[비즈한국] Vai trò của lò phản ứng hạt nhân đang mở rộng từ việc sản xuất điện sang cung cấp nhiệt cho các quy trình công nghiệp. Gần đây, với việc Trung Quốc khởi công dự án kết nối lò phản ứng khí nhiệt độ cao (HTGR) thế hệ thứ 4 đầu tiên trên thế giới với các khu công nghiệp quy mô lớn, nước này đang chiếm ưu thế trong cuộc đua khử cacbon trong các ngành công nghiệp thâm dụng năng lượng như hóa dầu và thép. Ngược lại, Hàn Quốc hiện mới chỉ bước vào giai đoạn hợp tác công tư và đang ở vị thế phải đuổi theo.
Trung Quốc bắt đầu xây dựng lò phản ứng khí nhiệt độ cao công nghiệp đầu tiên trên thế giới
Vào ngày 16 tháng 1, Tập đoàn Hạt nhân Quốc gia Trung Quốc (CNNC) đã bắt đầu công tác đổ bê tông tại ‘Nhà máy điện hạt nhân kết hợp nhiệt Xuwei’ ở thành phố Liên Vân Cảng, tỉnh Giang Tô. Dự án này là mô hình lai kết hợp 2 lò phản ứng nước áp lực thế hệ thứ 3 ‘Hualong-1’ do Trung Quốc tự thiết kế và 1 lò phản ứng khí nhiệt độ cao thế hệ thứ 4. Đây sẽ là nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên thế giới kết hợp giữa lò phản ứng nước áp lực và lò phản ứng khí nhiệt độ cao, đồng thời là trường hợp thương mại hóa công nghiệp đầu tiên của công nghệ lò phản ứng thế hệ thứ 4.
Trọng tâm của dự án này là chuyển đổi nhiệt sinh ra từ nhà máy điện hạt nhân trực tiếp thành hơi nước công nghiệp để cung cấp cho khu hóa dầu Xuwei gần đó. Theo phương thức này, nhiệt từ Hualong-1 tạo ra hơi nước sơ cấp, sau đó lò phản ứng khí nhiệt độ cao sẽ tái gia nhiệt để tạo ra hơi nước siêu nhiệt trên 700 độ C. Khi hoàn thành, nhà máy sẽ sản xuất đồng thời 32,5 triệu tấn hơi nước công nghiệp và hơn 11,5 tỷ kWh điện mỗi năm. CNNC cho biết điều này sẽ giúp giảm 7,26 triệu tấn tiêu thụ than mỗi năm và cắt giảm 19,6 triệu tấn phát thải khí cacbonic.
Nguồn nhiệt mới cho ngành hóa dầu và thép
Lò phản ứng khí nhiệt độ cao là lò phản ứng hạt nhân thế hệ tiếp theo sử dụng khí heli làm chất làm mát thay vì nước, và sử dụng than chì làm chất điều tiết. Các ngành công nghiệp hóa dầu và thép tiêu thụ lượng năng lượng nhiệt khổng lồ trong quy trình sản xuất. Tuy nhiên, các lò phản ứng hiện tại có hạn chế về khả năng tận dụng do nhiệt độ hơi nước thấp. Lò phản ứng khí nhiệt độ cao có giá trị cao như một nguồn nhiệt công nghiệp vì nó có thể tạo ra nhiệt độ siêu cao từ 700 đến tối đa 950 độ C.
Trong ngành hóa dầu, nguồn nhiệt này chủ yếu được sử dụng cho quy trình cracking naphtha (NCC). Để bẻ gãy nhiệt naphtha nhằm thu được ethylene, propylene, cần nhiệt độ cao trên 800 độ C; nếu lò phản ứng khí nhiệt độ cao cung cấp nguồn nhiệt này, có thể loại bỏ hoàn toàn cacbon phát sinh từ quy trình. Tại ‘Hội thảo về phương án sử dụng lò phản ứng khí nhiệt độ cao để phục hồi ngành hóa dầu’ do Nghị sĩ Joo Cheol-hyun của Đảng Dân chủ đồng tổ chức tại Phòng Thương mại Yeosu vào ngày 28 tháng 1, Giám đốc Park In-cheol của Lotte Chemical011170 cho biết: “Chi phí năng lượng hiện chiếm khoảng 20% doanh thu”. Ngành hóa dầu kỳ vọng rằng nếu có thể thay thế nguồn nhiệt này bằng lò phản ứng khí nhiệt độ cao, họ có thể cải thiện hiệu quả kinh tế của quy trình song song với việc giảm thiểu cacbon.
