Tái chế nhiên liệu hạt nhân: Giải pháp chiến lược của Pháp, bối cảnh toàn cầu - gợi ý cho Việt Nam

Quản lý chất thải phóng xạ - Yếu tố quan trọng trong phát triển bền vững điện hạt nhân, gợi ý cho Việt Nam Bài viết dưới đây của TS. Vũ Minh Ngọc - Viện Nghiên cứu và Quản lý Chất thải Phóng xạ của Cộng hòa Pháp [*] viết riêng cho Tạp chí Năng lượng Việt Nam cung cấp một cái nhìn tổng quan về tình hình quản lý chất thải hạt nhân hiện nay trên thế giới, vai trò của quản lý chất thải phóng xạ đảm bảo sự phát triển an toàn, bền vững của điện hạt nhân. Cuối bài viết, tác giả gợi ý cho Việt Nam về sự cần thiết tính toán chi phí quản lý chất thải hạt nhân trong giá trị tổng đầu tư dự án điện hạt nhân, hoặc đưa vào giá thành bán điện... Rất mong nhận được sự chia sẻ của các nhà quản lý, chuyên gia và bạn đọc.

Năng lượng hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện năng sạch và ổn định cho nhiều quốc gia trên thế giới. Tuy nhiên, một trong những thách thức lớn nhất của ngành công nghiệp này là vấn đề quản lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng (spent nuclear fuel). Sau khi được sử dụng trong các lò phản ứng, nhiên liệu này trở thành chất thải phóng xạ hoạt độ cao cần được xử lý và lưu trữ an toàn trong thời gian rất dài.

Tuy nhiên, một sự thật đáng ngạc nhiên là hơn 90% năng lượng vẫn còn trong các thanh nhiên liệu này khi chúng bị loại bỏ, và tới 96% nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng có thể được tái chế. Cụ thể, 95% trong số đó là urani và 1% là plutoni - cả hai đều là những nhiên liệu có giá trị năng lượng cao. Việc tái chế nhiên liệu hạt nhân không chỉ giúp giảm đáng kể khối lượng chất thải phóng xạ, mà còn tận dụng tối đa nguồn tài nguyên quý giá này, góp phần vào tính bền vững của năng lượng hạt nhân trong tương lai.

Vậy tại sao chỉ một số ít quốc gia thực hiện việc này?

Thực trạng đáng kinh ngạc về nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng (spent nuclear fuel):

Có lẽ điều khiến tất cả mọi người ngạc nhiên nhất là việc các thanh nhiên liệu hạt nhân thường chỉ được sử dụng trong vài năm rồi bị loại bỏ, mặc dù chúng vẫn còn hơn 90% năng lượng. Sự lãng phí này trở nên khó chấp nhận hơn khi biết rằng “phần lớn nhiên liệu này có thể tái chế được”.

Khi một thanh nhiên liệu hạt nhân được coi là “đã qua sử dụng” điều đó không có nghĩa là nó đã cạn kiệt năng lượng. Sau khoảng 3-5 năm hoạt động, các sản phẩm phân hạch tích tụ trong thanh nhiên liệu hấp thụ neutron, làm suy yếu và làm chậm phản ứng dây chuyền. Theo vật lý thuần túy, việc khai thác thêm điện từ loại nhiên liệu hạt nhân này một cách an toàn là rất khó. Mặc dù có một số loại lò phản ứng khác có thể sử dụng nhiều năng lượng hơn một cách liên tục, nhưng chúng hầu hết vẫn đang trong giai đoạn thử nghiệm, rất tốn kém và phức tạp trong việc xây dựng và bảo trì. Kết quả là phần lớn nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng trên thế giới vẫn nằm đó mà không được sử dụng. Phần còn lại chủ yếu là urani không dễ phân hạch, các sản phẩm phân hạch và plutoni. Plutoni chính là một trong những lý do lớn khiến không nhiều quốc gia thực hiện tái chế. Nội dung này, chúng ta sẽ tìm hiểu tại sao ở phần sau của bài báo.

Pháp - quốc gia dẫn đầu trong tái chế hạt nhân:

Pháp - một quốc gia không có tài nguyên hóa thạch dồi dào, đã chọn năng lượng hạt nhân làm nền tảng cho nguồn cung cấp điện của mình. Pháp có tỷ lệ điện hạt nhân cao nhất thế giới, với khoảng 2/3 lượng điện được tạo ra từ 57 lò phần ứng hạt nhân. Điều này giúp Pháp đạt được mức độ tự chủ năng lượng cao và giảm phát thải khí nhà kính đáng kể. Với sự phụ thuộc lớn vào năng lượng hạt nhân, việc tìm kiếm một giải pháp bền vững cho nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng và chất thải phóng xạ là điều cấp bách. Chính vì lý do này, Pháp đã trở thành quốc gia dẫn đầu không thể tranh cãi trong lĩnh vực tái chế hạt nhân.

