Bài thuyết trình xử lý chât thải hạt nhân sau khi nhà máy tháo dỡ

Trường Đại học Sư phạm Thành phố Hồ Chí Minh
Khoa Vật lý

Bộ môn: Vật lý hạt nhân và nguyên tử

Đề tài Seminar:

XỬ LÝ CHẤT THẢI HẠT NHÂN
SAU KHI NHÀ MÁY THÁO DỞ
GVHD: TS. Nguyễn Văn Hoa
Nhóm Sinh viên thực hiện:
1. Nguyễn Lê Anh
2. Nguyễn Tố Ái
3. Nguyễn Quốc Khánh

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2012


I.

Lý do chọn đề tài

Nhà máy điện nguyên tử hay nhà máy điện hạt nhân là một nhà máy tạo ra
điện năng ở quy mô công nghiệp, sử dụng năng lượng thu được từ phản ứng hạt
nhân.
Các loại máy điện nguyên tử phổ biến hiện nay thực tế là nhà máy nhiệt
điện, chuyển tải nhiệt năng thu được từ phản ứng phân hủy hạt nhân thành điện
năng. Đa số thực hiện phản ứng dây chuyền có điều khiển trong lò phản ứng
nguyên tử phân hủy hạt nhân với nguyên liệu ban đầu là đồng vị Uran 235 và
sản phẩm thu được sau phản ứng thường là Pluton, các neutron và năng lượng
nhiệt rất lớn. Nhiệt lượng này, theo hệ thống làm mát khép kín (để tránh tia

phóng xạ rò rỉ ra ngoài) qua các máy trao đổi nhiệt, đun sôi nước, tạo ra hơi
nước ở áp suất cao làm quay các turbine hơi nước, và do đó quay máy phát điện,
sinh ra điện năng.
Khi quá trình sản xuất vả xử lý chất thải được bảo đảm an toàn cao, nhà máy
điện nguyên tử sẽ có thể sản xuất năng lượng điện tương đối rẻ và sạch so với
các nhà máy sản xuất điện khác, đặc biệt nó có thể ít gây ô nhiễm môi trường
hơn các nhà máy nhiệt điện đốt than hay khí thiên nhiên.
Việc lưu giữ và thải chất thải hạt nhân an toàn vẫn còn là một thách thức và
chưa có một giải pháp thích hợp. Vấn đề quan trọng nhất là dòng chất thải từ
các nhà máy năng lượng hạt nhân là nguyên liệu đã qua sử dụng. Một lò phản
ứng công suất lớn tạo ra 3 mét khối (25–30 tấn) nguyên liệu đã qua sử dụng mỗi
năm. Nó bao gồm urani không chuyển hóa được cũng như một lượng khá lớn
các nguyên tử thuộc nhóm Actini (hầu hết là plutoni và curi). Thêm vào đó, có
khoảng 3% là các sản phẩm phân hạch. Nhóm actini (urani, plutoni, và curi) có
tính phóng xạ lâu dài, trong khi đó các sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ
ngắn hơn.
Vì vậy, cần phải có những phương pháp xử lý chất thải hạt nhân phóng xạ
rất nguy hiểm cho con người và môi trường. Đó là lý do để nhóm chúng tôi thực
hiện đề tài này. Trong quá trình sư tầm tài liệu, dich và thiết kế seminar không
thể nào tránh khỏi sai sót đáng tiếc, mong độc giả đóng góp ý kiến phản hồi cho
chúng tôi.
Thay mặt nhóm tôi xin chân thành cảm ơn!

Trang 1/16


II.

Đặc điểm của chất thải hạt nhân

Một trong những thách thức lớn nhất đối với ngành công nghệ hạt nhân hiện nay là
vấn đề xử lý và cất giữ chất thải. Lý do đơn giản là trong chất thải hạt nhân có những đồng vị
phóng xạ có thể tồn tại sau hàng triệu năm.
Thông thường một nhà máy điện hạt nhân có thể hoạt động trong vòng vài chục năm. Sau
khi đóng cửa, người ta phải tiến hành hàng loạt các biện pháp cần thiết sau đây:
-

Quản lý an toàn các vật liệu hạt nhân;
Quản lý an toàn các chất thải hạt nhân và phi hạt nhân;
Khử độc đối với các chất phóng xạ và phi phóng xạ;
Tháo dỡ nhà máy;
Phá huỷ các công trình để phục hồi cảnh quan cho môi trường.

