Năng lượng hạt nhân hiện nay đã được các quốc gia trên thế giới sử dụng rộng rãi và được coi là năng lượng chiến lược trong nhiều ứng dụng quan trọng, đặc biệt là cho các tàu thuyền hoạt động trên biển trong thời gian dài mà không cần tiếp nhiên liệu, hoặc cho các hệ thống đẩy của tàu ngầm. Hiện nay, thế giới có hơn 160 tàu thuyền sử dụng năng lượng từ hơn 200 lò phản ứng hạt nhân nhỏ. Hầu hết trong số đó là tàu ngầm, tàu phá băng đến tàu sân bay. Những hạn chế về việc sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong vận tải sẽ thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống vận hành bằng năng lượng hạt nhân trên tàu thuyền. Tuy nhiên, những lo ngại thái quá về an toàn hạt nhân hiện vẫn gây ra nhiều hạn chế chính trị đối với việc sử dụng năng lượng hạt nhân.
Việc nghiên cứu động lực hạt nhân cho tàu thuyền bắt đầu từ những năm 1940 và lò phản ứng thử nghiệm đầu tiên được khởi động tại Mỹ vào năm 1953. Tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân đầu tiên, USS Nautilus, ra khơi vào năm 1955. Điều này đánh dấu sự chuyển mình của tàu ngầm từ các phương tiện di chuyển chậm dưới nước sang các chiến hạm có thể duy trì tốc độ 20–25 hải lý/giờ trong thời gian dài mà không cần không khí để chạy động cơ diesel sạc pin. USS Nautilus phát triển song song các tàu ngầm lớp Skate, sử dụng lò phản ứng nước áp lực (PWR), cùng với tàu sân bay USS Enterprise – được trang bị 8 lò phản ứng của Westinghouse từ năm 1960. Tàu tuần dương USS Long Beach, được trang bị hai lò phản ứng tương tự, ra mắt vào năm 1961. Đáng chú ý, USS Enterprise phục vụ đến cuối năm 2012. Đến năm 1962, Hải quân Mỹ đã có 26 tàu ngầm hạt nhân hoạt động và 30 chiếc đang đóng mới. Năng lượng hạt nhân đã làm cách mạng hóa Hải quân Mỹ. Công nghệ được chia sẻ với Anh, trong khi Pháp, Nga và Trung Quốc phát triển riêng.
Sau lớp Skate, việc phát triển lò phản ứng tiếp tục vẫn tiếp tục không ngừng. Tại Mỹ, một loạt thiết kế tiêu chuẩn hóa được Westinghouse và GE chế tạo, mỗi tàu sử dụng một lò phản ứng. Rolls-Royce xây dựng các lò phản ứng dựa trên thiết kế Westinghouse cho Hải quân Hoàng gia Anh, sau đó phát triển thành phiên bản PWR2. Nga phát triển cả lò phản ứng PWR và loại làm mát bằng chì-bismuth, nhưng loại sau không được duy trì. Cuối cùng, bốn thế hệ lò phản ứng PWR cho tàu ngầm được triển khai, thế hệ mới nhất đưa vào hoạt động năm 1995 trên lớp Severodvinsk. Tàu ngầm lớn nhất là lớp Typhoon của Nga, nặng 26.500 tấn (34.000 tấn khi lặn), sử dụng hai lò phản ứng PWR công suất 190 MWt. Tuy nhiên, lớp này bị thay thế bởi lớp Oscar-II (ví dụ tàu Kursk), có trọng lượng 24.000 tấn và cùng hệ thống lò phản ứng. Hải quân hạt nhân Mỹ có hồ sơ an toàn rất tốt, nhờ mức độ tiêu chuẩn hóa cao trong nhà máy điện hạt nhân trên tàu, bảo trì chặt chẽ và chương trình huấn luyện chất lượng cao. Thế hệ lò phản ứng hạt nhân hải quân thứ ba của Nga vào cuối thập niên 1970, an toàn và độ tin cậy đã được ưu tiên cao. Trong hải quân Mỹ, Anh và Pháp, chưa từng xảy ra tai nạn nhà máy hạt nhân.
