Xử lý chất thải hạt nhân sau khi nhà máy tháo dở

Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh Khoa Vật lý Bộ môn: Vật lý hạt nhân và 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: 1. Nguyễn Lê Anh 2. Nguyễn Tố Ái 3. Nguyễn Quốc Khánh Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012 Trang 1/16 I. Lý do chọn đề tài Nhà máy điện nguyên tử hay nhà máy điện hạt nhân là một nhà máy tạo ra điện năng ở quy mô công nghiệp, sử dụng năng lượng thu được từ phản ứng hạt nhân. Các loại máy điện nguyên tử phổ biến hiện nay thực tế là nhà máy nhiệt điện, chuyển tải nhiệt năng thu được từ phản ứng phân hủy hạt nhân thành điện năng. Đa số thực hiện phản ứng dây chuyền có điều khiển trong lò phản ứng nguyên tử phân hủy hạt nhân với nguyên liệu ban đầu là đồng vị Uran 235 và sản phẩm thu được sau phản ứng thường là Pluton, các neutron và năng lượng nhiệt rất lớn. Nhiệt lượng này, theo hệ thống làm mát khép kín (để tránh tia phóng xạ rò rỉ ra ngoài) qua các máy trao đổi nhiệt, đun sôi nước, tạo ra hơi nước ở áp suất cao làm quay các turbine hơi nước, và do đó quay máy phát điện, sinh ra điện năng. Khi quá trình sản xuất vả xử lý chất thải được bảo đảm an toàn cao, nhà máy điện nguyên tử sẽ có thể sản xuất năng lượng điện tương đối rẻ và sạch so với các nhà máy sản xuất điện khác, đặc biệt nó có thể ít gây ô nhiễm môi trường hơn các nhà máy nhiệt điện đốt than hay khí thiên nhiên. Việc lưu giữ và thải chất thải hạt nhân an toàn vẫn còn là một thách thức và chưa có một giải pháp thích hợp. Vấn đề quan trọng nhất là dòng chất thải từ các nhà máy năng lượng hạt nhân là nguyên liệu đã qua sử dụng. Một lò phản ứng công suất lớn tạo ra 3 mét khối (25–30 tấn) nguyên liệu đã qua sử dụng mỗi năm. Nó bao gồm urani không chuyển hóa được cũng như một lượng khá lớn các nguyên tử thuộc nhóm Actini (hầu hết là plutoni và curi). Thêm vào đó, có khoảng 3% là các sản phẩm phân hạch. Nhóm actini (urani, plutoni, và curi) có tính phóng xạ lâu dài, trong khi đó các sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ ngắn hơn. Vì vậy, cần phải có những phương pháp xử lý chất thải hạt nhân phóng xạ rất nguy hiểm cho con người và môi trường. Đó là lý do để nhóm chúng tôi thực hiện đề tài này. Trong quá trình sư tầm tài liệu, dich và thiết kế seminar không thể nào tránh khỏi sai sót đáng tiếc, mong độc giả đóng góp ý kiến phản hồi cho chúng tôi. Thay mặt nhóm tôi xin chân thành cảm ơn! Trang 2/16 II. Đặc điểm của chất thải hạt nhân Một trong những thách thức lớn nhất đối với ngành công nghệ hạt nhân hiện nay là vấn đề xử lý và cất giữ chất thải. Lý do đơn giản là trong chất thải hạt nhân có những đồng vị phóng xạ có thể tồn tại sau hàng triệu năm. Thông thường một nhà máy điện hạt nhân có thể hoạt động trong vòng vài chục năm. Sau khi đóng cửa, người ta phải tiến hành hàng loạt các biện pháp cần thiết sau đây: - Quản lý an toàn các vật liệu hạt nhân; - Quản lý an toàn các chất thải hạt nhân và phi hạt nhân; - Khử độc đối với các chất phóng xạ và phi phóng xạ; - Tháo dỡ nhà máy; - Phá huỷ các công trình để phục hồi cảnh quan cho môi trường. Đối tượng tháo dỡ không chỉ là các nhà máy điện hạt nhân, mà là tất cả các cơ sở có liên quan tới chu trình nhiên liệu quy mô thương mại như các cơ sở khai thác urani, các nhà máy tái chế biến và làm giàu nhiên liệu, các nhà máy chế tạo nhiên liệu, các lò phản ứng hạt nhân, các cơ sở cất giữ và xử lý chất thải… Tính đến tháng 9 năm 2001, trên toàn thế giới có trên 90 lò phản ứng năng lượng thương mại, 50 nhà máy chế biến nhiên liệu, khoảng 100 cơ sở khai thác urani và hơn 150 cơ sở nghiên cứu khác, đã đến lúc phải ngừng hoạt động. Nhiều cơ sở trong số này đã và đang được tháo dỡ một cách khá suôn sẻ. Tuy nhiên vấn đề quản lý an toàn các chất thải phóng xạ vẫn còn là vấn đề gây nhiều tranh cãi. Thông thường các chất thải hạt nhân được chia làm hai loại: các chất thải phóng xạ “mức thấp” (Low Level Radioactive Waste) và