Tất cả nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng của Pháp đều được chuyển đến nhà máy tái chế duy nhất trong nước, do Công ty Orano (trước đây là Areva) vận hành. Orano dẫn đầu thế giới về công nghệ và quy trình tái chế nhiên liệu hạt nhân an toàn, tiên tiến về công nghệ ở quy mô công nghiệp. Nhà máy nằm ở La Hague tại một trong những mũi đất cực Tây của Pháp - vùng Normandy, cách Paris khoảng 5 giờ xe. Orano là một tổ hợp công nghiệp khổng lồ, với 2/3 cơ sở vật chất nằm dưới mặt đất và khoảng 24.000 phòng, tạo nên một mê cung phức tạp. Tổng công suất thiết kế của Nhà máy La Hauge là 1.700 tấn/năm, tuy nhiên lượng tái chế thực tế hàng năm khoảng trên 1.000 tấn/năm.

Quy trình tái chế tại Orano:

Quy trình tái chế tại Pháp bao gồm các bước chính sau:

1. Tiếp nhận và dỡ bỏ nhiên liệu: Các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng được đưa đến nhà máy trong các thùng vận chuyển chuyên dụng, nặng tới 110 tấn. Trọng lượng cực lớn này là cần thiết để bảo vệ môi trường xung quanh khỏi bức xạ. Các thùng này được thiết kế để giữ nhiệt độ bên trong khoảng 200-300 độ C, nhưng vẫn đảm bảo an toàn bức xạ hoàn toàn nhờ lớp thép dày. Việc dỡ bỏ các thanh nhiên liệu được thực hiện trong các buồng kín hoàn toàn bằng máy móc điều khiển từ xa, được vận hành từ phòng điều khiển trung tâm.

Hiện tại, hơn 95% nhiên liệu đến từ Pháp, nhưng Orano cũng có hợp đồng với Hà Lan, Úc, Đức, Bỉ, Tây Ban Nha, Ý và cung cấp nhiên liệu tái chế cho Nhật Bản.

2. Làm mát: Sau khi được dỡ bỏ, các thanh nhiên liệu được vận chuyển đến các bể chứa làm mát. Chúng được ngâm trong các bể chứa nước sâu bốn mét trong khoảng 5-7 năm để hạ nhiệt độ đủ để xử lý tiếp. Đối với Orano, những thanh nhiên liệu này không phải là chất thải mà là “mỏ urani và plutoni” - một nguồn tài nguyên chiến lược. Họ nhấn mạnh rằng: 96% vật chất trong bể làm mát có thể được tái chế, đại diện cho một nguồn lượng năng lượng khổng lồ.

3. Tách chiết hóa học: Đây là bước quan trọng nhất trong quy trình tái chế, diễn ra bên trong các phòng hóa học kín hoàn toàn. Mọi hoạt động được kiểm soát thông qua các cảm biến và robot, hoặc máy bay không người lái được sử dụng để đo lường, kiểm tra thiết bị. Quá trình hóa học bao gồm việc tách urani, plutoni và các sản phẩm phân hạch. Đầu tiên, lớp vỏ kim loại của các viên nhiên liệu được tách ra. Sau đó, các viên nhiên liệu được hòa tan trong axit nitric. Dung dịch thu được sau đó được trộn với một dung môi để chiết tách urani và plutoni, để lại các sản phẩm phân hạch. Cuối cùng, một hóa chất khác được thêm vào để thay đổi trạng thái của plutoni, cho phép nó tách khỏi urani.

Các sản phẩm phân hạch, chiếm khoảng 4% là không thể tái chế. Urani đã được tách chiết có thể được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân thông thường, thay vì urani khai thác mới.

4. Vấn đề plutoni và nhiên liệu MOX: Quá trình tái chế tạo ra plutoni tinh khiết. Một gam plutoni có năng lượng tương đương với khoảng 1.8 tấn dầu thô. Đây là phần “ít hòa bình” hơn của công nghệ tái chế nhiên liệu hạt nhân và đây chính là lý do khiến nhiều nước không lựa chọn tái chế hạt nhân.

