Một trong những câu hỏi đầu tiên đặt ra khi thực hiện chương trình nhiên liệu hạt nhân là khả năng tài nguyên Urani và Thori. Kết quả nghiên cứu phát hiện tài nguyên trong nhiều thập kỷ vừa qua ở nước ta cho thấy, Việt Nam có tiềm năng về quặng Urani với nhiều loại hình khoáng hoá. Tổng tài nguyên ở cấp dự báo khoảng 230.000 tấn U3O8. Những nghiên cứu trong phạm vi phòng thí nghiệm đã kết luận về khả năng thu hồi, tinh chế và chế tạo viên gốm Urani từ quặng. Một số nghiên cứu địa chất cũng cho thấy những dấu hiệu về sự tồn tại của mỏ Urani bất chỉnh hợp là loại hình có giá trị kinh tế cao ở khu vực Tây Nguyên, tuy nhiên, chúng ta còn chưa có điều kiện để kiểm tra làm rõ. Việc tìm kiếm đánh giá tài nguyên Thori chưa được coi trọng, số liệu còn rất phân tán.
Bên cạnh đó, khẳng định về công nghệ lò phản ứng đối với nước ta chưa thể có ngay được. Quyết định về công nghệ lò sẽ kéo theo chu trình nhiên liệu hạt nhân với những đặc trưng công nghệ tương ứng: việc chọn lò nước nặng, lò nước nhẹ hay cả 2 loại lò, lò nơtron chậm hay lò tái sinh nhanh, v.v… dẫn tới các phương án chế tạo nhiên liệu hạt nhân khác nhau. Những yêu cầu về nhiên liệu hạt nhân cũng tuỳ thuộc vào thế hệ lò, nước chế tạo lò phản ứng, v.v… Do đó đã có lộ trình cho phát triển điện hạt nhân (ĐHN) thì đồng thời cũng nên xây dựng lộ trình tự chủ về nhiên liệu để đảm bảo phát triển bền vững về năng lượng hạt nhân. Thời điểm xuất hiện điện hạt nhân ở Việt Nam là một căn cứ quan trọng cho việc hoạch định chương trình nhiên liệu hạt nhân. Thời điểm này được đề nghị là trong khoảng 2017 – 2020.
Chu trình nhiên liệu hạt nhân đòi hỏi trình độ khoa học công nghệ nhất định, từ khâu điều tra thăm dò tới khai thác, xử lý tách Urani từ quặng, tinh chế đến độ sạch hạt nhân, làm giàu đồng vị và chế tạo thanh nhiên liệu, chất làm chậm nơtron, vật liệu thanh điều khiển, vật liệu lò phản ứng v.v… các quá trình vận chuyển lưu kho, các công đoạn tái chế nhiên liệu đã cháy, các quá trình đảm bảo an toàn và xử lý thải phóng xạ, v.v… Để có nhiên liệu hạt nhân, theo kinh nghiệm của thế giới, cần thời gian chuẩn bị từ 15- 20 năm kể từ bước thăm dò tài nguyên Urani.
Như vậy, tự chủ về nhiên liệu hạt nhân là vấn đề phức tạp và khó khăn, phải được cân nhắc và xem xét thận trọng. Tự chủ cao nhất có thể thực hiện tất cả các khâu của chu trình nhiên liệu như các nước Mỹ, Nga,… Các nước khác đều có cách đi riêng của mình, sau đây là một số ví dụ:
- Hàn Quốc không có tài nguyên Urani nên để đảm bảo nhiên liệu hạt nhân, Hàn Quốc đã có chương trình nội địa hoá nhiên liệu từ những năm 70 của thế kỷ trước: đầu tư hợp tác thăm dò Urani ở nước ngoài bên cạnh các hợp đồng mua Urani từ Canada, Oxtralia, Pháp, Mỹ; tự chế tạo nhiên liệu hạt nhân cho lò nước nhẹ và lò CANDU. Hiện Hàn Quốc luôn có dự trữ nhiên liệu để thoả mãn nhu cầu điện hạt nhân từ 1- 2 năm, trong đó: 1/2 dự trữ dưới dạng Urani tự nhiên tại các nhà máy chuyển hoá ở nước ngoài, 1/2 dưới dạng Urani giàu tại các nhà máy chế tạo nhiên liệu hạt nhân và thanh nhiên liệu tại các nhà máy ĐHN.
