1. Giới thiệu chung

1.1 Tình hình phát triển điện hạt nhân trên thế giới

Hiện nay, điện hạt nhân đang chứng kiến sự phục hồi mạnh mẽ trên toàn cầu sau một thời gian chững lại do các lo ngại an toàn và chi phí. Tính đến năm 2025, thế giới có hơn 410 lò phản ứng đang hoạt động tại hơn 30 quốc gia (Hình 1), cung cấp khoảng 9–10% sản lượng điện toàn cầu, cùng hơn 60 lò đang xây dựng – phần lớn tại châu Á như Trung Quốc và Ấn Độ (Hình 2). Các quốc gia như Pháp, Nhật Bản, Hàn Quốc và Anh đang điều chỉnh chính sách để tăng cường phát triển điện hạt nhân, xem đây là giải pháp chiến lược nhằm đảm bảo an ninh năng lượng và giảm phát thải khí nhà kính. Mặc dù chi phí xây dựng nhà máy điện hạt nhân còn cao (trung bình 5.000–8.000 USD/kW) và thời gian xây dựng có thể bị kéo dài (7–10 năm), nhưng chi phí vận hành thấp, ổn định và tuổi thọ cao (~60 năm) khiến điện hạt nhân trở nên hấp dẫn trong dài hạn. Trong bối cảnh các thỏa thuận khí hậu toàn cầu như COP26 và mục tiêu trung hòa carbon vào năm 2050 ngày càng thúc ép các quốc gia giảm phát thải, điện hạt nhân được các tổ chức quốc tế như IEA và IPCC đánh giá là một phần thiết yếu của lưới điện sạch. Liên minh châu Âu cũng đã chính thức đưa điện hạt nhân vào danh mục tài chính xanh. Tuy còn đối mặt với nhiều thách thức như chi phí, nhận thức xã hội và xử lý chất thải phóng xạ, nhưng với sự phát triển của công nghệ và chính sách hỗ trợ, điện hạt nhân đang dần khẳng định vai trò không thể thiếu trong chuyển dịch năng lượng toàn cầu.

Hình 1. Phân bố nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động trên thế giới

Hình 2. Số lượng nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động và đang được xây dựng trên thế giới (pris.iaea.org/pris)

Về công nghệ (Hình 3), từ những năm 1950 với các công nghệ thế hệ đầu tiên như Calder Hall, Dougtas Point, Dresden-1, Fermi-1, Kola-1-2, Peach Bottom 1, Shipingport hiện tại đã không cồn tồn tại, cho đến những năm 1980 các nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) thế hệ thứ 2 vẫn còn đang được sử dụng rộng dãi đến nay. Trong quá trình vận hành các NMĐHN thế hệ thứ 2, nhằm tối ưu háo các hệ thống và nâng cao khả năng an toàn nội tại trước những sự cố như TMI 1979, Chernobul 1986 và Fukushima Daiichi 2011 các công nghệ NMĐHN thế hệ thứ III và III+ đã được phát triển nhằm nâng cao hiệu suất và đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn hiện đại như AP1000 (Hoa Kỳ), APR1400 (Hà Quốc), EPR (Pháp) hay VVER-1200 (Nga) hiện đang được triển khai rộng rãi.

Hình 3. Các thê hệ công nghệ lò phản ứng hạt nhân

Hiện nay, công nghệ NMĐHN nước nhẹ có 349 chiếm tới 83% lò phản ứng đang hoạt động (Hình 4), trong đó loại công nghệ nước nhẹ áp lực (PWR) có 306 lò phản ứng chiếm 73.6 %, loại nước sôi có 43 lò phản ứng chiếm 10.3 %.

