Hiện nay, nguồn phóng xạ được sử dụng trong y học hạt nhân của Việt Nam chủ yếu vẫn nhập từ nước ngoài với giá thành khá cao do nhiều yếu tố, đặc biệt là sự hao hụt do phân rã các chất phóng xạ trong thời gian vận chuyển. Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt là đơn vị đầu tiên và đến nay vẫn là duy nhất thực hiện nghiên cứu, điều chế các chất phóng xạ, mỗi năm sản xuất khoảng 150 Ci chất phóng xạ, chỉ đáp ứng được 40 – 50% nhu cầu về chủng loại và số lượng các chủng loại do công suất thấp và do số hốc chiếu hạn chế. Dự án xây dựng Trung tâm Gia tốc Quốc gia với một máy gia tốc Cyclotron IBA 30 MeV được ký kết từ năm 2004 với sự tham gia của 5 đơn vị gồm Bệnh viện Trung ương Quân đội 108, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, Trường ĐH Bách khoa Hà Nội và Trường ĐH Khoa học tự nhiên (Đại học Quốc gia Hà Nội). Theo dự kiến, công suất 1 ca máy là 2 - 5 Ci đồng vị F18 FDG/ngày (khoảng 100 - 250 liều), Ga – 67 và T1 – 201 vào khoảng 2Ci/ ngày (500 liều); với công suất như vậy tạm thời đáp ứng nhu cầu sử dụng các chất phóng xạ này ở các tỉnh phía Bắc. Chất đồng vị phóng xạ F18 FDG có thời gian bán rã chỉ 110 phút nên Việt Nam không thể nhập khẩu, mà chỉ có thể sử dụng được chất phóng xạ được sản xuất tại Việt Nam. Hiện nay, công nghệ chụp cắt lớp (Positron Emission Tomography – PET) đã được ứng dụng khá phổ biến trên thế giới và Việt Nam.
Trong công nghiệp, người ta dùng các thiết bị phóng xạ để kiểm tra không phá huỷ giúp xác định vết nứt trên mối hàn đường ống, nồi hơi, chất lượng công trình xây dựng; hay kỹ thuật đồng vị đánh dấu dùng để khảo sát sự sa bồi cảng biển, nâng cao hiệu suất thu hồi dầu hay kiểm tra sự thấm nước qua các đập nhà máy thuỷ điện (Hoà Bình, Trị An).
Trong thời gian gần đây, Chính phủ Việt Nam cũng đang xem xét xây dựng 02 nhà máy điện hạt nhân tại tỉnh Ninh Thuận với 4 lò phản ứng, công suất mỗi lò 1.000 MW với tổng vốn đầu tư ước tính lên tới 3 - 6 tỷ USD.
Bên cạnh những lợi ích to lớn do ứng dụng công nghệ hạt nhân đem lại thì vấn đề quản lý vận hành an toàn nhà máy, thiết bị; quản lý an toàn chất thải hạt nhân là vấn đề được đặc biệt quan tâm.
1. Chất thải phóng xạ
Chất thải phóng xạ là chất thải ở thể rắn, lỏng và khí bị nhiễm phóng xạ phát sinh từ các ơ sở hạt nhân và các cơ quan/ bộ phận liên quan đến việc khai thác, tinh chế và sử dụng năng lượng hạt nhân.
Điều 89, Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam quy định về quản lý an toàn hạt nhân và an toàn bức xạ. Theo đó, các tổ chức, cá nhân có hoạt đọng liên quan đến hạt nhân và bức xạ gồm: Thăm dò, khai thác, tinh chế chất phóng xạ có nguồn gốc tự nhiên (1); Tàng trữ, bảo quản,vận chuyển chất phóng xạ (2); Sản xuất, kinh doanh, dịch vụ nguyên liệu có chất phóng xạ, sản phẩm phóng xạ (3); Sản xuất sản phẩm, xây dựng công trình gây bức xạ điện từ (4); Xuất khẩu, nhập khẩu nguyên liệu, thiết bị, công nghệ có chất phóng xạ (5). Các tổ chức, cá nhân quy định tại Điều 89 Luật Bảo vệ Môi trường Việt Nam phải tuân thủ các quy định của pháp luật về an toàn hạt nhân, an toàn bức xạ điện từ.
