Để phát triển năng lượng hạt nhân nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng trong tương lai, 10 nước – Achentina, Brazil, Canađa, Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc, Nam Phi, Thuỵ Sĩ, Anh và Hoa Kỳ – đã thoả thuận về một khuôn khổ hợp tác quốc tế nghiên cứu thế hệ tương lai của các hệ thống năng lượng hạt nhân được gọi là thế hệ IV.

Thế hệ đầu tiên (thế hệ I) được phát triển vào những năm 1950 và 1960 gồm các lò phản ứng nguyên mẫu đầu tiên.

Thế hệ II được bắt đầu trong những năm 1970 với các nhà máy điện thương mại lớn hiện nay vẫn đang hoạt động.

Thế hệ III được phát triển gần đây hơn vào những năm 1990 với một số thiết kế tiến hoá, có những cải tiến đáng kể về độ an toàn và kinh tế và một số được xây dựng chủ yếu ở Đông Á. Những cải tiến trên cơ sở Thế hệ III đang được tiến hành, kết quả một số nhà máy có thể triển khai trong giai đoạn gần (được gọi là thế hệ III+), đang tích cực phát triển và được xem xét để triển khai ở một số nước.

Những nhà máy mới được xây dựng từ nay đến năm 2030 có thể sẽ được chọn từ những mẫu thiết kế tiên tiến này. Triển vọng ở tầm xa hơn năm 2030 về những cải tiến đổi mới ở các hệ thống năng lượng hạt nhân thông qua con đường nghiên cứu và phát triển đổi mới đang thu hút được sự quan tâm trên toàn thế giới đến các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV.

Mười quốc gia tham gia trên đã thành lập Diễn đàn quốc tế thế hệ IV (tên viết tắt là GIF – Generation IV International Forum) để phát triển các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ tương lai với các mẫu thiết kế có thể được cấp chứng nhận, xây dựng và vận hành theo cách mà sẽ cung cấp những sản phẩm năng lượng đáng tin cậy và có khả năng cạnh tranh về giá cả, trong khi giải quyết được những mối quan tâm về an toàn hạt nhân, chất thải, sự phổ biến vũ khí hạt nhân và những mối quan tâm của cộng đồng.

Mục tiêu đối với các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV là sẵn sàng để triển khai quốc tế vào khoảng năm 2030, khi nhiều nhà máy điện hạt nhân trên thế giới hiện nay đang hoạt động sẽ hết hạn hoặc gần hết hạn hoạt động.

Các chương trình nghiên cứu năng lượng hạt nhân trên thế giới đang phát triển những khái niệm mà có thể tạo nên cơ sở cho các hệ thống thế hệ IV. Sự hợp tác về R&D ngày càng được các nước GIF xúc tiến nhằm thúc đẩy sự tiến bộ theo hướng hiện thực hóa các hệ thống này. Với cam kết và quyết tâm quốc tế, thế giới bắt đầu nhận thức được những lợi ích của các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV trong vòng một vài thập kỷ tới.

Bắt đầu năm 2000, những nước thành lập GIF bắt đầu tổ chức thảo luận về các hoạt động nghiên cứu cần thiết liên quan đến các lò phản ứng thế hệ tiếp theo. Từ những cuộc họp đầu tiên này, lộ trình công nghệ hướng đến nỗ lực thế hệ IV được bắt đầu.

Việc tổ chức và thực hiện lộ trình đã thuộc trách nhiệm của Nhóm Hợp nhất Lộ trình (Roadmap Integration Team) với sự cố vấn của Tiểu ban Quy hoạch công nghệ thế hệ IV thuộc Ban Tư vấn nghiên cứu năng lượng hạt nhân (NERAC) thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ. Lộ trình được coi là một phương pháp luận dùng để xác định và điều hành việc lập kế hoạch và huy động nỗ lực NCPT quy mô lớn. GIF đã nhất trí ủng hộ việc chuẩn bị một lộ trình và lộ trình này đã trở thành tiêu điểm của những nỗ lực quốc gia. Hơn 100 chuyên gia kỹ thuật từ 10 nước đã góp phần

Phạm vi NCPT được mô tả trong lộ trình liên quan đến tất cả các thệ thống thế hệ IV. Tuy nhiên, mỗi nước thành viên GIF sẽ tập trung vào các hệ thống và tập hợp các hoạt động NCPT sẽ mang lại lợi ích lớn nhất cho họ. Do đó, lộ trình tạo ra một cơ sở để xây dựng các kế hoạch chương trình quốc gia và quốc tế theo đó các nước GIF sẽ hợp tác xúc tiến các hệ thống thế hệ IV.

Để bắt đầu chuẩn bị cho lộ trình công nghệ lò phản ứng thế hệ IV, cần thiết lập mục tiêu cho các hệ thống năng lượng hạt nhân. Các mục tiêu gồm ba trọng tâm sau: Thứ nhất, chúng được coi là cơ sở để phát triển các tiêu chuẩn đánh giá và so sánh các hệ thống trong lộ trình công nghệ.

