Sự cố tại Fukushima I qua cái nhìn chuyên gia

"Khủng hoảng hạt nhân tại nhà máy Fukushima I vẫn tiếp diễn, nhưng thời gian đang đứng về phía con người, sự căng thẳng vẫn còn nhưng tôi tin mọi việc sẽ ổn thoả", tiến sĩ Hà Ngọc Tuấn viết tiếp.

Trong phần này tôi xin giải thích diễn biến, cơ chế khủng hoảng hạt nhân tại nhà máy Fukushima I và lý do vì sao tôi có niềm tin như vậy.

Hình ảnh hư hại lớp vỏ ngoài của lò phản ứng số 1, nhà máy Fukushima I sau vụ nổ.
Ảnh: AFP

Sơ lược về nhà máy điện nguyên tử Fukushima

Nhà máy Fukushima 1 thuộc thế hệ đầu tiên của ngành năng lượng hạt nhân của Nhật. Nó được xây dựng và đưa tổ máy số 1 vào vận hành vào tháng 3/1971, chỉ hơn tôi có vài tháng tuổi và với tuổi đời này, người ta vẫn nghĩ có thể mọi thứ đã hết hạn sử dụng. Thực tế thì không phải như vậy!

40 đến 50 năm là tuổi đời thiết kế của nhà máy điện nguyên tử. Nhà máy như thế này qua rất nhiều lần bảo dưỡng kiểm tra định kỳ theo qui định nghiêm ngặt của Nhật. Có lẽ chỉ các kết cấu bê tông cốt thép và phần lò phản ứng là không thay đổi, tất cả các hệ thống khác liên quan đến vận hành và an toàn nhà máy đã được thay bởi thế hệ thiết bị mới chế tạo trong 40 năm qua.

Loại lò sử dụng trong nhà máy này là Boiling Water Reactor (BWR) hay có thể tạm gọi là lò phản ứng nước sôi. Các nhà máy của điện lực Tokyo (TEPCO) sử dụng loại lò này. Một loại lò khác cũng được sử dụng ở Nhật là Pressurized water reactors (PWR) hay gọi là Lò áp lực nước.

Fukushima 1 có 6 tổ máy với tổng công suất lên đến 4696MW, gấp gần 3 lần công suất nhà máy thủy điện Hòa Bình của chúng ta. Tổ máy đầu tiên do General Electric (GE) của Mỹ sản xuất, nhưng sau đó người Nhật đã tự chế tạo được lò cho mình. Toshiba là hãng có lịch sử gắn bó lâu dài với điện lực Tokyo và họ cung cấp lò cho hãng này.

Diễn biến khủng hoảng Fukushima

Khủng hoảng tại Fukushima 1 có thể nói là duy nhất, vì cùng một lúc người ta gặp vấn đề với hai nhà máy với nhiều lò phản ứng, nhiều hiện tượng sự cố cùng lúc và ngay cả trong lúc xử lý sự cố vẫn phải hứng chịu dư chấn liên tục. Có thể nói, sự cố điện nguyên tử này dù không gây ra thảm họa nhiễm xạ trên diện rộng thì cũng sẽ viết một trang mới cho các bài học về hệ thống an toàn điện nguyên tử, cũng như xử lý trong tình trạng khẩn cấp mà trong đó, tên tuổi các kỹ sư và nhân viên vận hành nhà máy Fukushima sẽ được ghi tên vào lịch sử.

Cuộc chạy đua với khủng hoảng chưa kết thúc nhưng theo dõi những gì diễn ra, một lần nữa tôi thêm tự tin rằng, thời gian đang ủng hộ con người. Ít nhất nhiệt trong các lò phản ứng đang trong tầm kiểm soát. 50 con người dũng cảm vẫn tại vị trí làm việc. Vị giám đốc nhà máy Fukushima I vẫn trong tư thế lãnh đạo toàn bộ cuộc chạy đua với áp suất, nhiệt độ mà công cụ là nước biển.

