|
Những ngày gần đây chúng ta thường
nghe truyền thông nói rằng các lò hạt nhân Fukushima
ở Nhật được làm nguội bằng nước biển để các thanh
nhiên liệu khỏi bị chảy và gây nhiễm phóng xạ.
Nhưng không bao giờ truyền thông cho ta biết là nước
biển này, sau khi tưới lên nhiên liệu hạt nhân, sẽ
chảy vào đâu. Xin giải thích trên căn bản vật lý.
Thông thường, các thanh nhiên liệu hạt nhân ở
Fukushima được làm nguội bằng nước lưu hành trong
một vòng tuần hoàn khép kín (closed loop): nước được
bơm vào lò phản ứng, tiếp xúc với các thanh nhiên
liệu (giống như nước trong ấm đun nước điện của các
bạn tiếp xúc với dây nóng - element), bốc thành hơi,
hơi nước dưới áp lực cao đi vào tua-bin để sinh
điện, rồi làm nguội thêm và đọng lại thành nước lỏng
trong máy đọng nước (condenser), và bơm lại vào lò
phản ứng. Hệ thống này được gọi là lò phản ứng nước
sôi (boiling water reactor).
Sau trận động đất và sóng thần, vì các máy bơm mất
điện, công nhân TEPCO đã phải bơm nước biển vào lò
phản ứng. Chắc là họ nối một máy bơm tạm thời, chạy
diesel hay nhiên liệu khác, vào một ống nước trong
hệ thống tuần hoàn và bơm nước biển vào đó, nhưng
chuyện đó không quan trọng. Để làm nguội, nước biển
phải tiếp xúc các thanh nhiên liệu, gặp nóng bốc
hơi, tạo thành hơi nước. Toàn bộ hơi nước này phải
thoát ra ngoài khí quyển, cùng với các chất phóng xạ
cuốn theo.
1 kg nước biển chứa 35 gram muối hay 3,5%, phần còn
lại (965 gram hay 96,5%) chủ yếu là nước, và TẤT CẢ
lượng nước này chuyển sang hơi có chứa chất phóng xạ
và thoát vào khí quyển. Không phải một phần, mà toàn
bộ, bởi vì chỉ cần một phần rất nhỏ hơi không thoát
– dù là một phần trăm - thì áp suất sẽ nhanh chóng
lên cao và nổ tung (vì có vào mà không ra).
Trong những ngày qua, họ đã bơm vào bao nhiêu nước
biển? 10 tấn, 100 tấn, 1000 tấn? Khó biết rõ, trừ
phi TEPCO cho biết. Nhưng điều chúng ta biết chắc là
hầu như TẤT CẢ nước đó đã thoát ra ngoài khí quyển.
Thực ra, người ngoài cuộc cũng có thể ước tính số
lượng nước biển cần thiết (trong giới kỹ thuật tiếng
Anh thường gọi là “tính toán trên phong bì”, back of
envelope calculation, một kỹ năng căn bản của mọi kỹ
sư). Chẳng hạn, dữ kiện trên web cho biết lò số 3
Fukushima (một trong những lò được bơm nước biển
vào) có công suất 784 MW điện. Hiệu suất
(efficiency) của một lò phản ứng nước sôi như ở
Fukushima là 32%
(http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/nucene/reactor.html),
tức là cứ 1 MW nhiệt thì chỉ sinh ra được 0,32 MW
(megawatts) điện. Vậy trong khi hoạt động, các thanh
nhiên liệu phát ra 784 / 0,32 = 2450 MW nhiệt. Khi
lò phản ứng được tắt, nhiệt năng còn dư (residual
heat) thấp hơn nhiều, thường là khoảng 6% ngay sau
khi tắt (http://en.wikipedia.org/wiki/Decay_heat
,
http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/r/residual-heat.htm
) và giảm dần còn 0,5% sau một ngày. Giả sử nhiệt
năng trung bình còn lại là 1% thì nhiệt lượng cần
thải đi khoảng 25 MW, hoặc 25 triệu joules nhiệt một
giây. Mỗi kg nước bốc hơi có thể tải được chừng 2
triệu joules nhiệt, do đó lượng nước cần thiết để
tải nhiệt dư là 12,5 kg một giây hoặc khoảng 1000
tấn nước (một triệu lít) trong ngày đầu tiên, sau đó
giảm dần (một bể bơi Olympic lớn chứa chừng 2,5
triệu lít).
Nếu chỉ một lượng nhỏ hơi nước thoát ra, hơi này có
thể được dẫn tới một hồ nước gọi là hồ kềm chế
(suppression pool) để ngưng tụ thành nước lỏng. Ở
nhà máy Fukushima, thuộc thế hệ 1 lò nước sôi, hồ
này có dạng hình nhẫn (torus) mà ta thường thấy
(“WW” trong hình). Tuy nhiên, chức năng của hồ kềm
chế chỉ là để đối phó với sự thất thoát nước làm
nguội trong giây lát (transient loss of coolant).
Nếu hơi nước tiếp tục thoát ra do bơm nước biển vào
lò, nhiệt độ nước trong hồ sẽ nhanh chóng tăng lên
đến khi sôi (giống như khi ta dùng hơi nước hâm sữa
để làm capuccino) và hơi nước sẽ không ngưng tụ nữa.
Ngoài ra, ở Fukushima, có khả năng là nước trong hồ
kềm giữ đã bị bơm vào lò (và biến thành hơi rồi xả
ra ngoài) để làm nguội lò, sau khi hệ thống tuần
hoàn khép kín bị mất điện, tức là không còn nước để
làm chức năng ngưng tụ.
Thật vô lý khi nghe các phương tiện truyền thông và
thậm chí cả các nhà khoa học hỏi rằng các lò phản
ứng có bị thủng (breached) không. Cố nhiên là chúng
đã thủng rồi, hay ít ra là đã “xì”. Nếu toàn bộ mái
của lò phản ứng bị vỡ tan, thì cũng chẳng khác gì
tình trạng bây giờ. Vấn đề chỉ là những hơi phóng xạ
tự do tỏa ra từ các lò hạt nhân đó có hại cho sức
khỏe hay không, và half life của chúng là bao lâu.
Chuyện này xin để các chuyên gia hạt nhân giải
thích. Tuy nhiên, cũng cần nhấn mạnh là độ nguy hiểm
của phóng xạ trong hơi nước không thấm thía gì so
với trường hợp đáy lò bị thủng, vì nứt vỡ hay vì
nhiên liệu nóng chảy.
|