Thách thức lớn nhất của lò hạt nhân đang hoạt động: Hùng mạnh như Mỹ và EU cũng phải "đau đầu"

Điện hạt nhân đang nổi lên là nguồn điện sạch, ít carbon, nhưng vấn đề lớn nhất mà nhiều quốc gia đang phải đối mặt là gì?

Mọi nơi trên thế giới đều tham gia vào phát triển năng lượng hạt nhân dân sự. Đó là nhận định của Hiệp hội Hạt nhân Thế giới (WNA) tính cho đến tháng 2/2025.

Đây là xu hướng tất yếu trong bối cảnh nhân loại đối mặt với bài toán thời đại mang tên Biến đổi khí hậu. Nguồn năng lượng từ quá trình phân hạch hạt nhân này (hầu hết các lò sử dụng đồng vị uranium-235) đang là nguồn năng lượng carbon thấp lớn thứ 2 trên thế giới. 

Với 20.000 năm kinh nghiệm vận hành tích lũy kể từ khi đi vào hoạt động thương mại năm 1950, hạt nhân hiện cung cấp khoảng 9% lượng điện của thế giới từ khoảng 440 lò phản ứng đang hoạt động. 

Chỉ một viên uranium (dài 1,5 cm) đã tạo ra năng lượng tương đương một tấn than; hoặc 149 gallon dầu; khoảng 481 mét khối khí đốt tự nhiên. Nhờ đó, các lò phản ứng hạt nhân đã giúp tránh được 2,1 tỷ tấn khí thải CO2 xả ra bầu khí quyển Trái đất riêng năm 2023 từ sản lượng than tương đương.

Vai trò của công nghệ hạt nhân vượt xa việc cung cấp năng lượng carbon thấp. Nó giúp kiểm soát sự lây lan của bệnh tật, hỗ trợ bác sĩ trong việc chẩn đoán và điều trị bệnh nhân và cung cấp năng lượng cho các sứ mệnh đầy tham vọng nhất của chúng ta là khám phá vũ trụ. 

Những công dụng đa dạng này đưa công nghệ hạt nhân vào trọng tâm của các nỗ lực trên thế giới nhằm đạt được sự phát triển bền vững. 

Tuy nhiên...

Các cường quốc hạt nhân đang đối mặt với một thách thức lớn từ các lò phản ứng hạt nhân: Sự già hóa.

Bài toán thập kỷ của lò phản ứng hạt nhân

Tại Hội nghị về biến đổi khí hậu COP28 ở Dubai, UAE, vào tháng 12/2023, 25 quốc gia đã ký một tuyên bố với mục tiêu tăng gấp 3 công suất hạt nhân toàn cầu vào năm 2050. Để đạt được mục tiêu này, cần phải tăng đáng kể việc xây dựng các nhà máy hạt nhân mới.

Mục tiêu này khiến Statista Research Department đưa ra dự báo tươi sáng về điện hạt nhân: Năm 2030, điện hạt nhân toàn cầu sẽ đạt công suất 461 Gigawatt điện; tiếp đó sẽ tăng khoảng 200 Gigawatt sau mỗi 10 năm cho đến ít nhất là năm 2050.

Đó là dự báo. Thực tế nổi cộm một vấn đề. Trong khi việc xây dựng một nhà máy hạt nhân mới mất trung bình khoảng 6-7 năm thì sự hồi sinh khiêm tốn trong việc xây dựng lò mới trong thế kỷ 21 không đủ để ngăn chặn sự già hóa của các lò phản ứng hạt nhân hiện tại, Viện Phát triển Bền vững Toàn cầu (IGS), Đại học Boston, Mỹ nhận định.

Khoảng 20% trong số 440 lò phản ứng điện hạt nhân đang hoạt động trên thế giới nằm ở Mỹ - quốc gia sản xuất điện hạt nhân lớn nhất toàn cầu. Tiếp theo là Trung Quốc, Pháp và Nga. 

Trong tổng số 64 lò phản ứng đang được xây dựng hiện nay, hơn hai phần ba là ở Châu Á. Nếu như Trung Quốc đang dẫn đầu thế giới với 29 lò phản ứng hạt nhân mới đang xây dựng thì các cường quốc hạt nhân như Mỹ, hay khối Liên minh châu Âu (EU) lại "đau đầu" với các lò phản ứng già hóa của mình. Chưa kể, các quốc gia này lại đang phụ thuộc rất nhiều vào năng lượng hạt nhân. 

