Những điều cần biết về sự cố nhà máy điện hạt nhân tại Nhật Bản

Mỗi người đều có những suy nghĩ riêng về ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân . Một vài người nghĩ rằng đây chính là một trong những công nghệ xanh quan trọng, giúp sản xuất ra lượng điện năng khổng lồ mà không đào thải CO2. Họ còn chú ý đến những số liệu cho thấy độ an toàn của nguồn năng lượng này suốt hai thập kỷ qua.

Số khác lại thấy năng lượng hạt nhân chính là hiểm hoạ khôn lường, tác động đến khu vực dân cư quanh đó. Họ nhắc đến nhiều tai nạn khác nhau, trong đó Three Mile Island và vụ nổ ở Chernobyl chính là bằng chứng cho thấy mọi thứ có thể trở nên tồi tệ như thế nào.

Nhưng thực tế, các lò phản ứng hạt nhân đã được nhiều nước phát triển thêm cả về năng lượng lẫn độ an toàn. Để điều khiển các nguồn năng lượng cực lớn này, các lò phản ứng được thiết kế và xây dựng với các tiêu chuẩn kĩ thuật gắt gao nhất, đủ để ứng phó với mọi thảm hoạ của tự nhiên. Động đất? Lốc? Tấn công bằng máy bay phản lực? Hay khủng bố? Đều không có vấn đề gì. Các lớp tường dày và kiên cố đủ để vượt qua mọi tác động từ ngoài.

Nhưng ngay sau trận động đất tại Nhật Bản ngày 11.03.2011, những nhận thức trên nhanh chóng bị thay đổi. Trục trặc xảy ra trên khắp các lò phản ứng khắp nước Nhật. Lửa bùng lên từ nhà máy điện Onagawa, và vụ nổ ở nhà máy điện Fukushima Daiichi.

Điều gì đang xảy ra vậy? Cái gì đang khiến cho hệ thống hoàn hảo, kiên cố này bị trục trặc một cách đáng lo ngại? Hãy cùng tìm hiểu xem.

Sơ lược về lò phản ứng hạt nhân.

Nếu bạn đã đọc qua bài How Nuclear Reactors Work trên trang howstuffworks.com, bạn sẽ thấy quen với các khái niệm cơ bản về nhà máy điện hạt nhân. Thực ra rất đơn giản thế này. Nhiên liệu hạt nhân, bản chất là uranium được làm giàu, phản ứng hạt nhân xảy ra từ nguồn nhiên liệu này sinh ra nhiệt năng. Nhiệt năng này làm nóng nước và sinh ra hơi nước , hơi nước làm quay tua-bin đã được kết nối với hệ thống và từ đó sinh ra điện. Các nhà máy điện hạt nhân rất lớn, từ đó có thể sản xuất ra hàng gigawatt điện.

Để có thể điều chỉnh được năng lượng điện, uranium ở dạng giống một viên kẹo được nối liền với nhau trong một ống kim loại dài gọi là thanh nhiên liệu. Các ống này được sắp xếp thành các bó, và rồi được xếp vào trung tâm lò phản ứng. Thanh điều khiển được đặt giữa các thanh nhiên liệu có khả năng hấp thụ neutron. Nếu các thanh điều khiển được cắm ngập vào trung tâm, lò phản ứng sẽ ngừng hoạt động, tuy nhiên uranium vẫn có phản ứng và vẫn sinh ra nhiệt năng ở mức nhỏ nhất có thể. Và khi thanh điều khiển được rút hết ra, lò sẽ hoạt động hết công suất. Thử tưởng tượng bóng đèn tròn 100W, nhiệt năng toả ra từ nó đủ để nung được một chiếc bánh nướng nhỏ. Hãy tưởng tượng tiếp 1.000.000.000 chiếc bóng đèn như vậy. Đó là năng lượng của lò phản ứng hạt nhân khi chạy hết công suất.

Lò phản ứng gặp trục trặc ở Nhật có tên Mark 1 thiết kế bởi General Electric những năm 1960. Đây là một trong những thiết kế sớm nhất – boiling water reactors (BWR), nhiên liệu uranium đun sôi nước và làm chạy trực tiếp hệ thống tua-bin hơi nước. Về sau thiết kế này được thay thế bởi lò phản ứng điều áp do những thông tin liên quan tới tính an toàn trong thiết kế của Mark 1. Và như ta đã thấy, đã có trục trặc trong hệ thống lò phản ứng hạt nhân ở Nhật. Hãy xem những thiếu sót chết người đó nằm ở đâu.

