Powering Planet Earth:
Energy Solutions for the Future

by Nicola Armaroli, Vincenzo Balzani, Nick Serpone

Chapter 6: Energy from the Atom – Chương 6: Năng lượng nguyên tử (Phần 3)

Chúng ta lưu trữ chất thải hạt nhân ở đâu?

Phần phế thải còn lại hoặc chất thải hạt nhân được chia thành hai loại: (1) chất thải có tính phóng xạ thấp và trung bình, bao gồm các thiết bị được sử dụng để chế biến nhiên liệu, đất bị ô nhiễm, phần của máy móc đã được tháo dỡ, và các thiết bị bảo vệ cho các nhân viên của các lò phản ứng hạt nhân; và (2) nhiên liệu hạt nhân đã dược sử dụng tối đa hoặc tái chế, tạo thành chất thải có tính phóng xạ cao, và phải được lưu trữ ít nhất 10 năm trong các hệ thống làm mát đặc biệt: các chất thải hạt nhân này quá nóng để được xử lý và bị thải bỏ ở những khu vực lưu trữ vĩnh viễn. Trong giai đoạn tinh vi này, hàng chục trường hợp rò rỉ chất phóng xạ vào môi trường đã được ghi nhận.

Mỗi nhà máy điện hạt nhân công suất 1000 MW mỗi năm sản xuất khoảng 30 tấn chất thải tái chế có tính phóng xạ cao. Đây là một hỗn hợp phức tạp của các chất được giải phóng dưới dạng rắn, lỏng, khí và có chứa hàng chục loại đồng vị khác nhau. Khoảng 94% là uranium (gần như tất cả là ²³⁸U), 5% bao gồm các sản phẩm phân hạch khác nhau (ví dụ như ¹³⁷Cs và ⁹⁰Sr), trong khi 1% còn lại bao gồm các chất đồng vị của plutonium hoặc các nguyên tố nhân tạo khác cũng độc hại như vậy, chẳng hạn như americium-243 (²⁴³Am). Nhìn từ quan điểm lý hóa, hỗn hợp này phức tạp đến mức mà ngay cả khi chỉ bao gồm các vật liệu không phóng xạ, thì cũng vẫn rất khó để xử lý.

Kể từ cuối những năm 1960, Hoa Kỳ đã cố gắng để tìm kiếm một khu vực lưu trữ an toàn và vĩnh viễn cho chất thải phóng xạ đến từ nhà máy điện hạt nhân và chất thải có nguồn gốc từ việc tháo dỡ các đầu đạn hạt nhân.

Lúc đầu việc này dường như là một nhiệm vụ khả thi. Sau cùng thì, Hoa Kỳ vốn là quốc gia công nghệ tiên tiến nhất, giàu nhất và mạnh nhất trên hành tinh, với nhiều vùng sâu vùng xa rộng lớn, không có người ở, và địa chất an toàn trong lãnh thổ của mình. Khu vực ban đầu được lựa chọn là ở Kansas, nhưng sau đó đã được nhận ra rằng đất trong khu vực này đã bị khoan vô số lần để tìm kiếm các mỏ khí đốt. Tầng địa chất, có thể nói, đã bị chọc thủng nhiều chỗ, cho nên cần thiết phải tìm kiếm các khu vực khác thay thế.

Nghiên cứu được bắt đầu vào năm 1978 trên một khu vực khác – Núi Yucca – một dạng kho tự nhiên trong sa mạc Nevada cách khoảng 90 dặm từ Las Vegas. Hàng triệu trang báo cáo và một loạt sách hoàn chỉnh đã được viết về lịch sử khó khăn của khu vực này. Ban đầu, khu vực này được cho là có thể cung cấp an ninh bảo đảm trong 100 000 năm; sau đó được giảm xuống chỉ còn 10 000 năm. Một câu hỏi ngay lập tức hiện lên là: Dựa vào đâu để có thể xác nhận một sự bảo đảm trong một khoảng thời gian dài bằng hai lần lịch sử của nền văn minh của con người? Dự án đã bị hủy bỏ vào năm 2009.

