1. Cấu trúc các nhà máy điện hạt nhân ở Fukushima
Nhà máy Fukushima dùng loại BWR (boiling-water reactor, lò phản ứng đun nóng nước, một loại khác phổ biến là pressurized water reactor, N-Quy). Lò BWR tạo điện năng nhờ đun nóng nước, và sinh hơi nước quay tuabin. Nhiên liệu hạt nhân đun nóng nước, nước sôi và tạo hơi nước, hơi nước làm quay tuabin và tạo điện; hơi nước này sau đó được làm mát và ngưng tụ lại thành nước, nước này lại quay lại và được đun nóng bởi nhiên liệu hạt nhân (vòng kín – close loop, N-Quy). Lò phản ứng vận hành ở khoảng 285 độ C.
Nhiên liệu hạt nhân là oxit uran. Oxit uran ở dạng gốm, và có nhiệt độ nóng chảy rất cao, khoảng 2800 độ C. Nhiên liệu được sản xuất dưới dạng viên (dạng hình trụ dài khoảng 1cm với đường kính 1cm). Các viên nhiên liệu này được được cho vào một ống dài làm bằng Zircaloy (một hợp kim của zirconium) với nhiệt độ phá huỷ 1200 độ C (gây ra bởi sự ô xi hoá tự xúc tác của nước – dịch không rõ nghĩa lắm, N-Quy), và được bịt chặt. Ống này được gọi là “thanh nhiên liệu”. Các thanh nhiên liệu này được gắn kết với nhau thành các tổ hợp, hàng trăm tổ hợp như vậy tạo nên lõi của lò phản ứng.
Viên nhiên liệu cứng (ma trận oxit gốm) là hàng rào chắn đầu tiên ngăn nhiều các sản phẩm phân ly phóng xạ tạo bởi quá trình phân ly hạt nhân. Vỏ Zircaloy là lớp chắn thứ hai ngăn cách nhiên liệu phóng xạ với phần còn lại của lò phản ứng.
Lõi lò phản ứng được đặt trong bể áp suất. Bể áp suất là một bình thép vận hành ở khoảng 7Mpa và được thiết kế chống chọi với áp suất cao có thể phát sinh trong sự cố. Bể áp suất là bức tường thứ 3 ngăn chất phóng xạ thoát ra.
Toàn bộ vòng sơ cấp của lò phản ứng hạt nhân – Bể áp suất, đường ống và bơm chứa nước làm mát – được bao trong cấu trúc vỏ ngăn kín. Vỏ này là lớp bảo vệ thứ tư ngăn vật liệu phóng xạ. Vỏ ngăn kín này là cấu trúc bê tông và thép rất dày, và được bịt kín mít. Cấu trúc này được thiết kế, xây dựng và thử nghiệm cho một mục đích duy nhất: chứa đựng, không giới hạn, (phát xạ khi) lõi lò bị tan chảy. Hỗ trợ mục đích này, một cấu trúc bê tông dày và lớn được bao quanh vỏ ngăn kín ở trên, và được coi là lớp vỏ bọc thứ hai.
Cả vỏ chính và vỏ phụ được đặt trong toà nhà lò phản ứng. Toà nhà này là lớp vỏ ngoài cùng ngăn nắng mưa và không cho vật gì xâm phạm vào (đây là phần đã bị phá huỷ bởi các vụ nổ, sẽ phân tích thêm sau).
Cấu trúc lò phản ứng
(
http://assets.nydailynews.com/img/2011/03/15/cte_reactor.jpg)
2. Nguyên lý cơ bản của phản ứng hạt nhân
Nhiên liệu uranium sinh nhiệt nhờ phản ứng phân tách hạt nhân với neutron được kích thích (dịch hơi không xuôi, N-Quy). Nguyên tử uran được tách ra thành các nguyên tử nhẹ hơn (sản phẩm phân tách). Quá trình này sinh nhệt và nhiều nơ tron (một loại hạt tạo thành nguyên tử). Khi một trong những nơ tron này chạm vào các nguyên tử uran khác, nguyên tử uran đó sẽ phân tách tạo ra nhiều nơ tron nữa, và quá trình tiếp diễn vậy. Đó là phản ứng hạt nhân dây chuyền. Trong quá trình vận hành bình thường, lượng nơ tron trong một lõi ổn định (giữ nguyên) và lò phản ứng ở trạng thái tới hạn (điều này khác với bom hạt nhân, N-Quy).