Đối tượng tháo dỡ không chỉ là các nhà máy điện hạt nhân, mà là tất cả các cơ sở có liên
quan tới chu trình nhiên liệu quy mô thương mại như các cơ sở khai thác urani, các nhà máy
tái chế biến và làm giàu nhiên liệu, các nhà máy chế tạo nhiên liệu, các lò phản ứng hạt nhân,
các cơ sở cất giữ và xử lý chất thải…
Tính đến tháng 9 năm 2001, trên toàn thế giới có trên 90 lò phản ứng năng lượng thương
mại, 50 nhà máy chế biến nhiên liệu, khoảng 100 cơ sở khai thác urani và hơn 150 cơ sở
nghiên cứu khác, đã đến lúc phải ngừng hoạt động. Nhiều cơ sở trong số này đã và đang được
tháo dỡ một cách khá suôn sẻ. Tuy nhiên vấn đề quản lý an toàn các chất thải phóng xạ vẫn
còn là vấn đề gây nhiều tranh cãi.
Thông thường các chất thải hạt nhân được chia làm hai loại: các chất thải phóng xạ “mức
thấp” (Low Level Radioactive Waste) và các chất thải phóng xạ “mức cao” (High Level
Radioactive Waste).
Đối với các chất thải phóng xạ “mức thấp”, cả hoạt độ lẫn chu kỳ bán rã đều tương đối
nhỏ. Trong vòng 10 – 15 năm, hầu hết các chất thải nhóm này đều phân rã hết; nơi chôn cất
có thể coi như một bãi phế thải thông thường. Tiêu biểu của các chất thải phóng xạ thuộc
nhóm này là Ba-140 (13 ngày), Sr-89 (54 ngày), Ru-106 (1 năm), Ce-144 (1,3 năm)…
Ngành công nghiệp hạt nhân cũng tạo ra một lượng lớn các chất thải phóng xạ cấp thấp ở

dạng các công cụ bị nhiễm như quần áo, dụng cụ cầm tay, nước làm sạch, máy lọc nước, và
các vật liệu xây lò phản ứng. Ở Hoa Kỳ, Ủy ban điều phối hạt nhân (Nuclear Regulatory
Commission) đã cố gắng xét lại để cho phép giảm các vật liệu phóng xạ thấp đến mức giống
với chất thải thông thường như thải vào bãi thải, tái sử dụng... Hầu hết chất thải phóng xạ
thấp có độ phóng xạ rất thấp và người ta chỉ quan tâm đến chất thải phóng xạ liên quan đến
mức độ ảnh hưởng lớn của nó.
Các chất thải phóng xạ “mức cao” nói chung là những chất có nguồn gốc từ lõi lò phản
ứng hạt nhân hoặc các chất nổ hạt nhân như urani, plutoni, các mảnh phân hạch và các chất
phóng xạ nhân tạo đứng sau urani. Các chất này lại có thể chia làm hai nhóm nhỏ: Nhóm các
mảnh phân hạch và nhóm các đồng vị siêu urani. Nhóm các mảnh phân hạch thường trải qua
các chuỗi phân rã α, β và γ để rồi cuối cùng trở thành các đồng vị bền. Nói chung, sau 1000
Trang 2/16


năm chúng có mức phóng xạ rất thấp. Để đạt tới mức phóng xạ hầu như là vô hại này, nhóm
siêu urani phải cần tới 500.000 năm, thêm vào đó quá trình toả nhiệt có thể kéo dài trên 200
năm. Điển hình các chất thải phóng xạ thuộc nhóm thứ nhất là Te-99 (2.106 năm), I-129
(16.107 năm). Đại diện của các chất nhóm 2 là Pu-239 (24.000 năm), Pu-240 (6.500 năm) và
Am-243 (7.300 năm).
Nguyên liệu đã qua sử dụng có tính phóng xạ rất cao và phải rất thận trong trong khâu
vận chuyển hay tiếp xúc với nó. Tuy nhiên, nguyên liệu hạt nhân đã sử dụng sẽ giảm khả
năng phóng xạ sau hàng ngàn năm. Có khoảng 5% cần nguyên liệu đã phản ứng không thể sử
dụng lại được nữa, vì vậy ngày nay các nhà khoa học đang thí nghiệm để tái sử dụng các cần
này để giảm lượng chất thải. Trung bình, cứ sau 40 năm, dòng phóng xạ giảm 99,9% so với
thời điểm loại bỏ nguyên liệu đã sử dụng, mặc dù nó vẫn còn phóng xạ nguy hiểm.