Tuy nhiên, vấn đề vẫn là làm thế nào để vận chuyển hàng ngàn tấn chất thải hạt nhân một cách an toàn từ nguồn gốc phát ra của chúng đến khu vực lưu trữ cuối cùng: bằng đường cao tốc, hay đường sắt? Về khía cạnh này, cũng đã chưa có quyết định cuối cùng nào đã từng đạt được. Chi phí ước tính cho dự án Núi Yucca lên đến 96 tỷ USD. Trong thời gian chờ xây dựng các khu vực lưu trữ vĩnh viễn, mà chắc chắn là sẽ mất vài chục năm, đã tồn tại khoảng 70 000 tấn nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng ở Hoa Kỳ và không ngừng gia tăng đang chờ đợi để được xử lý một cách an toàn.

Theo tốc độ hiện tại của sản xuất điện và vũ khí hạt nhân, cứ mỗi hai năm thế giới sẽ cần thêm một khu vực lưu trữ mới với khả năng như núi Yucca. Hoa Kỳ đã không thể đưa thậm chí là một khu vực vào hoạt động trong vòng 40 năm qua. Trong thời gian này đã có nhiều điều tra pháp lý khác nhau đối với các quan chức và các công ty tư nhân về tham nhũng và tài liệu giả mạo.

Vấn đề xử lý chất thải hạt nhân và phế liệu từ các nhà máy điện hạt nhân dân sự một cách an toàn và quản lý các khu vực rộng lớn bị ô nhiễm bởi hàng trăm thử nghiệm hạt nhân được thực hiện trong cuộc chiến tranh lạnh (ví dụ như ở New Mexico, trong các thảo nguyên châu Á, và trong đảo san hô của Thái Bình Dương) là những trang sử mơ hồ và đáng lo ngại nhất trong lịch sử của Trái đất 50 năm qua, như thường xuyên được tuyên bố bởi các cơ quan về môi trường của Liên Hợp Quốc.

Việc sử dụng các vùng biển như các khu vực xử lý chất thải hạt nhân đã xảy ra trong nhiều thập kỷ. Chúng tôi lo sợ rằng việc sử dụng này vẫn đang còn được thực hiện, mặc dù đã chính thức có lệnh cấm quốc tế. Buôn bán vật liệu hạt nhân, điều đã được khuyến khích bởi những khoảng trống quyền lực (power vacuum) mà trong nhiều năm đã là đặc trưng trong các nước cộng hòa thuộc khối Liên Xô cũ, ngày nay trở thành rất hấp dẫn cho các tổ chức tội phạm quốc tế.

Vấn đề đảm bảo xử lý chất thải có tính phóng xạ cao không nghi ngờ gì là một trong những trở ngại chính đối với sự mở rộng của ngành công nghiệp hạt nhân dân sự. Về vấn đề này, hơn ba mươi năm trước đây nhà vật lý học Thụy Điển và là người chiến thắng giải Nobel vật lý, Hannes Alfvén, đã nhấn mạnh rằng:

“Vấn đề là nơi nào để xử lý các chất thải phóng xạ sẽ phân rã trong hàng trăm hay hàng ngàn năm. Các khu vực địa chất phải tuyệt đối an toàn vì tiềm năng độc hại là rất kinh khủng. Yêu cầu này rất khó khăn để đáp ứng bởi lý do đơn giản là chúng ta không có kinh nghiệm với các dự án dài hạn như vậy. Ngoài ra, một sự giám sát thường trực của những chất thải phóng xạ này đòi hỏi một sự ổn định xã hội trong một thời gian dài không thể tưởng tượng được.”

The problem is where to dispose of the radioactive wastes that decay in hundreds or thousands of years. The geological sites must be absolutely safe because the toxic potential is tremendous. It is very difficult to meet this requirement for the simple reason that we have no experience with such long term projects. In addition, a permanent surveillance of these wastes requires a social stability for an unthinkable long time.

Quản lý chất thải hạt nhân có tính phóng xạ cao thực sự đã trở thành một vấn đề liên thế hệ.

Chúng ta sẽ thanh toán hóa đơn sau

Uranium là một kim loại không được tìm thấy ở mức độ phổ biến trong tự nhiên, nhưng ít hiếm hơn hơn so với một số kim loại được sử dụng rộng rãi khác, ví dụ như bạc. Vỏ trái đất có chứa một nồng độ trung bình khoảng 3 phần triệu (ppm) của uranium, tức là mỗi tấn đá chứa trung bình 3 gram. Tuy nhiên, để sự khai thác uranium hiệu quả về chi phí cần tìm kiếm khoáng chất với nồng độ cao hơn nhiều của uranium, khoảng hàng trăm ppm (có nghĩa là, khoảng nửa kg trong mỗi tấn đá – khoảng hơn một pound mỗi tấn).

