toringuyen0509
Well-known member
Năng lượng hạt nhân – một giải pháp trung gian quan trọng
Trong hiện tại, chúng ta đang bận tâm ngày càng nhiều đến một cuộc khủng hoảng khí hậu, mối lo ngại cấp bách này đang được gióng lên nhiều hồi chuông khi tình trạng thời tiết cực đoan xảy ra ngày một nhiều đi kèm với mực nước biển dâng do băng tan. Trong đó nhiên liệu hóa thạch được xem là nguyên nhân căn bản cho tình trạng này, vì hoạt động đốt cháy chúng thải các loại khí nhà kính vào bầu khí quyển. May thay, chúng ta đã có một vị cứu tinh tạm thời, đó là năng lượng hạt nhân. Đây là giải pháp thay thế cho nhiên liệu hóa thạch thường được nhắc tới. Song điều gì cũng có tính hai mặt, năng lượng hạt nhân lại đi kèm với vấn đề liên quan đến chất thải hạt nhân. Vấn đề về chất thải hạt nhân là nguyên nhân chính khiến nó bị lên án kịch liệt bởi các tổ chức hoạt động vì môi trường và ở nhiều quốc gia. Ở đây, bài này giải thích một số giải pháp xử lý và đưa vấn đề vào góc nhìn tổng thể, để thấy rằng mọi chuyện không tệ đến vậy. Và việc bãi bỏ hoàn toàn năng lượng hạt nhân để thay thế bằng năng lượng xanh là việc làm không thực tế, ít nhất là trong hiện tại.
Tính đến năm 2019, các nhà máy điện hạt nhân hoạt động ở 30 quốc gia. Sáu quốc gia đã cấm hoàn toàn việc sử dụng lò phản ứng hạt nhân để sản xuất điện.
Nhiên liệu hạt nhân giải phóng lượng năng lượng trên mỗi gam hơn nhiều lần so với nhiên liệu hóa thạch. Tất nhiên các nhà máy hạt nhân không thải ra carbon dioxide khi chúng hoạt động.
Với cuộc khủng hoảng khí hậu đang diễn ra, người ta mong muốn tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch vốn nặng về carbon, hãy nhìn vào các loại khí nhà kính tiêu biểu như CO₂, CH₄ và Clorofluorocarbon (CFC), chúng đều là các hợp chất của carbon. Một giải pháp thay thế trung gian là phân hạch hạt nhân, trên con đường tiến tới năng lượng xanh. Nhưng chúng ta đã thấy người ta phản đối gay gắt năng lượng hạt nhân, họ chỉ ra những vụ tai nạn nổi tiếng, chẳng hạn như các sự cố nghiêm trọng ở Chernobyl (1986) và Fukushima (2011), và vấn đề chất thải phóng xạ mà các cơ sở hạt nhân tạo ra. Các rủi ro tiềm tàng cho sức khỏe về nguồn thực phẩm, hải sản bị nhiễm xạ cũng được nêu ra. Vậy làm cách nào để chúng ta xử lý chất thải một cách an toàn?
“Quan tài” bê tông ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl (trái) và khu chứa nước nhiễm xạ của nhà máy điện hạt nhân Fukushima (phải), gồm một triệu tấn nước thải đã xử lý được lưu giữ trong các bể chứa. Vì không có thêm chỗ chứa, Nhật Bản cho biết họ không có lựa chọn nào khác ngoài việc xả dần nước ra biển. Ảnh: National Geographic.
Chất thải hạt nhân là gì?
Nhiên liệu hạt nhân thường được làm từ uranium (U) được làm giàu từ 3% đến 5%. Những con số này có nghĩa là 3% đến 5% khối lượng của nó là uranium-235. U-235 là hạt nhân duy nhất tồn tại trong tự nhiên có khả năng phân hạch bằng neutron nhiệt, điều này là cần thiết vì U-235 dễ bị phân tách hơn trong phản ứng phân hạch hơn nhiều so với U-238. “Làm giàu” dùng để chỉ uranium trong đó tỷ lệ đồng vị U-235, đã được tăng lên hoặc "làm giàu" vượt quá mức tự nhiên của nó là khoảng 0.7%. Uranium được làm giàu là thành phần quan trọng cho cả sản xuất điện hạt nhân dân sự và cả vũ khí hạt nhân quân sự. Nhiên liệu này làm thành các thanh nhiên liệu (fuel rods), cần phân biệt với thanh điều khiển (control rods) dùng để kiểm soát nhịp độ phản ứng trong lò. Hạt nhân uranium-235 không ổn định; khi bắn neutron vào chúng bên trong lò phản ứng hạt nhân, thì chúng sẽ phân tách thành các hạt nhân nhỏ hơn, bao gồm Strontium-90 và Cesium-137.