Lloyd’s Register thống kê khoảng 200 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động trên biển và tổng cộng có khoảng 700 lò đã được sử dụng kể từ thập niên 1950. Một số nguồn khác cho rằng Mỹ có 108 lò trên tàu hải quân vào giữa năm 2019. Tổng cộng hơn 14.000 năm lò phản ứng đã được tích lũy trong vận hành hạt nhân hàng hải, trong đó Nga tuyên bố có 7.000 năm và Hải quân Mỹ có 6.200 năm vận hành đến năm 2021, với tổng cộng 526 lò phản ứng. Năm 2021, Hiệp hội Vận hành Hạt nhân Thế giới (WANO) mở rộng quy trình đánh giá trước khi khởi động, vốn là thủ tục tiêu chuẩn cho nhà máy điện, sang cả tàu phá băng của Nga.
Tàu thuyền chạy bằng năng lượng hạt nhân
Động lực hạt nhân đã được chứng minh là thiết yếu về kỹ thuật và kinh tế tại các vùng Bắc Cực của Nga, nơi điều kiện khắc nghiệt vượt quá khả năng của tàu phá băng thông thường. Việc phá băng dày đến 3 mét và khó khăn khi tiếp nhiên liệu khiến năng lượng hạt nhân là giải pháp tối ưu. Các đội tàu hạt nhân của Nga (6 tàu phá băng và 1 tàu chở hàng) đã mở rộng khả năng đi lại ở Bắc Cực từ 2 lên 10 tháng/năm và quanh năm ở vùng Tây Bắc Cực. Đến năm 2020, Rosatom ghi nhận 400 năm-lò phản ứng (reactor-years) vận hành trên các tàu phá băng. Các tàu phá băng hạt nhân chính của Nga:
- Lenin (1959): Tàu bề mặt đầu tiên trên thế giới chạy bằng năng lượng hạt nhân, 3 lò OK-150 sau được thay bằng 2 lò OK-900. Hoạt động 30 năm, hiện là bảo tàng.
- Lớp Arktika (từ 1975): Gồm 6 tàu 23.500 DWT với 2 lò OK-900A, công suất 54 MW tại chân vịt, phá băng sâu 2 m. Tàu Arktika là tàu đầu tiên đến Bắc Cực (1977). Tàu Yamal (1992) vẫn hoạt động, các tàu khác đã dừng.
- 50 Let Pobedy (2007): Tàu lớn nhất lớp Arktika, phá băng dày đến 2,8 m, dài 160 m, công suất 54 MW.
- Lớp Taymyr (1989–1990): 2 tàu phá băng nước nông 18.260 DWT, 1 lò KLT-40M (171 MWt), hoạt động trên 30 năm. Được nâng cấp tuổi thọ lên 235.000 giờ.
- Lớp LK-60 (Dự án 22220): Là thế hệ tàu phá băng mới, “đa nhiệm”, hoạt động quanh năm tại Tây Bắc Cực và mùa hè-thu ở phía Đông; thông số: dài 173 m, rộng 34 m, phá băng dày 2,8 m, tốc độ 22 hải lý, công suất 60 MW từ 2 lò RITM-200 (175 MWt mỗi lò). Các tàu:
- Arktika: Khởi thủy 2013, vận hành muộn do lỗi động cơ (2020).
- Sibir: Đóng từ 2015, vận hành đầu 2022.
- Ural: Đóng từ 2016, vận hành cuối 2022.
- Yakutia: Hạ thủy 2022, bắt đầu phát công suất thấp năm 2024.
- Chukotka: Đóng cuối 2020, dự kiến hoạt động năm 2026.
