Hình 8. Lò phản ứng nhiệt độ rất cao

Lò VHTR được đánh giá cao về mặt kinh tế bởi nó có hiệu suất cao trong sản xuất hyđro và có độ an toàn và tin cậy cao do những đặc điểm cố hữu về nhiên liệu và lò phản ứng. Lò này cũng đạt điểm tốt về chống phổ biến hạt nhân và về bảo vệ vật chất, và điểm trung bình về phát triển bền vững do nó có chu kỳ nhiên liệu mở hoặc trực lưu (once-through fuel cycle). Mặc dầu lò VHTR/NGNP đòi hỏi những tiến bộ kỹ thuật trong nghiên cứu triển khai về tính năng nhiên liệu và vật liệu chịu nhiệt độ cao, nhưng nó cũng được hưởng những lợi ích từ các tiến bộ kỹ thuật trước đó về các lò GFR, GT-MHR, và PBMR.

Theo dự kiến, các lò VHTR/NGNP sẽ được triển khai không xa, cỡ năm 2015. Mục tiêu của chương trình của Ban Năng lượng hạt nhân thuộc Bộ Năng lượng Mỹ là có các hệ thống thế hệ IV khác để triển khai vào khoảng năm 2030, khi mà nhiều nhà máy điện hạt nhân trên thế giới đã hết hoặc gần hết hạn được phép vận hành. Giống như chương trình thế hệ III+, chương trình thế hệ IV phối hợp với Chương trình điện hạt nhân 2010 của Bộ Năng lượng Mỹ nhằm đảm bảo kết quả của mọi nỗ lực sẽ bổ khuyết cho cách tiếp cận cấp giấy phép mới dựa trên rủi ro và trung lập về công nghệ của cơ quan này.

Các lò VHTR/NGNP cũng rất đặc biệt vì một lý do nữa. Mặc dầu Bộ Năng lượng Mỹ đang trợ cấp cho các công trình nghiên cứu nhiều ý tưởng thiết kế lò phản ứng, nhưng lò VHTR/NGNP được ưu tiên hàng đầu bởi nó được nêu riêng trong các Chương 641 đến 645 của Luật Chính sách Năng lượng năm 2005. Khoản 1,25 tỉ USD đã được dành riêng cho thiết kế và chế tạo nguyên mẫu công trình NGNP tại Phòng Thí nghiệm quốc gia bang Idaho, vào năm 2021 hoặc sớm hơn. Nguyên mẫu này dự kiến sẽ có hiệu suất nhiệt 48%, sản xuất hyđro cũng như điện năng, và cả nhiệt công nghệ, không phát thải cacbon, thiết kế với nhiều dạng ứng dụng, ví dụ như khí tổng hợp (syngas) và biến đổi than thành nhiên liệu lỏng.

Ưu thế về quản lí hạt cơ bản

Quản lý actinide, nét chung của tất cả các phương án lò thế hệ IV, sẽ cắt giảm khối lượng chất thải hạt nhân trong tầm trung hạn và đảm bảo khả năng cung cấp nhiên liệu hạt nhân về dài hạn. Sứ mệnh này trùng với trách nhiệm nhà nước được nêu trong Luật Chính sách chất thải hạt nhân, cụ thể là giải quyết nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và chất thải có mức năng lượng cao. Sứ mệnh quản lý actinide trung hạn (30 đến 50 năm) chủ yếu bao gồm việc hạn chế hoặc tái sử dụng lượng nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng tích tụ từ các nhà máy điện hạt nhân hiện có và sẽ vận hành trong tầm ngắn hạn.

