Những điều bạn cần biết về thảm họa hạt nhân của Nhật Bản

Ars Technica vừa có một bài viết rất hay cung cấp cho chúng ta những thông tin tổng quan về những gì đang diễn ra trong lò phản ứng hạt nhân Fukushima ở Nhật Bản và phương thức các lò này hoạt động.

Xin phép được dịch bài viết này để các bạn gạt bỏ những lo ngại vô căn cứ do tình trạng thiếu thông tin hoặc có những thông tin sai lệch trước đây.



Đâu là bản chất của phản ứng hạt nhân?
Các phản ứng hạt nhân xảy ra bởi sự phân tách các nguyên tố phóng xạ, chủ yếu là uranium. Có rất nhiều sản phẩm được tạo ra sau các phản ứng này nhưng chỉ có 1 sản phẩm tạo ra được năng lượng chính là nhiệt độ. Người ta đã sử dụng nhiều cách để tạo ra năng lượng từ nhiệt độ nhưng phương pháp phổ biến nhất lại tương tự với nguyên tắc của một đầu máy hơi nước cổ điển: dùng nhiệt lượng thu được đun sôi nước và sử dụng áp lực thu được này để chạy máy phát điện.

Các hiện tượng phóng xạ làm cho việc tạo năng lượng đơn giản hơn và cũng phức tạp hơn. Vì sao lại đơn giản hơn? sự phân tách hạt nhân sẽ được thực hiện dưới nước, chính vì vậy người ta chỉ cần đưa những nhiên liệu hạt nhân vào nước là đã có thể tạo ra nhiệt lượng.

Tuy nhiên, hiện tượng phóng xạ cũng rất phức tạp và rất khó được kiểm soát. Cho dù nguyên liệu được giữ trong những thanh kín nhưng không gì có thể ngăn cản dòng nước chảy vào sẽ mang theo một số chất đồng vị phóng xạ, hệ quả là bạn sẽ không thể xả dòng nước này ra ngoài môi trường mà buộc phải giữ kín nó trong một vòng tuần hoàn khép kín. Nước và các thanh nhiên liệu được giữ kín dưới áp suất cao trong hàng loạt các đường ống được kết nối với nhau để tạo ra hơi nước hoặc nước nóng cho máy phát điện hoạt động, sau đó chúng sẽ được phun trở lại lõi của lò phản ứng để giữ cho lò luôn mát.

Việc phun nước trở lại lò phản ứng hoàn toàn không tạo ra năng lượng nhưng nó là một quy trình bắt buộc để giữ cho lò hoạt động bình thường. Nếu không kiểm soát được vấn đề này, nhiệt độ trong nhân sẽ tăng một cách nhanh chóng, làm tan chảy nhiên liệu và các kết cấu bao bọc.

Phản ứng phân tách:

Về phần mình, các đồng vị uranium sử dụng trong phản ứng hạt nhân sẽ bị phân hủy chậm chạp để tạo ra những nhiệt lượng rất nhỏ. Chính sản phẩm của sự phân hủy là neutron mới tạo ra năng lượng chứ bản thân uranium không tự thực hiện việc này. Neutron được tạo ra từ sự phân hủy của uranium sẽ tác động làm cho các nguyên tử khác chia tách, tiếp tục tạo ra những neutron khác và cứ thế để làm tăng mật độ neutron lên. Đến mục lúc nào đó, chuỗi sản phẩm neutron-neutron này quá dày đặc và sẽ tạo ra một vụ nổ hạt nhân. Tuy nhiên, chừng nào còn ở trong lò phản ứng thì vụ nổ này hoàn toàn không nguy hiểm vì mật độ nguyên liệu vẫn được giữ ở mức thấp. Hơn nữa, tốc độ phân tách hoàn toàn có thể được kiểm soát bằng cách thêm vào hay bỏ bớt các thanh chứa những nguyên tố hút neutron như boron.