- Lớp LK-120 (Project 10510 – Lider): Tàu phá băng hạt nhân mạnh nhất đang phát triển; 2 lò RITM-400 (315 MWt/lò), tổng công suất 120 MW chân vịt; dài 209 m, rộng 50 m, phá băng dày tới 4,3 m ở tốc độ 2 hải lý, hoặc 2 m ở 15 hải lý; tàu đầu tiên – Rossiya – đặt ky giữa 2021, vận hành 2028. Tổng cộng 3 tàu, chi phí ~2 tỷ USD mỗi chiếc.
- Dự án LK-40 (Project 10570): Dành cho vùng nước nông và thềm lục địa Bắc Cực; dài 152 m, 1 lò RITM-200B (209 MWt), công suất 40 MW chân vịt.
Đối với tàu hàng hạt nhân dân sự: tất cả dùng nhiên liệu uranium làm giàu thấp (~4%).
- Các tàu thương mại chạy hạt nhân nhìn chung không thành công về kinh tế.
- Savannah (Mỹ, 1962–1970): Kỹ thuật tốt, nhưng không hiệu quả kinh tế.
- Otto Hahn (Đức, 1968–1982): Vận hành ổn, nhưng chi phí quá cao.
- Mutsu (Nhật, 1970): Gặp rắc rối kỹ thuật và chính trị.
- Tàu chở hàng Sevmorput (Nga): Đóng 1988, tàu chở hàng và LASH 61.900 DWT, dùng lò KLT-40 công suất 32,5 MW chân vịt; được đại tu và tái vận hành năm 2015. Đến năm 2019 dùng để vận chuyển thực phẩm qua Tuyến đường biển phía Bắc.
Từ 2008, toàn bộ đội tàu phá băng chuyển từ Bộ GTVT Nga sang Atomflot (thuộc Rosatom), hoạt động theo mô hình doanh nghiệp. Trợ cấp nhà nước dừng năm 2014. Các tàu phá băng hạt nhân giúp vận chuyển khí hóa lỏng, hàng rời, vật tư xây cảng Sabetta (Yamal LNG), hỗ trợ tàu quân sự, và cứu hộ khẩn cấp tại Bắc Cực. Ví dụ năm 2010, tàu phá băng hộ tống tàu Baltika chở condensate từ Murmansk đến Trung Quốc, tiết kiệm 8000 km. Năm 2012, tàu Ob River vận chuyển LNG từ Na Uy đến Nhật, cắt giảm 20 ngày hành trình. WANO thực hiện đánh giá an toàn văn hóa tổ chức của Atomflot năm 2017. Na Uy (Vard Group & Đại học Khoa học & Công nghệ Na Uy) hoàn tất giai đoạn 1 dự án NuProShip năm 2025, đánh giá 99 thiết kế SMR cho tàu biển: Ba thiết kế tiềm năng: KP-FHR (Kairos Power, muối nóng chảy), MMR (Ultra Safe, khí heli), SEALER (Blykalla, chì làm mát); đối tác gồm DNV, Cục Hàng hải Na Uy, Knutsen Group và tư vấn IDOM.