Đoàn cán bộ chính phủ từ bộ Kinh Tế Công Thương Nhật bản (METI) có mặt thường trực tại trung tâm đầu não của TEPCO ở Tokyo để cùng họ ra những quyết định quan trọng. Nội các của thủ tướng Kan đoàn kết và bình tĩnh. Toàn thể người dân Nhật cũng vậy, họ kiên nhẫn tuân thủ lệnh chính phủ không hốt hoảng hay kêu ca một lời nào.

Nhiên liệu hạt nhân và lò phản ứng

Câu trả lời tất nhiên là do động đất và sóng thần. Dù được thiết kế từ hơn 40 năm trước, nhà máy Fukushima I có khả năng chống động đất ở mức cao, nhưng không phải cho một trận 9.0 độ Richter như thế này. Để trả lời được phần nào những câu hỏi liên quan đến tai nạn, tôi thấy cần phải nói qua về cấu tạo và nguyên lý vận hành của lò phản ứng nhà máy Fukushima này.

Nhiên liệu và lò phản ứng

Nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân là chất uranium. Khoáng uranium thiên nhiên sẽ được tinh chế để làm ra thỏi nhiên liệu (pelet) như thấy ở hình trên. Kích thước thỏi hình trụ này là 10x10mm nặng khoảng 10gram với thành phần gồm uranium 235 và 238 trộn với tỷ lệ thích hợp. 350 thỏi nhiên liệu này được nhồi vào một thanh nhiên liệu (fuel rod). Các thanh nhiên liệu lại được bó thành bó nhiên liệu (fuel assembly). Rồi các bó nhiên liệu được đưa vào lò phản ứng (reactor). Chẳng hạn ở tổ máy số 1 của Fukushima 1 có 400 bó nhiên liệu như vậy.

Ngoài các bó nhiên liệu người ta còn đưa vào lõi lò các thanh điều khiển (control rod). Những thanh này làm bằng chất Boron có tính chất có thể "bắt" được các neutron là tác nhân gây ra phản ứng hạt nhân dây chuyền (chain reactor). Dùng thanh này người ta có thể kiểm soát được mức độ phản ứng cũng như dừng hoàn toàn phản ứng trong lò.

Các bó nhiên liệu được đưa vào lò để khởi động phát điện, khi đó người ta sẽ cho quá trình phản ứng dây chuyền có kiểm soát (giảm tốc độ và khống chế lượng neutron) diễn ra trong lò. Phản ứng dây chuyền xảy ra khi các hạt neutron bắn phá vào các nguyên tử uranium 235. Mỗi hạt neutron bắn vào một nguyên tử U235 sẽ khiến nó phân hạch tức là vỡ ra thành các nguyên tử nhẹ hơn và là sản phẩm của phản ứng dây chuyền (fission products).

Quá trình trên phát sinh ra nhiệt và sinh ra 2 neutron. Người ta sẽ dùng thanh điều khiển nói trên để "bắt" một neutron vừa phát sinh như vậy lượng neutron trong lò sẽ không đổi. Đây là điểm khác biệt căn bản giữa một quả bom nguyên tử và lò phản ứng nguyên tử. Ở vụ nổ nguyên tử sự phát sinh theo cấp số nhân của neutron trong phản ứng sẽ nhanh chóng sinh ra một phản ứng dây chuyền không kiểm soát và lượng nhiệt khổng lồ trong giây lát. Một phản ứng có kiểm soát sẽ sinh lượng nhiệt như ý muốn của con người.

Khi "đốt" lò như thế, nhiệt sẽ giải phóng xung quanh các thanh nhiên liệu. Người ta bơm nước vào lò để "đun". Nước có nhiệt độ và áp suất cao sẽ được chuyển thành hơi dẫn theo ống để "thổi" tuốc bin phát điện. Sau đó, nước này được ngưng tụ bằng một hệ thống làm lạnh dùng nước biển và lại quay lại tâm lò trong một vòng tuần hoàn kín để không cho phóng xạ lọt ra ngoài.

Về nguyên tắc, một nhà máy nhiệt điện thông thường và một nhà máy điện nguyên tử có nguyên lý vận hành như nhau chỉ khác ở chỗ là đun bằng "bếp" than hay "bếp" nguyên tử mà thôi.

