Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân

Bắt đầu từ những năm 2000 trở lại đây, các nhà máy điện hạt nhân được phân loại thành nhiều thế hệ. Các thế hệ III, III+ và IV kế thừa các ưu điểm và khắc phục các nhược điểm của các thế hệ trước.

Thế hệ I: Các lò phản ứng nguyên mẫu (prototypes),
Thế hệ II: Các Nhà máy điện hạt nhân đã xây dựng và đang vận hành,
Thế hệ III và III+ : Các lò phản ứng tiên tiến,
Thế hệ lò phản ứng tiếp theo - thế hệ IV .

Hình: Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân

Thế hệ I

Các lò phản ứng thương mại nguyên mẫu (prototype) vận hành vào những năm 1950 - 1960. Lò phản ứng thương mại đầu tiên trên thế giới với công suất 5 MW được đưa vào vận hành năm 1954 tại Liên Xô cũ. Sau đó, tại Anh, lò phản ứng Calder Hall được đưa vào vận hành vào năm 1956 với công suất ban đầu là 50 MW. Nhà máy ĐHN thương mại đầu tiên tại Mỹ là Shippingport vận hành vào năm 1957, với công suất 60 MW. Nhiều lò phản ứng thế hệ I chỉ là đơn chiếc, như lò Fermi I ở Mỹ, chứ không đại diện cho một kiểu thiết kế nào cả. Trong khi với thế hệ II các lò có khuynh hướng xây dựng hàng loạt, mặc dù được thiết kế riêng biệt nhưng áp dụng cùng một nguyên lý thiết kế.

Thế hệ II

Các lò thế hệ II là một số thiết kế được phát triển từ các lò phản ứng thế hệ I. Đã có nhiều thay đổi đáng kể trong thiết kế và kể cả có một số kiểu hoàn toàn mới so với thế hệ trước. Các lò phản ứng được xây dựng vào đầu những năm 1970 và 1980 và hiện tại vẫn đang được vận hành thương mại. Các lò phản ứng nước nhẹ ở Mỹ, Pháp, các lò CANDU ở Canada là những ví dụ về các lò thế hệ II.

Thế hệ III

Các lò thế hệ thứ III là các thiết kế cải tiến (advanced-design), bao gồm:

Các lò nước sôi cải tiến (ABWR) do GE thiết kế và được xây dựng tại Nhật Bản;
Các lò cải tiến hệ System 80+ do CE (Combustion Engineering) nay thuộc Westinghouse thiết kế;
Các lò PWR cải tiến (APWR), do Westinghouse, MHI thiết kế;
Các lò WWER-1000: AES-91, AES-92 của Nga thiết kế;
Các lò có thiết kế thụ động như AP600 của Westinghouse.
Các lò EPR (Evolutionary Pressurized / European Pressurized Reactor) – là một thiết kế tiến hóa kết hợp giữa các thiết kế và kinh nghiệm vận hành các lò N4 của Framatome và KONVOI của Siemens, Đức.

Một số thiết kế đã được phát triển ở Mỹ và được Cơ quan pháp quy Hoa Kỳ (US-NRC) cấp phép vào những năm 1990. Các lò ABWR và APWR đã/đang được xây dựng và vận hành ở nhiều nước khác nhau. Một số thiết kế khác cũng đang trong giai đoạn xin cấp chứng nhận thiết kế của NRC như US EPR.

Các cải tiến quan trọng so với thế hệ II bao gồm:

Hoàn thiện công nghệ về nhiên liệu;
Đưa vào các hệ thống an toàn thụ động;
Các thiết kế được tiêu chuẩn hóa;

Thế hệ III+

Các thiết kế thế hệ III+ nói chung là mở rộng khái niệm thiết kế của thế hệ III trong đó đưa vào các đặc tính an toàn thụ động cải tiến (advanced passive safety). Các thiết kế này có thể duy trì trạng thái an toàn mà không cần sử dụng các thành phần điều khiển chủ động nào. Chúng có thể đã được phát triển ở những giai đoạn khác nhau vào những năm 1990 và hiện tại bắt đầu được cấp phép xây dựng. Các lò phản ứng có thể được vận hành vào những năm 2010.

