Chất thải hạt nhân là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa chất thải hạt nhân

Chất thải hạt nhân là vật chất có chứa đồng vị phóng xạ không còn giá trị sử dụng nhưng vẫn phát ra bức xạ ion hóa ở mức nguy hiểm. Những vật liệu này có thể tồn tại dưới dạng rắn, lỏng hoặc khí, và thường có mức độ độc hại kéo dài hàng chục đến hàng trăm nghìn năm tùy theo chu kỳ bán rã của các đồng vị chứa trong chúng.

Loại chất thải này là sản phẩm tất yếu của mọi hoạt động liên quan đến công nghệ hạt nhân, bao gồm cả phát điện, sản xuất vũ khí, điều trị y học, nghiên cứu khoa học và ứng dụng công nghiệp. Việc xử lý, lưu trữ và tiêu hủy chất thải hạt nhân là một trong những thách thức lớn nhất đối với ngành năng lượng nguyên tử hiện đại do mức độ nguy hiểm sinh học và yêu cầu giám sát lâu dài.

Hoạt độ phóng xạ của một mẫu chất thải được định lượng theo đơn vị becquerel (Bq) hoặc curie (Ci), phản ánh số lần phân rã hạt nhân xảy ra mỗi giây. Khả năng gây hại phụ thuộc vào loại bức xạ phát ra (alpha, beta, gamma), năng lượng bức xạ, và khả năng xâm nhập sinh học.

Phân loại chất thải hạt nhân

Phân loại chất thải hạt nhân chủ yếu dựa trên mức độ hoạt độ phóng xạ và đặc tính sinh nhiệt của chúng. Theo chuẩn của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), chất thải được chia thành ba nhóm chính để phục vụ mục đích xử lý và lưu trữ khác nhau:

• Chất thải mức độ thấp (LLW): bao gồm vật liệu bảo hộ, quần áo, khăn lau, bộ lọc, dụng cụ thí nghiệm bị nhiễm xạ nhẹ. Loại này không phát sinh nhiệt đáng kể và có thể được xử lý bằng chôn lấp nông.
• Chất thải mức độ trung bình (ILW): có chứa đồng vị phóng xạ với hoạt độ cao hơn LLW, cần được che chắn cẩn thận nhưng không sinh nhiệt đáng kể. Bao gồm nhựa trao đổi ion, bùn phóng xạ và thiết bị tháo dỡ từ lò phản ứng.
• Chất thải mức độ cao (HLW): chủ yếu là nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, có hoạt độ rất cao và sinh nhiệt lớn, đòi hỏi phải làm mát và cô lập trong môi trường địa chất ổn định hàng nghìn năm.

Bảng sau đây tóm tắt các đặc điểm chính của từng nhóm:

Loại chất thải	Hoạt độ phóng xạ	Sinh nhiệt	Biện pháp xử lý
Mức độ thấp (LLW)	Thấp	Không đáng kể	Chôn lấp nông, cô đặc
Mức độ trung bình (ILW)	Trung bình đến cao	Thấp hoặc không có	Che chắn, cô lập lâu dài
Mức độ cao (HLW)	Rất cao	Rất lớn	Làm mát, chôn sâu địa chất

Nguồn gốc của chất thải hạt nhân

Chất thải hạt nhân phát sinh từ nhiều nguồn khác nhau, với phần lớn đến từ ngành năng lượng hạt nhân. Trong lò phản ứng hạt nhân, nhiên liệu (thường là uranium hoặc hỗn hợp plutonium) sau khi tham gia vào quá trình phân hạch sẽ trở thành chất thải mức độ cao, chứa các sản phẩm phân hạch và đồng vị phát sinh mới.

