Vào cuối những năm 40 của thế kỷ trước, đã có chu trình nhiên liệu hạt nhân hoàn chỉnh với urani/plutoni được thiết lập ở một số nước, bao gồm các bước sau: khai thác mỏ, nghiền cán, chuyển đổi, làm giàu, chế tạo nhiên liệu, chuyển đổi năng lượng (lò phản ứng), tái chế, và lưu trữ chất thải (nhưng không đề cập nơi lưu trữ cuối cùng của chất thải).

Tuy nhiên, chu trình nhiên liệu hạt nhân này được tạo ra và áp dụng trong các chương trình quân sự (vũ khí hạt nhân) và chỉ ít lâu sau đó (những năm 50 và 60) nó được chuyển đổi cho ứng dụng dân sự (thương mại) của điện hạt nhân.

Trong những năm 70 và 80, điện hạt nhân phát triển nhanh chóng ở Hoa Kỳ, Nhật Bản và châu Âu (ví dụ như ở Pháp, Italia, Đức, Tây Ban Nha, Thụy Điển và Anh). Ở những nước này, chiến lược chu trình nhiên liệu hạt nhân thay đổi đáng kể trong thời gian đó.

Do lệnh cấm vận dầu mỏ vào đầu những năm 70, nên an ninh nguồn cung năng lượng (điện và nhiên liệu) đã đạt mức ưu tiên cao nhất và do vậy người ta đã đưa ra các lò phản ứng thử nghiệm tái sinh nhanh (FBR), lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng khí (HTGR) và tái chế nhiên liệu.

Tuy nhiên, do suy giảm tốc độ tăng trưởng điện hạt nhân, hiệu quả của các lò phản ứng được làm mát bằng nước nóng (thông qua các quá trình đốt cháy và tính sẵn có cao hơn) tăng, chi phí urani giảm, và nguồn cung cấp dầu lửa được bảo đảm, nên nhu cầu đối với các lò HTGR và lò phản ứng nhanh không còn thấy vào cuối những năm 80. Lò phản ứng nhiệt với chu trình nhiên liệu hạt nhân một lần và tái chế mono MOX đã trở nên thống trị.

Ở một số nước, chiến lược chu trình nhiên liệu hạt nhân thương mại cũng được thay đổi vì lý do chính trị. Ví dụ, ở Hoa Kỳ, dựa trên một quyết định của Chính phủ trong những năm 70, việc tái xử lý và tái chế plutonium thương mại (trong nhiên liệu oxit hỗn hợp, MOX) đã bị ngưng lại, bao gồm cả các chương trình tương ứng để triển khai thương mại lò phản ứng nhanh.

Tuy nhiên, các chương trình nghiên cứu và phát triển cơ bản vẫn được tiếp tục ở Hoa Kỳ và tập trung phát triển các mẫu thiết kế nhiên liệu tiên tiến và giải pháp thiết kế. Trong cùng thời gian này ở châu Âu, công nghệ MOX đã được phát triển đến trình độ cao và được ứng dụng thương mại trong các lò phản ứng nước nhẹ.

Xem thêm: Các dạng lò phản ứng hạt nhân thế hệ I, II và III

Hiện nay, urani là cơ sở để sản xuất thương mại điện hạt nhân. Một nguồn nguyên liệu bổ sung hấp dẫn sẽ là thori. Về nguyên tắc, có hai loại chu trình nhiên liệu hạt nhân: một chu trình nhiên liệu hạt nhân đóng và một chu trình nhiên liệu hạt nhân mở.

Trong chu trình nhiên liệu hạt nhân đóng, tất cả các vật liệu phân hạch và phế thải trong nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng (SNF) được tái chế, tức là được quay trở lại lò phản ứng để tiếp tục chuyển đổi năng lượng; chất thải được lưu trữ chỉ chứa các sản phẩm phân hạch và các actinit nhỏ, tức là những vật liệu không thể được sử dụng trong công nghệ.

Trong chu trình nhiên liệu hạt nhân mở, nhiên liệu được sử dụng một lần tại lò phản ứng và SNF cuối cùng được lưu trữ bất kể có bao nhiêu vật liệu phân hạch và phế thải còn lại trong SNF. Trên thực tế, có

Một số kết hợp giữa hai loại chính này của một chu trình nhiên liệu hạt nhân được sử dụng ở các nước, chẳng hạn như tái chế một phần SNF, tái chế các vật liệu phân hạch, và tái chế tất cả các actinit và thậm chí cả các sản phẩm phân hạch.