Bài toán của châu Âu

Bị chấn động vì mất nguồn khí đốt tự nhiên của Nga (do những bất ổn chính trị giữa Nga và Ukraine), các nước châu Âu đang đặt câu hỏi liệu họ có thể kéo dài tuổi thọ của các lò phản ứng hạt nhân đang già hóa để duy trì nguồn cung cấp điện giá cả phải chăng và không phát thải carbon hay không?

Năng lượng hạt nhân chiếm gần 10% sản lượng năng lượng tiêu thụ ở EU, trong khi giao thông vận tải, công nghiệp, sưởi ấm và làm mát truyền thống dựa vào than, dầu và khí đốt tự nhiên.

Trong lịch sử, năng lượng hạt nhân đã cung cấp khoảng 1/4 lượng điện của EU và 15% lượng điện của Anh. Hiện nay, Pháp dẫn đầu về năng lượng hạt nhân, cung cấp 68,5% điện năng, trong khi Slovakia và Hungary duy trì khoảng một nửa sản lượng điện từ các nguồn hạt nhân.

Tổng cộng, Vương quốc Anh và EU có 109 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động, phần lớn được xây dựng vào những năm 1970 và 1980 và được đưa vào vận hành trong khoảng 30 năm.

Điều đó có nghĩa là 95 trong số các lò phản ứng đó — gần 90% tổng số lò hạt nhân — đã qua hoặc sắp hết tuổi thọ ban đầu, làm dấy lên cuộc tranh luận về việc chúng có thể tiếp tục được gia hạn hoạt động một cách an toàn trong bao lâu.

Bài toán của Mỹ

Mỹ là quốc gia sản xuất năng lượng hạt nhân lớn nhất thế giới, tạo ra gần 790 tỷ kWh hàng năm. Theo Cơ quan Thông tin Năng lượng Mỹ (EIA), có 96 lò phản ứng đang hoạt động tại 29 tiểu bang của Mỹ, cung cấp tổng cộng khoảng 20% điện năng cho quốc gia này.

Cũng giống như EU, Mỹ đối mặt bài toàn già hóa lò hạt nhân tương tự. Tuổi trung bình của các lò phản ứng điện hạt nhân thương mại của Mỹ đang hoạt động tính đến ngày 30/4/2024 là khoảng 42 năm. Hầu như toàn bộ công suất phát điện hạt nhân của Mỹ đều đến từ các lò phản ứng được xây dựng từ năm 1967 đến năm 1990.

Không chỉ có đội lò phản ứng già hóa, Mỹ còn đối mặt với câu chuyện các lò "chưa già đã nghỉ hưu".

Tính đến năm 2023, 9 trong số 41 đơn vị đã đóng cửa tại Mỹ đã đạt đến tuổi thọ 40 năm. Cả 9 đơn vị đều đã có giấy phép hoạt động lên đến 60 năm nhưng đều bị đóng cửa chủ yếu vì lý do kinh tế. 

Nói cách khác, ít nhất một phần tư trong số gần 100 lò phản ứng được kết nối với lưới điện tại Mỹ không bao giờ đạt đến tuổi thọ thiết kế ban đầu là 40 năm. Tuổi thọ trung bình khi đóng cửa 41 đơn vị đó là 22,8 năm.

Giải pháp là gì?

Là kéo dài tuổi thọ của các nhà máy điện hạt nhân hiện có. Bởi việc này rẻ hơn và đỡ mất thời gian hơn. 

Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), các dự án kéo dài tuổi thọ lò hạt nhân có thể tốn 25–50% chi phí xây dựng một nhà máy hạt nhân hoàn toàn mới, khiến chúng trở thành giải pháp tiết kiệm chi phí để duy trì nguồn cung cấp năng lượng.

