ĐIỆN HẠT NHÂN

Sự cố tại Fukushima I qua cái nhìn chuyên gia

TS. Hà Ngọc Tuấn

Tiến sĩ ngành kháng chấn Hà Ngọc Tuấn, làm việc tại Nhật trong thời gian xảy ra thảm hoạ động đất sóng thần, sự cố hạt nhân.

Sơ lược về nhà máy điện nguyên tử Fukushima

Nhà máy Fukushima 1 thuộc thế hệ đầu tiên của ngành năng lượng hạt nhân của Nhật. Nó được xây dựng và đưa tổ máy số 1 vào vận hành vào tháng 3/1971, chỉ hơn tôi có vài tháng tuổi và với tuổi đời này người ta vẫn nghĩ có thể mọi thứ đã hết hạn sử dụng. Thực tế thì không phải như vậy!

40 đến 50 năm là tuổi đời thiết kế của nhà máy điện nguyên tử. Nhà máy như thế này qua rất nhiều lần bảo dưỡng kiểm tra định kỳ theo qui định nghiêm ngặt của Nhật. Có lẽ chỉ các kết cấu bê tông cốt thép và phần lò phản ứng là không thay đổi, tất cả các hệ thống khác liên quan đến vận hành và an toàn nhà máy đã được thay bởi thế hệ thiết bị mới chế tạo trong 40 năm qua.

Loại lò sử dụng trong nhà máy này là Boiling Water Reactor (BWR) hay có thể tạm gọi là lò phản ứng nước sôi. Các nhà máy của điện lực Tokyo (TEPCO) sử dụng loại lò này. Một loại lò khác cũng được sử dụng ở Nhật là Pressurized water reactors (PWR) hay gọi là Lò áp lực nước.

Fukushima 1 có 6 tổ máy với tổng công suất lên đến 4696MW, gấp gần 3 lần công suất nhà máy thủy điện Hòa Bình của chúng ta. Tổ máy đầu tiên do General Electric (GE) của Mỹ sản xuất, nhưng sau đó người Nhật đã tự chế tạo được lò cho mình. Toshiba là hãng có lịch sử gắn bó lâu dài với điện lực Tokyo và họ cung cấp lò cho hãng này.

 

Nhiên liệu hạt nhân và lò phản ứng

Câu trả lời tất nhiên là do động đất và sóng thần. Dù được thiết kế từ hơn 40 năm trước, nhà máy Fukushima I có khả năng chống động đất ở mức cao nhưng không phải cho một trận 9.0 độ Richter như thế này. Để trả lời được phần nào những câu hỏi liên quan đến tai nạn, tôi thấy cần phải nói qua về cấu tạo và nguyên lý vận hành của lò phản ứng nhà máy Fukushima này.

Nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân là chất uranium. Khoáng uranium thiên nhiên sẽ được tinh chế để làm ra thỏi nhiên liệu (pellet) như thấy ở hình trên. Kích thước thỏi hình trụ này là 10x10mm nặng khoảng 10gram với thành phần gồm uranium 235 và 238 trộn với tỷ lệ thích hợp. 350 thỏi nhiên liệu này được nhồi vào một thanh nhiên liệu (fuel rod). Các thanh nhiên liệu lại được bó thành bó nhiên liệu (fuel assembly). Rồi các bó nhiên liệu được đưa vào lò phản ứng (reactor). Chẳng hạn ở tổ máy số 1 của Fukushima 1 có 400 bó nhiên liệu như vậy.

Ngoài các bó nhiên liệu người ta còn đưa vào lõi lò các thanh điều khiển (control rod). Những thanh này làm bằng chất Boron có tính chất có thể "bắt" được các neutron là tác nhân gây ra phản ứng hạt nhân dây truyền (chain reactor). Dùng thanh này người ta có thể kiểm soát được mức độ phản ứng cũng như dừng hoàn toàn phản ứng trong lò.

Các bó nhiên liệu được đưa vào lò để khởi động phát điện khi đó người ta sẽ cho quá trình phản ứng dây chuyền có kiểm soát (giảm tốc độ và khống chế lượng neutron) diễn ra trong lò. Phản ứng dây chuyền xảy ra khi các hạt neutron bắn phá vào các nguyên tử uranium 235. Mỗi hạt neutron bắn vào một nguyên tử U235 sẽ khiến nó phân hạch tức là vỡ ra thành các nguyên tử nhẹ hơn và là sản phẩm của phản ứng dây chuyền (fission products).

Quá trình trên phát sinh ra nhiệt và sinh ra 2 neutron. Người ta sẽ dùng thanh điều khiển nói trên để "bắt" một neutron vừa phát sinh như vậy lượng neutron trong lò sẽ không đổi. Đây là điểm khác biệt căn bản giữa một quả bom nguyên tử và lò phản ứng nguyên tử. Ở vụ nổ nguyên tử sự phát sinh theo cấp số nhân của neutron trong phản ứng sẽ nhanh chóng sinh ra một phản ứng dây truyền không kiểm soát và lượng nhiệt khổng lồ trong dây lát. Một phản ứng có kiểm soát sẽ sinh lượng nhiệt như ý muốn của con người.

Khi "đốt" lò như thế nhiệt sẽ giải phóng xung quanh các thanh nhiên liệu. Người ta bơm nước vào lò để "đun". Nước có nhiệt độ và áp suất cao sẽ được chuyển thành hơi đẫn theo ống để "thổi" tuốc bin phát điện. Sau đó nước này được ngưng tụ bằng một hệ thống làm lạnh dùng nước biển và lại quay lại tâm lò trong một vòng tuần hoàn kín để không cho phóng xạ lọt ra ngoài.

