Chất thải hạt nhân và cách xử lý

Mặc dù hiện tại, chúng ta có phần bận tâm với một cuộc khủng hoảng khác, cuộc khủng hoảng khí hậu vẫn là một mối quan tâm cấp bách. Năng lượng hạt nhân là một giải pháp thay thế được đề cập đến đối với nhiên liệu hóa thạch nhưng đi kèm với vấn đề liên quan đến chất thải hạt nhân. Vì thế trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu về chất thải hạt nhân và một sồ giải pháp lưu trữ chúng nhé!

Với cuộc khủng hoảng khí hậu đang diễn ra, mọi người có một mong muốn mạnh mẽ là tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch nhiều carbon. Một thay thế là phân hạch hạt nhân. Những người phản đối năng lượng hạt nhân chỉ ra các vụ tai nạn khủng khiếp, chẳng hạn như những người ở Chernobyl và Fukushima, và vấn đề của các cơ sở hạt nhân sản xuất chất thải phóng xạ. Vậy làm thế nào chất thải có thể được xử lý một cách an toàn?

Đôi nét

Nhiên liệu hạt nhân thường được làm từ uranium làm giàu từ 3% đến 5%. Điều này có nghĩa là 3% đến 5% khối lượng của nó là uranium-235. Nhiên liệu này được làm thành thanh nhiên liệu. Các hạt nhân uranium-235 không ổn định; khi neutron được bắn vào chúng bên trong lò phản ứng hạt nhân, chúng sẽ tách thành các hạt nhân nhỏ hơn, bao gồm strontium-90 và Caesium-137. 

Tất cả các đồng vị phóng xạ có một tính chất gọi là chu kỳ bán rã. Đây là thời gian cần để số hạt nhân trong một mẫu đồng vị nhất định giảm đi một nửa. Thời gian bán hủy càng dài thì đồng vị phóng xạ càng bám quanh. Các đồng vị có chu kỳ bán rã dài hơn 30 năm được gọi là tồn tại lâu dài (long-lived) và các đồng vị có chu kỳ bán rã dưới 30 năm là ngắn ngủi (short-lived). 

Strontium-90 và Caesium-137 đều có chu kỳ bán rã trung gian khoảng 30 năm. Chúng đặt ra vấn đề nếu phát hành ra môi trường. Caesium-137 dễ dàng lan truyền trong tự nhiên do khả năng hòa tan của các hợp chất Caesium, trong khi strontium-90 ít lây lan hơn nhưng được đưa vào xương và tủy xương nếu các sinh vật ăn phải. Cả hai đều có tính phóng xạ cao và là nguồn phóng xạ chính trong khu vực ngoại trừ Chernobyl.

Phân loại chất thải hạt nhân

Những chất này và nhiều đồng vị khác được tìm thấy trong chất thải phóng xạ. Chất thải thường được chia thành ba loại khác nhau, tương ứng với độ phóng xạ của nó: Chất thải ở mức độ thấp (LLW), Chất thải ở mức độ trung gian (ILW) và Chất thải ở mức độ cao (HLW). Những loại chất thải này được xử lý theo những cách khác nhau, dựa trên mối nguy hiểm gây ra bởi phóng xạ của chúng.

Chất thải được coi là LLW nếu nó có không quá 4 GBq mỗi tấn (4 tỷ phân rã mỗi giây trên mỗi tấn đối tượng) của sóng alpha hoặc không quá 12 GBq mỗi tấn sóng beta hoặc gamma. Hầu hết chất thải hạt nhân được sản xuất (khoảng 90% theo thể tích) là chất thải ở mức độ thấp, nhưng chỉ có 1% tổng lượng phóng xạ của tất cả chất thải phóng xạ. 

ILW (Chất thải ở mức độ trung gian) chiếm khoảng 7% tổng số chất thải hạt nhân và 4% tổng lượng phóng xạ. Nó quá phóng xạ để được coi là LLW, nhưng không tạo ra đủ nhiệt để được coi là HLW. Những thứ gần với nguồn phóng xạ, và do đó có mức độ ô nhiễm cao, thường được phân loại là HLW. Chúng bao gồm thanh điều khiển, các thành phần lò phản ứng và bùn hóa học từ việc xử lý chất thải phóng xạ lỏng. 

