Lò công suất nhỏ kiểu module - SMR nguồn năng lượng bền vững

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
34 Số 49 - Tháng 12/2016
LÒ CÔNG SUẤT NHỎ KIỂU MODULE - SMR
NGUỒN NĂNG LƯỢNG BỀN VỮNG
Hai xu hướng phát triển công nghệ 
Hiện	nay,	các	nhà	máy	điện	hạt	nhân	xây	
mới	chủ	yếu	sử	dụng	loại	công	nghệ	lò	cải	tiến	
dùng	 nước	 làm	 mát	 công	 suất	 lớn	 (Advanced	
Large	 Water	 Cooled	 Reactors).	 Loại	 lò	 này	
thường	 được	 kết	 hợp	 giữa	 công	 nghệ	 đã	 được	
kiểm	chứng	với	những	cải	tiến	đột	phá	của	các	hệ	
thống	an	toàn.	Kết	quả	đã	cho	ra	đời	nhiều	công	
nghệ	 lò	cải	 tiến	công	suất	 lớn	 thế	hệ	3+	với	độ	
an	toàn	cao	và	cạnh	tranh	tốt	về	mặt	kinh	tế	[1].	
Ví	dụ,	RosAtom	(LB	Nga)	hiện	tại	có	thể	cung	
cấp	các	loại	lò	nước	áp	lực	(PWR)	công	suất	lớn	
kiểu	VVER-1000	AES-92	và	VVER-1200	AES-
2006.	AREVA	 (Pháp)	 có	 công	 nghệ	 EPR-1600	
hiện	đang	được	xây	dựng	tại	Phần	Lan,	Pháp	và	
Trung	Quốc.	Mitsubishi	Heavy	Industries	(MHI	
-	Nhật	Bản)	có	3	loại:	JP-APWR,	US-APWR,	và	
EU-APWR	thiết	kế	phù	hợp	với	yêu	cầu	đặc	thù	
của	từng	nước,	dải	công	suất	từ	1538	MW	điện	
đến1700	MW	điện.	Toshiba-Westinghouse	(Nhật	
-	Mỹ)	có	AP-1000	với	điểm	nhấn	là	an	toàn	thụ	
động.	ATMEA	là	công	ty	liên	doanh	giữa	AREVA	
và	Mitsubishi	Heavy	 Industries	 đang	 giới	 thiệu	
với	thị	trường	công	nghệ	lò	ATMEA1	công	suất	
1100	MW	điện.	Korea	Electric	Power	Company	
(KEPCO	-	Hàn	Quốc)	thiết	kế	và	xây	dựng	loại	
APR-1400.	Ngoài	ra,	còn	có	các	loại	lò	nước	sôi	
cải	 tiến	 như	 ABWR-1400,	 ESBWR-1500	 của	
Ge	-	Hitachi	(Nhật	Bản)	và	KERENA-1250	của	
 Song hành với xu hướng phát triển các loại lò phản ứng công suất lớn là xu hướng 
phát triển các loại lò công suất nhỏ kiểu module (Small Modular Reactor - SMR) với thiết kế đổi mới. 
Hiện nay, có 15 nước thành viên của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đang nghiên cứu 
phát triển các loại lò công suất nhỏ và trung bình với trên 50 thiết kế khác nhau đang được nghiên 
cứu phát triển từ thiết kế khái niệm đến thiết kế cơ sở.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
35Số 49 - Tháng 12/2016
AREVA	cũng	đang	được	đưa	ra	thị	trường.
