Buzz
Năng lượng hạt nhân – một giải pháp trung gian quan trọng
Trong thời kỳ hiện nay, sự quan tâm đến vấn đề khí hậu đang trở nên ngày càng lớn, khi tình trạng thời tiết cực đoan và mực nước biển dâng do tan băng đang diễn ra ngày càng nhiều. Nhiên liệu hóa thạch được coi là nguyên nhân chính của tình trạng này vì khi được đốt cháy, chúng thải ra các khí nhà kính vào khí quyển. Tuy nhiên, năng lượng hạt nhân đã trở thành một giải pháp tạm thời. Mặc dù có những lợi ích, nhưng năng lượng hạt nhân cũng đồng thời mang theo vấn đề về chất thải hạt nhân. Tuy nhiên, không nên lo ngại quá mức, bởi có nhiều giải pháp xử lý chất thải hạt nhân và việc loại bỏ hoàn toàn năng lượng hạt nhân để chuyển sang năng lượng xanh là không khả thi trong tình thế hiện nay.
Đến năm 2019, đã có 30 quốc gia vận hành nhà máy điện hạt nhân. Trong số đó, có 6 quốc gia đã hoàn toàn cấm sử dụng lò phản ứng hạt nhân để sản xuất điện.
Nhiên liệu hạt nhân sản sinh ra năng lượng nhiều hơn rất nhiều so với nhiên liệu hóa thạch. Điều này làm cho các nhà máy hạt nhân không thải ra carbon dioxide trong quá trình hoạt động.
Trong bối cảnh khủng hoảng khí hậu đang diễn ra, việc tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch trở nên cấp bách. Một trong những giải pháp trung gian là sử dụng năng lượng hạt nhân trên con đường tiến tới năng lượng xanh. Mặc dù vậy, việc này lại gặp sự phản đối gay gắt từ một số phía do lo ngại về các sự cố tai họa như Chernobyl (1986) và Fukushima (2011), cũng như vấn đề về chất thải phóng xạ mà các nhà máy hạt nhân tạo ra. Để xử lý chất thải một cách an toàn vẫn là một thách thức lớn đối với chúng ta.
“Hòm mộ” bằng bê tông ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl (trái) và khu vực lưu trữ nước nhiễm xạ của nhà máy điện hạt nhân Fukushima (phải), bao gồm một triệu tấn nước thải đã qua xử lý được giữ trong các bể chứa. Với không gian chứa hạn hẹp, Nhật Bản đã tuyên bố rằng họ không có lựa chọn nào khác ngoài việc dần dần xả nước ra biển. Ảnh: National Geographic.Chất thải hạt nhân là gì?
Nhiên liệu hạt nhân thường được sản xuất từ uranium (U) được làm giàu từ 3% đến 5%. Các con số này biểu thị tỷ lệ uranium-235 trong đó. U-235 là duy nhất hạt nhân tự nhiên có khả năng phản ứng phân hạch bằng neutron nhiệt, điều này là cần thiết vì U-235 phân hạch dễ dàng hơn nhiều so với U-238. Việc “làm giàu” uranium đề cập đến việc tăng tỷ lệ đồng vị U-235 vượt quá mức tự nhiên khoảng 0.7%. Uranium làm giàu đóng vai trò quan trọng trong sản xuất năng lượng hạt nhân cũng như trong vũ khí hạt nhân. Nhiên liệu này được tạo thành từ các thanh nhiên liệu (fuel rods), không nên nhầm lẫn với thanh điều khiển (control rods) được sử dụng để điều chỉnh tốc độ phản ứng trong lò. Hạt nhân uranium-235 không ổn định; khi neutron được bắn vào chúng trong lò phản ứng hạt nhân, chúng sẽ phân hạch thành các hạt nhân nhỏ hơn, bao gồm Strontium-90 và Cesium-137.
Bố cục của thanh nhiên liệu hạt nhân, với các viên nhiên liệu uranium được xếp chồng lên nhau. Ảnh: Deep Isolation.