Cho dù vậy, việc kiểm soát sự phân tách uranium ở những pha sau của phản ứng cũng không gây ảnh hưởng đến những sản phẩm đã tạo ra trong các pha đầu. Rất nhiều các nguyên tố được tạo ra từ sự phân tách uranium cũng là các chất phóng xạ và chúng tự động phân tách mà không cần sự can thiệp của các neutron. Các neutron từ uranium thậm chí còn có thể bị hấp thụ bởi các nguyên tử khác hoặc dòng nước làm lạnh lò hạt nhân, biến đổi chúng thành các đồng vị phóng xạ. Hầu hết các chất phóng xạ phát sinh này sẽ tự phân hủy chỉ trong vài ngày nên nó không phải là một vấn đề lớn. Tuy nhiên, chúng ta vẫn phải cẩn thận vì kể cả khi phản ứng hạt nhân bị ngắt bởi các thanh điều khiển thì lượng phóng xạ còn lại vẫn còn đủ để chúng nóng trong một thời gian dài nữa.

Tất cả những lý do trên làm cho hệ thống làm lạnh trở nên cực kỳ cần thiết với một nhà máy điện hạt nhân. Tiếc rằng hệ thống ở nhà máy Fukushima Daiichi lại gặp quá nhiều rắc rối và hoạt động không như mong đợi.

Sống sót qua cơn động đất nhưng sóng thần đã dập nát tất cả:
Vì hệ thống làm lạnh mang ý nghĩa sống còn, các kỹ sư thiết kế đã phải tạo ra nhiều lớp dự phòng khác nhau nhằm bảo đảm các máy bơm nước hoạt động liên tục. Trong trường hợp phản ứng hạt nhân bị ngắt bên trong thì hệ thống máy bơm vẫn có thể hoạt động nhờ vào năng lượng dự phòng bên ngoài. Tiếc rằng trận động đất 9 độ richte đã làm phá sản kế hoạch này, cách ly nhà máy Fukushima với mọi nỗ lực kết nối nguồn điện bên ngoài. Trận động đất này cũng đồng thời làm tắt các phản ứng hạt nhân, ngắt nguồn điện cần thiết để máy bơm hoạt động. Khi này, các kỹ sư phải kích hoạt hệ thống dự phòng cho phép đốt nguyên liệu hóa thạch (diezen)nhằm tạo cung cấp năng lượng cho máy bơm.

Thật đáng tiếc, bước dự phòng này chỉ tồn tại được vài phút trước khi cơn sóng thần ập vào và làm ngập toàn bộ hệ thống. Pin được đưa vào để thực hiện các biện pháp dự phòng trước đó nhưng nó cũng thất bại, không thể giúp máy bơm ở Fukushima hoạt động. Các máy phát điện bổ sung cũng không thể chuyển đến kịp thời vì phạm vi của thảm họa là quá rộng và chúng cũng không thể kích hoạt máy bơm hoạt động trở lại.

Hệ quả như chúng ta đã biết, cho dù hầu hết các phản ứng uranium đã bị ngắt ngay sau trận động đất nhưng nhân của nó vẫn tiếp tục nóng lên vì sự phân hủy từ đồng vị phóng xạ được tạo ra qua những phản ứng trước đó, điều mà chúng ta đã nhắc ở trên.

Những khả năng xấu:
Không có thể thống giải nhiệt, có rất nhiều khả năng xấu sẽ xảy ra với các lò phản ứng hạt nhân. Nhiệt lượng từ lò tỏa ra sẽ làm nước nóng lên, tạo ra hơi nước bên trong bình chứa, nâng cao áp lực và có thể làm vỡ bình ở một điểm nào đó. Tuy lớp bảo vệ bên ngoài vẫn có thể giới hạn sự phát tán các nhiên liệu hạt nhân ra ngoài nhưng sự đứt vỡ này vẫn có thể làm hỏng tất cả mọi hy vọng phục hồi hệ thống làm lạnh. Trong trường hợp xấu nhất thì toàn bộ lõi của lò phản ứng chứa các thanh nhiên liệu hạt nhân sẽ phơi bày ra ngoài không khí mà không còn được nước bao bọc nữa.