Đáng đề cập ở đây là nhiên liệu hạt nhận trong lò phản ứng không bao giờ có thể tạo ra một vụ nổ hạt nhân như bom nguyên tử. Ở Chernobyl, vụ nổ đã xảy ra bởi tích tụ áp suất quá cao, nổ khí hydro và phá huỷ tất cả các cấu trúc, thổi tung các vật liệu lõi đã bị nóng chảy ra ngoài môi trường. Nên nhớ là Chernobyl không có một vỏ bọc ngăn chặn đối với môi trường. Cái gì đã không xảy ra và sẽ không xảy ra ở Nhật sẽ được bàn đến dưới đây.
Nhằm điều khiển phản ứng hạt nhân dây chuyền, người vận hành sử dụng các thanh điều khiển. Các thanh điều khiển được làm bằng Boron (nguyên tố Bo), hấp thụ nơ tron. Trong quá trình vận hành bình thường, thanh điều khiển dược dùng để duy trì phản ứng dây chuyền ở trạng thái tới hạn. Thanh điều khiển cũng được dùng để dừng nhà máy từ 100% năng lượng xuống khoảng 7% (nhiệt dư lại hoặc phân rã).
Nhiệt dư có nguyên nhân từ các phân rã phóng xạ của các sản phẩm phân tách. Phân rã phóng xạ là quá trình các sản phẩm phân tách tự ổn định bằng cách phát ra năng lượng dưới dạng các hạt nhỏ (alpha, beta, gamma, nơ tron…). Có vô số các sản phẩm phân tách được tạo ra trong lò phản ứng, bao gồm cesium và i ốt. Lượng nhiệt dư này giảm dần theo thời gian khi lò phản ứng được dừng, và cần phải được làm mát bằng hệ thống làm mát để ngăn các thanh nhiên liệu nóng chảy và mất tác dụng ngăn phóng xạ xả ra. Giữ đủ lượng làm mát để loại bỏ nhiệt phân rã trong lò phản ứng là thách thức chính của các lò bị hư hại ở Nhật hiện tại.
Quan trọng cần chú ý là phần nhiều việc phân rã (tạo nhiệt) các sản phẩm phân tách này diễn ra cực nhanh, và trở thành vô hại bằng thời gian khi bạn đánh vần “R-A-D-I-O-N-U-C-L-I-D-E.”. Các phần còn lại có thể phân rã chậm hơn, như cesium, i ốt, strotinum, và Argon.
3. Cái gì đã xảy ra ở nhà máy Fukushima
Sau đây là tổng hợp các diễn biến chính. Vụ động đất tấn công Nhật Bản đã mạnh hơn vài lần so với thiết kế chịu động đất của nhà máy (7.9 độ?, N-Quy). (Thang độ Richter theo kiểu logarit, ví dụ sự khác nhau giữa 8.2 và 8.9 là 5 lần chứ không phải là 0.7)
Khi có động đất, tất cả các lò phản ứng đã tự động dừng. Vài giây sau, thanh điều khiển được đưa vào trong lõi lò và phản ứng dây chuyền dừng lại. Ở thời điểm này, hệ thống làm mát cần loại bỏ nhiệt dư - khoảng 7% năng lượng của nhà máy khi đang vận hành bình thường.
Động đất phá huỷ hệ thống cấp điện từ bên ngoài của lò phản ứng. Đây là một tai nạn cam go của nhà máy điện hạt nhân, và được gọi là “mất điện bên ngoài” (nhà máy điện không tự cấp điện cho nó được, N-Quy). Lò phản ứng và hệ thống dự phòng của nó được thiết kế đối phó với loại sự cố này bằng việc bao gồm hệ thống điện dự phòng giúp các bơm làm mát chạy. Thêm nữa, vì nhà máy đã tạm dừng, nó cũng không sản xuất ra điện được nữa.
Trong giờ đầu tiên, hệ thống máy phát điện diesel đã chạy và cấp năng lượng cần thiết (cho bơm làm mát). Tuy nhiên, khi sóng thần đến (sóng thần mạnh hiếm có và vượt quá dự đoán), nó làm ngập (và cuốn trôi) các máy phát điện diesel, làm hệ thống cấp điện diesel này mất tác dụng.
