21/03/2011

Thảm họa Nhật và sự cố tại Fukushima I qua cái nhìn của chuyên gia kháng chấn sống tại Nhật

clip_image001

 

Hai người Nhật đứng nhìn cảnh hoang toàn còn lại sau động đất và sóng thần ở tỉnh Iwate, đông bắc Nhật Bản, ngày 17/3. Ảnh: AFP

 
1. Thảm họa Nhật qua cái nhìn người trong cuộc

Hà Ngọc Tuấn

(từ Fukuoka, Nhật Bản)

VnExpress.net xin giới thiệu bài phân tích của Tiến sĩ ngành kháng chấn Hà Ngọc Tuấn, một nhà khoa học người Việt làm việc tại Nhật trong thời gian xảy ra thảm hoạ động đất sóng thần.

Tôi bắt tay vào viết bài này vào 13h24' ngày 14/3, gần hai giờ sau khi vụ nổ thứ hai tại nhà máy điện nguyên tử Fukushima I xảy ra do hậu quả của trận động đất và sóng thần lớn nhất trong lịch sử đo đạc Nhật gây ra. Tin tức này đã được truyền hình trên khắp thế giới và chúng ta được chứng kiến những hình ảnh thảm hoạ thiên nhiên và những hậu quả mà nó gây ra trực tiếp trên truyền hình.

Nhưng có thể chính những hình ảnh đó đã ám ảnh và gây ra nỗi lo sợ cho hàng triệu người trên thế giới khi truyền thông chỉ đưa được những mặt tiêu cực nhất của nó. Tôi ở đây, tại miền nam nước Nhật, 1.200 km từ tâm chấn, may mắn nằm ngoài vùng ảnh hưởng của trận đại hồng thuỷ vừa xảy ra.

Có thể chính vì thế tôi phần nào là người ngoài cuộc và đủ trấn tĩnh để viết bài này. Tôi muốn chuyển tải đến các bạn một thông điệp khác, điều mà truyền thông ngoài nước Nhật có thể không đề cập tới cũng như những thông tin về kỹ thuật có thể không phải lúc nào các bạn cũng được tiếp cận.

Đại động đất phía đông Nhật Bản

Chiều thứ sáu ở thành phố Fukuoka, khí hậu mùa xuân làm cho mấy cậu đồng nghiệp của tôi la đà trong văn phòng. Cái vô tuyến lúc nào cũng tắt tiếng và nhấp nháy tin thời sự thì chẳng ai để ý đến. Nhưng lúc 14h49' thì mọi thứ bỗng dưng thay đổi. Tin động đất và sóng thần phát trên tất cả các kênh truyền hình.

Chưa đầy 3 phút sau động đất nhìn màn hình TV thấy báo độ lớn 7,9 Richter và vị trí tâm chấn tương đối gần bờ xảy ra vào lúc 14h46'. Vị trí tâm chấn được xác định thông qua 3 điểm đo để xác định toạ độ không gian, tức là vị trí trên bề mặt trái đất và cả chiều sâu, cách Kesennuma, một thành phố nhỏ có 74.000 dân, khoảng 100 km. Tâm chấn cách thành phố khác là Rikizentadaka nhỏ hơn với 20.000 dân cũng trong khoảng cự ly này. Đây là hai thành phố có khoảng cách đến tâm chấn gần nhất, nên cũng là nơi sóng thần phát sinh do động đất ập đến sớm nhất.

Cách tâm chấn khoảng 130 km là thành phố Sendai với dân số khoảng 1 triệu người. Fukushima là một thành phố lớn khác, tuy trung tâm của nó nằm sâu trong đất liền không ảnh hưởng bởi sóng thần nhưng hai nhà máy điện nguyên tử tại đây nằm bên bờ biển, cách tâm chấn chừng 140 km, đã và đang bị ảnh hưởng nặng nề từ động đất.

Tất cả những trung tâm dân cư trên nằm rải rác tại 3 tỉnh Iwate, Miyagi và Fukushima, nơi bị sóng thần và động đất tàn phá nặng nề. Thủ đô Tokyo, Chiba cách tâm chấn 370 km theo đường chim bay cũng rung chuyển rất mạnh nhưng không có thiệt hại do sóng thần gây ra.

Trong những thông báo đầu tiên, Cơ quan khí tượng thuỷ văn Nhật Bản (JMA) gọi trận động đất này là Sanrikuoki là tên vùng biển nơi có tâm chấn. Tên gọi này ngay lập tức bị lu mờ do qui mô của trận động đất. Truyền thông Nhật Bản nay đã gọi là Higashinihondaizishin (nghĩa là đại động đất đông Nhật Bản).

Cảnh báo động đất và sóng thần thì không có gì lạ nếu bạn sống ở Nhật. Chuyện này xảy ra như cơm bữa ở đây. Hơn nữa hệ thống cảnh báo sóng thần của Nhật rất hiện đại, chỉ những con sóng vài chục cm cũng được báo và báo rõ ràng sẽ đến đâu vào giờ nào.

Sự rối trí của JMA

Nhưng thứ sáu tuần trước mọi việc khác hẳn. Lần đầu tiên tôi chứng kiến Trung tâm khí tượng thủy văn Nhật Bản (JMA) bối rối với việc báo chính xác độ lớn của trận động đất và chiều cao sóng thần. Sau hơn hai ngày, JMA đã tính toán lại độ lớn thành 9,0 độ Richter, mặc dù các con số 7,9, 8,4 và 8,8 đã được đưa ra. Ai đã từng làm về địa chấn chắc đều biết sự khác biệt giữa một đơn vị Richter có ý nghĩa to lớn thế nào. Để hiểu được điều này xin minh hoạ bằng hình dưới đây.

clip_image002

Trục hoành của đồ thị trên chỉ độ lớn của một trận động đất bằng đơn vị Richter. Ta có thể thấy ở thang đo này trận địa chấn lớn nhất lên đến 9,5 độ Richter. Đây là trận động đất lớn nhất ghi lại được trong lịch sử nhân loại, xảy ra ở biển Chile ngày 22/5/1960.

