Các nhà máy điện hạt nhân chắc chắn sẽ tạo ra chất thải hạt nhân trong quá trình hoạt động, chẳng hạn như cụm nhiên liệu và thanh điều khiển đã trải qua nhiều chu kỳ. Có rất nhiều núi lửa đang hoạt động trên Trái Đất và hầu hết chúng nằm ở những khu vực không có người ở.
Chúng ta có thể ném những chất thải hạt nhân này vào núi lửa và để núi lửa đốt cháy chúng không? Hay nó chảy theo dòng magma vào lớp vỏ sâu và loại bỏ phóng xạ?
Các nhà máy điện hạt nhân tạo ra một số chất thải phóng xạ trong quá trình hoạt động và chất thải phóng xạ mức cao chủ yếu là nhiên liệu đã qua sử dụng đã bị đốt cháy.
Vật liệu chính được sử dụng trong nhiên liệu hạt nhân là lõi nhiên liệu gốm urani dioxit. Điểm nóng chảy của urani dioxit thường là 2800 độ C. Vỏ bọc thanh nhiên liệu là hợp kim zirconium-niobi. Điều này là do hợp kim zirconi-niobi có khả năng chống ăn mòn và tính chất cơ học tốt trong nước có nhiệt độ và áp suất cao ở mức 300-400 độ C. Nó thường được dùng để bọc các thanh nhiên liệu, nhưng nó sẽ phản ứng với nước nếu nhiệt độ vượt quá 400 độ C.
Nhiệt độ của magma núi lửa thực ra không cao như mọi người vẫn nghĩ. Nhiệt độ của magma axit chỉ khoảng 650-850℃, còn nhiệt độ của magma bazơ chỉ khoảng 1100℃. Nghĩa là, nếu các thanh nhiên liệu được ném vào miệng núi lửa, chúng sẽ không tan chảy chút nào và sẽ bị đẩy trở lại mặt đất khi núi lửa phun trào.
Tro núi lửa có thể cung cấp đất màu mỡ. Nông dân ở nhiều quốc gia trồng trọt gần miệng núi lửa. Chất thải hạt nhân thải ra chắc chắn sẽ ảnh hưởng đến sức khỏe của người dân sống gần đó. Nếu đó là một ngọn núi lửa đã chết với miệng núi lửa sâu hơn, nó có thể được sử dụng làm nơi chôn chất thải hạt nhân. Sau khi bị chôn sâu dưới lòng đất, chất thải hạt nhân sẽ tự nhiên phân hủy theo thời gian và tính phóng xạ sẽ yếu đi.
Hình: Lắp ráp nhiên liệu hạt nhân
Một lý do khác khiến chất thải hạt nhân không phù hợp để lưu trữ trong các núi lửa đang hoạt động là vì chu kỳ bán rã là đặc tính vốn có của vật liệu phóng xạ. Những thay đổi về mặt vật lý như nóng chảy không thể làm thay đổi chu kỳ bán rã của vật liệu phóng xạ hoặc loại bỏ tính phóng xạ.
Chất thải hạt nhân có tính phóng xạ vì một số chất phóng xạ trong đó liên tục phân rã tự nhiên. Một đại lượng vật lý đo tốc độ phân rã được gọi là chu kỳ bán rã. Chu kỳ bán rã của các nguyên tố phóng xạ trong chất thải hạt nhân kéo dài từ hàng thập kỷ đến hàng tỷ năm. Bất kể vật liệu phóng xạ tồn tại ở dạng rắn hay lỏng thì chu kỳ bán rã của nó đều không thay đổi, tức là cường độ phóng xạ sẽ không thay đổi.