Tất cả các đồng vị phóng xạ đều có một thuộc tính gọi là chu kỳ bán rã. Đây là khoảng thời gian mà số lượng hạt nhân trong một mẫu đồng vị giảm đi một nửa. Chu kỳ bán rã càng dài thì đồng vị càng tồn tại lâu. Các đồng vị có chu kỳ bán rã trên 30 năm được gọi là đồng vị bền vững, còn dưới 30 năm được gọi là đồng vị ngắn ngày.
Ví dụ với Cobalt-60, có chu kỳ bán rã ngắn là 5.27 năm, tức là sau 5.27 năm (một chu kỳ bán rã) còn lại 50% lượng Co-60, sau 10.54 năm (hai chu kỳ) còn lại 25%, sau 15.81 năm (ba chu kỳ) còn lại 12.5%, và cứ tiếp tục như vậy. Ảnh: Chem Libretexts.
Strontium-90 và Caesium-137 có chu kỳ bán rã trung bình khoảng 30 năm. Khi thải ra môi trường, chúng gây ra nhiều vấn đề. Cesium-137 dễ phát tán vì tính tan của các hợp chất Cesium, còn Strontium-90 dễ thâm nhập vào xương và tủy xương nếu sinh vật ăn phải. Cả hai là nguồn phóng xạ chính ở vùng cách ly Chernobyl.
Các chất này và nhiều đồng vị khác thường được tìm thấy trong chất thải phóng xạ. Chúng được phân loại thành ba loại: Chất thải mức độ thấp (LLW), Chất thải mức độ trung bình (ILW), và Chất thải mức độ cao (HLW). Cách xử lý chúng phụ thuộc vào mức độ nguy hiểm do tính phóng xạ gây ra.
Khoảng 3% nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng chứa các sản phẩm phân hạch phóng xạ. Ở một số quốc gia, nhiên liệu này được tái chế để tách chất thải ra 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 tạo ra mức độ phóng xạ và nhiệt khi các đồng vị phân rã. Điều này tạo 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 có hoạt động alpha không quá 4 GBq/tấn hoặc không quá 12 GBq/tấn đối với hoạt động beta hoặc gamma. Hầu hết chất thải hạt nhân là chất thải ở mức độ thấp, chiếm khoảng 90% theo khối lượng, nhưng chỉ đóng góp 1% tổng tính phóng xạ của toàn bộ chất thải phóng xạ. Hoạt động alpha là quá trình mà hạt nhân không ổn định phát ra các hạt alpha, gồm hai proton và hai neutron, tương đương với hạt nhân Helium-4. Đây là một loại phản ứng phân rã phóng xạ phổ biến. Trong khi đó, hoạt động beta là quá trình phát ra electron hoặc positron từ hạt nhân không ổn định. Hạt beta có phạm vi thâm nhập lớn hơn hạt alpha nhưng nhỏ hơn nhiều so với tia gamma.
Tia gamma có thể được chặn lại bằng chì, do đó việc sử dụng bê tông và lớp đất đá dày có thể ngăn cách các chất thải hạt nhân nguy hiểm. Ảnh: Chem Libretexts.
Hoạt động gamma là quá trình phát ra tia gamma trong quá trình phân rã phóng xạ. Tia gamma có khả năng xuyên thấu cao và có thể dễ dàng xuyên qua vật liệu ngăn cách như da và quần áo. Phát ra năng lượng dư thừa, tia gamma giúp ổn định hạt nhân không ổn định.
Các thùng chứa chất thải phóng xạ mức độ thấp tại Viện Công nghệ hạt nhân Thái Lan (TINT). Ảnh: Wikipedia.
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, hoặc Intermediate Level Waste) chiếm khoảng 7% tổng lượng chất thải hạt nhân và 4% tổng tính chất phóng xạ. Nó có mức độ ô nhiễm cao hơn LLW nhưng không đủ để được coi là HLW. Các loại ILW bao gồm các thanh điều khiển và bùn hóa học từ quá trình xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng.
Chất thải ILW, như cái tên gợi lên, không giống như những vật dụng thông thường như giẻ lau hay quần áo của LLW, cũng không giống như nhiên liệu đã qua sử dụng của HLW. Nó bao gồm tất cả những vật liệu tiếp xúc gần với nhiên liệu, đòi hỏi các phương pháp xử lý khác nhau do các khoảng cách tiếp xúc khác nhau.