Về nguyên tắc một nhà máy nhiệt điện thông thường và một nhà máy điện nguyên tử có nguyên lý vận hành như nhau chỉ khác ở chỗ là đun bằng "bếp" than hay "bếp" nguyên tử mà thôi.

Xin nhắc lại là quá trình phản ứng sinh ra các sản phẩm là các chất phóng xạ. Đây là điểm căn bản giải thích vì sao sau khi "tắt" lò vẫn nóng. Khi tắt lò thông thường hoặc do sự cố người ta sẽ đưa tất cả các thanh kiểm soát vào tâm lò khi đó phản ứng sẽ ngừng và không có nhiệt sinh ra từ phản ứng dây truyền nữa. Tuy nhiên các sản phẩm phản ứng là các chất phóng xạ (cesium và iodine là ví dụ) sinh ra do "đốt" lò vẫn tiếp tục quá trình phân rã phóng xạ (Radioactive decay). Như vậy hai bước quan trọng khi dừng lò là "tắt" lò và làm nguội.

 

Nguyên lý an toàn của lò phản ứng

Bài học mang tính giáo khoa cho thiết kế nhà máy nguyên tử là bảo vệ 5 lớp gồm:

Lớp 1: Thỏi nhiên liệu (pellet) được chế tạo nén cứng để các chất phóng xạ phát sinh luôn bị "nhốt" trong các thỏi này.

Lớp 2: Thanh nhiên liệu (fuel rod) có chức năng như vỏ kín "nhốt" các chất phóng xạ và khí phát sinh khi nó thoát ra khỏi các thỏi nhiên liệu.

Lớp 3: Lò phản ứng (reactor). Là một cái "nồi" thép có vỏ dày 16 cm bằng kim loại. Lò này ngăn các chất phóng xạ thoát ra ngoài khi phóng xạ thoát ra từ các thanh nhiên liệu.

Lớp 4: Thùng lò (pressure vessel) làm bằng kim loại có vỏ dày 3 cm. Trong trường hợp xấu nhất khi lò phản ứng "vỡ" thùng lò sẽ ngăn phóng xạ ra ngoài.

Lớp 5: Vỏ bê tông cốt thép. Đây là kết cấu bê tông cốt thép có bề dày 1,5 mét, được thiết kế với một mục đích duy nhất là khi tất cả thành phần kim loại nằm trong nó chảy ra trong một sự cố nóng chảy lò giống như ở nhà máy Three Mile Island của Mỹ vào tháng 3/1979 thì phóng xạ vẫn bị "nhốt" trong vỏ này.

Trên thực tế ở nhà máy Fukushima 1 còn có một lớp "áo" ngoài cùng là nhà lò. Kết cấu này chỉ có mục đích che các kết cấu bên trong khỏi tác động của thời tiết. Nhưng cũng cần nhấn mạnh rằng nó là kết cấu "kín bưng". Hai vụ nổ ở lò phản ứng số 1 và số 3 ở nhà máy Fukushima I đều xảy ra ở lớp ngoài cùng này. Các vụ nổ đó chưa làm ảnh hưởng đến lớp phòng vệ bên trong.

Nếu xem xét như trên thì chúng ta thấy vấn đề ở Fukushima 1 chưa đến mức nghiêm trọng và qui mô của vấn đề khó có thể lớn hơn được nữa. Theo thang đo INES (International Nuclear and Radiological Event Scale) của cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế sự cố này có cấp 4 trong thang 7 cấp, tức là sự cố có tính chất cục bộ. Cần nhắc đến là Chernobyl là sự cố có mức rất nghiêm trọng lớn nhất từ trước tới nay và xếp vào cấp 7. Cấp 6 là sự cố nghiêm trọng. Cấp 5 là sự cố có diện rộng trong thang đo này.

Theo VnExpress.net:

Cơ quan An toàn Hạt nhân Nhật Bản vừa nâng mức độ nghiêm trọng của cuộc khủng hoảng tại nhà máy điện hạt nhân từ cấp 4 lên cấp 5 trong thang đo quốc tế. Quyết định này được ông Ryohei Shiomi, người phát ngôn của Cơ quan An toàn Hạt nhân Nhật Bản, thông báo hôm nay (18/3/2011 – theo AP). Thang đo quốc tế về mức độ nghiêm trọng của sự cố hạt nhân có 7 cấp, trong đó những vụ tai nạn cấp 4 chỉ gây nên những hậu quả ở quốc gia. Cấp độ 5 được dành cho những sự cố có tác động trên phạm vi rộng hơn.

Theo tiêu chí quốc tế, đặc điểm của những vụ tai nạn hạt nhân cấp độ 5 là lõi lò phản ứng bị hư hại, giải phóng một lượng lớn chất phóng xạ ra ngoài, làm tăng nguy cơ phơi nhiễm phóng xạ và tử vong của người dân.

Với cấp độ mới, mức độ nghiêm trọng tại nhà máy Fukushima I tương đương với vụ tai nạn tại nhà máy Three Mile Island tại bang Pennsylvania, Mỹ năm 1979. Khi đó thanh nhiên liệu hạt nhân tại nhà máy Three Mile Island đã tan chảy một phần. Vụ nổ lò phản ứng số 4 của nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986 – phát tán bụi phóng xạ ra một khu vực có bán kính tới hàng nghìn km – được xếp ở cấp độ 7.

Hôm 15/3 Cục An toàn Hạt nhân Pháp xếp tai nạn ở nhà máy Fukushima I ở cấp độ 6.Trong khi đó, ông Guenther Oettinger, Cao ủy về năng lượng của Liên minh châu Âu (EU), nhận định tình hình tại nhà máy đã vượt khỏi khả năng kiểm soát của con người.