Thứ hai, chúng mang tính thách thức và thúc đẩy sự hướng đến các hệ thống năng lượng hạt nhân đổi mới – cả về chu trình nhiên liệu và công nghệ lò phản ứng. Thứ ba, chúng được coi là động cơ và định hướng cho hoạt động NCPT các hệ thống thế hệ IV cũng như các nỗ lực hợp tác được tiến hành.

Tám mục tiêu cho thế hệ IV được xác định tại bốn lĩnh vực rộng về như tính bền vững, kinh tế, an toàn và tin cậy, chống phổ biến vũ khí hạt nhân và bảo vệ hiện hữu. Mục tiêu về tính bền vững tập trung vào việc sử dụng nhiên liệu và quản lý chất thải.

Mối quan tâm chính là quản lý môi trường thông qua những kiểm soát nghiêm ngặt về không khí sạch và quản lý phế thải và bảo tồn tài nguyên. Bốn loại chu trình nhiên liệu hạt nhân phổ biến được xem xét:

• Chu trình nhiên liệu một lần.
• Chu trình nhiên liệu tái chế một phần plutoni phân hạch tái sinh.
• Tái chế toàn bộ plutoni.
• Chu trình tái chế các nguyên tố siêu urani (có tính phóng xạ cao).

Quản lý chất thải là vấn đề quan tâm chính đối với chu trình nhiên liệu một lần hiện nay do hạn chế về chỗ chôn chất thải trên toàn thế giới. Các chu trình nhiên liệu khép kín hay các lò phản ứng tái sinh cho phép tái sử dụng một số nhiên liệu vì vậy giảm được nhiên liệu phải mang đi chôn.

Hoạt động của lò có thể được cải thiện nếu các lò phản ứng nhiệt và lò phản ứng nhanh được vận hành theo phương thức kết hợp. Việc các lò phản ứng nhiệt làm lạnh bằng khí và nước gia tăng đốt nhiên liệu có thể cải thiện việc quản lý actinit được sinh ra bằng cách đốt chúng tại chỗ.

Các mục tiêu kinh tế tập trung vào chu trình nhiên liệu, giá thành sản xuất năng lượng và rủi ro tài chính. Các lò phản ứng mới phải có sức cạnh tranh trong thị trường nhu cầu năng lượng luôn biến động. Các nhà máy hạt nhân do tư nhân sở hữu có thể tồn tại cùng với các nhà máy do nhà nước sở hữu. Sở hữu tư nhân tạo ra nhu cầu về các nhà máy có quy mô đa dạng hơn, lớn hay nhỏ hơn tùy thuộc vào vị trí trên thế giới.

Các nhà máy cần được xây dựng theo modun hay theo các đặc điểm kỹ thuật tiêu chuẩn hóa để các thành phần của nhà máy có thể được sử dụng lại hay thay thế. Điều này sẽ có hiệu quả kinh tế cao hơn nhiều so với mỗi nhà máy được thiết kế đơn nhất như hiện nay.

Mục tiêu an toàn và độ tin cậy tập trung vào hoạt động vận hành an toàn và tin cậy, cải thiện quản lý sự cố và giảm thiểu hậu quả, bảo hộ đầu tư và về cơ bản loại bỏ yêu cầu kỹ thuật đối với ứng phó khẩn cấp từ bên ngoài.

Các biện pháp an toàn chủ động và thụ động đối với các sự cố được xem xét một cách cẩn thận. Áp dụng nghiêm ngặt các biện pháp an toàn và các quy định quốc tế về sử dụng các loại vật liệu phân hạch tại chỗ. Các yếu tố con người cần được nhấn mạnh cùng với hoạt động của nhà máy để giảm khả năng rò rỉ các nguyên tố phóng xạ ra môi trường hay gây hại cho thực vật.

Chống phổ biến vũ khí hạt nhân và bảo vệ hiện hữu tập trung vào kiểm soát và gìn giữ an toàn vật liệu hạt nhân và các cơ sở hạt nhân. Các nhà máy được thiết kế để đối phó với các thảm họa thiên nhiên như động đất. Cần quan tâm đến khả năng phá hoại hay các hành động ăn trộm, phân tán vật liệu phân hạch của các cá nhân hay các tổ chức phi nhà nước.

Dưới đây là tám mục tiêu cụ thể đối với các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV:

Tính bền vững-1: Các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV sẽ mang lại một nền sản xuất năng lượng bền vững đáp ứng các mục tiêu chất lượng không khí sạch và thúc đẩy tính ổn định dài hạn của hệ thống, sử dụng nhiên liệu hiệu quả đối với sản xuất năng lượng trên phạm vi toàn thế giới;

Tính bền vững-2: Các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV sẽ giảm đến mức tối thiểu và quản lý tốt chất thải hạt nhân, giảm một cách đáng kể gánh nặng trách nhiệm quản lý dài hạn và qua đó cải thiện sựu bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường;

Tính kinh tế-1: Các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV sẽ có lợi thế về chi phí chu kỳ sản phẩm rõ rệt so với các nguồn năng lượng khác;