Dựa trên một cuộc khảo sát của IAEA trong năm 2001, các quốc gia sau sử dụng (chủ yếu là một phần) chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín: Bỉ, Trung Quốc, Pháp, Đức, Ấn Độ, Nhật Bản, Hà Lan, Liên bang Nga, Thụy Sỹ, và Vương quốc Anh.

Từ năm 2001, một số nước như Bỉ, Đức và Hà Lan đã ngừng tái chế/tái xử lý SNF và chuyển sang chu trình nhiên liệu mở. Chu trình nhiên liệu mở được sử dụng trong năm 2001 tại Canađa, Phần Lan, Thụy Điển và Hoa Kỳ. Trong khi đó, Hoa Kỳ đã tuyên bố sẽ xem xét một chu trình nhiên liệu khép kín.

Một nghiên cứu toàn cầu được thực hiện bởi Cơ quan Năng lượng hạt nhân vào năm 2001 về xu hướng phát triển chu trình nhiên liệu hạt nhân đã đưa ra kết quả như sau:

• Sự phát triển trong ngắn hạn sẽ tập trung vào làm giảm chi phí để tăng khả năng cạnh tranh.
• Sự phát triển trong trung hạn sẽ tập trung vào các giải pháp kết thúc chu trình nhiên liệu hạt nhân, chủ yếu là xử lý các chất thải siêu urani (transuranics) trong SNF.
• Nhiên liệu phù hợp với các lò phản ứng có các ứng dụng phi điện sẽ được phát triển song song sự phát triển lò phản ứng.
• Chỉ có sự phát triển dài hạn (> 20 năm) sẽ cho phép đưa ra các công nghệ chuyển đổi, chu trình nhiên liệu hoàn toàn khép kín với các lò phản ứng nhanh bao gồm cả các lò phản ứng muối nóng chảy, và thori trên cơ sở thương mại.

Những nghiên cứu bổ sung của quốc gia và quốc tế về tính khả dụng của vật liệu phân hạch cho hệ thống năng lượng hạt nhân toàn cầu đã kết luận rằng vào cuối thế kỷ này, chu trình nhiên liệu hạt nhân hiện tại sử dụng các lò phản ứng nơtron nhiệt và urani (và một số lượng giới hạn plutoni) làm nhiên liệu sẽ làm cạn kiệt các nguồn tài nguyên hiện có, chẳng hạn như sự ra đời của lò phản ứng FBR và một chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín dường như không thể tránh khỏi để đạt được một giải pháp bền vững.

Để mở rộng khả năng của nguồn tài nguyên urani hiện có (và trì hoãn việc đưa vào thương mại các lò phản ứng nhanh), thì hiệu quả nhiên liệu của lò phản ứng nhiệt có thể được cải thiện bằng cách:

• Đốt cháy cao hơn;
• Giảm các phế liệu của quá trình làm giàu;
• Tăng hiệu suất nhiệt của lò phản ứng;
• Mở rộng tái chế plutoni;
• Bắt đầu sử dụng thori (Th) làm nguyên liệu chuyển đổi.

Xem thêm: An toàn hạt nhân, sự cố hạt nhân và phóng xạ

Hiện nay, có một số mô hình chu trình nhiên liệu hạt nhân được phát triển có thể được sử dụng trong 25 năm tới. Một vài ví dụ được đưa ra dưới đây:

Sử dụng trực tiếp nhiên liệu đã qua sử dụng của lò phản ứng PWR trong các lò phản ứng CANDU (Direct Use of Spent PWR fuel in CANDU reactors – DUPIC)

Theo những nghiên cứu chuyên sâu ở Hàn Quốc, Canada và Hoa Kỳ, công nghệ chu trình nhiên liệu hạt nhân tiên tiến này có thể được ứng dụng trong 25 năm tới, là việc sử dụng trực tiếp nhiên liệu của lò phản ứng PWR đã qua sử dụng trong các lò phản ứng CANDU (DUPIC).

Nó chuyển đổi nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng (SNF) từ các lò PWR thông qua một quá trình cơ nhiệt thành nhiên liệu sạch CANDU. Những ưu điểm chính của nó là tăng cường được độ bền, và giảm chất thải từ các lò phản ứng CANDU. Những nhược điểm chính của nó là cần thiết phải xử lý từ xa việc sản xuất nhiên liệu CANDU và nhiên liệu CANDU sạch, và chỉ tiết kiệm được chút ít chi phí và nguồn tài nguyên.

