Hoa Kỳ hiện đang phụ thuộc rất nhiều vào các lò phản ứng nước nhẹ thế hệ thứ nhất hoặc thứ hai để sản xuất điện không phát thải carbon. Các lò phản ứng này sử dụng nước làm chất làm mát và chất điều hòa neutron để kiểm soát phản ứng hạt nhân và tạo ra điện.
Tuy nhiên, nhu cầu năng lượng sạch ngày càng tăng, thúc đẩy các nhà khoa học, nhà hoạch định chính sách, các kỹ sư cố gắng khai thác tối đa tiềm năng của năng lượng hạt nhân, tập trung nghiên cứu phát triển các thiết kế lò phản ứng tiên tiến nhất.
Trong bối cảnh này, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, Hoa Kỳ đã tăng cường các hoạt động nghiên cứu phát triển lò phản ứng hạt nhân thế hệ tiếp theo, được gọi là lò phản ứng thế hệ IV. Một trong những thiết kế lò phản ứng thế hệ IV hứa hẹn nhất là lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium cooled fast reactor - SFR).
Các lò SFR sử dụng nhiên liệu hợp kim kim loại đang thu hút sự quan tâm vì chúng có tính an toàn thụ động nội tại và tạo ra nhiều nhiên liệu hơn mức chúng tiêu thụ. Điều này giúp giảm lượng chất thải phát sinh trong suốt vòng đời của chúng so với các lò phản ứng trước đó.
Đáng chú ý, Phòng thí nghiệm quốc gia Argonne từng có kinh nghiệm sâu rộng về công nghệ SFR, đã thiết kế, xây dựng và vận hành lò phản ứng sinh sản thử nghiệm II (Experimental Breeder Reactor II – EBR-II) quy mô đầy đủ, trong hơn ba thập kỷ.
Hiện tại, Argonne đang tiến hành các thí nghiệm chính và thử nghiệm thành phần, diễn ra ở Cơ sở vòng thử nghiệm kỹ thuật cơ chế (METL) nằm tại khuôn viên phòng thí nghiệm, nhằm tăng cường hiểu biết và xác nhận thiết kế lò SFR thế hệ mới.
Thí nghiệm chính của nghiên cứu này là bài kiểm tra thực nghiệm thủy lực nhiệt (Thermal Hydraulic Experimental Test Article - THETA), tức là nghiên cứu về truyền nhiệt. THETA là mô hình thu nhỏ của SFR, kích thước chỉ bằng khoảng một phần sáu của lò phản ứng thực tế.
Mặc dù có quy mô thu nhỏ, THETA vẫn sở hữu tất cả thành phần chính của một SFR thông thường, bao gồm lõi được làm nóng bằng điện, máy bơm cơ học, thiết bị đo lường tiên tiến, cảm biến quang học, bộ trao đổi nhiệt trung gian tản nhiệt đến mạch natri thứ cấp.
Sử dụng nhiều phương tiện đo lường khác nhau, các kỹ sư có thể mô phỏng những gì xảy ra trong quá trình vận hành lò phản ứng ở trạng thái ổn định hoặc các tình huống giống như tai nạn của một SFR cỡ lớn. Điều này cung cấp dữ liệu quan trọng để xác thực phần mềm thiết kế lò phản ứng.
Trong lò phản ứng thế hệ IV, các kỹ sư xem xét việc tối ưu hóa các hệ thống, như máy bơm, bộ trao đổi nhiệt và lõi lò phản ứng, để có thể truyền nhiệt hiệu quả, nhằm đạt được lợi tức đầu tư tốt nhất. Bằng cách mô phỏng các điều kiện thực tế, THETA cho phép thử nghiệm và xác thực các mã phần mềm và thành phần mới của thiết kế mới, giúp các bên liên quan đưa ra quyết định sáng suốt về thiết kế và vận hành lò phản ứng.
Dữ liệu do THETA tạo ra đặc biệt có giá trị đối với ngành công nghiệp hạt nhân thương mại. Các khả năng do THETA cung cấp sẽ góp phần vào sự phát triển các SFR trong tương lai. Đồng thời, sự phát triển các lò phản ứng thế hệ IV, giống như SFR, hứa hẹn đáng kể cho một tương lai năng lượng sạch hơn.
