Rác thải hạt nhân và vấn đề an toàn

Nguyên Phạm
Nov 11, 2016
6 min read

Mọi người đang khá quan ngại về vấn đề lượng rác thải và cách xử lý rác thải hạt nhân khi vận hành nhà máy điện. Mình sẽ lấy cụ thể ví dụ với lò phản ứng VVER như mình đã được học.

Chất phóng xạ và tia phóng xạ là gì ?

Chất phóng xạ nói ngắn gọn là chất có thể tự biến đổi thành chất khác. Một số hạt nhân không bền, có khả năng tự phát ra các tia phóng xạ α (alpha), β (beta), γ (gamma), neutron hoặc photon...chuyển hóa thành hạt nhân khác bền vững hơn.

(mẫu Uranium-238 phân rã tự nhiên được quan sát trong buồng Wilson)

Mỗi tia phóng xạ có năng lượng và khả năng xuyên thấu khác nhau. Đối với con người tia α (alpha) có tác hại lớn nhất, nhưng lại không thể xuyên qua lớp không khí vài cm, lớp quần áo, tờ giấy mỏng...thậm chí không thể xuyên qua lớp da của chúng ta.

Tia γ (gamma) ít tác động đến cơ thể người nhưng lại có khả năng xuyên thấu cao nhất, có khả năng gây ion hóa các chất bên trong cơ thể gây ra một số tác hại nhất định nếu tiếp xúc lâu. Tia γ (gamma) không thể xuyên qua lớp chì vài mm, lớp bê tông, hoặc lớp kim loại.

Chùm neutron mang năng lượng lớn lại hầu như không có tác hại gì, nhưng nó lại có khả năng mồi cho phản ứng phân hạch. Nói đến đây cần chú ý phân biệt giữa phản ứng phân hạch và sự tự phân rã hạt nhân để tránh nhầm lẫn !!!

Tia phóng xạ phát ra từ nhiều nguồn khác nhau: tự nhiên, nhân tạo, từ vũ trụ...thậm chí từ những thứ gần gũi nhất. Ví dụ những nguồn có độ phóng xạ lớn có thể kể đến: tia γ (gamma) còn được dùng trong xạ trị, chiếu xạ trái cây diệt vi khuẩn, chụp X quang...Các loại chất dạ quang ở biển báo EXIT của các trung tâm thương mại, mặt kim đồng hồ dạ quang, thậm chí là công tắc đèn... có hợp chất dạ quang được làm từ Tritium (³H) - đồng vị phóng xạ của Hidro có khả năng phân rã cao gấp 36,27x10⁷ lần so với Uranium-238.

##Phần này sẽ được nghiên cứu kỹ nếu diễn đàn không chuyển mục đích sử dụng! Để hiểu rõ hơn mời xem video bên dưới

Vậy nhiễm độc phóng xạ là gì?

Ngày ngày cơ thể con người luôn phải chịu một lượng phóng xạ nhất định, nếu dưới ngưỡng cho phép thì hầu như vô hại. Nhiễm phóng xạ không thể gây chết ngay lập tức, nó chỉ có tác động về lâu về dài. Nguy hiểm nhất khi con người vô tình hít/nuốt một lượng phân tử phóng xạ (nguồn phóng xạ) vào trong cơ thể, từ đó các tia phóng xạ tác động trực tiếp từ bên trong. Vấn đề là, không thấy, không biết, không có hiện tượng thì làm sao mà chống được?

Công tác chống phóng xạ của nhà máy điện hạt nhân có thể gói gọn trong 3 chữ "chống rò rỉ".

4 lớp chống phóng xạ của nhà máy điện hạt nhân theo tiêu chuẩn của Nga

Gọi là lớp chống phóng xạ khi và chỉ khi không cho các tia phóng xạ thoát ra theo mọi hướng. Như vậy trong nhà máy điện hạt nhân có 4 lớp "kín" như sau:

Viên nhiên liệu (vẫn được tính là một lớp chống phóng xạ, nhưng nó hơi ngược ngạo với cách hiểu của mình).
Vỏ thanh nhiên liệu.
Vòng tuần hoàn 1 bao gồm vỏ lò phản ứng và các hệ thống ống dẫn tạo thành một không gian kín.
Tòa nhà chứa với 2 lớp bê tông vững chải.

Viên nhiên liệu Uranium có thể ngăn chặn hầu hết các tia α (alpha), β (beta), nhưng không thể ngăn chặn tia γ (gamma) có độ xuyên thấu cao. Nhưng một khi đã được cho vào thanh nhiên liệu có lớp vỏ từ thép không gỉ hoặc Zirconi lại khá hiền, không hề nguy hiểm.