Để các bạn có hình ảnh hơn nữa về độ lớn, xin chỉ ra rằng động đất gây sóng thần Sumatra ở Indonesia có độ lớn 9,1 độ Richter xảy ra vào năm 2004 đã làm thiệt mạng 230.000 người trên 14 nước quay mặt vào Ấn Độ Dương. Không có trận động đất nào 10 độ Richter, vì một trận động đất với năng lượng đó sẽ có quy mô toàn cầu và có thể xoá sạch sự sống.

Trục tung bên phải của đồ thị chỉ năng lượng mà trận động đất giải phóng ra xung quanh bằng joule (J). Như vậy một trận động đất 3,5 độ Richter có năng lượng tương đương với một vụ nổ của một tấn thuốc nổ TNT.

Ngày hôm đó JMA đã rối trí khi đưa ra tính toán độ lớn ban đầu là 7,9 độ Richter. Sau đó khoảng 2 giờ trong bài phát biểu của Thủ tướng Nhật con số đó được điều chỉnh thành 8,4 độ Richter và sau đó hơn 2 ngày, con số 9,0 độ Richter được chính thức chốt lại.

Như vậy là ngay những giây phút đầu tiên độ lớn của chấn động có thể đã làm bối rối JMA, một cơ quan có hệ thống đo đạc, tính toán và cảnh báo động đất, sóng thần tốt nhất trên thế giới và ít khi có những đánh giá bất nhất như vậy. Chỉ riêng điều này đã báo hiệu vấn đề của thảm hoạ vừa qua.

Truyền thông thế giới sử dụng kết quả tính toán của cơ quan địa chấn Mỹ USGS cho rằng, trận động đất vừa qua có độ lớn 8,9 độ Richter. Như vậy đại động đất phía đông Nhật Bản dù là 8,9 hay 9,0 độ Richter cũng đã lọt vào top các trận động đất lớn nhất trong lịch sử ghi chép của nhân loại.

Hệ thống đo địa chấn và cảnh báo dày đặc

Có thể nói Nhật Bản có hệ thống và mạng lưới đo đạc địa chấn dày đặc nhất thế giới. Ngoài các mạng quan trắc chuyên môn của cơ quan khí tượng, Nhật còn có các mạng quan trắc độc lập khác mà ngay cả người bình thường cũng có thể tiếp cận được. Kyoshin Net là một ví dụ. Một mạng như thế này có tới hàng trăm các máy gia tốc kế rải khắp lục địa và thềm biển Nhật Bản. Nó cho phép theo dõi gia tốc nền mọi cơn địa chấn theo thời gian thực nếu bạn tiếp cận vào hệ thống.

Nhật Bản có một hệ thống như vậy không phải là điều ngạc nhiên. Đất nước mặt trời mọc này nằm trên giao tuyến của bốn mảng lục địa, lần lượt là mảng Thái Bình Dương, mảng Bắc Mỹ, mảng Eurasian và mảng Philippin. Có thể nói đây là nơi nóng nhất của cái gọi là “Vành đai lửa” nơi mà các hoạt động kiến tạo mà cụ thể hơn là va chạm của các mảng lúc địa gây ra động đất liên tục ở đất liền và thềm biển Nhật Bản.

clip_image003

Như chúng ta thấy ở hình trên mô tả giao tuyến bốn mảng lục địa cắt qua nước Nhật. Chúng di chuyển tương đối nhạy với tốc độ rất nhỏ (bằng tốc độ mọc móng tay của bạn). Tuy nhiên theo thời gian năng lượng khổng lồ (áp lực) tích tụ ở nền đá gốc tại giao tuyến các mảng này và khi áp lực đó vượt quá cường độ của đá gốc dưới lòng đất nền đá này sẽ vỡ tung, giải phóng thế năng trong nó thành động năng là các cơn sóng địa chấn.

Trận động đất ngày 11/3 vừa qua là kết quả của sự kiện như vậy do tương tác của hai mảng lục địa Bắc Mỹ và Thái Bình Dương. Chính vì nằm trên vành đai lửa này nước Nhật hứng chịu liên tục các cơn địa chấn và cần một ngành kháng chấn với hệ thống quan trắc phát triển để phòng ngừa và giảm nhẹ thiên tai.

Cùng với hệ thống quan trắc địa chấn này, Nhật Bản phát triển hệ thống cảnh báo sóng thần. Khi phát hiện ra tâm chấn ngoài biển, nhờ vào công cụ tính toán mô phỏng nhanh cộng với các thiết bị đo biển, JMA có thể đưa ra cảnh báo trong vòng vài phút. Các cảnh báo này ở dạng bản đồ trực quan cho thấy vị trí tâm chấn các vùng duyên hải có sóng thần và độ cao con sóng.

Thông tin này được truyền trực tiếp lên các kênh truyền hình, đài phát thanh, điện thoại di động để người dân nhanh chóng rời khỏi bờ biển khi có sóng cao. Tất cả quá trình đó từ khi có động đất đến khi người dân nhận ra nguy hiểm chỉ trong vòng vài phút. Báo động bằng loa phóng thanh và còi hú cũng được tiến hành ở các miền duyên hải, xe tuần tra dọc bờ biển sẽ gọi mọi người tránh xa bờ. Một mạng lưới các camera an ninh ven biển sẽ nối trực tuyến với truyền hình để theo dõi tình hình sóng vào bờ.

