Một bước tiến mang tính đột phá trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân vừa diễn ra tại Mỹ khi lò phản ứng Vogtle Unit 2 tại Waynesboro, bang Georgia, đã được nạp thử nghiệm loại nhiên liệu có mức làm giàu uranium cao hơn mức thông thường, lần đầu tiên trong lịch sử thương mại hạt nhân Mỹ.
Southern Nuclear đã phối hợp cùng Westinghouse Electric Company đưa vào lò bốn tổ hợp nhiên liệu thử nghiệm (Lead Test Assemblies – LTAs), sử dụng uranium có độ giàu vượt mức 5%, đánh dấu một cột mốc quan trọng trong nỗ lực cải tiến hiệu suất và tuổi thọ của lò phản ứng hạt nhân truyền thống.
Thông thường, các lò phản ứng thương mại sử dụng uranium làm giàu ở mức thấp (LEU), với tỷ lệ đồng vị uranium-235 (U-235) đạt khoảng 3% đến 5%, mức tối thiểu cần thiết để duy trì phản ứng dây chuyền hạt nhân. Uranium tự nhiên chỉ chứa khoảng 0,7% U-235 và phần còn lại là U-238, vốn không tham gia vào quá trình phân hạch. Chính vì vậy, quá trình làm giàu uranium trở thành điều kiện tiên quyết để sản xuất nhiên liệu hạt nhân hiệu quả.
Tuy nhiên, những lò phản ứng quân sự như trên tàu ngầm hay tàu sân bay hạt nhân thường sử dụng uranium làm giàu ở mức rất cao (HEU), lên đến 20–93%, giúp tạo ra công suất lớn, vận hành trong thời gian dài mà không cần tiếp nhiên liệu, và thiết kế gọn nhẹ. Ngược lại, trong lĩnh vực dân sự, việc nâng độ giàu lên trên 5% đã từng bị giới hạn bởi chính sách và công nghệ. Điều này nay đang thay đổi với sự ra đời của loại nhiên liệu HALEU (High-Assay Low-Enriched Uranium), có độ giàu từ 5% đến dưới 20%.
Loại nhiên liệu mới được đưa vào thử nghiệm tại Vogtle là một phần của Chương trình Nhiên liệu Chịu Tai nạn (Accident Tolerant Fuel – ATF) do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ tài trợ. Mục tiêu là phát triển các nhiên liệu có khả năng hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện khắc nghiệt, đồng thời kéo dài tuổi thọ nhiên liệu, giảm chất thải và cải thiện độ an toàn.
Loại nhiên liệu được sử dụng là ADOPT, một biến thể tiên tiến của uranium dioxide (UO₂), được pha tạp thêm oxit crom (Cr₂O₃) và oxit nhôm (Al₂O₃) để tăng mật độ uranium, tăng khả năng dẫn nhiệt và giảm lượng khí sinh ra trong quá trình phân hạch, yếu tố có thể làm hỏng thanh nhiên liệu. ADOPT cũng tương tác tốt hơn với vỏ kim loại bao quanh nhiên liệu, làm giảm nguy cơ rò rỉ. Ngoài ra, nhiên liệu còn chứa các nguyên tố hấp thụ neutron như boron-10 và gadolinium-157 nhằm kiểm soát tốc độ phản ứng trong suốt vòng đời vận hành.
Các viên nhiên liệu ADOPT được sản xuất tại nhà máy Springfields Fuels Ltd ở Lancashire, Vương quốc Anh, từ uranium cung cấp bởi Phòng thí nghiệm Quốc gia Idaho (Mỹ). Sau khi được chế tạo thành bốn tổ hợp nhiên liệu, chúng đã được lắp vào lò phản ứng Vogtle Unit 2 để theo dõi trong nhiều chu kỳ vận hành dưới tác động của phóng xạ cao.
Ông Pete Sena, Chủ tịch kiêm Giám đốc Điều hành Southern Nuclear, cho biết: “Đây là một bước tiến quan trọng không chỉ cho độ bền vững của toàn bộ đội tàu lò phản ứng đang vận hành tại Mỹ, mà còn cho công nghệ hạt nhân tương lai. Với nhiên liệu làm giàu cao hơn, chúng tôi có thể vận hành các đơn vị lâu hơn, hiệu quả hơn, đáp ứng tốt hơn nhu cầu năng lượng đang tăng cao của bang Georgia".
Sự kiện này cho thấy hướng đi mới đầy triển vọng trong việc hiện đại hóa các lò phản ứng hiện có, mở đường cho sự phát triển của công nghệ hạt nhân dân sự trong tương lai – an toàn hơn, hiệu quả hơn và thân thiện hơn với môi trường.
nlpanh (T/h)