Nhiên liệu đã qua sử dụng được xếp vào loại chất thải có tính phóng xạ mật độ cao. Đó là
do sự tăng dần các sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ cao khi nhiên liệu được dùng trong
lò phản ứng. Khi nhiên liệu đã qua sử dụng được loại khỏi lò phản ứng và được thay bằng
nhiên liệu mới, nó phải tích trữ một thời gian trong bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng. Nhiên

liệu đã qua sử dụng phải được giữ dưới nước do nhiệt được tạo ra bởi sự phân rã các sản
phẩm phân hạch, đồng thời nhằm giới hạn mức độ phóng xạ trong khu vực bể chứa. Các bể
chứa thường được đặt tại chỗ. Tuy nhiên, tùy vào lượng nhiên liệu mà các nhà máy năng
lượng phải dự trữ, có thể có thêm các bể chứa bổ sung. Hiện nay vẫn chưa có một thiết bị xử
lý dành cho chất thải có tính phóng xạ cao mang tính thương mại.
Sau vài năm, sự giảm nhiệt được tạo ra bởi sự phân hủy của các sản phẩm phân hạch đủ
để cho phép sự lưu trữ nhiên liệu đã qua sử dụng được làm mát bằng không khí, sấy khô bằng

Trang 3/16


thiết bị lưu trữ trên mặt đất. Các thiết bị này phải được thiết kế để loại bỏ nhiệt từ nhiên liệu
đã qua sử dụng và được thiết kế để hạn chế sự phóng xạ của những khu vực xung quanh thiết
bị này.

Hình minh họa ở trên là một phần cắt ngang của thiết bị lưu trữ (HSM) với ống đựng bảo vệ.

Nhiên liệu sẽ được để bên trong hộp, sau đó sẽ được đặt bên trong thiết bị lưu trữ.
Đây chỉ là một trong một số mẫu thiết kế của việc lưu trữ nhiên liệu khô, một số bộ phận theo
mặt cắt ngang và dọc.
Việc lưu giữ và thải chất thải hạt nhân an toàn vẫn còn là một thách thức và chưa có một
giải pháp thích hợp. Vấn đề quan trọng nhất là dòng chất thải từ các nhà máy năng lượng hạt
nhân là nguyên liệu đã qua sử dụng. Một lò phản ứng công suất lớn tạo ra 3 mét khối (25–30
tấn) nguyên liệu đã qua sử dụng mỗi năm. Nó bao gồm Urani không chuyển hóa được cũng
như một lượng khá lớn các nguyên tử thuộc nhóm Actini (hầu hết là Plutoni và Curi). Thêm
vào đó, có khoảng 3% là các sản phẩm phân hạch. Nhóm Actini (Urani, Plutoni, và Curi) có
tính phóng xạ lâu dài, trong khi đó các sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ ngắn hơn.

Trang 4/16

III.

Một số phương pháp xử lý chất thải hạt nhân

1. Đưa vào không gian (Disposal in outerspace)
Có ba lý do tốt để gửi chất thải hạt nhân vào không gian. Đầu tiên, nó là an toàn. Thứ hai,
không gian xử lý tốt hơn so với việc chôn cất dưới lòng đất. Thứ ba, cuối cùng nó có thể mở
rộng ra cánh cửa cho việc chinh phục không gian của con người.