Hình 4. Các công nghệ lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động trên thế giới (pris.iaea.org/pris)

Trong đó, lò phản ứng nước nhẹ áp lực (PWR) (Hình 5.a) có hai vòng tuần hoàn chính, nước lấy nhiệt từ vùng hoạt lò phản ứng đi qua ống trao đổi nhiệt tại bình sinh hơi, tại đây nhiệt từ vòng một làm hóa hơi nước tại vòng hai, hơi nước đi qua và làm quay tua-bin và sinh ra điện năng. Đối với lò phản ứng nước sôi (BWR) (Hình 5.b), nước sau đi đi qua vùng hoạt được háo hơi trực tiếp trong thùng lò phản ứng và hơi nước sau đsi đi qua và làm quay tua-bin và sinh ra điện năng

1.2 Đối tượng nghiên cứu

Hiện nay, bốn công nghệ lò phản ứng hạt nhân thế hệ III/III+ tiêu biểu gồm AP1000 (Mỹ), APR1400 (Hàn Quốc), EPR (Châu Âu) và VVER-1200 (Nga) đang được triển khai ở nhiều quốc gia, với các đặc điểm nổi bật về an toàn, hiệu suất và khả năng xây dựng. Tất cả đều là lò phản ứng nước áp lực (PWR), sử dụng nhiên liệu uranium giàu nhẹ (LEU) với độ giàu khoảng 4,5–5% U-235 và đều được thiết kế với tuổi thọ vận hành 60 năm, có thể kéo dài đến 80 năm trong một số trường hợp.

AP1000 (Hình 6) do Westinghouse (Mỹ) phát triển là lò thế hệ III+ với công suất điện khoảng 1.100 MWe. Điểm đặc trưng nổi bật của công nghệ này là hệ thống an toàn thụ động – không cần điện hoặc con người can thiệp trong 72 giờ đầu xảy ra sự cố, nhờ vào hệ thống tuần hoàn tự nhiên và bể nước dự trữ. Thiết kế này giảm đến 50% số lượng van và 80% dây điện so với các lò PWR truyền thống, giúp đơn giản hóa thi công và bảo trì. Sử dụng nhiên liệu uranium oxit (UO₂) với chu kỳ thay nhiên liệu là 18–24 tháng, cấu trúc hệ thống bao gồm hai lớp bảo vệ, bình điều áp, hệ thống làm mát vòng kín và hệ thống thu nhiệt thụ động từ vùng hoạt. Thời gian xây dựng thiết kế mục tiêu từ 36–48 tháng, nhưng thực tế có thể kéo dài hơn tùy điều kiện triển khai.

Hình 6. Công nghệ AP100 (Hoa Kỳ)

APR1400 là công nghệ của Hàn Quốc (Hình 7), công suất khoảng 1.400 MWe, phát triển từ dòng OPR1000. Lò có thiết kế an toàn chủ động kết hợp hệ thống dự phòng, nhưng không sử dụng hoàn toàn cơ chế thụ động như AP1000. APR1400 có hệ thống làm mát khẩn cấp, vỏ bảo vệ 2 lớp, và khả năng chống chịu sự cố nghiêm trọng. Nhiên liệu sử dụng là UO₂, chu kỳ thay nhiên liệu 18 tháng, với thời gian xây dựng thực tế khoảng 5 năm cho một tổ máy. Lò cũng có tuổi thọ thiết kế 60 năm và được vận hành tại Hàn Quốc và UAE.

Hình 7, Công nghệ APR1400 (Hàn Quốc)

EPR (European Pressurized Reactor), do Framatome (Pháp) và Siemens (Đức) phát triển, là lò PWR thế hệ III+ có công suất lớn nhất hiện nay (~1.650 MWe). Lò tích hợp nhiều lớp bảo vệ an toàn, bao gồm hệ thống làm mát dự phòng 4 kênh, vùng chứa lõi bị tan chảy (core catcher), vỏ bảo vệ kép, và cấu trúc hệ thống phức tạp. Chu kỳ thay nhiên liệu lên tới 22–24 tháng, với khả năng vận hành linh hoạt. Do quy mô và yêu cầu kỹ thuật cao, thời gian xây dựng thường kéo dài 7–10 năm, và chi phí đầu tư rất lớn. EPR sử dụng nhiên liệu UO₂ hoặc MOX (mixed oxide fuel), vận hành ở nhiệt độ và áp suất cao để tăng hiệu suất nhiệt.

