Xây dựng lò phản ứng hạt nhân mới, Mỹ không thể thiếu nguyên liệu từ Nga

Theo Reuters, nhiều công ty Mỹ đang tập trung phát triển một thế hệ lò phản ứng hạt nhân mới - nhỏ và mạnh mẽ. Các nhà máy điện hạt nhân tiên tiến sẽ giúp Washington giải một phần bài toán thiếu năng lượng, cũng như hiện thực hóa cam kết cắt giảm lượng khí thải CO2. Tuy nhiên, mục tiêu của Mỹ chỉ có thể đạt được nếu Nga chịu bán HALEU cho họ.

Với tầm quan trọng của HALEU, chính phủ Mỹ từ những năm trước đã cố gắng biến kho dữ trự uranium cấp vũ khí của mình thành HALEU nhằm duy trì nguồn nguyên liệu ổn định cho các nhà máy điện hạt nhân tiên tiến trong tương lai. Đối với Washington, điện hạt nhân sẽ trở thành ngành công nghiệp quan trọng không kém khai mỏ bởi nó giúp nước Mỹ đạt được mục tiêu về biến đổi khí hậu lẫn nguồn cung năng lượng.

Theo Bộ năng lượng Mỹ, sản xuất HALEU là sứ mệnh quan trọng và tất cả nỗ lực nhằm tăng lượng dự trữ nguồn nguyên liệu này đang được thực hiện. 585 tấn uranium cấp vũ khí có thể sẽ được chuyển đổi để đảm bảo việc vận hành các lò phản ứng mới.

Các lò phản ứng hạt nhân tiên tiến là giải pháp phù hợp cho vấn đề thiếu hụt năng lượng ở Mỹ, điều này có thể thấy qua dự luật giảm lạm phát của chính quyền Tổng thống Mỹ Joe Biden. (Ảnh: CNBC).

Trước khi xung đột Ukraine nổ ra, nước Mỹ quan tâm nhiều hơn tới việc phát triển năng lượng hạt nhân tiên tiến và cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu càng khiến nhiệm vụ này trở nên cấp bách hơn.

Những người ủng hộ năng lượng hạt nhân ở Mỹ cho rằng, các lò phản ứng hạt nhân mới sẽ nhỏ, dễ chế tạo và hiệu quả hơn các công nghệ hiện có, từ đó sự phụ thuộc vào nguyên liệu hóa thạch sẽ giảm dần. Trớ trêu thay, các công ty Mỹ phát triển lò phản ứng hạt nhân mới đứng trước nguy cơ có thể khiến kế hoạch tham vọng của họ sớm sụp đổ, đó là sự thiếu hụt nguồn cung HALEU chất lượng cao.

Giống như câu hỏi trứng gà có trước hay con gà có trước, nếu dự trữ nguyên liệu hạt nhân không ổn định chẳng khách hàng nào dám mạo hiểm mua các lò phản ứng mới. Điều này cũng khiến các công ty đầu tư vào sản xuất HALEU cảm thấy bị đe dọa bởi chi phí sản xuất nguyên liệu hạt nhân này không thấp.

Trong khi đó Nga gần như độc quyền trên thị trường HALEU, bởi uranium làm giàu thấp của họ có chất lượng cao, giá cả cạnh tranh và quan trọng là nguồn cung dồi dào.

“Chúng tôi hiểu sự cần thiết phải hành động khẩn cấp để khuyến khích việc thiết lập nguồn cung cấp HALEU bền vững, theo định hướng thị trường”, người phát ngôn Bộ Năng lượng Mỹ cho biết khi được hỏi về nguồn cung HALEU cho các lò phản ứng hạt nhân mới.

Việc Nga độc quyền HALEU từ lâu đã khiến Washington lo ngại nhưng cuộc xung đột ở Ukraine đã thay đổi cuộc chơi, vì cả Washington và các công ty phát triển lò phản ứng kiểu mới như X-energy và TerraPower đều không muốn chịu sự phụ thuộc vào nguồn cung uranium từ Moskva.

HALEU được làm giàu lên đến mức 20% thay vì khoảng 5% đối với nhiên liệu uranium đang được hầu hết các nhà máy hạt nhân trên thế giới sử dụng. Nhưng chỉ có TENEX, công ty thành viên của Tập đoàn Năng lượng hạt nhân Nhà nước Rosatom bán HALEU ở cấp độ thương mại.

Dĩ nhiên sự độc quyền của Rosatom trên thị trường nguyên liệu hạt nhân khiến không một nước phương Tây nào dám cấm vận tập đoàn này, bởi vai trò của Nga đối với ngành công nghiệp hạt nhân toàn cầu là quá lớn.