===========

Trục trặc ở hệ thống làm mát lò

Một nhà máy điện nguyên tử như Fukushima I được thiết kế chống động đất và tính toán đến ảnh hưởng của sóng thần rất tốt. Nó cũng được trang bị không phải một mà là nhiều hệ thống làm mát với nguyên lý làm việc khác nhau độc lập với nhau cùng với các nguồn điện độc lập. Nhiều kịch bản về sự cố được xây dựng để có các thủ tục đối phó.

Kịch bản ở Fukushima chính vì thế không mới. Điều bất ngờ là sóng thần quá lớn đã phá hỏng các máy phát điện dự phòng diezen nguồn năng lượng huyết mạch cho công tác làm lạnh. Trên thực tế các máy diezen ở nhà máy Fukushima I đều làm việc ngay những phút đầu tiên khi nhà máy mất điện lưới do động đất gây ra. Chúng hoạt động tốt cho đến khi sóng thần ập đến.

Dù thế không có nghĩa là mất hết nguồn điện. Mọi chuyện không đơn giản như thế! Các nhà thiết kế cũng đã tính cả đến khả năng này và họ đặt một nguồn điện khác trong vỏ lò nơi sóng thần không thể đến được. Nguồn này là pin có khả năng duy trì năng lượng cho các máy bơm của hệ thống làm mát lò trong 8 giờ với tính toán rằng với từng đó thời gian các nguồn cấp điện di động đã được vận chuyển đến nhà máy qua đường bộ. Và tính toán này diễn ra đúng kịch bản các pin này đã làm việc như thiết kế.

Tuy nhiên kịch bản bị vỡ ở một điểm là các xe phát điện di động của TEPCO không thể đến hiện trường sớm như dự tính. Bạn biết vì sao rồi đó. Làm gì còn đường xá cầu cống qua cơn sóng thần vừa rồi đó là cái không tính được! Nhưng họ vẫn đã đến chỉ có điều đến muộn. Và giống như bất kỳ vụ đến muộn nào khác sẽ có ai đó tức giận đến đỏ mặt. Nhiên liệu trong các lò không được làm mát do mất nguồn điện đã làm nước trong lò sôi lên bốc hơi và áp suất trong các lò đã tăng lên hơn nhiều so với thiết kế.

 

Nổ do phản ứng hóa học

Do không kịp bơm nước vào tâm lò để làm lạnh do mất nguồn điện cho hệ thống bơm nhiệt trong lò làm nước bốc hơi trong lò. Mực nước trong lò hạ xuống làm các thanh nhiên liệu không còn ngập hết trong nước nữa. Bên ngoài khu vực nhà máy lúc này đã phát hiện ra sự có mặt của sản phẩm phản ứng trong lò bao gồm các chất cesium (Cs) và iodine (I).

Điều này là cơ sở để phán đoán rằng nhiệt độ nhiên liệu đang rất cao vì các chất trên trong nhiên liệu đã bốc hơi và giải phóng ra ngoài khi nhóm vận hành buộc phải xả khí ra ngoài để bào vệ lò. Nếu như vậy nhiệt độ có thể cao hơn 2000 độ C vì nhiên liệu chỉ nóng chảy khi nhiệt độ đạt mức này. Điều này đồng nghĩa là vỏ (làm bằng zirconium) của thanh nhiên liệu đã nóng chảy. Zirconium nóng chảy dưới xúc tác của môi trường nước nhiệt độ cao trong lò đã gây ra phản ứng sinh ra hydro.

Việc Hydro sinh ra không nằm ngoài dự đoán chỉ có điều do độ tin cậy của các thiết bị đo mực không được khẳng định, tổng lượng hydro phát sinh là bao nhiêu không nắm được. Hơn thế nữa việc xả khí trong lò ra là bất khả kháng vì rủi ro nổ lò là không thể chấp nhận được bởi khi đó phóng xạ sẽ ồ ạt tràn ra môi trường. Khí được xả ra không gian nhà lò, nơi như nói trên là không gian được thiết kế kín với mục đích chống rò rỉ bất kỳ khí nào từ trong lò xả ra. Hydro nhẹ sẽ bốc lên trần nhà lò tích tụ ở đấy tới khi nồng độ của nó đạt mức tới hạn. Khi đó hydro sẽ phản ứng với ô-xi trong không khí phát nổ.

Hai cú nổ do phản ứng này đã thổi tung mái nhà lò số 1 và số 3 của nhà máy Fukushima I có cơ chế như vừa giải thích trên đây. Cũng cần nói thêm rằng trong lò phản ứng không có ô-xi cho nên không thể có phản ứng nổ như vậy và như đã nhắc đến ở trên vụ nổ không làm hư hại đến thùng lò như đã khẳng định bởi TEPCO.

 

Cháy do các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng

Diễn biến thảm họa ở Fukushima I đã trở nên quá kịch tính khi ngay cả tổ máy đang dừng hoạt động từ trước động đất cũng bốc cháy. Sau đó người ta phát hiện ra nguyên nhân của việc này là do nhiệt từ các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng đang được ngâm trong các bể làm mát ở tầng 4 nhà lò. Mỗi một bể làm mát này có sức chứa khoảng 2000 mét khối nước ngâm trong đó là các bó nhiên liệu có chiều cao 4 mét. Những bó này để dưới sâu đáy bể với mức nước ngập cao hơn nó chừng 20 mét.

So với sự kiện trong tâm lò thì sự kiện ở các bể làm nguội vật liệu này phức tạp hơn ở khía cạnh ngăn ngừa phóng xạ. Kịch bản xảy ra như ở các bể này có lẽ chưa bao giờ được đặt ra. Các thanh nhiên liệu qua sử dụng có các chất phóng xạ, sản phẩm của phản ứng dây chuyền chúng phân rã sinh nhiệt và các tia phóng xạ, trong khi đó chúng không nằm trong vỏ lò mà hoàn toàn bị lộ ra khí quyển lúc này do mái các tòa nhà lò đã bị phá hủy.