Tính kinh tế -2: Các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV sẽ một lợi thế so sánh về mức độ rủi ro tài chính so với các nguồn năng lượng khác;

An toàn và độ tin cậy-1: Vận hành các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV sẽ có mức độ an toàn và tin cậy vượt trội;

An toàn và độ tin cậy-2: Các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV sẽ có khả năng và mức độ thiệt hại lõi lò rất thấp;

An toàn và độ tin cậy-3: Các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV sẽ loại bỏ yêu cầu ứng cứu khẩn cấp từ bên ngoài;

Chống phổ biến vũ khí hạt nhân và bảo vệ hiện hữu -1: Các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV sẽ gia tăng sự đảm bảo rằng chúng sẽ có thiết kế ít hấp dẫn và lôi cuốn nhất đối với những hành động chệch hướng hay đánh cắp vật liệu có thể sử dụng để chế tạo vũ khí, và cung cấp một sự bảo vệ hiện hữu gia tăng chống lại các hành động khủng bố.

Xem thêm: Phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng hạt nhân

Việc quan trọng nhất trong xây dựng lộ trình thế hệ IV tập trung vào lựa chọn 6 hệ thống năng lượng hạt nhân thuộc thế hệ thứ IV. Cơ sở của sự lựa chọn này là:

Xác định hệ thống tạo được những tiến bộ lớn đối với những mục tiêu công nghệ;

• Đảm bảo rằng các nhiệm vụ quan trọng về phát điện, sản xuất hydro, nhiệt quá trình và quản lý actinit tuân thủ theo các mục tiêu đã đề ra đối với các hệ thống thuộc thế hệ IV;
• Tạo ra một khoảng chồng gối lên nhau về năng lực, bởi không phải tất cả các hệ thống cuối cùng đều có thể khả thi hay đạt được các mục tiêu về hiệu suất và thu hút được triển khai thương mại;
• Phù hợp với các vấn đề ưu tiên và lợi ích quốc gia của các nước tham gia Diễn đàn.

Nỗ lực hiện nay trong Thế hệ IV được theo đuổi dựa trên các cơ sở trên, với mục tiêu phát triển và cung cấp các hệ thống khả thi hoạt động hiệu suất cao trong vài thập kỷ tới. Có sáu hệ thống được tập trung nghiên cứu thuộc thế hệ IV.

Luật năng lượng của Hoa Kỳ có một điều khoản về thiết kế lò phản ứng mới thế hệ IV. Đến năm 2010, Hoa Kỳ đã dành 1,1 tỷ ngân sách để xây dựng lò phản ứng này. Lò phản ứng này sẽ hoàn thành vào năm 2015.

Lõi của lò nhiên liệu làm mát bằng heli (He) cùng loại với nhiên liệu của lò phản ứng heli môđun tua bin khí (GT-MHR) hay lò phản ứng môđun tầng sỏi (Pebble Bed Modular Reactor -PBMR). Lò phản ứng nhiệt độ rất cao (VHTR) là lò phản ứng làm mát bằng khí thế hệ IV vừa sản xuất điện vừa sản xuất hydro. Phòng thí nghiệm Kỹ thuật và Môi trường Quốc gia Idaho của Hoa Kỳ (INEEL) đảm nhiệm phát triển dự án này.

VHTR cung cấp nhiệt bằng chất làm mát heli, nhiệt lượng thoát ra ở 1.000 độ C, có thể ứng dụng trong sản xuất hydro, sản xuất nhiên liệu tổng hợp từ than hay xử lý nhiệt cho ngành công nghiệp hóa dầu. Lò phản ứng pilot với lõi lò công suất 600 MW nhiệt nối với bộ chuyển nhiệt tức thời để chuyển nhiệt quá trình.

Lõi lò phản ứng có thể là lõi lăng trụ như lõi của nhà máy điện Fort Saint- Vrain trước đây hay lõi của HTTR của Nhật đang vận hành hoặc là lõi tầng sỏi như HTR-10 của Trung Quốc đang vận hành. Để sản xuất hydro, hệ thống cung cấp nhiệt có thể được sử dụng một cách hiệu quả bằng một quy trình nhiệt hóa iot-sunful.

Một đặc điểm an toàn là nhiệt của lò phản ứng có thể bức xạ thụ động từ lõi làm chậm graphit quán tính nhiệt cao mà không gây hại cho nhiên liệu bọc graphit và thải ra các sản phẩm phân hạch phóng xạ. Lò phản ứng này sẽ được xây dựng dưới lòng đất và lòng đất cũng là chỗ tiêu nhiệt cuối cùng của lò phản ứng.

Chu trình chính thải ra nhiệt cho thiết bị chuyển hóa hơi nước/lò hơi. Có thể sử dụng chu trình nhiên liệu U/Pu để quản lý chất thải actinit. Các mục tiêu được nhằm vào gồm: vận hành kinh tế, hiệu suất cao có thể so sánh với hiệu suất của các nhà máy khí tự nhiên chu trình kết hợp, giảm thiểu phế thải, vận hành an toàn và chu trình nhiên liệu chống phổ biến hạt nhân

VHTR đưa ra hàng loạt ứng dụng nhiệt quá trình và sự lựa chọn cho sản xuất điện hiệu suất cao, trong khi duy trì các đặc điểm an toàn mong muốn của các lò phản ứng môdun làm mát bằng khí nhiệt độ cao.