2. Phân loại chất thải phóng xạ
* Theo lĩnh vực và mục đích sử dụng:
- Lĩnh vực y tế: chất thải từ các cơ sở hạt nhân, các phòng chiếu chụp X - quang,... (dùng đồng vị phóng xạ để chẩn đoán và điều trị bệnh).
- Chất thải từ ngành công nghiệp điện hạt nhân: Chất thải từ nhà máy điên hạt nhân
- Chất thải phóng xạ từ ngành Công nghiệp quốc phòng: sản xuất vũ khí hạt nhân, tàu ngầm nguyên tử,...
- Chất thải phóng xạ phát sinh từ các ngành công nghiệp khác.
* Theo chu kỳ bán rã và mức hoạt độ phóng xạ: Cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA) đã đưa ra cách phân loại chất thải phóng xạ ra làm 5 loại:
Loại 1: chất thải phóng xạ có chu kỳ bán rã dài ngày, mức hoạt độ phóng xạ cao;
Loại 2: chất thải phóng xạ có chu kỳ bán rã dài ngày, mức hoạt độ phóng xạ trung bình;
Loại 3: chất thải phóng xạ có chu kỳ bán rã dài ngày, mức hoạt độ phóng xạ thấp;
Loại 4: chất thải phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn ngày, mức hoạt độ phóng xạ trung bình;
Loại 5: chất thải phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn ngày, mức hoạt độ phóng xạ thấp;
3. Khối lượng, đặc điểm và tính chất của chất thải phóng xạ
* Nguồn phát sinh và khối lượng phát sinh:
Các loại chất thải phóng xạ của nhà máy điện hạt nhân bao gồm chất thải ở dạng khí, lỏng và rắn. Chất thải phóng xạ ở thể khí sinh ra do bị hoạt hoá bởi các nơtron, như: Nitơ - 12; Oxy - 19; Iôt - 131; Carbon - 14; Argon - 41; Xeon - 133...;
Chất thải phóng xạ ở thể lỏng bao gồm nước làm mát lò phản ứng; các dung dịch làm mát lò phản ứng; các dung dịch hấp thụ các nhân phóng xạ sinh ra từ các quá trình xử lý khí phóng xạ; nước dùng làm vệ sinh, rửa các dụng cụ, thiết bị làm việc.
Chất thải phóng xạ ở thể rắn: rác thải bị nhiễm phóng xạ, dụng cụ làm việc hỏng, găng tay, quần áo, đồ nhựa, giấy...
Lượng chất thải phóng xạ phát sinh tuỳ thuộc vào kiểu lò phản ứng, loại nhiên liệu và công nghệ sử dụng.
Các thuộc tính của chất thải phóng xạ như: tính ổn định vật lý, thành phần hoá học, khả năng gây cháy, mức phóng xạ, khả năng di chuyển trong môi trường các đồng vị phóng xạ là yếu tố quan trọng trong thu gom, lưu giữ tạm thời, vận chuyển và xử lý chất thải phóng xạ.
Đối với nhà máy điện hạt nhân có công suất 1.000 MW, mỗi năm chất thải ra khoảng 800 tấn/ năm chất thải loại có thời gian phân rã ngắn, cường độ phóng xạ mức trung bình và thấp (có thể cô đặc lại còn 30 – 50 m3); và khoảng 30 tấn/năm chất thải có thời gian phân rã lâu, cường độ phóng xạ ở mức cao. Nếu đem so sánh với chất thải nguy hại phát sinh từ nhà máy nhiệt điện chạy than ta thấy: một nhà máy nhiệt điện chạy than có công suất tương tự (1.000 MW), mỗi năm thải ra 320.000 tấn tro bụi, trong đó chủ yếu là khí CO, COx (khí gây hiệu ứng nhà kính) trong đó có khoảng 400 tấn kim loại nặng. Như vậy có thể thấy, ứng dụng công nghệ hạt nhân sẽ không phát sinh khí CO, CO2 (khí gây hiệu ứng nhà kính). Tuy nhiên, vấn đề quản lý an toàn khâu vận hành và quản lý chất thải phóng xạ phải được quan tâm đặc biệt.
