Về bản chất, nhà máy điện hạt nhân trên biển là việc đặt các lò phản ứng hạt nhân trên tàu, xà lan lớn để sản xuất điện. Ý tưởng trên được hình thành từ các tàu phá băng, tàu ngầm, tàu sân bay hạt nhân.

Nhà máy điện hạt nhân nổi trên biển của Nga

Về mặt lịch sử, các lò phản ứng hạt nhân đã được sử dụng cho các con tàu di chuyển trên đại dương, bắt đầu với tàu ngầm USS Nautilus của Mỹ từ năm 1955. Theo hiệp hội hạt nhân toàn cầu (WNA), hiện nay thế giới có hơn 140 con tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân, bao gồm cả tàu phá băng, tàu sân bay cũng như tàu ngầm đang hoạt động.

Liên Xô trước đây và Nga ngày nay nổi tiếng với các tàu phá băng nguyên tử. Tàu phá băng nguyên tử mang tên V.Lenin là tầu sử dụng năng lượng hạt nhân đầu tiên trên thế giới được đóng vào năm 1957 và dừng hoạt động năm 1989. Tháng 6-2016, nhà máy đóng tàu Baltic đã hạ thủy tầu phá băng nguyên tử Arktika lớn nhất thế giới. Tàu Arktika có chiều dài 173m, rộng 34m, trang bị hai lò phản ứng RITM-200 công suất 55 MWe mỗi lò với độ giàu nhiên liệu dưới 20% và chu kỳ thay đảo nhiên liệu 7 năm , thời gian vận hành lò 40 năm có khả năng phá vỡ băng với độ dày hơn 3m. Tiếp theo Arktika, mới đây (22/9/2017) tàu phá băng thứ hai - tàu “Siberi” với hai lò phản ứng cho công suất tổng cộng 175 MW cũng vừa được hạ thủy.

Nguyên lý vận hành của các tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân sử dụng các lò phản ứng: Về cơ bản, nước trong bình sinh hơi được đun sôi nhờ trao đổi nhiệt với nước vòng sơ cấp tải nhiệt ra khỏi vùng hoạt lò phản ứng. Hơi nước làm quay tuabin chính dẫn động bánh lái, đồng thời máy phát điện cung cấp điện cho việc bơm nước tuần hoàn làm mát hệ ngưng tụ, bơm nước cấp, bơm tải nhiệt chính và bộ đốt cho bình điều áp.

Các trạm phát điện nguyên tử – Nhà máy điện hạt nhân nổi (FNPP)

Thuật ngữ nhà máy điện hạt nhân nổi (FloatingNuclear Power Plant -FNPP) hay các trạm phát điện nguyên tử trên đại dương (Ocean Nuclear Power Plant- ONPP) chỉ các lò phản ứng hạt nhân được lắp đặt trên các con tàu để phát điện có thể di chuyển từ vị trí này đến vị trí khác trên biển. Chúng được sử dụng cung cấp điện cho các vùng xa xôi hoặc các hòn đảo, các trạm khai thác dầu trên biển.

Mỹ là quốc gia đầu tiên xây dựng nhà máy điện hạt nhân nổi, một tàu vận tải của Hải quân  - Tàu USS Sturgis, đã được cải biên vào những năm 1960 với việc lắp đặt một lò phản ứng hạt nhân công suất 45MWt (10 MWe), được gọi là MH-1A (viết tắt của Mobile, High power, first of its kind). Phần thân tàu được thay mới bằng thùng thép nặng 350 tấn và phần bê tông chống va đập rộng hơn thân tàu cũ 2,5m. Con tàu đã được đưa đến kênh đào Panama từ năm 1967 cho đến năm 1976 để cung cấp điện cho các máy bơm hoạt động trên kênh đào với hệ số công suất vào khoảng 54%. Hiện tàu đang được tháo dỡ tại Galveston, bang Texas.

Trong 25 năm qua, Nga đã làm sống lại ý tưởng xây dựng nhà máy điện hạt nhân nổi. Vào năm 2006, nhà máy đóng tàu Sevmash ở Severodvinsk đã khởi động dự án xây dựng một nhà máy điện hạt nhân đặt trên một sà lan, sử dụng một lò phản ứng biến đổi từ tàu phá băng của Nga. Dự án đã được hoãn đi hoãn lại từ những năm 1990 khi Nga bắt đầu đề xuất như là một giải pháp cung cấp năng lượng cho khu vực xa xôi vùng cực Bắc.