Một trong các nguyên lý cơ bản của thiết kế nhà máy điện nguyên tử là “Bảo vệ có chiều sâu”. Điều này yêu cầu các kỹ sư thiết kế nhà máy phải chịu đựng được các thảm hoạ khắc nghiệt, ngay cả khi một vài hệ thống mất chức năng. Một trận sóng thần lớn phá huỷ tất cả các máy phát diesel ngay tức thời là một kịch bản như vậy, nhưng trận sóng thần ngày 11-3 đã vượt quá mọi dự kiến. Để giảm bớt hậu quả của các sự cố như vậy, các kỹ sư đã thiết kế một đường bảo vệ phụ bằng việc đặt tất cả lò phản ứng trong vỏ bảo vệ (xem giải thích ở trên) – được thiết kế để chứa tất cả trong nó.
Khi các máy phát diesel mất chức năng sau sóng thần, hệ thống vận hành lò chuyển qua pin dự phòng khẩn cấp. Hệ thống pin này thiết kế chạy được 8h để làm mát lõi lò. Và chúng đã hoạt động đúng thế.
Sau 8h, pin hết, và lượng nhiệt dư không được chuyển đi. Lúc này các nhân viên vận hành chuyển sang các bước khẩn cấp cho trường hợp “mất hệ thống làm mát”. Các bước này đảm bảo nỗ lực “Bảo vệ có chiều sâu”. Tất cả các bước này đều là một phần huấn luyện ngày qua ngày cho các nhân viên vận hành nhà máy.
Lúc này mọi người bắt đầu nói về khả năng lõi tan chảy, bởi vì nếu hệ thống làm mát không được phục hồi, cuối cùng lõi sẽ tan ra (sau vài ngày), và sẽ gần như được chứa trong vỏ bọc. Khái niệm “tan chảy” khá mơ hồ. “Nhiên liệu mất chức năng” chắc sẽ là một từ thích hợp hơn để mô tả việc mất chức năng của lớp chắn thanh nhiên liệu (Zircaloy). Điều này sẽ xảy ra trước khi nhiên liệu tan chảy, và là kết quả của các tác động cơ, hoá, nhiệt mất kiểm soát (quá nhiều áp suất, quá nhiều ô xi hoá, hay quá nóng).
Tuy nhiên, tan chảy còn mất khá nhiều thời gian, và lúc này mục đích chính là quản lý được lõi khi nó đang được đốt nóng, trong khi đảm bảo là việc che phủ nhiên liệu không bị động tới và hoạt động càng lâu càng tốt.
Bởi việc làm mát lõi lò là vấn đề ưu tiên, lò phản ứng có nhiều hệ thống làm mát độc lập và đa dạng (hệ thống làm sạch nước lò phản ứng, hệ thống khử nhiệt phân rã, hệ thống làm mát cách ly lõi lò, hệ thống làm mát chất lỏng dự phòng, và các hệ thống khác tạo nên hệ thống làm mát lõi lò khẩn cấp). Hệ thống nào bị hỏng khi nào và cái nào không hỏng thì hiện tại chưa rõ.
Vì các nhân viên vận hành đã mất gần hết cách làm mát do mất nguồn cấp năng lượng, họ phải dùng bất kỳ cách làm mát nào đó họ có để làm hạ nhiệt càng nhiều càng tốt. Nhưng chừng nào nhiệt tạo ra lớn hơn khả năng làm mát, áp suất bắt đầu tăng khi nước hoá hơi. Việc ưu tiên hiện nay là giữ cấu trúc của các thanh nhiên liệu bằng cách giữ nhiệt độ dưới 1200 độ C, cũng như giữ áp suất ở mức kiểm soát được. Để giữ áp suất, hơi nước (và các loại khí khác trong lò) cần phải được thoát ra ngoài. Tiến trình này quan trọng vì áp suất không vượt quá khả năng điều khiển của thiết bị, bể áp suất của lò phản ứng và vỏ bao ngoài được thiết kế với nhiều van xả áp. Nhằm giữ cấu trúc của bể và vỏ chứa, nhân viên vận hành đã xả hơi nước nhằm kiểm soát áp suất.
Như đã nói ở trên, hơi nước và các loại khí được xả ra. Một số loại khí là sản phẩm phân tách phóng xạ, nhưng chúng tồn tại số lượng ít. Do đó, khi nhân viên vận hành tiến hành xả, một số khí phóng xạ đã được xả ra ngoài một cách có kiểm soát (ví dụ lượng nhỏ qua các bộ lọc, hấp thụ). Trong khi một số loại khí này mang tính phóng xạ, chúng không gây ra ảnh hưởng đáng kể đến an toàn chung, ngay cả đến các công nhân làm việc tại hiện trường. Tiến trình này là hợp lý vì hậu quả khá ít, đặc biệt khi so sánh với hậu quả của việc không xả khí và mạo hiểm với cấu trúc lò.