Jeff Navin, Giám đốc đối ngoại của TerraPower, cho biết: "Chúng tôi không gặp vấn đề về nhiên liệu cho đến vài tháng trước. Sau những gì đang diễn ra ở Ukraine, chúng tôi không cảm thấy thoải mái khi làm ăn với Nga".

Tỷ phú Bill Gates là một người những người đi tiên phong trong phát triển lò phản ứng hạt nhân cỡ nhỏ với công ty năng lượng hạt nhân TerraPower. (Ảnh: Power Engineering).

Những dự án có quy mô càng lớn thì thách thức đi kèm cũng không hề ít, phần lớn đến từ khoảng đầu tư ban đầu quá lớn, chậm tiến độ và đội ngân sách. Trong khi đó, điện hạt nhân cũng bị các nguồn năng lượng thay thế khác cạnh tranh như điện gió và mặt trời. Chính vì lý do này, một số công ty đã đưa ra khái niệm là lò phản ứng modul cỡ nhỏ (SMR).

Trong khi các mẫu lò phản ứng SMR của châu Âu như EDF (EDF.PA) và Rolls-Royce (RR.L) sử dụng công nghệ cũ và dùng thanh nhiên liệu uranium thông thường, có đến 9 trong 10 lò SMR tiên tiến của Mỹ được thiết kế để sử dụng HALEU.

Về thiết kế SMR không cần tái nạp thanh nhiên liệu thường xuyên nhưng hiệu suất của nó gấp ba lần các lò phản ứng kiểu cũ. Đến nay, SMR tiên tiến vẫn chưa được các công ty Mỹ thương mại hóa dù các thử nghiệm ban đầu cho thấy hiệu quả mà chúng có thể mang lại.

Theo dữ liệu từ nhóm nghiên cứu thuộc Dự án Cải cách Đổi mới Năng lượng, chi phí điện bình quân để các dự án lò phản ứng SMR tiên tiến hòa vốn - là 60 USD/megawatt giờ, con số này ở các lò kiểu cũ là 97 USD.

Một số nhà phân tích cho rằng, sự chênh lệch giá có thể thu hẹp hơn nữa bởi vì các lò phản ứng tiên tiến nhỏ hơn sử dụng HALEU chưa thương mại hóa.

Trước tiềm năng từ lò phản ứng SMR, nhiều công ty ở Mỹ và châu Âu có kế hoạch sản xuất HALEU trên quy mô thương mại nhưng ngay cả trong những điều kiện thuận lợi nhất thì họ cũng phải mất ít nhất 5 năm để dây chuyền vào hoạt động.

Daniel Poneman, Giám đốc điều hành của nhà cung cấp nhiên liệu hạt nhân Mỹ Centrus Energy Corp (LEU.A), cho biết: “Không ai muốn đặt hàng 10 lò phản ứng hạt nhân mà không có nguồn nhiên liệu và không ai muốn đầu tư vào sản xuất nhiên liệu mà không có đầu ra”.

Đối với các công ty năng lượng quan tâm đến các lò phản ứng tiên tiến mới, chẳng hạn như công ty Energy Northwest của bang Washington, nguồn cung cấp nhiên liệu chắc chắn là một vấn đề trong quá trình ra quyết định.

Biểu đồ sử dụng nhiên liệu uranium của Mỹ trong giai đoạn từ năm 1950 đến năm 2021, các nhà máy điện hạt nhân Mỹ giờ đây gần như phụ thuộc nguồn uranium đã được làm giàu nhập khẩu. (Ảnh: EIA).

Tuy nhiên đã 3 năm trôi qua, Centrus vẫn chưa cho ra được tấn HALEU nào, trong khi đó thời điểm đưa dây chuyền sản xuất vào vận hành liên tục bị lùi tiến độ đến năm 2023. Lý do Centrus đưa ra là do sự đứt gãy chuỗi cung ứng toàn cầu trong đại dịch COVID-19.

Trong điều kiện thuận lợi, nếu Centrus đưa nhà máy đầu tiên vào hoạt động vào năm 2023 thì họ cũng phải mất ít nhất 5 năm để có thể trả đơn hàng HALEU đầu tiên. Sản lượng dự kiện ước tính khoảng 13 tấn mỗi năm.

Nhưng chưa hết, năng lực sản xuất HALEU của Centrus chỉ đáp ứng được 1/3 thanh nhiên liệu trong các dự án SMR mà Bộ Năng lượng Mỹ đang lên kế hoạch xây dựng từ nay đến năm 2030.

Điển hình TerraPower cho biết họ sẽ cần 15 tấn HALEU cho lần nạp nhiên liệu đầu tiên cho một lò phản ứng tiên tiến.

