Nhiên liệu hạt nhân Uranium đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất năng lượng hạt nhân. Tuy nhiên, chu trình nhiên liệu hạt nhân không chỉ đơn giản là việc sử dụng uranium trong các lò phản ứng hạt nhân. Nó bao gồm nhiều bước phức tạp, từ khai thác quặng uranium đến việc xử lý và chôn sâu chất thải hạt nhân.

Tình Hình Sản Lượng Khai Thác Uranium Trên Thế Giới

Uranium là nguồn tài nguyên thiết yếu cho năng lượng hạt nhân. Hiện nay, các quốc gia như Kazakhstan, Canada, và Úc dẫn đầu thế giới về sản lượng khai thác uranium, chiếm hơn 60% tổng sản lượng toàn cầu. Nhu cầu uranium tập trung chủ yếu ở các quốc gia có chương trình năng lượng hạt nhân lớn như Hoa Kỳ, Pháp, và Trung Quốc.

                                                                                    Nguồn: OECD-NEA, IAEA, Hiệp hội hạt nhân thế giới.[4]

Sản lượng urani thế giới và nhu cầu lò phản ứng (tấn U).

Giá uranium đã tăng mạnh từ mức thấp 18 USD/lb U₃O₈ sau thảm họa Fukushima, tăng đến 183% và hiện vượt 50 USD/lb U₃O₈, chủ yếu do căng thẳng địa chính trị. Năng lượng hạt nhân được xem là phương pháp sản xuất năng lượng an toàn, ít phụ thuộc vào tình hình địa chính trị, đặc biệt là từ Nga. Tuy nhiên, các dịch vụ liên quan đến chu trình nhiên liệu hạt nhân của Nga và việc nhập khẩu uranium từ nước này chưa bị cấm vận, dù Mỹ và EU đang cân nhắc. [1]

Trên toàn cầu, sự ủng hộ đối với năng lượng hạt nhân ngày càng gia tăng, nhờ chi phí thấp, an toàn và giảm phát thải carbon. Ở châu Âu, các quốc gia như Pháp, Ba Lan, Hungary, và Romania đang đẩy nhanh xây dựng các nhà máy hạt nhân mới để giảm giá năng lượng. Bắc Mỹ cũng kéo dài tuổi thọ các lò phản ứng hiện có và đầu tư vào lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMRs) nhờ các chính sách khuyến khích như Đạo luật Hạ tầng 2021 và Đạo luật Giảm lạm phát 2022.

Ở châu Á, Trung Quốc dẫn đầu với 23 lò phản ứng đang xây dựng, trong khi Hàn Quốc, Nhật Bản và Ấn Độ đang mở rộng công suất hạt nhân. Các quốc gia mới như Bangladesh, Indonesia và Philippines cũng bắt đầu triển khai năng lượng hạt nhân.[1]
Nhu cầu uranium dự kiến tăng 33% từ năm 2023 đến 2040, với yêu cầu từ các lò phản ứng hạt nhân tăng 62% trong 17 năm tới. Giá uranium trong ngắn hạn sẽ chịu ảnh hưởng bởi các lệnh trừng phạt tiềm năng với Nga, trong khi về lâu dài, sản xuất uranium cần tăng để đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn. [1]

Chu Trình Nhiên Liệu Hạt Nhân

Chu trình nhiên liệu hạt nhân.

Chu trình nhiên liệu hạt nhân bắt đầu từ khai thác quặng uranium, sau đó trải qua các giai đoạn chuyển đổi, làm giàu, chế tạo nhiên liệu, sử dụng trong lò phản ứng, và cuối cùng là xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng.

- Khai thác và chế biến uranium: Quặng uranium được khai thác và chế biến thành Yellowcake (U3O8) – bánh vàng.

- Chuyển đổi và làm giàu: Yellowcake được chuyển đổi thành Uranium Hexafluoride (UF6), sau đó làm giàu để tăng tỷ lệ U-235 lên mức 3-5%.

- Chế tạo nhiên liệu: Uranium làm giàu được chuyển thành Uranium Dioxide (UO2) và chế tạo thành các thanh nhiên liệu.

- Phản ứng trong lò: Các thanh nhiên liệu được sử dụng trong lò phản ứng để tạo ra năng lượng qua quá trình phân hạch.

- Quản lý nhiên liệu đã qua sử dụng: Sau khi sử dụng, nhiên liệu hạt nhân có thể được tái chế hoặc chôn lấp an toàn.

Xử Lý Nhiên Liệu Hạt Nhân Đã Qua Sử Dụng

Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng, còn được gọi là chất thải hạt nhân, chứa nhiều đồng vị phóng xạ và cần được quản lý cẩn thận để bảo vệ con người và môi trường. Quy trình xử lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng thường bao gồm các bước chính sau đây:

1. Lưu trữ tạm thời

Ngay sau khi lấy ra từ lò phản ứng, nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng được lưu trữ tạm thời trong các bể nước làm mát. Quá trình này giúp làm giảm nhiệt và bức xạ từ nhiên liệu trong khoảng vài năm đầu.

                                                                                                                                                              Nguồn: world-nuclear.org [2]

Bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng tại Nhà máy tái chế oxit nhiệt (Thorp) tại địa điểm Sellafield của Vương quốc Anh (Sellafield Ltd).

2. Xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng

Nhiên liệu có thể được xử lý theo hai hướng chính:

- Tái chế (Reprocessing): Tách các thành phần có thể sử dụng lại, như uranium và plutonium, để chế tạo nhiên liệu MOX (Mixed Oxide Fuel). MOX được sử dụng như nhiên liệu mới trong các lò phản ứng hạt nhân.

