Nỗi lo rác thải từ các lò phản ứng hạt nhân nhỏ

Cách chôn vùi các nguyên tử bức xạ quả không đơn giản vì phải mất hàng nghìn năm mới trở thành thứ an toàn để xử lý. Vì vậy bất kỳ giải pháp nào cũng cần phải thời gian, nó hoạt động xuyên suốt nhiều thế hệ.

20/06/2022 12:37

Lò phản ứng hạt nhân thu nhỏ: Cuộc cạnh tranh với năng lượng tái tạo?

Tại Mỹ, mọi sự chỉ mới được bóc trần từ năm 2011 khi các nhà quản lý đối mặt với những phản ứng của các cộng đồng địa phương khi họ ngăn chặn một nỗ lực chôn vùi chất thải hạt nhân kéo dài hàng thập kỷ ngay bên dưới chân núi Yucca ở tiểu bang Nevada, làm mắc kẹt 44 tỷ USD ngân sách liên bang dành cho việc này.

Không như các nhà chế tạo thổi phồng

Suốt một thời gian dài, ngành công nghiệp hạt nhân Mỹ bị đình trệ do chi phí khổng lồ để xây dựng các nhà máy hạt nhân mới. Ngược lại, các lò phản ứng mô-đun nhỏ (viết tắt SMRs) lại đủ nhỏ để xây dựng vừa vặn trong một nhà xưởng và rồi chuyển đến nơi khác để tạo ra điện. Một báo cáo do Bộ Năng lượng Mỹ tài trợ đã ước tính từ năm 2014 rằng, ngành công nghiệp hạt nhân Mỹ sẽ tạo ra không đầy 94% chất thải nếu dùng các SMRs thay thế cho những cái khổng lồ, cũ kỹ.

Bà Krall (nhà khoa học làm việc cho một công ty chất thải hạt nhân của Thụy Điển) đã tìm ra câu trả lời: Bằng các ước lượng, những thiết kế SMRs không hề tạo ra ít chất thải hạt nhân mà trái lại còn gây lãng phí gấp 5 lần nhiên liệu tiêu hao cho mỗi đơn vị điện, hoặc nhiều gấp 35 so với các dạng chất thải hạt nhân khác. Nghiên cứu đã được công bố trên Kỷ yếu của Viện Hàn lâm khoa học quốc gia Mỹ vào ngày 13-6-2022. Những dự án khởi nghiệp đang tìm kiếm giấy phép để xây dựng SMRs đã phản đối các phát hiện được tìm thấy bởi nhóm bà Krall và quả quyết họ đã chuẩn bị sẵn sàng cho bất kỳ chất thải hạt nhân nào được tạo ra.

Ông John Kotek, người đứng đầu quan hệ công chúng và chính sách tại Viện Năng lượng hạt nhân (NEI, một hiệp hội thương mại của ngành công nghiệp hạt nhân) nói: “Gấp 5 lần (lãng phí nhiên liệu) vẫn chỉ là một con số nhỏ”. Bà Allison Macfarlane, cựu Chủ tịch Ủy ban Điều tiết hạt nhân Mỹ (USNRC), đồng thời là đồng tác giả của bài báo đăng trên tờ Kỷ yếu, phát biểu: “Mục đích của bài báo này là thúc đẩy một cuộc thảo luận. Chúng tôi không thể biết được chi phí sẽ là bao nhiêu cho đến khi hiểu được mình đang xử lý cái gì?”.

60-1.jpg -0 — Mô hình nhà máy có lắp đặt lò phản ứng hạt nhân nhỏ mang tên NuScale ở thành phố Portland (tiểu bang Oregon, Mỹ). Ảnh nguồn: Power Magazine .