4. Các nguyên tắc quản lý chất thải phóng xạ
Tất cả các loại chất thải phóng xạ của nhà máy điện hạt nhân đều phải được thu gom và xử lý an toàn theo đúng quy định của pháp luật.
Có 3 nguyên tắc quản lý an toàn chất thải phóng xạ:
(1) Lưu giữ cô lập chờ phân huỷ;
(2) Pha loãng và phân tán nhỏ ra;
(3) Làm giàu lên để cất giữ.
5. Công nghệ xử lý chất thải phóng xạ
5.1. Công nghệ xử lý chất thải phóng xạ dạng khí
Đối với xử lý các chất thải phóng xạ dạng khí cần áp dụng cả 3 nguyên tắc trên.
Các phin lọc, các chất hấp phụ/ hấp thụ được xử lý như những loại chất thải rắn/lỏng.
5.2 Công nghệ xử lý chất thải phóng xạ dạng lỏng
Công nghệ xử lý các chất thải phóng xạ dạng lỏng nhằm tách các nhân phóng xạ ra khỏi dung dịch để làm sạch dung dịch. Các phương pháp thường dùng là: kết tủa, trao đổi ion, bay hơi dung dịch, trích ly lỏng, màng. Các nhân phóng xạ được thu hồi và xử lý như những chất thải phóng xạ dạng rắn. Sau khi đã tập trung được các chất phóng xạ với nồng độ cao thì tiến hành xử lý định dạng để khống chế nhằm giam giữ một cách chặt chẽ các phần tử phóng xạ có nồng độ cao trong các thể tích nhỏ, thuận tiện cho cất giữ lâu dài.
Các phương pháp chủ yếu thường dùng là: đóng rắn bằng xi măng; đóng rắn bằng bitum; thuỷ tinh hoá. Ngoài ra có thể dùng các phương pháp khác như: SYNROC, polyme hoá.
Việc lựa chọn phương pháp định dạng để cất giữ lâu dài phụ thuộc vào các phương pháp phân tích hoá học ban đầu; các thông số về thành phần hoá học và độ phóng xạ của khối vật liệu sẽ được định dạng và phương pháp cất giữ cuối cùng.
Đối với nước thải bị nhiễm phóng xạ ngành y, do sử dụng các chất đồng vị phóng xạ có thời gian bán rã rất ngắn, thường là từ một tuần đến vài chục ngày, thậm chí chỉ 110 phút như trên đã trình bày, nên nước thải loại này sau khi đã áp dụng công nghệ xử lý chất thải dạng lỏng tại nguồn chỉ cần thu gom, tập trung về bể chứa đặc biệt để tiếp tục phân rã hết; chỉ sau 1 - 2 tuần sẽ đạt tiêu chuẩn thải vào hệ thống thoát nước chung của cơ sở y tế.
5.3. Công nghệ xử lý chất thải phóng xạ ở thể rắn
Công nghệ xử lý chất thải phóng xạ ở thể rắn chủ yếu áp dụng theo nguyên lý thứ 3: làm giàu và cất giữ theo mục tiêu thu nhỏ thể tích để định dạng và thuận tiện cho việc cất giữ. Các phương pháp chủ yếu là tro hoá và định dạng giảm thể tích 10 - 100 lần; nén ép và định dạng – giảm thể tích từ 3 – 10 lần. Tiến hành việc cất giữ chất thải đã được định dạng và bao gói ở những cơ sở cất giữ theo quy định.
Chất thải phóng xạ hoạt tính trung bình sau khi được làm nhỏ thể tích và đóng rắn sẽ được cất giữ an toàn trong các hầm sâu trong lòng đất, có các lớp ngăn, nhằm làm giảm hoạt độ dần với thời gian trong vòng 200 - 300 năm.
Với các chất thải có hoạt độ thấp, có thể cất giữ trong các thùng kim loại có sơn phủ lớp sơn nano, nhằm tăng độ bền và lưu giữ an toàn.