Công ty khai thác và làm giàu uranium thuộc sở hữu nhà nước của Pháp là Orano cho biết, họ có thể bắt đầu sản xuất HALEU sau 5 đến 8 năm tới, nhưng sẽ chỉ xin giấy phép sản xuất khi có khách hàng với hợp đồng dài hạn. Nói cách khác Orano và Centrus không muốn mạo hiểm khi đầu tư vào HALEU mà không có sự đảm bảo từ chính phủ Mỹ.

Trong khi đó, Urenco - công ty làm giàu uranium của châu Âu - cho hay, họ đang xem xét các địa điểm ở Mỹ và Anh để sản xuất HALEU nhưng vẫn chưa xin giấy phép.

Đối với TerraPower và X-energy, có các dự án lò phản ứng SMR đầu tiên được lên kế hoạch xây dựng lần lượt ở các bang Wyoming và bang Washington của Mỹ, thế nhưng với tiến độ khá gấp gáp.

Cụ thể bang Washington đã trao hợp đồng và chia sẻ chi phí cho TerraPower và X-energy để xây dựng hai nhà máy thí điểm vào năm 2028. Nhưng nếu không có nhiên liệu của Nga, thời hạn đó sẽ bị lùi lại cho đến khi có bất kỳ nhà cung cấp thương mại thay thế nào bắt đầu hoạt động.

Mặc dù mức độ làm giàu 20% của HALEU thấp hơn nhiều so với mức khoảng 90% đủ để làm vũ khí, song các công ty cần có giấy phép đặc biệt để sản xuất HALEU. Bên cạnh đó là các yêu cầu về an ninh và chứng nhận bổ sung mà các địa điểm sản xuất, đóng gói và vận chuyển nhiên liệu phải có.

Để đẩy nhanh tiến trình và tháo gỡ tình trạng bế tắc, chính phủ Mỹ đang tìm cách "trộn xuống cấp độ thấp" loại uranium được làm giàu đạt cấp độ vũ khí trong kho dự trữ của mình, mặc dù điều đó cũng sẽ mất thời gian.

Các lò phản ứng SMR sẽ có khích thước nhỏ và dễ xây dựng hơn rất nhiều so với các lò phản ứng công nghệ cũ.

Đạo luật Giảm Lạm phát mà Tổng thống Mỹ Joe Biden ký hồi tháng 8 bao gồm 700 triệu USD để đảm bảo nguồn cung cấp HALEU từ chính phủ và một tập đoàn hợp tác với Bộ Năng lượng để sử dụng trong các lò phản ứng và nghiên cứu tiên tiến.

Vào tháng 9, Nhà Trắng yêu cầu Quốc hội cấp thêm 1,5 tỷ USD trong dự luật ngân sách tạm thời của chính phủ để thúc đẩy nguồn cung cấp trong nước về uranium có mức độ làm giàu thấp và HALEU, nhằm giải quyết những khó khăn tiềm ẩn trong việc tiếp cận nhiên liệu của Nga.

Các nhà lập pháp đã loại bỏ mục này vì lo ngại về các chi phí, mặc dù nó vẫn là ưu tiên đối với một số quan chức trong chính quyền Biden, bao gồm cả Bộ trưởng Năng lượng Jennifer Granholm.

Năm ngoái, các nhà máy điện hạt nhân ở Mỹ đã nhập khẩu khoảng 14% uranium của họ từ Nga, cùng với dịch vụ làm giàu uranium của Nga chiếm 28%, theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ.

Lò phản ứng modul cỡ nhỏ (SMR) được xem là bước đột phá của ngành công nghiệp hạt nhân trong những năm qua, lợi thế của lò phản ứng SMR so với công nghệ cũ nằm ở kích thước nhỏ và thiết kế dạng modul.

Thay vì xây dựng lò phản ứng tại chỗ và điều chỉnh phù hợp với địa điểm, SMR có thể được chế tạo sẵn tại nhà máy và chuyển đến vị trí cần lắp đặt chỉ trong khoảng thời gian ngắn.

Điển hình như mẫu lò phản ứng SMR của công ty NuScale, mỗi lò module hình trụ cao 20 m, có đường kính 2,7 m và sản xuất 77 MW bằng cách đẩy hơi nước qua turbine. Một nhà máy điện có thể chạy 4 - 12 module đặt chìm trong bể nước, do đó tổng công suất vào khoảng 308 - 924 MW.

Giống như phần lớn lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới khác, SMR được thiết kế để tự ngắt an toàn trong trường hợp xảy ra sự cố. Van dẫn nước và xả hơi sẽ đóng trong tình huống khẩn cấp. Ngoài ra lò phản ứng được đặt trong bể nước khổng lồ với mái bê tông, cung cấp lớp bảo vệ cuối cùng để đối phó với động đất và nguy cơ nhà máy bị tấn công từ bên ngoài.