Công nghệ hạt nhân SMR Nhật Bản: Tích cực triển khai ra nước ngoài
Nhật Bản đang theo đuổi lò phản ứng hạt nhân mô-đun nhỏ (SMR) trên ba hướng: lò nước nhẹ công suất khoảng 300 MWe, lò khí nhiệt độ cao làm mát bằng heli và lò vi mô cỡ vài chục megawatt nhiệt.
Chính sách đứng sau các thiết kế
Tháng 2/2025, Nhật Bản thông qua Kế hoạch Năng lượng Chiến lược lần thứ 7, gỡ bỏ cam kết "giảm phụ thuộc điện hạt nhân" từ sau thảm họa Fukushima. Mục tiêu là đưa tỷ trọng điện hạt nhân từ 8,5% (năm tài khóa 2023) lên khoảng 20% vào năm tài khóa 2040 Kế hoạch cho phép xây lò thế hệ mới, nhưng chỉ trong khuôn viên nhà máy của các đơn vị đã quyết định đóng cửa Các hướng còn lại như lò neutron nhanh, lò khí nhiệt độ cao và năng lượng nhiệt hạch vẫn ở giai đoạn nghiên cứu phát triển
Bộ Kinh tế, Thương mại và Công nghiệp (METI) tài trợ phần phát triển thiết kế và công nghệ lõi cho một SMR nội địa, với yêu cầu chịu được động đất và sóng thần. Các thiết kế dưới đây ra đời trong bối cảnh chính sách đó.
SMR là nhóm lò phản ứng có công suất khoảng 300 MWe trở xuống, thiết kế gọn và có thể thêm mô-đun để tăng công suất. Điểm đặc trưng của Nhật Bản là gần như thiết kế nào cũng gắn với một nhà chế tạo đã làm lò phản ứng cỡ lớn truyền thống. Mitsubishi Heavy Industries (MHI) cho biết hãng đã xây cả 24 lò PWR ở Nhật. Hitachi-GE Nuclear Energy có 23 lò đã giao, kể cả lò đang xây.
Nhánh nước nhẹ: thu nhỏ lò đã quen thuộc
MHI: lò PWR tích hợp 300 MWe. Thiết kế gộp các thiết bị chính của mạch sơ cấp, gồm bình sinh hơi, vào trong bình lò. Theo MHI, cách bố trí này cùng làm mát bằng tuần hoàn tự nhiên loại bỏ nguy cơ mất chất tải nhiệt do ống dẫn vỡ lớn. Hãng mô tả hai hệ thống làm mát thụ động, không cần thêm nguồn điện hay nước. Nhà lò được chôn ngầm để chịu được va chạm máy bay. Đây là thiết kế SMR chủ lực dành cho triển khai trong nước, đang ở giai đoạn phát triển.
Hitachi: BWRX-300. Lò nước sôi 300 MWe này do liên doanh GE Vernova - Hitachi Nuclear Energy phát triển, là bản đơn giản hóa từ thiết kế ESBWR đã được cấp phép tại Mỹ. Lò dùng tuần hoàn tự nhiên và hệ thống an toàn thụ động. Theo tài liệu giới thiệu của nhà sản xuất, nhà máy xây trong 24–36 tháng và chi phí vốn trên mỗi MW thấp hơn tới 60%. Ngày 8/5/2025, Ontario Power Generation (OPG) công bố khởi công tổ máy đầu tiên tại Darlington, dự án SMR đầu tiên ở Bắc Mỹ; Hitachi-GE dự kiến dùng chuỗi cung ứng trong nước Nhật cho tổ máy này.
Toshiba: iBR, hướng khác. Toshiba không chọn thu nhỏ. Lò nước sôi iBR có công suất 800–1.600 MWe, dựa trên ABWR đã kiểm chứng, thêm vỏ bảo hộ hai lớp và hệ thống an toàn thụ động. JAIF nhận xét iBR khác với các SMR đang phát triển ở nước ngoài và được định vị là lò "kiểu Nhật Bản" cho thế hệ tiếp theo.