Các chất thải hạt nhân có hoạt độ cao (chủ yếu là các thanh nhiên liệu hạt nhân đã cháy) được cất giữ trong các hầm được thiết kế đặc biệt, với kết cấu che chắn tốt hơn, hầm sâu trong lòng đất (thậm chí sâu tới 600 - 1000 m ); thời gian cất giữ được thiết kế và tính toán cho nhiều nghìn năm không bị ảnh hưởng bởi các tác động tự nhiên; không có sự xâm nhập của các nhân phóng xạ ra môi trường.
* Quản lý các thanh nhiên liệu đã cháy:
Nhiên liệu hạt nhân đã cháy có hoạt độ phóng xạ cao, do vậy việc quản lý các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng là nội dung quan trọng của việc xử lý và quản lý chất thải phóng xạ của nhà máy điện hạt nhân.
Trong công nghiệp điện hạt nhân, chất thải phóng xạ có hoạt độ cao thường là các thanh nhiên liệu đã cháy và một phần chất thải sinh ra trong quá trình tái chế thanh nhiên liệu. Mức độ phóng xạ cũng như lượng chất thải hoạt độ cao phụ thuộc vào yếu tố như: chu trình nhiên liệu, loại lò phản ứng hạt nhân, hàm lượng đồng vị U - 235 có trong thanh nhiên liệu.
Về nguyên tắc, các thanh nhiên liệu sau khi đã được sử dụng một lần đều phải lưu giữ tạm thời ngay tại nhà máy trong khoảng thời gian từ 30 - 50 năm để làm giảm bớt mức phát nhiệt và hoạt độ phóng xạ của thanh nhiên liệu đã cháy (chỉ còn khoảng 1/1000 so với lúc mới tháo dỡ khỏi lò). Sau đó tuỳ theo chính sách và điều kiện thực tế của từng quốc gia mà các thanh nhiên liệu này sẽ được tái chế thành dạng nhiên liệu mới để tái sử dụng hoặc được chuyên chở ngược lại nước đã cung cấp thanh nhiên liệu ban đầu để tái chế hoặc lưu giữ.
* Quy trình bảo quản tạm thời các thanh nhiên liệu đã cháy được tiến hành như sau:
Thanh nhiên liệu sau khi tháo dỡ khỏi lò phản ứng được ngâm trong các bể nước cạnh lò nhằm làm nguội và giảm dần quá trình phân rã hạt nhân vẫn tiếp tục xảy ra trong thanh nhiên liệu; hoạt độ phóng xạ giảm dần. Thời gian lưu giữ các thanh nhiên liệu trong các bể này thường từ 3 - 4 tháng đến vài năm. Công đoạn tiếp theo là lưu giữ các thanh nhiên liệu đã cháy trong khoảng thời gian dài; đồng thời xem xét có cách nào tốt hơn việc loại bỏ vĩnh viễn chúng hay không. Có 2 phương pháp lưu giữ loại chất thải này. Đó là lưu giữ khô và lưu giữ ướt. Có thể cất giữ trong các bể và làm lạnh bằng nước; cất trong các hầm và làm lạnh bằng không khí; cất giữ trong các công ten nơ có lớp vỏ bảo vệ. Thời gian lưu giữ các thanh nhiên liệu trong các bể này thường từ 25 - 50 năm. Trên thực tế, cả 2 phương pháp đều thoả mãn các yêu cầu về an toàn và đều được thiết lập trên cơ sở các công nghệ tiên tiến.
Các thanh nhiên liệu sau khi được lưu giữ theo các phương pháp khô hoặc ướt, trong khoảng thời gian thích hợp sẽ được vận chuyển đến nhà máy tái chế thanh nhiên liệu hoặc đem chôn cất lâu dài ở tầng sâu trong lòng đất với chế độ bảo quản nghiêm ngặt.