Rò rỉ neutron

Thiết kế các lò phản ứng nhỏ có thể giúp dễ chế tạo, nhưng nó cũng tạo ra một vấn đề nan giải: rò rỉ neutron. Các lò phản ứng tạo ra năng lượng bằng cách bắn neutron vào các nguyên tử uranium khiến chúng bị phân tách, điều này tạo ra nhiều neutron hơn và gây ra phản ứng dây chuyền. Song nếu các neutron này bay ra khỏi lõi, đụng vào những phần khác của lò phản ứng thì sẽ làm kích hoạt hoặc bức xạ.

Bên trong các SMR thường có ít không gian, nên các neutron sẽ rò rỉ. Có một cách khắc phục là bọc lõi bằng thép hoặc than chì nhằm phản xạ hoặc làm giảm tốc độ của các neutron rung lắc bên trong. Nhưng theo thời gian thì những vật liệu dạng này sẽ bắn phá với neutron và chúng tự trở thành phóng xạ, do đó cần phải được thay thế. Chưa hết, một số thiết kế lò phản ứng bao gồm Natri hay chất làm mát kim loại lỏng đã tự phát triển vấn đề phóng xạ của riêng chúng.

Với nồng độ cao của các nguyên tử có thể phân hạch trong chất thải, đồng nghĩa “khối lượng tới hạn” của nó (là khối lượng vật chất nhằm duy trì một phản ứng dây chuyền) đã suy giảm mạnh khiến chất thải dễ bay hơi hơn. Kết quả là một lượng lớn vật chất cần được chia thành các lỗ nhỏ hơn để dễ bảo quản. Những dòng chất thải đa dạng đó làm phức tạp hóa tính toán cho một kho lưu trữ lâu dài, vì vậy cần phải được thiết kế kỹ lưỡng để đảm bảo cho địa chất xung quanh có thể cô lập vật liệu suốt hàng ngàn năm.

Ý kiến của các nhà thiết kế SMRs

Bà Diane Hughes, phát ngôn viên của NuScale cho rằng những giả định của các nhà nghiên cứu dẫn đến đánh giá quá cao nhiên liệu đã sử dụng, và khẳng định lò phản ứng nhỏ của hãng không phát sinh thêm chất thải mới. Từ NEI, ông John Kotek cho hay rằng động lực để phát triển các lò phản ứng mới cũng là thúc đẩy ngành công nghiệp hướng đến những giải pháp mới để xử lý chất thải, như nhiên liệu đã qua sử dụng, cũng như những phương pháp lưu trữ chất thải an toàn và rẻ tiền hơn.

Mặt khác, một yếu tố lớn đã không được đưa vào phân tích là tiềm năng tái chế nhiên liệu hạt nhân nhằm giảm đáng kể lượng rác thải. Các tác giả đưa ra những lo ngại về những dạng chất thải được hình thành bởi quá trình tái chế cùng sự thất bại tái chế đối với các lò phản ứng của Mỹ hiện nay bất chấp có nhiều thành công từ các nơi khác như Pháp.

Dự án khởi nghiệp hạt nhân như Oklo giờ đây đang bắt tay với một dự án khởi nghiệp khác gọi là Deep Isolation nhằm khoan những lỗ sâu xuống lòng đất và gửi kèm theo các thùng rác thải hạt nhân xuống đó. Xét về lý thuyết thì cách thức chôn lấp này có thể mở rộng ra các dạng địa hình khác chứ không chỉ đơn thuần là loại hình hang động thiên nhiên như núi Yucca. Nhưng để biến điều đó thành hiện thực là không chắc chắn.

Bà Allison Macfarlane, người hiện đang đứng đầu trường chính sách công của Đại học British Columbia (Vancouver, Canada) lưu ý rằng bất kỳ giải pháp nào cho chất thải SMR đều gặp những thách thức về vấn đề môi trường: “Nó là một vấn đề xã hội chứ không phải là về kỹ thuật”. Bà Macfarlane chỉ ra rằng ngành công nghiệp SMR đang gặt hái những điểm sáng tại các quốc gia có chuyên môn về lưu trữ chất thải dài hạn như Phần Lan, Thụy Điển và Vương quốc Anh.