Lưu ý của biên tập viên: Câu chuyện này đã được cập nhật vào thứ Hai, ngày 10 tháng 6 lúc 4:45 chiều EDT.
Trong miniseries mới của HBO "Chernobyl", các nhà khoa học Nga đã phát hiện ra lý do cho một vụ nổ trong Lò phản ứng 4 tại Nhà máy điện hạt nhân Chernobyl, nơi phun ra chất phóng xạ trên khắp Bắc Âu.
Lò phản ứng đó, một thiết kế có tên RBMK-1000, đã được phát hiện là thiếu sót cơ bản sau vụ tai nạn Chernobyl. Tuy nhiên, vẫn còn 10 lò phản ứng cùng loại đang hoạt động ở Nga. Làm thế nào để chúng ta biết nếu chúng an toàn?
Câu trả lời ngắn gọn là, chúng tôi không. Các lò phản ứng này đã được sửa đổi để giảm bớt nguy cơ xảy ra thảm họa kiểu Chernobyl khác, nhưng chúng vẫn không an toàn như hầu hết các lò phản ứng kiểu phương Tây. Và không có biện pháp bảo vệ quốc tế nào có thể ngăn chặn việc xây dựng các nhà máy mới với những sai sót tương tự.
"Có rất nhiều loại lò phản ứng khác nhau đang được xem xét tại các quốc gia khác nhau, khác biệt đáng kể so với lò phản ứng nước nhẹ tiêu chuẩn, và nhiều trong số chúng có những lỗ hổng an toàn mà các nhà thiết kế đang xem nhẹ", Edwin Lyman, một nhà khoa học cao cấp và giám đốc diễn xuất của Dự án An toàn hạt nhân tại Liên minh các nhà khoa học quan tâm.
"Càng nhiều thứ thay đổi," Lyman nói với Live Science, "chúng càng giữ nguyên."
Lò phản ứng 4
Tại trung tâm của thảm họa Chernobyl là lò phản ứng RBMK-1000, một thiết kế chỉ được sử dụng ở Liên Xô. Lò phản ứng này khác với hầu hết các lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ, thiết kế tiêu chuẩn được sử dụng ở hầu hết các quốc gia phương Tây. (Một số lò phản ứng đầu tiên của Hoa Kỳ tại Trang web Hanford ở tiểu bang Washington là một thiết kế tương tự với các lỗ hổng tương tự, nhưng đã được sửa chữa vào giữa những năm 1960.)
Lò phản ứng nước nhẹ bao gồm một bình áp lực lớn chứa vật liệu hạt nhân (lõi), được làm mát bằng nguồn cung cấp nước tuần hoàn. Trong quá trình phân hạch hạt nhân, một nguyên tử (uranium, trong trường hợp này), phân tách, tạo ra nhiệt và neutron tự do, tạo thành các nguyên tử khác, khiến chúng bị phân tách và giải phóng nhiệt và nhiều neutron hơn. Nhiệt biến nước tuần hoàn thành hơi nước, sau đó biến tuabin, tạo ra điện.
Trong các lò phản ứng nước nhẹ, nước cũng đóng vai trò là chất điều tiết để giúp kiểm soát quá trình phân hạch hạt nhân đang diễn ra trong lõi. Một người điều hành làm chậm các nơ-ron tự do để chúng có khả năng tiếp tục phản ứng phân hạch, làm cho phản ứng hiệu quả hơn. Khi lò phản ứng nóng lên, nhiều nước chuyển thành hơi nước và ít có sẵn để đóng vai trò điều hành này. Kết quả là phản ứng phân hạch chậm lại. Vòng phản hồi tiêu cực đó là một tính năng an toàn chính giúp giữ cho các lò phản ứng không bị quá nóng.
RBMK-1000 thì khác. Nó cũng sử dụng nước làm chất làm mát, nhưng với các khối than chì làm chất điều tiết. Các biến thể trong thiết kế lò phản ứng cho phép nó sử dụng nhiên liệu ít giàu hơn bình thường và được tiếp nhiên liệu trong khi chạy. Nhưng với vai trò của chất làm mát và chất điều tiết được tách ra, vòng phản hồi tiêu cực của "nhiều hơi nước hơn, ít phản ứng hơn" đã bị phá vỡ. Thay vào đó, các lò phản ứng RBMK có cái gọi là "hệ số khoảng trống dương".
Khi một lò phản ứng có hệ số khoảng trống dương, phản ứng phân hạch tăng tốc khi nước làm mát chuyển thành hơi, thay vì chậm lại. Đó là bởi vì đun sôi mở ra bong bóng, hoặc lỗ rỗng, trong nước, giúp neutron dễ dàng di chuyển ngay đến người điều chế than chì tăng cường phân hạch, Lars-Erik De Geer, nhà vật lý hạt nhân đã nghỉ hưu từ Cơ quan nghiên cứu quốc phòng Thụy Điển cho biết.
Từ đó, ông nói với Live Science, vấn đề được xây dựng: quá trình phân hạch trở nên hiệu quả hơn, lò phản ứng trở nên nóng hơn, nước trở nên hấp dẫn hơn, quá trình phân hạch trở nên hiệu quả hơn và quá trình tiếp tục.