Diễn biến trận sóng thần

Lúc 14h51', màn hình vô tuyến chuyển sang các hình ảnh trực tiếp từ các camera ven biển tỉnh Iwate. Lúc này mọi sự vẫn bình yên trên màn hình, trong phút đầu tiên chiều cao sóng ở dọc bờ biển hai tỉnh Iwate là 3 mét, Miyagi được dự báo cao nhất là 6 mét và Fukushima là 3 mét.

Dựa vào khoảng cách từ tâm chấn đến các thành phố và khu dân cư nói trên có thể tính được vận tốc lan truyền sóng vào khoảng 400 đến 500 km/h. Trên thực tế trận sóng thần vừa qua lan tới Mỹ, bờ bên kia của Thái Bình Dương cách Nhật Bản khoảng 8000 km trong 10 giờ. Nếu tính trên quãng đường dài này, tốc độ lan truyền sóng có thể lên đến 800 km/h. Nếu bạn cất cánh ở Nhật khi có động đất và bay sang bờ tây nước Mỹ bạn sẽ đón được con sóng vừa rồi.

Nhưng mọi việc thay đổi chỉ trong vài phút sau. Kurokawa, vị kiến trúc sư lâu năm ngồi gần màn hình nhất thốt lên “sao dự báo chuyển thành 10 mét hết nhỉ?”. Lúc này là 15h00', camera trên truyền hình NHK quay cận cảnh một cây cầu ở Kamaishi, một thành phố nhỏ ở tỉnh Iwate. Lúc này ở góc quay hẹp dưới chân cầu đường cao tốc đô thị này người ta có thể thấy ô tô và nhiều thứ khác trôi như những chiếc hộp xốp.

Phản ứng đầu tiên của tôi là gọi điện thoại di động cho vợ tôi, bà bầu sắp sinh con gái rượu của tôi. Vợ tôi biết tính tôi hay hiếu kỳ với tin tức trên truyền hình. Nhiều lần trước khi có cảnh báo sóng thần trong nhà chỉ có tôi dán mắt vào TV để xem sóng thần trông thế nào khi nó vào bờ và lần nào cũng chỉ là những con sóng vài chục centimet. Nhưng lần này thì khác, tôi nói với vợ: "Em bật truyền hình lên xem động đất lớn lắm".

Đặt ống điện thoại xuống là lúc trên màn hình tàu thuyền ở đâu bỗng dưng trôi ngược vào thành phố, va vào cây cầu chui qua nó trong trạng thái nghiêng ngả. Có thể nhìn thấy vài vị tài xế lái xe tải trên cầu đã dừng lại nhìn cảnh nước cuồn cuộn dưới chân cầu nơi trước đó vài phút là đô thị và đường sá bỗng chốc trở thành dòng sông. Cuối cùng là cả một ngôi nhà to trôi tuột qua cây cầu đó. Có lẽ những người đứng trên cầu đã trải qua một phen hãi hùng hơn bất kỳ cảnh tượng nào mà các bộ phim hành động Mỹ thường dựng.

Sóng thần hay Tsunami như cách gọi của người Nhật bắt đầu tàn phá toàn bộ bờ phía đông bắc Nhật Bản từ 3h chiều ngày 11/3. Đến lúc này các con số dự báo đã khác hẳn, với chiều cao sóng ở các điểm báo của Iwate va Miyagi đều quá 10 mét. Cũng phải nói thêm rằng trong thang cảnh báo của JMA sóng cao 3 mét đã được liệt kê vào sóng rất lớn.

Sức tàn phá khủng khiếp của sóng thần

Có lẽ những hình ảnh đầu tiên ở Kamaishi mà NHK thu được đã quá sốc với phóng viên hiện trường của đài, những người đã lập tức cất cánh từ các trung tâm truyền hình bằng trực thăng chuyên dụng. Cũng chính vì thế cả thế giới đã được chứng kiến trực tiếp cảnh tượng hãi hùng khi sóng thần tàn phá thành phố, làng mạc ở đông bắc Nhật Bản.

Sau đoạn truyền hình trực tiếp ở Kamaishi là toàn cảnh sóng thần tràn vào vùng đồng bằng ven biển Sendai. Tất cả chúng ta có lẽ đã được thấy cảnh tượng con nước đầu đen kịt đội trên nó là nhà cửa, ô tô và hằng hà vô số những mảnh gỗ có lẽ bị xé tung từ các căn nhà kéo vào đồng ruộng thành phố Sendai.

Tốc độ lan trên đất liền nếu so với tốc độ của một số xe ôtô vội vã bứt khỏi con sóng khi chạy về phía lục địa khoảng 30 đến 40 km/h. Tuy không nhanh như tốc độ lan ngoài biển, nó đủ nhanh để đuổi theo bất cứ cư dân nào còn sót lại trong vùng làng mạc mà nó tràn tới.

Con sóng Sendai tràn qua đê biển, lan nhanh vào đồng ruộng nuốt sạch những căn nhà vườn bằng nilon của nông dân, tiến sát đến đường quốc lộ, quật lại khi va vào đê và nhào trộn toàn bộ các vật thể nó mang trên đầu. Có cảm tưởng những chiếc xe ôtô trong cơn sóng còn nhẹ hơn cả bao diêm.