Vũ trụ là nơi có hoạt động phóng xạ mạnh, nhưng cũng hấp thụ phóng xạ

Chất thải sẽ được đóng gói để nó có thể sẽ vẫn còn nguyên vẹn dưới hầu hết các kịch bản
tai nạn có thể tưởng tượng. Một tên lửa hay tàu con thoi không gian sẽ được sử dụng để khởi
động các chất thải đóng gói vào không gian. Có một số điểm đến cuối cùng cho chất thải đã
được xem xét, bao gồm cả chỉ đạo nó vào mặt trời. Nỗi lo về chất thải hạt nhân sẽ tan biến và
không thể gây hại cho con người nếu chúng ta có thể đưa chúng vào hệ mặt trời, hay “thả”
vào mặt trời. Bằng cách giữ cho hệ thống khởi động trên mặt đất thay vì đặt nó trên xe, thiết
kế và xây dựng các container không thể phá vỡ và sắp xếp nhiều lớp phòng ngừa rủi ro,
chúng ta có thể hoạt động một cách đúng đắn và an toàn. Tuy nhiên phương pháp xử lý chất
thải này chỉ có thể thích hợp cho chất thải phóng xạ “mức thấp” (LLW) hoặc nhiên liệu đã
qua sử dụng (tức là tồn tại lâu dài vật liệu phóng xạ cao là tương đối nhỏ về khối lượng). Câu
hỏi đã được điều tra tại Hoa Kỳ bởi NASA vào cuối năm 1970 và đầu những năm 1980. Bởi
vì chi phí cao của giải pháp này và các khía cạnh an toàn liên quan với nguy cơ thất bại khởi
động, giải pháp này đã bị bỏ. Hiện nay chỉ có máy phát điện đồng vị phóng xạ nhiệt (TRGs)
có chứa một vài kg Pu-238 được đưa ra bởi NASA.
Nhưng nếu các vụ phóng tàu để đưa ra các chất thải hạt nhân vào không gian thất bại, hậu
quả sẽ khôn lường như thế nào?
Khi tàu phóng rơi xuống các đại dương, phát nổ trên vùng thượng quyển… hậu quả với
con người, sinh vật trên Trái Đất là khôn lường. Do đó, việc đưa chất thải ra ngoài vũ trụ cần

được cân nhắc.
Thậm chí, giả sử việc phóng ra ngoài không gian thành công theo đúng lộ trình và an
toàn, rất có thể một ngày nào đó, những chất thải đó có thể quay trở lại.

Trang 5/16


2. Chôn sâu lòng đất (Deep boreholes)

Trong khoảng thời gian dài mà một số chất thải vẫn còn độ phóng xạ dẫn đến ý tưởng về
xử lý chất thải hạt nhân bằng cách chôn sâu trong các kho dưới lòng đất tạo thành các dạng
địa chất ổn định. Sự ngăn cách được tạo bởi sự kết hợp của sự cản trở do trong thiết kế và
trong tự nhiên (đá, muối, đất sét) và có nghĩa vụ tích cực trong việc duy trì không cho các
thiết bị được vượt quá giới hạn đến các thế hệ trong tương lai. Sự ngăn cách này thường được
gọi với khái niệm “nhiều ngăn cách” (multi – barrier), với bao bì thải, kho thiết kế và địa
chất, tất cả các cung cấp các sự ngăn cách này để ngăn chặn các hạt nhân phóng xạ đến con
người và môi trường.
Kho lưu trữ bao gồm các đường hầm khai thác hoặc các hang động sẽ được đặt vào đó
các chất thải đóng gói. Chất thải rắn đóng gói sẽ được đặt trong các lỗ khoan sâu khoan từ bề
mặt tới độ sâu vài km với đường kính thường ít hơn 1 mét. Các thùng chứa chất thải sẽ được
ngăn cách với nhau bởi một lớp bentonite hoặc xi măng. Các lỗ khoan sẽ không được hoàn
toàn đầy các chất thải. Khoảng trên 2 km sẽ được niêm phong với các vật liệu như nhựa
đường, bentonite hoặc bê tông.
Việc khai quật một kho lưu trữ sâu dưới lòng đất phải sử dụng công nghệ khai thác hoặc
công nghệ kĩ thuật dân dụng được giới hạn đến các địa điểm có thể (ví dụ như dưới đất hoặc
gần bờ), để khai quật ổn định hợp lý và không có dòng nước ngầm lớn thì độ sâu từ 250m
đến 1000m. Ở độ sâu lớn hơn 1000m, việc khai quật có thể trở nên ngày càng khó khăn nên
rất tốn kém.
Việc chôn chất thải hạt nhân xuống sâu dưới lòng đất là một lựa chọn ưa thích của nhiều
quốc gia, bao gồm Argentina, Australia, Bỉ, Cộng hòa Séc, Phần Lan, Nhật Bản, Hà Lan, Hàn

Quốc, Nga, Tây Ban Nha, Thụy Điển, Thụy Sĩ và Mỹ. Tuy nhiên, nó sẽ được chôn như thế
nào là câu hỏi gây ra sự tranh cãi. Do đó, có nhiều thông tin về các phương pháp xử lý khác
nhau. Mục đích xây dựng kho lưu trữ địa chất đối với ILW (Internmediate Level Radioactive
Waste) tồn tại lâu dài mà hiện tại đang được cấp giấy phép cho các hoạt động xử lý ở Mỹ. Kế
hoạch xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng được nâng cao ở Phần Lan, Mỹ và Thụy Điển. Tại
Trang 6/16