Sơ đồ một cách bố trí thanh nhiên liệu, do các viên nhiên liệu Uranium xếp chồng thành. Ảnh: Deep Isolation.
Tất cả các đồng vị phóng xạ đều có một đặc tính được gọi là chu kỳ bán rã. Đây là thời gian cần thiết để số hạt nhân trong một mẫu đồng vị nhất định giảm đi một nửa. Chu kỳ bán rã càng dài thì đồng vị phóng xạ càng tồn tại dai dẳng hơn. Các đồng vị có chu kỳ bán rã dài hơn 30 năm được gọi là đồng vị tồn tại lâu dài và những đồng vị có chu kỳ bán rã dưới 30 năm được gọi là đồng vị tồn tại trong thời gian ngắn.
Đối với Cobalt-60, vốn có chu kỳ bán rã khá ngắn là 5.27 năm, thì 50% lượng Co-60 còn lại sau 5.27 năm (một chu kỳ bán rã), 25% còn lại sau 10.54 năm (hai chu kỳ bán rã), 12.5% còn lại sau 15.81 năm (ba chu kỳ), v.v… Ảnh: Chem Libretexts.
Strontium-90 và Caesium-137 đều có chu kỳ bán rã trung bình khoảng 30 năm. Chúng sẽ gây ra nhiều vấn đề nếu thải ra môi trường. Cesium-137 dễ dàng phát tán trong tự nhiên do khả năng hòa tan (tính tan) của các hợp chất Cesium, trong khi Strontium-90 khó phát tán hơn nhưng lại dễ bị thâm nhập vào xương và tủy xương nếu sinh vật ăn vào. Cả hai đều có tính phóng xạ cao và là các nguồn phóng xạ chính trong vùng cách ly Chernobyl.
Những chất này và nhiều đồng vị khác được tìm thấy trong chất thải phóng xạ. Chất thải thường được chia thành ba loại khác nhau, tương ứng với độ phóng xạ của nó: Chất thải mức độ thấp (LLW), Chất thải mức độ trung bình (ILW) và Chất thải mức độ cao (HLW). Những loại chất thải này được xử lý theo nhiều cách khác nhau, dựa trên mức độ nguy hiểm do tính phóng xạ của chúng gây ra.
Khoảng 3% nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng bao gồm các sản phẩm phân hạch phóng xạ. Ở một số nước, nhiên liệu đã qua sử dụng được tái xử lý để tách chất thải khỏi uranium và plutonium.
Chất thải phóng xạ chứa các đồng vị không ổn định của các nguyên tố, chúng phân rã và phát ra bức xạ alpha, beta hoặc gamma. Cuối cùng chúng phân hủy thành các nguyên tố không phóng xạ. Chất thải hạt nhân trước hết tạo ra mức độ phóng xạ, ngoài ra nó còn tạo ra nhiệt khi các đồng vị phân rã. Điều này đặt ra nhiều vấn đề cho việc lưu trữ và xử lý.
Các loại chất thải hạt nhân
Chất thải được coi là mức độ thấp (LLW, hay Low Level Waste) nếu nó có hoạt động alpha không quá 4 GBq trên mỗi tấn (4 Gigabecquerel/tấn, hay 4 tỷ lần phân rã mỗi giây trên mỗi tấn vật thể, với 1 Bq là một lần phân rã mỗi giây và 1 Gbq = 1 tỷ Bq) hoặc không quá 12 GBq trên mỗi tấn đối với hoạt động beta hoặc gamma. Hầu hết chất thải hạt nhân được tạo ra (khoảng 90% theo khối lượng) là chất thải ở mức độ thấp, nhưng chúng chỉ chiếm 1% tổng tính phóng xạ của toàn bộ chất thải phóng xạ.
