Thay vì coi nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng chỉ là chất thải cần cô lập trong thời gian dài, các nhà nghiên cứu Hoa Kỳ đang phát triển công nghệ tách và thu hồi những thành phần còn giá trị bên trong. Giải pháp mới sử dụng lực ly tâm để tăng tốc quá trình phân tách hóa học, mở ra khả năng thu hồi nhiên liệu, đồng vị có giá trị và giảm lượng chất thải phóng xạ cần lưu trữ lâu dài. Nguồn tài nguyên còn lại trong nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng
Một trong những vấn đề lớn của ngành năng lượng hạt nhân là xử lý nhiên liệu sau khi được lấy ra khỏi lò phản ứng. Loại vật liệu này vẫn có mức phóng xạ cao và cần được quản lý theo những yêu cầu an toàn đặc biệt trong thời gian rất dài.
Tại Hoa Kỳ, khoảng 94.000 tấn nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng đã tích lũy. Tuy nhiên, thay vì chỉ coi đây là một khối chất thải khổng lồ, một hướng tiếp cận mới đang xem lượng vật liệu này như một nguồn tài nguyên có khả năng tái khai thác.
SHINE Technologies cho biết nhiên liệu đã qua sử dụng vẫn giữ lại phần lớn tiềm năng năng lượng ban đầu, đồng thời chứa nhiều vật liệu có thể thu hồi và tái sử dụng. Đây là cơ sở của dự án REDUCE (Recover Elements - Destroy Undesirables - Create Energy).
REDUCE do SHINE Technologies phát triển với mục tiêu xây dựng một chu trình trong đó nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng được xử lý để thu hồi uranium, plutonium và những vật liệu có giá trị khác; phần chất thải phóng xạ tồn tại lâu dài còn lại sẽ tiếp tục được xử lý nhằm giảm khối lượng, mức độ nguy hiểm và thời gian cần phải cách ly.
Dự án đã nhận tài trợ trong chương trình NEWTON của Cơ quan Các dự án nghiên cứu tiên tiến về năng lượng thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (ARPA-E). Một trong những công nghệ quan trọng đang được nghiên cứu để hiện thực hóa hướng tiếp cận này là PaCERS - thiết bị ly tâm phục vụ phân tách hóa học vật liệu phóng xạ.
SHINE hiện hợp tác với Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne và Đại học Case Western Reserve để đưa công nghệ này vào các quy trình tái chế nhiên liệu hạt nhân.
Về nguyên lý, nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng trước hết phải trải qua các công đoạn xử lý hóa học để những thành phần khác nhau bên trong có thể được phân tách.
Tuy nhiên, đây không phải hỗn hợp vật liệu thông thường, các thành phần cần xử lý có tính phóng xạ cao, trong khi nhiều nguyên tố và đồng vị lại có tính chất hóa học gần nhau. Vì vậy, quá trình phân tách phải vừa chính xác, vừa hạn chế lượng hóa chất sử dụng và bảo đảm yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn.
Các công nghệ chiết dung môi đã được ngành hạt nhân nghiên cứu và sử dụng từ lâu. Tuy nhiên, những hệ thống truyền thống thường cần nhiều công đoạn và lượng dung môi tương đối lớn, kéo theo hệ thống thiết bị phức tạp và chi phí vận hành cao. PaCERS tìm cách thay đổi bài toán này bằng việc đưa lực ly tâm vào quá trình phân tách.
Thay vì chỉ dựa vào quá trình tiếp xúc và phân tách giữa các pha chất lỏng dưới tác động của trọng lực, thiết bị quay với tốc độ cao tạo ra lực ly tâm lớn hơn nhiều lần trọng lực thông thường. Điều này làm tăng tốc quá trình truyền khối và phân tách hóa học, cho phép xử lý lượng vật liệu lớn hơn trong một hệ thống nhỏ gọn hơn.
Theo SHINE, PaCERS được định hướng là công nghệ có năng suất xử lý cao và sử dụng ít dung môi hơn, qua đó có thể cải thiện tính kinh tế của nhiều công đoạn trong tái chế nhiên liệu hạt nhân.
Cách hiểu đơn giản là thay vì để các chất cần tách di chuyển và phân lớp tương đối chậm, thiết bị sử dụng chuyển động quay tốc độ cao để thúc đẩy quá trình này diễn ra nhanh và hiệu quả hơn.
