Giả định về nguyên nhân gây nổ tại nhà máy hạt nhân Fukushima

Trong khi nước Nhật đang tìm cách vượt qua thảm họa hạt nhân lớn nhất trong vài thập kỷ, tạp chí Nature News cung cấp một số thông tin kỹ thuật về các lò phản ứng tại Fukushima, và tìm kiếm một giả định thực tế nhất về những gì đã xảy ra ở đây.

Cơ chế vận hành nhà máy
Nhà máy điện Fukushima Daiichi vận hành bằng sáu lò phản ứng đun nước sôi, tất cả đều được hoàn thiện trong thập kỷ 1970. Các lò phản ứng có chi tiết kỹ thuật khác nhau, nhưng nguyên tắc thì giống nhau: lõi lò bao gồm một bình hình con nhộng chứa các dàn nhiên liệu. Mỗi dàn nhiên liệu chứa hàng trăm thanh nhiên liệu. Mỗi thanh nhiên liệu là một ống dài, hẹp bằng hợp kim zirconium, bên trong chứa đầy các hạt uranium đã được làm giàu tới 3-5% của đồng vị U-235. (Riêng với lò phản ứng số 3 thì nhiên liệu hoạt động là Plutonium-239). 

Khi đã có đủ nhiên liệu tại lõi, một phản ứng chuỗi sẽ được kích hoạt tạo ra sức nóng, và cuối cùng là năng lượng. Lõi của một lò phản ứng hiện đại có thể hoạt động cả năm hoặc lâu hơn trước khi cần phải sạc nhiên liệu.

Cấu trúc lò phản ứng số 1 tại Fukushima Daiichi

Sự cố
Mấu chốt chủ yếu của thảm họa là do nước. Bên cạnh các thanh nhiên liệu, các dàn nhiên liệu có các đường rãnh dẫn nước tinh khiết giữa các thanh nhiên liệu. Nước vừa có chức năng điều tiết các phản ứng hạt nhân, vừa có chức năng làm nguội lò phản ứng. Và trên hết, nước tạo ra điện: khi được làm nóng bởi lò phản ứng, hơi nước được tạo ra làm quay các tuốc bin năng lượng. Sau khi nước chảy qua các tuốc bin, nó nguội lại và được bơm ngược về lõi để lặp lại một chu kỳ mới. 

Mọi thức sẽ vận hành ổn thỏa trừ phi nước ngừng chảy, và đó chính là sự cố xảy ra sau cuộc động đất hôm 11/3. Các máy phát chạy dầu diesel có chức năng chuyển nước vào lò phản ứng số 1 của Fukushima rõ ràng đã ngừng hoạt động khoảng 1 tiếng sau trận động đất. Tới ngày 12/3 thì nguồn nước cho lò phản ứng số 3 cũng ngừng hoạt động. Cả hai trường hợp đều khiến lõi của lò phản ứng nóng lên.

Nổ hạt nhân
Ngay sau trận động đất, các lò phản ứng tại Fukushima, và nhiều lò khác, lập tức tự động ngừng hoạt động. Các thanh vật liệu đặc biệt có chức năng hấp thụ neutron, được đẩy vào giữa các dàn nhiên liệu, làm ngừng các phản ứng tạo năng lượng. Nhưng các phản ứng không phải là nguồn sinh năng lượng duy nhất bên trong lò: khi nhiên liệu hạt nhân cháy, nó tạo ra các nguyên tố mới và chính các nguyên tố này cũng sinh ra rất nhiều năng lượng khi chúng phân rã phóng xạ. Vì vậy, tạo thành một phần nhiệt lượng tuy nhỏ nhưng đáng kể của các nguyên tố này, và chẳng cách gì để làm nó ngừng lại.  

Như vậy, nếu không được làm mát khẩn cấp, nhiệt độ tại lò phản ứng sẽ tăng lên. Khi điều này xảy ra, lượng nước còn lại bên trong lò sẽ bốc hơi, làm tăng áp suất trong lò.  

Khi nhiệt độ lên tới khoảng 1000 độ C, lớp vỏ thanh nhiên liệu làm bằng hợp kim zirconium sẽ bị nóng chảy hoặc nứt vỡ. Nhiệt lượng thoát ra kết hợp với hơi nước tạo thành hydro, vốn có khả năng gây cháy nổ cao.

Những người phục trách vận hành lò phản ứng có thể là biết rõ, hoặc không biết điều gì đang xảy ra khi họ quyết định cho thoát một phần áp suất ra khỏi lò phản ứng số 1 vào hôm 12/3. Khí hydro rõ ràng đã gây ra một vụ nổ lớn, làm tung mái nhà máy, nhưng lớp vỏ lò có vẻ như còn nguyên vẹn. 

Nếu, như hiện trạng bề ngoài, vỏ các thanh nhiên liệu làm bằng zirconium đã bị vỡ, thì một số hạt uranium và plutonium trong các thanh nhiên liệu có thể đã bị nóng chảy và rớt xuống đáy bình hơi. Trong trường hợp đó, lõi các lò số 1 và số 3 hiện nay đang là những ống dễ nổ, bên trong chứa đầy nhiên liệu phóng xạ, zirconium nóng chảy, và nước.

Mối nguy thực tế nhất là từ nhiên liệu nóng chảy. Nếu đáy lò tích đủ nhiên liệu nóng chảy, nó có thể cháy xuyên qua lớp vỏ bảo vệ lò. Trong kịch bản xấu nhất, nhiên liệu sẽ tích tụ tạo thành một khối lớn xung quanh dàn nhiên liệu. Những nhiên liệu thoát ra ngoài sẽ tự động phản ứng với nhau sinh ra năng lượng, một cách hoàn toàn ngoài vòng kiểm soát của con người. Nếu điều này xảy ra, nó sẽ dẫn đến một vụ nổ hạt nhân toàn diện.
 
Các biện pháp khẩn cấp
Để ngăn chặn thảm họa này, những người vận hành nhà máy đã quyết định cho ngập cả lò trong nước biển. Đây là quyết định rất khó khăn: nước biển không giống như nước sạch, khi chảy vào lò sẽ gây ô nhiễm và làm hỏng lõi lò. Tuy nhiên, biện pháp này sẽ giúp làm giảm nhiệt độ, ngăn chặn nguy cơ nóng chảy lớp vỏ hợp kim zirconium của các thanh nhiên liệu và các nguyên tố bên trong. Hơn nữa, các lò phản ứng được bơm đầy axit boronic. Boron có khả năng hấp thụ neutron tuyệt vời, và nó sẽ giúp làm chặn các phản ứng hạt nhân, ngay cả khi các hạt nhiên liệu thoát ra ngoài. 

Điều gì sẽ tới?
Rất khó dự đoán. Trong kịch bản tốt nhất, nhiên liệu được làm nguội, tình hình đi vào ổn định. Nhưng cần lưu ý rằng không cách gì có thể làm tắt nhiệt lượng âm ỷ bên trong các lò phản ứng. Ngoại trừ trường hợp nhiên liệu được chuyển đi chỗ khác, mà điều này là không khả thi lúc này, nếu không người ta sẽ phải nỗ lực làm nguội lò trong vài tuần để ngăn chặn thảm họa. Thậm chí sau khi nguy cơ nổ đã qua đi, việc tháo dỡ lò phản ứng sẽ còn phải tiếp tục trong vài thập kỷ. 
(Nature News)