Trung Quốc đã đưa vào hoạt động lò phản ứng muối nóng chảy (MSR) sử dụng nhiên liệu thorium thử nghiệm đầu tiên trên thế giới vào năm 2024 vừa qua. Lò phản ứng với tên gọi TMSR-LF1 do Viện Vật lý Ứng dụng Thượng Hải phát triển tại tỉnh Cam Túc, bắt đầu xây dựng vào năm 2018 và đã đạt được mức công suất thiết kế tối đa 2 MW nhiệt vào tháng 6 năm 2024. Đây là một trong số ít những công nghệ lò phản ứng thế hệ IV được đưa vào hoạt động thử nghiệm trên thế giới.

Hình 1. Lò phản ứng TMSR-LF1 tại tỉnh Cam Túc, Trung Quốc [1].

Không giống như các lò phản ứng thông thường sử dụng nhiên liệu uranium, lò TMSR-LF1 sử dụng nhiên liệu Thorium-232. Đây là loại nhiên liệu có thể hấp thụ một neutron tự do và biến đổi thành Uranium-233 (²³³U), một đồng vị có khả năng phân hạch và duy trì phản ứng hạt nhân dây chuyền. Quá trình này đòi hỏi sự chiếu xạ ban đầu trong lò phản ứng bằng một vật liệu phân hạch như plutonium tái chế hoặc Uranium-235 để tạo ra các neutron cần thiết. Chu trình nhiên liệu Thorium đang được quan tâm nghiên cứu vì các tính năng an toàn tiềm năng như giảm nguy cơ sự cố và phổ biến vũ khí hạt nhân, mật độ năng lượng cao hơn, ít tạo ra chất thải phóng xạ và trữ lượng tự nhiên lớn hơn so với uranium. Thorium phù hợp để sử dụng cho các lò phản ứng muối nóng chảy (MSR) và lò phản ứng nước nặng (PHWR). Thorium cũng có thể được sử dụng trong hỗn hợp nhiên liệu hạt nhân với Plutonium (Th-Pu MOX) cho các lò phản ứng tái sinh sử dụng neutron nhanh. Mặc dù một số lò phản ứng Thorium thử nghiệm đã được xây dựng từ những năm 1960, việc đưa vào phát triển thương mại quy mô lớn vẫn chưa phổ biến do những thách thức trong công nghệ và hiệu quả về chi phí.
TMSR-LF1 sử dụng hỗn hợp nhiên liệu hạt nhân là muối nóng chảy FLiBe được tạo thành từ hỗn hợp liti florua (LiF) và berili florua (BeF2), uranium có độ làm giàu cao 19,75% (HALEU) và khoảng 50 kg thorium. Nhiên liệu thorium được hòa tan trong muối nóng chảy cho phép lò phản ứng hoạt động ở áp suất thấp với các hệ thống an toàn thụ động. Muối nóng chảy cũng đóng vai trò là chất làm mát lò phản ứng và chất làm chậm được sử dụng là than chì (graphite).
Dự án TMSR-LF1 được khởi động vào năm 2011 với tổng chi phí là 3 tỷ nhân dân tệ (444 triệu đô la Mỹ). Việc xây dựng lò phản ứng bắt đầu vào năm 2018 và hoàn thành vào năm 2021. Vào ngày 11 tháng 10 năm 2023, lò phản ứng lần đầu đạt đến trạng thái tới hạn, tức là phản ứng hạt nhân tự duy trì. Sau đó, vào ngày 17 tháng 6 năm 2024, TMSR-LF1 đã được vận hành ở mức công suất thiết kế tối đa 2 MW nhiệt.
Cột mốc quan trọng của lò TMSR-LF1 thực sự đến vào ngày 8 tháng 10 năm 2024, sau khi TMSR-LF1 hoạt động trong 10 ngày liên tục ở mức công suất tối đa. Các nhà nghiên cứu đã phát hiện ra nguyên tố protactinium-233, là một đồng vị quan trọng trong chu trình nhiên liệu thorium. Phát hiện này cho thấy quy trình thiết kế và hoạt động lò phản ứng đã thành công: thorium-232 bắt giữ một neutron, trở thành protactinium-233 và phân rã thành uranium-233, nhiên liệu phân hạch chính. 

Hình 2. Lò phản ứng được thiết kế đặt dưới lòng đất với phía trên là một giếng trời có mái che cao 20m [2].

Trung Quốc hiện có kế hoạch xây dựng một lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR) công suất 60 MW nhiệt dựa trên TMSR-LF1, cũng như một cơ sở nghiên cứu nhiên liệu muối nóng chảy tại cùng một địa điểm. Việc xây dựng dự kiến sẽ bắt đầu vào năm 2025 và hoàn thành vào năm 2029. Dự án cũng sẽ bao gồm một hệ thống điện phân nhiệt độ cao để sản xuất hydro. [3]
Với việc thành công đưa vào hoạt động TMSR-LF1, ứng dụng nhiên liệu hạt nhân thorium đang dần trở thành hiện thực sau nhiều thập kỷ nghiên cứu và phát triển.

Thực hiện: Phạm Đức Trung
 

Tài liệu tham khảo:
1.    Krepel, Jiri (22 January 2025). "Overview and Update of MSR Activities within GIF". Generation IV International Forum.
2.    Rencong Dai, Wei Gong, Xiao Wang, Xiaoyan Wang, Decheng Cui (31 January 2024). "Conservativeness Study on the Seismic Analysis Method for Research Reactor Plant Structure Based on TMSR-LF1".  Advances in Civil Engineering. 2024 .  
3.    Wikipedia. TMSR-LF1. https://en.wikipedia.org/wiki/TMSR-LF1