Lý do gì dẫn đến sự tăng nhiệt ở các thanh nhiên liệu đã sử dụng trong các bể chứa là điều tôi cũng đang muốn biết nhưng tôi phán đoán rằng vụ nổ ở lò thứ 3 đã làm mất một lượng lớn nước trong bể của nó cũng như bể chứa ở lò số 4. Sau vụ nổ lò số 3 người ta phát hiện tòa nhà lò số 4 cũng bị tổn thất nghiêm trọng.

 

Nguy cơ và mức độ rò rỉ phóng xạ

Trong ngày đầu tiên trước khi lò số 1 phát nổ người ta đã đo được nồng độ phóng xạ trong khu vực nhà máy ở mức hoàn toàn chưa có ảnh hưởng lên con người, do đó lệnh di tản dân ra khỏi bán kính 3 km được đưa ra như biện pháp phòng ngừa sớm. Có thể thấy rằng nồng độ này là do việc phóng xạ phát tán do việc xả hơi và khí trong lò để bảo vệ lò phản ứng. Mặc dù bộ lọc phóng xạ khi một thao tác xả khí như thế được thiết kế tốt một liều nhất định phóng xạ ra môi trường là không thể tránh khỏi.

Tuy nhiên sau vụ nổ lò số 3 rồi sau đó vụ cháy phát hiện lò số 4 do các nhiên liệu đã qua sự dụng nồng độ phóng xạ đã tăng lên. Đặc biệt nồng độ này bị tăng vọt sau khi bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng với gần 2000 tấn nước ở tầng 4 của lò số 3 sôi ùng ục tỏa một lượng bơi nước lớn lên trời đến mức ống kính kênh NHK từ 30 km có thể quay rõ đám hơi nước này.

Từ việc sử dụng đơn vị microsievert ban tình trạng khẩn cấp đã thông báo với dân chúng Nhật nồng độ bằng millisiverts chứng tỏ liều phóng xạ đã tăng lên cả ngàn lần so với ban đầu. Nồng độ lớn nhất đo được giữa hai tổ máy 2 và 3 là 400mSv. Với liều này các tế bào lympho trong máu người sẽ bị giảm đột ngột ảnh hưởng đến sức khỏe, tình hình đưa đến quyết định rút toàn bộ cán bộ vận hành khỏi nhà máy nhất thời khi đó.

Vào lúc 12h30 ngày 17/3, nồng độ nhiễm xạ tại khu vực nhà máy khoảng 3500 $\mu$Sv (3.5 mSv). Với nồng độ này quân đội Nhật Bản đã quyết định dùng trực thăng quân sự CH47 đổ nước từ trên cao để làm nguội các bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng ở lò số 3 và 4. Phi công được trang bị bảo hộ an toàn phóng xạ đeo máy đo nồng độ xạ cá nhân để tiến hành công việc này.

Theo lãnh đạo của quân đội Nhật liều lượng qui định để chấm dứt nhiệm vụ này là 50 mSv, thực tế phi công đã đo được nồng độ khá cao ở một thời điểm là 80 mSv vì thế việc dội nước từ trên cao bằng trực thăng tạm dừng. Kiểm tra sức khỏe của phi công sau khi rời hiện trường cho thấy họ không bị nhiễm xạ sau nhiệm vụ vừa rồi. Sau phương pháp làm nguội bằng trực thăng, người ta đang cử các xe bơm áp lực cao đang đứng chờ cách nhà máy 20 km tiếp cận các lò này để bơm trực tiếp bằng cần bơm. Phương pháp sẽ có hiệu quả hơn vì nước dễ bơm đến các vị trí mong muốn hơn so với cách trực thăng CH47 vừa thực hiện.

Tới lúc này có thể thấy được nguy cơ nhiễm xạ phải đối diện hiện nay không phải từ trong lòng các lò phản ứng nơi mà áp suất nhiệt độ đã phần nào được kiểm soát. Tuy nhiên nhiệm vụ nặng nề phải thực hiện lại là cuộc chạy đua với nhiệt của các bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng. Nguy cơ nhiễm xạ ở mức độ nhất định là có nhưng con người vẫn đang nắm kiểm soát. Người Nhật đang chạy đua với thời gian sự tham gia của quân đội và cảnh sát sử dụng các phương tiện của họ đã giúp TEPCO một lần nữa thêm tự tin trong cuộc đấu cam go này.

Hà Ngọc Tuấn

(Theo VnExpress.net - từ Fukuoka, Nhật Bản  )

==========================================

Báo cáo của Viện Năng lượng nguyên tử 

về sự cố điện hạt nhân ở Nhật

 Trước sự cố động đất và sóng thần của Nhật Bản ngày 11/3/2011 và ảnh hưởng của nó tới các nhà máy điện hạt nhân. Ngày 14 tháng 3 năm 2011, Viện trưởng Viện Năng lượng nguyên tử đã gửi báo cáo lên Bộ Khoa học và Công nghệ, nội dung Báo cáo như sau:

1. Thông tin chung

Vào lúc 2h46 phút chiều ngày 11 tháng 3 năm 2011 đã xảy ra một trận động đất lớn 9 độ ở thành phố Sendai nằm ở bờ đông của hòn đảo Honshu. Kèm theo sau động đất là sóng thần mạnh.