Song	 hành	 với	 xu	 hướng	 phát	 triển	 các	
loại	lò	công	suất	lớn	là	xu	hướng	phát	triển	các	
loại	lò	công	suất	nhỏ	kiểu	module	(Small	Modular	
Reactor	-	SMR)	với	thiết	kế	đổi	mới.	Hiện	nay,	
có	15	nước	thành	viên	của	Cơ	quan	Năng	lượng	
nguyên	tử	quốc	tế	(IAEA)	đang	nghiên	cứu	phát	
triển	các	loại	lò	công	suất	nhỏ	và	trung	bình	với	
trên	50	thiết	kế	khác	nhau	đang	được	nghiên	cứu	
phát	triển	từ	thiết	kế	khái	niệm	đến	thiết	kế	cơ	sở	
[2,3,4].	Các	loại	thiết	kế	mới	này	đều	tiến	tới	thỏa	
mãn	các	yêu	cầu	cơ	bản	của	 IAEA,	đó	 là:	đảm	
bảo	an	toàn	cao	nhất;	bảo	vệ	môi	trường	cho	phát	
triển	bền	vững	và	đảm	bảo	cạnh	tranh	kinh	tế	với	
các	 nguồn	 năng	 lượng	 khác	 [3].	Đồng	 thời,	 để	
thuận	lợi	cho	các	nước	sử	dụng,	các	loại	thiết	kế	
mới	còn	đảm	bảo	có	chu	trình	sử	dụng	nhiên	liệu	
kéo	dài	nhiều	năm	(2	năm	đến	10	năm)	và	có	thể	
xây	dựng	ở	nhiều	nơi:	trên	mặt	đất;	đặt	trên	các	
con	tàu	hoặc	đặt	dưới	lòng	đất	[4].	Những	thiết	
kế	 đổi	mới	 này	 có	 thể	 được	 đưa	 vào	 thực	 tiễn	
trong	giai	đoạn	từ	năm	2015	đến	năm	2030.	Trên	
hình	1	biểu	diễn	khoảng	thời	gian	có	thể	đưa	vào	
khai	thác	sử	dụng	của	2	loại	lò	công	suất	nhỏ	kiểu	
module:	loại	thay	nhiên	liệu	tại	chỗ	theo	phương	
pháp	truyền	thống	và	loại	không	thay	nhiên	nhiên	
liệu	tại	chỗ.
Hình 1. Khoảng thời gian có thể đưa vào 
khai thác sử dụng của 2 loại lò công suất nhỏ 
kiểu module - SMR [3,4].
Triết lý an toàn của lò công suất nhỏ kiểu 
module - SMR
Triết	lý	an	toàn	của	lò	công	suất	nhỏ	kiểu	
module	-	SMR	là	“an	toàn	bởi	thiết	kế”	(“safety	
by	design”)	với	mục	tiêu	là	loại	trừ	đến	mức	tối	
đa	có	thể	các	sự	kiện	khởi	phát	gây	ra	sự	cố,	với	
phần	còn	lại	sẽ	kết	hợp	một	cách	hợp	lý	giữa	các	
hệ	thống	an	toàn	chủ	động	với	an	toàn	thụ	động	
[4,5].	Để	đạt	được	mục	tiêu	này,	các	nhà	thiết	kế	
sử	dụng	cách	tiếp	cận	thiết	kế	tích	hợp	(integral	
design).
Với	 thiết	 kế	 tích	 hợp,	 toàn	 bộ	 hệ	 thống	
vòng	tuần	hoàn	sơ	cấp	bao	gồm	vùng	hoạt,	thiết	
bị	 sinh	 hơi,	 thiết	 bị	 điều	 áp	 và	 bơm	 tuần	 hoàn	
đều	được	đặt	trong	thùng	lò	phản	ứng.	Cách	tiếp	
cận	này	được	sử	dụng	trong	thiết	kế	CAREM-25,	
SMART,	 IRIS,	 Westinghouse	 SMR,	 IMR,	
mPower,	NuScale	Trên	hình	2	mô	tả	sơ	đồ	điển	
hình	của	loại	lò	có	thiết	kế	tích	hợp.
Hình 2. Sơ đồ điển hình của loại lò có 
thiết kế tích hợp [4,5].
Thiết	kế	tích	hợp	không	cần	đến	hệ	thống	
ống	 dẫn	 tuần	 hoàn	 chất	 tải	 nhiệt,	 như	 vậy,	 khả	
năng	xảy	ra	sự	cố	LOCA	lớn	(do	vỡ	ống	dẫn	tuần	
hoàn)	bị	loại	trừ,	đồng	thời	làm	giảm	hậu	quả	của	
các	 loại	 sự	cố	LOCA	khác	 (nếu	xảy	 ra),	 từ	đó,	
làm	giảm	và	đơn	giản	hóa	hệ	thống	an	toàn.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
36 Số 49 - Tháng 12/2016
Tất	 cả	 các	 lò	SMR	có	 thiết	 kế	 tích	 hợp	
đều	đảm	bảo	được	khả	năng	tải	nhiệt	dư	sau	khi	
khi	dừng	lò	bằng	đối	lưu	tự	nhiên.	Một	số	thiết	kế	
như	CAREM-25	(Argentina),	ABV-6E	(LB	Nga),	
NuScale	(Hoa	Kỳ),	SMR-160	(Hoa	Kỳ)	thậm	
chí	 còn	 sử	 dụng	 cả	 đối	 lưu	 tự	 nhiên	 trong	 chế	
độ	làm	việc	có	công	suất	nghĩa	là	không	cần	đến	
bơm	tuần	hoàn	chính.	Không	có	bơm	tuần	hoàn	
đã	loại	trừ	được	khả	năng	xảy	ra	sự	cố	LOFA	(sự	
cố	mất	 dòng	 chất	 tải	 nhiệt)	 do	 hỏng	 bơm	hoặc	
mất	điện	cấp	cho	máy	bơm.