6. Phương pháp mới xử lý chất thải phóng xạ
6.1. Vật liệu gốm nano trong bảo quản và lưu giữ chất thải phóng xạ
Việc xử lý các chất thải phóng xạ đòi hỏi độ an toàn ở mức độ khắt khe. Chỉ một sự rò rỉ nhỏ cũng có thể gây ra thảm hoạ khôn lường. Mới đây các nhà khoa học Australia vừa tìm ra phương pháp mới rẻ tiền và an toàn để lưu giữ chất thải hạt nhân. Theo phương pháp này, người ta dùng sơn với sợi gốm nano được làm từ oxyt của titan để sơn lên bề mặt các bể hay thùng lớn bằng thép, được dùng để chứa nước thải phát sinh trong quá trình khai thác các chất phóng xạ và giảm nhiệt trong các lò phản ứng. Vật liệu gốm nano có ưu điểm là rất bền và có thời gian tồn tại lâu hơn các ion chất phóng xạ, có khả năng bẫy các ion dương của chất phóng xạ và giữ chặt chúng mãi trong đó. Chỉ cần quét một lớp sơn mỏng cỡ nano mét (một phần tỷ mét) sẽ tăng độ an toàn lên rất nhiều.
6.2. Thiết bị Laser Vulcan nhằm rút ngắn thời gian tồn tại của một hạt chất thải phóng xạ
Mới đây các nhà khoa học Anh và Đức đã sử dụng một thiết bị Laser Vulcan khổng lồ (có kích thước bằng một khách sạn nhỏ) để biến khoảng 1 triệu nguyên tử iodine - 129 thành iodine – 128. Chu kỳ bán rã của iodine - 129 là 15,7 triệu năm, trong khi chu kỳ bán rã của iodine - 128 chỉ là 25 phút. Theo đó máy Laser Vulcan có thể tạo ra các xung điện mạnh và ngắn, 1 triệu tỷ watts. Các xung đó được bắn vào một cục vàng nhỏ, tạo ra đủ bức xạ gama để đánh bật các neutron đơn lẻ khỏi iodine - 129. Iodine - 129 là một trong nhiều đồng vị phóng xạ được tạo ra khi Uranium bị đốt trong lò phản ứng. Hiện các nhà máy điện hạt nhân phải dỡ và cất giữ chúng. Theo đánh giá của các nhà khoa học, máy Laser sẽ không giải quyết triệt để vấn đề chất thải xong nó giảm độ độc.
Tuy nhiên phương pháp này mới chỉ thực hiện trong phòng thí nghiệm.
6.3. Tái chế chất thải hạt nhân bằng phân tử
Tại Mỹ dự án về chôn lấp chất thải vĩnh viễn, Yucca Mountain đã ngừng hoạt động. Mặc dù nhiên liệu Uranium được sử dụng lần đầu tiên trong lò phản ứng hạt nhân chỉ lấy được 5% năng lượng, xong các nhà máy điện nguyên tử Hoa Kỳ vẫn chưa thể tái sử dụng nhiên liệu này. Nguyên nhân là do dạng phổ biến nhất của Uranium và ion uranyl rất khó phân tách từ các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng.
Mới đây các nhà khoa học ở Đại học Edinburth Scotland đã nghiên cứu sáng chế ra phân tử mạch vòng, có khả năng “ăn” phần lớn các ion khi tiếp xúc với chất uranyl. Nhờ vậy, cấu trúc của uranyl sẽ bị suy yếu giúp thanh nhiên liệu đã cháy dễ dàng phản ứng với các chất có khả năng để tách lọc hơn ra khỏi chất thải, không gây ô nhiễm môi trường.
7. Kết luận
Quản lý và vận hành an toàn các cơ sở/ thiết bị hạt nhân, quản lý chất thải hạt nhân là vấn đề đặc biệt quan trọng. Chúng phải được quản lý nghiêm ngặt ở mức khắt khe; chỉ một sự rò rỉ nhỏ các chất phóng xạ hoặc các chất bị nhiễm phóng xạ cũng gây thảm hoạ đối với môi trường và sự sống của con người. Tuy nhiên, với công nghệ và thiết bị có sử dụng năng lượng hạt nhân hiện đại, vận hành theo chế độ kín và an toàn; Các công nghệ mới trong quản lý chất thải hạt nhân, chúng ta có thể yên tâm hơn khi ứng dụng và lựa chọn công nghệ hạt nhân.
Nguồn: TC Xây dựng, số 9/2009