3.4.1 Khái niệm
Là một quá trình trong đó một hạt nhân của nguyên tố nặng phân chia thành hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn (gọi là mảnh vỡ) đồng thời phát ra 2-3 hạt neutron. Quá trình này xảy ra tự phát hoặc do tác động của một hạt neutron tự do. [13]
3.4.2 Nguyên lý phản ứng phân hạch
Khi một neutron bắn phá hạt nhân U-235, hạt nhân bị tách thành hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn kèm theo việc giải phóng năng lượng ở dạng động năng của các hạt, bức xạ gamma và phát ra 2 hoặc 3 neutron tự do. Các neutron tự do này tiếp tục bắn phá các hạt nhân khác ở gần nó, cứ thế sự phân hạch tiếp diễn thành một dây chuyền. Phần lớn các sản phẩm phân hạch đều có tính phóng xạ. [13]
“Trên thực tế không phải mọi neutron sinh ra đều có thể gây ra sự phân hạch, bởi vì có nhiều neutron bị mất mát đi do nhiều nguyên nhân khác nhau: bị hấp thụ bởi các tạp chất trong nhiên liệu hạt nhân (trong khối Urani hoặc Plutoni…), hoặc bị U238 hấp thụ mà không xảy ra phân hạch, hoặc bay ra ngoài thể tích khối Urani (hoặc Plutoni)… Do vậy, muốn có phản ứng dây chuyền ta phải xét tới số neutron trung bình k còn lại sau mỗi phân hạch (còn gọi là hệ số nhân neutron).
•Nếu k < 1: dưới mức tới hạn, phản ứng dây chuyền không xảy ra. •Nếu k = 1: trạng thái tới hạn, phản ứng dây chuyền xảy ra với mật độ neutron không đổi. Đó là phản ứng dây chuyền điều khiển được xảy ra trong các lò phản ứng hạt nhân.
•Nếu k > 1: vượt mức tới hạn, dòng neutron tăng liên tục theo thời gian, dẫn tới vụ nổ nguyên tử. Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được.” [14] Dựa vào nguyên lý trên, các chuyên gia trong lĩnh vực hạt nhân đã thiết kế hệ thống lò phản ứng sao cho có thể điều khiển được phản ứng dây chuyền. Theo hệ thống này, 2 neutron sẽ bị hấp thụ, neutron nhanh còn lại sau khi qua chất làm chậm sẽ trở thành neutron nhiệt giống như lúc trước phân hạch và tiếp tục quá trình phân hạch tiếp theo.
Hình 3.7: Phản ứng phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân
3.4.3 Năng lượng phân hạch
Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó. Năng lượng cần thiết nhỏ nhất để làm hạt nhân phân chia được gọi là năng lượng kích hoạt. Năng lượng kích hoạt được sử dụng cho hai phần: một phần truyền cho các nuclon riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nội tại, một phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân, do đó gây ra biến dạng và làm vỡ hạt nhân thành các mảnh nhỏ. Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng các mảnh vỡ bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng. Năng lượng tỏa ra ứng với độ hụt khối và được gọi là năng lượng vỡ hạt nhân hay năng lượng phân hạch.
Phản ứng phân hạch là một phản ứng có lợi về mặt về mặt năng lượng, tức hầu như không tốn năng lượng cung cấp cho “viên đạn” neutron đầu tiên, nhưng phát ra nhiều năng lượng. Đó là động năng của các mảnh vỡ và của các neutron sinh ra, tiếp theo la năng lượng của các bức xạ anpha, beta, gamma…[13]
Trong lò phản ứng, động năng nói trên sẽ biến thành nhiệt lượng nung nóng khối nhiên liệu. Chính nhiệt lượng này làm cho dòng nước làm mát lò nóng lên và tạo hơi nước để quay turbin chạy máy phát điện. [13]
Rõ ràng phân hạch là phản ứng có lợi về mặt năng lượng rất lớn. Thật vậy, năng lượng tỏa ra khi phân hạch 1 gam nhiên liệu Uranium bằng nhiệt lượng do đốt cháy khoảng 10 – 100 tấn nhiên liệu than đá. [13]
3.5 Chất thải phóng xạ
Trong nhà máy điện nguyên tử, nơi sinh ra chất phóng xạ là lò phản ứng do các hoạt động sau:
- Nhiên liệu Uranium phân hạch tạo ra các chất phóng xạ khác.
- Các chất bên trong thùng áp lực lò phản ứng bị phóng xạ hoá do tác động của nơtron và tạo ra chất phóng xạ.
Thông thường, các sản phẩm phân hạch bị nhốt kín bên trong nhiên liệu. Nếu có khuyết tật ở vỏ bọc thanh nhiên liệu thì các sản phẩm phân hạch sẽ rò rỉ vào chất
tải nhiệt.
