Nhu cầu uranium toàn cầu được dự báo tăng gấp đôi vào năm 2040, thúc đẩy các quốc gia mở lại mỏ, mở rộng công suất làm giàu và tìm kiếm những nguồn nhiên liệu mới, từ nước biển, thorium cho tới helium-3 trên Mặt trăng…

Sự hồi sinh của điện hạt nhân đang mở ra một cuộc đua mới không chỉ về xây dựng lò phản ứng mà còn về nguồn nhiên liệu và công nghệ cung ứng nhiên liệu. Hơn 40 quốc gia đang có kế hoạch xây dựng các lò phản ứng mới hoặc cân nhắc lựa chọn này trong bối cảnh nhu cầu điện tăng mạnh, đặc biệt từ các ngành như trí tuệ nhân tạo và khai thác tiền mã hóa.

Một viên nhiên liệu uranium có kích thước tương đương đầu ngón tay có thể cung cấp lượng năng lượng tương đương một tấn than hoặc 17.000 feet khối khí tự nhiên. Mật độ năng lượng cao này là một trong những lý do khiến uranium tiếp tục giữ vai trò trung tâm trong quá trình phục hồi điện hạt nhân.

Tuy nhiên, chuỗi cung ứng uranium toàn cầu đang đối mặt với những rủi ro địa chính trị đáng kể. Năm 2022, 84% lượng uranium sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân dân dụng của Mỹ được nhập khẩu từ 5 quốc gia gồm Canada, Kazakhstan, Nga, Uzbekistan và Australia. Nga đồng thời cung cấp 24% lượng uranium đã làm giàu được sử dụng tại Mỹ.

Xung đột Nga-Ukraine đã phản ánh rõ nét mức độ phụ thuộc này, thúc đẩy các nước tìm kiếm nguồn cung mới và tăng cường năng lực làm giàu nhiên liệu trong nước.

MỞ LẠI CÁC MỎ URANIUM, TÌM NGUỒN CUNG MỚI

Tại Kazakhstan, một trong những trung tâm sản xuất uranium lớn nhất thế giới, uranium được khai thác chủ yếu bằng phương pháp thu hồi tại chỗ (ISR). Các giếng bơm dung dịch xuống lòng đất để hòa tan uranium, sau đó đưa dung dịch chứa uranium lên mặt đất và xử lý thành “yellowcake” - loại bột uranium cô đặc được sử dụng để sản xuất nhiên liệu hạt nhân.

ISR hiện chiếm hơn một nửa sản lượng uranium toàn cầu và giúp Kazakhstan cung cấp khoảng 40% sản lượng uranium sơ cấp của thế giới. Tuy nhiên, khai thác uranium mới chỉ là bước đầu. Kazakhstan vẫn chủ yếu dựa vào Nga để làm giàu uranium trước khi nhiên liệu có thể được đưa vào các lò phản ứng.

Xung đột tại Ukraine cũng khiến tuyến đường xuất khẩu qua Nga trở nên phức tạp. Một số khách hàng phương Tây đang yêu cầu vận chuyển uranium theo Middle Corridor, qua biển Caspi, Azerbaijan và Georgia tới Biển Đen.

Australia đang nổi lên như một nguồn cung thay thế đáng chú ý. Quốc gia này sở hữu trữ lượng uranium đã được xác định lớn nhất thế giới, gấp khoảng 2 lần Kazakhstan. Tuy nhiên, biến nguồn tài nguyên thành nguồn cung thực tế có thể mất gần một thập kỷ.

Andrea Marsland-Smith, Giám đốc điều hành Alligator Energy, cho biết một doanh nghiệp có thể mất khoảng 5 năm để khoan thăm dò, đánh giá một mỏ và thêm khoảng 5 năm để hoàn tất quá trình xin cấp phép.