Trong suốt thời gian này, các máy phát điện di động đã được mang đến hiện trường và một phần năng lượng đã được phục hồi. Tuy nhiên, càng nhiều nước sôi, bay hơi và thoát ra ngoài nhiều hơn lượng được cấp vào lò, do đó làm giảm khả năng làm mát của hệ thống làm mát còn lại. Trong một số bước của quá trình xả khí này, mức nước có thể hạ xuống thấp hơn đầu các thanh nhiên liệu (các thanh nhiên liệu nhô ra khỏi nước, N-Quy). Nhiệt độ của vỏ các thanh nhiên liệu vượt quá 1200 độ C, gây ra phản ứng giữa Zircaloy và nước. Phản ứng ô xy hoá này tạo ra Hydro, và hoà lẫn vào khí xả ra. Đây là quá trình dự đoán trước được, nhưng người vận hành không biết được lượng Hydro tạo ra do họ không biết được chính xác nhiệt độ của các thanh nhiên liệu hay là mức nước trong lò.
Vì khí hydro cực kỳ bắt cháy, khi một lượng đủ lớn hydro hoà lẫn với không khí, nó phản ứng với ô xi. Nếu đủ ô xi, chúng sẽ phản ứng rất nhanh, gây ra phát nổ. Ở vài thời điểm trong quá trình xả khí, một lượng đủ khí hydro tích tụ trong vỏ lò phản ứng (không có không khí trong vỏ này), và khi chúng được xả, vụ nổ đã xảy ra. Vụ nổ diễn ra bên ngoài vỏ lò nhưng ở bên trong và xung quanh toà nhà chứa lò phản ứng (toà nhà này không có chức năng bảo vệ). Hậu quả là một vụ nổ đã xảy ra ở lò phản ứng tổ máy 3. Vụ nổ này phá huỷ nóc và một phần xung quanh toà nhà chứa lò phản ứng, nhưng không gây hại đến cấu trúc vỏ lò và bể áp suất. Dù đây không phải là việc tính được trước, nhưng nó diễn ra bên ngoài vỏ lò và không gây ra nguy hiểm lên cấu trúc an toàn của nhà máy.
Bởi vì một số vỏ của các thanh nhiên liệu vượt quá 1200 độ C, đã xảy ra việc phá huỷ một số nhiên liệu. Bản thân vật liệu phóng xạ vẫn không sao, nhưng phần vỏ Zircaloy xung quanh bắt đầu hỏng. Trong lúc này, một số sản phẩm của phân tách phóng xạ (Cesium, I ốt…) bắt đầu lẫn với nước và hơi nước. Có báo cáo cho thấy một lượng nhỏ cesium và I ốt đã đo được trong hơi nước thoát ra không khí.
Vì khả năng làm mát có hạn và lượng nước trong lò phản ứng đang vơi đi, các kỹ sư đã quyết định bơm nước biển (trộn lẫn acid boric – một hoá chất hấp thụ nơ tron) để đảm bảo các thanh nhiên liệu vẫn được bao trong nước. Dù lò đã dừng, việc thêm acid boric vào là biện pháp thận trọng nhăm đảm bảo là lò chắc chắn dừng (hấp thụ nơ tron => ngăn phản ứng dây chuyền, N-Quy). Acid boric cũng có khả năng giữ một số I ốt có trong nước, đảm bảo nó không thoát đi, tuy nhiên đây không phải tính năng chính của acid boric.
Nước được dùng trong hệ thống làm mát được làm tinh khiết, khử khoáng. Lý do dùng nước tinh khiết là nhằm hạn chế khả năng ăn mòn, han gỉ của nước làm mát trong vận hành bình thường. Bơm nước biển vào sẽ cần nhiều nổ lực dọn dẹp về sau (nhiều khả năng các thiết bị hỏng vĩnh viễn, N-Quy), nhưng hiện tại làm mát được.
Quá trình này hạ nhiệt độ thanh nhiên liệu đến mức không nguy hại. Bởi vì lò đã dừng một thời gian, nhiệt phân rã đã giảm xuống mức thấp đáng kể, do đó áp suất trong nhà máy ổn định, và không cần xả khí nữa.