Những thiếu sót trong hệ thống lò phản ứng BWR.

Lò phản ứng BWR có một nhược điểm chết người, nó không hiện hữu trong điều kiện hoạt động bình thường và là nguyên nhân của hầu hết các trục trặc. Vấn đề ở đây nằm ở hệ thống làm mát.

Lò phản ứng BWR đun sôi nước: điều này rất đơn giản và dễ hiểu. Khi nước sôi, nó tạo ra một lượng lớn hơi nước, từ đó áp suất trong lò tăng, tác động vào tua-bin và làm nó quay. Lượng nước này cũng góp phần giữ cho trung tâm lò phản ứng ở nhiệt độ an toàn. Khi hơi nước ra khỏi lò, chúng hạ nhiệt độ và ngưng tụ lại thành nước để sử dụng lại, và cứ liên tục như thế thành một vòng kín. Nước được chuyển lại vào trong hệ thống bằng một máy bơm.

Điểm yếu của hệ thống sẽ lộ ra khi máy bơm này bị trục trặc. Nếu không vận chuyển lượng nước mới vào trong, nước trong lò vẫn sẽ tiếp tục được đun sôi, mực nước giảm liên tục. Đến một lúc nào đó, thanh nhiên liệu sẽ trở nên cực kì nóng, và phát nổ. Ngay cả khi thanh điều khiển được cắm sâu hết cỡ, lượng nhiệt sinh ra lúc này vẫn đủ để làm nóng chảy nguồn nhiên liệu hạt nhân. Uranium nóng chảy chảy xuống dưới, và từ đó thảm hoạ bắt đầu. Các tấm kim loại nóng chảy, và rồi uranium thoát ra môi trường.

Do nguy cơ này được biết trước, nên quanh lò phản ứng luôn có các lớp rất dày. Ngoài ra cũng có nhiều máy bơm dự phòng được đặt quanh lò. Năng lượng được lấy từ mạng lưới điện bình thường. Nếu mất điện, máy phát sử dụng nhiên liệu diesel sẽ được bật ngay tức khắc. Nếu không đủ diesel, pin dự trữ sẽ được sử dụng. Với các phương pháp dự phòng thế này, có vẻ như hệ thống không còn nhược điểm nữa. Không có gì có thể ảnh hưởng đến hoạt động của lò phản ứng.

Vậy mà, không may, sau trận động đất, mọi thứ đã trở nên thật tồi tệ.

Bối cảnh thảm hoạ hạt nhân tại Nhật Bản

Nhà máy điện hạt nhân tại Nhật Bản đã trải qua các trận động đất mà không gặp phải trục trặc gì. Bốn nhà máy điện gần tâm chấn được ngắt tự động, tức là thanh điều khiển được cắm sâu vào trung tâm lò phản ứng, và nhà máy điện ngừng hoạt động. Điều này cũng có nghĩa, nguồn đầu tiên cấp điện cho máy bơm đã ngừng, nhưng không thành vấn đề vì máy bơm vẫn có thể lấy năng lượng từ mạng lưới điện.

Dù sao thì, sau trận động đất, mạng lưới điện trở nên không ổn định, và nó cũng ngừng hoạt động. Nguồn thứ hai cũng biến mất. Máy phát điện sử dụng diesel được sử dụng ngay tức thì. Nó hoạt động và cung cấp đủ điện cho máy bơm, và tưởng chừng như không có gì phải lo lắng.

Và sau đó là sóng thần. Không may, cường độ của nó vượt xa những gì người ta dự tính. Nếu máy phát điện diesel được bố trí trên cao, được thiết kế sao cho vẫn hoạt động được khi ngập trong nước, thì thảm hoạ đã không thể xảy ra. Và mực nước không tưởng từ trận sóng thần đã làm máy phát điện ngừng hoạt động.

Cách cuối cùng, người ta đã sử dụng pin để chạy máy bơm. Những chiếc pin này được thiết kế để hoạt động chỉ trong vài giờ đồng hồ. Thật chủ quan, người ta nghĩ rằng sẽ không mất điện lâu hơn đến thế, sẽ có nguồn điện mới ngay lập tức...

Pin hết điện, máy bơm không thể hoạt động được. Yếu điểm chết người của hệ thống BWR, tưởng chừng như đã được bao quát hết bằng nhiều cách như vậy, thì nay đã bắt đầu diễn ra. Và lúc này, cái gì phải đến cũng sẽ đến. Đó là thảm hoạ.