Ngoài phát điện, các nguồn chất thải phổ biến bao gồm:

• Y học hạt nhân: sử dụng đồng vị phóng xạ như $^{131}\text{I}$, $^{99m}\text{Tc}$ trong chẩn đoán và điều trị ung thư
• Công nghiệp: sử dụng nguồn phóng xạ để kiểm tra mối hàn, đo mật độ và độ dày vật liệu
• Nghiên cứu: phòng thí nghiệm sử dụng đồng vị phóng xạ để nghiên cứu sinh học, vật lý và hóa học
• Quân sự: chất thải từ sản xuất và tháo dỡ vũ khí hạt nhân

Sau khi rời khỏi lò phản ứng, nhiên liệu đã qua sử dụng thường chứa các đồng vị phóng xạ có độc tính cao như:

• $^{137}\text{Cs}$: thời gian bán rã 30,2 năm, phát xạ beta và gamma
• $^{90}\text{Sr}$: thời gian bán rã 28,8 năm, có thể tích lũy trong xương
• $^{239}\text{Pu}$: thời gian bán rã 24.100 năm, phát xạ alpha nguy hiểm khi hít phải

Tính chất vật lý và hóa học

Chất thải hạt nhân là hỗn hợp phức tạp gồm các nguyên tố và đồng vị có hoạt độ cao, thời gian bán rã dài và khả năng phát ra nhiều loại bức xạ khác nhau. Bức xạ alpha có khả năng ion hóa mạnh nhưng xuyên thấu yếu; beta có mức năng lượng trung bình; gamma có khả năng xuyên thấu mạnh, gây nguy hiểm ở khoảng cách xa.

Đặc tính hóa học của chất thải phụ thuộc vào cấu trúc phân tử, mức độ hòa tan và khả năng tương tác với vật liệu lưu trữ hoặc môi trường xung quanh. Một số đồng vị như $^{99}\text{Tc}$ và $^{129}\text{I}$ có tính di động cao trong nước ngầm, gây rủi ro lan truyền phóng xạ nếu không được cô lập đúng cách.

Một số thông số đặc trưng thường được theo dõi:

Đồng vị	Thời gian bán rã	Loại bức xạ	Độc tính
$^{137}\text{Cs}$	30,2 năm	Beta, Gamma	Cao
$^{90}\text{Sr}$	28,8 năm	Beta	Rất cao
$^{239}\text{Pu}$	24.100 năm	Alpha	Cực kỳ cao

Ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường

Chất thải hạt nhân có thể gây hậu quả nghiêm trọng đến sức khỏe con người và hệ sinh thái nếu không được quản lý đúng cách. Các loại bức xạ phát ra từ chất thải như alpha, beta và gamma có khả năng phá hủy cấu trúc phân tử sinh học, gây tổn thương DNA, đột biến gen và rối loạn hệ miễn dịch.

Tác động lên cơ thể phụ thuộc vào loại bức xạ, liều lượng, thời gian phơi nhiễm và đường tiếp xúc. Bức xạ alpha rất nguy hiểm khi hít hoặc nuốt phải; beta có thể xuyên qua da; gamma có khả năng xuyên thấu sâu vào mô sống. Các biểu hiện lâm sàng bao gồm:

• Buồn nôn, mệt mỏi, giảm bạch cầu (hội chứng phóng xạ cấp)
• Tăng nguy cơ ung thư (đặc biệt là máu, tuyến giáp, xương)
• Rối loạn sinh sản, ảnh hưởng phôi thai

Về môi trường, chất thải rò rỉ vào đất hoặc nước có thể gây ô nhiễm nguồn nước ngầm, đất canh tác và tích tụ trong chuỗi thực phẩm qua cây trồng và động vật. Những sự cố như Chernobyl (1986) và Fukushima (2011) cho thấy mức độ lan truyền phóng xạ vượt xa biên giới địa lý, ảnh hưởng kéo dài nhiều thế hệ.

Phương pháp xử lý chất thải hạt nhân

Việc xử lý chất thải hạt nhân tùy thuộc vào loại, mức độ phóng xạ và đặc điểm vật lý của từng nhóm. Mục tiêu chính là giảm thể tích, cô lập phóng xạ, ổn định hóa học và đảm bảo an toàn lâu dài.

Các công nghệ xử lý phổ biến:

• Rắn hóa (vitrification): chuyển chất thải lỏng sang dạng thủy tinh ổn định, dễ lưu trữ
• Ép nén (compaction): giảm thể tích chất thải mức độ thấp
• Xi măng hóa: cố định chất thải trong vật liệu xi măng để ngăn rò rỉ
• Tái xử lý nhiên liệu hạt nhân: tách plutonium và uranium còn lại để tái sử dụng

Tái xử lý thường được áp dụng tại Pháp (La Hague), Nga (Mayak), Nhật Bản (Rokkasho) nhằm giảm lượng chất thải mức độ cao cần chôn lấp. Tuy nhiên, quá trình này phức tạp và tạo ra nguy cơ lan truyền vật liệu phân hạch.

