Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Vật lý Bộ môn: Vật lý hạt nhân nguyên tử Đề tài Seminar: XỬ LÝ CHẤT THẢI HẠT NHÂN SAU KHI NHÀ MÁY THÁO DỞ GVHD: TS Nguyễn Văn Hoa Nhóm Sinh viên thực hiện: Nguyễn Lê Anh Nguyễn Tố Ái Nguyễn Quốc Khánh Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012 I Lý chọn đề tài Nhà máy điện nguyên tử hay nhà máy điện hạt nhân nhà máy tạo điện quy mô công nghiệp, sử dụng lượng thu từ phản ứng hạt nhân Các loại máy điện nguyên tử phổ biến thực tế nhà máy nhiệt điện, chuyển tải nhiệt thu từ phản ứng phân hủy hạt nhân thành điện Đa số thực phản ứng dây chuyền có điều khiển lò phản ứng nguyên tử phân hủy hạt nhân với nguyên liệu ban đầu đồng vị Uran 235 sản phẩm thu sau phản ứng thường Pluton, neutron lượng nhiệt lớn Nhiệt lượng này, theo hệ thống làm mát khép kín (để tránh tia phóng xạ rò rỉ ngoài) qua máy trao đổi nhiệt, đun sôi nước, tạo nước áp suất cao làm quay turbine nước, quay máy phát điện, sinh điện Khi trình sản xuất vả xử lý chất thải bảo đảm an toàn cao, nhà máy điện nguyên tử sản xuất lượng điện tương đối rẻ so với nhà máy sản xuất điện khác, đặc biệt gây ô nhiễm môi trường nhà máy nhiệt điện đốt than hay khí thiên nhiên Việc lưu giữ thải chất thải hạt nhân an toàn thách thức chưa có giải pháp thích hợp Vấn đề quan trọng dòng chất thải từ nhà máy lượng hạt nhân nguyên liệu qua sử dụng Một lò phản ứng công suất lớn tạo mét khối (25–30 tấn) nguyên liệu qua sử dụng năm Nó bao gồm urani không chuyển hóa lượng lớn nguyên tử thuộc nhóm Actini (hầu hết plutoni curi) Thêm vào đó, có khoảng 3% sản phẩm phân hạch Nhóm actini (urani, plutoni, curi) có tính phóng xạ lâu dài, sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ ngắn Vì vậy, cần phải có phương pháp xử lý chất thải hạt nhân phóng xạ nguy hiểm cho người môi trường Đó lý để nhóm thực đề tài Trong trình sư tầm tài liệu, dich thiết kế seminar tránh khỏi sai sót đáng tiếc, mong độc giả đóng góp ý kiến phản hồi cho Thay mặt nhóm xin chân thành cảm ơn! Trang 1/16 II Đặc điểm chất thải hạt nhân Một thách thức lớn ngành công nghệ hạt nhân vấn đề xử lý cất giữ chất thải Lý đơn giản chất thải hạt nhân có đồng vị phóng xạ tồn sau hàng triệu năm Thông thường nhà máy điện hạt nhân hoạt động vòng vài chục năm Sau đóng cửa, người ta phải tiến hành hàng loạt biện pháp cần thiết sau đây: - Quản lý an toàn vật liệu hạt nhân; Quản lý an toàn chất thải hạt nhân phi hạt nhân; Khử độc chất phóng xạ phi phóng xạ; Tháo dỡ nhà máy; Phá huỷ công trình để phục hồi cảnh quan cho môi trường Đối tượng tháo dỡ không nhà máy điện hạt nhân, mà tất sở có liên quan tới chu trình nhiên liệu quy mô thương mại sở khai thác urani, nhà máy tái chế biến làm giàu nhiên liệu, nhà máy chế tạo nhiên liệu, lò phản ứng hạt nhân, sở cất giữ xử lý chất thải… Tính đến tháng năm 2001, toàn giới có 90 lò phản ứng lượng thương mại, 50 nhà máy chế biến nhiên liệu, khoảng 100 sở khai thác urani 150 sở nghiên cứu khác, đến lúc phải ngừng hoạt động Nhiều sở số tháo dỡ cách suôn sẻ Tuy nhiên vấn đề quản lý an toàn chất thải phóng xạ vấn đề gây nhiều tranh cãi Thông thường chất thải hạt nhân chia làm hai loại: chất thải phóng xạ “mức thấp” (Low Level Radioactive Waste) chất thải phóng xạ “mức cao” (High Level Radioactive Waste) Đối với chất thải phóng xạ “mức thấp”, hoạt độ lẫn chu kỳ bán rã tương đối nhỏ Trong vòng 10 – 15 năm, hầu