Chu trình nhiên liệu thori

Trên toàn cầu có 1,2 triệu tấn tài nguyên thori được biết đến, khoảng 90% nằm tại các nước: Ôxtrâylia (25%), Ấn Độ (24%), Na Uy (14%), Hoa Kỳ (13%), Canada (8%), Nam Phi (3%) và Brazil (1%). Trong quá khứ, thori đã được sử dụng trong các dự án lò phản ứng trình diễn, ví dụ như trong lò phản ứng nước nhẹ (LWR) ở Hoa Kỳ, lò HTGR (Hoa Kỳ, Đức, Anh), và trong lò phản ứng hạt nhân muối nóng chảy (MSR) ở Hoa Kỳ.

Tuy nhiên, ở Ấn Độ thori đã được đưa vào một vài lò thương mại PHWR để xử lý thông lượng nơtron trong quá trình khởi động.

Liên quan đến việc sử dụng thori, công nghệ nhiên liệu phân tử được che phủ dựa trên thori dường như có tiềm năng cao nhất trong HTGR. Đối với quá trình tái chế THOREX, được phát triển ở Phòng thí nghiệm quốc gia ORNL, Hoa Kỳ, có vẻ như khả thi về mặt kỹ thuật.

Lợi thế của việc sử dụng thori làm vật liệu chuyển đổi trong một chu trình nhiên liệu hạt nhân là năng suất cao hơn neutron, cho phép chuyển đổi cao hơn hay nhanh hơn (sản xuất U-233 từ thori) so với U-238 (sản xuất plutoni).

Một bất lợi về kỹ thuật là sự cần thiết phải đủ che phủ trong quá trình tái chế và sản xuất nhiên liệu bằng cách sử dụng U-233 do mức độ phóng xạ (gamma và beta cao, gây ra bởi các sản phẩm phân rã của U-232), và khả năng phân tách hóa học U-233 phân hạch từ thori trong nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng đặt ra một số rủi ro như với rủi ro của chu trình nhiên liệu hạt nhân urani/plutoni.

Ngoài Ấn Độ, nước có mức độ ưu tiên cao đối với sử dụng thori vì mục đích thương mại trong chu trình nhiên liệu hạt nhân của mình (được sử dụng trong lò PHWR, lò phản ứng nhanh và lò phản ứng nước nặng tiên tiến – AHWR – trong tương lai gần), một số quốc gia khác hiện đang tiến hành nghiên cứu và phát triển nhiên liệu thori trong các chương trình ngắn hạn và/hoặc dài hạn.

Làm chậm chu trình nhiên liệu hạt nhân MOX của lò LWR ( lò RMWR )

Các lò LWR sử dụng một giàn thanh nhiên liệu trong lõi để điều chỉnh quang phổ neutron nhanh có thể đạt được tỷ lệ chuyển đổi urani/plutoni (hoặc thori/urani) cao (thậm chí cao hơn 1). Chủ yếu tại Nhật Bản (nhưng cũng tại Liên bang Nga và Hoa Kỳ), các nghiên cứu thiết kế đang được thực hiện cho thấy có triển vọng và có thể được áp dụng trong 25 năm tới.

Sáng kiến chu trình nhiên liệu tiên tiến (AFCI)

Năm 2003, tại Hoa Kỳ, một chương trình nghiên cứu và phát triển lớn được thiết lập để thực hiện một sự chuyển đổi của chu trình nhiên liệu mở hiện tại sang chu trình nhiên liệu hạt nhân tiên tiến để được sử dụng trong các loại lò phản ứng tiên tiến như được đề cập trong sáng kiến Lò thế hệ IV.

Các chu kỳ nhiên liệu tiên tiến sẽ làm giảm lượng chất thải ở mức cao, giúp làm giảm các yếu tố phóng xạ cao độc hại, và thu hồi năng lượng có giá trị trong nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Chương trình chính bao gồm phân tích hệ thống và phát triển công nghệ tách và chuyển đổi.

Các ví dụ bổ sung về các chu trình nhiên liệu hạt nhân tiên tiến

Trong sáng kiến Lò thế hệ IV, các hệ thống năng lượng nguyên tử bao gồm LWR và HTGR với chu trình nhiên liệu một lần được nghiên cứu tại Hoa Kỳ như là một chọn lựa ngắn hạn. Các mô hình dài hạn được nghiên cứu bao gồm một sự kết hợp của LWR và các lò phản ứng nhanh được chuyển đổi để thành các lò phản ứng tái sinh nhanh sau này.

Tại Liên bang Nga, cùng với các chuyên gia từ Nhật Bản và Hoa Kỳ, mô hình lò phản ứng BREST và chu trình nhiên liệu hạt nhân tiên tiến của nó đã được nghiên cứu. Nó sử dụng một chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín dựa trên nhiên liệu nitrit urani/plutoni. Việc tái chế nhiên liệu và các cơ sở sản xuất phải được đặt gần lò phản ứng kiểu này.