Xin nhắc lại là quá trình phản ứng sinh ra các sản phẩm là các chất phóng xạ. Đây là điểm căn bản giải thích vì sao sau khi "tắt" lò vẫn nóng. Khi tắt lò thông thường hoặc do sự cố người ta sẽ đưa tất cả các thanh kiểm soát vào tâm lò, khi đó phản ứng sẽ ngừng và không có nhiệt sinh ra từ phản ứng dây chuyền nữa. Tuy nhiên, các sản phẩm phản ứng là các chất phóng xạ (cesium và iodine là ví dụ) sinh ra do "đốt" lò vẫn tiếp tục quá trình phân rã phóng xạ (Radioactive decay). Như vậy, hai bước quan trọng khi dừng lò là "tắt" lò và làm nguội.

Nguyên lý an toàn của lò phản ứng

Bài học mang tính giáo khoa cho thiết kế nhà máy nguyên tử là bảo vệ 5 lớp gồm:

Lớp 1: Thỏi nhiên liệu (pellet) được chế tạo nén cứng để các chất phóng xạ phát sinh luôn bị "nhốt" trong các thỏi này.

Lớp 2: Thanh nhiên liệu (fuel rod) có chức năng như vỏ kín "nhốt" các chất phóng xạ và khí phát sinh khi nó thoát ra khỏi các thỏi nhiên liệu.

Lớp 3: Lò phản ứng (reactor) là một cái "nồi" thép có vỏ dày 16 cm bằng kim loại. Lò này ngăn các chất phóng xạ thoát ra ngoài khi phóng xạ thoát ra từ các thanh nhiên liệu.

Lớp 4: Thùng lò (pressure vessel) làm bằng kim loại có vỏ dày 3 cm. Trong trường hợp xấu nhất khi lò phản ứng "vỡ", thùng lò sẽ ngăn phóng xạ ra ngoài.

Lớp 5: Vỏ bê tông cốt thép. Đây là kết cấu bê tông cốt thép có bề dày 1,5 mét, được thiết kế với một mục đích duy nhất là khi tất cả thành phần kim loại nằm trong nó chảy ra trong một sự cố nóng chảy lò giống như ở nhà máy Three Mile Island của Mỹ vào tháng 3/1979 thì phóng xạ vẫn bị "nhốt" trong vỏ này.

Trên thực tế, ở nhà máy Fukushima 1 còn có một lớp "áo" ngoài cùng là nhà lò. Kết cấu này chỉ có mục đích che các kết cấu bên trong khỏi tác động của thời tiết. Nhưng cũng cần nhấn mạnh rằng, nó là kết cấu "kín bưng". Hai vụ nổ ở lò phản ứng số 1 và số 3 ở nhà máy Fukushima I đều xảy ra ở lớp ngoài cùng này. Các vụ nổ đó chưa làm ảnh hưởng đến lớp phòng vệ bên trong.

Nếu xem xét như trên thì chúng ta thấy vấn đề ở Fukushima 1 chưa đến mức nghiêm trọng và qui mô của vấn đề khó có thể lớn hơn được nữa. Theo thang đo INES (International Nuclear and Radiological Event Scale) của cơ quan năng lượng nguyên tử Quốc tế, sự cố này có cấp 4 trong thang 7 cấp, tức là sự cố có tính chất cục bộ. Cần nhắc đến là Chernobyl, là sự cố có mức nghiêm trọng lớn nhất từ trước tới nay và xếp vào cấp 7. Cấp 6 là sự cố nghiêm trọng. Cấp 5 là sự cố có diện rộng trong thang đo này.

Vỏ ngoài lò phản ứng số 3 nhà máy Fukushima I sau vụ nổ. Ảnh: AFP

Trục trặc ở hệ thống làm mát lò

Một nhà máy điện nguyên tử như Fukushima I được thiết kế chống động đất và tính toán đến ảnh hưởng của sóng thần rất tốt. Nó cũng được trang bị không phải một mà là nhiều hệ thống làm mát với nguyên lý làm việc khác nhau độc lập với nhau cùng với các nguồn điện độc lập. Nhiều kịch bản về sự cố được xây dựng để có các thủ tục đối phó.