Hình 3. Sơ đồ đối lưu tự nhiên đối lưu 
tự nhiên trong mọi chế độ hoạt động của lò 
MASLWR [4].
Một	 số	 lò	 SMR	 thiết	 kế	 tích	 hợp	 như	
CAREM-25,	IRIS,	IMR,	mPower	còn	đưa	cả	
hệ	 thống	 dẫn	 động	 thanh	 điều	 khiển	 vào	 trong	
thùng	lò.	Thiết	kế	như	vậy	đã	loại	trừ	được	khả	
năng	xảy	ra	sự	cố	RIA	(sự	cố	tăng	bất	ngờ	độ	phản	
ứng	dương	do	bật	thanh	điều	khiển	ra	ngoài).
Thiết	kế	tích	hợp	với	việc	đưa	thiết	bị	sinh	
hơi	vào	trong	thùng	lò	và	áp	lực	phía	trong	ống	
nhỏ	hơn	áp	 lực	bên	ngoài	đã	 loại	 trừ	được	khả	
năng	xảy	ra	sự	cố	SGTR	(sự	cố	làm	vỡ	ống	trao	
đổi	nhiệt	của	thiết	bị	sinh	hơi).	Sự	cố	này	trong	
các	lò	PWR	công	suất	lớn	dễ	làm	thoát	xạ	ra	môi	
trường.
Như	 vậy,	 với	 thiết	 kế	 tích	 hợp,	 lò	 công	
suất	nhỏ	kiểu	module	-	SMR	(thuộc	dòng	nước	
áp	lực	-	PWR)	đã	loại	trừ	được	4	nhóm	sự	kiện	
khởi	phát	cơ	bản:	RIA,	LOFA,	LOCA	và	SGTR.	
Đây	 là	những	nhóm	sự	kiện	khởi	phát	được	sử	
dụng	làm	cơ	sở	thiết	kế	của	các	hệ	thống	an	toàn	
trong	các	lò	PWR	công	suất	 lớn.	Loại	 trừ	được	
các	 nhóm	 sự	 kiện	 khởi	 phát	 này	 làm	 tăng	 lên	
đáng	kể	mức	độ	an	toàn	của	lò	SMR,	đồng	thời	
làm	giảm	nhẹ	mức	độ	phức	tạp	trong	thiết	kế	hệ	
thống	an	toàn	để	khống	chế	những	sự	kiện	khởi	
phát	còn	lại.
Theo	kết	quả	tính	toán	phân	tích	an	toàn,	
lò	công	suất	nhỏ	kiểu	module	-	SMR	có	xác	suất	
nóng	chảy	vùng	hoạt	CDF	rất	thấp	(10-6	-	10-8)	
nghĩa	là	ngang	bằng	hoặc	nhỏ	hơn	một	bậc	so	với	
lò	PWR	công	suất	lớn	tốt	nhất	hiện	nay.	Xác	suất	
phát	xạ	lớn	LERF	thường	là	nhỏ	hơn	CFD	10	lần.
Khả năng cạnh tranh kinh tế của lò SMR
Hiện	nay,	các	chuyên	gia	đã	công	bố	một	
số	công	 trình	chuyên	đề	cập	 tới	khả	năng	cạnh	
tranh	kinh	tế	của	lò	SMR.	Trong	[6],	 tác	giả	đã	
phân	tích	4	mô	hình	thị	trường	điện	tại	khu	vực	
châu	Âu.	Kết	quả	tính	toán	có	tính	tới	thuế	carbon	
cho	thấy,	 lò	SMR	có	thể	cạnh	tranh	được	trong	
thị	trường	điện	tương	lai	nếu	chi	phí	đầu	tư	được	
kiểm	soát	và	nguồn	tài	chính	có	thể	thu	xếp	được.	