- Nhật Bản đã chú ý tìm kiếm phát hiện tài nguyên Urani trong nước từ năm 1956, là nước có ít tài nguyên (6.600 tấn trữ lượng cấp RAR) nên đã chú trọng đầu tư, thăm dò ở nước ngoài (Canada, Oxtralia, Mỹ, Nigie, Trung Quốc, Zimbabue) nhập khẩu Urani kỹ thuật để tự thực hiện tất cả các khâu sản xuất nhiên liệu, chú trọng quá trình tái xử lý và sản xuất nhiên liệu MOX.
Trong bước chuẩn bị này, Việt Nam phải vừa tích cực chủ động xây dựng đào tạo cán bộ, cơ sở vật chất nghiên cứu triển khai… vừa tiếp tục xác định rõ mức độ tham gia và bước đi của chu trình nhiên liệu, trong đó điều quan trọng là phải đánh giá được khả năng về tài nguyên Urani của nước ta.
Như vậy, nội dung chính về xây dựng và phát triển chương trình nhiên liệu hạt nhân ở Việt Nam trong giai đoạn từ nay đến 2020 là:
- Tìm kiếm thăm dò và đánh giá khả năng khai thác và sử dụng tài nguyên Urani ở Việt Nam.
- Nghiên cứu triển khai khoa học công nghệ về chu trình nhiên liệu.
Trước mắt, cần tập trung đầu tư, đẩy nhanh tiến độ thăm dò đánh giá trữ lượng tài nguyên Urani có triển vọng công nghiệp đã được phát hiện, đồng thời tiếp tục tìm kiếm các mỏ có giá trị kinh tế cao, tiến tới khai thác quy mô công nghiệp.
Nhiên liệu hạt nhân có thể chia làm ba loại là kim loại, gốm và phân tán. Nhiên liệu dạng kim loại bao gồm Urani kim loại hoặc hợp kim của Urani với những nguyên tố có tiết diện hấp thụ nơtron thấp như Al, Mg, Zr, Fe, Nb… Nhiên liệu gốm bao gồm gốm các oxit hoặc các monocacbit và mononitrit của Urani, Thori và Plutoni. Nhiên liệu phân tán là nhiên liệu trong đó có các kim loại và gốm kể trên được làm giầu và phân tán trên nền những nguyên tố có tiết diện hấp thụ nơtron thấp, phổ biến là Al, Mg.
Khi thiết kế chế tạo viên gốm nhiên liệu, người ta đặc biệt chú ý đến những hiện tượng xảy ra khi viên gốm làm việc trong lò phản ứng hạt nhân. Những đặc tính kỹ thuật của viên gốm nhiên liệu phải đáp ứng được những điều kiện khắc nghiệt mà nó phải chịu khi đi làm việc.
Viên gốm UO2 được sử dụng rộng rãi với số lượng lớn cả ở nhiên liệu truyền thống và nhiên liệu tiên tiến. Viên gốm
UO2 có những tính chất hoá học, vật lý và công nghệ phù hợp để chế tạo nhiên liệu hạt nhân: Nhiệt độ nóng chảy cao (2878oC), hệ số giãn nở nhiệt thấp (10-5.0C-1 ở 1000oC), độ dẫn nhiệt (0.02cal/s.cm.oC) và độ bền cơ học phù hợp (độ bền kéo trên 500kg/cm2) tính trơ với nước nóng, có khả năng giữ một lượng lớn khí phân hạch, ổn định cấu trúc pha khi chiếu xạ, v.v… Tuy nhiên, so với kim loại, gốm UO2 có tỷ trọng thấp hơn, tính dẫn nhiệt và tính chịu sốc nhiệt cũng kém hơn.
Những thành quả bước đầu trong công nghệ chế tạo viên gốm U02 ở Viện Công nghệ xạ hiếm
Nguyên liệu ban đầu của quá trình chế tạo viêm gốm UO2 là bột UO2. Bột này phải có những đặc tính kỹ thuật nhất định: cỡ hạt 0,5 – 1,0mm, tỷ trọng đống 1,5 – 2g/cm3, diện tích bề mặt riêng 2,5- 3,5m2/g, tỷ số O/U< 2,1, hàm lượng ẩm <0,4%.