Không chỉ thu hồi nhiên liệu hạt nhân
Trong nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng còn tồn tại nhiều đồng vị có khả năng ứng dụng trong y học, sản xuất công nghiệp và các hệ thống năng lượng đặc biệt.
Trong chương trình hợp tác hiện nay, SHINE, Argonne và Case Western Reserve đang nghiên cứu áp dụng PaCERS vào nhiều quy trình phân tách, trong đó có thu hồi strontium-90 và americium-241.
Theo SHINE, những đồng vị này có thể được sử dụng trong y tế, sản xuất và các hệ thống năng lượng tiên tiến. PaCERS cũng dự kiến được tích hợp vào quá trình thu hồi các actinide phụ - nhóm vật liệu phóng xạ tồn tại lâu dài còn lại sau khi những thành phần khác đã được tách ra.
Nếu những vật liệu này được thu hồi hiệu quả, khái niệm “chất thải hạt nhân” sẽ phần nào thay đổi. Một phần những gì hiện phải quản lý như chất thải có thể trở thành nguyên liệu đầu vào cho những chu trình công nghiệp khác.
Tuy nhiên, thu hồi vật liệu mới chỉ là một nửa bài toán.
Thách thức khó hơn là xử lý những đồng vị phóng xạ tồn tại rất lâu và không có giá trị sử dụng trực tiếp. Đây cũng là hướng nghiên cứu dài hạn của REDUCE.
SHINE đang nghiên cứu phương pháp sử dụng neutron để thực hiện quá trình “chuyển hóa hạt nhân” đối với các đồng vị sống lâu. Hiểu đơn giản, neutron được sử dụng để làm thay đổi hạt nhân của những nguyên tử này, biến chúng thành các đồng vị hoặc nguyên tố khác có đặc tính phóng xạ dễ quản lý hơn.
Mục tiêu dài hạn mà SHINE đặt ra là giảm khoảng thời gian cần cách ly một số chất thải phóng xạ sống lâu từ hàng nghìn năm xuống quy mô hàng thập kỷ. Tuy nhiên, đây vẫn là mục tiêu công nghệ đang được nghiên cứu và kiểm chứng, chưa phải một quy trình xử lý thương mại đã được triển khai trên kho nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng của Mỹ.
Nếu các công nghệ phân tách, tái chế và chuyển hóa hạt nhân cuối cùng chứng minh được hiệu quả kỹ thuật và kinh tế ở quy mô công nghiệp, tác động của chúng có thể vượt xa câu chuyện xử lý chất thải.
Một chu trình nhiên liệu khép kín hơn sẽ cho phép ngành hạt nhân khai thác thêm năng lượng từ lượng nhiên liệu đã được sử dụng, thu hồi những nguyên tố có giá trị và đồng thời giảm lượng vật liệu phải đưa vào các cơ sở lưu giữ hoặc chôn sâu lâu dài.
Theo ông Ross Radel - Giám đốc công nghệ của SHINE, nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng là một nguồn tài nguyên chứa nhiều vật liệu có thể thu hồi. Kinh nghiệm phân tách vật liệu phóng xạ mà doanh nghiệp đang sử dụng trong sản xuất đồng vị y tế sẽ được áp dụng để thúc đẩy PaCERS tiến gần hơn tới ứng dụng thực tế.
Dù vậy, từ một công nghệ phân tách được chứng minh trong nghiên cứu đến một hệ thống tái chế nhiên liệu hạt nhân quy mô công nghiệp vẫn còn khoảng cách đáng kể. Ngoài hiệu quả kỹ thuật, những hệ thống như REDUCE còn phải giải quyết hàng loạt vấn đề về chi phí, cấp phép, an toàn bức xạ, kiểm soát vật liệu hạt nhân và chống phổ biến vũ khí hạt nhân.
Do đó, giá trị đáng chú ý nhất của PaCERS ở thời điểm hiện tại chưa phải là việc đã giải quyết bài toán chất thải hạt nhân, mà là khả năng làm cho một trong những công đoạn quan trọng nhất của chu trình tái chế trở nên nhanh, gọn và kinh tế hơn.
Nếu hướng nghiên cứu này thành công ở quy mô thương mại, hàng chục nghìn tấn nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng đang được lưu trữ có thể được nhìn nhận theo một cách khác, không chỉ là gánh nặng cần quản lý trong thời gian rất dài, mà còn là một nguồn vật liệu và năng lượng có khả năng được khai thác lại.