Trong	[7],	các	tác	giả	đã	phân	tích	toàn	diện	tính	
kinh	tế	của	lò	SMR	so	với	lò	công	suất	lớn	cũng	
như	các	dạng	năng	lượng	khác	với	việc	chi	 tiết	
hóa	các	thành	phần	của	vốn	đầu	tư.	Các	tác	giả	
đã	kết	luận	rằng,	lò	SMR	là	lĩnh	vực	công	nghiệp	
quan	trọng	của	Hoa	Kỳ	và	sẽ	đưa	Hoa	Kỳ	trở	lại	
vai	trò	dẫn	đầu	trong	lĩnh	vực	công	nghệ	lò	phản	
ứng,	đặc	biệt	là	nâng	cao	vai	trò	dẫn	đầu	thế	giới	
trong	an	toàn	hạt	nhân,	an	ninh	hạt	nhân,	không	
phổ	biến	vũ	khí	hạt	nhân	và	xử	lý	chất	thả	phóng	
xạ.	Trong	[8,9,10],	các	tác	giả	cũng	đã	phân	tích	
một	cách	toàn	diện	tính	kinh	tế	của	lò	SMR	so	với	
lò	công	suất	lớn	cũng	như	các	dạng	năng	lượng	
khác.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
37Số 49 - Tháng 12/2016
Trên	cơ	sở	các	kết	quả	tính	toán,	các	tác	
giả	đã	kết	luận:
-	 Lò	 phản	 ứng	 hạt	 nhân	 công	 suất	 nhỏ	
kiểu	module	-	SMR	thông	thường	có	chi	phí	sản	
xuất	điện	năng	quy	dẫn	-	LUEC	cao	hơn	so	với	
loại	lò	công	suất	lớn.
-	Một	số	loại	lò	công	suất	nhỏ	kiểu	module	
-	SMR	có	thể	cạnh	tranh	được	với	các	nguồn	năng	
lượng	khác,	đặc	biệt	là	so	với	năng	lượng	tái	tạo	
như	điện	gió,	điện	mặt	trời.
-	Lò	công	 suất	nhỏ	kiểu	module	 -	SMR	
sẽ	trở	nên	cạnh	tranh	hơn	nếu	tính	cả	thuế	carbon	
trong	chi	phí	sản	xuất	điện.
-	Lò	công	suất	nhỏ	kiểu	module	-	SMR	có	
tính	cạnh	tranh	cao	đối	với	các	vùng	xa	xôi,	hẻo	
lánh,	vùng	đảo	biển,	nơi	lưới	điện	quốc	gia	không	
thể	kết	nối	được.
Bài toán SMR cho Việt Nam
Với	những	ưu	thế	vượt	trội	về	mặt	an	toàn	
và	khả	năng	cạnh	tranh	về	mặt	kinh	tế,	 lò	phản	
ứng	hạt	nhân	công	suất	nhỏ	kiểu	module	-	SMR	
đang	được	xem	xét	như	một	lựa	chọn	khôn	ngoan	
trong	chiến	lược	phát	triển	năng	lượng	bền	vững	
của	nhiều	nước	trên	thế	giới,	trong	đó	có	các	nước	
khu	vực	ASEAN	[11].	
Hiện	 tại,	 việc	 cung	 cấp	 năng	 lượng	 cho	
các	vùng	biển	đảo	của	các	quốc	gia	có	nhiều	lựa	
chọn	khác	nhau	tùy	thuộc	vào	năng	lực	kỹ	thuật	
và	điều	kiện	cụ	thể	của	từng	nước,	đó	là	cấp	điện	
bằng	cáp	ngầm	(nếu	gần	đất	liền),	cấp	điện	bằng	
máy	phát	diesel	hoặc	bằng	nguồn	năng	lượng	tái	
tạo	như	điện	gió,	điện	mặt	trời...	Trong	tương	lai	
không	xa,	một	số	quốc	gia	như	Nga,	Mỹ,	Nhật,	
Trung	Quốc,	Hàn	Quốc...	thậm	chí	là	cả	Inđônêsia	
sẽ	dùng	năng	lượng	hạt	nhân	với	lò	công	suất	nhỏ	
kiểu	module	-	SMR	để	cung	cấp	năng	lượng	cho	
các	vùng	biển	đảo.	