Các composit carbon-carbon (cacbon được gia cố bằng sợi cacbon) cần được phát triển để bọc các cần điều khiển. Phần bên trong lõi cần thời gian thử nghiệm lên tới 10 năm để kiểm tra sự oxy hóa, nhiệt phóng xạ, hành vi và tính chất nứt gãy của các loại vật liệu nhiệt độ cao. Việc kiểm tra độ an toàn của các van và các môdun chuyển nhiệt bên trong là rất cần thiết.

VHTR có thể được phát triển nhanh chóng trong các năm tới để sản xuất hydro. Nó có thể được sử dụng để khí hóa than đá và sản xuất nhiên liệu tổng hợp cho vận tải để thay thế các nguồn cung cấp hydrocacbon lỏng đang cạn kiệt.

Các nhà máy hạt nhân như Exelon Corp., Dominion Resources Inc. và Entergy Corp., cũng như các nhà chế tạo thiết bị như General Electric Co., The Westinghouse Nuclear unit of British Nuclear Fuels Ltd., và the Framatome unit of France‟s Areva rất quan tâm đến dự án VHTR.

Lò phản ứng nhanh làm mát bằng khí (GAS COOLED FAST REACTOR: GFR)

Khái niệm của hệ thống này đặc trưng bởi phổ nơtron nhanh (fast-neutronspectrum), lò phản ứng làm mát bằng khí heli và chu trình nhiên liệu kín. Phổ nơtron nhanh sẽ chuyển hóa hiệu quả urani đã làm giàu thành nhiên liệu phân hạch và đốt cháy actinit để tạo ra năng lượng.

Chất làm mát heli thoát ra ở nhiệt độ cao cho phép nó có thể cung cấp điện, hydro và nhiệt quá trình với hiệu suất cao. Thiết kế thích hợp là hệ thống làm mát bằng heli 288 MW điện, 600 MW nhiệt hoạt động với nhiệt độ thoát ra là 850oC sử dụng tuabin khí chu trình Brayton trực tiếp cho hiệu suất nhiệt cao (hình 5). Một số dạng nhiên liệu dự kiến sử dụng có tiềm năng vận hành ở nhiệt độ rất cao và đảm bảo giữ lại được rất tốt các sản phẩm phân hạch là: nhiên liệu gốm composit, các hạt nhiên liệu tiên tiến, hay các viên hỗn hợp actinit bọc gốm.

Hình dáng lõi có thể dựa trên các khối hình tháp, lăng trụ hay các tấm ghép. Thiết kế của lò phản ứng nhanh làm mát bằng khí thường tích hợp tại chỗ nhà máy xử lý và tái chế nhiên liệu đã sử dụng.

VHTR cung cấp nhiệt bằng chất làm mát heli, nhiệt lượng thoát ra ở 1.000 độ C, có thể ứng dụng trong sản xuất hydro, sản xuất nhiên liệu tổng hợp từ than hay xử lý nhiệt cho ngành công nghiệp hóa dầu. Lò phản ứng pilot với lõi lò công suất 600 MW nhiệt nối với bộ chuyển nhiệt tức thời để chuyển nhiệt quá trình.

Lõi lò phản ứng có thể là lõi lăng trụ như lõi của nhà máy điện Fort Saint- Vrain trước đây hay lõi của HTTR của Nhật đang vận hành hoặc là lõi tầng sỏi như HTR-10 của Trung Quốc đang vận hành. Để sản xuất hydro, hệ thống cung cấp nhiệt có thể được sử dụng một cách hiệu quả bằng một quy trình nhiệt hóa iot-sunful.

Một đặc điểm an toàn là nhiệt của lò phản ứng có thể bức xạ thụ động từ lõi làm chậm graphit quán tính nhiệt cao mà không gây hại cho nhiên liệu bọc graphit và thải ra các sản phẩm phân hạch phóng xạ. Lò phản ứng này sẽ được xây dựng dưới lòng đất và lòng đất cũng là chỗ tiêu nhiệt cuối cùng của lò phản ứng.

Chu trình chính thải ra nhiệt cho thiết bị chuyển hóa hơi nước/lò hơi. Có thể sử dụng chu trình nhiên liệu U/Pu để quản lý chất thải actinit. Các mục tiêu được nhằm vào gồm: vận hành kinh tế, hiệu suất cao có thể so sánh với hiệu suất của các nhà máy khí tự nhiên chu trình kết hợp, giảm thiểu phế thải, vận hành an toàn và chu trình nhiên liệu chống phổ biến hạt nhân.