các chất thải phóng xạ “mức cao” (High Level Radioactive Waste). Đối với các chất thải phóng xạ “mức thấp”, cả hoạt độ lẫn chu kỳ bán rã đều tương đối nhỏ. Trong vòng 10 – 15 năm, hầu hết các chất thải nhóm này đều phân rã hết; nơi chôn cất có thể coi như một bãi phế thải thông thường. Tiêu biểu của các chất thải phóng xạ thuộc nhóm này là Ba-140 (13 ngày), Sr-89 (54 ngày), Ru-106 (1 năm), Ce-144 (1,3 năm)… Ngành công nghiệp hạt nhân cũng tạo ra một lượng lớn các chất thải phóng xạ cấp thấp ở dạng các công cụ bị nhiễm như quần áo, dụng cụ cầm tay, nước làm sạch, máy lọc nước, và các vật liệu xây lò phản ứng. Ở Hoa Kỳ, Ủy ban điều phối hạt nhân (Nuclear Regulatory Commission) đã cố gắng xét lại để cho phép giảm các vật liệu phóng xạ thấp đến mức giống với chất thải thông thường như thải vào bãi thải, tái sử dụng... Hầu hết chất thải phóng xạ thấp có độ phóng xạ rất thấp và người ta chỉ quan tâm đến chất thải phóng xạ liên quan đến mức độ ảnh hưởng lớn của nó. Các chất thải phóng xạ “mức cao” nói chung là những chất có nguồn gốc từ lõi lò phản ứng hạt nhân hoặc các chất nổ hạt nhân như urani, plutoni, các mảnh phân hạch và các chất phóng xạ nhân tạo đứng sau urani. Các chất này lại có thể chia làm hai nhóm nhỏ: Nhóm các mảnh phân hạch và nhóm các đồng vị siêu urani. Nhóm các mảnh phân hạch thường trải qua các chuỗi phân rã α, β và γ để rồi cuối cùng trở thành các đồng vị bền. Nói chung, sau 1000 Trang 3/16 năm chúng có mức phóng xạ rất thấp. Để đạt tới mức phóng xạ hầu như là vô hại này, nhóm siêu urani phải cần tới 500.000 năm, thêm vào đó quá trình toả nhiệt có thể kéo dài trên 200 năm. Điển hình các chất thải phóng xạ thuộc nhóm thứ nhất là Te-99 (2.106 năm), I-129 (16.107 năm). Đại diện của các chất nhóm 2 là Pu-239 (24.000 năm), Pu-240 (6.500 năm) và Am-243 (7.300 năm). Nguyên liệu đã qua sử dụng có tính phóng xạ rất cao và phải rất thận trong trong khâu vận chuyển hay tiếp xúc với nó. Tuy nhiên, nguyên liệu hạt nhân đã sử dụng sẽ giảm khả năng phóng xạ sau hàng ngàn năm. Có khoảng 5% cần nguyên liệu đã phản ứng không thể sử dụng lại được nữa, vì vậy ngày nay các nhà khoa học đang thí nghiệm để tái sử dụng các cần này để giảm lượng chất thải. Trung bình, cứ sau 40 năm, dòng phóng xạ giảm 99,9% so với thời điểm loại bỏ nguyên liệu đã sử dụng, mặc dù nó vẫn còn phóng xạ nguy hiểm. Nhiên liệu đã qua sử dụng được xếp vào loại chất thải có tính phóng xạ mật độ cao. Đó là do sự tăng dần các sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ cao khi nhiên liệu được dùng trong lò phản ứng. Khi nhiên liệu đã qua sử dụng được loại khỏi lò phản ứng và được thay bằng nhiên liệu mới, nó phải tích trữ một thời gian trong bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng. Nhiên liệu đã qua sử dụng phải được giữ dưới nước do nhiệt được tạo ra bởi sự phân rã các sản phẩm phân hạch, đồng thời nhằm giới hạn mức độ phóng xạ trong khu vực bể chứa. Các bể chứa thường được đặt tại chỗ. Tuy nhiên, tùy vào lượng nhiên liệu mà các nhà máy năng lượng phải dự trữ, có thể có thêm các bể chứa bổ sung. Hiện nay vẫn chưa có một thiết bị xử lý dành cho chất thải có tính phóng xạ cao mang tính thương mại. Sau vài năm, sự giảm nhiệt được tạo ra bởi sự phân hủy của các sản phẩm phân hạch đủ để cho phép sự lưu trữ nhiên liệu đã qua sử dụng được làm mát bằng không khí, sấy khô bằng Trang 4/16 thiết bị lưu trữ trên mặt đất. Các thiết bị này phải được thiết kế để loại bỏ nhiệt từ nhiên liệu đã qua sử dụng và được thiết kế để hạn chế sự phóng xạ của những khu vực xung quanh thiết bị này. Hình minh họa ở trên là một phần cắt ngang của thiết bị lưu trữ (HSM) với ống đựng bảo vệ. Nhiên liệu sẽ được để bên trong hộp, sau đó sẽ được đặt bên trong thiết bị lưu trữ. Đây chỉ là một trong một số mẫu thiết kế của việc lưu trữ nhiên liệu khô, một số bộ phận theo mặt cắt ngang và dọc. Việc lưu giữ và thải chất thải hạt nhân an toàn vẫn còn là một thách thức và chưa có một