Plutoni là thành phần chính của bom hạt nhân. Mặc dù vũ khí hạt nhân thường được sản xuất bằng công nghệ quân sự chuyên dụng, nhưng plutoni tái chế từ các lò phản ứng dân sự cũng có thể được sử dụng (như trường hợp của Ấn Độ vào những năm 1970). Điều này đã gây ra mối lo ngại sâu sắc cho Chính phủ Hoa Kỳ, dẫn đến việc họ hoãn vô thời hạn việc tái xử lý nhằm làm gương cho phần còn lại của thế giới, vì quốc gia này nhận thấy việc tái xử lý là một mối đe dọa nghiêm trọng về phổ biến vũ khí hạt nhân.

Orano xử lý plutoni tinh khiết một cách cực kỳ cẩn trọng. Plutoni được vận chuyển bí mật bằng xe tải chuyên dụng và được quân đội Pháp bảo vệ. Sau đó Công ty trộn plutoni với urani để tạo ra loại nhiên liệu hỗn hợp có tên gọi là nhiên liệu MOX. Loại nhiên liệu này có thể được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân thông thường, giúp các nhà vận hành sử dụng ít hơn tới 30% urani mới.

Ở Pháp, 10% lượng điện được tạo ra nhờ nhiên liệu MOX.

5. Thủy tinh hóa (Vitrification): Ngay cả sau khi tái chế, vẫn còn các sản phẩm phân hạch không thể tái chế. Bước cuối cùng của quy trình là thủy tinh hóa, trong đó các sản phẩm phân hạch được cô lập trong thủy tinh. Các sản phẩm này được gọi là chất thải phóng xạ hoạt độ cao ở Pháp và được lưu trữ tại một cơ sở đặc biệt. Thể tích chất thải phóng xạ chỉ bằng 1/5 thể tích nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng ban đầu. Việc cô lập trong thủy tinh cũng làm tăng tính an toàn của chất thải.

Các cấu trúc kim loại không tái chế được (như vỏ bọc thanh nhiên liệu) cũng được xử lý riêng. Chúng được rửa sạch, phân loại, nén chặt và đóng gói trong các thùng chứa để lưu trữ. Chất thải thủy tinh hóa và chất thải kim loại được lưu trữ trong các cơ sở chuyên dụng, chờ đợi vận chuyển tới một trung tâm lưu trữ địa chất sâu cuối cùng.

Đối với nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng từ các quốc gia khác gửi đến Pháp để tái chế, chúng sẽ được trả về nước xuất xứ.

Các chuyên gia đứng cạnh kiện chứa nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng không cần bảo vệ tại nhà máy tái chế của Orano tại La Hague.

Tại sao Pháp lại chọn tái chế?

Lựa chọn tái chế của Pháp được đưa ra cách đây hơn 60 năm, không chỉ đơn thuần là vấn đề kinh tế, mà còn mang ý nghĩa chiến lược sâu sắc. Đó là:

1. Độc lập năng lượng (Sovereignty): Với phần lớn điện năng được sản xuất từ năng lượng hạt nhân, việc có khả năng tự tái chế nhiên liệu giúp Pháp duy trì quyền tự chủ về năng lượng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với một quốc gia không có nguồn tài nguyên nhiên liệu hóa thạch nội địa đáng kể.

2. Tận dụng tài nguyên: Orano xem nhiên liệu đã qua sử dụng như một “mỏ urani và plutoni” - nguồn tài nguyên quý giá, thay vì chất thải đơn thuần. Việc tái chế cho phép Pháp khai thác tối đa năng lượng từ nhiên liệu ban đầu, giảm sự phụ thuộc vào việc khai thác urani mới.

3. Giảm thiểu chất thải phóng xạ hoạt độ cao: Mặc dù không loại bỏ hoàn toàn chất thải, tái chế giúp giảm đáng kể thể tích của chất thải phóng xạ cấp cao, tạo điều kiện thuận lợi hơn cho việc lưu trữ lâu dài.

4. Chiến lược dài hạn: Pháp đã khóa chặt chiến lược tái chế của mình cho đến năm 2040, cho thấy cam kết lâu dài của họ đối với phương pháp này. Toàn bộ hoạt động tái chế và các nhà máy điện hạt nhân đều thuộc sở hữu nhà nước, phản ánh tầm quan trọng chiến lược của ngành này đối với quốc gia.