Từ truyền hình trực tiếp có thể thấy một số người xấu số không kịp lái xe chạy khỏi con sóng ngay trên đường quốc lộ, nơi cách bờ biển vài km, điều mà chắc người lái xe đó không kịp nhận thức ra chuyện gì đang xảy ra xung quanh mình. Bờ biển vùng đông bắc nước Nhật trong vòng 4 tiếng đồng hồ đã bị quét sạch, nghiền nát thành các đống rác khổng lồ. Không còn bóng dáng đô thị, chỉ còn cả một vùng tan hoang với mấy ngôi nhà tầng bê tông cốt thép còn sống sót lại.

Ngay trong chiều hôm đó, các tổ hợp hoá dầu bốc cháy, cầu sập, đường xá ngập sâu trong nước biển. Nhiều tàu cá và cả tàu tải trọng lớn bị cuốn trôi vào trong thành phố. Ô tô chất thành đống cháy nổ ngụt trời. Thành phố của Nhật trông giống hệt sau vụ nổ nguyên tử Hiroshima và Nagasaki. Tệ hơn nữa là ngập sâu trong nước và bùn đất do có hiện tượng lún nền trên diện rộng.

Phân bố của trận động đất và dư chấn

Trận động đất khổng lồ vừa rồi tuy rung chuyển toàn lãnh thổ Nhật Bản, nhưng có lẽ không làm Việt Nam bị ảnh hưởng do nó không truyền tới đất nước ta. Nói cách khác, cường độ động đất ở Việt Nam bằng không nên chúng ta không cảm thấy chấn động này.

Khác với độ lớn (magnitude) được đo bằng Richter, đánh giá tổng năng lượng giải phóng từ trận động đất như đã thảo luận ở phần trên, cường độ hay còn gọi là cấp động đất (intensity) là thang đo ảnh hưởng của trận động đất đó lên một điểm quan trắc nhất định.

Toàn vùng đông bắc nước Nhật (trên thực tế là toàn nước Nhật) đều đo được chấn động với cường độ khác nhau. Cường độ quan trắc được trong vụ vừa rồi lớn nhất là 7. Đây là cường độ kịch thang đo của Nhật. Tokyo hứng chịu cường độ 5+, còn 3 tỉnh Iwate, Miyagi và Fukushima hứng cường độ 6+.

Để độc giả có được hình ảnh về cường độ 5+, tôi xin mô tả như sau. Năm 2004, một trận động đất xảy ra ở thành phố mà gia đình tôi đang sinh sống khi đó, cường độ của nó ở khu vực nhà tôi là 5+. Khi động đất xảy ra có cảm tưởng như một đàn bò rừng châu Phi chạy qua cạnh nhà. Mọi thứ rung lên bần bật, đồ đạc trên giá rơi xuống sàn, chao đèn lắc và các khung cửa sổ rung lên ầm ầm.

Một trận động đất cấp 7 theo thang đo của Nhật sẽ làm rung chuyển nền dưới chân người đứng đến mức người đó sẽ ngã xuống vì không thể đứng vững được với một dao động như thế. Nói một cách hình tượng, khi có động đất cấp 7, một ngôi nhà sẽ chịu một lực tác động ngang ít nhất bằng một nửa trọng lượng của ngôi nhà đó. Hay nếu bạn nặng 60 kg, bạn sẽ bị một lực 30 kg đẩy. Và lưu ý rằng dao động nền đổi phương liên tục nên thực tế là bạn sẽ bị kéo đẩy liên tục với lực đó.

Trên đây là khái niệm về cấp động đất và gia tốc nền tương đương. Thực tế trong trận động đất vừa qua, số liệu đo gia tốc nền tức thời ở thành phố Kurihara thuộc tỉnh Miyagi thật đáng kinh ngạc, với trị số cực đại của nó là 2.933 gal, gấp 3 lần gia tốc trọng trường. Với gia tốc này khó lòng một kết cấu nhân tạo nào có thể đứng vững được. Nếu bạn nặng 60 kg bạn sẽ bị một lực 180 kg kéo đẩy liên tục.

Có thể bạn sẽ có hình ảnh về một trận động đất là một cú rung mạnh và sau đó mọi thứ kết thúc. Sự kiện thực ra không phải như thế. Những ai đã kinh qua động đất lớn như ở Nhật Bản sẽ có một cái nhìn hoàn toàn khác. Một trận động đất, nhất là động đất lớn sẽ kèm theo dư chấn là những trận động đất nhỏ hơn trong nhiều ngày, tháng thậm chí cả năm sau đó.

Trận động đất vừa rồi có số lượng dư chấn cũng như độ lớn dư chấn đáng kể. Trong vòng chưa đầy một giờ sau trận chính có tới 3 trận dư chấn lớn hơn 7 độ Richter. Cần nhắc lại rằng một trận hơn 7 độ đã được xếp vào động đất lớn. Còn nhớ năm 1995, trận động đất gây thảm họa ở Kobe cũng chỉ có độ lớn 7,3 độ Richter.

Ba ngày sau trận động đất chính, quan trắc cho thấy có 200 dư chấn xảy ra. Như vậy trung bình có 3 trận trong một giờ đồng hồ. Tuy nhiên thống kê cho thấy hầu hết dư chấn xảy ra vào đầu giờ sáng và cuối giờ chiều trong ba ngày qua. Bạn vẫn có thể ngủ trưa mà không bị đánh thức vì động đất!