Các nhà máy điện hạt nhân của Nhật Bản nằm trong vùng chịu ảnh hưởng trực tiếp từ trận động đất và sóng thần này bao gồm: Onagawa (3 tổ máy đang hoạt động), Higashidori (1 tổ máy đang trong quá trình dừng hoạt động để kiểm tra), Fukusima Daiichi (3 tổ máy đang hoạt động và 3 tổ máy đang trong quá trình dừng hoạt động để kiểm tra), Fukushima Daini (4 tổ máy đang hoạt động), Tokai (1 tổ máy đang hoạt động), Hamaoka (2 tổ máy đang hoạt động và 1 tổ máy đang trong quá trình dừng hoạt động để kiểm tra), Kashiwazaki (4 tổ đang hoạt động và 3 tổ không hoạt động), Tomari (3 tổ đang hoạt động).

Phân bố tổng số 54 tổ máy điện hạt nhân trên lãnh thổ Nhật Bản

Trong số các nhà máy nằm trong vùng ảnh hưởng của hiện tượng động đất này, thì 3 nhà máy Kashiwazaki, Hamaoka và Tomari không bị ảnh hưởng gì và các tổ máy đang hoạt động của các nhà máy này vẫn tiếp tục được vận hành bình thường. Chỉ có 5 nhà máy ở trong vùng bị ảnh hưởng nghiêm trọng là Onagawa, Higashidori, Fukushima Daiichi, Fukushima Daini và Tokai. ở tất cả các tổ máy đang hoạt động thì lò phản ứng tự động dừng theo thiết kế và bắt đầu quá trình giải nhiệt dư từ lò phản ứng. Chỉ có 2 nhà máy Fukushima Daiichi và Fukushima Daini là chịu ảnh hưởng mạnh nhất.

2. Mô tả sự cố của nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi

Nhà máy điện Fukushima Daiichi có 3 tổ máy đang hoạt động khi xảy ra động đất. Cả 3 tổ máy đã dừng hoạt động một cách tự động và bắt đầu khởi động quá trình lấy nhiệt dư từ lò phản ứng bằng hệ thống làm lạnh sử dụng máy phát diezel khẩn cấp. Tuy nhiên hệ thống máy phát diezel khẩn cấp chỉ làm việc được 1 giờ sau đó không làm việc được do ảnh hưởng của lụt từ sóng thần.

Công ty điện lực Tokyo đã báo cáo ngay cho Chính phủ tình trạng khẩn cấp về kỹ thuật và tập trung sức lực để nhanh chóng khôi phục hệ thống máy phát diezel đảm bảo hoạt động của hệ thống làm lạnh. Tuy nhiên phải 9 giờ sau đó mới có thể cung cấp điện cho hệ thống làm lạnh. Vì vậy, nhiệt dư trong lò phản ứng đã làm giảm mức nước trong lò do bay hơi, làm cho thanh nhiên liệu có nguy cơ bị nóng chảy. Do đó làm tăng áp suất trong hệ thống làm lạnh dẫn đến phải mở van để giảm áp. Việc này đã làm cho áp lực trong tòa nhà bảo vệ lò phản ứng tăng lên.

Theo Công ty điện lực Tokyo (TEPCO) thì áp lực trong tòa nhà bảo vệ lò phản ứng của tổ máy số 1 Fukushima Daiichi là 840 kPa trong khi bình thường là 400 kPa. Vì vậy Công ty đã quyết định xả áp lực cho tòa nhà bảo vệ lò để bảo vệ toà nhà bảo vệ lò phản ứng không bị phá hủy bằng cách xả có kiểm soát không khí và hơi nước vào khí quyển. Sơ đồ cấu trúc của nhà máy điện Fukushima Daiichi 1 được chỉ trong hình vẽ dưới đây:

 Bởi vì nước trong vòng 1 đi qua tâm lò nên có kèm theo phóng xạ sẽ được giải phóng ra. Dó đó cần phải sử dụng các phin lọc để lưu giữ chất phóng xạ ở trong nhà bảo vệ lò phản ứng. Quá trình này đã được Công ty TEPCO thực hiện cho tổ máy số 1, 2, 3 của nhà máy Fukushima Daiichi.

Tại tổ máy số 1 của nhà máy Fukushima Daiichi đã xảy ra nổ hydro lúc 6 giờ chiều ngày 12 tháng 3 do hydro thoát ra từ nhà bảo vệ lò phản ứng gặp ôxy trong không khí trong tòa nhà bao bên ngoài toà nhà bảo vệ lò phản ứng, nơi tiến hành các thao tác thay nhiên liệu và bảo dưỡng, sửa chữa. Vụ nổ chỉ làm hỏng tường và mái của tòa nhà này, khung thép trên mái nhà của tòa nhà này vẫn không bị phá hủy. Vụ nổ không ảnh hưởng gì đến toà nhà bảo vệ lò phản ứng.

Ngày 14 tháng 3 năm 2011, phía Nhật bản thông báo tổ máy số 3 cũng xảy ra nổ hydro. Nguyên nhân của vụ nổ hydro được giải thích như sau. Khi nước trong vùng hoạt của lò phản ứng không đủ sẽ dẫn đến làm nhiệt độ thanh nhiên liệu tăng, có thể dẫn đến nóng chảy thanh nhiên liệu và nhiệt độ có thể lên đến 1200 C. Trong trường hợp này nước sẽ phản ứng với Zr trong vỏ thanh nhiên liệu để tạo thành hydro. Hydro sẽ được thoát ra vào trong tòa nhà bao bên ngoài toà nhà bảo vệ lò phản ứng và gặp ôxy trong không khí gây ra vụ nổ.

Quan trắc phóng xạ môi trường trong nhà máy thấy có sự tăng cao của phóng xạ tại hệ thống xả khí và các kênh thoát nước của nhà máy. Các nhân phóng xạ bao gồm Cs -137 và I-131. Mức độ phóng xạ giảm dần sau vụ nổ hydro. Mức phông phóng xạ ở bên cạnh nhà máy là 500 micro Sv /h, vượt giới hạn cho phép theo quy định. Sự cố này được xếp ở mức 4 trong các mức thang sự cố theo quy định của IAEA – tức là tai nạn chỉ gây hậu quả trong khu vực. Để dễ hình dung thì có thể ví dụ như tai nạn Chernobyl năm 1986 được xếp ở mức 7 và tai nạn ở nhà máy Three Main Island năm 1979 ở Mỹ được xếp ở mức 5.