Bức tranh tái chế nhiên liệu phóng xạ trên thế giới:

Bên cạnh Pháp, rất ít quốc gia thực hiện tái chế nhiên liệu hạt nhân ở quy mô công nghiệp. Liên bang Nga là quốc gia tái chế lớn thứ hai, với khả năng xử lý khoảng 1/10 so với Pháp. Ấn Độ cũng đang tái xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng của mình và có kế hoạch mở rộng năng lực. Trung Quốc có một nhà máy thử nghiệm và hiện đang xây dựng thêm các cơ sở mới. Anh đã từng tái chế, nhưng đã từ bỏ cách đây vài năm, vì chi phí quá cao. Nhật Bản đã xây dựng một nhà máy tái xử lý trong hơn 30 năm, nhưng gặp phải sự chậm trễ lớn và chi phí tăng vọt.

Khối lượng nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng được tái chế trên thế giới.

Cách tiếp cận của Pháp có vẻ như một phép màu, nhưng tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng cũng gặp rất nhiều thách thức.

Thứ nhất là chi phí cực kỳ cao và đây cũng là rào cản lớn nhất. Việc xây dựng, vận hành các nhà máy tái chế khổng lồ, công nghệ chuyên dụng, an ninh nghiêm ngặt và vận chuyển an toàn đều đòi hỏi chi phí rất lớn. Việc mua urani khai thác mới và sử dụng một lần vẫn rẻ hơn đáng kể.

Thứ hai là rủi ro phổ biến vũ khí hạt nhân. Quá trình tái chế tạo ra plutoni tinh khiết, có thể được sử dụng để chế tạo vũ khí hạt nhân. Đây là mối lo ngại lớn đối với cộng đồng quốc tế và là lý do khiến nhiều quốc gia không tái chế.

Thứ ba là phức tạp và yêu cầu chuyên môn cao. Quy trình tái chế cực kỳ phức tạp và đòi hỏi trình độ công nghệ, cũng như kỹ năng cao. Không nhiều quốc gia có khả năng thực hiện điều này ở quy mô lớn.

Thứ tư là tạo ra các loại chất thải khác. Quá trình tái chế sử dụng nhiều hóa chất và thiết bị, tạo ra các loại chất thải khác cần được xử lý.

Thứ năm là giới hạn tái chế MOX. Nhiên liệu MOX đã qua sử dụng hiện tại không được tái chế lại - nghĩa là nó cũng trở thành chất thải sau một vài năm sử dụng.

Cuối cùng là lưu trữ chất thải phóng xạ. Mặc dù giảm thể tích, nhưng chất thải tái chế vẫn cần được lưu trữ an toàn trong hàng trăm nghìn năm.

Những hạn chế nêu trên là lý do chính mà chỉ có một vài quốc gia (Pháp, Nga, Ấn Độ, Trung Quốc) trong số 32 quốc gia sử dụng năng lượng hạt nhân thực hiện tái chế. Hơn nữa, sự khan hiếm urani tự nhiên không phải là vấn đề cấp bách hiện tại, do đó không có nhiều động lực kinh tế để đầu tư vào tái chế.

Tại Hoa Kỳ và các nước khác, giải pháp chính để lưu trữ nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng là lưu trữ tạm thời tại chỗ tại các nhà máy điện hạt nhân. Đây là một phần của chiến lược “chu trình mở” - nghĩa là nhiên liệu được sử dụng một lần và sau đó được cất giữ, không tái chế rộng rãi như ở Pháp.

Ngay sau khi được lấy ra khỏi lò phản ứng, các thanh nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng vẫn còn rất nóng và có độ phóng xạ cao. Chúng sẽ được chuyển đến các bể chứa lớn chứa đầy nước, thường nằm trong khuôn viên nhà máy điện hạt nhân. Nước trong bể đóng vai trò kép là làm mát và chắn bức xạ. Nhiên liệu được lưu trữ trong các bể này trong nhiều năm (thường là 5-10 năm, nhưng có thể lên đến vài thập kỷ) để nhiệt độ và độ phóng xạ giảm đáng kể. Sau thời gian này, độ phóng xạ có thể giảm hơn 1.000 lần so với khi mới lấy ra khỏi lò phản ứng. Sau khi nhiên liệu đã qua sử dụng được làm mát và giảm độ phóng xạ trong bể chứa nước, chúng có thể được chuyển sang các thùng chứa khô. Các thùng này thường được làm bằng thép và bê tông. Thùng chứa khô được coi là giải pháp lưu trữ tạm thời an toàn hơn và lâu dài hơn so với bể chứa nước, có thể lưu trữ trong vài thập kỷ để đợi việc cấp phép và xây dựng hầm lưu trữ địa chất vĩnh viễn, hoặc là các giải pháp mới trong tương lai.