giải pháp thích hợp. Vấn đề quan trọng nhất là dòng chất thải từ các nhà máy năng lượng hạt nhân là nguyên liệu đã qua sử dụng. Một lò phản ứng công suất lớn tạo ra 3 mét khối (25–30 tấn) nguyên liệu đã qua sử dụng mỗi năm. Nó bao gồm Urani không chuyển hóa được cũng như một lượng khá lớn các nguyên tử thuộc nhóm Actini (hầu hết là Plutoni và Curi). Thêm vào đó, có khoảng 3% là các sản phẩm phân hạch. Nhóm Actini (Urani, Plutoni, và Curi) có tính phóng xạ lâu dài, trong khi đó các sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ ngắn hơn. Trang 5/16 III. Một số phương pháp xử lý chất thải hạt nhân 1. Đưa vào không gian (Disposal in outerspace) Có ba lý do tốt để gửi chất thải hạt nhân vào không gian. Đầu tiên, nó là an toàn. Thứ hai, không gian xử lý tốt hơn so với việc chôn cất dưới lòng đất. Thứ ba, cuối cùng nó có thể mở rộng ra cánh cửa cho việc chinh phục không gian của con người. Vũ trụ là nơi có hoạt động phóng xạ mạnh, nhưng cũng hấp thụ phóng xạ Chất thải sẽ được đóng gói để nó có thể sẽ vẫn còn nguyên vẹn dưới hầu hết các kịch bản tai nạn có thể tưởng tượng. Một tên lửa hay tàu con thoi không gian sẽ được sử dụng để khởi động các chất thải đóng gói vào không gian. Có một số điểm đến cuối cùng cho chất thải đã được xem xét, bao gồm cả chỉ đạo nó vào mặt trời. Nỗi lo về chất thải hạt nhân sẽ tan biến và không thể gây hại cho con người nếu chúng ta có thể đưa chúng vào hệ mặt trời, hay “thả” vào mặt trời. Bằng cách giữ cho hệ thống khởi động trên mặt đất thay vì đặt nó trên xe, thiết kế và xây dựng các container không thể phá vỡ và sắp xếp nhiều lớp phòng ngừa rủi ro, chúng ta có thể hoạt động một cách đúng đắn và an toàn. Tuy nhiên phương pháp xử lý chất thải này chỉ có thể thích hợp cho chất thải phóng xạ “mức thấp” (LLW) hoặc nhiên liệu đã qua sử dụng (tức là tồn tại lâu dài vật liệu phóng xạ cao là tương đối nhỏ về khối lượng). Câu hỏi đã được điều tra tại Hoa Kỳ bởi NASA vào cuối năm 1970 và đầu những năm 1980. Bởi vì chi phí cao của giải pháp này và các khía cạnh an toàn liên quan với nguy cơ thất bại khởi động, giải pháp này đã bị bỏ. Hiện nay chỉ có máy phát điện đồng vị phóng xạ nhiệt (TRGs) có chứa một vài kg Pu-238 được đưa ra bởi NASA. Nhưng nếu các vụ phóng tàu để đưa ra các chất thải hạt nhân vào không gian thất bại, hậu quả sẽ khôn lường như thế nào? Khi tàu phóng rơi xuống các đại dương, phát nổ trên vùng thượng quyển… hậu quả với con người, sinh vật trên Trái Đất là khôn lường. Do đó, việc đưa chất thải ra ngoài vũ trụ cần được cân nhắc. Thậm chí, giả sử việc phóng ra ngoài không gian thành công theo đúng lộ trình và an toàn, rất có thể một ngày nào đó, những chất thải đó có thể quay trở lại. Trang 6/16 2. Chôn sâu lòng đất (Deep boreholes) Trong khoảng thời gian dài mà một số chất thải vẫn còn độ phóng xạ dẫn đến ý tưởng về xử lý chất thải hạt nhân bằng cách chôn sâu trong các kho dưới lòng đất tạo thành các dạng địa chất ổn định. Sự ngăn cách được tạo bởi sự kết hợp của sự cản trở do trong thiết kế và trong tự nhiên (đá, muối, đất sét) và có nghĩa vụ tích cực trong việc duy trì không cho các thiết bị được vượt quá giới hạn đến các thế hệ trong tương lai. Sự ngăn cách này thường được gọi với khái niệm “nhiều ngăn cách” (multi – barrier), với bao bì thải, kho thiết kế và địa chất, tất cả các cung cấp các sự ngăn cách này để ngăn chặn các hạt nhân phóng xạ đến con người và môi trường. Kho lưu trữ bao gồm các đường hầm khai thác hoặc các hang động sẽ được đặt vào đó các chất thải đóng gói. Chất thải rắn đóng gói sẽ được đặt trong các lỗ khoan sâu khoan từ bề mặt tới độ sâu vài km với đường kính thường ít hơn 1 mét. Các thùng chứa chất thải sẽ được ngăn cách với nhau bởi một lớp bentonite hoặc xi măng. Các lỗ khoan sẽ không được hoàn toàn đầy các chất thải. Khoảng trên 2 km sẽ được niêm phong với các vật liệu như nhựa đường, bentonite hoặc bê tông. Việc khai quật một kho lưu trữ sâu dưới lòng đất phải sử dụng