HLW (Chất thải ở mức độ cao) có độ phóng xạ đủ cao để làm tăng đáng kể nhiệt độ của chính nó. Điều này phải được xem xét khi thiết kế các cơ sở để xử lý nó. HLW được sản xuất như một sản phẩm phụ từ việc tái xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và thường ở dạng lỏng. Điều này chiếm chưa đến 1% tổng số chất thải, nhưng 95% tổng lượng phóng xạ.

Cách xử lý chất thải hạt nhân

LLW là chất thải dễ xử lý nhất. Các chất thải được nén vào các hộp thép lớn. Chúng được gửi đến bãi rác nếu chúng có độ phóng xạ đủ thấp hoặc được xử lý bằng cách lưu trữ chúng trong các hầm bê tông lớn dưới lòng đất. Thứ hai được gọi là xử lý gần bề mặt. Khi các hầm này đầy, chúng được niêm phong, phủ lớp đất mặt và bỏ lại. Sẽ không bao giờ có nỗ lực thu hồi bất kỳ chất thải nào do tính chất phóng xạ của nó và thiết kế của các vị trí đảm bảo rằng chất thải có thể được để lại mà không có bức xạ đáng kể nào chạm tới bề mặt.

Những vị trí này đôi khi có các lỗ thông hơi và hệ thống thoát nước để ngăn chặn áp lực trong khu vực xây dựng và để ngăn chặn bất kỳ sự rò rỉ nào từ việc thu gom chất thải trong hầm. Một lượng rất nhỏ LLW không thể được xử lý trong các hầm này. Điều này có thể là do các hạn chế của địa điểm đối với số lượng các loại hạt nhân phóng xạ khác nhau, vì địa điểm này quá gần với giới hạn bức xạ của nó hoặc do LLW quá khó tách khỏi bất kỳ ILW liên quan nào. Trong những trường hợp này, chúng phải được xử lý như ILW hoặc HLW.

Cả ILW và HLW cuối cùng đều được xử lý theo cùng một cách. Tuy nhiên, chúng có những cách hơi khác nhau để xử lý.

ILW được nén vào các thùng thép lớn, sau đó được đổ đầy bê tông để cố định chất thải. Những thùng chứa này giúp an toàn khi vận chuyển và lưu trữ chất thải, thường là trong kho khô có điều hòa, cho đến khi có cơ sở xử lý phù hợp. Một số ILW tồn tại lâu có thể được lưu trữ trong kho khô một thời gian khoảng năm mươi năm để giảm phóng xạ.

HLW có một vài vấn đề phụ. Để bắt đầu, một phần lớn của nó ở trạng thái lỏng, và bất kỳ lỗ hổng nào trong thùng chứa sẽ khiến chất lỏng phóng xạ bị rò rỉ. Một cách cố định là cần thiết, và một cách có thể dựa vào hàng ngàn năm chất thải sẽ vẫn còn phóng xạ.

Bê tông quá dễ bị phong hóa trong các khung thời gian dài này. Thay vào đó, chất thải được trộn trong lò nung với thủy tinh nghiền, tạo ra thủy tinh nóng chảy truyền qua HLW. Điều này sau đó được kết tinh trong các hộp lớn, giữ cho các hạt phóng xạ lơ lửng trong thủy tinh. Quá trình này, được gọi là thủy tinh hóa, làm cho rất khó có khả năng chất thải sẽ làm ô nhiễm bất cứ thứ gì.

Tuy nhiên, chúng vẫn sản xuất nhiệt khi chất thải để xử lý. Giải pháp là nhấn chìm các hộp trong các ao chứa, bể nước bê tông sâu, trong ít nhất năm năm. Sau này, chúng được chuyển đến kho khô, làm mát bằng không khí. Do thời gian bán hủy dài của một số đồng vị phóng xạ trong chất thải, chúng thường sẽ bị bỏ lại trong vòng 50 năm trước khi cuối cùng được xử lý.

Phương pháp xử lý cuối cùng được hầu hết các quốc gia đồng ý cho HLW và ILW là xử lý địa chất sâu. Điều này liên quan đến việc đặt chất thải từ vài trăm mét đến vài km dưới lòng đất, sử dụng chính tảng đá làm rào cản cho bức xạ.

