Canada từ lâu đã là một quốc gia tiên phong trong lĩnh vực nghiên cứu và công nghệ hạt nhân. To Date Canada Has Produced nhiều hệ thống lò phản ứng được xuất khẩu ra thế giới, đồng thời là nhà cung cấp hàng đầu các đồng vị phóng xạ sử dụng trong chẩn đoán y tế và điều trị ung thư. Khoảng 15% điện năng của Canada đến từ năng lượng hạt nhân, với 17 lò phản ứng, chủ yếu ở Ontario, cung cấp công suất 12,7 GWe. Canada cũng có kế hoạch xây dựng cả công suất hạt nhân quy mô lớn mới và các lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR).
Công Suất Năng Lượng Hạt Nhân Hoạt Động
Tổng quan về số lượng lò phản ứng đang hoạt động, đang xây dựng và đã ngừng hoạt động tại Canada:
Hiện tại Canada có 17 lò phản ứng đang hoạt động, cung cấp 12,669 MWe.
Không có lò phản ứng nào đang trong quá trình xây dựng.
8 lò phản ứng đã ngừng hoạt động, với tổng công suất 3,181 MWe.
Ngành Công Nghiệp Điện Hạt Nhân
Ngành công nghiệp điện hạt nhân Canada đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho đất nước.
Sản lượng điện tổng (năm 2022): 656 TWh
Cơ cấu sản xuất điện: thủy điện 399 TWh (61%); hạt nhân 87.2 TWh (13%); khí tự nhiên 81.5 TWh (12%); gió 37.5 TWh (6%); than 29.3 TWh (2%); nhiên liệu sinh học & chất thải 10.2 TWh (2%); mặt trời 7.0 TWh; dầu 4.2 TWh.
Cán cân xuất/nhập khẩu: 51.3 TWh xuất khẩu ròng (14.1 TWh nhập khẩu, 65.4 TWh xuất khẩu)
Tổng tiêu thụ: 533 TWh
Tiêu thụ bình quân đầu người: khoảng 13,700 kWh năm 2022
Nguồn: Cơ quan Năng lượng Quốc tế, Ngân hàng Thế giới. Dữ liệu năm 2022.
Lò phản ứng đang hoạt động tại Canada:
Bản đồ các nhà máy điện hạt nhân ở Canada, chủ yếu tập trung ở Ontario
Bản đồ các nhà máy điện hạt nhân tại Canada cho thấy sự tập trung chủ yếu ở tỉnh Ontario, nơi phần lớn các lò phản ứng đang hoạt động.
Một nghiên cứu của Hiệp hội Hạt nhân Canada ước tính rằng vào năm 2019, ngành công nghiệp hạt nhân Canada đã tạo ra 76,000 việc làm, nhiều hơn 16,000 so với năm 2012.
Trong những năm gần đây, có hai phát triển đáng chú ý trong tình hình hạt nhân của Canada: quyết định năm 2015 của Ontario về việc phê duyệt nâng cấp (kéo dài tuổi thọ) bốn tổ máy hạt nhân tại Darlington và sáu tổ máy còn lại tại Bruce (hai tổ máy đầu tiên đã được nâng cấp). Chương trình kéo dài 15 năm trị giá 26 tỷ đô la Canada này là một trong những dự án năng lượng sạch lớn nhất ở Bắc Mỹ. Tổ máy đầu tiên tại Darlington, tổ máy 2, bắt đầu ngừng hoạt động để nâng cấp vào tháng 10 năm 2016 và đã trở lại hoạt động thương mại vào tháng 6 năm 2020. Tổ máy thứ hai tại Darlington, tổ máy 3, đã trở lại hoạt động thương mại vào tháng 7 năm 2023. Tổ máy Bruce đầu tiên trải qua nâng cấp là tổ máy 6, bắt đầu ngừng hoạt động vào tháng 1 năm 2020 và được khởi động lại vào tháng 8 năm 2023.
