Hệ thống ngành năng lượng hạt nhân và vấn đề phát triển bền vững (tiếp theo Số 8 — 2008)

Theo phương án ban đầu cho hình mẫu nguyên vẹn giản đơn của hệ thống ngành năng lượng hạt nhân trong khuôn khổ INPRO, người ta khảo sát cơ cấu đa thành phần của ngành năng lượng tương lai, trong đó bên cạnh các lò phản ứng nhiệt nhiên liệu rắn truyền thống và các lò phản ứng nhanh sẽ có các lò phản ứng đặc biệt - lò thiêu với nhiên liệu lỏng tuần hoàn để đốt các actinit siêu plutoni (transplutonium) như Np, Am, Cm, Bk, Cf và biến đổi phóng xạ (sự biến đổi hạt nhân thành những nuclit an toàn) của một số sản phẩm phân hạch. Để làm các lò phản ứng - lò thiêu tại Trung tâm Khoa học của Viện Hàn lâm Khoa học Nga mang tên "Viện Kurtchatov" đề xuất sử dụng các lò phản ứng kiểu muối lỏng, những lò phản ứng này có thể được sử dụng không chỉ để chu trình nhiên liệu khép kín một cách hiệu quả theo các actinit con (minor), mà còn để sản xuất ra các nuclit đời sống ngắn.

Cơ cấu ngành năng lượng hạt nhân bao gồm các lò phản ứng các kiểu khác nhau, các xí nghiệp chu trình nhiên liệu (sản xuất, chế biến, niêm cất trung gian, chôn cất cuối cùng) và các phương pháp tổ chức và kiểm tra các dòng nuclit giữa chúng.

Ngày nay trong ngành năng lượng hạt nhân, người ta sử dụng các lò phản ứng năng lượng với nhiên liệu rắn thuộc hai kiểu: bằng nơtron nhiệt và nơtron nhanh. Về nguyên lý, cơ cấu tối ưu có thể bao gồm cả những kiểu lò phản ứng khác (cải tiến).

Hệ thống ngành năng lượng hạt nhân hiện đại trên thế giới với tổng công suất gần 370 GWe, với tuổi thọ còn lại trung bình không dưới 20 năm vận hành. Nếu trích ra khoảng 0,1 cent từ mỗi kWh điện năng thu được trong 1 năm (mỗi năm 2 - 3 tỷ USD và tổng số tiền sau 20 - 30 năm sẽ đạt gần 50 - 70 tỷ USD), ngành năng lượng nguyên tử có thể tự nghiên cứu triển khai các thiết bị năng lượng cần thiết với các kiểu khác nhau để triển khai quy mô lớn (các cơ sở đảm bảo an toàn năng lượng và phát triển bền vững) kể cả các công nghệ xử lý phế thải nhiên liệu hạt nhân, cho phép không chỉ hoàn lại các actinit về chu trình nhiên liệu mà còn dành cho các ngành khác những nuclit phóng xạ với chất lượng và số lượng cần thiết, hơn nữa lại giảm thiểu được các nuclit phóng xạ cần đưa đi chôn cất.

Trong trường hợp đó, có thể hy vọng rằng ngành năng lượng hạt nhân sẽ khắc phục được những vấn đề của mình và các công nghệ năng lượng hạt nhân sẽ nhận được các khoản đầu tư từ phía các công nghệ năng lượng thông thường hiện đang bước vào thời kỳ các nguồn năng lượng hữu cơ đắt tiền, còn các khoản đầu tư vào việc hoàn thiện và tăng công suất của chu trình nhiên liệu hạt nhân trong một quy mô đáng kể có thể thu được từ những người hiện đang trù định phát triển các công nghệ trên cơ sở các nguồn bức xạ và các nuclit phóng xạ. Cần nhớ rằng ở các nước phát triển như Mỹ, Nhật hiện nay việc sử dụng các tia phát xạ và các nuclit phóng xạ thu được trên các xiclotron và các lò phản ứng nghiên cứu cho phép thu được những khoản thu nhập đáng kể (xem bảng 1)