Bài toán không chỉ nằm ở thời gian và chi phí. Tại Tây Australia, nơi chưa có dự án khai thác uranium mới nào được cấp phép kể từ năm 2017, một số mỏ nằm dưới những vùng đất có ý nghĩa đặc biệt đối với cộng đồng thổ dân.

Tại Thụy Điển, quốc gia sở hữu khoảng 27% trữ lượng uranium được biết đến tại châu Âu, nguồn tài nguyên này cũng chưa được khai thác. Uranium tồn tại dồi dào trong đá phiến alum, nhưng việc khai thác có thể khiến kim loại nặng phát tán vào nước ngầm và các dòng suối.

Thụy Điển từng cấm khai thác uranium từ năm 2018 do các lo ngại về môi trường và những cân nhắc chính trị. Tuy nhiên, trước sức ép về giá năng lượng và nhu cầu giảm phụ thuộc vào nhiên liệu nhập khẩu, đặc biệt từ Nga, nước này đã dỡ bỏ lệnh cấm từ tháng 1, đồng thời vẫn duy trì các yêu cầu giám sát môi trường.

Trong khi các quốc gia tìm kiếm thêm nguồn uranium trên đất liền, Nhật Bản đang theo đuổi một hướng đi khác: khai thác uranium từ đại dương. Các đại dương được cho là chứa lượng uranium cao hơn khoảng 500-1.000 lần so với trữ lượng uranium có thể khai thác đã được xác định trên đất liền. Các nhà khoa học Nhật Bản đã thử nghiệm những vật liệu dạng sợi có khả năng hấp thụ các hợp chất uranium trong nước biển.

Thách thức lớn nhất là uranium trong nước biển có nồng độ rất thấp, khiến chi phí khai thác cao. Các nhà khoa học đang tìm cách cải tiến vật liệu để có thể tái sử dụng nhiều lần, qua đó giảm chi phí.

SMR THÚC ĐẨY NHU CẦU NHIÊN LIỆU TIÊN TIẾN

Bảo đảm nguồn uranium mới chỉ là một phần trong bài toán an ninh năng lượng. Các quốc gia cũng đang đầu tư vào năng lực làm giàu uranium để giảm phụ thuộc vào nước ngoài.

Theo Dan Wachs thuộc Bộ Năng lượng Mỹ, một bó nhiên liệu HALEU có thể hoạt động lâu hơn nhiều lần giữa các chu kỳ thay nhiên liệu và tạo ra khoảng một phần tư lượng nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng so với nhiên liệu tiêu chuẩn. Hiện Nga và Trung Quốc là hai quốc gia duy nhất có khả năng sản xuất HALEU ở quy mô thương mại. Mỹ đang tìm cách thu hẹp khoảng cách này.

Tháng 6/2025, Centrus Energy trở thành công ty Mỹ đầu tiên sản xuất và bàn giao gần 1 tấn HALEU. Đây là một cột mốc quan trọng, nhưng cũng cho thấy quy mô thách thức mà Mỹ phải đối mặt.

Theo kỹ sư hạt nhân Nick Touran, lượng HALEU nói trên chỉ đủ cung cấp nhiên liệu cho một lò phản ứng cỡ trung. Để xây dựng một đội ngũ đáng kể các lò phản ứng tiên tiến, thế giới sẽ cần tới hàng chục nghìn kg HALEU mỗi năm.

Centrus nằm trong số 3 doanh nghiệp Mỹ được hỗ trợ từ chương trình trị giá 2,7 tỷ USD của Bộ Năng lượng nhằm mở rộng năng lực làm giàu uranium trong nước.

Mỹ cũng đang phát triển các loại nhiên liệu tiên tiến để nâng cao mức độ an toàn. Tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge ở Tennessee, các nhà khoa học đang nghiên cứu nhiên liệu TRISO. Mỗi hạt nhiên liệu TRISO có kích thước tương đương một hạt anh túc, bao bọc lõi uranium bằng nhiều lớp vật liệu có khả năng giữ lại chất phóng xạ và chịu được nhiệt độ thử nghiệm lên tới 1.800 độ C. Nhiên liệu này còn có khả năng truyền nhiệt, giúp lõi tự làm mát khi xảy ra quá nhiệt và có thể giảm nhu cầu về các hệ thống an toàn phức tạp.