ILW phát ra nhiều bức xạ hơn LLW nhưng không gây ra nhiều nhiệt như HLW. Một ví dụ điển hình là tấm ốp nhiên liệu kim loại, gần nhất với các viên nhiên liệu.
HLW, hay Chất thải mức độ cao, có mức độ phóng xạ cao đến nỗi có thể tự tạo ra nhiệt độ đáng kể. Điều này cần được xem xét cẩn thận trong việc thiết kế các cơ sở xử lý. HLW thường được tạo ra từ quá trình tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và thường ở dạng lỏng. Mặc dù chiếm ít hơn 1% tổng khối lượng chất thải, nhưng lại tạo ra tới 95% tổng lượng bức xạ.
HLW được định nghĩa là tạo ra hơn 2 kilowatt trên mét khối nhiệt do tính phóng xạ của nó. Cần phải bảo vệ và làm mát nó trước khi tiến hành thải bỏ hoàn toàn. HLW bao gồm cả nhiên liệu đã qua sử dụng và chất thải được phân loại.
Biểu đồ minh họa cấu trúc của ba loại chất thải hạt nhân. Ảnh: Environtmentbuddy.Quá trình lưu trữ và xử lý (chôn lấp) chất thải
LLW là loại chất thải dễ xử lý nhất. Chúng được nén vào các thùng thép lớn và sau đó được vận chuyển đến bãi chôn lấp hoặc được lưu trữ trong các hầm bê tông dưới lòng đất. Khi các hầm đầy, chúng được niêm phong và phủ đất. Không có nỗ lực thu hồi chất thải do tính phóng xạ của nó, và các địa điểm được thiết kế để đảm bảo chất thải được bỏ lại mà không gây nguy hiểm cho môi trường.
Hoạt động loại bỏ 1,146 mét khối đất bị ô nhiễm chất thải hạt nhân ở mức cực thấp khỏi Nhà máy điện hạt nhân Fort Greely cũ, bang Alaska. Ảnh: Wikipedia.
Các địa điểm chôn lấp thường có hệ thống thông hơi và thoát nước để ngăn áp suất tích tụ và rò rỉ chất thải. Một số lượng nhỏ chất thải không thể xử lý trong các hầm này và phải được xử lý ở mức độ cao hơn.
Chất thải phóng xạ ở mức độ thấp thường được nén vào các hộp thép và lưu trữ trong hầm bê tông dưới lòng đất. Khi hầm đầy, nó được niêm phong và để lại. Lớp bê tông này đảm bảo không có bức xạ nào chạm tới bề mặt.
Cả ILW và HLW cuối cùng đều được xử lý theo cách tương tự. Tuy nhiên, họ đi qua những con đường hơi khác nhau để đến đích.
ILW được nén vào các thùng thép lớn, sau đó đổ đầy bê tông để cố định chất thải bên trong. Những thùng này giúp vận chuyển và lưu trữ chất thải một cách an toàn, thường trong kho chứa có điều hòa, cho đến khi có một cơ sở chôn lấp phù hợp. Một số ILW có thể được bảo quản trong khoảng 50 năm để nồng độ phóng xạ giảm.
Các phương pháp lưu trữ nhiên liệu hạt nhân. Việc xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng có thể thực hiện qua nhiều cách (gần bề mặt hoặc sâu dưới lòng đất), mỗi cách đều có những ưu và nhược điểm riêng. Ảnh: SITN Harvard.
HLW đặt ra một số thách thức riêng. Trước hết, do hầu hết là dạng lỏng, bất kỳ khe hở nào trong thùng chứa sẽ dẫn đến rò rỉ chất lỏng phóng xạ. Cần một phương pháp ổn định và đáng tin cậy trong hàng nghìn năm để cố định nó nếu chất thải vẫn còn phóng xạ.
Bê tông dễ bị phong hóa theo thời gian. Thay vào đó, chất thải được hỗn hợp với thủy tinh nghiền nát trong lò nung, tạo ra thủy tinh nóng chảy chứa HLW. Sau đó, chất này được đóng kết trong các thùng lớn, giữ cho các hạt phóng xạ bị lơ lửng trong thủy tinh. Quá trình này, gọi là thủy tinh hóa, giúp giảm nguy cơ ô nhiễm từ chất thải này.