Nhánh nhiệt độ cao: biến lò thành nguồn nhiệt công nghiệp
Loại lò khí nhiệt độ cao (HTGR) là thế mạnh lâu năm của Viện Năng lượng Nguyên tử Nhật Bản (JAEA), đơn vị bắt đầu nghiên cứu từ năm 1969. Lò thử nghiệm HTTR 30 MWt làm chậm bằng graphit, làm mát bằng heli, tới hạn lần đầu tháng 11/1998 và chạy đầy công suất từ năm 2001. Năm 2010, lò giữ nhiệt độ ổn định 950°C trong 50 ngày. Nhiên liệu là các hạt phủ gốm chứa urani làm giàu thấp (trung bình 6%) đặt trong khối graphit lục giác. Sau khi Cơ quan Quản lý Hạt nhân Nhật Bản cấp phép ngày 3/6/2020, HTTR vận hành lại từ tháng 7/2021.
Từ lò thử nghiệm đó, JAEA thiết kế GTHTR300, lò thương mại dùng tuabin khí heli với công suất nhiệt khoảng 600 MWt, tương đương khoảng 300 MWe. JAEA gắn mốc triển khai thập niên 2030 cho GTHTR300. Biến thể GTHTR300C, mốc triển khai thập niên 2040, có nhiệt độ đầu ra 950°C, nhắm vừa phát điện vừa sản xuất hydro bằng quy trình tách nước hóa nhiệt (quy trình IS).
Sản xuất hydro là bước thực chứng đang diễn ra. Từ tháng 4/2022, JAEA và MHI triển khai chương trình nối một nhà máy hydro vào HTTR. Theo tài liệu của METI, giai đoạn đầu dùng công nghệ đã thương mại hóa là cải tạo metan bằng hơi nước, vốn không phải hydro không phát thải; việc chọn quy trình hydro sạch nằm trong một nghiên cứu khả thi riêng.
Theo kế hoạch Nuclear Engineering International đưa tin tháng 2/2025, JAEA dự kiến xin phê duyệt năm tài khóa 2025, xây dựng năm tài khóa 2026 và vận hành năm tài khóa 2028. Song song, MHI được chọn làm công ty đầu mối cho lò HTGR thực chứng mà Cơ quan Tài nguyên và Năng lượng Nhật Bản (ANRE) dự kiến đưa vào vận hành trong thập niên 2030.
Lò vi mô và lò neutron nhanh: những ý tưởng ở quy mô nhỏ nhất
MoveluX của Toshiba là lò đa mục đích cỡ khoảng 10 MWth. Lõi được làm mát bằng ống dẫn nhiệt, dùng nhiên liệu urani làm giàu thấp dưới 4,99% và chất làm chậm calcium hydrit chịu được đến 800°C. Lò tự tắt nhờ tính chất của chất làm chậm khi nóng lên. Theo báo cáo gửi IAEA năm 2019, lộ trình gồm hoàn thành thiết kế khái niệm năm 2025, chứng minh hệ thống không dùng nhiên liệu năm 2028 và xây tổ máy mẫu đầu tiên trong thập niên 2030.
MHI cũng nghiên cứu một lò vi mô đa dụng với lõi thể rắn. Hãng nêu các ứng dụng là đảo xa, vùng xa lưới và cấp điện sau thiên tai.
4S là "tiền bối" cũ hơn. Thiết kế của Toshiba và Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện lực Trung ương Nhật Bản (CRIEPI) là lò neutron nhanh làm mát bằng natri, công suất 10 MWe với lõi chạy 30 năm không nạp nhiên liệu, hoặc 50 MWe với lõi 10 năm. Lò dùng tấm phản xạ neutron thay thanh điều khiển phức tạp.
Nhật Bản trong chuỗi cung ứng SMR toàn cầu
Ngoài thiết kế riêng, các hãng Nhật còn bán năng lực chế tạo cho thiết kế của nước khác. IHI và JGC tham gia dự án SMR NuScale của Mỹ và dùng ngân sách hỗ trợ của METI để phát triển kỹ thuật nhà lò mô-đun, hệ thống quản lý yêu cầu, hàn cấu kiện lớn và gia cố chống động đất. Hitachi-GE dự kiến cung cấp thiết bị cho tổ máy BWRX-300 đầu tiên ở Canada từ chuỗi cung ứng trong nước.
Ngày 14/3/2026, GE Vernova và Hitachi ký MOU xem xét triển khai BWRX-300 ở Đông Nam Á và đưa các nhà cung cấp Nhật đủ điều kiện vào chuỗi cung ứng. Ở mảng lò neutron nhanh, MHI ký MOU với TerraPower (Mỹ) hợp tác phát triển lò làm mát bằng natri từ tháng 1/2022.