Vụ nổ tại nhà máy điện hạt nhân Nhật Bản.

Với những tấm pin không còn điện, máy bơm làm lạnh không hoạt động nữa. Khi không còn hệ thống làm lạnh, nước trong lò sẽ tiếp tục bị đun sôi, và bốc hơi. Khi đó, đỉnh của các thanh nhiên liệu bị nổ, phần kim loại bao bọc uranium bị nóng quá và vỡ ra. Nước theo đó mà tràn vào trong các ống, rồi bắt đầu sinh khí hydro. Tiếp theo đó là quá trình thermolysis – khi bạn làm nóng nước đến một mức nào đó, các phân tử nước bị tách ra thành các phân tử hydro và oxy.

Hydro là một chất khí rất dễ cháy - bạn có thể nhớ lại thảm hoạ Hindenburg, lúc đó trên chiếc máy bay Hindenburg đầy khí hydro. Trong nhà máy điện ở Nhật Bản, áp suất hydro trong lò tăng lên, rò rỉ ra ngoài, và nhanh chóng bắt lửa tạo nên vụ nổ bên trong lò phản ứng. Và mọi thứ diễn ra tương tự trong những lò phản ứng khác.

Những vụ nổ này không đủ sức để phá vỡ áp lực giữ các nhân hạt nhân bên trong, và không làm rò rỉ bất kì một lượng phóng xạ nào ra môi trường. Đây chỉ đơn thuần là các vụ nổ khí hydro, chứ không phải là vụ nổ hạt nhân. Vụ nổ chỉ gây hại cho các kiến trúc bê tông và sắt thép xung quanh.

Vụ nổ cho thấy được mọi thứ đã vượt tầm kiểm soát. Nếu như nước vẫn còn tiếp tục bị đun nóng, rất có thể sau đó là rò rỉ phóng xạ ra môi trường.

Do vậy những người điều hành nhà máy đã quyết định nhấn chìm nhà máy trong nước biển. Đây là cố gắng cuối cùng để kiểm soát tình hình, dù sao nước biển cũng đã tàn phá nhà máy ra trò, và như vậy còn tốt hơn là rò rỉ phóng xạ. Hơn nữa, nước biển còn chứa nhiều nguyên tố Bo, do đó nó giống với dung dịch trong thanh điều khiển. Bo có thể hấp thu tốt neutrons, và nó cũng là một trong những thành phần chính của thanh điều khiển.

Những việc phải làm sau thảm hoạ tại Nhật Bản

Sự cố hạt nhân tại Nhật Bản được đánh giá đến mức độ 6 trong thang điểm INES (International Nuclear and Radiological Event Scale). Sự cố Three Mile Island là sự cố độ 5. Thảm hoạ Chernobyl là độ 7, mức cao nhất của thang điểm. Dù sao, sự cố tại Nhật Bản cũng cho thấy một tình trạng đáng báo động.

Nhật Bản bị mất một nguồn sinh điện lớn. Gần một phần ba năng lượng điện của Nhật Bản là lấy từ nhà máy điện hạt nhân, qua sự cố này Nhật Bản mất gần 20% tổng lượng điện. Lượng bị mất đi này sẽ được thay thế bằng cách nào đó.

Dù sao đã gần 40 năm hoạt động, các lò phản ứng này cũng đã đến thời gian cần được thay thế. Một cách đơn giản nhất, chỉ cần xây lại một nhà máy điện khác. Nhưng có 2 vấn đề cần được xem xét, một là quá trình xây dựng lại sẽ rất mất thời gian, và thứ 2, người dân Nhật Bản sẽ luôn nghi ngờ về tính an toàn của nhà máy điện mới. Chưa thể nói trước được điều gì.

Hiện tại ở Mỹ cũng có một số nhà máy điện sử dụng thiết kế Mark 1 như ở Nhật Bản, và sau sự cố này có thể Mỹ sẽ phải cho dừng hoạt động và thay thế chúng. Việc xây lại những nhà máy điện hạt nhân mới có thể là một ý tốt.

Nền công nghiệp hạt nhân tại Mỹ đang mong chờ sự hồi sinh của năng lượng hạt nhân, sau hơn ba thập kỉ trôi qua kể từ sự cố Three Mile Island. Sự cố tại Nhật Bản lần này có thể sẽ dập tắt sự hồi sinh đó. Hoặc họ sẽ nghiên cứu ra được những công nghệ mới hơn, tân tiến hơn, an toàn hơn.