Các cuộc tranh luận về trữ lượng dự trữ có thể khai thác của uranium gây tranh cãi và mâu thuẫn. Có nhiều con số khác nhau, từ vài chục đến vài trăm triệu tấn thường được trích dẫn. Sự chắc chắn duy nhất là uranium là một nguồn tài nguyên hữu hạn, mà sẽ đạt cao điểm sản xuất và sau đó sẽ giảm dần. Về lý thuyết, có thể chiết xuất uranium từ nước biển mà nồng độ là 3.3 phần tỷ (ppb), hay là 3 mg trong mỗi tấn nước biển. Tuy nhiên, ý tưởng chiết xuất chỉ một phần nhỏ của 4.5 tỷ tấn uranium hòa tan trong các đại dương xét về mặt chi phí năng lượng và tài chính thì không có gì khác ngoài một giấc mơ viển vông.

Như minh họa trong Hình 13, sản xuất hiện nay của uranium thấp hơn nhu cầu, kể từ khi cuộc khủng hoảng hạt nhân ba mươi năm qua đã kiềm chế đầu tư vào các hoạt động khai thác mỏ. Kết quả là, giá của nguyên liệu thô uranium (U₃O₈) tăng hơn bảy lần từ năm 2002 đến năm 2007; sau đó giảm khoảng bốn lần cho đến năm 2010 sau cuộc khủng hoảng kinh tế. Một lần nữa giá được tăng lên 50% khoảng tháng 3 năm 2011, sau đó giảm 20% sau tai nạn Fukushima, đạt giá trị ổn định trong vài tháng (khoảng 50 USD/pound vào tháng 7 năm 2012). Xu hướng cho thấy giá của nguyên liệu này là không ít biến động hơn so với giá nhiên liệu hóa thạch.

Hình 13: Sự tiến triển trong việc sản xuất uranium (đường màu xanh), đơn vị tấn uranium (tU), kể từ năm 1950 và nhu cầu uranium (đường màu tím) cho các lò phản ứng hạt nhân dân sự. Cho tới khoảng năm 1970, sản xuất hầu như chỉ dành riêng cho mục đích quân sự. Nguồn: World Energy Council (Hội đồng Năng lượng Thế giới), 2010.

Trong số 15 quốc gia sở hữu trữ lượng dự trữ uranium lớn nhất, không có một quốc gia nào trong Liên minh châu Âu (Hình 14). Tuy nhiên, một số người cứ nhất định khăng khăng rằng điện hạt nhân là con đường để tự cung tự cấp cho châu Âu về năng lượng, và để tự cung tự cấp cho Ý. Về vấn đề này, cũng cần phải nhắc lại rằng sự phân bố của tổng tiêu thụ năng lượng ở châu Âu là: 23% từ điện năng và 77%  từ với nhiên liệu dễ cháy. Nhà máy điện hạt nhân chỉ sản xuất ra điện. Ngay cả khi chúng ta sản xuất tất cả điện bằng con đường hạt nhân, chúng ta mới chỉ cung cấp chỉ một phần tư năng lượng tiêu thụ cuối cùng của châu Âu.

Hình 14: Phân bố trữ lượng uranium trên thế giới. Nguồn số liệu: World Energy Council 2010.

Thông thường, chúng ta nghe người ta nói về năng lượng hạt nhân như thể đó là một sự huyền diệu, tạo ra năng lượng gần như từ không gì cả, không phát thải khí nhà kính, và không sản xuất bất kỳ loại ô nhiễm nào. Tuy nhiên, thực tế là rất khác. Chu kỳ công nghiệp năng lượng hạt nhân đòi hỏi, ngoài một sự đầu tư lớn về kinh tế, còn cần một đầu tư năng lượng lớn từ nhiên liệu hóa thạch, cũng như yêu cầu xảy ra đối với tất cả các nguồn năng lượng thay thế khác, bao gồm cả những nguồn tái tạo.

Ví dụ, việc sản xuất nhiên liệu hạt nhân, là một quá trình lâu dài, phức tạp, gây ô nhiễm, và lãng phí năng lượng. Mỏ uranium lớn trên thế giới được đặt tại vùng sâu vùng xa. Khai thác khoáng sản đòi hỏi rất nhiều công sức và sử dụng những máy đào khổng lồ.

