Lị phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor - MSR)

Lị phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor - MSR) Lò phản ứng hạt nhân Mỹ Lò MSR (xem hình 5) lị nhiên liệu lỏng sử dụng để đốt actinide, sản xuất điện năng, hyđro, nhiên liệu phân hạch Trong hệ thống này, nhiên liệu muối nóng chảy chảy qua kênh lõi graphít Nhiệt tạo muối nóng chảy truyền sang hệ thống chất làm mát thứ cấp thông qua trao đổi nhiệt trung gian, sau qua trao nhiệt tới hệ thống biến đổi lượng Các actinide phần lớn sản phẩm phân hạch tạo nên florua chất lỏng làm mát Nhiên liệu lỏng đồng cho phép bổ sung actinide mà khơng u cầu phải chế tạo nhiên liệu Hình Lị phản ứng muối nóng chảy Trong năm 1960, Mỹ phát triển lò phản ứng tái sinh muối nóng chảy phương án hỗ trợ cho lị phản ứng tái sinh truyền thống Cơng tác nghiên cứu gần tập trung vào chất làm mát florua lithi berylli với thori hoà tan nhiên liệu U 233 Bộ Năng lượng Mỹ có kế hoạch tiếp tục hợp tác tương lai với chương trình lị phản ứng muối nóng chảy Euratom Lò phản ứng nhanh làm mát natri (sodium-cooled fast reactor – SFR) Hình Lị phản ứng nhanh làm mát natri Mục tiêu ban đầu chương trình lị SFR (xem hình 6) quản lý actinide, cắt giảm sản phẩm thải, tiêu thụ uran cách hiệu Tuy nhiên theo dự kiến, thiết kế lị tương lai khơng sản xuất điện mà cung cấp nhiệt, sản xuất hyđro, cịn để khử mặn Phổ nơtron nhanh lị SFR cho phép sử dụng vật liệu phân hạch hữu ích, kể uran yếu, cách hiệu nhiều so với lị LWR Ngồi ra, hệ thống SFR khơng cần phải nghiên cứu thiết kế nhiều hệ thống hệ IV khác So sánh hệ thống GFR, LFR SFR tính sẵn sàng mặt kỹ thuật kinh nghiệm vận hành, thấy SFR lị phản ứng nhanh hệ IV chọn để trước mắt triển khai Quyết định dựa 300 lò-năm kinh nghiệm vận hành lò phản ứng nơtron nhanh tám quốc gia Trong số đặc điểm quan trọng độ an toàn hệ thống SFR phải kể đến thời gian đáp ứng nhiệt dài (lị phản ứng nóng lên chậm), độ dự phòng lớn nhiệt độ vận hành nhiệt độ sôi chất làm mát (xác suất xảy cố sôi thấp hơn), hệ thống sơ cấp làm việc gần với áp suất khí quyển, hệ thống natri trung gian natri hoạt tính phóng xạ hệ thống sơ cấp nước nước nhà máy điện Lò phản ứng làm mát nước siêu tới hạn (supercritical water-cooled reactor SCWR) Hình Lị phản ứng làm mát nước siêu tới hạn Lị SCWR (xem hình 7) hứa hẹn nhiều ưu đáng kể mặt kinh tế, với hai lý do: đơn giản hố thiết kế nhà máy hiệu suất nhiệt tăng cao Nhiệm vụ SCWR phát điện với chi phí thấp nhờ kết hợp hai công nghệ qua thử thách: cơng nghệ LWR truyền thống cơng nghệ lị siêu tới hạn đốt nhiên liệu hoá thạch Căn nghiên cứu thiết kế tiên đốn hiệu suất nhiệt nhà máy cao lò LWR khoảng phần ba Từ hình vẽ thấy hệ thống cịn lại nhà máy đặc điểm an toàn thụ động lò SCWR tương tự lò BWR, lại đơn giản nhiều chất làm mát khơng thay đổi pha lị phản ứng Nước siêu tới hạn làm quay trực tiếp