VHTR đưa ra hàng loạt ứng dụng nhiệt quá trình và sự lựa chọn cho sản xuất điện hiệu suất cao, trong khi duy trì các đặc điểm an toàn mong muốn của các lò phản ứng môdun làm mát bằng khí nhiệt độ cao.

Các composit carbon-carbon (cacbon được gia cố bằng sợi cacbon) cần được phát triển để bọc các cần điều khiển. Phần bên trong lõi cần thời gian thử nghiệm lên tới 10 năm để kiểm tra sự oxy hóa, nhiệt phóng xạ, hành vi và tính chất nứt gãy của các loại vật liệu nhiệt độ cao. Việc kiểm tra độ an toàn của các van và các môdun chuyển nhiệt bên trong là rất cần thiết.

VHTR có thể được phát triển nhanh chóng trong các năm tới để sản xuất hydro. Nó có thể được sử dụng để khí hóa than đá và sản xuất nhiên liệu tổng hợp cho vận tải để thay thế các nguồn cung cấp hydrocacbon lỏng đang cạn kiệt.

Các nhà máy hạt nhân như Exelon Corp., Dominion Resources Inc. và Entergy Corp., cũng như các nhà chế tạo thiết bị như General Electric Co., The Westinghouse Nuclear unit of British Nuclear Fuels Ltd., và the Framatome unit of France‟s Areva rất quan tâm đến dự án VHTR.

Hệ thống lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (SFR) là lò phản ứng phổ nơtron nhanh, làm mát bằng natri và chu trình nhiên liệu kín cho phép quản lý actinit hiệu quả và biến đổi U238 đã làm giàu thành Pu239.

Chu trình nhiên liệu áp dụng tái chế actinit hoàn toàn với 2 lựa chọn chính: thứ nhất là lò phản ứng làm mát bằng natri quy mô vừa công suất từ 150 đến 500 MW điện với nhiên liệu hợp kim kim loại uranium-plutonium-minoractinide-zirconiumal, được hỗ trợ bởi chu trình nhiên liệu dựa trên xử lý luyện kim nhiệt trong các thiết bị tích hợp với lò phản ứng.

Lựa chọn thứ hai là lò phản ứng quy mô trung bình đến lớn 500 đến 1.500 MW điện làm mát bằng natri với nhiên liệu hỗn hợp oxit uranium-plutonium, được hỗ trợ bởi chu trình nhiên liệu dựa trên xử lý bằng nước ở vị trí trung tâm phục vụ nhiều lò phản ứng. Ở cả 2 loại lò, nhiệt độ thoát ra vào khoảng 550 oC.

SFR được thiết kế cho quản lý các chất thải ở mức cao và đặc biệt là quản lý Pu và các actinit khác. Đặc điểm an toàn quan trọng của hệ thống gồm thời gian đáp ứng nhiệt dài, vùng sôi chất làm mát lớn, hệ thống sơ cấp hoạt động ở áp suất gần với áp suất khí quyển, và hệ thống natri trung gian giữa natri hoạt tính phóng xạ trong hệ thống sơ cấp và nước và hơi nước trong nhà máy phát điện.

Hệ thống lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (SFR) là lò phản ứng phổ nơtron nhanh, làm mát bằng natri và chu trình nhiên liệu kín cho phép quản lý actinit hiệu quả và biến đổi U238 đã làm giàu thành Pu239.

Chu trình nhiên liệu áp dụng tái chế actinit hoàn toàn với 2 lựa chọn chính: thứ nhất là lò phản ứng làm mát bằng natri quy mô vừa công suất từ 150 đến 500 MW điện với nhiên liệu hợp kim kim loại uranium-plutonium-minoractinide-zirconiumal, được hỗ trợ bởi chu trình nhiên liệu dựa trên xử lý luyện kim nhiệt trong các thiết bị tích hợp với lò phản ứng.

Lựa chọn thứ hai là lò phản ứng quy mô trung bình đến lớn 500 đến 1.500 MW điện làm mát bằng natri với nhiên liệu hỗn hợp oxit uranium-plutonium, được hỗ trợ bởi chu trình nhiên liệu dựa trên xử lý bằng nước ở vị trí trung tâm phục vụ nhiều lò phản ứng.

Ở cả 2 loại lò, nhiệt độ thoát ra vào khoảng 550 oC. SFR được thiết kế cho quản lý các chất thải ở mức cao và đặc biệt là quản lý Pu và các actinit khác. Đặc điểm an toàn quan trọng của hệ thống gồm thời gian đáp ứng nhiệt dài, vùng sôi chất làm mát lớn, hệ thống sơ cấp hoạt động ở áp suất gần với áp suất khí quyển, và hệ thống natri trung gian giữa natri hoạt tính phóng xạ trong hệ thống sơ cấp và nước và hơi nước trong nhà máy phát điện.

Với những đổi mới để giảm chi phí đầu tư, SFR có thể cạnh tranh được trên các thị trường điện. Việc nghiên cứu cần được tiến hành để quyết định lựa chọn giữa nhiên liệu kim loại hay nhiên liệu oxit kim loại. Cân nhắc về kinh tế là việc lựa chọn các thành phần cấu trúc cho các ống và ống dẫn. Các loại thép Ferritic 12% Cr có thể được xem xét bởi chúng có độ cứng ở nhiệt độ cao tốt hơn so với thép austenitic.