Actinide có thể là chất thải đối với lò LWR, nhưng lại có thể phân hạch trong lò phản ứng nhanh. Như đã nêu trên, siêu uran là nguyên tố rất nặng, có nguyên tử lượng cao hơn uran (92).  Siêu uran được hình thành nhân tạo bằng cách thu nơtron hoặc có thể bằng cách phân huỷ bêta sau đó. Khai thác các nuclit phóng xạ có chu kỳ bán rã dài từ nhiên liệu đã sử dụng và chiếu xạ chúng trong một chu kỳ nhiên liệu kín bằng cách sử dụng lò phản ứng nhanh, kết quả nhận được sẽ không phải chỉ là điện năng. Nó cũng biến đổi các nuclit phóng xạ có chu kỳ bán rã dài, là những chất lẽ ra phải chôn giữ sâu trong các tầng địa chất ví dụ như ở Yucca Mountain, thành các nuclit phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn. Các nguyên tử của nguyên tố này được biến đổi thành các nguyên tử của nguyên tố khác bằng cách bắn phá nơtron, dẫn tới hấp thụ nơtron hoặc phân hạch. Về tầm dài hạn hơn, sứ mệnh quản lý actinide có thể sản xuất ra vật liệu phân hạch dư thừa (hiện nay vẫn được cung cấp thông qua khai thác và làm giầu uran tự nhiên) để sử dụng trong các hệ thống được tối ưu hoá cho các nhiệm vụ năng lượng khác.

Khai thác tối đa từ Uran

Các lò phản ứng nhanh đóng vai trò có một không hai trong nhiệm vụ quản lý các actinide bởi vì chúng làm việc với các nơtron năng lượng cao hơn so với các lò LWR và do vậy chúng hiệu quả hơn trong việc phân hạch các actinide và các chất siêu uran thu hồi từ nhiên liệu đã tiêu thụ trong lò LWR.

Về lý thuyết, lò phản ứng nhanh có thể tái sinh toàn bộ uran và nuclit phóng xạ siêu uran. Ngược lại, các lò phản ứng nhiệt, ví dụ như lò LWR, sử dụng các nơtron năng lượng thấp hơn và khai thác năng lượng chủ yếu từ các đồng vị phân hạch. Đồng vị phân hạch duy nhất xảy ra trong tự nhiên là U 235, chỉ có 0,7% trong uran tự nhiên. Qua làm giầu, tỉ lệ này được nâng lên bằng khoảng 3% đến 5%, đủ để vận hành trong lò LWR. Tuy nhiên, bởi vì lò LWR không thể sử dụng để tái sinh hoàn toàn nên trên 99% lượng uran khai thác ban đầu cuối cùng lại trở thành nhiên liệu đã sử dụng và bã quặng thải ra từ quá trình làm giàu. Lò phản ứng nhanh tận dụng uran tốt hơn bởi vì nó hỗ trợ nhiều chu trình tái sinh, nhờ đó có thể sử dụng được toàn bộ nhiệt chứa trong nhiên liệu.

Khởi đầu nền kinh tế hyđro

Một nét đặc trưng khác nữa của nhiều lò phản ứng thế hệ IV là khả năng sản xuất hyđro ở dạng sản phẩm phụ. Khai thác được tiềm năng này sẽ khiến cho việc sử dụng pin nhiên liệu trong giao thông và phát điện trở nên kinh tế hơn và thân thiện hơn với môi trường, đồng thời giảm sự phụ thuộc của Mỹ vào nguồn dầu lửa nhập khẩu.

Trong giờ thấp điểm, có thể sản xuất ra lượng hyđro đủ để sử dụng trong thương mại, nhờ đó nâng cao tính kinh tế trong vận hành các nhà máy điện hạt nhân chạy ở chế độ phụ tải nền. Mục tiêu dài hạn sẽ là các nhà máy điện hạt nhân thế hệ IV vận hành ở nhiệt độ cao hơn, chuyên sản xuất hyđro với năng suất ổn định để tích trữ và sau đó sử dụng trong các bộ pin nhiên liệu cực lớn (công suất trên 1.000 MW), giúp đáp ứng nhu cầu phụ tải đỉnh trong ngày.