Phương pháp kho lưu trữ được sử dụng rộng rãi nhất. Đây là những đường hầm và hang động dưới lòng đất, trong đó các container có thể được đặt. Sau đó, chúng được bao quanh bởi đá và đất để hoạt động như một bộ đệm bổ sung cho bức xạ. Những hang động này được khai quật trên bờ, hoặc gần nó trong vùng nước nông, trong đá có độ ổn định phù hợp, chẳng hạn như đá granit. Một dòng nước ngầm thấp giảm thiểu các vấn đề ô nhiễm. Các chất thải cũng có thể được phục hồi, nếu điều này trở nên cần thiết.

Kho lưu trữ KBS-3 của Thụy Điển, dự kiến ​​sẽ bắt đầu hoạt động vào năm 2023, sử dụng các thùng chứa bằng đồng cho nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Chất lắng của đồng nguyên chất đã chỉ ra rằng đồng có xu hướng không thay đổi rộng rãi khi để lại trong đá gốc, ở những khu vực có lưu lượng nước ngầm thấp. Địa điểm KBS-3 cũng sử dụng đất sét bentonite, hoạt động như một rào cản nước ngầm và ngăn chặn bức xạ hiệu quả. Điều này có nghĩa là quặng sẽ chỉ rò rỉ một lượng rất nhỏ phóng xạ và không có chất thải thực tế.

Một giải pháp xử lý chất thải hạt nhân khác là sử dụng các lỗ khoan sâu. Những lỗ khoan này được khoan sâu tới 5000 mét vào đá tầng hầm. 2000 mét dưới cùng được sử dụng để lưu trữ chất thải và phần còn lại được niêm phong bằng xi măng, đất sét bentonite hoặc các vật liệu tương tự khác. 

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, vì vậy chúng mở rộng phạm vi các vị trí có thể được sử dụng để xử lý chất thải. Tuy nhiên, chất thải sẽ không thể thu hồi được, vì vậy tùy chọn này đã bị nhiều quốc gia loại trừ.

Tương lai…

Với các vấn đề về chất thải phóng xạ, liệu năng lượng hạt nhân có thực sự là câu trả lời cho nhiệm vụ tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế của chúng ta? Nhiều người ủng hộ các nguồn năng lượng tái tạo và khuyên chúng ta nên tránh năng lượng hạt nhân. Nhưng năng lượng tái tạo đòi hỏi một lượng lớn không gian đất. Một lò phản ứng hạt nhân sản xuất 1800 megawatt điện chiếm 4,45 km2 không gian. Một trang trại năng lượng mặt trời thông thường sẽ mất gần 54 km2 để sản xuất cùng một sản lượng điện.

Tái tạo rõ ràng là một phần của giải pháp, nhưng thật khó để thấy làm thế nào chúng ta có thể chuyển đổi khỏi nhiên liệu hóa thạch, trong thời gian ngắn cần thiết để ngăn chặn thảm họa khí hậu, chỉ sử dụng năng lượng tái tạo. Trong khi đó, chúng ta đã thiết lập các cách xử lý rủi ro thấp đối với chất thải hạt nhân và khối lượng thực tế của nó thấp. Người ta ước tính rằng khối lượng chất thải hạt nhân hiện tại ở Anh và sẽ được sản xuất tại nước này trong vòng 100 năm tới, sẽ chỉ lấp đầy một diện tích bằng sân vận động Wembley . 

Mặc dù vậy, số lượng lò phản ứng hạt nhân trên toàn thế giới đã giảm mạnh kể từ giữa những năm 1990. Trong khi các nhà máy mới đang được xây dựng ở Trung Quốc và Đông Âu, các quốc gia như Pháp và Đức có kế hoạch loại bỏ hoàn toàn năng lượng hạt nhân. Thái độ sẽ thay đổi trong những năm tới khi sự khẩn cấp mà chúng ta cố gắng tránh xa nhiên liệu hóa thạch tăng lên? 

Bài viết đến đây là hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai. Lần sau nếu có ai hỏi về chủ đề này thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!

Tham khảo Compound Interest, World Nuclear AssociationUK Radioactive Waste Inventory.