Phổ nơtron nhanh của SFR cũng cho phép nó sử dụng các vật liệu làm giàu và phân hạch sẵn có, gồm urani nghèo, hiệu quả hơn so với các lò phản ứng phổ nhiệt với các chu trình nhiên liệu một lần.

Hệ thống lò phản ứng nhanh làm mát bằng chì là lò phản ứng phổ nơtron nhanh làm mát bằng kim loại lỏng autecti Pb hay Pb-Bi và có chu trình nhiên liệu kín để chuyển hóa hiệu quả urani làm giàu và quản lý actinit. Nhiên liệu bao gồm urani và siêu urani đã làm giàu, gốc kim loại hay gốc nitrit. Nhà máy có thể có thiết kế đơn khối lớn với xưởng ắc quy 1.200 MW điện, hay có thể là hệ thống môdun 300-400 MW điện hay có thể là trạm nhỏ 50-150 MW điện, nhưng sẽ khó tái nạp nhiên liệu hơn

Hệ thống này có phổ nơtron nhanh với chu trình nhiên liệu tái chế actinit hoàn toàn kín với các thiết bị tái chế nhiên liệu khu vực hay trung tâm. Nhiên liệu gốc kim loại hay nitrit, chứa urani hay siêu urani đã làm giàu. LFR được làm mát bằng đối lưu tự nhiên với nhiệt độ chất làm mát thoát ra là 550oC, có thể lên tới 800oC với các vật liệu tiên tiến. Nhiệt độ cao hơn cho phép sản xuất hydro bằng các quy trình nhiệt hóa.

Lò phản nhanh làm mát bằng chì quy mô nhỏ được thiết kế như một ắcquy hạt nhân. Đó là một nhà máy nhỏ hoạt động theo chu trình nhiên liệu kín với khoảng thời gian tái nạp liệu rất dài 15 đến 20 năm cho hộp lõi hay lò phản ứng môdun có thể thay thế được.

Các đặc trưng của nó được thiết kế để đáp ứng cho nhu cầu thị trường sản xuất điện cho các mạng điện nhỏ và cho các nước đang phát triển không muốn triển khai hạ tầng chu trình nhiên liệu trong nước để hỗ trợ các hệ thống năng lượng hạt nhân của họ. Hệ thống ắcquy được thiết kế cho phát điện phân tán và các sản phẩm năng lượng khác, gồm có hydro và nước ngọt bằng cách khử muối nước biển.

Hệ thống lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn là lò nhiệt độ cao làm mát bằng nước áp suất cao hoạt động ở trên điểm tới hạn nhiệt động của nước ở 374oC, 22.1 MPa. Chất làm mát bằng nước siêu tới hạn cho phép đạt hiệu quả nhiệt cao hơn khoảng 1/3 so với các lò phản ứng nước nhẹ hiện nay, cũng như đơn giản hóa trong cân bằng của nhà máy.

Sự cân bằng của nhà máy được đơn giản hóa đáng kể do chất làm mát không thay đổi pha trong lò phản ứng và được đưa trực tiếp vào thiết bị chuyển đổi năng lượng.

Tuy nhiên, hơi nước ở trên điểm tới hạn có tính chất ăn mòn cao và đòi hỏi những vật liệu đặc biệt. Hệ thống phù hợp với công suất 1.700 MW điện với áp suất vận hành ở 25 MPa, và nhiệt độ thoát ra của lò là 510oC, có thể tăng lên 550oC. Nhiên liệu là UO2.

Các đặc điểm an toàn thụ động được tích hợp tương tự như đối với các lò phản ứng nước sôi đơn giản (SBRs).

Hệ thống ban đầu được thiết kế cho sản xuất điện hiệu quả, với lựa chọn quản lý actinit dựa trên 2 phương án thiết kế lõi: SCWR có thể có lò phản ứng phổ nhanh hay nhiệt; thứ hai là lò phản ứng chu trình kín với phổ nhanh và tái chế hoàn toàn actinit dựa trên quy trình nước đặt ở trung tâm.

Các vấn đề phát triển bao gồm ăn mòn nứt (cracking corrosion) và ăn mòn dưới áp lực, phân ly phóng xạ ở nhiệt độ và độ đậm đặc lỏng, hóa học nước, tính ổn định và độ vững chắc trong vi cấu trúc và kích thước, chống giòn và rão.

Những tác động của nơtron, bức xạ gamma và tạp chất đưa vào hệ thống sơ cấp đối với phân ly phóng xạ nước cần được nghiên cứu. Luồng nước có thể tác động đến tính an toàn tới hạn của hệ thống, bởi nước lạnh sẽ có khả năng hãm cao hơn dẫn đến năng lượng tăng vọt.

