Tại sao biện pháp xử lý sự cố hạt nhân Fukushima không hiệu quả?

Tại sao biện pháp xử lý sự cố hạt nhân Fukushima không hiệu quả?

Sau khi xảy ra sự cố tại hai lò Fukushima 1 và 3, phần trên và mái của tòa nhà lò phản ứng hạt nhân đã bị nổ tung do khí hydro phát ra bởi sự oxy hóa của thép Zirconi bọc thanh nhiên liệu dưới nhiệt độ cao của vùng hoạt, hậu quả của việc hệ thống làm mát ngừng hoạt động (gây ra bởi động đất cường độ cao và sóng thần).

Dù rằng nhà vận hành đã dùng mọi phương pháp  như bơm nước biển vào làm mát thùng lò là nơi chứa các thanh nhiên liệu và bộ điều khiển, và làm mát thùng che chắn sơ cấp bằng thép inox 316L, nhưng sự cố trên vẫn xảy ra và diễn biến một cách rất phức tạp.

Sáng ngày 15/3/2011, theo các nguồn thông tin thu thập được, do có sự rò rỉ hydro từ vòng giảm áp suất của lò Fukushima 2 dẫn đến cháy nổ, gây ra sự phát tán phóng xạ, mức phóng xạ đo được là 8.217 microSievert tại cổng ra vào nhà máy, cao gấp khoảng 40.000 lần so với mức phông phóng xạ môi trường. Nhà vận hành đã sơ tán phần lớn nhân viên đang làm việc trong nhà lò.

Các chuyên gia và cơ quan an toàn Nhật Bản cho rằng sự cố này là do áp suất cao trong thùng lò gây ra. Trước đó, mức nước đo được trong thùng lò thấp hơn 2m so với mức an toàn.

Do đó, nhiệt độ của các thanh nhiên liệu đã tăng cao, dẫn đến hiện tượng oxy hóa của thép Zirconi diễn ra nhanh chóng và phát ra khí hydro với khối lượng rất lớn. Để giảm áp suất trong thùng thép bảo vệ sơ cấp, nhà vận hành đã xả áp suất qua vòng giảm áp suất và khiến cho vòng giảm áp suất này bị nứt vỡ. Tuy nhiên, các chuyên gia đến nay vẫn chưa biết rõ vị trí nứt vỡ của vòng giảm áp suất đó.

Như vậy: Nếu nguyên nhân của sự rò rỉ là do sự nứt vỡ của vòng làm giảm áp suất, thì nước cấp cứu sẽ  tràn ra một phần  dưới hầm lò. Nước này sẽ bị ô nhiễm phóng xạ.

Trưa ngày 15/3/2011, đã xảy ra một đám cháy tại lò Fukushima 4 trong khu vực bể chứa nhiên liệu đã cháy.

Theo các chuyên gia Nhật Bản, nguyên nhân là do sự bùng nổ của khí hydro xuất phát ra từ các bó nhiên liệu đã cháy lưu trữ trong bể chứa. Bởi vì các bó thanh nhiên liệu đã bị phơi trần ra không khí do sự mất nước của bể chứa. Một lổ lớn đã được nhận thấy ở nhà bể chứa. Hiện nay Tokyo Electric company (TEPCO) đang xịt nước vào lổ này để làm mát các bó nhiên liệu đã cháy lưu trữ bên trong.

Với khối lượng nước xịt vào trung bình 50 tấn/ngày, biện pháp này sẽ không có nhiều hiệu quả vì hiện tại trong bể chứa đang lưu trữ hơn 1.000 bó nhiên liệu đã cháy (nhiệt dư thừa của một bó thanh nhiên liệu đã cháy sau 3 năm làm mát vẫn còn 12kW) và khối lượng nước chứa của bể này chừng 5.000 m³.    

Nhiệt độ ở trong bể nước chứa bộ thanh nhiên liệu đã cháy tăng lên 85 độ C (thay vi 25 – 40 độ C trong tình trạng bình thường). Nếu ta tính trung bình nhiệt dư thừa của một thanh nhiên liệu là  12kW, thì nhiệt tổng quát của chúng sẽ còn 12 MW, nâng nhiệt tương đương với nâng nhiệt dư thừa trong tâm lò với công suất 1000MW sau khi dập lò một ngày. Số lượng nhiệt lớn này phải được giải tỏa đủ mọi cách.

Từ khi xảy ra sự cố, nhà vận hành TEPCO và các cơ quan an toàn của Nhật Bản đã cố gắng thực hiện mọi biện pháp để làm mát vùng hoạt của 3 lò phản ứng thuộc nhà máy điện Fukushima 1 (lò phản ứng 1, 2 và 3). Ban đầu, họ chỉ bơm nước biển vào, nhưng bắt đầu từ ngày hôm qua, họ đã sử dụng hỗn hợp nước biển và axit boric để bơm vào thùng lò.

Dựa trên những thống kê trên, biện pháp làm mát trên không phát huy hiệu quả do các nguyên nhân sau:

- Trong trường hợp xảy ra sự cố đối với lò PWR, nước cấp cứu chứa axit boric còn đối với lò BWR, nước cấp cứu không chứa axit boric. Vì thế, “tải tới hạn của vùng hoạt” có thể xảy ra ngay cả sau khi đã dập lò.