Kịch bản ở Fukushima chính vì thế không mới. Điều bất ngờ là sóng thần quá lớn đã phá hỏng các máy phát điện dự phòng diezen nguồn năng lượng huyết mạch cho công tác làm lạnh. Trên thực tế các máy diezen ở nhà máy Fukushima I đều làm việc ngay những phút đầu tiên khi nhà máy mất điện lưới do động đất gây ra. Chúng hoạt động tốt cho đến khi sóng thần ập đến.

Dù thế không có nghĩa là mất hết nguồn điện. Mọi chuyện không đơn giản như thế! Các nhà thiết kế cũng đã tính cả đến khả năng này và họ đặt một nguồn điện khác trong vỏ lò nơi sóng thần không thể đến được. Nguồn này là pin có khả năng duy trì năng lượng cho các máy bơm của hệ thống làm mát lò trong 8 giờ với tính toán rằng, với từng đó thời gian, các nguồn cấp điện di động đã được vận chuyển đến nhà máy qua đường bộ. Và tính toán này diễn ra đúng kịch bản, các pin này đã làm việc như thiết kế.

Tuy nhiên, kịch bản bị vỡ ở một điểm là các xe phát điện di động của TEPCO không thể đến hiện trường sớm như dự tính. Bạn biết vì sao rồi đó. Làm gì còn đường xá cầu cống qua cơn sóng thần vừa rồi, đó là cái không tính được! Nhưng họ vẫn đã đến chỉ có điều đến muộn. Và giống như bất kỳ vụ đến muộn nào khác sẽ có ai đó tức giận đến đỏ mặt. Nhiên liệu trong các lò không được làm mát do mất nguồn điện đã làm nước trong lò sôi lên bốc hơi và áp suất trong các lò đã tăng lên hơn nhiều so với thiết kế.

Nổ do phản ứng hóa học

Do không kịp bơm nước vào tâm lò để làm lạnh do mất nguồn điện cho hệ thống bơm nhiệt trong lò làm nước bốc hơi trong lò. Mực nước trong lò hạ xuống làm các thanh nhiên liệu không còn ngập hết trong nước nữa. Bên ngoài khu vực nhà máy lúc này đã phát hiện ra sự có mặt của sản phẩm phản ứng trong lò bao gồm các chất cesium (Cs) và iodine (I).

Điều này là cơ sở để phán đoán rằng, nhiệt độ nhiên liệu đang rất cao vì các chất trên trong nhiên liệu đã bốc hơi và giải phóng ra ngoài khi nhóm vận hành buộc phải xả khí ra ngoài để bảo vệ lò. Nếu như vậy nhiệt độ có thể cao hơn 2000 độ C vì nhiên liệu chỉ nóng chảy khi nhiệt độ đạt mức này. Điều này đồng nghĩa là vỏ của thanh nhiên liệu đã nóng chảy. Zircaloy nóng chảy dưới xúc tác của môi trường nước nhiệt độ cao trong lò đã gây ra phản ứng sinh ra hydro.

Việc Hydro sinh ra không nằm ngoài dự đoán, chỉ có điều do độ tin cậy của các thiết bị đo mực không được khẳng định, tổng lượng hydro phát sinh là bao nhiêu không nắm được. Hơn thế nữa, việc xả khí trong lò ra là bất khả kháng vì rủi ro nổ lò là không thể chấp nhận được bởi khi đó, phóng xạ sẽ ồ ạt tràn ra môi trường. Khí được xả ra không gian nhà lò, nơi như nói trên là không gian được thiết kế kín với mục đích chống rò rỉ bất kỳ khí nào từ trong lò xả ra. Hydro nhẹ sẽ bốc lên trần nhà lò tích tụ ở đấy tới khi nồng độ của nó đạt mức tới hạn. Khi đó hydro sẽ phản ứng với ô-xi trong không khí phát nổ.

Hai cú nổ do phản ứng này đã thổi tung mái nhà lò số 1 và số 3 của nhà máy Fukushima I có cơ chế như vừa giải thích trên đây. Cũng cần nói thêm rằng, trong lò phản ứng không có ô-xi cho nên không thể có phản ứng nổ như vậy và như đã nhắc đến ở trên vụ nổ không làm hư hại đến thùng lò như đã khẳng định bởi TEPCO.