Biểu đồ: Phân rã phóng xạ
Lý do tại sao nhiên liệu đã qua sử dụng lại có hại như vậy là vì nó chứa các nguyên tố phóng xạ cao, cực kỳ có hại cho cơ thể con người. Chất thải hạt nhân mà chúng ta thường lo sợ chủ yếu đề cập đến loại chất thải này. Sau khi nhiên liệu hạt nhân trải qua phản ứng hạt nhân trong lò phản ứng thông qua sự bắn phá neutron, các cụm nhiên liệu có độ sâu cháy đạt đến tiêu chuẩn dỡ hàng sẽ được dỡ khỏi lò phản ứng và được gọi là nhiên liệu đã qua sử dụng. Nhiên liệu đã qua sử dụng chứa một lượng lớn vật liệu có giá trị gia tăng chưa sử dụng như 238U hoặc 232Th, vật liệu phân hạch chưa cháy và mới tạo ra như Pu239, U235 hoặc U233, cũng như các nguyên tố siêu urani như Np, Am, Cm sinh ra trong quá trình chiếu xạ nhiên liệu hạt nhân và các nguyên tố phân hạch như Sr90, Cs137, Tc99, v.v.
Minh họa: So sánh thành phần trước và sau khi đốt cháy *Nguồn: World Nuclear Society
Vậy chúng ta phải xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng này như thế nào cho đúng cách?
Phương pháp điều trị có thể được chia thành hai loại: loại thứ nhất là chu trình mở, chẳng hạn như Hoa Kỳ, Canada, Thụy Điển và các quốc gia khác. Nói chung là tìm một vùng địa chất ổn định để lưu trữ chôn sâu; Thứ hai là chu trình khép kín, như nước tôi, Nhật Bản, Pháp và các nước khác, tách và chiết xuất nhiên liệu đã qua sử dụng, và chiết xuất urani và plutoni trong đó để sử dụng lại. Đất nước tôi vẫn đang trong giai đoạn phát triển.
Cuối cùng, chúng ta hãy đề cập đến hệ thống năng lượng hạt nhân tiên tiến nổi tiếng ADS, đây là hệ thống dưới tới hạn được điều khiển bằng máy gia tốc. Như có thể thấy trong hình trên, nhiên liệu đã qua sử dụng không chỉ chứa urani và plutoni mà còn chứa nhiều chất phóng xạ khác. Sau khi urani và plutoni được chiết xuất từ nhiên liệu đã qua sử dụng, chất thải phóng xạ như actini vẫn tồn tại trong đó. Chu kỳ bán rã của các chất phóng xạ này kéo dài từ hàng thập kỷ đến hàng tỷ năm. Chùm proton do máy gia tốc tạo ra bắn phá mục tiêu kim loại nặng (như hợp kim Pb hoặc Pb-Bi dạng lỏng) trong lò phản ứng dưới tới hạn, gây ra phản ứng phân tách, sau đó tạo ra neutron thông qua chuỗi phản ứng trong hạt nhân và ngoài hạt nhân. Một proton có năng lượng 1 GeV tạo ra khoảng 30 neutron trên mục tiêu dày. Mục tiêu neutron phân tách cung cấp neutron ngoại sinh cho lò phản ứng dưới tới hạn. Các neutron này sẽ kích hoạt quá trình chuyển hóa nhiên liệu đã qua sử dụng trong hệ thống chuyển hóa, làm giảm thời gian bán hủy của chất phóng xạ từ hàng tỷ năm xuống còn hàng trăm năm. Hệ thống ADS tương đương với lò đốt nhiên liệu đã qua sử dụng và là công nghệ xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng lý tưởng nhất. Đất nước tôi đã đạt được những kết quả nghiên cứu tốt.
Lời cuối cùng
Công nghệ tái chế nhiên liệu đã qua sử dụng thực sự là một vấn đề cần giải quyết trong quá trình phát triển điện hạt nhân, đồng thời cũng là mục tiêu cốt lõi trong các cuộc chỉ trích của nhiều người đối với điện hạt nhân. Tuy nhiên, nhiên liệu đã qua sử dụng sẽ không bị bỏ lại như những người phản đối hạt nhân vẫn nói. Không cần phải nghĩ rằng luôn có những kẻ vô lại muốn làm hại tôi. Trong tương lai gần, vấn đề nhiên liệu đã qua sử dụng sẽ được giải quyết. Hiện nay, có một áp lực rất lớn nhằm đạt được mức trung hòa carbon và mức carbon tối đa. Trong xu hướng nóng lên toàn cầu, năng lượng hạt nhân không phải là lựa chọn tốt nhất, nhưng lại là lựa chọn tốt.