Lưu trữ dài hạn và địa điểm chôn lấp

Chất thải mức độ cao sau khi làm nguội và rắn hóa cần được cô lập trong các kho chứa đặc biệt hoặc cơ sở chôn sâu dưới lòng đất. Hệ thống lưu trữ phải đảm bảo cách ly tuyệt đối khỏi môi trường sinh học trong thời gian dài, đôi khi lên đến hàng trăm nghìn năm.

Hai phương pháp chính:

• Lưu trữ tạm thời: tại các bể nước làm mát hoặc thùng chứa khô (dry cask storage) ở gần lò phản ứng
• Chôn sâu địa chất: trong các tầng đá ổn định như đá granit, muối, đất sét

Một số dự án nổi bật:

• Onkalo (Phần Lan): cơ sở chôn sâu đầu tiên trên thế giới đang đi vào hoạt động
• WIPP (Mỹ): lưu trữ chất thải xuyên hành lang hầm sâu 655 m dưới lòng đất
• Bure (Pháp): dự án Cigéo dự kiến vận hành năm 2035

Các tiêu chí lựa chọn vị trí chôn lấp bao gồm:

• Địa chất ổn định, không có hoạt động kiến tạo mạnh
• Không gần nguồn nước ngầm quan trọng
• Cách xa khu dân cư và vùng đô thị

Khung pháp lý và giám sát quốc tế

Việc quản lý chất thải hạt nhân được điều chỉnh bởi các cơ quan quốc tế nhằm đảm bảo an toàn, minh bạch và hạn chế nguy cơ lan truyền vật liệu hạt nhân cho mục đích phi hòa bình.

Các tổ chức và hiệp định quan trọng:

• IAEA: ban hành tiêu chuẩn an toàn quốc tế, thanh tra các cơ sở lưu trữ
• Joint Convention on the Safety of Spent Fuel Management: ràng buộc pháp lý giữa các quốc gia
• NRC (Mỹ): giám sát toàn bộ vòng đời chất thải tại Hoa Kỳ
• EURATOM (EU): điều phối chính sách hạt nhân tại Liên minh châu Âu

IAEA yêu cầu các quốc gia phải báo cáo định kỳ về chất lượng cơ sở lưu trữ, kế hoạch dài hạn và các biện pháp an toàn nhằm tránh rò rỉ phóng xạ ra ngoài môi trường sống.

Thách thức và triển vọng trong quản lý chất thải

Một trong những thách thức lớn nhất là thiếu sự đồng thuận xã hội và chính trị trong việc lựa chọn địa điểm chôn lấp dài hạn. Nhiều dự án bị phản đối gay gắt bởi cộng đồng địa phương do lo ngại ảnh hưởng sức khỏe, môi trường và tài sản bất động sản.

Thách thức kỹ thuật bao gồm:

• Thiết kế bao chứa chịu được thời gian dài và các tác động môi trường khắc nghiệt
• Đảm bảo tính không phục hồi (retrievability) trong các kho chôn sâu
• Quản lý thông tin và cảnh báo nguy cơ cho thế hệ tương lai

Tuy nhiên, các công nghệ mới đang mở ra triển vọng xử lý hiệu quả hơn:

• Lò phản ứng thế hệ IV: sử dụng nhiên liệu hiệu quả hơn, giảm sản phẩm phụ
• Biến đổi đồng vị bằng neutron nhanh: rút ngắn thời gian bán rã
• Xử lý bằng plasma hoặc vi khuẩn biến đổi gen: đang trong giai đoạn thử nghiệm

Tài liệu tham khảo

1. International Atomic Energy Agency (IAEA). https://www.iaea.org/topics/radioactive-waste-management
2. U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC). https://www.nrc.gov
3. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). https://www.epa.gov/radiation
4. World Nuclear Association. Radioactive Waste Management. https://world-nuclear.org
5. OECD Nuclear Energy Agency (NEA). https://www.oecd-nea.org
6. Posiva Oy. Final Disposal of Spent Nuclear Fuel in Finland. https://www.posiva.fi
7. French National Radioactive Waste Management Agency (ANDRA). https://www.andra.fr