Đồng thời, chỉ cần một lượng nhỏ tạp chất sinh ra do ăn mòn trong chất tải nhiệt, chúng cũng sẽ bị nhiễm xạ do tác động của nơtron. Nhưng chất tải nhiệt được đưa qua thiết bị làm sạch nên những tạp chất này sẽ bị loại trừ. [15]
Vậy chúng ta phải có những biện pháp làm sao cho lượng chất thải phóng xạ rò rỉ ra là ít nhất. Có hai cách sau:
- Việc đảm bảo tính bền vững của nhiên liệu là quan trọng nhất. Nếu nhiên liệu không bị hỏng thì các sản phẩm phân hạch phóng xạ sẽ bị nhốt kín bên trong các vỏ bọc thanh nhiên liệu, lượng thoát ra bên ngoài rất ít. [15] - Một cách hữu hiệu nữa là giảm thiểu lượng chất ăn mòn thoát ra từ các
thùng chứa, ống bơm, van của hệ thống sơ cấp lò phản ứng. Để làm được điều này, người ta sử dụng vật liệu chống ăn mòn mạnh và áp dụng những kỹ thuật mới nhất trong việc quản lý chất lượng nước để hạn chế tối đa khả năng ăn mòn. Hơn nữa, việc lựa chọn vật liệu có hàm lượng Coban ít cũng hết sức quan trọng. [15]
So với chất thải thông thường và chất thải công nghiệp, có thể nói lượng chất thải phóng xạ phát sinh trong nhà máy điện nguyên tử rất ít. Cụ thể năm 1955, lượng chất thải bình quân của một người Nhật Bản trong 1 năm là 3.900 kg. Trong khi đó lượng chất thải phóng xạ phát sinh từ toàn bộ các nhà máy điện nguyên tử chưa đến 0,104 kg. Có nghĩa là chất thải từ nhà máy điện nguyên tử tuy phải mất công xử lý phóng xạ nhưng vì lượng ít nên quản lý cũng dễ dàng. [16]
Chất thải hạt nhân chia theo đời sống thành hai loại: những chất có chu kỳ bán rã dưới 30 năm thì gọi là chất có đời sống ngắn, từ 30 năm trở lên thì gọi là chất có đời sống dài.
Chất thải hạt nhân còn chia theo hoạt độ thành chất có hoạt độ rất thấp, thấp, trung bình và cao.
Vấn đề đặt ra hàng đầu là phải xử lý các chất thải đó cho thật hiệu quả và an toàn nhất để tránh gây ô nhiễm, gây chiếu xạ, ảnh hưởng tới sức khỏe và đời sống của cộng đồng.
3.6 Xử lý chất thải phóng xạ
Sau một thời gian hoạt động những thanh nhiên liệu đã cháy phải đưa ra khỏi lò phản ứng, thay bằng các thanh nhiên liệu mới. Chính các thanh nhiên liệu này được coi là nguồn chất thải hạt nhân nguy hiểm nhất và được quan tâm nhiều nhất.
Chất thải từ các thanh nhiên liệu từ lò phản ứng nước nhẹ bao gồm: •U-235 – 0,8% •U-236 – 0,46% •U-238 – 94,3% •Pu – 0,89% •Các sản phẩm của phản ứng phân hạch – 3,5%. •Các sản phẩm khác – 0,05%. [17]
Trên thế giới hiện nay có nhiều cách xử lý chất thải phóng xạ khác nhau tùy thuộc vào điều kiện và khả năng cho phép của từng quốc gia. Qua tài liệu thu thập được từ các bài báo, sau đây chúng tôi sẽ nêu ra một số biện pháp xử lý có thể nói là khá khả thi trong nhiều năm qua.
