Đã nhiều năm trôi qua kể từ khi tai nạn hạt nhân xảy ra tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi, một nhóm các nhà nghiên cứu thuộc Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL), Hoa Kỳ đã tìm ra một loại vật liệu để chế tạo vỏ thanh nhiên liệu tốt hơn, loại vật liệu này an toàn hơn là vì nó tránh được quá trình ôxi hóa zirconium.
Loại hợp kim mới này được tạo thành từ hỗn hợp của nhôm, crôm và sắt. Với loại vật liệu này, các nhân viên vận hành sẽ có thêm thời gian để xử lý các sự cố như sự cố mất nguồn điện dẫn đến vùng hoạt lò phản ứng bị nóng chảy hoàn toàn như các lò phản ứng ở Fukushima.
Vỏ bọc thanh nhiên liệu hạt nhân không chứa zirconi, làm từ hợp kim sắt, crom và nhôm (Nguồn ảnh: Ornl.gov)
Các dạng hợp kim khác nhau của Zirconi đã được dùng để chế tạo vỏ thanh nhiên liệu dùng trong các nhà máy điện hạt nhân dân dụng trong hơn sáu mươi năm qua. Điều này bắt nguồn từ quyết định của Hyman Rickover, “cha đẻ của hải quân hạt nhân” trong những năm 1950. Rickover đã chọn zirconi là kim loại chính để chế tạo vỏ thanh nhiên liệu, cũng như chọn các lò phản ứng nước nhẹ để cung cấp điện cho các tàu chiến hạt nhân.
Sau đó, nền công nghiệp hạt nhân cũng đã lựa chọn theo ông, hầu hết các nhà máy điện hạt nhân hiện nay đều sử dụng ziconin để chế tạo vỏ thanh nhiên liệu.
Vỏ thanh nhiên liệu không chứa zirconi hứa hẹn sẽ ngăn chặn các thảm họa tương tự như Fukushima trong tương lai
Rickover đã chọn zirconi vì hầu hết các neutron đều có thể xuyên qua nó dễ dàng, hay có thể nói ziconin trong suốt với neutron. Vào thời điểm đó, lựa chọn của ông là hợp lý, nhưng ông không tính tới điều gì sẽ xảy ra trong trường hợp có những bất thường xảy ra đối với các lò phản ứng. Việc mất hệ thống làm mát – như đã xảy ra ở Fukushima vào năm 2011 – sẽ biến zirconi ở điều kiện quá nhiệt trở thành một quả bom.
Kurt Terrani, kỹ sư hạt nhân của Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge, người đứng đầu dự án cho biết, “Vấn đề chính là ở chỗ chúng ta có khoảng 20 đến 40 tấn kim loại zirconi trong vùng hoạt lò phản ứng. Zirconi phản ứng với hơi nước ở nhiệt độ cao, và khi nó phản ứng sẽ sinh ra một lượng nhiệt lớn và rất nhiều khí hydro.” Điều này là rất nguy hiểm và có thể dẫn đến tai nạn tại các nhà máy điện hạt nhân làm mát bằng nước.
Nhóm của Terrani thuộc tập đoàn đa quốc gia được thành lập bởi General Electric. Công việc của họ là chế tạo ra một loại hợp kim không chứa zirconi. – một hợp kim không chứa loại vật liệu có thể gây ra vụ nổ hydro trong tiến trình tai nạn. Hơn nữa, loại hợp kim này cần phải đảm bảo được các ưu điểm như vỏ thanh nhiên liệu hạt nhân hiện có.
Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge (ORNL), Oak Ridge, Tennessee, Mỹ ((Nguồn ảnh: Ornl.gov)
Dự án nghiên cứu này khác hẳn những dự án khác ở ba điểm. Thứ nhất, nhóm ORNL bỏ qua các hợp kim hiện có và tiến hành việc chế tạo loại vật liệu mới từ ban đầu. Thứ hai, những nỗ lực của nhóm nghiên cứu đã nhận được sự ủng hộ của các chuyên gia trong các lĩnh vực khoa học khác nhau. Nhóm còn tận dụng các công cụ và chuyên môn đa dạng tại ORNL, phòng thí nghiệm khoa học và năng lượng lớn nhất do Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) điều hành.
Thứ ba, ORNL, Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho và lò phản ứng nghiên cứu Halden của Na Uy đã tiến hành thử nghiệm loại vỏ mới này trong các lò phản ứng thí nghiệm của họ.
Ngành công nghiệp hạt nhân bắt đầu thử nghiệm loại vỏ thanh nhiên liệu mới này trong các lò phản ứng hạt nhân của Hoa Kỳ
Terrani khẳng định rằng nhóm nghiên cứu đã tránh được cách tiếp cận theo hướng “thử nghiệm và khắc phục”. Trước hết, họ sở hữu nguồn thông tin và thiết bị mà Rickover không thể có trong những năm 1950, vì vậy họ biết được loại hợp kim mà họ thiết kế sẽ hoạt động đúng như dự kiến trong các điều kiện khác nhau.
Thứ hai, nhóm ORNL đã hoàn thành dự án của họ chỉ trong sáu năm. Điều đó có vẻ như là một thời gian dài, nhưng ngành công nghiệp hạt nhân thường mất gấp đôi thời gian để hoàn thành các dự án như thế này.
Cuối cùng, nhóm đã hoàn thành tất cả các quá trình nghiên cứu và phát triển. Và loại vỏ bọc không có zirconi đã sẵn sàng để đưa vào sử dụng.
Kurt Terrani – 32 tuổi, tiến hành thử nghiệm vỏ bọc thanh nhiên liệu mới được phát triển (Nguồn ảnh: Ornl.gov)
“Một điều nữa khiến tôi thấy tự hào là chúng tôi đã sẵn sàng ngừng nghiên cứu vấn đề này”, Terrani tuyên bố. “Chúng tôi cảm thấy như chúng tôi đã phân phối nó, và ngành công nghiệp đang sử dụng nó.”
Ngành công nghiệp hạt nhân đã sẵn sàng cho việc thử nghiệm loại vỏ thanh nhiên liệu mới này. Nhà máy điện hạt nhân Hatch ở Georgia, Hoa Kỳ là nơi đầu tiên sử dụng loại vật liệu mới này vào tháng 2 năm 2018.
Phạm Thị Thu Trang – Phòng Giáo vụ và Đào tạo
Nguồn: http://www.nuclear.news/2018-06-07-safer-cladding-for-nuclear-fuel-rods-being-developed.html