Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng sẽ được xử lý ra sao?

Sau khoảng 5 năm sử dụng trong nhà máy điện hạt nhân, các nhiên liệu sẽ không còn hoạt động hiệu quả, người vận hành lò phản ứng sẽ thay thế bằng các nhiên liệu mới. Nhưng điều đó không có nghĩa là các nhiên liệu hạt nhân cũ dừng việc phát ra năng lượng. 

Ở thời điểm được đưa ra khỏi lò phản ứng, các nhiên liệu còn rất nóng và nguy hiểm vì chứa hỗn hợp plutonium phóng xạ cùng các sản phẩm phân hạch, đủ để gây chết người trong hàng chục hoặc hàng trăm nghìn năm sau khi được loại bỏ. 

Vậy nên các thanh nhiên liệu sau khi ra khỏi lò sẽ được đặt trong một bể nước lớn. Bể này thường nằm bên trong các nhà máy điện hạt nhân với kích thước thường ở khoảng 10,7 m chiều rộng, 12,2 m chiều dài và 11,9 m về chiều sâu. Sức chứa nước của bể thường lên đến 1,5 triệu lít, theo National Academies Press.

Những bể nước có tác dụng che chắn bức xạ. Nếu không có nước, bức xạ sẽ đi ngay ra ngoài môi trường. Các chất phóng xạ vẫn phát ra năng lượng và tiếp tục làm nước nóng lên. Tuy nhiên, hệ thống làm mát và máy bơm sẽ giữ nước ở mức thấp hơn nhiệt độ sôi nên các thanh nhiên liệu được duy trì ở nhiệt độ an toàn. 

Hậu quả sẽ ra sao nếu các thanh nhiên liệu cũ không được giữ ở nhiệt độ an toàn? Vào ngày 11/3/2011, một thảm họa nghiêm trọng xảy ra tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi.

Một trận động đất kinh hoàng mạnh 9 độ richter (mạnh đến mức khiến Trái đất lệch khỏi trục) dẫn đến sóng thần ở bờ biển phía Đông Nhật Bản, theo NPR.  4 ngày sau trận động đất, một vụ cháy đã xảy ra ở bể chứa nhiên liệu ở lò phản ứng số 4 tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi.

Các thanh nhiên liệu đang được làm mát bởi nước, nhưng cơn sóng khổng lồ tràn qua làm nguồn điện bị lỗi nên máy bơm và hệ thống làm mát cho bể chứa ngừng hoạt động. 

Nhiệt độ nước trong bể tăng dần rồi đạt đến điểm sôi. Các thanh nhiên liệu được bao quanh bởi lớp phủ zirconium. Khi nước cạn đi, các thanh nhiên liệu dần lộ ra, lớp phủ nóng lên khoảng 1000℃ đến 1500℃, phản ứng với không khí, từ đó giải phóng ra khí hydro dẫn đến cháy nổ.

Báo cáo từ IAEA cho biết, sau vụ thảm hoạ, các kỹ sư còn phát hiện một khe nứt rộng 20 cm trong hầm chứa dây điện bên dưới lò phản ứng số 2. Công ty điện lực Tokyo khẳng định nước nhiễm phóng xạ đã chảy qua khe nứt này ra biển. 

Ngay sau đó, công ty đã cho xử lý bằng cách cho đổ xi măng vào khe nứt để ngăn nước nhiễm phóng xạ chảy ra môi trường bên ngoài. Tình hình đã được kiểm soát, tuy nhiên, vụ thảm họa vẫn khiến 160.000 cư dân phải sơ tán vì phóng xạ bị rò rỉ trong không khí, theo Japan Atherosclerosis Society.

Sau vụ thảm hoạ, một tổ chức với tên gọi Skilled Veterans Corps được thành lập, bao gồm hơn 200 người đã về hưu tại Nhật Bản. Những người lớn tuổi này đảm nhận công việc thay thế những công nhân trẻ tuổi làm việc gần nhà máy. 

Bà Kazuko Sasaki (72 tuổi) - một trong những thành viên của tổ chức, chia sẻ: “Thế hệ của chúng tôi đã xây những nhà máy điện hạt nhân nên chúng tôi phải chịu trách nhiệm. Tuy không hoàn toàn thay thế những người trẻ nhưng với công việc không cần quá nhiều sức mạnh, chúng tôi sẵn sàng lao động ở những nơi phóng xạ đặc biệt cao”. 

Ông Yasuteru Yamada (72 tuổi) - người sáng lập Skilled Veterans Corps - trả lời trên đài NPR: “Không thể để cuộc đời những công nhân trẻ bị rút ngắn do phơi nhiễm bức xạ cực độ”.

Quay trở lại quy trình xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, tại các nhà máy điện ở tiểu bang Illinois (Mỹ), công nhân thường chuyển các nhiên liệu cũ đến thùng khô nằm trong khu vực nhà máy (sau khi các nhiên liệu được ngâm vài năm dưới bể nước), bởi Mỹ không có kho lưu trữ cố định cho chất thải này. 

Với chiều cao khoảng 6 m, đường kính 2,5 m và khối lượng lên đến 100 tấn, những thùng khô có thể chứa được 10 đến 15 tấn nhiên liệu đã qua sử dụng, theo National Academies Press. Phần khối lượng còn lại là vỏ thùng để ngắn nhiên liệu hạt nhân rò rỉ ra ngoài.

Những thùng chứa bằng thép và bê tông có thể ngăn chặn bức xạ, nhưng giải pháp này không lâu dài. Nếu không có con người, những thùng chứa có thể dễ dàng bị hư hỏng hoặc bị phá vỡ theo thời gian và giải phóng bức xạ ra môi trường. Dù vậy, cách bảo quản này có thể giảm rủi ro do nhiên liệu đã qua sử dụng trong các bể chứa. 

Bước cuối cùng trong chu trình xử lý nhiên liệu hạt nhân thường là thu thập các cụm nhiên liệu đã qua sử dụng từ các địa điểm lưu trữ tạm thời để trong một kho lưu trữ vĩnh viễn dưới lòng đất.

Nhiên liệu đã qua sử dụng được đặt trong các hộp, lần lượt xếp gọn gàng trong các đường hầm và sau đó được bịt kín bằng đá và đất sét.