhiệt độ. Một số MSR có bể xả đặc biệt nằm bên dưới lò phản ứng. Nếu lò phản ứng quá nóng, nút làm bằng muối rắn sẽ tan chảy, cho phép muối nóng chảy chảy vào bể xả, dừng phản ứng hoàn toàn mà không cần bất kỳ sự can thiệp nào của con người hoặc nguồn điện bên ngoài.
Uranium, plutonium và thorium đều có thể hòa tan trong các thành phần muối thích hợp, nghĩa là MSR có khả năng thích ứng với nhiều chu trình nhiên liệu hạt nhân khác nhau (như chu trình uranium-plutonium và thorium-uranium), cho phép các chu trình nhiên liệu bền vững hơn. Sử dụng plutonium hiệu quả hơn sẽ loại bỏ hầu hết chất thải được tạo ra trong các lò phản ứng nước nhẹ hiện tại sử dụng nhiên liệu này. Ngoài ra, thorium có nhiều hơn uranium gấp ba lần và dễ khai thác hơn.
MSR đang được phát triển hiện nay dựa trên hai thiết kế chính. Thiết kế đầu tiên sử dụng các thanh nhiên liệu rắn truyền thống, với muối nóng chảy được sử dụng làm chất làm mát thay vì nước. Thiết kế thứ hai là mô hình nhiên liệu lỏng, trong đó vật liệu phân hạch (uranium hoặc thorium) được hòa tan vào chất làm mát gốc muối nóng chảy. Trong các thiết kế nhiên liệu lỏng này, các sản phẩm phân hạch được hòa tan vào muối nóng chảy, có thể lưu thông qua lõi lò phản ứng, nơi nó trải qua quá trình phân hạch và tạo ra nhiệt. Sau đó, nhiệt được truyền đến một vòng lặp thứ cấp, nơi nó dẫn động một tuabin để tạo ra điện. Một biến thể của các thiết kế này, trong đó muối nhiên liệu nóng chảy được nạp vào các ống kim loại kín và muối thứ cấp được sử dụng làm chất làm mát, cũng đang được phát triển.
Một số thiết kế MSR mới hiện đang được phát triển. Trong khi nhiều thiết kế tuân theo các nguyên tắc tương tự như các lò phản ứng đã được thiết kế tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của Hoa Kỳ vào những năm 1960, chẳng hạn như “freeze plug” muối, thì cũng có nhiều ý tưởng mới cần được nghiên cứu chứng minh, bao gồm các chu trình nhiên liệu khác nhau, các loại muối nhiên liệu khác nhau và các thiết kế mô-đun giúp các hệ thống và thành phần có thể được lắp ráp tại nhà máy và vận chuyển đến một địa điểm để lắp đặt. Tại Canada, khái niệm lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) dựa trên muối nóng chảy đã vượt qua quá trình đánh giá thiết kế của nhà cung cấp trước khi cấp phép vào năm 2023, đây là lần đánh giá đầu tiên được hoàn thành đối với một MSR. Các dự án khác, bao gồm ở Trung Quốc, Nga và Hoa Kỳ, vẫn tiếp tục đạt được tiến triển, với hy vọng rằng MSR có thể bắt đầu được triển khai sớm nhất là vào giữa những năm 2030.
Từ khóa: lò phản ứng hạt nhân; MSR;
– CMD –