hết chất thải nhóm phân rã hết; nơi chôn cất coi bãi phế thải thông thường Tiêu biểu chất thải phóng xạ thuộc nhóm Ba-140 (13 ngày), Sr-89 (54 ngày), Ru-106 (1 năm), Ce-144 (1,3 năm)… Ngành công nghiệp hạt nhân tạo lượng lớn chất thải phóng xạ cấp thấp dạng công cụ bị nhiễm quần áo, dụng cụ cầm tay, nước làm sạch, máy lọc nước, vật liệu xây lò phản ứng Ở Hoa Kỳ, Ủy ban điều phối hạt nhân (Nuclear Regulatory Commission) cố gắng xét lại phép giảm vật liệu phóng xạ thấp đến mức giống với chất thải thông thường thải vào bãi thải, tái sử dụng Hầu hết chất thải phóng xạ thấp có độ phóng xạ thấp người ta quan tâm đến chất thải phóng xạ liên quan đến mức độ ảnh hưởng lớn Các chất thải phóng xạ “mức cao” nói chung chất có nguồn gốc từ lõi lò phản ứng hạt nhân chất nổ hạt nhân urani, plutoni, mảnh phân hạch chất phóng xạ nhân tạo đứng sau urani Các chất lại chia làm hai nhóm nhỏ: Nhóm mảnh phân hạch nhóm đồng vị siêu urani Nhóm mảnh phân hạch thường trải qua chuỗi phân rã α, β γ để cuối trở thành đồng vị bền Nói chung, sau 1000 Trang 2/16 năm chúng có mức phóng xạ thấp Để đạt tới mức phóng xạ vô hại này, nhóm siêu urani phải cần tới 500.000 năm, thêm vào trình toả nhiệt kéo dài 200 năm Điển hình chất thải phóng xạ thuộc nhóm thứ Te-99 (2.106 năm), I-129 (16.107 năm) Đại diện chất nhóm Pu-239 (24.000 năm), Pu-240 (6.500 năm) Am-243 (7.300 năm) Nguyên liệu qua sử dụng có tính phóng xạ cao phải thận trong khâu vận chuyển hay tiếp xúc với Tuy nhiên, nguyên liệu hạt nhân sử dụng giảm khả phóng xạ sau hàng ngàn năm Có khoảng 5% cần nguyên liệu phản ứng sử dụng lại nữa, ngày nhà khoa học thí nghiệm để tái sử dụng cần để giảm lượng chất thải Trung bình, sau 40 năm, dòng phóng xạ giảm 99,9% so với thời điểm loại bỏ nguyên liệu sử dụng, phóng xạ nguy hiểm Nhiên liệu qua sử dụng xếp vào loại chất thải có tính phóng xạ mật độ cao Đó tăng dần sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ cao nhiên liệu dùng lò phản ứng Khi nhiên liệu qua sử dụng loại khỏi lò phản ứng thay nhiên liệu mới, phải tích trữ thời gian bể chứa nhiên liệu qua sử dụng Nhiên liệu qua sử dụng phải giữ nước nhiệt tạo phân rã sản phẩm phân hạch, đồng thời nhằm giới hạn mức độ phóng xạ khu vực bể chứa Các bể chứa thường đặt chỗ Tuy nhiên, tùy vào lượng nhiên liệu mà nhà máy lượng phải dự trữ, có thêm bể chứa bổ sung Hiện chưa có thiết bị xử lý dành cho chất thải có tính phóng xạ cao mang tính thương mại Sau vài năm, giảm nhiệt tạo phân hủy sản phẩm phân hạch đủ phép lưu trữ nhiên liệu qua sử dụng làm mát không khí, sấy khô Trang 3/16 thiết bị lưu trữ mặt đất Các thiết bị phải thiết kế để loại bỏ nhiệt từ nhiên liệu qua sử dụng thiết kế để hạn chế phóng xạ khu vực xung quanh thiết bị Hình minh họa phần cắt ngang thiết bị lưu trữ (HSM) với ống đựng bảo vệ Nhiên liệu để bên hộp, sau đặt bên thiết bị lưu trữ Đây số mẫu thiết kế việc lưu trữ nhiên liệu khô, số phận theo mặt cắt ngang dọc Việc lưu giữ thải chất thải hạt nhân an toàn thách thức chưa có giải pháp thích hợp Vấn đề quan trọng dòng chất thải từ nhà máy lượng hạt nhân nguyên liệu qua sử dụng Một lò phản ứng công suất lớn tạo mét khối (25–30 tấn) nguyên liệu qua sử dụng năm Nó bao gồm Urani không chuyển hóa lượng lớn nguyên tử thuộc nhóm Actini (hầu hết Plutoni Curi) Thêm vào đó, có khoảng 3% sản phẩm phân hạch Nhóm Actini (Urani, Plutoni, Curi) có tính phóng xạ lâu