Các thiết kế thế hệ III+ bao gồm:

Các lò Advanced CANDU Reactor (ACR);
Lò AP1000 – dựa trên thiết kế AP600 của Westinghouse;
Lò Economic Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR) – dựa trên thiết kế ABWR;
Lò APR-1400 – Thiết kế PWR cải tiến phát triển từ các lò KNGR (Korean Next Generation Reactor) dựa trên cơ sở thiết kế hệ System 80+ của Mỹ.

Thế hệ IV

Các lò thế hệ IV là các thiết kế được xác lập bởi GIF (Generation IV International Forum), theo sáng kiến của DOE và 10 quốc gia thành viên khác.

Tất cả các lò phản ứng thế hệ IV hiện còn đang ở giai đoạn thiết kế khái niệm hoặc thực nghiệm và hy vọng sẽ được xem xét khai thác vào những năm 2030.

Năm 2002, GIF đã đưa ra lịch trình (Roadmap) cho 6 thiết kế thế hệ IV gồm 3 loại lò nơtrôn nhiệt và 3 loại lò nơtrôn nhanh.

Đặc trưng an toàn qua các thế hệ

Thế hệ lò	Đặc trưng thiết kế	Xác suất phá huỷ vùng hoạt, năm-1	Xác suất thoát xạ ra MT, năm-1	Ví dụ loại lò
I	Các HT an toàn chủ động + Toà nhà bảo vệ	> 10-4	> 10-5	Phần lớn các loại lò đang hoạt động
II	Các HT an toàn chủ động cải tiến : Đặt bẫy corium & Quản lý sự cố + Toà nhà bảo vệ	<10-4 - 10-6	<10-6 - 10-7	Sizewell, N4, Convoy, System80+, AES-91,
III	Các HT an toàn chủ động và thụ động: Đặt bẫy corium & Quản lý sự cố + Toà nhà bảo vệ	<10-6 - 10-7	Hầu như không thể xẩy ra	EPR, ABWR, AP-1000, ESBWR, SIR, AES-92
IV	Hoàn toàn thiết kế mới: Hầu như không có khả năng nóng chảy vùng hoạt ("NLHN không có thảm hoạ")	Nhỏ hơn mức có thể tiên đoán	Nhỏ hơn mức có thể tiên đoán	MHTR, PIUS, ISIS, PRIS, SAFR, PBMR

Những lò thế hệ III và III+ có các đặc tính sau:

Tiêu chuẩn hoá thiết kế cho mỗi loại để rút ngắn quá trình cấp phép, giảm chi phi phí đầu tư và giảm thời gian xây dựng.
Thiết kế đơn giản hơn và vững chắc hơn làm chúng dễ vận hành và ổn định trong hệ thống có nhiều dao động.
Hệ số sẵn sàng hoạt động cao hơn và tuổi thọ dài hơn - mức điển hình là 60 năm.
Xác suất tai nạn nóng chảy vùng hoạt giảm.
Tác động tới môi trường ở mức tối thiểu.
Độ sâu cháy cao hơn và từ đó giảm nhiên liệu sử dụng và lượng thải phát sinh.
Sử dụng chất hấp thụ có thể cháy được nhằm tăng thời gian sử dụng nhiên liệu.

Khác biệt lớn nhất so với các thiết kế hiện thời là nhiều nhà máy hạt nhân thế hệ mới tích hợp được đặc điểm an toàn thụ động hoặc nội tại, không đòi hỏi sự kiểm soát chủ động của con người hay sự can thiệp của nhân viên vận hành để tránh tai nạn khi có trục trặc.

Nguồn: Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam (2011)