công nghệ khai thác hoặc công nghệ kĩ thuật dân dụng được giới hạn đến các địa điểm có thể (ví dụ như dưới đất hoặc gần bờ), để khai quật ổn định hợp lý và không có dòng nước ngầm lớn thì độ sâu từ 250m đến 1000m. Ở độ sâu lớn hơn 1000m, việc khai quật có thể trở nên ngày càng khó khăn nên rất tốn kém. Việc chôn chất thải hạt nhân xuống sâu dưới lòng đất là một lựa chọn ưa thích của 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 và Mỹ. Tuy nhiên, nó sẽ được chôn như thế nào là câu hỏi gây ra sự tranh cãi. Do đó, có nhiều thông tin về các phương pháp xử lý khác nhau. Mục đích xây dựng kho lưu trữ địa chất đối với ILW (Internmediate Level Radioactive Waste) tồn tại lâu dài mà hiện tại đang được cấp giấy phép cho các hoạt động xử lý ở Mỹ. Kế hoạch xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng được nâng cao ở Phần Lan, Mỹ và Thụy Điển. Tại Trang 7/16 Canada và Vương quốc Anh, xử lý chôn sâu đã được lựa chọn và quá trình lựa chọn nơi xử lý cũng đã được khởi công. Giải pháp chôn sâu vẫn là một dự tính trên giấy, mô tả việc đưa chất thải vào trong những chiếc hộp thép rồi chôn sâu hàng km dưới bề mặt Trái Đất. Một lợi thế của việc chôn chất thải là có thể khoan chúng gần các lò phản ứng hạt nhân, giúp giảm khoảng cách để vận chuyển những chất thải “nguy hiểm cao độ” xuống nơi chôn lấp. Tuy nhiên, các nước đều vấp phải vấn đề liên quan đến lựa chọn địa điểm chôn lấp chất thải, những nguyên tắc tiêu chuẩn để đảm bảo an toàn cho môi trường sinh thái khu vực đó… 3. Chôn lấp dưới biển (Disposal at sea) Đáy biển với lớp phù sa dày có thể hấp thụ phóng xạ, nhưng việc khoan các hố chôn có thể gặp phải rủi ro về khoan nhầm giếng dầu gây thảm họa Phần lớn đáy của các đại dương đều cấu tạo từ lớp đất sét dày và nặng, một nguyên liệu hoàn hảo để hấp thụ phóng xạ của các chất thải hạt nhân phát ra. Biện pháp này được nhà hải dương học Charles Hollister, thuộc Viện Hải dương Woods Hole khởi xướng vào năm 1973. Việc lưu giữ chất thải hạt nhân dưới đáy biển được Quốc hội Mỹ thông qua năm 1986. Tuy nhiên, vấn đề nổi cộm với việc lưu trữ, đó là phải thực hiện khoan các giếng ngầm sâu dưới đáy biển. Thảm họa tràn dầu Deepwater Horizon là lời cảnh báo đối với các hoạt động khoan, khai thác dưới đáy biển. Chôn cất chất thải phóng xạ trong các trầm tích đại dương sâu có thể được thực hiện bằng hai kỹ thuật khác nhau: đâm xuyên (penetrators) hoặc khoan lỗ (drilling placement). Độ sâu chôn cất các thùng chứa chất thải dưới đáy biển có thể khác nhau giữa hai kĩ thuật này. Trong trường hợp của đâm xuyên, thùng chứa chất thải có thể được đặt khoảng 50 mét vào các lớp trầm tích. Sự đâm xuyên nặng khoảng vài tấn sẽ rơi xuống nước, đủ động lượng để chôn sâu vào các lớp trầm tích. Một khía cạnh quan trọng của việc xử lý chất thải để vào các trầm tích đáy biển là chất thải được cô lập dưới đáy biển bằng độ dày của trầm tích. Năm 1986, một số sự tín hiệu khả quan trong quá trình này đã được thu thập từ các thí nghiệm được thực hiện ở độ sâu khoảng 250 mét ở vùng biển Địa Trung Hải. Các thí nghiệm chứng minh cho thấy hướng đi này được tạo ra bởi sự đâm xuyên đã bị đóng cửa và lấp đầy xung quanh các trầm tích có mật độ giống nhau không bị ảnh hưởng. Trang 8/16 Chất thải cũng có thể được đặt bằng cách sử dụng các thiết bị khoan dựa trên các kỹ thuật được sử dụng ở vùng biển sâu trong khoảng 30 năm. Bằng phương pháp này, đống chất thải đóng gói sẽ được đặt trong các lỗ khoan đến độ sâu 800 mét dưới đáy biển, với các container cao nhất khoảng 300 mét dưới đáy biển. Trong những năm 1980, tính khả thi của việc xử lý HLW trong trầm tích đại dương sâu thẳm đã được điều tra và báo cáo bởi Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (Organisation for Economic Co – operation and Development). Đối với phương pháp này, chất thải phóng xạ sẽ được đóng gói trong các thùng chứa hoặc thủy tinh ngăn cản sự ăn mòn, chúng sẽ được đặt bên dưới ít nhất là 4000 mét nước