Để bảo vệ dân chúng khỏi tác hại của I-131 phát ra từ nhà máy, các cơ quan chức năng đã chuẩn bị phát thuốc Iôt cho người dân chịu ảnh hưởng. Việc sơ tán người dân trong phạm vi bán kính 20 km từ nhà máy đã được thực hiện.

Việc bơm nước biển để làm mát các phần của tòa nhà tiếp giáp với lò phản ứng đã được thực hiện lúc 8 giờ tối ngày 12 tháng 3 và sau đó là axit boric để dập tắt phản ứng hạt nhân.

3. Mô tả sự cố ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daini

Khi động đất xảy ra thì 4 tổ máy của nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daini đang hoạt động và cả 4 lò phản ứng đã được dừng hoạt động một cách an toàn. Tuy nhiên việc giải nhiệt dư cũng gặp sự cố do hệ thống ngưng nước bổ sung cho hệ thống làm lạnh vùng hoạt của lò phản ứng bị ngừng hoạt động vào lúc 5 giờ 32 phút sáng ngày 12 tháng 3 khi nhiệt độ trong buồng nén của nó đạt đến 100 độ C.

Công ty TEPCO đã báo cáo Chính phủ về tình trạng khẩn cấp của nhà máy này và quyết định giải áp suất cho toà nhà bảo vệ lò phản ứng của cả 4 tổ máy của nhà máy điện hạt nhân này. Khoảng 200.000 người dân sống trong vòng bán kính 10 km đã được sơ tán khỏi nhà của họ.

4. Ảnh hưởng đối với công nhân các nhà máy điện hạt nhân Fukushima

Một công nhân vận hành cần cẩu điều khiển ống xả khí trong nhà lò tổ máy số 1 của nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi đã bị thương và sau đó được xác định là đã chết. Bốn người khác bị thương do vụ nổ của chính toà nhà đó và sau đó đã được đưa đến bệnh viện. Một nhân viên hợp đồng bất tỉnh được phát hiện và sau đó đã được chuyển đến bệnh viện. Hai công nhân của một công ty hợp tác với nhà máy đã bị thương.

Ở tổ máy số 3 của nhà máy Fukushima Daini có một công nhân phải chịu liều chiếu xạ 106 mSv. Đây là mức liều cao, nhưng mà chấp nhận được trong trường hợp sự cố theo khuyến cáo của cơ quan pháp quy một số nước.

5. Phản ứng của Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam

Trước sự cố này, theo chỉ đạo của Bộ KH&CN, Viện NLNTVN đã yêu cầu 2 đơn vị của mình là Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà lạt và Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân Hà nội tổ chức tốt việc quan trắc phóng xạ môi trường tại 2 trạm quốc gia do 2 đơn vị này quản lý. Nếu có bất cứ sự bất thường nào thì phải thông báo ngay cho Viện NLNTVN. Đến nay không có bất kỳ một sự bất thường nào về phóng xạ tại 2 trạm của Viện NLNTVN. Do mức độ của sự cố chỉ ở cấp độ 4, nên ảnh hưởng chủ yếu là ở khu vực lân cận xung quanh nhà máy là chính.

Ngoài ra, Bộ KH&CN cũng chỉ đạo Viện NLNTVN nghiên cứu sâu sắc bản chất của sự cố để có thể rút ra các bài học kinh nghiệm cho mình trong chương trình phát triển điện hạt nhân. Việc này cần có thời gian và nguồn thông tin đầy đủ. Tuy nhiên sơ bộ có thể thấy rằng, thiết kế của toà nhà lò phản ứng của Nhật bản là tương đối tốt, chịu được động đất lớn đến 9 độ và sóng thần.

Song yếu điểm của hệ thống giải nhiệt dư của nhà máy Fukushima vẫn là sử dụng nguyên lý an toàn chủ động (active safety features), tức là hệ thống làm nguội lò phản ứng phải sử dụng nguồn năng lượng điện từ máy phát diezel trong trường hợp khẩn cấp. Những nhà máy này được xây dựng vào những năm 1960 và 1970 thuộc thế hệ thứ 2, cho nên nguyên lý an toàn thụ động chưa được áp dụng.

Nguyên lý an toàn thụ động dựa trên các quy luật vật lý tự nhiên như đối lưu tự nhiên và lực trọng trường để thiết kế hệ thống an toàn của lò phản ứng. Do đó khi xảy ra sự cố mất nước trong vùng hoạt của lò phản ứng như trường hợp này thì nước từ bình chứa dự trữ trên nóc lò phản ứng tự động chảy xuống thùng lò phản ứng để làm nguội vùng họat của lò phản ứng mà không cần phải sử dụng máy bơm nước như trong trường hợp của nhà máy Fukushima. Đối với Việt Nam, Nghị quyết của Quốc hội đã khẳng định phải sự dụng thế hệ lò phản ứng hiện đại, đảm bảo độ an toàn và kinh tế cho dự án nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận.

Những lò phản ứng thế hệ thứ 3 mà chúng ta lựa chọn cho dự án điện hạt nhân Ninh Thuận theo Nghị quyết của Quốc Hội sẽ có đặc tính an toàn thụ động. Cho nên trong trường hợp xảy ra sự cố tương tự như ở nhà máy Fukushima thì nhà máy sẽ tự động xử lý hiện tượng giải nhiệt bằng các cơ chế tự nhiên, không cần tác động của con người cũng như không cần sử dụng nguồn điện bổ sung. Viện NLNTVN sẽ tiếp tục theo dõi thông tin, phối hợp với các đối tác Nhật bản và các nước để có được các thông tin đầy đủ hơn phục vụ cho nghiên cứu của mình về sự cố này.

