Mới đây, ba bó nhiên liệu hỗn hợp MOX (uranium-plutonium) thử nghiệm, có chứa các nguyên tố Americium-241 và Neptunium-237, đã hoàn tất thành công ba chu kỳ vận hành tại lò phản ứng neutron nhanh BN-800 thuộc Nhà máy điện hạt nhân Beloyarsk.
Các bó nhiên liệu này được đưa vào lõi lò phản ứng từ mùa hè năm 2024 và hiện đã được chuyển sang bể chứa để làm mát. Sau giai đoạn này, các chuyên gia sẽ tiến hành nghiên cứu sau chiếu xạ nhằm đánh giá chi tiết quá trình chuyển hóa hạt nhân đã diễn ra bên trong.
Đây là một bước tiến quan trọng thuộc chương trình nghiên cứu về việc "đốt sau" các actinide thứ cấp – một dự án đầy tham vọng được Nga khởi động từ năm 2021 và dự kiến kéo dài đến năm 2035.
Thách thức từ "actinide thứ cấp"
Actinide thứ cấp, bao gồm các nguyên tố như Neptunium, Americium và Curium, là các sản phẩm phụ siêu urani phát sinh trong quá trình vận hành lò phản ứng hạt nhân. Dù chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ trong tổng khối lượng nhiên liệu đã qua sử dụng, chúng lại là nguồn cơn chính gây ra độc tính phóng xạ và tỏa nhiệt dư kéo dài.
Đặc biệt, các đồng vị này có chu kỳ bán rã lên tới hàng trăm nghìn năm. Chính sự tồn tại dai dẳng này đã đặt ra những yêu cầu cực kỳ khắt khe và tốn kém trong việc xây dựng các khu cách ly chất thải phóng xạ ngoài môi trường. Tập đoàn Năng lượng Nguyên tử Quốc gia Nga (Rosatom) nhấn mạnh: "Với đặc tính phóng xạ mạnh và độc tính cao, các actinide thứ cấp là những thành phần nguy hại nhất trong chất thải hạt nhân."
Công nghệ chuyển hóa đồng vị: Biến chất thải thành nguồn tài nguyên
Rosatom khẳng định rằng các lò phản ứng neutron nhanh có khả năng "đốt cháy" các actinide thứ cấp bằng cách chuyển hóa chúng thành các đồng vị ổn định hoặc các đồng vị có chu kỳ bán rã ngắn hơn nhiều.
Mục tiêu cốt lõi của công nghệ này là giảm thiểu tối đa khối lượng chất thải phóng xạ cần chôn lấp trong các cấu trúc địa chất sâu. Theo tính toán của Rosatom, việc loại bỏ các actinide thứ cấp có thể giúp chất thải hạt nhân đạt đến trạng thái "tương đương bức xạ" với quặng uranium nguyên liệu ban đầu nhanh hơn gấp hàng trăm lần so với quá trình phân rã tự nhiên.
Ông Alexander Ugryumov, Phó Chủ tịch cấp cao phụ trách Nghiên cứu và Phát triển tại TVEL (công ty nhiên liệu của Rosatom), nhận định: "Việc đốt các actinide thứ cấp trong một lò phản ứng thương mại không chỉ đơn thuần là một thí nghiệm đơn lẻ, mà là một chiến lược dài hạn. Trước khi triển khai ở quy mô công nghiệp, chúng tôi cần chứng minh được tính khả thi về mặt kỹ thuật và khẳng định rằng ý tưởng này thực sự hiệu quả trong thực tế."
Bước đệm cho kỷ nguyên lò phản ứng thế hệ thứ tư
Trong giai đoạn tiếp theo, chương trình sẽ tập trung vào việc tăng nồng độ actinide thứ cấp trong nhiên liệu MOX thử nghiệm và thử nghiệm tích hợp chúng vào nhiên liệu nitride uranium-plutonium.
Ngoài ra, TVEL dự kiến sẽ thử nghiệm phương pháp "đốt không đồng nhất". Theo đó, các actinide thứ cấp sẽ không được trộn lẫn vào ma trận nhiên liệu chung mà được đặt trong các thanh nhiên liệu hoặc bó nhiên liệu riêng biệt tại các vùng đặc thù trong lò phản ứng.
Ông Yuri Nosov, Giám đốc Nhà máy Beloyarsk, cho biết các kết quả nghiên cứu sau chiếu xạ sẽ đóng vai trò then chốt trong việc định hình chu trình nhiên liệu hạt nhân tương lai. Các tổ máy điện hạt nhân thế hệ thứ tư được thiết kế để nâng cao mức độ an toàn tối đa bằng cách tái sử dụng nhiên liệu đã qua sử dụng thay vì lưu kho vô thời hạn.
"Trong khoảng 60 năm vận hành, những hệ thống như vậy có khả năng xử lý khoảng 4 tấn actinide thứ cấp – con số này lớn hơn nhiều so với lượng chất thải mà nhiều lò phản ứng nhiệt cộng lại có thể tạo ra" , ông Nosov kết luận.
BN-800 là lò phản ứng neutron nhanh sử dụng chất làm mát là natri lỏng, đạt công suất điện năng 820 MWe. Hệ thống bắt đầu vận hành thương mại từ năm 2016 và đã chuyển sang vận hành hoàn toàn bằng nhiên liệu MOX từ tháng 9/2022. Nhiên liệu MOX là hỗn hợp được chế tạo từ plutonium thu hồi sau tái chế và uranium nghèo, mở ra hướng đi cho một chu trình hạt nhân khép kín và bền vững.