3.6.1 Pháp, Nga, Nhật, Anh
Chủ trương tái xử lý (retraitement) chất thải phóng xạ, thu hồi chất plutoni và urani có độ giàu đã giảm đi từ 3% xuống còn 0,9%, trộn oxit plutoni và oxit urani thành một loại nhiên liệu hạt nhân mới gọi là MOX (Mixed Oxyde) và dùng loại nhiên liệu này trong các lò phản ứng hạt nhân. [18]
Đối với các chất phóng xạ chứa sản phẩm phân hạch có đời sống dài (chu kỳ bán rã hàng triệu năm) thì phương pháp xử lý là thủy tinh hóa (vitrification) nhằm thu nhỏ thể tích. Phương pháp thủy tinh hóa theo lời kể của ông Đinh Ngọc Lân như sau: “Năm 1980, khi đến Trung tâm xử lý chất thải phóng xạ Marcoule ở bên bờ sông Rhone, tôi đã được thăm nhà máy thủy tinh hóa chất thải phóng xạ đầu tiên trên thế giới bắt đầu hoạt động từ năm 1978. Tôi đã được thấy những cái lò nung cao tần nóng rực như lò bát quái, công suất mỗi cái 200 kW, tần số 4 kHz, trong ấy thủy tinh chứa Bo (verre borosilicaté) trộn lẫn với chất thải phóng xạ được nung nóng lên đến 1150oC. Dung dịch nóng chảy này được rót vào những chiếc cốc kim loại, để nguội thành những cốc thủy tinh chứa chất phóng xạ dài ngày. Những cốc thủy tinh này
được cất giữ trong các tấm bê tông để sâu dưới đất. Vì chu kỳ bán rã của các chất thải phóng xạ này dài đến hàng triệu năm nên những chỗ cất giữ này chỉ là tạm thời, trong khi chờ đợi được cất giữ lâu dài trong các cấu trúc địa chất sâu chừng 500 mét, ở vùng đá hoa cương hay đất sét.” [18]
3.6.2 Mỹ
Không chủ trương tái xử lý. Cách làm của Mỹ là sau khi lấy ra khỏi lò phản ứng, các thanh nhiên liệu được cho vào một bể nước ngay ở địa điểm của nhà máy điện hạt nhân để cho nguội đi trong 3 đến 5 năm. Trong thời gian ấy, những chất thải phóng xạ ngắn ngày phân rã đi và hoạt độ phóng xạ giảm đi rất nhiều. Chúng được cho vào những container kim loại và cất trong kho 20 đến 50 năm, sau đấy đem chôn sâu 300 mét dưới mặt đất ở Yucca Mountain trong một vùng sa mạc ở bang Nevada. Theo quyết định của Quốc hội Mỹ thông qua vào năm 2002, việc chôn cất vĩnh viễn các chất thải phóng xạ tại Trung tâm Yucca Mountain có thể bắt đầu từ năm 2012. [18]
3.6.3 Phần Lan
Luật về năng lượng nguyên tử do Quốc hội thông qua năm 1987 đã qui định là các chất thải phóng xạ phải được chôn cất vĩnh viễn dưới các cấu tạo địa chất sâu. Tháng 1 – 2000, hội đồng vùng Erafoki đã chấp thuận cho chôn chất thải phóng xạ trong vùng. Mùa hè năm 2004, việc xây dựng nơi chôn cất chất thải phóng xạ trong đá hoa cương ở độ sâu 500 mét đã bắt đầu và sẽ hoàn tất vào năm 2010. Các nước
Thụy Điển, Thụy Sỹ, Bỉ cũng chọn phương án chôn trực tiếp các chất thải phóng xạ. [18]
3.6.4 Bungari
Nhà máy điện hạt nhân Kozloduy được xây dựng từ đầu những năm 1970, cách đây đã gần 40 năm. Các chất thải phóng xạ hiện nay đang được cất giữ tại chỗ
trong 3 gian nhà, mỗi nhà có 5 thùng, dung tích mỗi thùng là 500 m3. Hiện nay, tất cả các thùng đã gần đầy hết. Bungari đã ký với công ty Mỹ Westinghouse một hợp đồng
trị giá 10 triệu USD để công ty này giúp xử lý các chất thải phóng xạ bằng cách dùng xi măng cô đặc rồi chôn không sâu lắm ở Novi – Ham, cách thủ đô Sofia 30 km về phía Đông. [18]
3.6.5 Anh và Đức
Trong thời gian gần đây, các nhà khoa học đã thử nghiệm chuyển hóa chất thải hạt nhân thành những chất vô hại bằng cách sử dụng tia laser. Theo cách này thì mẫu chất phóng xạ được đặt trong một hộp không cản tia sáng rồi cho tia laser cực ngắn đốt chất liệu này. Vấn đề còn tồn tại là làm thế nào có thể tạo ra những tia laser có năng lượng cao và việc làm này rất nguy hiểm cho các nhà khoa học trực tiếp tiến hành các thí nghiệm. Hơn nữa, tia laser cần một lực cũng chỉ có thể chuyển biến được vài gram chất thải. Các nhà nghiên cứu cho rằng phải mất 10 năm nữa thì dự án mới đi vào thực tiễn. Trong thời gian đó thì chất thải phóng xạ vẫn là vấn đề đáng lo ngại, nhưng kết quả bước đầu của các nhà khoa học đã mở ra cánh cửa trong việc xử lý chất thải. [19]
Chương 4
BỨC TRANH SỬ DỤNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN TRÊN THẾ GIỚI
Chương này chúng ta tiếp tục tìm hiểu về vấn đề sử dụng điện hạt nhân trên thế giới để có cái nhìn tổng quan hơn về loại hình năng lượng này. Bằng phương pháp thống kê và tổng hợp chúng tôi sẽ dựng lên một bức tranh toàn cảnh trong quá khứ, hiện tại của các quốc gia đang sử dụng và chuẩn bị đưa vào sử dụng về số lượng nhà máy cũng như chính sách phát triển, cùng với đó là một số thảm họa hạt nhân nghiêm trọng trong lịch sử của ngành công nghiệp năng lượng này.