Khả năng ứng dụng trong ngành thép cũng rất cao. ‘Sản xuất thép bằng hydro (HyREX)’, được coi là chìa khóa của trung hòa cacbon, sử dụng hydro làm chất khử thay vì than nhiệt. Khi đó, để hydro và quặng sắt phản ứng, cần duy trì trạng thái nhiệt độ cao trên 800 độ C; nhiệt từ lò phản ứng khí nhiệt độ cao cũng là thiết yếu trong quá trình phân hủy nhiệt hóa học nước để sản xuất lượng lớn hydro sạch.
Phía Posco E&C cho biết: “Xét một cách toàn diện về điều kiện mở rộng năng lượng tái tạo trong nước và khả năng nhập khẩu hydro từ nước ngoài, chúng tôi cho rằng chiến lược song hành cùng điện hạt nhân là một giải pháp thay thế thực tế. Lò phản ứng khí nhiệt độ cao có thể tận dụng đồng thời nhiệt độ cao trên 750 độ C và điện năng không phát thải cacbon, nên được đánh giá là công nghệ có thể sử dụng cho việc sản xuất hydro quy mô lớn ổn định thông qua điện phân hydro nhiệt độ cao, cracking amoniac, v.v.”
Lý do lò phản ứng khí nhiệt độ cao có thể được xây dựng gần các khu công nghiệp là nhờ sự an toàn vượt trội so với các lò phản ứng thế hệ trước. Nhiên liệu hạt nhân dạng hạt bao bọc ‘TRISO’ được sử dụng trong lò phản ứng khí nhiệt độ cao sử dụng nhiên liệu hạt nhân phủ gốm 3 lớp, giúp giữ chặt hoàn toàn vật liệu phóng xạ ngay cả trong tình huống khắc nghiệt trên 1600 độ C.
Ngoài ra, heli làm chất làm mát là khí trơ về mặt hóa học nên không có nguy cơ cháy nổ, và ngay cả khi mất chức năng làm mát do tai nạn, nhiệt độ cũng tăng rất chậm nhờ khả năng chịu nhiệt cao của chất điều tiết than chì. Ngay cả khi xảy ra tai nạn, nó sẽ tự làm mát chỉ bằng bức xạ nhiệt hoặc truyền nhiệt trong không khí mà không cần thiết bị làm mát hay nguồn điện bổ sung, do đó hầu như không có nguy cơ nóng chảy lõi lò. Nhờ độ an toàn cao này, nó được đánh giá là lò phản ứng tối ưu để xây dựng gần các khu công nghiệp nhằm truyền nhiệt trực tiếp.
Hàn Quốc còn một chặng đường dài
Khác với Trung Quốc đã bước vào giai đoạn thương mại hóa, Hàn Quốc mới chỉ ở giai đoạn nghiên cứu phát triển ban đầu. Bộ Khoa học và Công nghệ Thông tin và Truyền thông đã bắt đầu phát triển lò phản ứng khí nhiệt độ cao từ năm 2024 với sự tham gia của Viện Nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử Hàn Quốc và các doanh nghiệp tư nhân như Posco E&C, Daewoo E&C047040, Smart Power, SK Ecoplant, Lotte Chemical. Việc thực hiện thiết kế cơ sở đã bắt đầu từ tháng 1 và dự kiến sẽ tiến hành xây dựng và vận hành lò thực nghiệm sau khi vượt qua đánh giá sơ bộ về tính khả thi.
Phía Lotte Chemical cho biết: “Lò phản ứng khí nhiệt độ cao hiện đang ở giai đoạn đầu của nghiên cứu và phát triển. Chúng tôi đang xem xét việc sử dụng nó để giảm thiểu cacbon bằng cách thay thế nguồn nhiệt dùng trong quy trình”.
Việc phát triển lò phản ứng khí nhiệt độ cao của Hàn Quốc đặt mục tiêu thực nghiệm và thương mại hóa vào giữa những năm 2030. Một đại diện ngành hóa dầu cho biết: “Trung Quốc đã bắt đầu xây dựng và liên danh X-energy của Mỹ cũng đã nộp đơn xin phép lắp đặt lò phản ứng khí nhiệt độ cao tại nhà máy của Dow Chemical. Hàn Quốc đang ở tình thế tụt hậu nên cần phải tăng tốc nhanh chóng”.