Hoạt động alpha là việc hạt nhân nguyên tử không ổn định sẽ mất năng lượng do phát ra các hạt alpha. Mỗi hạt alpha bao gồm hai proton và hai neutron, tương đương với hạt nhân Helium-4. Hoạt động alpha là số lượng hạt alpha phát ra từ một chất phóng xạ trong một khoảng thời gian cụ thể. Còn hoạt động beta là một quá trình phân rã phóng xạ trong đó một electron hoặc positron năng lượng cao, tốc độ cao, gọi là hạt beta, được phát ra bởi hạt nhân nguyên tử. Hạt beta chỉ là các electron từ hạt nhân và có phạm vi thâm nhập lớn hơn hạt alpha, nhưng vẫn nhỏ hơn nhiều so với tia gamma.
Tia gamma có thể bị chặn lại bởi một lượng chì nhất định, vì vậy có thể dùng bê tông và lượng đất đá đủ dày là đảm bảo ngăn cách được các chất thải hạt nhân mức độ nguy hại nhất. Ảnh: Chem Libretexts.
Hoạt động gamma, hay sự phát tia gamma trong quá trình phân rã phóng xạ phát ra loại tia có khả năng xuyên thấu cao và có thể dễ dàng xuyên qua các rào cản vốn có thể ngăn chặn các hạt alpha và beta, chẳng hạn như da và quần áo. Phân rã gamma là sự phát ra bức xạ điện từ có tần số cực cao, tỏa ra năng lượng dư thừa nhằm làm ổn định hạt nhân không ổn định.
Các thùng chứa chất thải phóng xạ mức độ thấp của Viện Công nghệ hạt nhân Thái Lan (TINT). Ảnh: Wikipedia.
Chất thải LLW là những vật dụng thường thấy trong nhà máy điện hạt nhân như: vỏ giày và quần áo bảo hộ bị nhiễm bẩn, giẻ lau, cây lau nhà, bộ lọc, cặn còn lại khi xử lý nước lò phản ứng, thiết bị và dụng cụ, mặt đồng hồ phản quang, ống y tế, gạc, kim tiêm, ống tiêm, xác và mô động vật thí nghiệm (nếu có). Những vật dụng này bị nhiễm chất phóng xạ hoặc bị nhiễm phóng xạ do tiếp xúc với bức xạ neutron. Độ phóng xạ có thể dao động từ ngay trên mức nền được tìm thấy trong tự nhiên đến độ phóng xạ rất cao trong một số trường hợp nhất định.
LLW được định nghĩa là có hoạt tính alpha không vượt quá 4 gigabecquerels mỗi tấn (GBq/t) hoặc không vượt quá 12 GBq/t hoạt tính beta-gamma.
ILW (Chất thải mức độ trung bình, hay Intermediate Level Waste) chiếm khoảng 7% tổng lượng chất thải hạt nhân và 4% tổng tính chất phóng xạ. Nó có tính phóng xạ quá cao để được coi là LLW, nhưng không tạo ra đủ nhiệt để được coi là HLW. Những thứ ở gần các nguồn phóng xạ và do đó có mức độ ô nhiễm cao thường được phân loại là HLW. Chúng bao gồm các thanh điều khiển, các bộ phận của lò phản ứng và bùn hóa học từ quá trình xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng.
Có thể thấy chất thải ILW đúng như cái tên của nó (trung gian), không phải là các vật dụng thường gặp như giẻ lau, ống nghiệm hay quần áo như LLW, những thứ vốn nằm “cách xa” các viên nhiên liệu, cũng không phải là bản thân nhiên liệu đã qua sử dụng như HLW mà nó là tất cả những thứ “tiếp xúc gần” với nhiên liệu. Vì các khoảng cách tiếp xúc khác nhau, chúng đòi hỏi phải có những cách xử lý khác nhau.
ILW tạo ra nhiều bức xạ hơn LLW nhưng không tạo ra nhiều nhiệt như HLW. Điển hình nhất là tấm ốp (vỏ bọc) nhiên liệu bằng kim loại, bộ phận không may nằm gần nhất với các viên nhiên liệu.
HLW (Chất thải mức độ cao, hay High Level Waste) có độ phóng xạ đủ cao đến nỗi có thể làm tăng đáng kể nhiệt độ của chính nó. Điều này phải được xem xét khi thiết kế các cơ sở để xử lý nó. HLW được tạo ra như một sản phẩm phụ từ quá trình tái xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và thường ở dạng lỏng. Chất này chiếm chưa tới 1% tổng khối lượng chất thải, nhưng lại chiếm tới 95% tổng tính phóng xạ.