Hệ thống lò phản ứng muối nóng chảy sản sinh năng lượng phân hạch trong hỗn hợp nhiên liệu muối nóng chảy lưu thông với lò phản ứng dải nơtron trên nhiệt với các kênh lõi graphit và chu trình nhiên liệu tái chế hoàn toàn actinit. MSR có thể được thiết kế dạng tái sinh nhiệt sử dụng chu trình nhiên liệu Th232 thành U233. Trong hệ thống MSR, nhiên liệu là hỗn hợp lỏng tuần hoàn các florua natri, zirconi và urani.

Nhiên liệu muối nóng chảy chảy qua các kênh lõi graphit, sinh ra dải nhiệt cao. Nhiệt được tạo ra trong muối lỏng được truyền đến hệ thống làm mát thứ cấp thông qua bộ trao đổi nhiệt trung gian, rồi sau đó là bộ phận trao đổi nhiệt thứ 3 tới hệ thống biến đổi năng lượng. Nhà máy thích hợp có công suất 1000 MW điện. Chất làm mát thoát ra của hệ thống có nhiệt độ ở 700oC, có khả năng tăng lên 800oC, đảm bảo hiệu quả nhiệt được cải thiện.

Chu trình nhiên liệu kín có thể thiết kế để đốt cháy plutoni và actinit nhỏ một cách hiệu quả. Nhiên liệu lỏng của MSR cho phép bổ sung các actinit như plutoni và tránh được yêu cầu gia công nhiên liệu. Các actinit – và hầu hết các sản phẩm phân hạch – tạo thành các fluorinid trong chất lỏng làm mát. Các muối florua lỏng có các tính chất truyền nhiệt tốt và nhiệt độ hơi nước rất thấp, làm giảm áp lực lên bể và các ống dẫn.

Xem thêm: Nhà máy điện hạt nhân – Nguyên tắc thiết kế và vận hành

Nghiên cứu và phát triển sẽ được tập trung vào việc lựa chọn nhiên liệu muối với một phần nhỏ dung môi nhiên liệu, tính ổn định phóng xạ, và hệ số nhiệt âm của phản ứng. Nó cần sự ổn định nhiệt tốt ở điểm tan chảy thấp, áp lực hơi nước thấp và chất làm mát đủ nhớt và truyền đủ nhiệt. Muối thứ cấp phải chống được ăn mòn đối với muối sơ cấp. Chất làm chậm bằng graphit phải được thay thế sau 4 năm do phóng xạ làm hư hại cấu trúc của nó.

Mỗi hệ thống trong số các hệ thống trên đều cần nỗ lực nghiên cứu phát triển cho những vướng mắc của từng thiết kế. Một số vấn đề về nhiên liệu và công nghệ tái chế là giống nhau và có thể sử dụng chung cho nhau cho tất cả các hệ thống. Những lĩnh vực chung bao gồm: các chu trình nhiên liệu, lựa chọn vật liệu và nhiên liệu, các sản phẩm năng lượng, rủi ro và an toàn, kinh tế và chống phổ biến vũ khí hạt nhân và các vấn đề về bảo vệ hiện hữu.

Sau khi lộ trình thế hệ IV đã xác định được các mục tiêu dài hạn và NC&PT cần thiết cho các hệ thống mới, nhiều nỗ lực được thực hiện để xác định các hoạt động triển khai các nhà máy hạt nhân thế hệ mới trong thời gian trước mắt. Theo đó, lộ trình công nghệ đã xác định một số hệ thống để triển khai trước mắt có thể mang lại lợi ích cho phát triển các hệ thống thế hệ IV. Cụ thể là:

Ở Hoa Kỳ, Ủy ban Cố vấn nghiên cứu năng lượng hạt nhân thuộc bộ Năng lượng đã tiến hành một nghiên cứu để xác định các hành động mà chính phủ và ngành công nghiệp cần thực hiện để vượt qua các rào cản về kỹ thuật và quy định đối với việc xây dựng nhà máy hạt nhân mới vào năm 2010. Các kết quả của nghiên cứu được công bố vào tháng 10/2010 với tiêu đề “Lộ trình triển khai các nhà máy điện hạt nhân mới ở Hoa Kỳ vào năm 2010”.

Tám mẫu lò phản ứng đề cử được đánh giá theo 6 tiêu chí thương mại hóa và quy định hiện hành, gồm các lò phản ứng nước sôi tiên tiến, lò phản ứng nước áp lực, lò phản ứng làm mát bằng khí. Sáu mẫu lò có thể triển khai sớm nhất vào năm 2010, theo như cam kết của các công ty điện lực vào năm 2003. Danh sách các lựa chọn kiểu lò phản ứng được triển khai trong tương lai gần tại Hoa Kỳ như sau:

• ABWR (Lò phản ứng nước sôi tiên tiến)
• AP1000 (Lò phản ứng nước áp lực tiên tiến 1000)
• ESBWR (Lò phản ứng nước sôi đơn giản hóa của châu Âu)
• GT-MHR (Lò phản ứng nhiệt độ cao mô đun tuabin khí)
• PBMR (Lò phản ứng môđun tầng sôi)
• SWR-1000 (Lò phản ứng Siedewasser -1000).