Theo tính toán, các dư chấn lớn hơn 7 độ Richter có thể lại xảy ra trong vòng vài ngày tới với xác suất lớn tới 40%. Có lẽ với một trận động đất quy mô này dư chấn sẽ còn diễn ra trong vài năm tới. Dư chấn chỉ chấm dứt khi cân bằng áp lực (ứng suất) được thiết lập trong đứt gãy. Đá nền sẽ bị biến dạng sau trận động đất. Quan trắc phát hiện ra hiện nay nước Nhật đã bị dịch chuyển 4 mét do trận đại động đất vừa rồi.

Với tất cả những gì đã diễn ra do trận động đất chính và sóng thần cùng với những cú sốc nhồi thêm liên tục do dư chấn, ngay cả người tinh thần vững nhất cũng phải mệt mỏi nếu ở trong vùng động đất như trận này.

Nguồn: Vnexpress.net

2. Sự cố tại Fukushima I qua cái nhìn chuyên gia

'Khủng hoảng hạt nhân tại nhà máy Fukushima I vẫn tiếp diễn, nhưng thời gian đang đứng về phía con người, sự căng thẳng vẫn còn nhưng tôi tin mọi việc sẽ ổn thoả', tiến sĩ Hà Ngọc Tuấn viết tiếp.

Trong phần này tôi xin giải thích diễn biến, cơ chế khủng hoảng hạt nhân tại nhà máy Fukushima I và lý do vì sao tôi có niềm tin như vậy.

clip_image004

Hình ảnh hư hại lớp vỏ ngoài của lò phản ứng số 1, nhà máy Fukushima I sau vụ nổ. Ảnh: AFP

Sơ lược về nhà máy điện nguyên tử Fukushima

Nhà máy Fukushima I thuộc thế hệ đầu tiên của ngành năng lượng hạt nhân của Nhật. Nó được xây dựng và đưa tổ máy số 1 vào vận hành vào tháng 3/1971, chỉ hơn tôi có vài tháng tuổi, và với tuổi đời này người ta vẫn nghĩ có thể mọi thứ đã hết hạn sử dụng. Thực tế thì không phải như vậy!

40 đến 50 năm là tuổi đời thiết kế của nhà máy điện nguyên tử. Nhà máy như thế này qua rất nhiều lần bảo dưỡng kiểm tra định kỳ theo qui định nghiêm ngặt của Nhật. Có lẽ chỉ các kết cấu bê tông cốt thép và phần lò phản ứng là không thay đổi, tất cả các hệ thống khác liên quan đến vận hành và an toàn nhà máy đã được thay bởi thế hệ thiết bị mới chế tạo trong 40 năm qua.

Loại lò sử dụng trong nhà máy này là Boiling Water Reactor (BWR) hay có thể tạm gọi là Lò phản ứng nước sôi. Các nhà máy của điện lực Tokyo (TEPCO) sử dụng loại lò này. Một loại lò khác cũng được sử dụng ở Nhật là Pressurized Water Reactors (PWR) hay gọi là Lò áp lực nước.

Fukushima 1 có 6 tổ máy với tổng công suất lên đến 4696 MW, gấp gần 3 lần công suất nhà máy thủy điện Hòa Bình của chúng ta. Tổ máy đầu tiên do General Electric (GE) của Mỹ sản xuất, nhưng sau đó người Nhật đã tự chế tạo được lò cho mình. Toshiba là hãng có lịch sử gắn bó lâu dài với điện lực Tokyo và họ cung cấp lò cho hãng này.

Diễn biến khủng hoảng Fukushima

Khủng hoảng tại Fukushima I có thể nói là duy nhất, vì cùng một lúc người ta gặp vấn đề với hai nhà máy với nhiều lò phản ứng, nhiều hiện tượng sự cố cùng lúc và ngay cả trong lúc xử lý sự cố vẫn phải hứng chịu dư chấn liên tục. Có thể nói sự cố điện nguyên tử này dù không gây ra thảm họa nhiễm xạ trên diện rộng thì cũng sẽ viết một trang mới cho các bài học về hệ thống an toàn điện nguyên tử, cũng như xử lý trong tình trạng khẩn cấp mà trong đó tên tuổi các kỹ sư và nhân viên vận hành nhà máy Fukushima sẽ được ghi tên vào lịch sử.

Cuộc chạy đua với khủng hoảng chưa kết thúc nhưng theo dõi những gì diễn ra, một lần nữa tôi thêm tự tin rằng thời gian đang ủng hộ con người. Ít nhất nhiệt trong các lò phản ứng đang trong tầm kiểm soát. 50 con người dũng cảm vẫn tại vị trí làm việc.Vị Giám đốc nhà máy Fukushima I vẫn trong tư thế lãnh đạo toàn bộ cuộc chạy đua với áp suất, nhiệt độ mà công cụ là nước biển.

Đoàn cán bộ chính phủ từ Bộ Kinh tế - Công thương Nhật Bản (METI) có mặt thường trực tại trung tâm đầu não của TEPCO ở Tokyo để cùng họ ra những quyết định quan trọng. Nội các của Thủ tướng Kan đoàn kết và bình tĩnh. Toàn thể người dân Nhật cũng vậy, họ kiên nhẫn tuân thủ lệnh chính phủ không hốt hoảng hay kêu ca một lời nào.