Sau vài năm, chương trình lại bị hoãn lại một lần nữa tại Sevmash và hiện tại dự án lại được triển khai tại một xưởng đóng tàu ở St Petersburg, với hai nhà máy điện hạt nhân nổi đầu tiên của Nga đang được xây dựng. Tàu đầu tiên mang tên viện sĩ Lomonosov (Akademik Lomonosov), được trang bị hai lò phản ứng KLT-40S công suất 35MWe, và sẽ được kéo về cảng Bắc cực vùng Pevek, nơi nó sẽ cung cấp cả nhiệt và điện.

Thiết kế FNPP Viện sĩ Lomonosov có chiều dài thân tàu 144m, rộng 30 m, sâu 9m và độ choán nước 21500 tấn với khoảng 69 nhân viên làm việc. Độ giàu nhiên liệu trung bình của nhiên liệu lò KLT-40S là 14,1% , đảm bảo yêu cầu quốc tế về chống phổ biến vũ khí hạt nhân. Thiết kế có khả năng cung cấp 70 MWe, 300MW nhiệt cho thành phố với dân số 200.000 dân.

Thiết kế lò phản ứng tối ưu không gian bố trí các thiết bị chính như các bình sinh hơi và bơm tải nhiệt được gắn trực tiếp vào thùng lò. Các hệ thống an toàn như các bình tích nước cao áp của hệ ECCS hay các van cô lập đường hơi đóng vai trò quan trọng trong trường hợp có sự cố, do các hệ thống bơm cao áp hay thấp áp của hệ ECCS như nhà máy trên đất liền sẽ đòi hỏi nguồn điện dự phòng, một trong những thách thức của thiết kế xa bờ như các FNPP. Thời gian thay đảo nhiên liệu được kéo dài (khoảng 3 năm) giúp việc FNPP ít phải di chuyển. Trung bình khoảng 12 năm FNPP sẽ được đưa trở lại cảng để thực hiện các công việc đại tu, sửa chữa lớn.

Mục tiêu của FNPP là cung cấp năng lượng cho các vùng cực Bắc hoặc Viễn Đông, nơi kinh tế đang trên đà phát triển và có khả năng thiếu năng lượng. Ngoài ra, Rosatom còn đặt mục tiêu xuất khẩu, FNPP còn có thể cải biên để khử muối có thể cung cấp khoảng 240.000 m3nước ngọt mỗi ngày. Nhiều nước như Trung Quốc, Indonesia, Malaysia, Algeri, Achentina .v.v. cũng rất quan tâm đến các FNPP. Về mặt đảm bảo an toàn, các lò phản ứng trên FNPP vẫn tuân thủ nguyên tắc bảo vệ theo chiều sâu với các rào chắn an toàn.

Mặc dù tàu phá băng nguyên tử của Nga sử dụng nhiên liệu urani làm giàu cao trong các thiết kế trước đây, nhưng các lò phản ứng sửa đổi cho tàu Viện sĩ Lomonosov sử dụng uranium làm giàu thấp. Điều này giúp làm giảm bớt lo ngại về chống phổ biến vũ khí hạt nhân, nhưng những lo ngại về môi trường và an toàn vẫn là những câu hỏi lớn. Một nhà máy điện hạt nhân nổi có thể sẽ được an toàn từ những trận động đất, nhưng các cơn bão có thể là mối đe dọa tiềm năng, và ứng phó khẩn cấp khi xảy ra tai nạn sẽ rất chậm do vị trí xa và di chuyển khó khăn.

Trong trường hợp xảy ra tai nạn hạt nhân, một nhà máy ở ngoài khơi sẽ có nhiều nước để làm mát. Nhưng một nhà máy điện hạt nhân nổi lại không có nguồn điện dự phòng từ  bên ngoài như các nhà máy trên đất liền, và sẽ rất khó khăn trong việc giam giữ phóng xạ so với khi một tai nạn xảy ra tại một nhà máy trên đất liền.

Theo tính toán, giá thành sản xuất điện của tàu Viện sĩ Lomonosov vào khoảng 5-6 cents/kW. Giá đầu tư xây dựng cho nhà máy đầu tiên khoảng 10 tỷ Rup (0,42 tỷ USD), các nhà máy sau sẽ có thể hạ giá thành còn 5 – 6 tỷ Rup (0,2 – 0,25 tỷ USD). Các thiết kế hệ thống đảm bảo an ninh nhằm bảo vệ FNPP trước các nguy cơ khủng bố, truy nhập trái phép từ dưới biển hoặc từ trên không cần phải được loại bỏ. Mặc dù, sóng thần rất khó xảy ra trong các vùng lãnh hải của Nga, song khi nhà máy được xuất khẩu, do tàu được neo sát bờ nên khả năng chống đỡ với sóng thần vẫn là câu hỏi còn bỏ ngỏ.