tuabin, không cần đến hệ thống trung gian Trên giới, dẫn đầu Nhật Bản, người ta tìm cách giải vấn đề cấp bách vật liệu tính bất định thiết kế hệ thống nhằm chứng minh tính khả thi kỹ thuật lị SCWR Lò phản ứng nhiệt độ cao (very high temperature reactor - VHTR)/Nhà máy hạt nhân hệ (next - generation nuclear plant - NGNP) Sứ mệnh lị VHTR/NGNP (xem hình 8) sản xuất đồng thời điện hyđro Hệ thống chuẩn bao gồm lò phản ứng nơtron nhiệt làm mát hêli, làm chậm graphít Điện hyđro sản xuất cách sử dụng chu trình gián tiếp trao đổi nhiệt trung gian cung cấp thiết bị trình diễn sản xuất hyđro máy phát tuabin khí Cũng cung cấp nhiệt kỹ thuật dùng cho ứng dụng khí hố than phát kết hợp nhiệt điện Hình Lò phản ứng nhiệt độ cao Lò VHTR đánh giá cao mặt kinh tế có hiệu suất cao sản xuất hyđro có độ an toàn tin cậy cao đặc điểm cố hữu nhiên liệu lò phản ứng Lò đạt điểm tốt chống phổ biến hạt nhân bảo vệ vật chất, điểm trung bình phát triển bền vững có chu kỳ nhiên liệu mở trực lưu (once-through fuel cycle) Mặc dầu lò VHTR/NGNP đòi hỏi tiến kỹ thuật nghiên cứu triển khai tính nhiên liệu vật liệu chịu nhiệt độ cao, hưởng lợi ích từ tiến kỹ thuật trước lị GFR, GT-MHR, PBMR Theo dự kiến, lò VHTR/NGNP triển khai không xa, cỡ năm 2015 Mục tiêu chương trình Ban Năng lượng hạt nhân thuộc Bộ Năng lượng Mỹ có hệ thống hệ IV khác để triển khai vào khoảng năm 2030, mà nhiều nhà máy điện hạt nhân giới hết gần hết hạn phép vận hành Giống chương trình hệ III+, chương trình hệ IV phối hợp với Chương trình điện hạt nhân 2010 Bộ Năng lượng Mỹ nhằm đảm bảo kết nỗ lực bổ khuyết cho cách tiếp cận cấp giấy phép dựa rủi ro trung lập công nghệ quan Các lị VHTR/NGNP đặc biệt lý Mặc dầu Bộ Năng lượng Mỹ trợ cấp cho cơng trình nghiên cứu nhiều ý tưởng thiết kế lò phản ứng, lò VHTR/NGNP ưu tiên hàng đầu nêu riêng Chương 641 đến 645 Luật Chính sách Năng lượng năm 2005 Khoản 1,25 tỉ USD dành riêng cho thiết kế chế tạo ngun mẫu cơng trình NGNP Phịng Thí nghiệm quốc gia bang Idaho, vào năm 2021 sớm Nguyên mẫu dự kiến có hiệu suất nhiệt 48%, sản xuất hyđro điện năng, nhiệt công nghệ, không phát thải cacbon, thiết kế với nhiều dạng ứng dụng, ví dụ khí tổng hợp (syngas) biến đổi than thành nhiên liệu lỏng Ưu quản lí hạt Quản lý actinide, nét chung tất phương án lò hệ IV, cắt giảm khối lượng chất thải hạt nhân tầm trung hạn đảm bảo khả cung cấp nhiên liệu hạt nhân dài hạn Sứ mệnh trùng với trách nhiệm nhà nước nêu Luật Chính sách chất thải hạt nhân, cụ thể giải nhiên liệu hạt nhân qua sử dụng chất thải có mức lượng cao Sứ mệnh quản lý actinide trung hạn (30 đến 50 năm) chủ yếu bao gồm việc hạn chế tái sử dụng lượng nhiên liệu hạt nhân qua sử dụng tích tụ từ nhà máy điện hạt nhân có vận hành tầm ngắn hạn Actinide chất thải lị LWR, lại phân hạch lò phản ứng nhanh Như nêu trên, siêu uran nguyên tố nặng, có nguyên tử lượng cao uran (92) Siêu