Khi đã “phơi” ra ngoài không khí, nhiệt độ của lõi hạt nhân sẽ càng tăng cao nữa vì không khí không thể giải nhiệt tốt như nước. Đến một lúc nào đó, nhiệt độ đạt 2865 độ C thì nhân bên trong sẽ bắt đầu bị nóng chảy. Một trong những hậu quả khác của việc các lõi hạt nhân phơi bày trong không khí là lớp bảo vệ Zirconium của các thanh nhiên liệu có thể bị phản ứng với hơi nước, giảm sự nguyên chất của chúng và tạo ra hydro.

Người ta đã sử dụng 2 phương thức để xử lý vấn đề này, đầu tiên là bơm nước biển vào để giải nhiệt cho hệ thống làm lạnh trong lò. Tuy nhiên, đây là một điều đặng chẳng đừng vì nước biển sẽ nhanh chóng ăn mòn các kim loại trong lò, người ta buộc phải thay mới hoàn toàn nếu muốn lò hoạt động trở lại sau này. Hơn nữa, những thành phần phức tạp của nước biển cũng rất khó để được tẩy sạch hoàn toàn. Để cẩn thận hơn, nước biển bơm vào lò không phải là nước biển nguyên chất mà chúng được trộn thêm Boron nhằm hấp thụ neutron trong lò.

Phương pháp thử 2 là cố gắng làm giảm áp lực ra khỏi lò, qua đó giảm nguy cơ làm lò phát nổ dưới áp suất cao. Tuy vậy, đây cũng là một phương thức không mong muốn vì lượng hơi nước bị giảm có thể chứa các tác nhân phóng xạ. Việc rút không khí ra khỏi lò để làm giảm áp ực cũng đồng thời làm xuất hiện những dấu hiệu đầu tiên về việc các chất phóng xạ đã bị thoát ra ngoài. Hydro đồng thời được thoát ra sẽ phản ứng với oxy ngoài không khí và bùm, vụ nổ xảy ra đã thổi bay nóc tòa nhà chứa lò hạt nhân.

Thật may mắn khi vụ nổ giữa hydro và oxy đã không ảnh hưởng đến phần bảo vệ bên trong lò nên phần lớn các nhiên liệu hạt phân vẫn được giữ an toàn. Tuy nhiên, người ta vẫn phải lo ngại về những vụ nổ khác có thể sẽ làm hỏng phần bảo vệ.

Vụ nổ cũng đồng thời hé lộ một sự thật đáng sợ: mực nước trong lò đã bị hạ xuống rất thấp, nếu không thì hydro không thể được tạo ra. Các kỹ sư cho rằng một phần thanh nhiên liêu đã bắt đầu tan chảy.

Trong trường hợp xấu nhất, toàn bộ khối nhiên liệu bị tan chảy và nó có thể tiếp xúc với sàn lò phản ứng, đục thủng lớp bảo vệ này nếu đủ nóng và tiếp tục chảy xuống các tầng bảo vệ tiếp theo. Nếu gặp nước, phần nhiên liêu tan chảy sẽ tương tác, tạo ra một vụ nổ lớn đi kèm với hơi nước nhiễm phóng xạ. Vụ nổ và cháy này rất có khả năng sẽ tương tác với những lò phản ứng hạt nhân gần đó trong trường hợp không ngăn chặn kịp.

