Ở các nước đang phát triển, nguồn điện năng chủ yếu vẫn là năng lượng hóa thạch, khí ga tự nhiên và thủy điện do sự sẵn có và chi phí vận hành thấp. Tuy nhiên, sự cạn kiệt của các nguồn này và tác động môi trường tiêu cực đang thúc đẩy xu hướng chuyển đổi sang năng lượng sạch hơn như điện hạt nhân. Trong khi năng lượng tái tạo vẫn đang trong giai đoạn nghiên cứu hoặc triển khai quy mô nhỏ, năng lượng hạt nhân nổi lên như một giải pháp thay thế không thể thiếu trong tương lai gần. Dù vậy, điện hạt nhân đối mặt với thách thức lớn về an toàn vận hành và xử lý chất thải phóng xạ, đặc biệt là chất thải từ thanh nhiên liệu đã qua sử dụng, vốn là rào cản lớn cho việc triển khai ở nhiều quốc gia.

Hiện nay, khái niệm lò phản ứng mới, lò phản ứng điều khiển bởi máy gia tốc (ADS), ra đời như một giải pháp tiềm năng. ADS kết hợp lò phản ứng dưới tới hạn và máy gia tốc tạo chùm proton năng lượng cao, bắn vào bia trong lõi lò để duy trì hoạt động. Với đặc tính an toàn tự thân (lõi lò luôn ở trạng thái dưới tới hạn) và khả năng chuyển hóa chất thải phóng xạ độc hại, ADS được xem là hệ thống hứa hẹn để giải quyết vấn đề chất thải hạt nhân. Tuy nhiên, các nghiên cứu chỉ ra rằng ADS có dao động độ phản ứng đáng kể do cháy nhiên liệu, đặc biệt khi sử dụng nhiên liệu chứa các nguyên tố siêu urani (TRU) có độc tố phóng xạ cao và thời gian sống dài. Điều này đòi hỏi tăng dòng proton từ máy gia tốc, dẫn đến tăng chi phí vận hành và trở ngại cho việc ứng dụng thực tế.

Để khắc phục vấn đề này, TS. Vũ Thanh Mai và cộng sự tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã nghiên cứu việc sử dụng thorium làm nhiên liệu trong lò phản ứng. 233U được tạo ra từ 232Th hấp thụ neutron sẽ góp phần làm giảm dao động độ phản ứng. Đồng thời, nhóm cũng khảo sát và đánh giá các dạng nhiên liệu tái chế khác nhau để giảm hệ số đỉnh công suất trong vùng hoạt phản ứng, thông qua đề tài: “Nghiên cứu thiết kế khái niệm lõi lò ADS công suất nhỏ sử dụng nhiên liệu thorium và nhiên liệu tái chế”.

Nghiên cứu này tập trung vào thiết kế ADS công suất nhỏ sử dụng thorium và nhiên liệu tái chế, nhằm đạt được lò phản ứng có dao động độ phản ứng nhỏ (giảm tần suất nạp nhiên liệu) và hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao bằng cách sử dụng nhiên liệu dạng ma trận kim loại và ma trận oxit. Loại lò công suất nhỏ này phù hợp với các nước đang phát triển có hệ thống lưới điện nhỏ. Đặc biệt, với khả năng xử lý chất thải hạt nhân và độ an toàn cao, ADS là công nghệ thích hợp cho Việt Nam, nơi địa hình dài và hẹp có thể gặp trở ngại lớn nếu tích tụ lượng lớn chất thải phóng xạ.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế thành công mô hình khái niệm lõi lò phản ứng ADS công suất 500 MW nhiệt sử dụng nhiên liệu thorium và nhiên liệu tái chế dạng CERMET. Kết quả cho thấy hệ số nhân khoảng 0,97, dao động độ phản ứng tối đa khoảng 4% so với hệ số nhân của hệ ADS, và độ sâu cháy đạt 42,2 GWd/tHM. Lò có thể đốt cháy liên tục 1500 ngày mà không cần thay nhiên liệu, dài hơn đáng kể so với 430 ngày của thiết kế ADS trước đây. Hệ ADS sử dụng nhiên liệu CERMET có tốc độ chuyển hóa là 41,2 kg/TWh, và việc thay đảo các bó nhiên liệu giúp giảm độc tố phóng xạ trong chất thải hạt nhân. Lượng độc tố phóng xạ từ nhiên liệu đã qua sử dụng trong lò ADS giảm nhanh sau khoảng 200 năm, có ý nghĩa lớn trong việc xử lý chất thải hạt nhân, đặc biệt khi so sánh với TRU từ các lò phản ứng nước nhẹ không xử lý có thời gian bán rã hàng triệu năm.

Ngoài ra, phân tích ảnh hưởng của độ bất định của thư viện ENDF/B-VII.1 và ENDF/B-VIII.0 lên kết quả tính toán hệ số nhân và các thông số động học của hệ ADS cho thấy độ bất định đáng kể do sai số của thư viện đối với kết quả mô phỏng hệ số nhân keff​. Để tăng độ tin cậy của các kết quả mô phỏng hệ số nhân của ADS, cần chú ý đến độ chính xác của thư viện dữ liệu của các đồng vị 237Np, 239Pu và 232Th tại vùng năng lượng cộng hưởng và vùng năng lượng nhanh. Trong khi đó, thư viện dữ liệu hiện nay có thể được sử dụng để tính toán và đưa ra các thông số động học đáng tin cậy với sai số nhỏ hơn 1%.

Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 21004/2022) tại Cục Thông tin, Thống kê.

P.T.T (NASTIS)