Sự phát triển thứ hai liên quan đến vai trò lãnh đạo quốc tế về các lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR). Năm 2018, Bộ Tài nguyên Canada (NRCan) đã ban hành Lộ trình SMR, một kế hoạch phát triển công nghệ hạt nhân dựa trên SMR. Vào tháng 12 năm 2019, các tỉnh New Brunswick và Saskatchewan đã đồng ý hợp tác với Ontario trong việc thúc đẩy phát triển và triển khai SMR để giải quyết biến đổi khí hậu, nhu cầu năng lượng khu vực, phát triển kinh tế và các cơ hội nghiên cứu và đổi mới. Cùng với đó, Ủy ban An toàn Hạt nhân Canada (CNSC) có một quy trình xem xét thiết kế của nhà cung cấp trước khi cấp phép để đánh giá các thiết kế nhà máy điện hạt nhân dựa trên công nghệ lò phản ứng của nhà cung cấp – cho khoảng mười lò phản ứng nhỏ với nhiều công suất khác nhau lên đến 300 MWe. Ngoài ra, Phòng thí nghiệm Hạt nhân Canada (CNL) đã mời các biểu hiện quan tâm dẫn đến gần 20 đề xuất về việc đặt một SMR tại một địa điểm do CNL quản lý. CNL đặt mục tiêu có một SMR mới tại địa điểm Chalk River của mình vào năm 2026.
Vào tháng 12 năm 2020, NRCan đã công bố kế hoạch hành động SMR, đáp ứng 53 khuyến nghị trong Lộ trình SMR và vạch ra các bước để phát triển, trình diễn và triển khai SMR trong và ngoài nước. Kế hoạch dự kiến các tổ máy đầu tiên sẽ đi vào hoạt động vào cuối những năm 2020.
Vào tháng 2 năm 2023, chính phủ Canada đã khởi động ‘Chương trình Tạo điều kiện cho Lò phản ứng Mô-đun Nhỏ’, cung cấp 29.6 triệu đô la Canada (khoảng 22 triệu đô la) để hỗ trợ phát triển và triển khai SMR. Theo chương trình, người nộp đơn có thể yêu cầu tối đa 5 triệu đô la Canada cho các dự án R&D, với chương trình cung cấp tối đa 75% tổng chi phí dự án hoặc tối đa 100% cho các dự án do người bản địa dẫn đầu.
Vào tháng 11 năm 2023, chính phủ đã sửa đổi Khung trái phiếu xanh – trước đây loại trừ năng lượng hạt nhân khỏi việc nhận hỗ trợ tài chính – để cho phép rõ ràng “việc triển khai năng lượng hạt nhân để tạo ra điện và/hoặc nhiệt.” Đợt phát hành đầu tiên theo khung sửa đổi, trị giá 4 tỷ đô la Canada (2.9 tỷ đô la), đã được bán vào tháng 2 năm 2024.
Phát Triển Lò Phản Ứng
Canada đã phát triển dòng lò phản ứng điện hạt nhân của riêng mình, bắt đầu từ nghiên cứu năm 1944 khi một nhóm thiết kế kỹ thuật được tập hợp tại Montreal, Quebec, để phát triển một lò phản ứng hạt nhân được làm chậm bằng nước nặng. Lò phản ứng thử nghiệm nghiên cứu quốc gia (NRX) bắt đầu hoạt động vào năm 1947 tại Chalk River, Ontario, nơi ngày nay các Phòng thí nghiệm Chalk River là trung tâm của phần lớn nghiên cứu và phát triển hạt nhân của Canada. Chính phủ thành lập Atomic Energy of Canada Ltd (AECL) như một tập đoàn vương miện vào năm 1952 với nhiệm vụ nghiên cứu và phát triển các ứng dụng hòa bình của năng lượng hạt nhân. Lò phản ứng Universal nghiên cứu quốc gia (NRU) được xây dựng tại Chalk River vào năm 1957. Đến tháng 10 năm 2016, NRU sản xuất 40% nguồn cung molypden-99 của thế giới, nguồn cung cấp technetium-99 được sử dụng rộng rãi để chẩn đoán y tế và coban-60 để điều trị ung thư. Nó đã bị đóng cửa vào tháng 3 năm 2018, sau một cuộc đời phục vụ đáng kể.
Thiết kế Candu
AECL, hợp tác với ngành công nghiệp Canada, bắt đầu phát triển lò phản ứng Candu (Canada deuterium uranium) đầu tiên vào cuối những năm 1950. Các lò phản ứng Candu thương mại đầu tiên bắt đầu hoạt động ở Pickering, Ontario, vào năm 1971. Mười tám trong số 19 lò phản ứng thương mại của Canada nằm ở Ontario (Point Lepreau nằm ở New Brunswick). Vào năm 2021, khoảng 58% sản lượng điện của Ontario đến từ năng lượng hạt nhân. Cũng như việc sử dụng chúng cho điện, các lò phản ứng điện Candu sản xuất gần như toàn bộ nguồn cung cấp đồng vị phóng xạ coban-60 của thế giới để sử dụng trong y tế và khử trùng.