Việt	Nam	là	quốc	gia	biển	với	hàng	nghìn	
hòn	đảo	lớn	nhỏ	và	một	vùng	rộng	lớn	lãnh	hải	
thuộc	 đặc	 quyền	 kinh	 tế.	 Diện	 tích	 phần	 lãnh	
hải	 lớn	hơn	 rất	nhiều	 so	với	phần	diện	 tích	đất	
liền.	Do	 đó,	 cần	 phải	 nhận	 thức	 được	 và	 có	 tư	
duy	chiến	lược	rằng,	đây	là	một	không	gian	sinh	
tồn	quan	trọng	của	cả	dân	tộc.	Với	nhận	thức	và	
tư	 duy	đó,	 việc	 đảm	bảo	 cung	 cấp	nguồn	năng	
lượng	bền	vững	cho	phát	tiển	kinh	tế	-	xã	hội	tại	
các	 hòn	 đảo	 và	 về	 lâu	 dài,	 việc	 đảm	 bảo	 cung	
cấp	nguồn	năng	lượng	bền	vững	cho	các	đoàn	tầu	
thuyền	khai	thác	kinh	tế	ngoài	khơi	là	một	nhiệm	
vụ	chiến	lược	quan	trọng	quốc	gia./.
Lê Văn Hồng
Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam
Tài liệu tham khảo 
1.	 Advanced	 Large	 Water	 Cooled	
Reactors.	A	supplement	to	the	IAEA’s	Advanced	
Reactor	Information	System	(ARIS),	IAEA	2015.
2.	 IAEA-TECDOC-1451	 “Innovative	
small	 and	 medium	 sized	 reactors:	 Design	
features,	 safety	 approaches	 and	 R&D	 trends”,	
Austria,	May	2005.
3.	 IAEA-TECDOC-1485	 “Status	 of	
innovative	 small	 and	 medium	 sized	 reactor	
designs	With	 conventional	 refuelling	 schemes”,	
Austria,	March	2006.	
4.	IAEA-TECDOC-1536	“Status	of	Small	
Reactor	 Designs	 Without	 On-Site	 Refuelling”,	
Austria,	January	2007.	
5.	 Iraj	 Mahmoudzadeh	 Kani,	 Mehdi	
Zandieh,	 Saeed	 Kheirollahi	 HosseinAbadi	
“Design	 Characteristics	 for	 Pressurized	 Water	
Small	 Modular	 Nuclear	 Power	 Plants	 with	
Focus	on	Safety	Aspects”,	 International	Journal	
of	 Review	 in	 Life	 Sciences	 ISSN	 2231-2935,	
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
38 Số 49 - Tháng 12/2016
Research	Article.
6.	David	Shropshire,	“Economic	viability	
of	 small	 to	 medium-sized	 reactors	 deployed	 in	
future	 European	 energy	 markets”.	 Progress	 in	
Nuclear	Energy	53	(2011),	299-307.	
7.	Robert	Rosner	and	Stephen	Goldberg,	
“Small	 Modular	 Reactors	 –	 Key	 to	 Future	
Nuclear	 Power	 Generation	 in	 the	 U.S.	 Energy	
Policy	Institute	at	Chicago.	The	Harris	School	of	
Public	Policy	Studies.	Technical	Paper,	Revision	
1,	November,	2011.
8.	 Giorgio	 Locatelli,	 Chris	 Bingham,	
Mauro	 Mancini,	 “Small	 modular	 reactors:	 A	
comprehensive	overview	of	their	economics	and	
strategic	aspects”.	Progress	in	Nuclear	Energy	73	
(2014)	75-85.
9.	Mark	Cooper,	“Small	modular	reactors	
and	 the	 future	 of	 nuclear	 power	 in	 the	 United	
States”.	 Energy	 Research	 &	 Social	 Science	 3	
(2014)	161–177.
10.	Current	Status,	Technical	Feasibility	
and	 Economic	 of	 Small	 Nuclear	 Reactors,	
Nuclear	Energy	Agency,	June	2011.
11.	Victor	Niana,	John	Baulya,	“Nuclear	
Power	 Developments:	 Could	 Small	 Modular	
Reactor	Power	Plants	be	a	“Game	Changer”?	–	
The	ASEAN	Perspective”.	The	6th	International	
Conference	on	Applied	Energy	–	ICAE2014.