PGS. TS. Vương Hữu Tấn

Viện trưởng Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam

(Nguồn Báo Đất Việt)

Giúp đọc giả dễ hình dung sự cố hạt nhân tại Nhật, DCHN đưa ra sơ đồ nguyên tắc dưới đây. Nhà máy hoạt động theo nguyên lý an toàn chủ động.

=========================================

Tìm hiểu về tan chảy hạt nhân

Hai nhà khoa học là GS Ron Ballinger (ĐH MIT, Mỹ) và GS David Brenner (ĐH Columbia, Mỹ) giải thích về hiện tượng tan chảy toàn phần và bán phần của lò phản ứng hạt nhân.

(Từ : ĐấtViệt Online)

Trước vụ nổ mới đây nhất và hỏa hoạn tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi, các công nhân đã chạy đua để ngăn chặn sự tan chảy hoàn toàn, tờ The Daily Beast đã trao đổi với Ron Ballier, GS khoa học hạt nhân tại ĐH MIT và David Brenner, Gíám đốc Trung tâm nghiên cứu phóng xạ ĐH Columbia về sự khác nhau giữa tan chảy bán phần và toàn phân, bùng nổ hydro và việc phóng xạ bị gió cuốn đi.

Đâu là sự khác nhau giữa tan chảy toàn phần và bán phần ?

Brenner: Cả hai cách nói trên đều không phải là thuật ngữ kỹ thuật. Cái mà chúng ta đề cập là lõi phóng xạ bên trong lò phản ứng hạt nhân - những lõi này cần được làm ngập trong nước để giữ mát. Trong đó, tan chảy bán phần xảy ra khi một số điểm của lõi hạt nhân không được bao phủ bởi nước và tan chảy toàn phần là khi toàn bộ lõi không ngập nước. Tuy nhiên, hai cách nói rất sai.

Ballinger: Trong bối cảnh này, hai cụm từ nói về nhiên liệu bị phá hủy và tan chảy từng phần. Nhiên liệu có thể bị oxi hóa và tan chảy đầu tiên tại các đầu lõi phóng xạ do nhiệt độ tăng lên, gọi là tan chảy bán phần.

Tan chảy toàn phần là gì ?

Ballinger: Nếu họ không liên tục làm mát lò phản ứng thì toàn bộ lõi sẽ tan chảy. Sau đó nó sẽ làm nóng chảy đáy lò và cả những cấu trúc bao che chắc chắn nhất rồi thoát ra ngoài. Đây là lúc người ta gọi là sự tan chảy toàn phần...

Hiện tượng tan chảy này có nguy hiểm không ?

Brenner: Tất nhiên là không tốt lành chút nào ! Bạn có thể so sánh hai sự cố hạt nhân lớn trong quá khứ: nhà máy hạt nhân Chernobyl và Three Mile Island từng bị tan chảy nhưng khác biệt về quy mô là rất lớn. Vụ tan chảy Chernobyl gấp 1 triệu lần Three Mile Island. Vì vậy, vấn đề nằm ở chỗ có bao nhiêu lượng phóng xạ thoát ra ngoài môi trường. Chúng ta có thể rơi vào tình huống của Three Mile Island với lượng phóng xạ phát tán rất nhỏ hoặc một thảm cảnh kinh hoàng như Chernobyl.

Vậy Fukushima giống trường hợp nào ?

Benner: Chắc chắn là giống Three Mile Island. Có nhiều sự tương đồng giữa hai trường hợp này. Họ đã kịp thời đóng cửa lò phản ứng gần như ngay lập tức chứ không như Chernobyl - người ta không thể ngừng hoạt động lò phản ứng.

Một khi ngừng hoạt động, bên trong lò vẫn xảy ra phản ứng ở mức độ thấp, vì vậy cần phải giữ nước bên trong lò. Điều không may xảy ra ở Three Mile Island cũng như ở Nhật đó là họ đã không thể làm vậy vì hệ thống bơm nước làm mát cho lõi phóng xạ đã bị hỏng vì động đất và sóng thần.

Làm mát

Tất cả các lò phản ứng Daiichi được đóng cửa tự động khi xảy ra địa chấn. Vấn đề là phản ứng phân hạch không dừng lại ngay mà chỉ chậm dần, tiếp tục sản xuất năng lượng và nhiệt độ rất lớn trong nhiều ngày. Thông thường, một hệ thống làm mát sẽ bơm nước ngập lõi sau khi lò đóng cửa nhưng hệ thống bị mất điện năng, lần đầu là khi mạng lưới điện bị cắt đứt, lần thứ hai là khi sóng thần tràn vào phá hủy máy phát điện diesel dự phòng.

Hệ thống làm mát đã hỏng, điều gì sẽ xảy ra ?

Lõi lò phản ứng sẽ ngày càng càng nóng. Vật liệu hạt nhân trong các trụ kim loại, zirconium, có thể phản ứng với nước ở nhiệt độ cao và sản sinh hydro - một thứ chất nổ trong một điều kiện nhất định. Vì vậy, khi hydro tích tụ, nó cần được thoát ra ngoài nhưng khi làm vậy, vật liệu phóng xạ cũng thoát ra không khí.

Ballinger: Có hai vector xảy ra. Có nhiệt độ phân rã phát sinh bởi những sản phẩm phân hạch trong nhiên liệu, vì vậy nhiệt cần phải được loại bỏ. Nếu họ không thể loại bỏ nhiệt, bên trong lò phản ứng sẽ bị nung nóng. Nhưng tỉ lệ  nhiệt độ phân rã sẽ giảm dần theo thời gian vì những sản phẩm phóng xạ phân hạch sẽ phân rã theo thời gian, như vậy lượng nhiệt cần loại bỏ và lượng nước làm mát cũng giảm dần theo thời gian.