Trong trường hợp đó, với quá trình tạo ra chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín (CNHK) cần phải cân nhắc từ trước yêu cầu của người sử dụng tiềm năng các hàng hóa dạng này. Khi đó, hiệu quả của hệ thống có thể tăng về mặt nguyên tắc bởi vì cho đến nay, ngành năng lượng nguyên tử mới chỉ sản xuất năng lượng mà đó là dịch vụ, chứ không phải là hàng hóa để có thể tích trong kho và cung cấp cho các hộ tiêu thụ trên toàn thế giới. Với việc tổ chức tương ứng chu trình khép kín thì việc tích lũy (hoặc niêm cất) tiềm năng nơtron và năng lượng ở dạng plutoni và urani 233, và kể cả việc trích ra từ nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng và từ các lò phản ứng - lò thiêu các nuclit phóng xạ và độ ổn định cần thiết, xếp đặt công nghệ hạt nhân và những điều kiện mới của việc sản xuất hàng hóa và các cơ hội tương ứng trong quá trình thị trường toàn cầu hóa. Việc đánh giá khối lượng mong muốn về nhiên liệu hạt nhân tươi được sản xuất ra cho ngành năng lượng hạt nhân và nhiên liệu hạt nhân đã sử dụng - thực chất là nguồn các nuclit quý được trình bày trong bảng 2.

Chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín (CNHK) cho phép trong giai đoạn phát triển hiện đại và dự báo cho tương lai thực hiện những nguyên tắc cơ sở cho sự phát triển bền vững:

· Giảm thời hạn hiệu dụng của đời sống các nuclit trong hệ thống năng lượng hạt nhân (từ khai thác các nuclit nguyên liệu tới việc biến đổi sang các trạng thái cuối cùng của các nuclit trong đó không tìm được lĩnh vực sử dụng trong ngành hoặc các ngành kinh tế quốc dân khác), do đó giảm thiểu được các nguồn nguy hiểm đối với các phần tử khác nhau của cơ cấu ngành năng lượng hạt nhân.

· Tăng tiềm năng nơtron của hệ thống (không kể đến việc đưa vào khai thác các lò phản ứng tái sinh - giảm thời gian hãm và thời gian của các quá trình công nghệ hoàn lại các nuclit về các trường nơtron, giảm tổn thất các nuclit khi xử lý chúng, điều khiển hiệu quả các dòng nuclit giữa các lò phản ứng khác nhau và các vùng khác nhau của các lò phản ứng).

· Đảm bảo các nhu cầu xã hội về các nuclit phóng xạ khác nhau và cả một số nuclit ổn định.

Trong CNHK có thể dần dần giảm khai thác urani (và sau đó cả tori) về khối lượng cần thiết để sản xuất năng lượng (gần 1 tấn cho 1 GW năm điện năng, mà không phải là 160 - 200 tấn urani thiên nhiên như hiện nay, trong chu trình nhiên liệu hạt nhân hở). Trong CNHK có nhiều điều kiện hơn để tổ chức việc nạp nhiên liệu có thể chấp nhận được cho số lượng lớn hơn các lò phản ứng và hiệu chỉnh thành phần nuclit khi nạp nhiên liệu.

Trong tương lai cần tạo ra chu trình nhiên liệu hạt nhân tập trung (tối thiểu là về điều khiển), cơ cấu của nó và quy mô cần được xác định xuất phát từ những mục tiêu tiến độ quy mô, khả năng phát triển của ngành năng lượng hạt nhân và các yêu cầu đặt ra đối với chúng từ phía xã hội (người sử dụng). Ở dạng tổng quát nhất, nhiệm vụ đó được diễn đạt trong dự án INPRO. Cần lưu ý rằng giải quyết nhiệm vụ điều khiển các dòng nuclit trong hệ thống ngành năng lượng hạt nhân là nhiệm vụ phức tạp và đòi hỏi không chỉ thống kê các dòng nuclit ở đầu vào CNHK mà cả việc xử lý chúng ra sao cho giảm thiểu khối lượng cần thiết của chúng trong kho, tăng tối đa số lần nạp nhiên liệu chấp nhận được cho các lò phản ứng đang vận hành và các lò phản ứng mới, giảm thiểu khối lượng và nguy cơ của các phế liệu được chôn cất, đảm bảo cho nền kinh tế quốc dân về các nuclit phóng xạ cần thiết, các nguồn phát xạ và các nguồn năng lượng đồng vị phóng xạ.

Trên cơ sở giải quyết nhiệm vụ kiểm soát và điều khiển các thành phần nuclit và các dòng nuclit, cần phải thực hiện các công trình nghiên cứu khoa học quy mô lớn về tính chất lý hóa của các nuclit, mô hình hóa toàn bộ chu trình, từ khai thác urani tới việc chuyển các nuclit về trạng thái ổn định. Trong trường hợp đó công tác nghiên cứu các phương hướng và quy mô khả dĩ về sử dụng các nuclit trong các lĩnh vực khác nhau của nhân loại có ý nghĩa vô cùng quan trọng.