dài, sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ ngắn Trang 4/16 III Một số phương pháp xử lý chất thải hạt nhân Đưa vào không gian (Disposal in outerspace) Có ba lý tốt để gửi chất thải hạt nhân vào không gian Đầu tiên, an toàn Thứ hai, không gian xử lý tốt so với việc chôn cất lòng đất Thứ ba, cuối mở rộng cánh cửa cho việc chinh phục không gian người Vũ trụ nơi có hoạt động phóng xạ mạnh, hấp thụ phóng xạ Chất thải đóng gói để nguyên vẹn hầu hết kịch tai nạn tưởng tượng Một tên lửa hay tàu thoi không gian sử dụng để khởi động chất thải đóng gói vào không gian Có số điểm đến cuối cho chất thải xem xét, bao gồm đạo vào mặt trời Nỗi lo chất thải hạt nhân tan biến gây hại cho người đưa chúng vào hệ mặt trời, hay “thả” vào mặt trời Bằng cách giữ cho hệ thống khởi động mặt đất thay đặt xe, thiết kế xây dựng container phá vỡ xếp nhiều lớp phòng ngừa rủi ro, hoạt động cách đắn an toàn Tuy nhiên phương pháp xử lý chất thải thích hợp cho chất thải phóng xạ “mức thấp” (LLW) nhiên liệu qua sử dụng (tức tồn lâu dài vật liệu phóng xạ cao tương đối nhỏ khối lượng) Câu hỏi điều tra Hoa Kỳ NASA vào cuối năm 1970 đầu năm 1980 Bởi chi phí cao giải pháp khía cạnh an toàn liên quan với nguy thất bại khởi động, giải pháp bị bỏ Hiện có máy phát điện đồng vị phóng xạ nhiệt (TRGs) có chứa vài kg Pu-238 đưa NASA Nhưng vụ phóng tàu để đưa chất thải hạt nhân vào không gian thất bại, hậu khôn lường nào? Khi tàu phóng rơi xuống đại dương, phát nổ vùng thượng quyển… hậu với người, sinh vật Trái Đất khôn lường Do đó, việc đưa chất thải vũ trụ cần cân nhắc Thậm chí, giả sử việc phóng không gian thành công theo lộ trình an toàn, ngày đó, chất thải quay trở lại Trang 5/16 Chôn sâu lòng đất (Deep boreholes) Trong khoảng thời gian dài mà số chất thải độ phóng xạ dẫn đến ý tưởng xử lý chất thải hạt nhân cách chôn sâu kho lòng đất tạo thành dạng địa chất ổn định Sự ngăn cách tạo kết hợp cản trở thiết kế tự nhiên (đá, muối, đất sét) có nghĩa vụ tích cực việc trì không cho thiết bị vượt giới hạn đến hệ tương lai Sự ngăn cách thường gọi với khái niệm “nhiều ngăn cách” (multi – barrier), với bao bì thải, kho thiết kế địa chất, tất cung cấp ngăn cách để ngăn chặn hạt nhân phóng xạ đến người môi trường Kho lưu trữ bao gồm đường hầm khai thác hang động đặt vào chất thải đóng gói Chất thải rắn đóng gói đặt lỗ khoan sâu khoan từ bề mặt tới độ sâu vài km với đường kính thường mét Các thùng chứa chất thải ngăn cách với lớp bentonite xi măng Các lỗ khoan không hoàn toàn đầy chất thải Khoảng km niêm phong với vật liệu nhựa đường, bentonite bê tông Việc khai quật kho lưu trữ sâu lòng đất phải sử dụng công nghệ khai thác công nghệ kĩ thuật dân dụng giới hạn đến địa điểm (ví dụ đất gần bờ), để khai quật ổn định hợp lý dòng nước ngầm lớn độ sâu từ 250m đến 1000m Ở độ sâu lớn 1000m, việc khai quật trở nên ngày khó khăn nên tốn Việc chôn chất thải hạt nhân xuống sâu lòng đất lựa chọn ưa thích nhiều quốc gia, bao gồm Argentina, Australia, Bỉ, Cộng hòa Séc, Phần Lan, Nhật Bản, Hà Lan, Hàn Quốc, Nga, Tây Ban Nha, Thụy Điển, Thụy Sĩ Mỹ Tuy nhiên, chôn câu hỏi gây tranh cãi Do đó, có nhiều thông tin phương pháp xử lý khác Mục đích xây dựng kho lưu trữ địa chất ILW (Internmediate Level Radioactive Waste) tồn lâu dài mà cấp giấy phép cho hoạt động xử lý Mỹ Kế hoạch xử lý nhiên liệu qua sử dụng nâng cao Phần Lan, Mỹ Thụy Điển Tại Trang 6/16