trong địa chất ổn định sâu dưới đáy biển, sự lựa chọn này cho cả dòng chảy chậm và làm chậm khả năng sự chuyển động của hạt nhân phóng xạ. Hạt nhân phóng xạ được vận chuyển thông qua các phương tiện trong địa chất, xuất hiện ở đáy của khối nước biển, sau đó sẽ được pha loãng, khuếch tán, phân tán và sự hút thấm bề mặt ảnh hưởng đến chất thải phóng xạ được xử lý trên biển. Do đó, phương pháp xử lý này giúp ngăn chặn sự tăng thêm của các hạt nhân phóng xạ khi so với việc xử lý chất thải trực tiếp từ đáy biển. Ngoài ra, có một đề xuất phương pháp rất công nghệ thấp (very low – tech method), sử dụng phi tiêu cỏ hạt nhân. Kế hoạch này dùng để niêm phong hai hoặc ba hộp đựng chất thải hạt nhân được tráng men vào lõi của một con cá ngừ khổng lồ bằng thép không rỉ. Cá ngừ này sẽ được cho vào một chiếc tàu lớn. Tại một địa điểm được xác định trước trong đại dương, nó sẽ được thả qua một bên. Quá trình lái sẽ được chính xác thông qua việc sử dụng các cánh quạt lái. Với thiết kế thủy động lực thích hợp, chúng sẽ có khả năng đạt tốc độ hợp lý. Điều này cần đủ để chôn vùi hoàn toàn trong trong bùn sâu. (Đương nhiên, một nơi phù hợp với bùn mềm thích hợp, sẽ cần phải được chọn). Bên cạnh đó, còn nhiều tranh cãi trong các diễn đàn đa phương của các quốc gia phát triển hạt nhân nói riêng và toàn cầu về vấn đề xử lý chất thải hạt nhân ra biển. Vì vậy, giải pháp chôn lấp dưới đáy biển cần sự xem xét bằng các thỏa ước quốc tế nhằm đem lại lợi ích chung. Trang 9/16 4. Chôn dưới sông băng (Disposal in ice sheets) Chôn dưới sông băng gặp phải nhiều trở ngại khách quan như hiện tượng nóng lên toàn cầu làm các sông băng, núi băng tan chảy nhiều Container chất thải tạo ra nhiệt của phương pháp này sẽ được đặt trong các tảng băng ổn định như những nơi ở Greenland và Nam Cực. Các container sẽ làm tan băng xung quanh và được lôi sâu vào dải băng, khi mà nơi đó băng đông lạnh lại trên các chất thải sẽ tạo ra một lớp rào cản rất dày. Mặc dù xử lý trong tảng băng có thể được xem xét về mặt kỹ thuật cho tất cả các loại chất thải phóng xạ, nó cũng chỉ được nghiên cứu cho HLW, nơi nhiệt được tạo ra bởi các chất thải có thể được sử dụng do lợi thế tự chất thải chôn chất thải trong băng bằng cách làm nóng chảy băng ra. Các phương pháp xử lý ở dạng tấm băng đã không được thực hiện bất cứ nơi nào. Việc đặt các quả cầu chất thải hạt nhân xuống các phiến băng ổn định, để nó chảy xuống bên dưới, sau đó sẽ được các lớp băng khác cô đặc lại. Chất thải có thể được bảo quản vĩnh viễn bên dưới các lớp băng dày hàng chục mét. Tuy nhiên, ý kiến này sớm bị loại bỏ. Lý giải cho việc bác bỏ, là lo ngại việc dịch chuyển các mảng băng cũng như hiện tượng biến đổi khí hậu và nóng lên toàn cầu. Nó đã bị từ chối bởi các nước đã ký Hiệp ước Nam Cực năm 1959 đã cam kết cung cấp một giải pháp quản lý chất thải phóng xạ của họ trong phạm vi biên giới quốc gia. Kể từ năm 1980, đã không có sự xem xét của phương pháp này nữa. Hiện nay, đỉnh Quelccaya ở Nam Peru, đỉnh núi băng nhiệt đới lớn nhất thế giới, có tốc độ tan chảy khoảng 60 mét mỗi năm, tăng gấp 10 lần so với tốc độ tan băng của những năm 1960. Trang 10/16 5. Chôn lấp ở vùng hút chìm (Disposal at a subduction zone) Giải pháp gợi ý việc đưa các thùng chứa chất thải hạt nhân xuống dọc theo vùng hút chìm giữa các mảng kiến tạo Khái niệm vùng hút chìm còn lạ lẫm với nhiều người. Đây là thuật ngữ trong địa chất học, là nơi diễn ra quá trình hội tụ biên giới giữa các mảng kiến tạo: một mảng kiến tạo di chuyển xuống dưới mảng kiến tạo khác, sau đó bị chìm xuống dưới lớp vỏ trái đất. Tỉ lệ sự hút chìm khoảng vài cm mỗi năm (trung bình từ 2-8 cm). Về mặt lý thuyết, việc chôn lấp chất thải hạt nhân ở vùng hút chìm sẽ đưa những thùng chứa nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng dọc theo đai băng chuyền giữa các mảng kiến tạo và đi vào trong lớp vỏ Trái Đất. Tuy nhiên, giải pháp này gặp phải nhiều vấn đề liên quan đến chủ quyền lãnh