Ngày nay, có 27 lò phản ứng điện Candu tại bảy quốc gia, cũng như 17 lò phản ứng ‘dẫn xuất Candu’ ở Ấn Độ. Doanh số xuất khẩu 12 tổ máy Candu đã được thực hiện cho Hàn Quốc (4), Romania (2), Ấn Độ (2), Pakistan (1), Argentina (1) và Trung Quốc (2), cùng với chuyên môn kỹ thuật để xây dựng và vận hành chúng.
Lò phản ứng Candu sử dụng nước nặng (deuterium oxide) làm chất làm chậm và làm mát, và được cung cấp nhiên liệu bằng uranium tự nhiên (trái ngược với uranium làm giàu). Ưu điểm của lò phản ứng Candu là tiết kiệm chi phí nhiên liệu, vì uranium không phải trải qua quá trình làm giàu, và giảm thời gian ngừng hoạt động của lò phản ứng từ việc tiếp nhiên liệu và bảo trì. Những khoản tiết kiệm này được bù đắp một phần bởi chi phí sản xuất nước nặng. Một nguyên mẫu Candu nhỏ (22 MWe) đã đi vào hoạt động vào năm 1962 tại Rolphton, Ontario, cách các cơ sở Chalk River 30 km về phía thượng lưu. Một nguyên mẫu lớn hơn – 200 MWe – bắt đầu tạo ra điện tại Douglas Point, Ontario, vào năm 1967. Nó là cơ sở thiết kế của các lò phản ứng điện PHWR đầu tiên của Ấn Độ, Rawatbhata 1&2.
Công nghệ và thiết kế của lò phản ứng Candu đã phát triển qua nhiều thế hệ, với các lò phản ứng mới nhất là Candu 6 nâng cao (EC6, dựa trên Qinshan ở Trung Quốc). Lò phản ứng Candu tiên tiến thế hệ tiếp theo (ACR-1000) chưa được phát triển đầy đủ.
Số lượng máy tạo hơi (SG) trên mỗi lò phản ứng Candu là khác nhau đối với các thiết kế khác nhau. Các tổ máy của trạm Bruce có tám SG mỗi tổ máy, có thiết kế độc đáo, không được sử dụng ở bất kỳ nơi nào khác. Các nhà máy Candu-6 (ví dụ: Point Lepreau) đều có bốn SG mỗi tổ máy, cũng như các tổ máy Darlington lớn hơn. Các lò phản ứng Pickering cũ có 12 SG nhỏ mỗi tổ máy.
Vào giữa năm 2011, AECL đã bán bộ phận lò phản ứng của mình cho công ty con Candu Energy của SNC-Lavalin với giá 15 triệu đô la Canada, với việc chính phủ Canada giữ lại quyền sở hữu trí tuệ đối với các lò phản ứng Candu, với hy vọng nhận được tiền bản quyền trong tương lai từ các dự án xây dựng mới và kéo dài tuổi thọ “trong khi giảm rủi ro thương mại hạt nhân cho người nộp thuế.” Candu Energy có thể theo đuổi các cơ hội kinh doanh mới liên quan đến các lò phản ứng Candu hiện có trên toàn thế giới và các cơ hội xây dựng mới với các mô hình EC6. Chính phủ sẽ đóng góp 75 triệu đô la để hoàn thành chương trình phát triển EC6. Candu Energy sẽ hoàn thành các dự án nâng cấp tại Bruce, Point Lepreau và Wolsong thông qua các thỏa thuận dịch vụ thầu phụ với chính phủ Canada. Khoảng 1200 nhân viên đã chuyển sang Candu Energy.
Đến năm 2016, Candu Energy đã tập trung vào việc điều chỉnh các thiết kế của mình để chạy bằng uranium tái chế từ các lò phản ứng nước nhẹ và do đó bổ sung cho các nhà khai thác các lò phản ứng đó thay vì cạnh tranh với các thiết kế PWR và BWR. Một biểu hiện của điều này là các thỏa thuận năm 2012 và 2016 với Tổng công ty Hạt nhân Quốc gia Trung Quốc và những người khác để hoàn thiện thiết kế và sau đó xây dựng Lò phản ứng CANDU nhiên liệu tiên tiến (AFCR).