- Một hiện tượng của lò BWR được gọi là “dịch chuyển áp suất” (pressure transient) khi bơm nước cấp cứu vào vùng hoạt là làm tăng hệ số nước/hơi (moderator coefficient).

- Sự biến chuyển dạng hình học của tâm lò, do sự nóng chảy của các bó nhiên liệu, có bó thanh điều khiển và các cấu trúc trong tâm lò..

Chuyện gì sẽ xảy ra nếu tiếp tục dập lò theo cách trên khi mực nước tâm lò đã phơi trần một phần bó thanh nhiên liệu?- Làm tăng nhiệt độ của bộ bó thanh nhiên liệu (dẫn đến tăng áp suất của thùng lò);

- Cản trở và thay đổi dòng nước làm mát trong tâm lò;

- Làm tăng tốc độ oxy hóa và tăng trọng lượng của khí hydro;

- Ảnh hưởng đến những trang thiết bị trong tâm lò (màn thép che chắn, tấm thép đỡ các thanh nhiên liệu, v.v…), và bộ thanh điều khiển;

- Làm biến dạng hình học của tâm lò.

- Bộ bó thanh điều khiển (hợp kim thép inox và B4C) bị nóng chảy ở nhiệt độ 1248 độ C trong khi nhiệt độ nóng chảy của thép inox là khoảng 1400 độ C. Sự nóng chảy này sẽ cản trở dòng nước làm mát trong bộ bó thanh nhiên liệu.

- Sự nóng chảy của thép Zirconi (nhiệt độ nóng chảy là 1882 độ C) và Uranium (nhiệt độ nóng chảy khoảng  2600 độ C sẽ làm biến dạng hình học của tâm lò.

Trong sự cố mất nước cấp cứu trong khoảng thời gian từ 10 - 15 phút hoặc vài giờ, tùy theo sự diễn biến của sự cố mà bộ bó thanh điều khiển và thanh nhiên liệu sẽ bị nóng chảy một phần dẫn đến sinh ra hợp kim và biến dạng hình học của tâm lò.

Hiện tượng này trước hết sẽ làm cản trở hiệu quả của các biện pháp làm mát mà nhà vận hành đang thực hiện. Vì với đặc điểm vật lý của lò BWR, hệ số nước/hơi sẽ tăng lên. Do đó, sự “tải tới hạn” của tâm lò có thể sẽ xảy ra. Hiện tượng này tạo ra sự “dịch chuyển áp suất” và mực nước không ổn định mà nhà vận hành TEPCO đã nhận thấy trong quá trình theo dõi sự cố.

Sự “dịch chuyển áp suất” sẽ dẫn đến gia tăng nhiệt độ và giảm bớt hiệu quả của các biện pháp làm mát. Do đó, với thời gian, mực nước tại vùng hoạt đã xuống thấp 2m so với mức an toàn (trong điều kiện vận hành bình thường) và làm tăng  nhiệt độ của những phần không được ngâm trong nước của bộ bó thanh nhiên liệu lên đến trên 1000 độ C. Hiện tượng này sẽ làm gia tăng sự oxy hóa của thép Zirconi của thanh nhiên liệu, đồng thời làm gia tăng trọng lượng của khí hydro.

Mức công suất của lò phản ứng hạt nhân trong thời gian “tải tới hạn” sẽ tùy thuộc theo sự hư hỏng của tâm lò, theo lượng nước cấp cứu, áp suất trong thùng lò và mức nước của tâm lò.

Trước tình trạng này, nếu nhân viên vận hành không được đào tạo một cách kỹ lưỡng sẽ không thể đảm bảo vận hành an toàn của nhà lò.

Nhà vận hành phải phân tích và lấy quyết định dưa diễn biến của sự cố và những hậu quả hoặc thay đổi liên quan (thời gian khi tâm lò không ngập nước) hoặc dựa trên những tin tức cập nhật được qua những trang bị có sẵn ở trong  phòng điều khiển như:

- Mức nước

- Áp suất của thùng lò và thùng che chắn sơ cấp

- Nhiệt độ của thùng lò

- Trang bị đo lường trong tâm lò

Tới thời điểm này, theo những thông tin cập nhật được từ nhà vận hành và các cơ quan an toàn của Nhật Bản, 3 nhà lò của nhà máy điện Fukushima đã xảy ra sự cố nhưng thùng thép bảo vệ sơ cấp và thùng lò phản ứng không bị nứt nẻ nên phần lớn phóng xạ vẫn được duy trì trong hai bộ phận trên.

Trong lâu dài, sự nóng chảy của nhiên liệu có thể gây ra sự rò rỉ hoặc bể vỏ của thùng lò. Sự duy trì một phần lớn hỗn hợp kim loại đã cháy và các chất phóng xạ trong thùng lò sẽ tùy thuộc vào sự bền vững của thép thùng lò sau 35 – 40 năm hoạt động dưới ảnh hưởng phá hủy của tia neutron nhanh.  

TS Trần Đại Phúc, Chuyên gia hạt nhân Cục An toàn bức xạ hạt nhân, Bộ KH - CN

Nguồn Báo Đất Việt