Chất thải ở mức độ trung bình và cao phát ra nhiệt và phóng xạ mạnh hơn. Đa số các quốc gia áp dụng phương pháp chôn lấp sâu trong lớp đất. Đá và đất đóng vai trò như một rào cản chống lại tia phóng xạ. Trước đây, chất thải mức độ cao HLW được hòa vào trong thủy tinh và lưu trữ trong 50 năm để hòa tan nhiệt.
Tuy nhiên, vấn đề về nhiệt của chất thải vẫn cần phải được giải quyết. Một giải pháp là đặt các thùng vào trong các hồ chứa bằng bê tông sâu trong ít nhất 5 năm. Sau đó, chúng được chuyển đến nơi lưu trữ khô ráo và được làm mát bằng không khí. Do thời gian phân hủy dài của một số đồng vị phóng xạ trong chất thải, chúng thường được lưu trữ đến 50 năm trước khi được xử lý chôn lấp.
Phương pháp xử lý cuối cùng được nhiều quốc gia chấp nhận đối với HLW và ILW là chôn lấp sâu trong tầng địa chất. Quá trình này liên quan đến việc đặt chất thải sâu từ vài trăm mét đến vài cây số dưới lòng đất, sử dụng đất đá làm rào cản chống lại tia phóng xạ.
Hình ảnh các điểm chôn lấp chất thải hạt nhân ở Hoa Kỳ. Ảnh: Wikipedia.
Kho khai thác là phương pháp phổ biến nhất. Đó là các hầm và hang động dưới lòng đất có thể chứa các thùng chứa. Sau đó, chúng được bao quanh bởi đá và đất để tạo thành một lớp đệm bổ sung ngăn cách bức xạ. Những hang động này được đào dưới lòng đất hoặc gần đó ở vùng nước ngầm thấp, thường là ở những vùng có đá granite ổn định. Sự hiện diện của dòng nước ngầm thấp giúp giảm thiểu ô nhiễm. Nếu cần, chất thải có thể được thu hồi.
Địa điểm kho khai thác lưu giữ KBS-3 ở Thụy Điển, gần Nhà máy điện hạt nhân Forsmark, dự kiến sẽ hoạt động từ năm 2023, sử dụng các thùng chứa bằng đồng để lưu trữ nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Các mỏ đồng bản địa đã chứng minh rằng đồng ít thay đổi khi để lại trong nền đá, đặc biệt là ở những khu vực có dòng nước ngầm thấp. Địa điểm KBS-3 còn sử dụng đất sét bentonite, tạo thành một hàng rào chống lại nước ngầm và lớp chống bức xạ hiệu quả. Điều này đảm bảo rằng chỉ có một lượng rất nhỏ phóng xạ rò rỉ ra ngoài và không có chất thải thực sự nào bị rò rỉ.
Phương pháp KBS-3 của Thụy Điển bao gồm đóng gói nhiên liệu đã qua sử dụng trong các thùng chứa bằng đồng, sau đó đặt chúng trong các lỗ lắng đọng ở độ sâu từ 400 đến 700 mét dưới lòng đất, được bao quanh bởi lớp đệm bằng đất sét bentonite. Ảnh: Research Gate.
Một phương án xử lý chất thải hạt nhân khác là sử dụng các lỗ khoan sâu. Các lỗ khoan này được khoan xuống độ sâu 5,000 mét vào tầng đá nền. Chúng được sử dụng để chứa chất thải ở độ sâu 2,000 mét dưới đáy, sau đó được bịt kín bằng xi măng, đất sét bentonite hoặc các vật liệu tương tự.
Các lỗ khoan có thể được khoan vào cả đá kết tinh và đá trầm tích trên đất liền, cũng như được khoan ngoài khơi, tạo ra nhiều lựa chọn cho việc xử lý chất thải. Tuy nhiên, không thể thu hồi chất thải nên nhiều quốc gia loại trừ phương án này.