Gần đây, các nhà nghiên cứu ở MIT, Mỹ đã trình bày một thiết kế mới cho các nhà máy điện hạt nhân nổi, theo mô hình của những giàn khoan dầu ngoài khơi. Thiết kế này, được nêu ra trong Hội thảo chuyên đề về các Lò phản ứng công suất trung bình và nhỏ (SMR). Theo các giáo sư Jacopo buongiorno, Michael Golay, và Neil Todreas, cùng với những người khác từ MIT, Đại học Wisconsin, thiết kế này có thể vượt qua những cơn sóng thần. được thiết kế để tự động làm mát bằng nước biển vô thời hạn và ngăn chặn bất kỳ sự tan chảy của thanh nhiên liệu, hoặc phát thải chất phóng xạ ra ngoài.

Nhà máy sẽ được neo vào đáy biển cách bờ khoảng 12km và kết nối với đất liền bằng đường dây truyền tải điện dưới nước. Thiết kế khái niệm này tích hợp ưu điểm của hai công nghệ: lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ và các giàn khoan dầu khí ngoài khơi. Sử dụng các thiết kế đã kiểm chứng sẽ giảm thiểu rủi ro về mặt công nghệ.

Theo nhận xét của các nhà khoa học viện MIT, thiết kế hiện tại của nhà máy hạt nhân nổi trên một sà lan neo đậu tại bờ như tàu viện sĩ Lomonosov-không nằm đủ xa ngoài khơi để có thể tránh được tác động của sóng thần. Điểm sáng giá nhất của thiết kế mới này chính là an toàn được nâng cao. Ngoài khả năng tránh được động đất và sóng thần, thiết kế cũng đảm bảo khả năng xảy ra nóng chảy vùng hoạt của lò phản ứng là không thể khi nhà máy neo đậu ngoài biển.

Vùng hoạt lò phản ứng  và thiết bị sinh hơi được ngập trong nước làm mát bên trong thùng chịu áp lò phản ứng (RPV). Nếu hoạt động của các bơm tải nhiệt bị gián đoạn, nước làm mát chảy một cách thụ động qua bộ trao đổi nhiệt phụ trợ nằm trong nước biển. Nếu có sự cố nghiêm trọng hơn xảy ra, nước làm mát được thoát ra từ bên trong RPV vào cấu trúc boongke lò, và nước biển có thể chảy vào không gian trống xung quanh boongke lò. Nhiệt từ nước làm mát sẽ nguội đi qua tường ngăn tiếp giáp với nước biển. Nước biển chảy tự nhiên qua cấu trúc, vì vậy nó lưu thông không ngừng, cung cấp một nguồn tản nhiệt vô tận.

Trung Quốc có hai dự án cho FNPPs. Tháng 10/2015 viện Năng lượng nguyên tử Trung Quốc (NPIC), công ty con của tập đoàn hạt nhân quốc gia Trung Quốc (CNNC), đã ký một thỏa thuận với công ty đăng kiểm Lloyd, Anh để hỗ trợ phát triển nhà máy điện hạt nhân nổi sử dụng lò phản ứng ACP100S của CNNC, một phiên bản trên biển của lò đa mục tiêu ACP100 (bảng 2). Lò có công suất 310 MWt cung cấp khoảng 100 MWe, vùng hoạt bao gồm 57 bó nhiên liệu dài 2,15 m, thiết kế dưới dạng tích hợp, hệ thống cung cấp hơi được chế tạo và vận chuyển như là một mô-đun lò phản ứng duy nhất. Hệ thống làm mát thụ động giúp loại bỏ nhiệt phân rã. Thiết kế cũng đã được trình IAEA trong khuôn khổ đánh giá an toàn lò phản ứng (Generic Reactor Safety Review). Hiện tại, CNNC đang lên kế hoạch để bắt đầu xây dựng trình diễn ACP100S  vào 2019, và dự kiến xây dựng FNPP vào 2020 (WNN,15 Jan 2016). Công ty Đăng kiểm Lloyd sẽ phát triển các hướng dẫn an toàn và các quy định cũng như các tiêu chuẩn hạt nhân phù hợp với quy định ngoài khơi và các quy định quốc tế trên biển.

Dự án thứ hai do tập đoàn điện hạt nhân Trung Quốc (CGN) công bố vào 1/2016 về phát triển thiết kế lò phản ứng ACPR50S. Việc xây dựng FNPP trình diễn đầu tiên dự kiến sẽ bắt đầu vào năm 2017, dự kiến phát điện vào 2020. CGN sau đó đã ký thỏa thuận với tập đoàn dầu khí Quốc gia Trung Quốc (CNOOC) nhằm cung cấp điện cho các trạm thăm dò và khai thác dầu khí ngoài khơi, và “thúc đẩy sự hội nhập của ngành công nghiệp dầu ngoài khơi và ngành công nghiệp điện hạt nhân”, theo CNOOC. Lò phản ứng ACPR50S có công suất 200 MWt / 60 MWe với vùng hoạt bao gồm  37 bó nhiên liệu và bốn bình sinh hơi. Thùng lò chịu áp lực cao 7.4m và đường kính trong 2,5 m, hoạt động ở nhiệt độ 310 °C.

