Trên các diễn đàn khoa học, một câu hỏi tưởng như hiển nhiên nhưng lại khiến nhiều người vò đầu bứt tai: Tại sao người ta lại rút những thanh nhiên liệu hạt nhân ra khỏi lò phản ứng rồi tốn hàng tỷ USD chôn lấp, trong khi khoảng 95% lượng urani bên trong chưa hề cháy hết? Mười năm sau khi ra lò, chúng vẫn phóng xạ dữ dội đến mức có thể giáng một liều tử vong chỉ trong tích tắc. Liệu việc vứt bỏ một thứ còn nguyên 95% năng lượng có phải là sự lãng phí ngớ ngẩn của ngành công nghiệp điện hạt nhân?
Câu trả lời ngắn gọn: Không hề lãng phí, bởi vì lò phản ứng không chạy bằng tính phóng xạ. Nhầm lẫn tai hại nhất của công chúng nằm ở việc đánh đồng hai khái niệm hoàn toàn khác biệt: phóng xạ và phản ứng dây chuyền.
Nghịch lý 95% urani chưa dùng: Nhiên liệu hạt nhân thải ra vẫn còn 95% urani và phóng xạ chết người nhưng không thể tiếp tục dùng trong lò phản ứng.
Để dễ hình dung, hãy nhìn vào một đống lửa trại. Những thanh củi đang cháy rừng rực đại diện cho phản ứng phân hạch hạt nhân, thứ bạn có thể thêm củi để thổi bùng hoặc dập tắt tùy ý.
Trong khi đó, những cục than hồng nằm dưới đáy tự nó âm ỉ tỏa nhiệt mà chẳng cần ai can thiệp, và bạn không thể bắt cục than đó sáng rực lên chỉ bằng cách chất thêm củi. Lò phản ứng hạt nhân chỉ vận hành nhờ ngọn lửa củi, hoàn toàn không dựa vào ánh sáng than hồng.
Tính phóng xạ dữ dội của chất thải hạt nhân chỉ là than hồng, một tác dụng phụ không thể dùng để chạy máy phát điện.
Trái tim của một nhà máy điện nguyên tử vận hành dựa trên trạng thái tới hạn. Mỗi khi một hạt nhân urani-235 hấp thụ một neutron chậm và vỡ đôi, nó giải phóng năng lượng kèm theo trung bình 2,42 neutron mới. Để ngọn lửa duy trì ổn định, bình quân phải có đúng một neutron trong số đó tiếp tục kích hoạt một nguyên tử urani-235 khác vỡ tiếp. Nếu tỷ lệ này tụt xuống dưới một, phản ứng dây chuyền lập tức tắt ngóm.
Phóng xạ là sự phân rã tự nhiên không thể kiểm soát (như than hồng), còn phản ứng chuỗi hạt nhân là quá trình phân hạch cần neutron kích hoạt để duy trì công suất (như ngọn lửa).
Đáng nói, nhiên liệu hạt nhân khi nạp vào lò không phải là urani nguyên chất. Quặng urani tự nhiên chỉ chứa chưa đầy 1% đồng vị urani-235 dễ phân hạch, phần còn lại là urani-238 trơ lì.
Các nhà khoa học phải làm giàu để nâng tỷ lệ urani-235 lên khoảng 4%. Sau 3 đến 5 năm bị vắt kiệt trong lò, lượng urani-235 tụt xuống dưới 0,8%. Con số "95% chưa dùng đến" thực chất chỉ là lớp urani-238 nền, thứ vốn dĩ không thể tự phân hạch trong các lò phản ứng thương mại thông thường. Ngọn lửa đã cháy sạch củi, thứ còn trơ lại chỉ là đá sỏi.
Không dừng lại ở việc hết củi, ngọn lửa hạt nhân còn bị bóp nghẹt bởi chính đám tro tàn mà nó thải ra. Khi nguyên tử urani tách đôi, nó để lại các mảnh vụn phân hạch được giới vật lý gọi đích danh là chất độc neutron. Nổi bật nhất là samarium-149 và xenon-135.
Các hạt nhân này đóng vai trò như những lỗ đen háu đói, sở hữu tiết diện bắt neutron lớn gấp hàng ngàn lần so với bản thân urani. Chúng liên tục nuốt chửng những neutron quý giá lẽ ra dùng để duy trì phản ứng dây chuyền. Khi chất độc tích tụ quá nhiều, dù kỹ sư có rút toàn bộ các thanh điều khiển ra khỏi vùng lõi, ngọn lửa hạt nhân cũng không tài nào cháy tiếp.
Lò phản ứng cần chính xác trung bình 1 neutron từ mỗi phân hạch để kích hoạt phân hạch tiếp theo (tỷ lệ 1:1); nếu thiếu neutron, phản ứng sẽ tắt.
Ngay cả khi các định luật lượng tử cho phép phản ứng gượng gạo tiếp tục, giới hạn cơ học của vật liệu cũng sẽ đặt dấu chấm hết. Toàn bộ viên gốm nhiên liệu được hàn kín trong những ống hợp kim zirconi dài 4 mét nhằm ngăn chặn chất phóng xạ rò rỉ ra dòng nước làm mát.
Ngâm mình liên tục nhiều năm trong môi trường nước sôi bỏng rát và chịu làn đạn neutron bắn phá điên cuồng, lớp vỏ kim loại này dần bị oxy hóa, giòn hóa do hydro và chịu áp lực phồng rộp từ các bong bóng khí bên trong. Các tiêu chuẩn an toàn quốc tế buộc phải rút thanh nhiên liệu ra ở ngưỡng cháy khoảng 62 GWd/MTU để ngăn chặn thảm họa vỡ ống vỏ bọc.
Sau khi rời lò, khối kim loại này biến thành một cục pin báo đầy 95% nhưng không đủ sức thắp sáng một bóng đèn led. Tro tàn phân hạch như cesi-137 và stronti-90 phát xạ cực mạnh trong vài chục năm đầu, trước khi nhường chỗ cho sự phân rã kéo dài hàng chục ngàn năm của plutoni-239.
Pháp và một số quốc gia chọn giải pháp tái chế hóa học đắt đỏ để chiết tách urani và plutoni sạch nhằm chế tạo nhiên liệu mới, nhưng điều đó đòi hỏi phải loại bỏ triệt để lớp tro độc ra ngoài. Bạn không bao giờ có thể để nguyên đống tro đó lại trong lò mà mong cỗ máy hoạt động.
Cesi-137 và stronti-90 gây bức xạ ngắn hạn (chu kỳ bán rã 30 năm), còn plutoni-239 tồn tại hàng chục ngàn năm; tái chế có thể trích xuất plutoni và urani nhưng không thể để nguyên tro độc trong lò đang chạy.
Quy luật này khắc nghiệt đến mức tự nhiên cũng không thể làm khác. Hai tỷ năm trước tại Oklo thuộc Gabon, một vỉa quặng urani tự nhiên giàu có đã ngẫu nhiên đạt trạng thái tới hạn và biến thành lò phản ứng ngầm dưới lòng đất.
Cứ mỗi khi nước ngầm sôi lên rồi bốc hơi, lò phản ứng tự nhiên này lại tắt lịm, cho đến khi củi cạn kiệt và tro độc xenon phủ kín vách đá vĩnh viễn. Con người ngày nay chỉ đang tuân theo đúng những giới hạn vật lý bất di bất dịch mà vũ trụ đã thiết lập từ thuở hồng hoang.