4.1 Quá khứ
Ngày 20 – 12 – 1951 đánh dấu sự ra đời của năng lượng điện hạt nhân khi nước Mỹ đưa vào sử dụng lò phản ứng EBR-1 có thể thắp sáng 4 bóng đèn, kỉ
nguyên điện hạt nhân bắt đầu. Những năm 1954 và 1956 sau đó, đến lượt Nga và Anh sử dụng điện hạt nhân quy mô công nghiệp, các nhà máy điện hạt nhân bắt đầu được chính phủ nhiều nước chấp nhận.
Đến những năm 70, 80 điện hạt nhân phát triển mạnh do khủng hoảng dầu mỏ đẩy giá điện tăng cao, công nghệ được thương mại hóa giúp nguồn điện này dần được phổ biến ở các nước phát triển như Mỹ, Nga, Đức, Pháp. Vì những ưu điểm như giá điện rẻ, nguồn điện ổn định, giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch giúp điện hạt nhân lên ngôi, tỷ trọng điện hạt nhân toàn cầu tăng lên gần 2 lần từ 9% thành 17%. [Trích số liệu của IAEA năm 1890]
Thế nhưng do cuộc chạy đua ngầm mặt công nghệ, điện hạt nhân lúc này đang trở thành mốt, các nước vẫn chưa ý thức cao về vấn đề an ninh năng lượng, xây dựng nhà máy quá vội vã, chỉ chú ý đến vấn đề số lượng và không quan tầm nhiều đến an toàn hạt nhân. Và sau nhiều sự cố nhỏ trên thế giới, năm 1986, vụ nổ nhà máy điện Chernobyl khiến cả thế giới bừng tỉnh. Ý thức được rõ hơn về sức mạnh của nguồn năng lượng này, các nước bắt đầu thận trọng hơn trong việc sử dụng chúng, tốc độ xây dựng nhà máy điện hạt nhân giảm mạnh. Thậm chí tại một số nước như Đức và Thụy Điển, sự phản đối của người dân kết hợp với các yếu tố chính trị khiến chính quyền có chủ trương loại bỏ điện hạt nhân trong tương lai, chuyển đổi qua các dạng năng lượng khác.
Tuy vậy không có nghĩa rằng là điện hạt nhân bị loại bỏ không sử dụng nữa, yêu cầu bức thiết về năng lượng trên thế giới và ưu điểm không thể chối bỏ của nhà máy điện hạt nhân so với các nhà máy điện truyền thống đã khiến các nước xem xét lại, nhiều nước còn coi điện hạt nhân là cứu cánh cho nền công nghiệp và là nguồn năng lượng cho tương lai.
4.2 Hiện tại
4.2.1 Ở Mỹ và các nước phương Tây
Vị thế số một của Mỹ trong việc ứng dụng công nghệ hạt nhân từ lâu đã được khẳng định, 104 nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động tạo ra lượng điện năng chiếm 20% cả nước đã nói lên rằng không ai khác ngoài Mỹ là nước có nền công nghiệp nguyên tử phát triển nhất. Ngoài sự cố ở Đảo Ba Dặm, trong suốt hơn 50 năm, các nhà máy điện hạt nhân của Mỹ luôn hoạt động an toàn[Theo thống kê của cục năng lượng nguyên tử Mỹ]. Năm 2002, tổng thống G.Bush đã công bố một chương trình mang tên “Tầm nhìn 2020” với nội dung chính là khuyến khích các trung tâm nghiên cứu hạt nhân xây dựng một thế hệ lò mới có hiệu suất cao hơn, an toàn hơn, giảm sự phụ thuộc vào con người, đồng thời tiếp tục nâng cao sản lượng điện hạt nhân lên thêm 10000 MW vào năm 2012.
Cuối năm 2010 vừa qua, Nghị viện Châu Âu đồng ý bỏ phiếu tán thành nghị quyết cho rằng năng lượng hạt nhân là tuyệt đối cần thiết để EU đáp ứng nhu cầu điện năng trung hạn. Nghị quyết đó đã được thể hiện bằng hành động thực tế của một loạt các nước. Vương quốc Anh đã quyết định tái khởi động chương trình điện