Những cải tiến về nhiên liệu và an toàn được xem là yếu tố quan trọng để điện hạt nhân có thể mở rộng quy mô. Bởi bên cạnh vấn đề nguồn cung, ngành hạt nhân vẫn phải giải quyết bài toán niềm tin của công chúng về an toàn và nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân.

TỪ THORIUM ĐẾN HELIUM-3 VÀ NĂNG LƯỢNG NHIỆT HẠCH

Bên cạnh uranium, các quốc gia đang nghiên cứu những nguồn nhiên liệu khác nhằm giảm phụ thuộc vào một loại tài nguyên và hạn chế rủi ro địa chính trị.

Trung Quốc, quốc gia nhập khẩu hơn 80% nhu cầu uranium, đang thử nghiệm một lò phản ứng muối nóng chảy sử dụng thorium tại sa mạc Gobi.

Khác với các lò phản ứng làm mát bằng nước phải vận hành ở áp suất cao, muối nóng chảy không sôi ở nhiệt độ cao. Nếu xảy ra quá nhiệt, nhiên liệu có thể chảy xuống bể chứa. Trong trường hợp rò rỉ, muối nguội và đông cứng quanh vật liệu phóng xạ.

Những người ủng hộ thorium cho rằng loại nhiên liệu này có thể tạo ra nhiều năng lượng hơn với lượng nhiên liệu ít hơn, tạo ít chất thải hơn và có mức độ phóng xạ thấp hơn, đồng thời khó bị sử dụng để chế tạo vũ khí hơn.

Ấn Độ, quốc gia sở hữu một trong những trữ lượng thorium lớn nhất thế giới, cũng xem nhiên liệu này là một phần quan trọng trong chiến lược tăng cường độc lập năng lượng. Nước này hiện vận hành 24 lò phản ứng và đặt mục tiêu tăng công suất điện hạt nhân lên 11 lần vào năm 2047.

Trước mắt, Ấn Độ đã ký thỏa thuận với Công ty Clean Core Thorium Energy của Mỹ để triển khai hỗn hợp nhiên liệu thorium-HALEU dành cho các lò phản ứng nước nặng.

Xa hơn nữa, các nhà khoa học đang hướng tới năng lượng nhiệt hạch, công nghệ tạo năng lượng bằng cách hợp nhất các nguyên tử - quá trình diễn ra bên trong Mặt Trời. Để tái tạo quá trình này trên Trái Đất, hydro phải được chuyển thành plasma ở nhiệt độ trên 100 triệu độ C và được giữ tại chỗ bằng những nam châm mạnh ở nhiệt độ gần -270 độ C.

Trung Quốc đã phát triển loại siêu thép có khả năng chống bức xạ để chịu được môi trường khắc nghiệt của phản ứng nhiệt hạch. Cơ sở Tokamak siêu dẫn tiên tiến thực nghiệm (EAST) của nước này đã duy trì plasma ở nhiệt độ gần gấp 7 lần nhiệt độ lõi Mặt Trời trong hơn 17 phút.

Một hướng đi xa hơn nữa là khai thác nhiên liệu từ Mặt Trăng. Sứ mệnh Chang’e-5 của Trung Quốc năm 2020 đã mang về các mẫu đất Mặt Trăng có chứa helium-3. Công ty Magna Petra của Mỹ hiện phát triển công nghệ khai thác helium-3 từ bụi Mặt Trăng.

Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng toàn cầu tiếp tục tăng, bảo đảm nguồn nhiên liệu không còn đơn thuần là vấn đề của ngành điện hạt nhân mà đang trở thành một phần của chiến lược an ninh năng lượng, công nghệ và địa chính trị của các quốc gia.