Một thiết kế khác cho một loại ONPP chìm dưới đáy biển được tập đoàn công nghiệp quốc phòng DCNS, Pháp đề xuất lại đặt toàn bộ nhà máy ONPP ngoài biển ở độ sâu 60 – 100m, có thể xa bờ đến 15km. Thiết kế có tên Flexblue với công suất 50 – 250MWe. Lò phản ứng được xem như an toàn đối với động đất, sóng thần, ngập lụt và có giá thành khoảng 50 triệu USD. Ưu điểm vượt trội so với các FNPP là khả năng phòng chống khủng bố hoặc các tác động va đập khác có thể xảy ra. Thiết kế Flexblue dài 146m, đường kính thân 14m, lượng choán nước 20000 tấn, tổng trọng lượng khoảng 12000 tấn. tập đoàn DCNS với hơn 40 năm kinh nghiệm trong lĩnh vực đóng tàu, kể cả các tàu ngầm hạt nhân đã cùng phối hợp với AREVA, EDF và CEA trong việc nghiên cứu chuẩn hóa các môđun Flexblue.

Tương lai của các FNPP hay ONPP

Thảm họa hạt nhân Fukushima cảnh báo về những rủi ro của các nhà máy điện hạt nhân trước các tác động của các hiện tượng tự nhiên như động đất, sóng thần. Mặc dù có những hậu quả nhất định khi xảy ra sự cố, nhưng không thể hoàn toàn loại bỏ khỏi danh mục đầu tư năng lượng hiện tại vì điện hạt nhân có phát thải carbon nhỏ nhất trong số tất cả các nguồn năng lượng và là một trong những nguồn năng lượng có giá cạnh tranh. Ngoài ra, vẫn còn có những khu vực rộng lớn với dân số thấp trên thế giới, nơi các nhu cầu về khử muối nước biển và cung cấp điện cần được giải quyết. Vì vậy, việc nâng cao tính năng an toàn của các nhà máy điện hạt nhân để sử dụng năng lượng hạt nhân liên tục và an toàn hơn là xu thế chung trên thế giới ngày nay.

Một giải pháp khả dĩ cho sử dụng năng lượng hạt nhân một cách an toàn có thể liên quan đến việc di chuyển các nhà máy điện hạt nhân từ đất liền ra biển nhằm tránh các tác động môi trường cũng như những khó khăn trong việc chọn địa điểm do tính di chuyển được của các FNPP. Việc xây dựng, lắp đặt thiết bị cũng như tháo dỡ sau này đều có thể tiến hành ở các khu vực cảng riêng biệt. Với khoảng 70% dân số thế giới sống trong các vùng lãnh thổ cách bờ biển khoảng 80km, các nguồn cung cấp năng lượng di động như các FNPP hay ONPP có thể là một giải pháp nhằm giảm thiểu tác động đến khí hậu trái đất, tránh các tác động của các thảm họa tự nhiên như động đất, sóng thần cũng như những khó khăn trong việc lựa chọn địa điểm xây dựng trên đất liền.

Tuy nhiên, cũng không thể loại trừ lỗi con người trong việc đảm bảo an toàn FNPP, chẳng hạn FNPP đặt ở các khu vực bờ có độ nghiêng sẽ làm cho việc sử dụng nước biển lạnh để làm mát các lò phản ứng khó khăn hơn. FNPP có thể bị lật úp và không thể đưa các thanh hấp thụ vào trong lò dẫn đến hư hỏng lò phản ứng, hoặc nguy hiểm hơn nếu FNPP bị chìm hoặc trở thành các mục tiêu nhạy cảm trong các vùng biển có tranh chấp hoặc an toàn hàng hải thường xuyên bị đe dọa.

Trước hết các nhà thiết kế, xây dựng phải chứng minh được là các nhà máy điện hạt nhân di động đảm bảo an toàn, và cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác. Bên cạnh đó, các tiêu chuẩn an toàn cho các nhà máy điện hạt nhân nổi hiện chưa được đưa ra. Vẫn còn nhiều thách thức đặt ra cần được giải quyết cả về mặt pháp quy, an toàn và công nghệ trước khi các nhà máy điện hạt nhân nổi được sử dụng rộng rãi trên thế giới.