Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL) Hoa Kỳ đã ký kết thỏa thuận cấp phép nghiên cứu với công ty đầu tư Out The Back Ventures của Australia để thúc đẩy quá trình phát triển công nghệ nhiên liệu hạt nhân mang tính đột phá.
Sự hợp tác này nhằm mục đích đưa khái niệm hỗn hợp kim loại lỏng uranium dioxide (ULIMES) từ phòng thí nghiệm đến khả năng thương mại hóa. Bước đột phá này tập trung vào hệ thống nhiên liệu “dạng chảy”, giúp định hình lại thành phần hóa học bên trong các lò phản ứng hạt nhân.
Trong khi các lò phản ứng nước nhẹ truyền thống (LWR) - vốn cung cấp phần lớn điện năng không phát thải carbon ở Hoa Kỳ - dựa vào các viên uranium dioxide (UO2) rắn, thiết kế ULIMES sử dụng các hạt UO2 chưa nung kết được phân tán trong chất mang kim loại lỏng.
Hỗn hợp phân tán này tạo ra hệ thống nhiên liệu tuần hoàn chảy qua lõi lò phản ứng. Bằng cách chuyển từ viên nhiên liệu rắn sang hỗn hợp kim loại lỏng, nhiên liệu có thể di chuyển liên tục giữa các vùng có mật độ neutron cao và thấp.
Điều này dẫn đến quá trình cháy nhiên liệu diễn ra đồng đều hơn và loại bỏ hiệu ứng “tự che chắn”, thường khiến năng lượng bị lãng phí, chưa được khai thác ở trung tâm của các viên nhiên liệu tiêu chuẩn.
Khái niệm ULIMES mang lại một số ưu điểm quan trọng so với nhiên liệu thông thường. Nó cung cấp khả năng làm mát vượt trội vì chất mang kim loại lỏng làm tăng đáng kể độ dẫn nhiệt, cho phép lò phản ứng loại bỏ nhiệt hiệu quả hơn và giảm nhiệt độ cực đại của nhiên liệu.
Thiết kế này cải thiện khả năng làm mát của lò phản ứng, đem lại hiệu suất cao hơn, đồng thời tăng cường độ an toàn và giảm chi phí bảo trì. Thiết kế này cũng giúp giảm hư hại vật liệu, vì khí phân hạch không tích tụ nhiều như trong nhiên liệu rắn truyền thống, và chất mang kim loại lỏng vẫn an toàn với hư hại do “chuỗi va chạm” thường làm suy giảm cấu trúc rắn.
Hơn nữa, công nghệ này cho phép tích hợp liền mạch với cơ sở hạ tầng hiện có vì ULIMES tương thích về mặt hóa học với các vật liệu sử dụng trong các lò phản ứng nước nhẹ hiện nay. Điều này giúp bớt được các chương trình thẩm định vật liệu quy mô lớn, kéo dài nhiều thập kỷ, thường làm chậm trễ các thiết kế hạt nhân mới.
Do thiết kế này cho phép nồng độ uranium cao hơn so với nhiên liệu lỏng nguyên chất, nên nó mang lại tính linh hoạt cao cho nhiều kích cỡ lò phản ứng khác nhau, từ các nhà máy quy mô lớn đến các lò phản ứng modullar nhỏ (SMR).
Bằng cách cải thiện khả năng làm mát và khai thác năng lượng, đồng thời giảm chi phí bảo trì, ULIMES có thể kéo dài tuổi thọ của các nhà máy điện hạt nhân hiện tại, đồng thời cung cấp nền tảng hiệu suất cao cho thế hệ lò phản ứng tiếp theo.