Vào cuối năm 2023, AtkinsRéalis (trước đây là SNC-Lavalin) đã công bố thiết kế Candu Monark mới của mình, với một số tính năng an toàn thụ động. Thiết kế 1000 MWe là lõi lò phản ứng Candu được làm mát và điều hòa bằng nước nặng gồm 480 kênh, với hệ thống vận chuyển nhiệt ‘hình số tám’ hai vòng, tương tự như thiết kế được sử dụng cho nhà máy Darlington. Nhiên liệu là uranium tự nhiên trong các bó 37 phần tử (37M).
Nâng Cấp Lò Phản Ứng
Để đáp ứng nhu cầu điện hiện tại và tương lai, chính quyền tỉnh và các công ty điện lực đã đưa ra quyết định kéo dài tuổi thọ hoạt động của một số lò phản ứng bằng cách nâng cấp chúng. Việc nâng cấp các tổ máy Candu bao gồm các bước như thay thế các kênh nhiên liệu và máy tạo hơi và nâng cấp các hệ thống phụ trợ theo các tiêu chuẩn hiện hành.
Hình ảnh cho thấy khu vực nhà máy điện hạt nhân Bruce với 8 lò phản ứng Candu, trong đó 4 lò thuộc nhà máy Bruce B và 4 lò thuộc nhà máy Bruce A.
Từ năm 1995-98, bốn tổ máy Bruce A và bốn tổ máy Pickering A đã bị cựu Ontario Hydro ngừng hoạt động. Điều này xảy ra sau một đánh giá do Ontario Power Generation ủy quyền, đánh giá quan trọng về quản lý của công ty và khuyến nghị một cách tiếp cận theo giai đoạn để cải thiện, bao gồm việc đóng cửa bảy lò phản ứng (một lò đã ngừng hoạt động) đang chờ nâng cấp và tập trung vào 12 lò khác đang hoạt động (Bruce B, Pickering B và Darlington).
Câu chuyện Pickering A – Bruce A là một câu chuyện cảnh báo (và nghiên cứu điển hình kinh điển của ngành) liên quan đến những gì hiện được gọi là quản lý kiến thức (KM). Đến giữa những năm 1990, có sự khác biệt giữa các bản vẽ và các sửa đổi đã được thực hiện liên tục, và công ty cũng không chia sẻ kinh nghiệm vận hành với nhà thiết kế. Các tiêu chuẩn bảo trì giảm và chi phí tăng lên. Một cuộc kiểm toán chi tiết năm 1997-98 cho thấy cơ sở thiết kế không được duy trì và cần thêm 4000 nhân viên để khắc phục tình hình tại tất cả các nhà máy Ontario Hydro, vì vậy hai nhà máy A (8 tổ máy) đã bị đóng cửa để nhân viên có thể tập trung vào 12 tổ máy không cần nhiều sự chú ý. Từ năm 2003, sáu trong số tám tổ máy A đã được đưa trở lại hoạt động với cơ sở thiết kế được sửa chữa, sau khi đã ngừng hoạt động trong vài năm – một sự mất mát đáng kể về cơ sở tài sản cho các chủ sở hữu. Hai tổ máy tại Pickering (2&3) được coi là không kinh tế để nâng cấp nên sẽ không được khởi động lại.
Việc nâng cấp đầy đủ các tổ máy Candu 6 mô hình sau này như Point Lepreau bao gồm việc thay thế tất cả các ống calandria, máy tạo hơi và hệ thống điều khiển và thiết bị. (Dự án đầu tiên này đã vượt quá thời gian và ngân sách, nhưng dự án thứ hai, tại Wolsong 1 ở Hàn Quốc, đã được hưởng lợi từ kinh nghiệm.)
Hiện tại, có các chương trình nâng cấp lớn đang diễn ra tại cả hai địa điểm Darlington và Bruce, kéo dài tuổi thọ hoạt động của các lò phản ứng thêm 30 năm (xem bên dưới).
Tóm Tắt
To date Canada has produced một di sản đáng tự hào trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân, từ việc phát triển công nghệ lò phản ứng Candu độc đáo đến việc trở thành nhà cung cấp hàng đầu các đồng vị phóng xạ y tế. Với những kế hoạch đầy tham vọng cho tương lai, bao gồm việc xây dựng các lò phản ứng mới và phát triển các lò phản ứng mô-đun nhỏ, Canada tiếp tục khẳng định vị thế của mình như một quốc gia hàng đầu trong ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân toàn cầu.