Một trường hợp đáng nguy hiểm khác thực ra lại không xảy ra bên trong lò phản ứng của Nhật Bản mà nó nằm ở khu vực khác, khu vực chứa các thanh nhiên liệu dự trữ. Người ta cho rằng chính những vụ nổ cũng đồng thời làm thất thoát một lượng lớn nước dùng để giữ cho các thanh nhiên liệu mát trong các bể chứa dự trữ. Hệ quả là nhiệt độ của các thanh nhiên liệu này cũng nhanh chóng tăng lên và cũng có thể gây ra các vụ nổ khác vì khí hydro được sinh ra tiếp xúc trực tiếp với oxy. Xin hãy nhớ là khu vực dự trữ các thanh nhiên liệu này không được khép kín hoàn toàn như các lò phản ứng hạt nhân mà chúng dễ dàng tiếp xúc với không khí. Có lẽ đây chính là thủ phạm chính của những rò rỉ phóng xạ trong thời gian gần đây mà không phải là các lò phản ứng hạt nhân. Các chuyên gia và quân đội Nhật Bản đã có gắng làm mát toàn bộ nhà máy bằng các túi nước thả xuống từ trực thăng hay các phương tiện cứu hóa truyền thống nhưng hy vọng thật quá mong manh.

Tình hình hiện tại:
Trong thời điểm hiện tại thì các nguyên tố phóng xạ có thời gian tồn tại lâu đều được giữ bên trong 5 lớp bảo vệ an toàn của nhà máy hạt nhân Fukushima và người ta chủ yếu phát hiện ra các đồng vị phóng xạ có thời gian tồn tại ngắn vốn là sản phẩm của đợt phân rã thứ 2.

Dù cho một số cơn gió đã mang những đồng vị phóng xạ của Fukushima bay đi xa nhưng như đã nói ở trên, chúng dễ bị bị phân hủy trong một thời gian ngắn. Hơn nữa, hầu hết các nguy hiểm chỉ diễn ra ở khu vực nhà máy và những vùng lân cận nó. Trong một vài thời điểm thì lượng phóng xạ ở đây đạt mức nguy hiểm nhưng chúng lại nhanh chúng sụt giảm. Hiện tại chính phủ Nhật Bản đã giới hạn và sơ tán các khu vực này nên cuộc sống của nhân dân đã bớt nguy hiểm đi.

Tại thời điểm này thì mọi nỗ lực của các kỹ sư nhà máy Fukushima là nhằm giữ cho các lò phản ứng hạt nhân nguội đi nhưng nồng độ phóng xạ tăng quá cao đã làm họ không thể tiếp xúc quá lâu. Dù chỉ làm việc 15 phút rồi đổi ca nhưng chắc chắn sức khỏe của các kỹ sư sẽ bị ảnh hưởng rất nhiều trong thời gian sau này.

Dù vậy, vẫn có 1 tin tốt làm an lòng chúng ta, đó chính là nếu cứ mỗi ngày trôi qua mà không xảy ra thảm họa, các đồng vị phóng xạ sẽ dần bị phân hủy và hạ thấp mức độ nguy hiểm của toàn bộ thảm họa này. Dù vậy thì việc khó tiếp cận với các lò phản ứng cũng gây ra khá nhiều rắc rối. Hy vọng duy nhất hiện nay nằm ở việc kịp thời đưa nước biển vào các lò phản ứng và khu nhiên liệu dự trữ để làm nguội chúng. Thật đáng buồn khi ngày hôm qua thì cơ quan nguyên tử Nhật đã nâng mức độ trầm trọng của sự việc này lên mức 5, mức nguy hiểm rộng rãi. Chừng nào mà mức nguy hiểm này vẫn còn nằm ở con số 5 thì chúng ta vẫn còn hy vọng.

Sự kiện nguyên tử ở nhà máy Fukushima là một sự kiện độc nhất vô nhị trong lịch sử thế giới, hết tai nạn này đến tai nạn khác ập đến mà không ai có thể dữ báo trước được. Toàn bộ các phương án dự phòng bị liên tiếp bị phá vỡ bởi thiên tai cũng là một điều cần cân nhắc kỹ trong những nhà máy xây dựng sau này. Điều trớ trêu ở đây lại là Fukushima đã xây dựng được 40 năm và một trong các lò phản ứng của nó sẽ bắt đầu được nghỉ hưu ngay từ năm nay. Dù gì đi nữa, Fukushima vẫn chỉ là 1 sự kiện mang tính cục bộ và hoàn toàn không có khả năng gây ảnh hưởng đến Việt Nam như những thông tin mưa a xít... như một số người đồn thổi.