VVER-1200 là lò phản ứng thế hệ III+ của Nga, phát triển từ dòng VVER-1000, với công suất khoảng 1.200 MWe. Đây là công nghệ chủ đạo của Rosatom hiện nay, được thiết kế với hệ thống an toàn chủ động kết hợp các hệ thống thụ động như hệ thống trao đổi nhiệt tự nhiên và bẫy lõi (core catcher). VVER-1200 có cấu trúc điển hình của lò nước áp lực Nga: bình điều áp nằm ngang, tổ hợp cụm nhiên liệu hình lục giác, vỏ bảo vệ 2 lớp. Nhiên liệu sử dụng là UO₂, chu kỳ thay nhiên liệu 12–18 tháng. Thời gian xây dựng thực tế dao động từ 5–6 năm nếu điều kiện địa phương và năng lực EPC cho phép.

Hình 8. Công nghệ VVER1200 (N

2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

2.1. Phương pháp đánh giá công nghệ (RTA)

IAEA đã xây dựng phương pháp đánh giá công nghệ lò phản ứng (RTA) [2] như một hướng dẫn tương đối toàn diện nhằm hỗ trợ các Quốc gia Thành viên trong quá trình xác định, đánh giá và lựa chọn các phương án công nghệ khả dụng. Phương pháp luận này bao gồm, nhưng không giới hạn ở các lò phản ứng công suất lớn, các lò phản ứng mô-đun nhỏ và vừa (SMRs) và các ứng dụng đa dạng của chúng (sản xuất điện, phi điện, hệ thống năng lượng lai) áp dụng cả ở các quốc gia mới bắt đầu và quốc gia đang mở rộng chương trình điện hạt nhân. Đánh giá công nghệ lò phản ứng góp phần vào việc lựa chọn, triển khai công nghệ phù hợp nhất, có khả năng triển khai trong ngắn hạn để đáp ứng mục tiêu của chương trình điện hạt nhân quốc gia. Các mục tiêu và lý do triển khai chương trình điện hạt nhân cần được xác định rõ ràng ngay từ đầu để có thể liên kết các yếu tố kỹ thuật với mục tiêu chính sách. Điều này bảo đảm rằng các so sánh kỹ thuật và kinh tế giữa các thiết kế nhà máy điện hạt nhân sẽ được thực hiện một cách khách quan, phù hợp với điều kiện, ràng buộc và nhu cầu cụ thể của quốc gia. Khi được áp dụng một cách khách quan và nhất quán, phương pháp luận RTA sẽ hỗ trợ các nhà hoạch định quyết định chọn loại nhà máy điện hạt nhân phù hợp nhất với mục tiêu chính sách, bao gồm cả các yêu cầu và tiêu chí của các đơn vị vận hành. Quá trình này được thiết lập phù hợp với các yếu tố chính khác trong quá trình phát triển chương trình điện hạt nhân.Phương pháp luận RTA có thể áp dụng trong ba giai đoạn theo phương pháp Milestones của IAEA:

• Nghiên cứu tiền khả thi (PFS), Giai đoạn 1;
• Nghiên cứu khả thi (FS), Giai đoạn 2;
• Chuẩn bị mời thầu và đánh giá hồ sơ thầu, Giai đoạn 3.

Phương pháp luận RTA lần đầu được đề xuất bởi Nhóm Công tác Kỹ thuật về Lò phản ứng Nước của IAEA. Kết quả là tài liệu đầu tiên được xuất bản năm 2013 (IAEA Nuclear Energy Series No. NP-T-1.10). Phiên bản hiện tại đã cập nhật các bài học kinh nghiệm và cải tiến phương pháp từ các hội thảo đào tạo và các cuộc họp tư vấn từ 2019–2020. Các phát triển mới như: xây dựng lò công suất lớn tại quốc gia mới, thiết kế lò tiên tiến, kéo dài vận hành, nâng cấp giữa vòng đời, sự quan tâm ngày càng tăng với SMRs và hệ thống kết hợp năng lượng hạt nhân – tái tạo.