uran hình thành nhân tạo cách thu nơtron cách phân huỷ bêta sau Khai thác nuclit phóng xạ có chu kỳ bán rã dài từ nhiên liệu sử dụng chiếu xạ chúng chu kỳ nhiên liệu kín cách sử dụng lị phản ứng nhanh, kết nhận điện Nó biến đổi nuclit phóng xạ có chu kỳ bán rã dài, chất lẽ phải chôn giữ sâu tầng địa chất ví dụ Yucca Mountain, thành nuclit phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn Các nguyên tử nguyên tố biến đổi thành nguyên tử nguyên tố khác cách bắn phá nơtron, dẫn tới hấp thụ nơtron phân hạch Về tầm dài hạn hơn, sứ mệnh quản lý actinide sản xuất vật liệu phân hạch dư thừa (hiện cung cấp thông qua khai thác làm giầu uran tự nhiên) để sử dụng hệ thống tối ưu hoá cho nhiệm vụ lượng khác Khai thác tối đa từ Uran Các lị phản ứng nhanh đóng vai trị có không hai nhiệm vụ quản lý actinide chúng làm việc với nơtron lượng cao so với lò LWR chúng hiệu việc phân hạch actinide chất siêu uran thu hồi từ nhiên liệu tiêu thụ lò LWR Về lý thuyết, lò phản ứng nhanh tái sinh tồn uran nuclit phóng xạ siêu uran Ngược lại, lị phản ứng nhiệt, ví dụ lị LWR, sử dụng nơtron lượng thấp khai thác lượng chủ yếu từ đồng vị phân hạch Đồng vị phân hạch xảy tự nhiên U 235, có 0,7% uran tự nhiên Qua làm giầu, tỉ lệ nâng lên khoảng 3% đến 5%, đủ để vận hành lò LWR Tuy nhiên, lị LWR khơng thể sử dụng để tái sinh hoàn toàn nên 99% lượng uran khai thác ban đầu cuối lại trở thành nhiên liệu sử dụng bã quặng thải từ q trình làm giàu Lị phản ứng nhanh tận dụng uran tốt hỗ trợ nhiều chu trình tái sinh, nhờ sử dụng toàn nhiệt chứa nhiên liệu Khởi đầu kinh tế hyđro Một nét đặc trưng khác nhiều lò phản ứng hệ IV khả sản xuất hyđro dạng sản phẩm phụ Khai thác tiềm khiến cho việc sử dụng pin nhiên liệu giao thông phát điện trở nên kinh tế thân thiện với môi trường, đồng thời giảm phụ thuộc Mỹ vào nguồn dầu lửa nhập Trong thấp điểm, sản xuất lượng hyđro đủ để sử dụng thương mại, nhờ nâng cao tính kinh tế vận hành nhà máy điện hạt nhân chạy chế độ phụ tải Mục tiêu dài hạn nhà máy điện hạt nhân hệ IV vận hành nhiệt độ cao hơn, chuyên sản xuất hyđro với suất ổn định để tích trữ sau sử dụng pin nhiên liệu cực lớn (công suất 1.000 MW), giúp đáp ứng nhu cầu phụ tải đỉnh ngày  ... VHTR/NGNP đặc biệt lý Mặc dầu Bộ N? ?ng lư? ?ng Mỹ trợ cấp cho c? ?ng trình nghiên cứu nhiều ý tư? ?ng thiết kế lị phản ? ?ng, lò VHTR/NGNP ưu tiên h? ?ng đầu nêu ri? ?ng Chư? ?ng 641 đến 645 Luật Chính sách N? ?ng. .. điện n? ?ng, nhiệt c? ?ng nghệ, kh? ?ng phát thải cacbon, thiết kế với nhiều d? ?ng ? ?ng d? ?ng, ví dụ khí t? ?ng hợp (syngas) biến đổi than thành nhiên liệu l? ?ng Ưu quản lí hạt Quản lý actinide, nét chung tất... chư? ?ng trình Ban N? ?ng lư? ?ng hạt nhân thuộc Bộ N? ?ng lư? ?ng Mỹ có hệ th? ?ng hệ IV khác để triển khai vào kho? ?ng năm 2030, mà nhiều nhà máy điện hạt nhân giới hết gần hết hạn phép vận hành Gi? ?ng chương