Hầu hết các lò phản ứng hải quân đều là loại nước áp lực (PWR), được thiết kế nhỏ gọn, công suất cao và lõi nhiên liệu có tuổi thọ dài (10–50 năm), khác biệt so với lò điện hạt nhân thương mại. Chúng sử dụng uranium làm giàu cao (HEU, >20% U-235), thường từ 20% đến 93%, trong khi Pháp đã chuyển sang nhiên liệu ít làm giàu (LEU ~5–7,5%) để phù hợp tiêu chuẩn dân sự. Nhiên liệu thường là hợp kim uranium–zirconium hoặc uranium–nhôm, hoặc kim-gốm (U-Al). Lò có giáp neutron bên trong và không sử dụng boron hòa tan như lò dân sự. Mỹ, Nga, Anh dùng tuốc-bin hơi trực tiếp để đẩy, trong khi Pháp và Trung Quốc sử dụng turbine sinh điện cho chân vịt. Các tàu ngầm lớn hoặc tàu mặt nước (như tàu sân bay, tàu tuần dương) thường có hai lò phản ứng; tàu ngầm tấn công dùng một. Mỹ có các lớp tàu tiêu biểu như Nautilus, Los Angeles, Seawolf, Virginia, Ohio và sắp tới là Columbia với lò S1B hiện đại, không cần nạp nhiên liệu trong vòng đời 50 năm. Nga phát triển các dòng VM-A, VM-4, VM-5 và từng thử nghiệm lò làm mát bằng chì-bismuth trên tàu lớp Alfa (thất bại do kỹ thuật). Pháp dùng lò CAS48 (Rubis), K15 (Charles de Gaulle, Le Triomphant), và lò 150 MWt cải tiến cho tàu Barracuda mới, với nhiên liệu LEU. Mỹ hiện sử dụng các lò công suất 165–220 MWt cho tàu ngầm và đến 700 MWt cho tàu sân bay (Ford class). Nga có lò 300 MWt cho tàu tuần dương Kirov. BWR không được dùng trên tàu ngầm do phóng xạ và tiếng ồn. Các lò phản ứng hải quân được tối ưu để hoạt động bền bỉ, linh hoạt, an toàn trong điều kiện khắc nghiệt.
Năm 2018, Tổ chức Hàng hải Quốc tế (IMO) đặt mục tiêu giảm 50% khí thải nhà kính từ ngành vận tải biển vào năm 2050 (so với 2008). Vận tải biển chiếm khoảng 2,6% lượng CO₂ toàn cầu. Trong số gần 9 EJ nhiên liệu hàng hải tiêu thụ năm 2017, 82% là dầu nặng. Hiện chỉ có Nga sở hữu tàu hàng chạy bằng năng lượng hạt nhân – Sevmorput (61.900 tấn). Nhiều sáng kiến thương mại đã được đề xuất nhằm ứng dụng lò phản ứng hạt nhân vào tàu hàng để giảm phát thải. Năm 2009, Cosco (Trung Quốc) từng đề xuất ý tưởng này, nhưng hủy bỏ sau sự cố Fukushima. Babcock (Anh) và Lloyd’s Register đã tiến hành các nghiên cứu về tàu chở LNG và tàu chở dầu dùng lò phản ứng nhỏ kiểu mô-đun (SMR), đặc biệt với lò 70 MWt dùng chất làm mát chì-bismuth. Tuy nhiên, việc triển khai đòi hỏi khung pháp lý quốc tế hài hòa và công nghệ chín muồi hơn.
Từ 2020, công ty Core Power (Anh) cùng TerraPower và Southern Company (Mỹ) phát triển lò phản ứng muối nóng chảy để dùng cho tàu, không cần nạp nhiên liệu trong suốt vòng đời. Samsung Heavy Industries (Hàn Quốc) cùng KAERI phát triển tàu nổi chạy bằng CMSR (Compact Molten Salt Reactor), với công suất 200–800 MWe, vòng đời 24 năm, thương mại hóa từ 2028. Ứng dụng hạt nhân tiềm năng nhất là cho: tàu hàng rời lớn chạy tuyến cố định; tàu du lịch cỡ lớn; tàu kéo hạt nhân; tàu yêu cầu tốc độ cao. Tuy nhiên, lo ngại về tiếp cận cảng và an ninh khiến nhiều ý kiến cho rằng năng lượng hạt nhân nên dùng để sản xuất nhiên liệu không carbon như hydrogen hoặc amoniac cho tàu chạy động cơ đốt trong. Dự báo đến năm 2070, 12% vận tải biển dùng hydrogen và 55% dùng amoniac. Canada cũng đang phát triển công cụ MaZeF để đánh giá toàn diện chuỗi năng lượng hàng hải giúp đạt mục tiêu giảm phát thải của IMO.
Từ khóa: năng lượng hạt nhân; tàu hạt nhân;
– CMD –