• Phương pháp ra quyết định

Phương pháp RTA thường sử dụng các công cụ ra quyết định như ma trận ra quyết định đa tiêu chí, giúp so sánh khách quan các thiết kế lò phản ứng dựa trên các yếu tố chính và chủ đề then chốt đã được xác định. Cách tiếp cận đơn giản nhất bao gồm:

• Gán trọng số cho từng yếu tố chính (Key Element – KE) hoặc chủ đề then chốt (Key Topic – KT) (trọng số có thể dựa trên % hoặc điểm),
• Gán điểm đánh giá cho từng thiết kế công nghệ theo từng yếu tố/chủ đề,
• Tính tổng điểm có trọng số cho từng công nghệ và xếp hạng.
• Trình tự các bước đánh giá

Quy trình thực hiện một đánh giá RTA bao gồm các bước chính sau:

• Xác định mục tiêu đánh giá và phạm vi áp dụng – Tùy theo giai đoạn phát triển chương trình (PFS, FS hoặc mời thầu) và loại công nghệ cần so sánh (công suất lớn, SMR, tích hợp, phi điện...).
• Lập danh sách các thiết kế lò phản ứng cần đánh giá – Có thể từ dữ liệu ARIS của IAEA hoặc thông tin do nhà cung cấp cung cấp.
• Xác định các yếu tố chính và chủ đề then chốt – Bao gồm nhóm tiêu chí kỹ thuật, kinh tế, an toàn, chuỗi cung ứng, triển khai, hỗ trợ chính sách...
• Xác định trọng số cho từng yếu tố và chủ đề – Dựa trên ưu tiên của quốc gia, chương trình và mục tiêu phát triển. Có thể tham khảo chuyên gia, bên liên quan hoặc khảo sát chuyên sâu.
• Thu thập và xác minh thông tin dữ liệu – Thông tin về từng công nghệ cần được thu thập, xác thực và trình bày nhất quán, từ nguồn mở, cơ sở dữ liệu, tài liệu kỹ thuật hoặc do nhà cung cấp cung cấp.
• Gán điểm cho từng công nghệ theo từng tiêu chí – Theo thang điểm đã xác định (ví dụ 1 đến 5 hoặc 0 đến 10), trên cơ sở thông tin kỹ thuật có được.
• Tính toán tổng điểm có trọng số và xếp hạng – Kết quả có thể được biểu diễn dưới dạng bảng, biểu đồ, hoặc đánh giá định tính nếu số liệu chưa đầy đủ.
• Phân tích nhạy cảm và độ tin cậy – Kiểm tra độ ổn định của kết quả nếu thay đổi trọng số hoặc điểm số, từ đó đánh giá độ tin cậy và mức độ phù hợp của phương án lựa chọn.
• Báo cáo và thảo luận kết quả – Kết quả đánh giá được trình bày rõ ràng, minh bạch và có thể được chia sẻ với bên liên quan để hỗ trợ quá trình ra quyết định.
• Cập nhật và điều chỉnh khi cần – Trong quá trình chương trình phát triển, RTA có thể được cập nhật để phản ánh thông tin, công nghệ và ưu tiên mới.
  1. Lý thuyết giá trị đa thuộc tính (MAVT)

Lý thuyết giá trị đa thuộc tính (MAVT - multi-attribute value theory) [3] là một phương pháp so sánh định lượng được sử dụng để kết hợp các thước đo khác nhau về chi phí, rủi ro và lợi ích cũng như các ưu tiên của chuyên gia và người ra quyết định thành một điểm tổng thể, tức là hàm giá trị đa thuộc tính (Hình 9). Phương pháp MAVT dựa trên việc sử dụng các hàm giá trị thuộc tính đơn. Các chức năng này biến đổi các chỉ số đa dạng được đánh giá theo thang đo 'tự nhiên' thành một thang đo chung. Các hàm giá trị thuộc tính đơn được tính trọng số theo tầm quan trọng tương đối của các chỉ số của chúng. Để xác định phương án ưu tiên, điểm chuẩn hóa của mỗi phương án được nhân với hệ số trọng số tương ứng để có được điểm tổng thể, cho biết thứ hạng tổng thể của phương án: phương án ưu tiên sẽ có tổng điểm cao nhất. Do phương pháp MAVT có thể điều chỉnh dễ dàng và cho phép thực hiện các phương pháp khác nhau để so sánh và phân biệt các phương án thay thế.