Công nghệ mới trong tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng:

Ngoài phương pháp của Orano, các nhà khoa học đang nghiên cứu các phương pháp tái chế khác, như xử lý nhiệt luyện (pyroprocessing). Phương pháp này sử dụng muối nóng chảy và nhiệt độ cao để tách các vật liệu có thể tái chế và không tạo ra plutoni tinh khiết, do đó ít rủi ro hơn về phổ biến vũ khí hạt nhân. Tuy nhiên, các phương pháp này vẫn đang ở giai đoạn thử nghiệm trong phòng thí nghiệm và việc mở rộng quy mô có thể mất rất nhiều thời gian. Hơn nữa, chi phí của chúng vẫn chưa thể ước tính được, cho thấy vấn đề giá cả sẽ không được giải quyết sớm.

Kết luận và gợi ý cho Việt Nam:

Việc tái chế nhiên liệu hạt nhân là một ý tưởng hợp lý về mặt tận dụng tài nguyên và giảm thiểu chất thải phóng xạ. Tuy nhiên, trong bối cảnh hiện tại, chi phí khổng lồ, rủi ro phổ biến vũ khí hạt nhân và sự phức tạp của công nghệ đã khiến nó trở thành một lựa chọn không khả thi đối với hầu hết các quốc gia có chương trình phát triển năng lượng hạt nhân.

Đối với Pháp, Nga, Trung Quốc, Ấn Độ - các quốc gia quyết tâm xây dựng và duy trì công nghệ này bất chấp chi phí, việc tái chế mang lại lợi ích chiến lược về độc lập năng lượng và quản lý tài nguyên.

Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng đang tích tụ là một nguồn tài nguyên tiềm năng. Tuy nhiên, việc khai thác nguồn tài nguyên này không phải là lựa chọn phù hợp cho tất cả mọi quốc gia đã và đang xem xét phát triển điện hạt nhân. Trừ khi một công nghệ tái chế tốt hơn và rẻ hơn xuất hiện (điều hiện tại không có vẻ khả thi), thì việc sử dụng urani nguyên chất một lần rồi lưu trữ chất thải vẫn là lựa chọn kinh tế hơn và an toàn hơn đối với nhiều nước, trong đó có Việt Nam chúng ta. Điều này đặt ra một câu hỏi lớn về tương lai của quản lý chất thải hạt nhân và vai trò của tái chế trong bức tranh năng lượng toàn cầu nói chung và ở Việt Nam nói riêng.

Tuy nhiên, trong tương lai (ngay cả khi Việt Nam đã xây dựng xong và đưa vào vận hành các nhà máy điện hạt nhân) chúng ta vẫn có thời gian để phân tích tình hình chung của thế giới và đưa ra quyết định về chiến lượng tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng. Nếu cần thiết chúng ta có thể hợp tác với các quốc gia đi đầu trong lĩnh vực này như Pháp để thực hiện.

[*] Tiến sĩ Vũ Minh Ngọc hiện là chuyên gia nghiên cứu phụ trách toàn bộ các dự án nghiên cứu về địa cơ học tại Viện Nghiên cứu và Quản lý Chất thải Phóng xạ của Cộng hòa Pháp và là thành viên của Mạng lưới chuyên gia năng lượng hạt nhân người Việt Nam ở nước ngoài (VietNuc).

TS. Vũ Minh Ngọc tại một hội thảo quốc tế về lưu trữ chất thải phóng xạ tại Paris.

Anh là tác giả và đồng tác giả của hơn 145 bài báo đăng trên các tạp chí khoa học quốc tế uy tín trong lĩnh vực địa cơ học ứng dụng trong lưu trữ chất thải hạt nhân dưới các tầng địa chất sâu. Anh đã trực tiếp hướng dẫn 10 tiến sĩ bảo vệ thành công và 14 nghiên cứu sinh đang làm luận án trong lĩnh vực, tham gia 6 dự án quốc tế lớn về quản lý chất thải phóng xạ.

Là người Việt duy nhất được trao hai giải thưởng lớn ngành Địa Cơ học đó là tiến sĩ xuất sắc nhất châu Âu vào năm 2013 và công trình nghiên cứu xuất sắc nhất năm do Tạp chí Rock Mechanics and Rock Engineering vào năm 2025. TS. Vũ Minh Ngọc còn được Hội sinh viên Việt Nam tại Pháp trao giải thưởng sinh viên xuất sắc nhất vào năm 2012.

Ngoài ra, anh được trao tặng giải thưởng Itasca vào năm 2020 tại Viên - Áo cho những đóng góp khoa học về nghiên cứu xử lý chất thải hạt nhân./.