Cháy do các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng

Diễn biến thảm họa ở Fukushima I đã trở nên quá kịch tính khi ngay cả tổ máy đang dừng hoạt động từ trước động đất cũng bốc cháy. Sau đó, người ta phát hiện ra nguyên nhân của việc này là do nhiệt từ các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng đang được ngâm trong các bể làm mát ở tầng 4 nhà lò. Mỗi một bể làm mát này có sức chứa khoảng 2000 mét khối nước ngâm trong đó là các bó nhiên liệu có chiều cao 4 mét. Những bó này để dưới sâu đáy bể với mức nước ngập cao hơn nó chừng 20 mét.

So với sự kiện trong tâm lò thì sự kiện ở các bể làm nguội vật liệu này phức tạp hơn ở khía cạnh ngăn ngừa phóng xạ. Kịch bản xảy ra như ở các bể này có lẽ chưa bao giờ được đặt ra. Các thanh nhiên liệu qua sử dụng có các chất phóng xạ, sản phẩm của phản ứng dây chuyền, chúng phân rã sinh nhiệt và các tia phóng xạ, trong khi đó, chúng không nằm trong vỏ lò mà hoàn toàn bị lộ ra khí quyển lúc này do mái các tòa nhà lò đã bị phá hủy.

Lý do gì dẫn đến sự tăng nhiệt ở các thanh nhiên liệu đã sử dụng trong các bể chứa là điều tôi cũng đang muốn biết nhưng tôi phán đoán rằng, vụ nổ ở lò thứ 3 đã làm mất một lượng lớn nước trong bể của nó cũng như bể chứa ở lò số 4. Sau vụ nổ lò số 3 người ta phát hiện tòa nhà lò số 4 cũng bị tổn thất nghiêm trọng.

Nguy cơ và mức độ rò rỉ phóng xạ

Trong ngày đầu tiên trước khi lò số 1 phát nổ, người ta đã đo được nồng độ phóng xạ trong khu vực nhà máy ở mức hoàn toàn chưa có ảnh hưởng lên con người, do đó lệnh di tản dân ra khỏi bán kính 3 km được đưa ra như biện pháp phòng ngừa sớm. Có thể thấy rằng, nồng độ này là do việc phóng xạ phát tán do việc xả hơi và khí trong lò để bảo vệ lò phản ứng. Mặc dù bộ lọc phóng xạ khi một thao tác xả khí như thế được thiết kế tốt một liều nhất định phóng xạ ra môi trường là không thể tránh khỏi.

Tuy nhiên, sau vụ nổ lò số 3 rồi sau đó vụ cháy phát hiện lò số 4 do các nhiên liệu đã qua sử dụng nồng độ phóng xạ đã tăng lên. Đặc biệt, nồng độ này bị tăng vọt sau khi bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng với gần 2000 tấn nước ở tầng 4 của lò số 3 sôi ùng ục, tỏa một lượng hơi nước lớn lên trời đến mức ống kính kênh NHK từ 30 km có thể quay rõ đám hơi nước này.

Từ việc sử dụng đơn vị microsievert ban tình trạng khẩn cấp đã thông báo với dân chúng Nhật nồng độ bằng millisiverts, chứng tỏ liều phóng xạ đã tăng lên cả ngàn lần so với ban đầu. Nồng độ lớn nhất đo được giữa hai tổ máy 2 và 3 là 400mSv. Với liều này, các tế bào lympho trong máu người sẽ bị giảm đột ngột ảnh hưởng đến sức khỏe, tình hình đưa đến quyết định rút toàn bộ cán bộ vận hành khỏi nhà máy nhất thời khi đó.

Vào lúc 12h30 ngày 17/3, nồng độ nhiễm xạ tại khu vực nhà máy khoảng 3500 $\mu$Sv (3.5 mSv). Với nồng độ này, quân đội Nhật Bản đã quyết định dùng trực thăng quân sự CH47 đổ nước từ trên cao để làm nguội các bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng ở lò số 3 và 4. Phi công được trang bị bảo hộ an toàn phóng xạ, đeo máy đo nồng độ xạ cá nhân để tiến hành công việc này.