Nhiên liệu hạt nhân và lò phản ứng

Câu trả lời tất nhiên là do động đất và sóng thần. Dù được thiết kế từ hơn 40 năm trước, nhà máy Fukushima I có khả năng chống động đất ở mức cao nhưng không phải cho một trận 9.0 độ Richter như thế này. Để trả lời được phần nào những câu hỏi liên quan đến tai nạn, tôi thấy cần phải nói qua về cấu tạo và nguyên lý vận hành của lò phản ứng nhà máy Fukushima này.

clip_image005

Nhiên liệu và lò phản ứng

Nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân là chất uranium. Khoáng uranium thiên nhiên sẽ được tinh chế để làm ra thỏi nhiên liệu (pellet) như thấy ở hình trên. Kích thước thỏi hình trụ này là 10x10 mm nặng khoảng 10 gam với thành phần gồm uranium 235 và 238 trộn với tỷ lệ thích hợp. 350 thỏi nhiên liệu này được nhồi vào một thanh nhiên liệu (fuel rod). Các thanh nhiên liệu lại được bó thành bó nhiên liệu (fuel assembly). Rồi các bó nhiên liệu được đưa vào lò phản ứng (reactor). Chẳng hạn ở tổ máy số 1 của Fukushima I có 400 bó nhiên liệu như vậy.

Ngoài các bó nhiên liệu người ta còn đưa vào lõi lò các thanh điều khiển (control rod). Những thanh này làm bằng chất boron có tính chất có thể "bắt" được các neutron là tác nhân gây ra phản ứng hạt nhân dây chuyền (chain reactor). Dùng thanh này người ta có thể kiểm soát được mức độ phản ứng cũng như dừng hoàn toàn phản ứng trong lò.

Các bó nhiên liệu được đưa vào lò để khởi động phát điện, khi đó người ta sẽ cho quá trình phản ứng dây chuyền có kiểm soát (giảm tốc độ và khống chế lượng neutron) diễn ra trong lò. Phản ứng dây chuyền xảy ra khi các hạt neutron bắn phá vào các nguyên tử uranium 235. Mỗi hạt neutron bắn vào một nguyên tử U235 sẽ khiến nó phân hạch, tức là vỡ ra thành các nguyên tử nhẹ hơn và là sản phẩm của phản ứng dây chuyền (fission products).

Quá trình trên phát sinh ra nhiệt và sinh ra 2 neutron. Người ta sẽ dùng thanh điều khiển nói trên để "bắt" một neutron vừa phát sinh, như vậy lượng neutron trong lò sẽ không đổi. Đây là điểm khác biệt căn bản giữa một quả bom nguyên tử và lò phản ứng nguyên tử. Ở vụ nổ nguyên tử sự phát sinh theo cấp số nhân của neutron trong phản ứng sẽ nhanh chóng sinh ra một phản ứng dây chuyền không kiểm soát và một lượng nhiệt khổng lồ trong giây lát. Một phản ứng có kiểm soát sẽ sinh lượng nhiệt như ý muốn của con người.

Khi "đốt" lò như thế nhiệt sẽ giải phóng xung quanh các thanh nhiên liệu. Người ta bơm nước vào lò để "đun". Nước có nhiệt độ và áp suất cao sẽ được chuyển thành hơi dẫn theo ống để "thổi" tuốc bin phát điện. Sau đó nước này được ngưng tụ bằng một hệ thống làm lạnh dùng nước biển và lại quay lại tâm lò trong một vòng tuần hoàn kín để không cho phóng xạ lọt ra ngoài.

Về nguyên tắc, một nhà máy nhiệt điện thông thường và một nhà máy điện nguyên tử có nguyên lý vận hành như nhau, chỉ khác ở chỗ là đun bằng "bếp" than hay "bếp" nguyên tử mà thôi.

Xin nhắc lại là quá trình phản ứng sinh ra các sản phẩm là các chất phóng xạ. Đây là điểm căn bản giải thích vì sao sau khi "tắt" lò vẫn nóng. Khi tắt lò thông thường hoặc do sự cố người ta sẽ đưa tất cả các thanh kiểm soát vào tâm lò, khi đó phản ứng sẽ ngừng và không có nhiệt sinh ra từ phản ứng dây chuyền nữa. Tuy nhiên các sản phẩm phản ứng là các chất phóng xạ (cesium và iodine là ví dụ) sinh ra do "đốt" lò vẫn tiếp tục quá trình phân rã phóng xạ (Radioactive decay). Như vậy hai bước quan trọng khi dừng lò là "tắt" lò và làm nguội.

Nguyên lý an toàn của lò phản ứng

Bài học mang tính giáo khoa cho thiết kế nhà máy nguyên tử là bảo vệ 5 lớp gồm:

Lớp 1: Thỏi nhiên liệu (pellet) được chế tạo nén cứng để các chất phóng xạ phát sinh luôn bị "nhốt" trong các thỏi này.

Lớp 2: Thanh nhiên liệu (fuel rod) có chức năng như vỏ kín "nhốt" các chất phóng xạ và khí phát sinh khi nó thoát ra khỏi các thỏi nhiên liệu.

Lớp 3: Lò phản ứng (reactor). Là một cái "nồi" thép có vỏ dày 16 cm bằng kim loại. Lò này ngăn các chất phóng xạ thoát ra ngoài khi phóng xạ thoát ra từ các thanh nhiên liệu.

Lớp 4: Thùng lò (pressure vessel) làm bằng kim loại có vỏ dày 3 cm. Trong trường hợp xấu nhất khi lò phản ứng "vỡ" thùng lò sẽ ngăn phóng xạ ra ngoài.

Lớp 5: Vỏ bê tông cốt thép. Đây là kết cấu bê tông cốt thép có bề dày 1,5 mét, được thiết kế với một mục đích duy nhất là khi tất cả thành phần kim loại nằm trong nó chảy ra trong một sự cố nóng chảy lò giống như ở nhà máy Three Mile Island của Mỹ vào tháng 3/1979 thì phóng xạ vẫn bị "nhốt" trong vỏ này.