Những khuyến nghị hành động bao gồm hợp tác ngành công nghiệp/chính phủ và chia sẻ kinh phí về các sáng kiến cơ bản và cụ thể từng nhà máy trong các lĩnh vực: (1) áp dụng quy trình phê chuẩn nhà máy mới ở Hoa Kỳ và (2) hoàn thành mẫu thiết kế và kỹ thuật chi tiết cho ít nhất một mẫu lò phản ứng tiên tiến ở mỗi kiểu lò phản ứng nước và khí.

Để hoàn thành những nhiệm vụ này, Bộ Năng lượng Hoa Kỳ vào tháng 2/2002 đã công bố Sáng kiến điện hạt nhân 2010, tập trung vào việc triển khai các nhà máy mới ở Hoa Kỳ trong 10 năm sau đó.

Lộ trình thế hệ IV cũng xác định các mẫu thiết kế khác có thể triển khai trong thời gian gần. Diễn đàn quốc tế thế hệ IV (GIF) nhấn mạnh sự quan tâm đặc biệt đến việc xác định các mẫu thiết kế lò phản ứng có tiềm năng. Theo đó, GIF đã lập ra một nhóm chuyên trách gọi là Nhóm triển khai quốc tế thời gian gần (INTD), và đề ra 2 tiêu chí cho các hệ thống.

Thứ nhất, nhận thấy sự khó khăn của việc triển khai vào năm 2010, GIF quyết định lùi việc triển khai quốc tế một số hệ thống muộn hơn vào năm 2015 đối với các mẫu thiết kế được các công ty tài trợ phần lớn.

Thứ hai, GIF quyết định chỉ chọn các hệ thống có công suất tương đương hay tốt hơn công suất cơ bản của các lò phản ứng nước nhẹ thế hệ III. Cơ sở này bao gồm cả tiêu chuẩn đánh giá hiệu suất trong 4 lĩnh vực mục tiêu. Tuy không đề cập chi tiết nhưng công suất của lò phản ứng nước nhẹ tiên tiến mới được xây dựng gần đây thường được sử dụng để so sánh.

Bắt đầu từ hội nghị được tổ chức vào tháng 5/2002 và tiếp tục đến hội nghị 7/2002, GIF đã đưa ra danh sách các hệ thống triển khai quốc tế trong thời gian gần.

Mười sáu mẫu thiết kế được xác định có thể triển khai vào năm 2015 hay sớm hơn, và tương đương hoặc tốt hơn công suất cơ bản của lò phản ứng nước nhẹ tiên tiến. Các mẫu thiết kế được nêu trong bảng dưới đây với tên thương mại hoặc tên viết tắt:

Lò phản ứng nước sôi tiên tiến

• ABWR II (Lò phản ứng nước sôi tiên tiến II)
• ESBWR (Lò phản ứng nước sôi đơn giản hóa của châu Âu)
• HC-BWR (Lò phản ứng nước sôi chuyển hóa cao)
• SWR-1000 (Lò phản ứng Siedewasser 1000)

Lò phản ứng ống áp lực tiên tiến

• ACR-700 (Lò phản ứng CANDU 700 tiên tiến)

Lò phản ứng nước áp lực tiên tiến

• AP600 (Lò phản ứng nước áp lực tiên tiến 600)
• AP1000 (Lò phản ứng nước áp lực tiên tiến 1000)
• APR1400 (Lò phản ứng điện tiên tiến 1400)
• APWR+ (Lò phản ứng nước áp lực tiên tiến Cộng)
• EPR (Lò phản ứng nước áp lực châu Âu)

Lò phản ứng hệ thống sơ cấp toàn bộ

• CAREM (Central Argentina de Elementos Modulares)
• IMR (Lò phản ứng mô đun quốc tế)
• IRIS (Lò phản ứng đổi mới và an toàn quốc tế)
• SMART (Lò phản ứng tiên tiến mô đun tích hợp hệ thống)

Lò phản ứng mô đun nhiệt độ rất cao làm mát bằng khí

• GT-MHR (lò phản ứng nhiệt độ rất cao mô đun tuabin khí)
• PBMR (Lò phản ứng mô đun tầng sỏi)

Hầu hết các kiểu lò được INTD lựa chọn đều cần NC&PT nhằm vào cách thức triển khai. Lộ trình thế hệ IV xác định các yêu cầu NC&PT cho các hệ thống chọn lọc thuộc thế hệ IV, một số lò phản ứng có triển vọng trong thời gian gần cũng có các yêu cần xúc tiến NC&PT tương tự. Vì vậy, điều quan trọng là cần xác định được rằng sự tiến bộ của một số lò phản ứng được lựa chọn triển khai trong giai đoạn gần có thể đóng góp cho phát triển công nghệ.

Triển vọng của lò phản ứng thuộc thế hệ IV

Mục tiêu cho các hệ thống năng lượng hạt nhân thế hệ IV là các hệ thống có thể sẵn sàng cho triển khai trên diện rộng trước năm 2030.