Hình 9. Lý thuyết giá trị đa thuộc tính

3. Xây dựng bộ tiêu chí đánh giá

Dựa trên hướng dẫn của IAEA về đánh giá công nghệ, báo cáo của OECD, U.S.NAC, NEA.. và áp dụng phương pháp luận đánh giá công nghệ lò phản ứng (RTA), và lý thuyết giá trị đa thuộc tính (MAVT). Đối tượng được lựa chọn gồm có công nghệ VVER1200 (Nga), APR1400 (Hàn Quốc), AP1000 (Hoa Kỳ) và EPR (Pháp), các tiêu chí đánh giá được chia thành mục tiêu cao cấp bao gồm kinh tế, hiệu quả, khả năng chấp nhận. Tương ứng với tiêu chí về kinh tế là các lĩnh vực về giá và khả năng triển khai với bộ tiêu chí đánh giá cụ thể gồm có chi phí điện quy dẫn (LCOE), tổng vốn đầu tư trên một đơn vị lò phản ứng, chi phí bên ngoài, thời gian xây dựng, khả năng nội địa hóa, cấp phép& thương mại hóa, số lượng NMĐHN đang vận hành, số lượng NMĐHN đang được xây dựng. Với mục tiêu Hiệu quả, xem xét đến lĩnh vực đánh giá như an toàn và đặc trưng quốc gia, trong đó đối với an toàn các tiêu chí bao gồm Hệ thống an toàn chủ động, hệ thống an toàn thụ động và vùng ứng phó sự số. Khi xem xét đến đặc trưng của quốc gia cần quan tâm đến tiêu chí về hiệu suất nhiệt, khả năng điều chỉnh tải, chu trình thay đảo nhiên liệu và nguồn nhân lực sẵn có để triển khai cho từng loại công nghệ (Hình 10).

Hình 10. Bộ tiêu chí đánh giá công nghệ lò phản ứng PWR tiên tiến

Cuối cùng với mục tiêu khả năng chấp nhận đề xuất xem xét đến hai lĩnh vực đánh giá như an ninh năng lượng bao gồm an ninh nhiêu liệu và quản lý chất thải phóng xạ - quản lý chất thải ngắn hạn và khả năng chấp nhận việc chuyển trả nhiên liệu đã qua sử dụng. Cơ sở hạ tầng thì chủ yếu xem xét đến việc đối với từng loại công nghệ có cần xây dựng nhứng cơ sở hạ tầng công nghệ cao chuyên biệt hay không. Từ bộ tiêu chí trên, tiến hành cho điểm từng tiêu chí tương ứng với từng công nghệ và tùy thuộc vào mức độ ưu tiên của từng tiêu chí sẽ tiến hành đánh trọng số tương ứng (Hình 8). Chú ý rằng, tổng giá trị trọng số cho từng hạng mục, từng bộ tiêu chí luôn bằng 1. Kết quả của nghiên cứu này được trình bày dưới đây.

4. Kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng công nghệ VVER-1200 của Nga đạt điểm cao nhất với tổng điểm 0.713, xếp hạng thứ hai là công nghệ APR1400 cảu Hàn Quốc đạt 0.677 điểm, AP1000 của Hoa Kỳ xếp hạng thứ 3 đạt 0.64 điểm, cuối cùng công nghệ EPR của Pháp đạt 0.466 điểm (Hình 11).

