Lò phản ứng mô-đun nhỏ và bài toán điện năng trong kỷ nguyên AI

Tiêu thụ điện năng toàn cầu từ các trung tâm dữ liệu đang tăng với tốc độ rất nhanh, vượt xa nhiều dự báo trước đó, đặc biệt trong bối cảnh nhu cầu ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) ngày càng gia tăng. Điều này buộc các trung tâm dữ liệu phải liên tục nâng cấp hạ tầng và năng lực xử lý để đáp ứng nhu cầu truy vấn, tính toán ngày càng lớn.

Theo thống kê, năm 2024, các trung tâm dữ liệu tiêu thụ khoảng 415 terawatt-giờ (TWh) điện, tương đương khoảng 1,5% tổng mức tiêu thụ điện toàn cầu. Lượng điện năng này được dự báo sẽ tăng trung bình 15% mỗi năm đến năm 2030, nhanh gấp khoảng 4 lần so với tốc độ tăng nhu cầu điện của các lĩnh vực còn lại.

Tại Mỹ, nơi các hãng công nghệ đang lên kế hoạch xây dựng thêm những trung tâm dữ liệu lớn hơn để phục vụ cho cuộc đua phát triển AI, điều này đòi hỏi phải tìm kiếm một giải pháp ổn định để đáp ứng nhu cầu về điện năng, nhưng cũng phải đảm bảo không phát thải carbon để bảo vệ môi trường.

Nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR - Small Modular Reactor) được xem là một trong những giải pháp được cân nhắc sử dụng nhiều nhất nhờ những ưu điểm của nó.

Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), hiện có hơn 80 thiết kế và khái niệm SMR đang được phát triển trên toàn cầu, phần lớn trong số đó vẫn ở giai đoạn đầu, một số ít được đánh giá có thể triển khai thực tế trong tương lai gần.

SMR là gì và nguyên lý hoạt động ra sao?

Leonel Lagos, làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu Ứng dụng Đại học Florida (Mỹ), cho biết SMR nằm ở vị trí trung gian giữa các lò phản ứng hạt nhân quy mô lớn truyền thống và các lò phản ứng hạt nhân thu nhỏ (microreactor).

Các nhà máy điện hạt nhân truyền thống có thể tạo ra hơn 700 MW điện và được xây dựng trên một diện tích rộng lớn, với lõi lò cao đến 10m. Trong khi đó, lò phản ứng hạt nhân thu nhỏ có kích thước nằm gọn bên trong một thùng container, với công suất từ 10 đến 20 MW và có thể xây dựng trên diện tích đất chỉ bằng một sân bóng đá.

SMR sẽ nằm giữa 2 loại lò phản ứng này, với lõi lò chỉ có đường kính khoảng 3m và cao 6m, được xây dựng hoàn chỉnh trên diện tích khoảng 20ha, có thể tạo ra điện với công suất khoảng 300 MW.

SMR tạo ra nhiệt bằng cách phân hạch các nguyên tử nặng, truyền nhiệt qua các chất như nước, kim loại lỏng hoặc muối nóng chảy để tạo hơi nước làm quay tua-bin phát điện.

Các nhà phát triển SMR cũng tích hợp các tính năng an toàn thụ động, hoạt động dựa trên các nguyên lý vật lý tự nhiên, giúp tự động dừng phản ứng mà không cần sự can thiệp của con người, từ đó giảm đáng kể nguy cơ hoặc giảm mức độ nghiêm trọng của các sự cố phát tán phóng xạ.

SMR cũng chứa ít vật liệu hạt nhân và sinh ít nhiệt hơn so với lò phản ứng hạt nhân truyền thống, do vậy nguy cơ dẫn đến tai nạn và rò rỉ phóng xạ cũng thấp hơn.

Những ưu điểm của SMR

SMR được thiết kế để phục vụ cho những khu vực không có lưới điện, các khu công nghiệp xa xôi hoặc dành cho các quốc gia mới bắt đầu sử dụng năng lượng hạt nhân. Chúng có thể được xây dựng và đưa vào vận hành chỉ trong từ 2 đến 3 năm, nhanh hơn rất nhiều so với các nhà máy điện hạt nhân truyền thống.

Nhờ kích thước nhỏ, SMR có thể được chế tạo theo từng mô-đun trong nhà máy, sau đó vận chuyển bằng xe tải, tàu hỏa hoặc tàu thủy… đến vị trí cần lắp đặt. Ưu điểm lớn nhất của SMR là kích thước nhỏ giúp có thể lắp đặt được tại những vị trí không phù hợp cho việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân truyền thống.

Thiết kế theo dạng mô-đun của MSR cũng cho phép ghép thêm nhiều mô-đun để tăng dần công suất theo nhu cầu. Điều này cũng giúp giảm chi phí đầu tư ban đầu và rút ngắn thời gian thi công.

SMR có chu kỳ tiếp nhiên liệu dài hơn so với nhà máy điện hạt nhân truyền thống, thường từ 3–7 năm một lần, thay vì 1–2 năm. Một số thiết kế SMR thậm chí có thể vận hành tới 30 năm mà không cần tiếp nhiên liệu.

Theo Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), điện hạt nhân được xem là nguồn năng lượng sạch, không phát thải khí carbon trong quá trình phát điện và có vai trò quan trọng trong nỗ lực ứng phó với biến đổi khí hậu.

Hiện nay, có 30 quốc gia đang vận hành nhà máy điện hạt nhân, cùng với hơn 20 quốc gia khác xem xét sử dụng năng lượng hạt nhân để đáp ứng nhu cầu điện năng ngày càng tăng, trong đó SMR được đánh giá là giải pháp phù hợp với nhiều quốc gia.

Nhà máy điện hạt nhân sử dụng công nghệ lò phản ứng mô-đun nhỏ đầu tiên trên thế giới là Akademik Lomonosov (đặt tại vùng Chukotka, Nga), được đưa vào vận hành thương mại từ tháng 5/2020, với công suất 35 MW. Hiện nay, nhiều dự án SMR khác đang được xây dựng hoặc trong giai đoạn cấp phép tại Argentina, Canada, Trung Quốc, Hàn Quốc và Mỹ.