Phóng to

Sơ đồ hoạt động của một lò phản ứng hạt nhân - Đồ họa: NHƯ KHANH

Trận động đất 9 độ Richter lúc 15g chiều 11-3 khiến các nhà máy điện hạt nhân trên đất Nhật tự động dập lò, chấm dứt tức khắc phản ứng dây chuyền bên trong các lõi lò phản ứng.

Nhưng các lõi lò vẫn còn rất nóng, bởi nhiệt tỏa ra do bức xạ gamma từ vô số mảnh vỡ phân hạch được tích lũy nhiều năm bên trong các bó nhiên liệu. Nếu không kịp thời tải lượng nhiệt này đi (bằng 6% công suất lò), các bó nhiên liệu sẽ bị nóng chảy, chất phóng xạ sẽ thoát ra nước tuần hoàn vốn được dùng để tải nhiệt và làm chậm nơtron khi lò hoạt động bình thường.

Nhưng đây chưa phải là trạm dừng chân cuối cùng của các chất phóng xạ. Tuy làm bằng thép không gỉ rất dày, nhưng nếu thùng lò, nền móng bên dưới và các đường ống dẫn ra bên ngoài bị nứt hoặc hư hại do động đất, chất phóng xạ sẽ thoát ra ngoài nhà lò và từ đó tiếp tục hành trình ra môi trường khí và nước, gây ô nhiễm phóng xạ cả khu vực xung quanh. Liên tiếp bốn ngày qua, cả nước Nhật phải vật lộn với những con quái vật ấy để bắt nó phải nằm yên tại trạm dừng chân thứ nhất.

Các lò nước sôi hoạt động ra sao?

Để cảm nhận được việc này khó khăn dường nào, ta nên tìm hiểu qua nguyên tắc hoạt động của các lò nước sôi (BWR) khá phổ biến ở Nhật và đang bị trận động đất quật ngã trong mấy ngày qua (xem sơ đồ).

Lõi lò, gồm các bó nhiên liệu (2) và thanh điều khiển (3) được tải nhiệt và làm chậm nơtron bằng nước nguyên chất sôi ở 2850C dưới áp suất 75 atm nhờ hệ thống tuần hoàn (5). Hơi nước (4) sau khi qua hệ thống tuôcbin (6, 7) được ngưng tụ (8) để từ đó quay lại vòng tuần hoàn làm nguội lõi lò. Bộ phận ngưng hơi cần phải được làm nguội (11) nhưng bằng nước thường.

Nguyên lý an toàn của các lò phản ứng là làm sao các chất phóng xạ được nhốt chặt bằng nhiều lớp tường thành kiên cố, nếu lớp trước bị chọc thủng thì còn lớp sau. Lớp thứ nhất là vỏ bọc các bó nhiên liệu (2). Nếu bức tường thành này bị thủng, chất phóng xạ sẽ thoát ra bên ngoài nhưng sẽ bị nhốt lại bên trong bức tường thành thứ hai, đó là thùng lò bằng thép không gỉ (1) đủ dày để chống chịu áp lực và nhiệt độ cao.

Nhà lò chứa thùng lò và hệ thống tuôcbin, máy phát (xem sơ đồ) có thể xem là bức tường thành thứ ba. Khi lò hoạt động, nước và hơi bị nơtron kích hoạt trở nên phóng xạ, do đó nhà lò, và đặc biệt hệ thống tuôcbin, phải có tường bêtông đủ dày (12) để cản xạ.

“Ông lão” Fukushima và sóng thần!

Nhà máy điện hạt nhân Fukushima 1 gồm sáu lò nước sôi, trong đó chỉ có ba lò 1, 2 và 3 đang hoạt động trước khi động đất xảy ra. Lò thứ nhất công suất 440MW là một “ông lão” đang có kế hoạch nghỉ hưu vào tháng tư này sau 40 năm hoạt động. Nhưng nó vừa bị quật ngã nặng nhất. Động đất và mất điện lưới đã đánh gục hoàn toàn hệ thống bơm tải nhiệt và cả hệ thống làm nguội khi có sự cố. Các nhân viên vận hành lúc này phải nghĩ đến máy diesel dự phòng.

Nhưng họa vô đơn chí! Con đê chắn kiên cố phía bờ biển bị sóng thần phá vỡ, nước biển tràn vào làm ngập gian nhà chứa máy diesel, nó chỉ chạy được chưa đầy một giờ rồi lịm hẳn. Nhà máy còn có hệ thống ăcquy dự phòng, nhưng chỉ đủ điện cho các hệ thống điều khiển và chiếu sáng hạn chế. Máy phát điện lưu động được điều đến trong vòng 13 giờ sau đó, nhưng không kết nối được vào các thiết bị của nhà máy bởi tầng hầm chứa các tủ điện bị ngập nước do sóng thần.