Trên thực tế ở nhà máy Fukushima I còn có một lớp "áo" ngoài cùng là nhà lò. Kết cấu này chỉ có mục đích che các kết cấu bên trong khỏi tác động của thời tiết. Nhưng cũng cần nhấn mạnh rằng nó là kết cấu "kín bưng". Hai vụ nổ ở lò phản ứng số 1 và số 3 ở nhà máy Fukushima I đều xảy ra ở lớp ngoài cùng này. Các vụ nổ đó chưa làm ảnh hưởng đến lớp phòng vệ bên trong.

Nếu xem xét như trên thì chúng ta thấy vấn đề ở Fukushima I chưa đến mức nghiêm trọng và qui mô của vấn đề khó có thể lớn hơn được nữa. Theo thang đo INES (International Nuclear and Radiological Event Scale) của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế sự cố này có cấp 4 trong thang 7 cấp, tức là sự cố có tính chất cục bộ. Cần nhắc đến là Chernobyl là sự cố có mức rất nghiêm trọng lớn nhất từ trước tới nay và xếp vào cấp 7. Cấp 6 là sự cố nghiêm trọng. Cấp 5 là sự cố có diện rộng trong thang đo này.

clip_image006

Vỏ ngoài lò phản ứng số 3 nhà máy Fukushima I sau vụ nổ. Ảnh: AFP

Trục trặc ở hệ thống làm mát lò

Một nhà máy điện nguyên tử như Fukushima I được thiết kế chống động đất và tính toán đến ảnh hưởng của sóng thần rất tốt. Nó cũng được trang bị không phải một mà là nhiều hệ thống làm mát với nguyên lý làm việc khác nhau độc lập với nhau cùng với các nguồn điện độc lập. Nhiều kịch bản về sự cố được xây dựng để có các thủ tục đối phó.

Kịch bản ở Fukushima chính vì thế không mới. Điều bất ngờ là sóng thần quá lớn đã phá hỏng các máy phát điện dự phòng diezen – nguồn năng lượng huyết mạch cho công tác làm lạnh. Trên thực tế các máy diezen ở nhà máy Fukushima I đều làm việc ngay những phút đầu tiên khi nhà máy mất điện lưới do động đất gây ra. Chúng hoạt động tốt cho đến khi sóng thần ập đến.

Dù thế không có nghĩa là mất hết nguồn điện. Mọi chuyện không đơn giản như thế! Các nhà thiết kế cũng đã tính cả đến khả năng này và họ đặt một nguồn điện khác trong vỏ lò nơi sóng thần không thể đến được. Nguồn này là pin có khả năng duy trì năng lượng cho các máy bơm của hệ thống làm mát lò trong 8 giờ với tính toán rằng với từng đó thời gian các nguồn cấp điện di động đã được vận chuyển đến nhà máy qua đường bộ. Và tính toán này diễn ra đúng kịch bản, các pin này đã làm việc như thiết kế.

Tuy nhiên kịch bản bị vỡ ở một điểm là các xe phát điện di động của TEPCO không thể đến hiện trường sớm như dự tính. Bạn biết vì sao rồi đó. Làm gì còn đường xá cầu cống qua cơn sóng thần vừa rồi, đó là cái không tính được! Nhưng họ vẫn đã đến, chỉ có điều đến muộn. Và giống như bất kỳ vụ đến muộn nào khác sẽ có ai đó tức giận đến đỏ mặt. Nhiên liệu trong các lò không được làm mát do mất nguồn điện đã làm nước trong lò sôi lên bốc hơi và áp suất trong các lò đã tăng lên hơn nhiều so với thiết kế.

Nổ do phản ứng hóa học

Do không kịp bơm nước vào tâm lò để làm lạnh do mất nguồn điện cho hệ thống bơm nhiệt trong lò làm nước bốc hơi trong lò. Mực nước trong lò hạ xuống làm các thanh nhiên liệu không còn ngập hết trong nước nữa. Bên ngoài khu vực nhà máy lúc này đã phát hiện ra sự có mặt của sản phẩm phản ứng trong lò bao gồm các chất cesium (Cs) và iodine (I).

Điều này là cơ sở để phán đoán rằng nhiệt độ nhiên liệu đang rất cao vì các chất trên trong nhiên liệu đã bốc hơi và giải phóng ra ngoài khi nhóm vận hành buộc phải xả khí ra ngoài để bảo vệ lò. Nếu như vậy nhiệt độ có thể cao hơn 2000 độ C vì nhiên liệu chỉ nóng chảy khi nhiệt độ đạt mức này. Điều này đồng nghĩa là vỏ của thanh nhiên liệu đã nóng chảy. Zircaloy [hợp kim của zirconium – BVN chú thích] nóng chảy dưới xúc tác của môi trường nước nhiệt độ cao trong lò đã gây ra phản ứng sinh ra hydro.

Việc hydro sinh ra không nằm ngoài dự đoán chỉ có điều do độ tin cậy của các thiết bị đo mực không được khẳng định, tổng lượng hydro phát sinh là bao nhiêu không nắm được. Hơn thế nữa việc xả khí trong lò ra là bất khả kháng vì rủi ro nổ lò là không thể chấp nhận được, bởi khi đó phóng xạ sẽ ồ ạt tràn ra môi trường. Khí được xả ra không gian nhà lò, nơi như nói trên là không gian được thiết kế kín với mục đích chống rò rỉ bất kỳ khí nào từ trong lò xả ra. Hydro nhẹ sẽ bốc lên trần nhà lò tích tụ ở đấy tới khi nồng độ của nó đạt mức tới hạn. Khi đó hydro sẽ phản ứng với ô-xi trong không khí phát nổ.