Hình 11. Điểm đánh giá công nghệ PWR tiên tiến

Khi xem xét từng tiêu chí cụ thể như giá, khả năng triển khai, an toàn, đặc trưng quốc gia, an ninh năng lượng và khả năng đáp ứng của cơ sở hạ tầng của bốn loại công nghệ có thể thấy rằng với tiêu chí về giá thì vốn đầu tư trên một đơn vị lò phản ứng của hai công nghệ VVER1200 và APR1400 được đánh giá cao hơn so với hai công nghệ còn lại theo kết quả nghiên cứu của OECD/NEA & IEA (2020). Projected Costs of Generating Electricity – 2020 Edition. Đối với tiêu chí về khả năng triển khai thì công nghệ VVER1200 hiện đang được vận hành và đang được xây dựng nhiều nhất trên thế giới so với ba công nghệ còn lại. Bên cạnh đó, việc Nga đồng ý nhận lại nhiên liệu đã qua sử dụng và có chính sách hỗ trợ dài hạn cho dự án điện hạt nhân ở nước ngoài nên tiêu chí về an ninh năng lượng của công nghệ VVER1200 đạt 0.142 điểm thấp hơn 0.02 điểm so với công nghệ AP1000 bởi vì chu kỳ thay đảo nhiên liệu của AP1000 là 24 tháng trong khi của VVER1200 là 18 tháng, bù lại phía Hoa Kỳ chưa có cam kết rõ ràng về việc nhận lại nhiên liệu đã qua sử dụng và điều đó cũng cần phải được cân nhắc đới với quốc gia mới triển khai dự án điện hạt nhân như Việt Nam (Hình 12).

Hình 12. Các tiêu chí đánh giá cụ thể của bốn công nghệ PWR

Từ những điểm đánh giá đạt được với bộ tiêu chí (Hình 5), kết quả xếp hạng chỉ ra trong Hình 8 cho thấy rằng công nghệ VVER1200 của Nga thỏa mãn các tiêu chí về tính kinh tế và độ hiệu quả, còn công nghệ APR1400 chỉ đáp ứng các tiêu chsi về kinh tế, còn độ hiệu quả thì công nghệ AP1000 chiếm ưu thế hơn (Hình 13). Công nghệ EPR của Pháp không đạt được những tiêu chí trên bởi vì công nghệ này có công suất lớn 1500 – 1700 MWe khó khăn trong việc triển khai và cần có những cơ sở hạ tầng đặc biệt và yêu cầu kỹ thuật cao nên khó có thể triển khai ở các quốc gia mới bắt đầu.

Hình 13. Kết quả xếp hạng cho bốn loại công nghệ PWR

5. Kết luận

Từ kết quả nghiên cứu cho thấy VVER-1200 và APR1400 là hai công nghệ có mức độ phù hợp cao đối với các quốc gia đang phát triển chương trình điện hạt nhân nhờ sự cân bằng giữa an toàn, chi phí đầu tư hợp lý và khả năng hỗ trợ triển khai toàn diện. VVER-1200 nổi bật với gói hỗ trợ trọn gói từ Nga, bao gồm cả chuyển trả nhiên liệu đã qua sử dụng, trong khi APR1400 thể hiện tính hiệu quả và kinh nghiệm vận hành qua các dự án tại Hàn Quốc và UAE. AP1000 có thiết kế hiện đại và an toàn thụ động cao nhưng gặp thách thức trong triển khai thực tế, còn EPR dù có mức độ an toàn và công suất vượt trội nhưng chi phí đầu tư và yêu cầu kỹ thuật quá cao, ít phù hợp với quốc gia có hạ tầng hạn chế. Nhìn chung, các khung đánh giá cho thấy lựa chọn công nghệ cần phù hợp với mục tiêu quốc gia, năng lực nội tại và chính sách dài hạn về nhiên liệu.

6. Tài liệu tham khảo

[1]. pris.iaea.org/pris

[2]. Nuclear reactor technology assessment for near term deployment. IAEA NUCLEAR ENERGY SERIES No. NR‑T‑1.10 (Rev. 1). 2022

[3]. Application of multi-criteria decision analysis methods to comparative evaluation of nuclear energy system options. INPRO Collaborative Project “Key Indicators for Innovative Nuclear Energy Systems”. IAEA. 2019.

Lê Trần Trung và nhóm tác giả