thổ quốc gia cũng như sự tham gia của nhiều bên liên quan, giống như dự án chôn lấp dưới đáy biển. 6. Cất giữ trong đá nhân tạo Các loại đá nhân tạo có khả năng lưu trữ chất thải hạt nhân lâu dài Lựa chọn tốt nhất và hiện thực nhất hiện nay là việc cô lập các chất thải phóng xạ trong các loại đá tổng hợp nhân tạo sau đó chôn xuống dưới lòng đất. Cách này sẽ ngăn chất thải phóng xạ và làm nhiễm độc đất, đá và nước xung quanh. Các nhà khoa học đã phát triển loại đá nhân tạo (synrock) từ những năm 1970 nhằm lưu giữ những chất thải hạt nhân có mức phóng xạ lớn. Các loại đá được thiết kế khác nhau phụ thuộc vào loại chất thải riêng biệt, dựa trên công thức cho phản ứng nước – ánh sáng cũng như hàm lượng chất plutonium. Trang 11/16 Một giải pháp tương tự là sử dụng vật liệu gốm nano trong bảo quản và lưu giữ chất thải phóng xạ. các nhà khoa học Australia dùng sơn với sợi gốm nano được làm từ oxit của titan để sơn lên bề mặt các bể hay thùng lớn bằng thép, được dùng để chứa chất thải phát sinh trong quá trình khai thác các chất phóng xạ và nước thải trong quá trình làm mát lò phản ứng. Vật liệu gốm nano có ưu điểm là rất bền và có thời gian tồn tại lâu hơn các ion chất phóng xạ, có khả năng bẫy các ion dương của chất phóng xạ và giữ chặt chúng mãi trong đó. Chỉ cần quét một lớp sơn mỏng cỡ nano mét (một phần tỷ mét) sẽ tăng độ an toàn lên rất nhiều. 7. Rút ngắn chu kỳ bán rã (Giant laser transmutes nuclear waste) Máy Laser Vulcan Hiện nay, một số nhà khoa học đang tính tới việc giảm chu kỳ bán rã của các chất thải phóng xạ, qua đó, xử lý nhanh chóng các chất này, thay vì tìm cách chôn chúng ở đâu đó và chờ chúng phân rã hết. Một laser khổng lồ sẽ cắt giảm thời gian sống của một hạt chất thải phóng xạ từ hàng triệu năm chỉ còn vài phút. Chiến tích này làm dấy lên hy vọng rằng có một giải pháp để hạn chế vấn đề lớn nhất của điện hạt nhân là chất thải của nó – hi vọng vào một ngày có thể. Máy Laser Vulcan là một thiết bị ra đời từ ý tưởng đó. Máy có thể tạo ra các xung điện mạnh và ngắn, một triệu tỷ Watts, bắn vào một cục vàng nhỏ, tạo ra đủ bức xạ gamma để đánh bật các neutron đơn lẻ khỏi chất thải phóng xạ như Iodine 129. Iodine129 là một trong nhiều đồng vị phóng xạ được tạo ra khi Uranium bị đốt trong lò phản ứng hạt nhân. Tuy nhiên, các nhà khoa học đánh giá, máy Laser sẽ không giải quyết triệt để vấn đề chất thải xong nó giảm độ mức độ phóng xạ. Chuyển hoá được thực hiện bằng cách sử dụng Laser Vulcan, nó có kích thước của một khách sạn nhỏ và được lưu giữ tại Phòng thí nghiệm Rutherford Appleton ở Oxfordshire. Khoảng một triệu nguyên tử Iodine– 129 đã được biến thành Iodine–128. Chu kỳ bán rã của Iodine–129 là 15,7 triệu năm, có nghĩa là nó vẫn còn phóng xạ trong một thời gian rất dài. Ngược lại, chu kỳ bán rã của Iodine–128 chỉ là 25 phút. Và cũng sẽ có kỹ thuật tương tự có thể được áp dụng cho các chất thải phóng xạ khác như Technetium–99, Stronti–90 và đồng vị của Caesium. Tuy nhiên, một quá trình khác nhau sẽ được yêu cầu đối với các chất thải khác tồn tại lâu dài như Plutonium và Americium. Trang 12/16 Cũng có thể chuyển hoá chất thải hạt nhân bằng các lò phản ứng hoặc máy gia tốc hạt. Tuy nhiên, giới khoa học cần phải phát triển máy laser nhỏ gọn, phù hợp. Quá trình đó có thể phải mất tới 30 năm. Các phương pháp đó đều sử dụng rất nhiều năng lượng. Hiện nhóm nghiên cứu phải bắn laser Vulcan 1017 lần vào một cục Iodine–129 nặng 46 gam để chuyển hoá tất cả các nguyên tử. Karl Krushelnick, chuyên gia vật lý Laser tại ĐH Hoàng gia, London, khuyến cáo: “Chúng ta cần cần xây dựng một số nhà máy điện để chuyển hoá chất thải từ một nhà máy điện hạt nhân”. Ngay cả khi đã có một thiết bị Laser hiệu quả, công nghệ Laser có thể phải đối mặt với những trở ngại khác. Theo McKinley thuộc Công ty chất thải hạt nhân Thuỵ Sĩ Nagra, giảm đột ngột chu kỳ bán rã của các đồng vị sẽ làm mức bức xạ được phát ra trong mỗi giây tăng vọt. Bức xạ ban đầu từ Iodine–128 sẽ cao gấp hàng trăm tỷ lần so với từ iodine–129, gây nguy hiểm đối với nhân viên vận hành. Phương pháp này mới chỉ thực hiện trong phòng thí nghiệm và chỉ có khả năng áp dụng ở giai đoạn xử lý ban đầu của chất thải hạt nhân. 8. Tái chế chất thải hạt nhân Uranium được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân chỉ lấy được 5% năng lượng, các thanh nhiên liệu hạt nhân này đã qua sử dụng vẫn còn đến 95% giá trị năng lượng, việc tái chế không chỉ giúp khai thác giá trị năng lượng một cách đáng kể mà còn giảm khối lượng và độc tính phóng xạ của chất thải hạt nhân,trong khi các nhà máy điện nguyên tử vẫn chưa thể tái sử dụng nhiên liệu này. Những thanh nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng được giữ trong hồ mát tại nhà máy hạt nhân ở Yongbyon, Triều Tiên năm 2003 Nguyên nhân là do dạng phổ biến nhất của Uranium, Ion uranyl có công thức hóa học là [UO2]2+ rất khó phân tách từ các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng. Trang 13/16 Các nhà khoa học vừa sáng chế ra một loại phân tử “ăn” chất phóng xạ uranium giúp chuyển đổi chất thải hạt nhân thành nhiên liệu. Loại phân tử mà các nhà khoa học ở Đại học Edinburgh, Scotland tạo ra có dạng mạch vòng. Nó giống như một bộ răng hàm và khi tiếp xúc với chất uranyl, nó sẽ “ăn” phần lớn các ion. Nhờ vậy, cấu trúc của uranyl sẽ bị suy yếu giúp thanh nhiên liệu đã cháy dễ dàng phản ứng với các chất có khả năng dễ tách lọc hơn ra khỏi chất thải, không gây ô nhiễm môi trường. Các nhà nghiên cứu còn đưa ra nhiều thách thức khác cần vượt qua trước khi các phân tử Pac-Man có thể sử dụng rộng rãi. Ví dụ, phân tử mạch vòng trên không có tác dụng tốt trong môi trường nước và không khí. Song các nhà khoa học cho rằng kết quả nghiên cứu trên sẽ mở ra một kỷ nguyên mới – kỷ nguyên năng lượng hạt nhân thân thiện môi trường. 9. Phương pháp Rolfs (Rolfs Method) Klaus Rolfs tin rằng ông có thể làm cho độ an toàn của chất thải phóng xạ chỉ trong nhiều thập kỷ, chứ không phải thế kỷ. Nếu nó hoạt động, phương pháp Rolfs sẽ làm tốn kém chi phí xử lý ngầm không cần thiết. Ông tuyên bố đã cắt giảm một nửa thời gian của một đồng vị phóng xạ natri 1% bằng cách nhúng nó trong kim loại palladium làm lạnh đến một vài độ trên 00K. Tiếp theo, ông muốn nhắm mục tiêu Radium–226 với chu kỳ bán rã 1600 năm, một phần quan trọng của chất thải hạt nhân. Ông nghĩ rằng nó có thể được đưa xuống một 100 năm ít ỏi. Kết quả của ông bị bác bỏ với một ý tưởng lâu nay rằng phân rã hạt nhân không bị ảnh hưởng bởi môi trường. Rolfs, của Đại học Ruhr tại Bochum, Đức, nói rằng nó sẽ mất 10 năm để giải quyết lý thuyết và kỹ thuật cần thiết để làm cho công nghệ của ông được thực tế. 10. Phương pháp đơn giản xử lý Iodine phóng xạ Chuyên gia thuộc Đại học Sheffied đã phát hiện ra một phương thức mới nhằm cố định một dạng Iodine phóng xạ bằng cách sử dụng sóng vi ba. Đồng vị phóng xạ của Iodine được tạo ra bởi sự phân rã của nhiên liệu Uranium trong phản ứng hạt nhân. Iodine phóng xạ đang được quan tâm nhiều bởi nó chuyển động nhanh trong môi trường và hấp thu chọn lọc qua tuyến giáp có thể gây nguy cơ ung thư nghiêm trọng nếu tiếp xúc trong thời gian dài. Hơn nữa, đồng vị Iodine–129, một loại Iodine phóng xạ, có thời gian tồn tại cực kỳ lâu, 15,7 nghìn năm, là một trong những mối nguy hiểm lớn trong dài hạn mà con người phải đối mặt do sự phát thải của nó trong suốt quá trình xử lý địa chất của chất thải hạt nhân. Giáo sư Neil Hyatt thuộc Khoa Kỹ thuật và Khoa học Vật liệu, Đại học Sheffied đã tìm ra cách khóa đồng vị phóng xạ Iodine trong một loại vật liệu rắn, bền thích hợp cho xử lý sau cùng là Iodovanadinite Pb5(VO4)3I. Nghiên cứu, được đăng trên tạp chí Nuclear Materials, đã chứng minh phương thức nhanh chóng, đơn giản, rẻ tiền này có thể thực hiện trong áp suất không khí. Giáo sư Hyatt và nhóm nghiên cứu đã tạo ra vật liệu rắn nhằm cố định Iodine với công thức Pb5(VO4)3I bằng cách gia nhiệt hỗn