Chạy đến thảm họa
Khi nhà máy Chernobyl hoạt động hết công suất, đây không phải là vấn đề lớn, Lyman nói. Ở nhiệt độ cao, nhiên liệu uranium cung cấp năng lượng cho phản ứng phân hạch có xu hướng hấp thụ nhiều neutron hơn, khiến nó ít phản ứng hơn.
Tuy nhiên, ở công suất thấp, các lò phản ứng RBMK-1000 trở nên rất không ổn định. Trước thềm vụ tai nạn Chernobyl vào ngày 26 tháng 4 năm 1986, các nhà điều hành đang thực hiện một thử nghiệm để xem liệu tuabin của nhà máy có thể chạy thiết bị khẩn cấp khi mất điện hay không. Thử nghiệm này yêu cầu chạy nhà máy ở công suất giảm. Trong khi sức mạnh bị hạ thấp, các nhà khai thác đã được các cơ quan quyền lực của Kiev ra lệnh tạm dừng quá trình này. Một nhà máy thông thường đã ngừng hoạt động, và cần phải tạo ra năng lượng của Chernobyl.
"Đó là rất nhiều lý do chính tại sao tất cả xảy ra cuối cùng," De Geer nói.
Nhà máy chạy với một phần năng lượng trong 9 giờ. Khi các nhà khai thác đi trước để cung cấp năng lượng cho phần lớn thời gian còn lại, đã có sự tích tụ xenon hấp thụ neutron trong lò phản ứng và họ không thể duy trì mức phân hạch thích hợp. Sức mạnh giảm xuống gần như không có gì. Cố gắng tăng cường nó, các nhà khai thác đã loại bỏ hầu hết các thanh điều khiển, được làm bằng cacbua boron hấp thụ neutron và được sử dụng để làm chậm phản ứng phân hạch. Người vận hành cũng giảm lưu lượng nước qua lò phản ứng. Điều này làm trầm trọng thêm vấn đề hệ số rỗng tích cực, theo Cơ quan Năng lượng Hạt nhân. Đột nhiên, phản ứng thực sự trở nên rất dữ dội. Trong vài giây, sức mạnh đã tăng lên gấp 100 lần so với lò phản ứng được thiết kế để chịu được.
Có những lỗi thiết kế khác khiến cho việc kiểm soát tình hình trở nên khó kiểm soát một khi nó bắt đầu. Ví dụ, các thanh điều khiển được nghiêng bằng than chì, De Geer nói. Khi các nhà khai thác thấy rằng lò phản ứng đã bắt đầu đi haywire và cố gắng hạ thấp thanh điều khiển, họ đã bị mắc kẹt. Hiệu quả ngay lập tức không phải là làm chậm quá trình phân hạch, mà là tăng cường cục bộ, bởi vì than chì bổ sung ở các mẹo ban đầu đã tăng hiệu quả của phản ứng phân hạch gần đó. Hai tiếng nổ nhanh chóng theo sau. Các nhà khoa học vẫn tranh luận chính xác những gì gây ra mỗi vụ nổ. Cả hai đều có thể là vụ nổ hơi nước do áp suất tăng nhanh trong hệ thống tuần hoàn, hoặc một vụ có thể là hơi nước và lần thứ hai là vụ nổ hydro do phản ứng hóa học trong lò phản ứng thất bại. Dựa trên những phát hiện đồng vị xenon tại Cherepovets, 230 dặm (370 km) về phía bắc Moscow sau vụ nổ, De Geer tin rằng sự bùng nổ đầu tiên thực sự là một máy bay phản lực của khí hạt nhân mà bắn vài km vào bầu khí quyển.
Những thay đổi đã làm
Hậu quả ngay lập tức của vụ tai nạn là "một thời gian rất đáng sợ" ở Liên Xô, Jonathan Coopersmith, nhà sử học công nghệ tại Đại học Texas A & M, người đã ở Moscow năm 1986. Lúc đầu, chính quyền Liên Xô giữ kín thông tin; báo chí nhà nước chôn vùi câu chuyện, và nhà máy tin đồn đã qua. Nhưng ở Thụy Điển, De Geer và các nhà khoa học đồng nghiệp của mình đã phát hiện ra các đồng vị phóng xạ bất thường. Cộng đồng quốc tế sẽ sớm biết sự thật.
Vào ngày 14 tháng 5, nhà lãnh đạo Liên Xô Mikhail Gorbachev đã có bài phát biểu trên truyền hình, trong đó ông mở ra về những gì đã xảy ra. Đó là một bước ngoặt trong lịch sử Liên Xô, Coopersmith nói với Live Science.
"Nó biến glasnost thành sự thật", Coopersmith nói, đề cập đến chính sách minh bạch non trẻ ở Liên Xô.
Nó cũng mở ra một kỷ nguyên mới trong hợp tác an toàn hạt nhân. Vào tháng 8 năm 1986, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế đã tổ chức một hội nghị thượng đỉnh sau tai nạn ở Vienna và các nhà khoa học Liên Xô đã tiếp cận nó với một cảm giác cởi mở chưa từng thấy, De Geer, người tham dự cho biết.
"Thật đáng ngạc nhiên khi họ nói với chúng tôi nhiều như thế nào," anh nói.
Trong số những thay đổi trong phản ứng với Chernobyl là sửa đổi các lò phản ứng RBMK-1000 khác đang hoạt động, 17 tại thời điểm đó. Theo Hiệp hội hạt nhân thế giới, nơi thúc đẩy năng lượng hạt nhân, những thay đổi này bao gồm bổ sung các chất ức chế vào lõi để ngăn chặn các phản ứng chạy trốn ở công suất thấp, tăng số lượng thanh điều khiển được sử dụng trong hoạt động và tăng cường làm giàu nhiên liệu. Các thanh điều khiển cũng được trang bị thêm để than chì không di chuyển vào vị trí làm tăng khả năng phản ứng.
Ba lò phản ứng khác của Chernobyl hoạt động cho đến năm 2000 nhưng kể từ đó đã đóng cửa, vì có thêm hai RBMK ở Litva, đã ngừng hoạt động theo yêu cầu của nước đó gia nhập Liên minh châu Âu. Có bốn lò phản ứng RBMK hoạt động ở Kursk, ba ở Smolensk và ba ở St. Petersburg (một lò thứ tư đã nghỉ hưu vào tháng 12 năm 2018).
Những lò phản ứng này "không tốt như của chúng tôi", De Geer nói, "nhưng chúng tốt hơn trước đây."
"Có những khía cạnh cơ bản của thiết kế không thể sửa được cho dù họ có làm gì," Lyman nói. "Tôi sẽ không nói rằng họ có thể tăng độ an toàn của RBMK tổng thể lên tiêu chuẩn mà bạn mong đợi từ một lò phản ứng nước nhẹ kiểu phương Tây."
Ngoài ra, De Geer chỉ ra, các lò phản ứng không được xây dựng với hệ thống ngăn chặn đầy đủ như đã thấy trong các lò phản ứng kiểu phương Tây. Hệ thống ngăn chặn là những tấm khiên làm bằng chì hoặc thép có nghĩa là chứa khí phóng xạ hoặc hơi nước thoát ra ngoài khí quyển trong trường hợp xảy ra tai nạn.
Giám sát bỏ qua?
Mặc dù có những ảnh hưởng quốc tế tiềm tàng của một vụ tai nạn nhà máy hạt nhân, nhưng không có thỏa thuận quốc tế ràng buộc nào về những gì tạo nên một nhà máy "an toàn", Lyman nói.
Công ước về an toàn hạt nhân đòi hỏi các quốc gia phải minh bạch về các biện pháp an toàn của họ và cho phép đánh giá ngang hàng các nhà máy, ông nói, nhưng không có cơ chế thực thi hoặc các biện pháp trừng phạt. Các quốc gia riêng lẻ có các cơ quan quản lý riêng, chỉ độc lập như chính quyền địa phương cho phép họ trở thành, Lyman nói.
"Ở các quốc gia nơi có nạn tham nhũng tràn lan và thiếu quản trị tốt, làm thế nào bạn có thể mong đợi rằng bất kỳ cơ quan quản lý độc lập nào sẽ có thể hoạt động?" Lyman nói.
Mặc dù không có ai ngoài Liên Xô chế tạo lò phản ứng RBMK-1000, một số thiết kế lò phản ứng mới được đề xuất có liên quan đến hệ số khoảng trống dương, Lyman nói. Ví dụ, lò phản ứng tạo giống nhanh, là lò phản ứng tạo ra nhiều vật liệu phân hạch hơn khi chúng tạo ra năng lượng, có hệ số khoảng trống dương. Nga, Trung Quốc, Ấn Độ và Nhật Bản đều đã xây dựng các lò phản ứng như vậy, mặc dù Nhật Bản không hoạt động và được lên kế hoạch ngừng hoạt động và Ấn Độ chậm 10 năm so với kế hoạch mở cửa. (Ngoài ra còn có các lò phản ứng có hệ số khoảng trống dương nhỏ hoạt động ở Canada.)
Lyman nói: "Các nhà thiết kế đang lập luận rằng nếu bạn tính đến mọi thứ, thì nhìn chung chúng vẫn an toàn, vì vậy điều đó không thành vấn đề". Nhưng các nhà thiết kế không nên quá tự tin trong hệ thống của họ, ông nói.
"Kiểu suy nghĩ đó là điều khiến Liên Xô gặp rắc rối", ông nói. "Và đó là điều có thể khiến chúng ta gặp rắc rối, bằng cách không tôn trọng những gì chúng ta không biết."
Lưu ý của biên tập viên: Câu chuyện này đã được cập nhật để lưu ý rằng hầu hết, nhưng không phải tất cả, các thanh điều khiển đã được gỡ bỏ khỏi lò phản ứng và lưu ý rằng một số lò phản ứng sớm ở Hoa Kỳ cũng có hệ số khoảng trống dương, mặc dù các lỗi thiết kế của chúng đã được sửa .