Vậy rác thải hạt nhân có gì nguy hiểm?

Sau khi đốt cháy 4-5% đồng vị U-235, một phần nhỏ U-238 bị chuyển hóa, thanh nhiên liệu sau khi sử dụng có hơn 90% U-238, còn lại là các sản phẩm phân hạch.

Tất cả những thứ đó đều vẫn nằm trong thanh nhiên liệu, chúng được đem ra ngoài và cho vào hồ chứa 2-3 năm rồi mới được vận chuyển đến chỗ cất giữ. Sau khi mang ra khỏi lò phản ứng thì đã mất đi 2 lớp chống phóng xạ bao gồm "vòng tuần hoàn 1" và "tòa nhà chứa", vậy viên nhiên liệu có còn được tính là một lớp chống phóng xạ? sản phẩm phân hạch là gì? trong vài vài ngìn thanh nhiên liệu không có thanh nào rò rỉ?

Câu trả lời của những câu hỏi trên chỉ mang tính xác suất - tương đối. Mức phóng xạ của thanh nhiên liệu đã qua sử dụng cao hơn nhiều lần so với thanh nhiên liệu mới, điều đó chứng tỏ sản phẩm phân hạch là các chất phóng xạ (cũng có một phần là các hạt nhân bền). Đặc biệt sinh ra sản phẩm phân hạch ở thể khí, tích tụ và dồn nén bên trong thanh nhiên liệu kín. Các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng vẫn phát ra một lượng nhiệt "dư" khoảng 5-7% so với lúc ở trong lò phản ứng và giảm dần theo thời gian, cần phải được làm lạnh. Có xác suất một số chất phóng xạ phát ra neutron "mồi" cho phản ứng phân hạch U-238/Pu-239 còn lại trong thanh nhiên liệu thì quả là ác mộng...nghe thấy quá nguy hiểm.

Nhưng các bạn nên an tâm rằng xác suất đó rất thấp, và với việc ngâm các thanh nhiên liệu ở hồ chứa đặc biệt 2-3 năm bên trong tòa nhà chứa, với các hệ thống an toàn và xử lý sơ bộ thì xác suất đó gần như về 0.

(Thanh nhiên liệu đã qua sử dụng trong nước phát ra ánh sáng màu xanh do bức xạ Cherenkov)

Sau đó nhiên liệu đã qua sử dụng được tách ra khỏi thanh nhiên liệu, được đóng thùng và đưa vào hầm cất giữ sâu trong lòng đất khoảng 50 năm. Từng có ý tưởng ném những thải này vào vũ trụ, hoặc mặt trời ... bản thân mặt trời cũng là nguồn phát tia γ (gamma). Nhưng thật phí phạm vì U-238 vẫn có thể tận dụng trong các thế hệ lò neutron nhanh, và khai thác Uranium không hề dễ dàng.

Quy trình xử lý cũng như tái chế rác thải hạt nhân đòi hỏi trình độ cao, và chi phí nhất định, tùy thuộc vào từng quốc gia và tiêu chuẩn an toàn của họ. Hiện nay trên thế giới chỉ có nước Nga có đầy đủ dây chuyền khép kín từ khai thác nhiên liệu > sản xuất nhiên liệu> sử dụng tạo năng lượng> xử lý > tái chế > tái sử dụng nguyên liệu hạt nhân.

Vậy mỗi năm nhà máy điện hạt nhân thải ra bao nhiêu?

Mỗi tổ máy với lò phản ứng VVER 1000/1200 với công suất 1000MW/1200MW có 163 bó nhiên liệu, mỗi bó có 312 thanh nhiên liệu (ứng với 505 kg/530 kg uranium). Mỗi năm (sau 7000 giờ hoạt động) tổ máy thay mới 1/3 số bó nhiên liệu.

Vậy mỗi năm 1 tổ máy thải ra 54-55 bó nhiên liệu, ứng với 27,3-29,2 tấn chất thải (trong đó có hơn 90% là U-238 có thể tái sử dụng nếu đủ công nghệ). Được gói gọn trong thể tích như hình bên dưới:

Thể tích chất thải lúc lấy ra khỏi thanh nhiên liệu chỉ khoảng 45-50% so với thể tích này. Và có thông tin cho rằng nếu tập trung tất cả chất thải hiện nay của các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới thì chỉ xếp vừa một sân vận động có kích thước 50x50x50m (từ một bài viết của Nga năm 2013).

## Số liệu tính toán chỉ đúng với lò công nghệ Nga và chỉ mang tính chất tham khảo!