Lúc này bên trong thùng lò nước tiếp tục sôi, nhưng hệ thống ngưng hơi và bơm nước không hoạt động khiến hơi cứ đầy lên, áp suất hơi bên trong thùng lò tăng cao mà pha nước lại vơi nhanh làm nhiệt độ các bó nhiên liệu tăng cao do chúng bị phơi trơ ra khỏi mặt nước. Phải kiềm chế quá trình này, nếu không toàn lõi lò sẽ tan chảy, một hiện tượng được xem như cơn ác mộng kinh hoàng nhất đối với những ai quản lý lò hạt nhân.

Chỉ còn cách xì bớt hơi ra nhà lò để giảm áp suất bên trong thùng lò, đồng thời dùng bơm cứu hỏa, công cụ cuối cùng khả dĩ lúc này, để bơm nước biển vào thùng lò làm nguội các bó nhiên liệu. Axit bôric được pha vào nước biển để hấp thụ nơtron, phòng khi phản ứng dây chuyền xảy ra.

Quyết định táo bạo

Quyết định này là một sự đánh đổi táo bạo. Bơm nước biển vào lò chẳng khác nào khai tử lò phản ứng, bởi clor sẽ làm mọi thứ bên trong gỉ rất nhanh. Nhưng đổi mạng sống của một “ông lão về hưu” để tránh thảm họa cho nhiều người xem ra còn “dễ quyết” hơn là làm cho các nhân viên vận hành và dân chúng bên ngoài bị nhiễm xạ khi xì hơi nước có chứa phóng xạ ra nhà lò. (Thật ra chôn cất cái xác lò này không đơn giản, nhưng việc này rồi sẽ hạ hồi phân giải).

Sáng 12-3, mức phóng xạ trong nhà chứa máy tuôcbin lên quá cao buộc lãnh đạo nhà máy phải cho xì tiếp ra môi trường. Mức phóng xạ đo được ở cổng nhà máy đã tăng lên hơn mười lần sau 40 phút, trước đó nhà chức trách đã phải phát lệnh di tản dân chúng khẩn cấp. Lúc này thông tin đáng chú ý nhất là phát hiện thấy hai sản phẩm phân hạch trong không khí xung quanh khu vực lò, đồng vị xêsi (Cs-137, Cs-134) và iôt (I-131).

Vậy là vỏ bọc nhiên liệu đã bị hỏng. Lõi lò đã tan chảy một phần. Nhà chức trách bắt đầu phân phát muối kali iôt để giảm nguy cơ iôt phóng xạ xâm nhập vào tuyến giáp. Máy bay trực thăng của quân đội Mỹ lượn cách nhà máy 60 dặm phát hiện xêsi phóng xạ, nhận được lệnh quay trở về ngay căn cứ để tẩy xạ.

Các hãng thông tấn cảnh báo tính độc hại của xêsi phóng xạ. Thật ra ngoài xêsi phóng xạ còn nhiều sản phẩm phân hạch khác độc hại hơn như stronxi (Sr-92), song không dễ phát hiện như xêsi và iôt. Cả xêsi và stronxi đều sống rất lâu, sau 30 năm chỉ phân hủy một nửa.

Lúc 3 giờ chiều 12-3 một vụ nổ đã xảy ra, sự kiện không nằm ngoài dự đoán của các chuyên gia ngoài cuộc theo dõi trên truyền hình. Vụ nổ đã làm tung mái nhà lò do khí hydro xì ra từ bên trong thùng lò kết hợp với ôxy trong không khí. Vụ nổ đã cung cấp thêm một minh chứng nữa cho thấy vỏ bọc nhiên liệu làm bằng hợp kim zircalo đã bị thủng do ziacon (Zr) phản ứng với nước ở nhiệt độ rất cao.

Phản ứng này tạo ra khí hydro bên trong thùng lò. Vụ nổ càng làm tăng thêm lượng chất phóng xạ tung ra môi trường. Còn nhớ kịch bản tương tự đã xảy ra ở Chernobyl cách đây gần đúng 25 năm, khi đó một vụ nổ khí hydro đã xảy ra trước khi toàn lõi lò bị nổ gieo rắc chất phóng xạ khắp Bắc bán cầu. May ra chuyện tồi tệ này dường như không lặp lại ở đây. Có vẻ như lò số 1 chưa bị tan chảy hoàn toàn.