Lật lại thảm họa
Theo giờ địa phương, vào 14 giờ 46 phút chiều 11/3/2011, một trận động đất lớn đã tấn công miền Đông Bắc Nhật Bản. Trận động đất 9 độ richter kết hợp với sóng thần kéo dài khoảng 3 phút đã khiến phần đáy biển dài 650km dịch chuyển 10 - 20m theo chiều ngang. Trong khi đó, Nhật Bản bị lệch vài mét về phía Đông và đường bờ biển địa phương bị sụt lún 0,5m.
Vào thời điểm động đất, nhà máy điện hạt nhân Fukushima Dai-ichi, nằm cách thủ đô Tokyo khoảng 225km về phía Đông Bắc, vẫn bình an vô sự. Nhưng khoảng 40 phút sau, nhà máy bị nhấn chìm bởi cơn sóng thần cao 15m.
Ba lò phản ứng đang hoạt động đã tự động tắt sau trận động đất nhưng đợt sóng lớn đã vô hiệu hóa các nhà máy phát điện diesel, nguồn cung cấp điện dự phòng cho hệ thống làm mát trong lò phản ứng.
Khi hệ thống làm mát ngừng hoạt động, lõi nhiên liệu hạt nhân tan chảy, gây ra vụ nổ hydro với cường độ mạnh. Sự cố nhà máy điện hạt nhân Fukushima đã phá huỷ các tòa nhà, giải phóng bức xạ và rò rỉ chất phóng xạ ra không khí.
Trong hầu hết lò phản ứng thương mại, một thanh nhiên liệu hạt nhân được cấu tạo từ các viên nhiên liệu uranium-dioxide xếp chồng lên nhau, bọc trong một ống dài làm bằng hợp kim zirconium.
Hợp kim này có khả năng chống ăn mòn, chịu được bức xạ nên giống như rào chắn cho uranium-dioxide. Các thanh nhiên liệu đặt nằm trong nước ở nhiệt độ khoảng 300 độ C được làm mát nhờ hệ thống.
Tuy nhiên, nếu hệ thống làm mát gặp trục trặc, zirconium tiếp xúc trực tiếp với nước tại nhiệt độ cao và bị biến đổi thành oxit zirconium. Rào chắn sẽ trở nên giòn, có thể bị nứt và không còn khả năng bảo vệ nhiên liệu bên trong.
Ông Jonathan Cobb, Giám đốc truyền thông của Hiệp hội Hạt nhân thế giới, giải thích zirconium chính là nguyên nhân gây ra các vụ nổ trong sự cố Fukushima. Ở nhiệt độ cao, zirconium phản ứng với nước tạo ra hydro gây ra các vụ nổ.
Nhu cầu cải tiến “rào chắn”
Sau vụ việc này, các chuyên gia trong ngành công nghiệp hạt nhân bắt tay nghiên cứu khái niệm “nhiên liệu tiên tiến” nhằm tăng khả năng chịu đựng của các lò hạt nhân. Mục tiêu là tạo ra nhiên liệu có thể chịu được bất kỳ tác động nào trong lò phản ứng hoặc đối phó với các thảm họa thiên nhiên khó đoán trước.
Tại Mỹ, ý tưởng này được Bộ Năng lượng (DOE) phát triển thành Chương trình Phát triển nhiên liệu đối phó tai nạn. Ra mắt năm 2012, dự án đặt mục tiêu đến năm 2022 sẽ ra mắt sản phẩm thử nghiệm.
Ban đầu, các chuyên gia hướng đến cải tiến ống bọc bằng cách phủ chất crom lên ống để ngăn zirconium tiếp xúc trực tiếp với nước ở nhiệt độ cao. Ưu điểm của kế hoạch này là không phải nghiên cứu lại từ đầu mà có thể cải tiến các nghiên cứu đã có sẵn và được sử dụng phổ biến trong các lò hạt nhân trên thế giới. Crom có thể gây nhiễu loạn không đáng kể lên thông số hoạt động của lò phản ứng.
Từ năm 2012, các tấm ốp phủ crom được đưa vào sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân thương mại. DOE đã ký hợp đồng với ba công ty Framatome, Westinghouse và GE Research để sản xuất nhiên liệu chịu tai nạn. Nhưng crom không thể ngăn chặn hoàn toàn các vụ nổ mà chỉ giúp làm chậm phản ứng sau khi lò hạt nhân gặp sự cố.
Brent Heuser, kỹ sư hạt nhân tại Trường Đại học Illinois, Mỹ, giải thích nghiên cứu về crom giúp các chuyên gia xác định có bao nhiêu thời gian để giải cứu các lò hạt nhân. Crom có thể làm chậm phản ứng hạt nhân trong vài giờ, thời gian tương đối đủ để những người vận hành lò khắc phục sự cố.
Ngoài crom, các chuyên gia thử nghiệm phương án khác như thay đổi hoàn toàn chất liệu vỏ bọc. Họ đã nghĩ tới vật liệu tổng hợp silicon-cacbua, gần giống với gốm, có khả năng chịu được nhiệt độ cao lên đến khoảng 800 độ C. Nhưng việc chế tạo vật liệu này thành những ống mỏng, dài 4m là thách thức.
Số khác phủ lên vỏ bọc zirconium hai hợp kim làm từ sắt, gọi là IronClad và ARMOR. Trong tình trạng mất điện tương tự như Fukushima, vật liệu này có thể làm chậm phản ứng hạt nhân từ 3-6 giờ. Năm 2018, vật liệu này được lắp đặt trong lò phản ứng thương mại tại Nhà máy điện hạt nhân Hatch, bang Georgia, Mỹ.
Tìm kiếm nhiên liệu mới
Các lò hạt nhân cũng có thể chịu đựng thiên tai bất thường nếu thay đổi nhiên liệu uranium-dioxide nằm trong ống bọc zirconium. Tuy nhiên, nghiên cứu này đòi hỏi phải thay đổi toàn bộ nhiên liệu đang được sử dụng, tìm ra nhiên liệu mới có chất lượng tốt nên tốn thời gian và công sức hơn.
Chuyên gia Sooby Wood, làm việc tại Trường Đại học Texas, Mỹ, cân nhắc sử dụng nhiên liệu uranium silicide thay thế cho uranium dioxide truyền thống. Về bản chất, uranium silicide phản ứng ngược với hệ thống làm mát nhưng nó dẫn nhiệt tốt hơn uranium dioxide. Vì thế, trong các vụ tai nạn, nó có thể chịu đựng tốt hơn uranium dioxide.
Ở giai đoạn hiện tại, nhiên liệu này mới dừng ở phạm vi nghiên cứu và điều chế cơ bản. Nếu thành công, cô Sooby cho biết uranium silicide có thể tiết kiệm nhiên liệu vì sử dụng mật độ uranium cao, tạo ra công suất cao.
Tuy nhiên, nhà khoa học người Mỹ, Edwin Lyman, đánh giá, dù ý tưởng về nhiên liệu có khả năng chịu tai nạn nghe khả thi, ông vẫn thất vọng với những kết quả đạt được trong 10 năm qua.
Ở Mỹ, nhiều chuyên gia đã rời bỏ mục tiêu an toàn ban đầu mà tập trung tìm cách làm giảm chi phí hoạt động trong các lò phản ứng. Việc làm chậm phản ứng trong lò hạt nhân không tạo ra bước an toàn đáng kể bởi xác suất lõi hạt nhân tan chảy là rất cao.
