Vì sao chất thải hạt nhân là thách thức lớn của ngành năng lượng hạt nhân?

Chất thải hạt nhân là gì?

Nói một cách đơn giản, chất thải hạt nhân hoặc chất thải phóng xạ, là sản phẩm phụ của lò phản ứng hạt nhân, quá trình xử lý và tái chế nhiên liệu, cơ sở y tế và phòng thí nghiệm nghiên cứu, hay quá trình sản xuất vũ khí. Thuật ngữ này bao gồm nhiều loại chất thải khác nhau.

Bên cạnh đó, chất thải hạt nhân bất thường ở chỗ, nó thay đổi tính chất mạnh mẽ theo thời gian, chuyển từ dạng chất thải này sang dạng chất thải khác. Vì vậy, câu trả lời không đơn giản, nhưng có lẽ nơi tốt nhất để tìm hiểu dạng chất thải này là từ các lò phản ứng điện hạt nhân.

Chất thải hạt nhân được tạo ra như thế nào?

Trong các lò phản ứng hạt nhân thông thường, nhiên liệu chứa uranium làm giàu, có hàm lượng uranium-235 cao. Những viên nhiên liệu được đặt bên trong các ống hợp kim kim loại, tạo thành các thanh, các thanh tập hợp thành các bó hình chữ nhật. Các bó này được đặt cùng nhau trong lò phản ứng.

Trong lò phản ứng, xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân, là quá trình mà trong đó hạt nhân của một nguyên tử bị bắn phá, phân tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhỏ hơn. Khi một nguyên tử phân tách, neutron được giải phóng, sản sinh năng lượng

Phản ứng phân hạch hạt nhân là quá trình sinh nhiệt, tạo ra nguồn năng lượng khổng lồ. Về lý thuyết, một gram uranium giải phóng năng lượng tương đương với ba tấn than. Năng lượng này được sử dụng trong các lò phản ứng điện hạt nhân, để sản xuất điện.

Khi các nguyên tử uranium đã phân tách, thông qua phản ứng phân hạch, nó trở thành nhiên liệu đã qua sử dụng và về cơ bản là chất thải. Phản ứng phân hạch hạt nhân không thải ra carbon, nhưng nó tạo ra chất thải hạt nhân. Chất thải hạt nhân phải được xử lý, kiểm soát chặt chẽ để phòng ngừa mức độ bức xạ có hại nguy hiểm.

Tại sao chất thải hạt nhân lại nguy hiểm?

Không giống như các chất thải phi hạt nhân như asen hoặc amiăng, chất thải hạt nhân thay đổi theo thời gian khi các nguyên tử trải qua quá trình phân rã phóng xạ và các sản phẩm chất thải thay đổi từ nguyên tố này sang nguyên tố khác. Tốc độ phân rã này xảy ra được gọi là chu kỳ bán rã.

Chu kỳ bán rã (hay thời gian bán rã) của một chất phóng xạ là khoảng thời gian cần thiết để một nửa số hạt nhân hiện có bị phân rã, biến đổi thành hạt nhân khác, tức số hạt nhân bị phân rã bằng số hạt nhân phóng xạ còn lại. Ví dụ, iodine-131 có chu kỳ bán rã khoảng 8 ngày, trong khi plutonium-239 có chu kỳ bán rã là 24.000 năm.

Chất thải hạt nhân bất kể nguồn gốc là gì, đều chứa các nguyên tố cực kỳ độc hại, chẳng hạn như plutonium, uranium. Những chất thải cực kỳ độc hại này, mang tính phóng xạ cao trong hàng chục nghìn năm, gây ra mối đe dọa đối với đất nông nghiệp, vùng nước đánh bắt cá, nguồn nước sạch và con người. Vì lý do này, xử lý chúng một cách tỉ mỉ và lưu trữ vĩnh viễn là rất quan trọng.

Hai trong số những sự cố hạt nhân lớn nhất thế giới, thảm họa Chernobyl (năm 1986) và thảm họa Fukushima (năm 2011), đã giải phóng một lượng lớn đồng vị phóng xạ vào khí quyển, gây ra hậu quả to lớn cho con người và môi trường. Hai thảm họa này là minh chứng cho thấy, việc xử lý chất thải hạt nhân quan trọng như thế nào.

Xử lý chất thải hạt nhân

Có một số phương pháp khác nhau xử lý chất thải hạt nhân ở các quốc gia sử dụng điện hạt nhân. Đặc điểm chung là đóng gói chặt chất thải hạt nhân bằng các vật liệu chắc chắn, an toàn, sau đó chôn sâu, lưu trữ trong các nhà máy điện hạt nhân không còn hoạt động, hay các vùng địa chất đảm bảo an toàn cho con người và môi trường đến hàng triệu năm sau.

Nhà máy điện hạt nhân Sellafield (Anh) là trường hợp điển hình. Mặc dù đóng cửa từ năm 2003, nhưng hàng ngàn nhân viên vẫn tiếp tục dọn dẹp, xử lý, lưu trữ chất thải hạt nhân tại Sellafield, dự kiến còn kéo dài cả trăm năm nữa. Biện pháp này được xem giải pháp an toàn lưu trữ chất thải hạt nhân, nhưng các kỹ sư vẫn đang nghiên cứu các cách để xử lý vĩnh viễn loại chất thải này.

Một trong những giải pháp tốt nhất cho đến nay có lẽ là chôn chất thải hạt nhân sâu dưới lòng đất. Hơn 10 quốc gia châu Âu đã lập kế hoạch xây dựng các kho ngầm chứa nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng của họ.

Mô hình đầu tiên trên thế giới và duy nhất cho đến nay là cơ sở chôn chất thải hạt nhân của Phần Lan, đặt tại đảo Olkiluoto nằm ở thành phố Eurajoki. Cơ sở chôn lấp chất thải hạt nhân dài hạn này dự kiến bắt đầu hoạt động vào những năm 2025 - 2026.

Đây là cơ sở mà Phần Lan hy vọng là giải pháp xử lý chất thải hạt nhân hoàn thiện nhất hiện nay, chất thải hạt nhân sẽ được lưu trữ lâu dài trong ít nhất 100.000 năm. Sau Phần Lan, phương pháp này đang được Thụy Điển, Pháp lên kế hoạch thực hiện.

Chất thải hạt nhân là thứ rất nguy hiểm, không thể coi thường. Vì vậy, việc xử lý để đảm bảo không có chất thải nào xâm nhập môi trường là một công việc rất nghiêm túc. Về mặt công nghệ, đã có những tiến bộ đáng kể trong việc xử lý an toàn, hiệu quả chất thải hạt nhân trong những năm gần đây. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là mọi thứ đều đơn giản.

Ngành công nghiệp hạt nhân là một ngành khác lạ ở chỗ phải tính đến việc xử lý chất thải vào chi phí hoạt động của nhà máy. Chẳng hạn, chi phí cực cao để xây dựng cơ sở ngầm như Phần Lan là bài toán không dễ cho các quốc gia khác muốn xử lý vĩnh viễn chất thải hạt nhân.