Tóm tắt vòng đời của chất thải hạt nhân: Các nguyên tố phóng xạ (1) được chứa trong thanh nhiên liệu, sau đó chia thành các nguyên tố nhỏ hơn (2) qua các phản ứng năng lượng cao. Năng lượng này tỏa ra dưới dạng nhiệt (3) và tạo ra các hạt tự do. Trong lò phản ứng hạt nhân, nhiệt này biến nước thành hơi, đẩy tua-bin tạo ra điện (4). Ở cuối chu kỳ, thanh nhiên liệu hạt nhân được làm nguội trong bể chứa nước (5) trước khi được xử lý trong thùng chứa khô ráo (6). Ảnh: SITN Harvard.Lợi ích của năng lượng hạt nhân
Với vấn đề chất thải phóng xạ, liệu năng lượng hạt nhân có giải pháp cho nhu cầu năng lượng thay thế hiện nay? Nhiều người ủng hộ năng lượng tái tạo nhưng nó đòi hỏi không gian đất lớn. Một lò phản ứng hạt nhân 1,800 megawatt chỉ cần 4.45 km vuông, trong khi trang trại năng lượng mặt trời thông thường cần gần 54 km vuông để tạo ra cùng lượng điện, chênh lệch gấp 12 lần.
Biển cảnh báo tại một trạm chôn lấp chất thải hạt nhân. Ảnh: Geneva Solutions.
Dường như có vấn đề gì đó không ổn ở đây, mọi người đều muốn có một nguồn năng lượng thân thiện với môi trường như năng lượng mặt trời hoặc thủy điện (đáng tiếc, thậm chí hơi nước từ việc đốt cháy thủy điện cũng tạo ra khí nhà kính), nhưng nhược điểm của chúng khiến con người phải suy nghĩ. Không phải tất cả các phong trào môi trường xanh là đều có lý, điều quan trọng là tính khả thi của chúng. Ví dụ, việc sử dụng xe điện được kêu gọi là vì đó là tương lai; thực tế là xe điện có thể là tương lai nhưng trước khi đó xảy ra, cần phải giải quyết nhiều vấn đề liên quan trước khi chúng có thể được sử dụng rộng rãi như xe xăng ngày nay. Do đó, các loại xe lai đã được phát triển để điền vào khoảng trống này.
Biểu tình phản đối năng lượng hạt nhân gần trung tâm xử lý chất thải hạt nhân tại Gorleben, bang Hạ Saxony, miền bắc nước Đức. Ảnh: Wikipedia.
Energi tái tạo rõ ràng đóng vai trò quan trọng trong giải pháp, nhưng khó khăn để hiểu cách chúng ta có thể chuyển từ năng lượng hóa thạch, trong thời gian ngắn cần thiết để ngăn chặn thảm họa khí hậu, chỉ bằng cách sử dụng năng lượng tái tạo. Đồng thời, chúng ta đã phát triển các phương pháp xử lý chất thải hạt nhân có rủi ro thấp và thực sự khối lượng của nó thấp. Ước tính cho biết khối lượng chất thải hạt nhân hiện nay ở Anh và trong 100 năm tới sẽ chỉ lấp đầy một khu vực có diện tích bằng sân vận động Wembley. Điều này không đáng kể và không đáng để lo lắng như một thảm họa; chúng ta sẽ không bị chôn vùi trong đống chất thải hạt nhân như những câu chuyện được kể. Hoặc như vụ xả nước thải hạt nhân ở Nhật Bản, vụ việc chỉ thu hút sự chú ý trong một thời gian và đến lúc này dường như không còn ai quan tâm, bất kể liệu lượng nước đó có thực sự gây rủi ro hay không.
Tuy nhiên, số lượng nhà máy phản ứng hạt nhân trên toàn thế giới đã chậm lại từ giữa những năm 1990. Trong khi có những nhà máy mới được xây dựng ở Trung Quốc và Đông Âu, các quốc gia như Pháp và Đức đều có kế hoạch loại bỏ hoàn toàn năng lượng hạt nhân. Liệu thái độ này có thay đổi trong những năm tới khi cố gắng tránh xa nhiên liệu hóa thạch trở nên cấp bách hơn?
Theo Compound Chem.