Công nghệ chế tạo viên gốm từ bộ UO2 gồm các công đoạn chính: tạo hạt ép, viên, thiêu kết và kiểm tra chất lượng viên thiêu. Quá trình tạo hạt thông qua ép sơ bộ bao gồm các nguyên công: ép sơ bộ, nghiền hoặc chà sát để tạo ra cỡ hạt cần thiết, sàng phân cấp hạt và trộn với chất kết dính. Quá trình tạo hạt nhằm chủ động tạo ra các hạt phù hợp cho quá trình ép và nâng cao chất lượng viên gốm. Hạt tạo ra phải đủ cứng để dễ sắp xếp lại và đủ mềm để dễ biến dạng khi ép. Viên gốm UO2 được ép nguội hai chiều trong khuôn cứng. Khuôn ép nguội được chế tạo từ những loại vật liệu có độ cứng cao với kích thước, độ côn, độ bóng, độ cứng thích hợp. Thiêu kết là quá trình gia nhiệt có hoặc không có áp lực lên viên ép làm cho các hạt trong viên ép trở nên xít đặc và tạo thành kết khối. Mục đích của quá tình thiêu kết là tạo ra viên thiêu có tỷ trọng, có cấu trúc tế vi (độ hạt tinh thể, sự phân bổ lỗ xốp) mong muốn. Đối với viên gốm UO2 thì nhiệt độ thiêu kết cao, thời gian thiêu kết dài sẽ thuận lợi cho quá trình thiêu kết. Chất lượng của viên gốm được kiểm tra đánh giá theo các chỉ tiêu: Tỷ trọng, kích thước hạt tinh thể, phân bố lỗ xốp và tỷ số O/U.
Các thiết bị được sử dụng trong quá trình thí nghiệm bao gồm: thiết bị sấy; thiết bị nung, khử; thiết bị tạo hạt; thiết bị ép viên; lò thiêu kết.
Nhiệt độ và thời gian thiêu kết là những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến các chỉ tiêu kỹ thuật của viên gốm UO2. Các thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ và thời gian thiêu kết đến tính chất của viên gốm UO2 đã được tiến hành ở nhiệt độ 1650oC và 1700oC và thời gian giữ nhiệt 2,4 và 6 giờ. Các kết quả thí nghiệm khẳng định tác động gia tăng động lực kết khối của nhiệt độ và thời gian lưu đối với quá trình thiêu kết. Các số liệu thí nghiệm cho phép nhận định về các đặc tính thiêu kết (tỷ trọng, sự co ngót theo các hướng, khuyết tật, v.v…) của bột chế tạo theo các quy trình khác nhau.
Từ các kết quả nghiên cứu đã đưa ra quy trình công nghệ chế tạo viên gốm UO2 trong phòng thí nghiệm với các thiết bị hiện có đạt các chỉ tiêu kỹ thuật cơ bản của viên gốm UO2. Các thông số công nghệ quan trọng: lực ép sơ bộ 1,1T/cm2, phụ gia bôi trơn là stearate kẽm 0,2%, lực ép viên 3T/cm2, thời gian giữ lực 10 giây, nhiệt độ thiêu kết tối đa 1700oC, thời gian giữ nhiệt 8- 10 giờ, tốc độ nâng nhiệt 150o/h, tốc độ hạ nhiệt, 170o/h, môi trường thiêu kết H2: N2 = 3:1.
Một số tính chất quan trọng của viên gốm chế tạo được là: tỷ trọng 97,2 – 97,4% TD; kích thước hạt tinh thể trong khoảng tử 4- 10mm; phần lớn lỗ xốp có kích thước dưới 2mm và phân bố tương đối đồng đều, đạt chỉ tiêu của viên UO2 nhiên liệu.
Như vậy, việc nghiên cứu chế tạo viên gốm UO2 từ ADU đã được bắt đầu từ năm 1998 và đã có những thành công bước đầu đáng khích lệ. Thiết nghĩ, để tiến tới làm chủ công nghệ chế tạo viên gốm UO2 phục vụ cho kế hoạch nội địa hoá nhiên liệu hạt nhân của đất nước trong tương lai, cần sớm xác định được chiến lược nghiên cứu lâu dài, có hệ thống và toàn diện về chu trình, công nghệ nhiên liệu hạt nhân và đưa ra kế hoạch đầu tư trang thiết bị, tổ chức nhóm nghiên cứu khoa học mạnh, lâu dài và chuyên nghiệp