Cụ thể, trong khi việc xây dựng một nhà máy mới có thể mất hàng thập kỷ và tốn khoảng 14 tỷ euro, thì việc đầu tư vào việc kéo dài tuổi thọ có thể được thực hiện với chi phí dưới 1 tỷ euro và diễn ra dần dần, bằng cách thay thế các bộ phận cũ trong quá trình bảo trì hoặc tiếp nhiên liệu theo lịch trình thường xuyên sau mỗi 18-24 tháng.

Thách thức lớn nhất là duy trì lõi lò phản ứng, nơi các nguyên tử uranium bị phân tách để giải phóng neutron bên trong lõi. Những neutron bay đó cũng đập vào thành thép của lõi lò, vốn làm thay đổi cấu trúc mạng tinh thể của kim loại, khiến nó cứng và giòn. Đó là việc của công nghệ.

Tại Mỹ, Ủy ban quản lý hạt nhân (NRC) là cơ quan chính phủ được thành lập năm 1974 để chịu trách nhiệm quản lý ngành công nghiệp hạt nhân, đặc biệt là lò phản ứng, cơ sở chu trình nhiên liệu, vật liệu và chất thải.

Trong một động thái mang tính lịch sử, vào tháng 3/2000, NRC đã gia hạn giấy phép hoạt động của nhà máy điện hạt nhân Calvert Cliffs gồm hai tổ máy thêm 20 năm nữa. Vào tháng 3/2019, NRC đã gia hạn giấy phép cho Seabrook, kéo dài thời gian hoạt động của tổ máy thêm 20 năm đến năm 2050. NRC thậm chí hiện đang xem xét các đơn xin gia hạn giấy phép hoạt động sau 60 năm lên 80 năm.

Tại Anh, quốc gia phụ thuộc vào khí đốt, hai nhà máy điện hạt nhân 40 năm tuổi dự kiến đóng cửa vào năm 2024 cũng đã được chấp thuận để hoạt động đến năm 2026 và có khả năng là năm 2028, nhằm giúp bổ sung nguồn cung cấp điện trong những năm tới.

Tại Tây Ban Nha, nơi 7 lò phản ứng sẽ bắt đầu bị đóng cửa dần dần vào năm 2027 với mục tiêu loại bỏ hoàn toàn vào năm 2035, cũng thực hiện việc kéo dài tuổi thọ của các nhà máy điện hạt nhân để đảm bảo nguồn cung điện sạch.

Bỉ đã thay đổi kế hoạch loại bỏ hạt nhân vào năm 2025 để giảm phụ thuộc vào khí đốt tự nhiên. Hai lò phản ứng hạt nhân trẻ nhất của nước này đã được cấp phép hoạt động đến năm 2036, kéo dài thêm một thập kỷ tuổi thọ.

Phần Lan, Thụy Điển, Bulgaria, Cộng hòa Séc, Slovenia, Hà Lan và Hungary đều đã thực hiện các bước để cho phép các lò phản ứng hoạt động trong ít nhất 60 năm, tùy thuộc vào việc kiểm tra an toàn thường xuyên. 

Pháp đang tiến hành chương trình kiểm tra và tân trang kéo dài 40 năm đối với 32 lò phản ứng lâu đời nhất của nước này.

Reuters bình luận, đối với nhiều quốc gia, đầu tư để duy trì hoạt động của nhà máy điện hạt nhân hiện tại càng lâu càng tốt là một quyết định kinh doanh sáng suốt so với cú sốc giá khi cắt nguồn cung cấp điện đáng kể của EU vốn gần như không phát thải. 

Tuy nhiên, điều quan trọng nhất là AN TOÀN. An toàn là tối quan trọng trong bất kỳ cuộc thảo luận nào về việc kéo dài tuổi thọ của các nhà máy điện hạt nhân.

Biết rằng, về mặt an ninh năng lượng, việc kéo dài hoạt động của nhà máy điện hạt nhân làm giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch vốn đang khiến khí quyển ngày một nóng lên, nhưng để sử dụng hạt nhân một cách có trách nhiệm hơn, các quốc gia cũng cần coi trọng yếu tố an toàn, để hạt nhân một lần nữa không bị "bóng ma" của Fukushima và Chernobyl ám ảnh thêm lần nào nữa.

Tham khảo: Reuters, CERTREC, Visualizing Energy (Viện Phát triển Bền vững Toàn cầu), Đại học Boston, Mỹ