hợp Iodine chì, Oxit chì và Oxit Vanadi. Trước đây, hỗn hợp này chỉ đạt được khi sử dụng áp suất cao và một bình chứa kín do Iodine bay hơi ở nhiệt độ cao. Tuy nhiên, sử dụng Vanadi, một chất hấp thu tốt ở vi sóng 2.45 Trang 14/16 Hz, tần số được sử dụng trong lò vi sóng nội địa, nhóm nghiên cứu đã có thể gia nhiệt hỗn hợp các chất hóa học trong lò vi sóng để tạo ra Pb5(VO4)3I trong 3 phút. Chìa khóa của thành công là (Pb5(VO4)3I) là chất hấp thu kém vi sóng 2.45 Hz, vì vậy khi chất này được hình thành, chất thử nghiệm không thể hấp thu vi sóng nên nhiệt độ không lên tới đủ cao để làm bay hơi iot. Iot 131 là khí có hại được thải ra từ nhà máy điện nguyên tử Fukushima Nhật Bản trong trận động đất và sóng thần tháng 4/2011 và là nguyên nhân quan trọng ảnh hưởng tới sức khỏe con người từ cuộc thử nghiệm nổ bom nguyên tử từ những năm 1950, và cũng được thải ra trong thảm họa Chernobyl. Nghiên cứu mới này được trông đợi sẽ giảm thiểu tác động tới sức khỏe cộng đồng do rò rỉ iot phóng xạ ra môi trường bằng cách cung cấp một phương pháp đơn giản, rẻ tiền để cố định iot phóng xạ trong vật liệu rắn, chất có thể sẽ được triển khai nhanh chóng khi có sự cố. GS Nei Hyatt cho biết, trong thanh dự trữ nhiên liệu hạt nhân, iot không bị cố định, vì vậy khi bể chứa bị rò rỉ, chúng dễ dàng phân tán ra ngoài. Hiện nay, iot 129 rò rỉ từ quá trình tái sản xuất nhiên liệu hạt nhân được đào thải trực tiếp ra bờ biển Sellafied của biển Ailen. Một lượng đáng kể chất phóng xạ này cũng đã được thải ra biển Nhật Bản trong sự cố Fukushima. Phương pháp mới đưa ra một cách thức chứa các hạt nhân phóng xạ này một cách an toàn và nhanh chóng, làm giảm tác động tiềm tàng lâu dài tới sức khỏe con người do xả thải ra môi trường. Trang 15/16 IV. Tài liệu tham khảo 1. A Modest Proposal for Nuclear Waste Disposal – by Willis Eschenbach 2. Radioactive Waste Management - USNRC Technical Training Center 3. Storage and Disposal Options - Radioactive Waste Management Appendix 2 (Updated November 2010) 4. 5. 6. 7. N=26110 8. don-gian-xu-ly-iot-phong-xa/language/vi-VN/Default.aspx Trang 16/16 V. Mục lục I. Lý do chọn đề tài ................................................................................................................ 1 II. Đặc điểm của chất thải hạt nhân ......................................................................................... 2 III. Một số phương pháp xử lý chất thải hạt nhân ................................................................. 5 1. Đưa vào không gian (Disposal in outerspace) ................................................................ 5 2. Chôn sâu lòng đất (Deep boreholes) ............................................................................... 6 3. Chôn lấp dưới biển (Disposal at sea) .............................................................................. 7 4. Chôn dưới sông băng (Disposal in ice sheets) ................................................................ 9 5. Chôn lấp ở vùng hút chìm (Disposal at a subduction zone) ......................................... 10 6. Cất giữ trong đá nhân tạo .............................................................................................. 10 7. Rút ngắn chu kỳ bán rã (Giant laser transmutes nuclear waste) ................................... 11 8. Tái chế chất thải hạt nhân ............................................................................................. 12 9. Phương pháp Rolfs (Rolfs Method) .............................................................................. 13 10. Phương pháp đơn giản xử lý Iodine phóng xạ .......................................................... 13 IV. Tài liệu tham khảo ........................................................................................................ 15 V. Mục lục ............................................................................................................................. 16