Một nguồn khác của vector là phản ứng giữa zirconium và nước. Hợp kim zirconium sẽ phản ứng với nước tạo ra hydro và oxy, đồng thời tạo nhiệt cần loại bỏ. Vì vậy, một nguồn nhiệt do sự phân rã của các sản phẩm phân hạch đang giảm theo thời gian và nguồn nhiệt còn lại là một hàm số của nhiệt, cho nên bạn giảm nhiệt độ nghĩa là bạn cũng giảm tốc độ oxy hóa. Cũng giống như việc nướng bánh. Nếu bạn đặt lò ở 300 độ, nó sẽ nướng trong 30 phút; đặt lò ở 350 độ sẽ nướng trong 20 phút. Vì vậy, khi họ làm mát nhà máy xuống, tỷ lệ oxy hóa cũng sẽ giảm. Và đó không phải là một hàm bậc nhất. Với mỗi 50 độ, bạn thay đổi tốc độ phản ứng theo hệ số 2.

Có bất cứ dấu hiệu nào cho thấy họ đã thành công trong việc làm mát lò phản ứng?

Ballinger: Bạn có thể có thấy mức độ thành công bằng cách quan sát sự thường xuyên của việc thoát khí - những khí không ngưng tụ gồm hydro và các khí khác. Thành công trong việc làm mát không có nghĩa là không hao tốn nhiên liệu mà chỉ có nghĩa là tỷ lệ oxi hóa đang giảm dần.

Có những vụ nổ tại lò phản ứng số 2 và 3 khi họ đã thoát khi cho chúng. Tại sao lại như vậy? Làm cách nào để ngăn chặn các vụ nổ?

Ballinger: Bí quyết khi thoát khí đó là phải đảm bảo pha loãng nồng độ hydro dưới mức 5 - 6%. Vì vậy, tôi chắc chắn những gì họ đang làm là thoát khí chậm và dùng nhiều máy thổi khuyết tán hydro để chúng không tập trung đậm đặc.

Tôi từng đọc rằng có nhiên liệu đã sử dụng được trữ gần các lò phản ứng. Trên thực tế, việc lưu trữ như vậy có phổ biến không?

Ballinger: Đúng, có hai nơi người ta thường đặt nhiên liệu đã sử dụng. Khi nhiên liệu đã sử dụng được lấy khỏi lò, chúng vẫn phát sinh nhiệt năng nên được đặt trong hồ đầy nước. Sau một thời gian đủ lâu, họ sẽ lấy nhiên liệu ra và đặt trong các thùng xì măng khổng lồ, vững chắc đến mức bạn có bắn một quả tên lửa cũng không có gì xảy ra. Nhiên liệu được đặt trên các giá để làm mát bằng đối lưu tự nhiên.

Bức xạ

Các quan chức từng mở rộng bán kính vùng sơ tán xung quanh các lò phản ứng bị ảnh hưởng. 3km ban đầu được mở rộng thành 10km, đến khi lò phản ứng nổ, bán kính là 20km. Sau đó, Ủy ban điều tiết hạt nhân Mỹ cho rằng phóng xạ không thể dạt tới bờ biển phía Tây tới mức gây hại.

Lượng phóng xạ thải ra khi người ta thoát khí lò phản ứng có nguy hiểm không ?

Brenner: Điều này phụ thuộc vào lượng phóng xạ thoát ra. Từ quan sát những dân cư quanh vùng, có thể là không nguy hiểm. Nhưng tình huống vẫn tiếp diễn nên chúng ta không biết chắc. Tuy nhiên, một tin tốt trong tình hình cam go này đó là gió đang thổi phóng xạ trong không khí ra biển.

Liệu gió có thổi phóng xạ tới Bắc Mỹ?

Brenner: Có đấy, nhưng câu hỏi là bao nhiêu? Phóng xạ từ thảm họa Chernobyl đã lan rộng hơn chúng ta hình dung. Bạn có thể phát hiện phóng xạ khắp nơi trên thế giới. Vấn đề là bao nhiêu phóng xạ sẽ đến bờ Tây. Ngay bây giờ, nó hoàn toàn không đáng kể. Và thậm chí trong một viễn cảnh tồi tệ nhất cũng rất khó hình dung rằng nó đáng kể. Khó hình dung ai đó ở bờ Tây bị nhiễm phóng xạ đáng kể đơn giản vì khoảng cách quá xa. Khi gió thổi phóng xạ xa hơn, nó sẽ càng lúc càng phân tán. Trường hợp xấu nhất vẫn không thể giống với Chernobyl.

Nhưng sự phát tán phóng xạ vẫn gây nguy hiểm cho những người gần lò phản ứng ? Họ từng di tản mọi người trong vòng bán kính 20 km ?

Brenner: Đó không phải là một sự đề phòng bất hợp lý. Trong mọi viễn cảnh, bạn sẽ nhiễm càng ít phóng xạ khi ở càng xa nguồn phát phóng xạ.

Sự phóng xạ sẽ kéo dài bao lâu ?

Brenner: Điều này phụ thuộc vào chất đồng vị. Iodine có chu kỳ bán phân rã trong 1 tuần. Cesium thì hằng năm. Nhưng hậu quả vẫn phụ thuộc vào lượng phát tán. Thậm chí nếu cesium tồn tại dai dẳng như vậy nhưng nếu lượng ít thì nó cũng không phải là một vấn đề. Nó cũng phụ thuộc vào hướng gió thổi, nhưng hướng gió bây giờ rất thuận lợi.