Theo lãnh đạo của quân đội Nhật liều lượng qui định để chấm dứt nhiệm vụ này là 50 mSv, thực tế, phi công đã đo được nồng độ khá cao ở một thời điểm là 80 mSv, vì thế, việc dội nước từ trên cao bằng trực thăng tạm dừng. Kiểm tra sức khỏe của phi công sau khi rời hiện trường cho thấy, họ không bị nhiễm xạ sau nhiệm vụ vừa rồi. Sau phương pháp làm nguội bằng trực thăng, người ta đang cử các xe bơm áp lực cao đang đứng chờ cách nhà máy 20 km tiếp cận các lò này để bơm trực tiếp bằng cần bơm. Phương pháp sẽ có hiệu quả hơn vì nước dễ bơm đến các vị trí mong muốn hơn so với cách trực thăng CH47 vừa thực hiện.

Tới lúc này có thể thấy được nguy cơ nhiễm xạ phải đối diện hiện nay không phải từ trong lòng các lò phản ứng nơi mà áp suất nhiệt độ đã phần nào được kiểm soát. Tuy nhiên, nhiệm vụ nặng nề phải thực hiện lại là cuộc chạy đua với nhiệt của các bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng. Nguy cơ nhiễm xạ ở mức độ nhất định là có nhưng con người vẫn đang nắm kiểm soát. Người Nhật đang chạy đua với thời gian sự tham gia của quân đội và cảnh sát sử dụng các phương tiện của họ đã giúp TEPCO một lần nữa thêm tự tin trong cuộc đấu gam go này.

Trực thăng vận tại CH47 của quân đội Nhật đưa túi
nước thả xuống lò phản ứng tại Fukushima I. Ảnh: AFP

Khủng hoảng sẽ đi đến đâu

Có thể nói, câu hỏi cho thì tương lai này không ai có thể trả lời chắc chắn được trong một tình huống như thế này. Rất nhiều người trên khắp thế giới lo lắng và cầu nguyện cho nước Nhật. Nhưng từ trong lòng nước Nhật với những thông tin cập nhật liên tục từng phút, tôi có thể tin tưởng mà nói với độc giả rằng, khủng hoảng sẽ đi đến kết thúc và Fukushima I sẽ nằm trong vòng kiểm soát hoàn toàn của con người.

Với các bể chứa nhiên liệu qua sử dụng, phương pháp làm lạnh ít nhất đã có giải pháp. Các xe máy bơm áp lực cao đang tiến sát về nhà máy theo tính toán những xe này sẽ bơm nước vào các bể chứa từ khoảng cách 50 mét với góc 30 độ như tính toán để đạt hiệu quả nhất cho việc cấp nước cho các bể chứa. Chỉ cần bể có nước, các thanh nhiên liệu nguội đi phóng xạ sẽ chấm dứt.

Cả nước Nhật vẫn bình tĩnh, không thấy hoảng loạn, kêu khóc, trộm cắp, hôi của. Người Nhật chia nhau cơm nắm để vượt khó, các cửa hàng giảm giá để khách hàng có đồ ăn thức uống. Công ty truyền thông cấp miễn phí các điện thoại vệ tinh cho công tác cứu trợ và tìm người thân. Viện trợ nhanh chóng tới các điểm lánh nạn trong vùng bị thiên tai.

Quốc tế cũng đã có mặt để giúp nước Nhật, đáng kể nhất là sự hiện diện của người Mỹ với tàu hàng không mẫu hạm Ronald Regan. Thủ tướng Naoto Kan lệnh cho quân đội tăng quân số tham gia cứu hộ từ 20.000 người lên 100.000 người. Như vậy, trung bình sẽ có 10 người lính giúp đỡ khoảng 5 người bị nạn nếu như thống kê 15.000 có thể chết và mất tích và 35.000 người đang trong hoàn cảnh tị nạn là chính xác.

Điện dù vẫn đang bị cắt luân phiên nhưng trung tâm đầu não Tokyo đã dần dần quay lại hoạt động. Ngân hàng Nhật đã đưa ra một lượng tiền lớn để ổn định thị trường. Các nhà băng đã hồi phục lại hệ thống dịch vụ. Tàu cao tốc đã chạy...