Phá vỡ nút thắt năng lượng hạt nhân: Cách chuyển đổi Thori thành Uranium định hình lại an ninh năng lượng toàn cầu

Trung Quốc đã đạt được điều mà các chương trình hạt nhân phương Tây đã theo đuổi trong nhiều thập kỷ—chứng minh khả năng chuyển đổi thorium sang uranium liên tục trong một lò phản ứng muối nóng chảy hoạt động. Thành tựu này đánh dấu một bước ngoặt trong công nghệ hạt nhân thế hệ mới, với những tác động sâu rộng đối với độc lập năng lượng toàn cầu và chiến lược giảm phát thải carbon.

Bước đột phá kỹ thuật: Điều gì làm nên sự khác biệt này

Lò phản ứng muối nóng chảy thorium thử nghiệm (TMSR), do Viện Vật lý Ứng dụng Thượng Hải thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc (SINAP) xây dựng tại sa mạc Gobi, đã thành công xác nhận quy trình chuyển đổi nhiên liệu biến thorium-232, một nguyên tố phong phú, thành uranium-233—một vật liệu phân hạch có khả năng duy trì phản ứng phân hạch hạt nhân. Kể từ khi đạt tới trạng thái hoạt động quan trọng vào tháng 10 năm 2023, lò đã liên tục tạo ra năng lượng nhiệt đáng tin cậy đồng thời thu thập dữ liệu thử nghiệm xác nhận quá trình chuyển đổi này.

Khác với các lò phản ứng hạt nhân truyền thống dựa trên thanh nhiên liệu uranium rắn, TMSR sử dụng nhiên liệu lỏng treo trong muối fluoride nóng chảy. Thiết kế hai chức năng này vừa làm nguồn nhiên liệu vừa làm môi trường làm mát, cho phép nạp nhiên liệu liên tục mà không cần dừng hoạt động. Theo ông Li Qingnuan, phó giám đốc tại SINAP, phương pháp này nâng cao đáng kể hiệu quả nhiên liệu đồng thời giảm thiểu đáng kể việc tạo ra chất thải phóng xạ có thời gian tồn tại dài—giải quyết một trong những mối quan tâm môi trường lâu dài của ngành công nghiệp hạt nhân.

Tại sao việc sử dụng thorium lại quan trọng hơn bao giờ hết

Bước đột phá của lò phản ứng tập trung vào chu trình tự duy trì: thorium hấp thụ neutron trong chính lò phản ứng và trở thành uranium-233, sau đó tham gia vào chuỗi phản ứng phân hạch. Quá trình “đốt đồng thời sinh ra” này có nghĩa là nhiên liệu được bổ sung nội bộ, loại bỏ nhu cầu chế tạo bên ngoài đắt đỏ và tạo ra tiềm năng năng lượng vô hạn từ một lượng thorium duy nhất.

Đối với Trung Quốc đặc biệt, công nghệ này giải quyết một điểm yếu năng lượng quan trọng. Hiện tại, quốc gia này nhập khẩu hơn 80% uranium, khiến ngành hạt nhân của họ dễ bị tổn thương trước các căng thẳng địa chính trị và biến động giá cả hàng hóa. Ngược lại, thorium lại phong phú hơn nhiều trên lãnh thổ Trung Quốc. Các ước tính thận trọng cho thấy trữ lượng thorium của Trung Quốc nằm trong khoảng từ 1,3 đến 1,4 triệu tấn, với hàm lượng trong mỏ Bayan Obo ở Nội Mông đủ để cung cấp năng lượng cho đất nước hơn một thiên niên kỷ.

Ưu điểm so sánh với hạ tầng hạt nhân truyền thống

Các lò phản ứng muối nóng chảy thế hệ thứ tư hoạt động dựa trên chu trình nhiên liệu thorium mang lại nhiều lợi ích về an toàn và hiệu quả. Chúng hoạt động ở áp suất khí quyển thay vì cần các bình chứa áp suất cao, sử dụng muối hóa học ổn định để cố định các vật liệu phóng xạ và giảm đáng kể rủi ro nổ và rò rỉ. Kiến trúc hoàn toàn khác biệt này đại diện cho một bước chuyển đổi mô hình từ các thiết kế lò phản ứng nước nhẹ đã thống trị ngành năng lượng hạt nhân toàn cầu trong năm thập kỷ qua.

Thời gian phát triển của dự án cũng nhấn mạnh khả năng thực thi của Trung Quốc. Việc xây dựng bắt đầu từ năm 2018, được Bộ Môi trường phê duyệt hoạt động vào năm 2022, đạt trạng thái quan trọng lần đầu vào tháng 10 năm 2023, đạt công suất hoạt động đầy đủ vào giữa năm 2024, và hoàn thành thử nghiệm nạp nhiên liệu thorium đầu tiên trên thế giới trước cuối năm. Trung Quốc hiện vận hành nhiều lò phản ứng hạt nhân hơn tất cả các quốc gia khác cộng lại, và tiến độ xây dựng nhanh hơn gấp đôi so với các đối thủ phương Tây.

Bối cảnh rộng hơn: Tại sao điều này quan trọng đối với tương lai năng lượng

Trong khi Hoa Kỳ, Pháp và Nhật Bản đã nghiên cứu các khái niệm lò phản ứng thorium, chưa có quốc gia nào thành công chuyển đổi từ thử nghiệm sang vận hành chính thức. TMSR của Trung Quốc là minh chứng đầu tiên trên toàn cầu về một quá trình liên tục, tạo dữ liệu thực tế. Điều này định vị Trung Quốc là người dẫn đầu thực thụ trong lĩnh vực công nghệ mà các chương trình hạt nhân phương Tây đã lâu xem là tương lai của an ninh năng lượng nhưng nhiều lần thất bại trong thương mại hóa.

Yếu tố kinh tế cũng củng cố xu hướng này. Trong vòng năm mươi năm qua, chi phí xây dựng hạt nhân ở Mỹ đã tăng đáng kể, trong khi Trung Quốc đã giảm chi phí xây dựng của mình khoảng một nửa. Lợi thế về chi phí này, kết hợp với tiến bộ công nghệ liên tục, tạo ra khoảng cách ngày càng lớn trong phát triển hạ tầng hạt nhân giữa Trung Quốc và các quốc gia phương Tây.

Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc bắt đầu chương trình TMSR vào năm 2011 như một phần của chiến lược quốc gia toàn diện nhằm phát triển hệ thống năng lượng bền vững và giảm phát thải carbon. Thành tựu chuyển đổi thorium sang uranium thành công này thể hiện sự trưởng thành của khoản đầu tư kéo dài một thập kỷ vào công nghệ phân hạch tiên tiến, với ứng dụng ngay lập tức trong phát điện và tiềm năng dài hạn cho nhiệt công nghiệp và an ninh nhiên liệu trên toàn châu Á và xa hơn.