Để chiết xuất 160 tấn uranium cần thiết để vận hành một nhà máy hạt nhân tiêu chuẩn trong một năm sẽ yêu cầu 160 000 tấn đá granit giàu uranium (chứa nồng độ 1000 ppm uranium) từ các mỏ đá. Nơi khai thác và mỏ đá phải được giữ hoàn toàn tránh khỏi sự thâm nhập của nước, thường được tháo nước vào các lưu vực xung quanh, với sự giải phóng nhiều kim loại nặng và các đồng vị phóng xạ. Khí radon phóng xạ hiện diện ở khắp nơi trong mỏ dưới lòng đất.

Để có được chiếc bánh vàng tinh chế (refined yellowcake), trong đó chứa 80% uranium oxide – chủ yếu là U₃O₈ – quặng phải được đưa đến một nhà máy công nghiệp để được nghiền nát rồi được xử lý với axit mạnh và các chất hóa học khác. 159 840 tấn phế liệu còn lại và số lượng lớn các hóa chất sử dụng để chiết xuất phải được xử lý cẩn thận vì chúng có chứa đồng vị phóng xạ.

Để sử dụng được trong các lò phản ứng, uranium trước tiên phải được làm giàu thành đồng vị phân hạch ²³⁵U, đưa tỷ lệ xảy ra trong tự nhiên (0.7%) lên khoảng 3-4%. Nguyên liệu oxit U₃O₈ này sau đó được chuyển thành uranium hexafluoride (UF₆), sau đó phải chịu quá trình siêu ly tâm (ultracentrifugation) tốn kém năng lượng. Những tin tức của những năm gần đây, và những tranh cãi sôi nổi dấy lên bởi nỗ lực của Iran nhằm tự trang bị cho mình với những kĩ thuật siêu ly tâm này, cho thấy đây là một giai đoạn quan trọng như thế nào của toàn bộ chuỗi quá trình hạt nhân. Bất cứ ai sở hữu công nghệ này – có rất ít trụ sở làm được công nghệ này trên thế giới – sẽ có chìa khóa để làm ra sản phẩm cuối cùng: nhiên liệu hạt nhân.

Sản phẩm UF₆ cuối cùng được tái chế bởi quá trình hóa học rất phức tạp chuyển thành UO₂ dạng đinh ghim lớn bằng khoảng một đầu lọc thuốc lá, sau đó được chèn vào thanh zirconi dài 3.5 m (khoảng 12 feet) và dày hơn 1 cm một chút (khoảng 0.4 inch). Một nhà máy điện hạt nhân 1000 MW chứa hàng trăm thanh kiểu này – và chúng cần phải được thay thế và xử lý cứ mỗi ba năm.

Ở giai đoạn cuối của chuỗi sản xuất năng lượng này cũng yêu cầu một chi phí năng lượng cao. Người ta ước tính rằng quá trình để làm ngừng hoạt động của một nhà máy điện hạt nhân cần khoảng 250 PJ, đó là gấp mười lần năng lượng cần để phá hủy một nhà máy nhiệt điện khí có cùng công suất.

Thời gian hoàn vốn của một cơ sở sản xuất năng lượng là thời gian cần thiết cho hệ thống để tạo ra năng lượng đủ trả lại chi phí năng lượng dành cho xây dựng. Đối với năng lượng hạt nhân, tham số này hiếm khi được đưa vào cân nhắc tính toán. Các nhà nghiên cứu tại Úc gần đây đã ước tính rằng với công nghệ hiện nay, thời gian hoàn vốn của một nhà máy hạt nhân nếu được xây dựng ở Úc sẽ là khoảng 7 năm – đó là, bảy năm hoạt động hết công suất nhà máy sẽ có thể trả lại năng lượng đã dùng để bắt đầu hoạt động. Việc sử dụng câu điều kiện không có thật là bởi vì, mặc dù có trữ lượng đáng kể uranium, nước Úc đã chưa bao giờ xây dựng một nhà máy điện hạt nhân nào trên lãnh thổ rộng lớn của mình.

 

Người dịch: Phạm Thu Hường

Biên tập: Đào Thu Hằng & Nguyễn Thu Trang

© copyright Zanichelli and Wiley-VCH

Permission granted for translating into Vietnamese and publishing solely on dotchuoinon.com for non-commercial purposes