- Lưu trữ lâu dài: Nếu không tái chế, nhiên liệu được đóng gói và chuẩn bị để lưu trữ lâu dài hoặc chôn lấp an toàn.

3. Tái chế nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng theo Chu Trình MOX

MOX (Mixed Oxide Fuel) là một loại nhiên liệu hạt nhân được chế tạo từ hỗn hợp plutonium dioxide (PuO2) và uranium dioxide (UO2). Quy trình MOX bao gồm việc:

- Thu hồi plutonium từ nhiên liệu đã qua sử dụng.

- Trộn plutonium dioxide với uranium dioxide.

- Chế tạo thành các thanh nhiên liệu MOX.

- Đưa thanh nhiên liệu MOX vào các lò phản ứng hạt nhân để tái sử dụng năng lượng.

Chu trình này giúp giảm thiểu chất thải phóng xạ và tận dụng tối đa tài nguyên.

Các nhà máy tái chế thương mại hiện đang hoạt động tại Pháp và Nga. Một nhà máy khác đang được đưa vào vận hành tại Nhật Bản và Trung Quốc cũng có kế hoạch xây dựng một nhà máy như vậy. Pháp tiến hành tái chế cho các tiện ích ở các quốc gia khác và rất nhiều nhiên liệu của Nhật Bản đã được tái chế tại đó, với cả chất thải và plutonium tái chế trong nhiên liệu MOX được trả lại Nhật Bản. (Xem thêm các trang thông tin về Rác thải Nhật Bản và Lô hàng MOX từ Châu Âu.) [2]

4. Xử lý Chất Thải Hạt Nhân lâu dài 

Bảng 1. Thống kê chất thải hạt nhân (ước tính của IAEA, 2022)

                                                            Nguồn: IEA (2022), Các số liệu được công bố vào tháng 1 năm 2022 là ước tính cho cuối năm 2016.

Chất thải hạt nhân được phân chia dựa trên mức độ phóng xạ, thời gian phân rã, và cách xử lý cần thiết. Dưới đây là các loại chất thải hạt nhân chính [3]:

- Chất thải mức độ thấp (LLW): Là chất thải có mức độ phóng xạ thấp, dưới 4 GBq/t cho hoạt động alpha và 12 GBq/t cho hoạt động beta-gamma. LLW thường không cần bảo vệ trong quá trình xử lý và vận chuyển, có thể được chôn lấp ở các cơ sở gần mặt đất. LLW chiếm khoảng 90% thể tích nhưng chỉ 1% tổng phóng xạ của tất cả chất thải phóng xạ.

Thiêu hủy: Các vật liệu như vải, giấy, hoặc quần áo có thể được thiêu hủy để giảm thể tích và loại bỏ phần lớn phóng xạ.

Chôn lấp: Sau khi xử lý, LLW thường được chôn lấp trong các cơ sở lưu trữ gần mặt đất, nơi có thể giám sát mức độ phóng xạ và ngăn ngừa rủi ro đối với môi trường.

- Chất thải mức độ trung bình (ILW): 

Có mức độ phóng xạ cao hơn LLW, nhưng không sinh ra đủ nhiệt (>2 kW/m3) để ảnh hưởng đến thiết kế hoặc lựa chọn cơ sở lưu trữ. ILW yêu cầu bảo vệ nhất định và bao gồm các vật liệu như nhựa, bùn hóa học và vỏ kim loại nhiên liệu từ việc tháo dỡ lò phản ứng.

Lưu trữ dưới đất: ILW thường được lưu trữ trong các kho chứa an toàn, có thể là các hầm chôn ngầm sâu để giảm thiểu nguy cơ phát tán phóng xạ.

- Chất thải mức độ cao (HLW): 

Có mức độ phóng xạ cao và sinh ra nhiệt đáng kể (>2kW/m3), do đó cần có hệ thống làm mát và bảo vệ. HLW chủ yếu xuất phát từ việc sử dụng nhiên liệu uranium trong lò phản ứng hạt nhân và chiếm 3% thể tích nhưng 95% tổng phóng xạ. HLW bao gồm nhiên liệu đã qua sử dụng và chất thải từ quá trình tái chế nhiên liệu.

Lưu trữ lâu dài: HLW được lưu trữ trong các kho chứa chuyên biệt dưới lòng đất, nơi có các hệ thống làm mát và bảo vệ tốt để ngăn ngừa sự phát tán phóng xạ trong hàng nghìn năm.

- Chất thải mức độ rất thấp (VLLW): 

Là chất thải có mức độ phóng xạ rất thấp, không gây hại cho con người và môi trường. VLLW thường bao gồm các vật liệu phá dỡ từ các cơ sở công nghiệp hạt nhân hoặc các ngành công nghiệp khác có chứa phóng xạ tự nhiên. Chúng có thể được xử lý cùng với rác thải sinh hoạt, mặc dù một số quốc gia như Pháp đang phát triển các cơ sở xử lý VLLW riêng biệt.

Xử lý với rác thải sinh hoạt: Vì mức độ phóng xạ của VLLW rất thấp, chúng có thể được xử lý như rác thải sinh hoạt thông thường, có thể chôn lấp cùng với chất thải không nguy hiểm.

Thực hiện: Lâm Văn Năm - Kỹ sư PECC2

Tài liệu tham khảo: 
1. Uranium raw material for the nuclear fuel cycle: innovation for sustaining future resources and production (uram-2023)-
 https://www pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/PUB2082web.pdf
2. Japanese Waste and MOX Shipments From Europe - https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/transport-of-nuclear-materials/japanese-waste-and-mox-shipments-from-europe
3. Radioactive Waste Management- https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/nuclear-waste/radioactive-waste-management
4. World Uranium Mining Production - https://world-nuclear.org/information-library/nuclear-fuel-cycle/mining-of-uranium/world-uranium-mining-production