Hai cú nổ do phản ứng này đã thổi tung mái nhà lò số 1 và số 3 của nhà máy Fukushima I có cơ chế như vừa giải thích trên đây. Cũng cần nói thêm rằng trong lò phản ứng không có ô-xi cho nên không thể có phản ứng nổ như vậy và như đã nhắc đến ở trên vụ nổ không làm hư hại đến thùng lò như đã khẳng định bởi TEPCO.

Cháy do các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng

Diễn biến thảm họa ở Fukushima I đã trở nên quá kịch tính khi ngay cả tổ máy đang dừng hoạt động từ trước động đất cũng bốc cháy. Sau đó người ta phát hiện ra nguyên nhân của việc này là do nhiệt từ các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng đang được ngâm trong các bể làm mát ở tầng 4 nhà lò. Mỗi một bể làm mát này có sức chứa khoảng 2000 mét khối nước, ngâm trong đó là các bó nhiên liệu có chiều cao 4 mét. Những bó này để dưới sâu đáy bể với mức nước ngập cao hơn nó chừng 20 mét.

So với sự kiện trong tâm lò thì sự kiện ở các bể làm nguội vật liệu này phức tạp hơn ở khía cạnh ngăn ngừa phóng xạ. Kịch bản xảy ra như ở các bể này có lẽ chưa bao giờ được đặt ra. Các thanh nhiên liệu qua sử dụng có các chất phóng xạ, sản phẩm của phản ứng dây chuyền chúng phân rã sinh nhiệt và các tia phóng xạ, trong khi đó chúng không nằm trong vỏ lò mà hoàn toàn bị lộ ra khí quyển lúc này do mái các tòa nhà lò đã bị phá hủy.

Lý do gì dẫn đến sự tăng nhiệt ở các thanh nhiên liệu đã sử dụng trong các bể chứa là điều tôi cũng đang muốn biết nhưng tôi phán đoán rằng vụ nổ ở lò thứ 3 đã làm mất một lượng lớn nước trong bể của nó cũng như bể chứa ở lò số 4. Sau vụ nổ lò số 3 người ta phát hiện tòa nhà lò số 4 cũng bị tổn thất nghiêm trọng.

Nguy cơ và mức độ rò rỉ phóng xạ

Mức độ ảnh hưởng của liều phóng xạ SV (Sievert) vào cơ thể người

- Liều trên 7000 mSv gây tử vong cho tất cả mọi người bị nhiễm xạ

- Liều 3000 đến 5000 mSv gây tử vong 50% người bị nhiễm xạ

- Liều 1000 mSv gây nôn mửa tại chỗ và là nguyên nhân ung thư về lâu dài

- Liều 500 mSv sẽ gây ra hiện tượng giảm các tế bào limpho trong máu người

- Liều 6.9 mSv là lượng nhiễm xạ sau một lần cắt lát CT khi kiểm tra sức khỏe

- Liều 1.0 mSv là lượng nhiễm xạ tự nhiên từ phóng xạ mặt trời và đất đá thiên nhiên trong một năm

- Một lần chụp X-quang sẽ có một liều 0.5 mSv

Trong ngày đầu tiên trước khi lò số 1 phát nổ người ta đã đo được nồng độ phóng xạ trong khu vực nhà máy ở mức hoàn toàn chưa có ảnh hưởng lên con người, do đó lệnh di tản dân ra khỏi bán kính 3 km được đưa ra như biện pháp phòng ngừa sớm. Có thể thấy rằng nồng độ này là do việc phóng xạ phát tán do việc xả hơi và khí trong lò để bảo vệ lò phản ứng. Mặc dù bộ lọc phóng xạ khi một thao tác xả khí như thế được thiết kế tốt, một liều nhất định phóng xạ ra môi trường là không thể tránh khỏi.

Tuy nhiên sau vụ nổ lò số 3 rồi sau đó vụ cháy phát hiện lò số 4 do các nhiên liệu đã qua sử dụng nồng độ phóng xạ đã tăng lên. Đặc biệt nồng độ này bị tăng vọt sau khi bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng với gần 2000 tấn nước ở tầng 4 của lò số 3 sôi ùng ục tỏa một lượng hơi nước lớn lên trời đến mức ống kính kênh NHK từ 30 km có thể quay rõ đám hơi nước này.

Từ việc sử dụng đơn vị microsievert, Ban tình trạng khẩn cấp đã thông báo với dân chúng Nhật nồng độ bằng millisievert (mSv), chứng tỏ liều phóng xạ đã tăng lên cả ngàn lần so với ban đầu. Nồng độ lớn nhất đo được giữa hai tổ máy 2 và 3 là 400 mSv. Với liều này các tế bào lympho trong máu người sẽ bị giảm đột ngột ảnh hưởng đến sức khỏe, tình hình này đưa đến quyết định rút toàn bộ cán bộ vận hành khỏi nhà máy nhất thời khi đó.

Vào lúc 12h30 ngày 17/3, nồng độ nhiễm xạ tại khu vực nhà máy khoảng 3500 microSv (3.5 mSv). Với nồng độ này quân đội Nhật Bản đã quyết định dùng trực thăng quân sự CH47 đổ nước từ trên cao để làm nguội các bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng ở lò số 3 và 4. Phi công được trang bị bảo hộ an toàn phóng xạ, đeo máy đo nồng độ xạ cá nhân để tiến hành công việc này.

Theo lãnh đạo của quân đội Nhật, liều lượng qui định để chấm dứt nhiệm vụ này là 50 mSv, thực tế phi công đã đo được nồng độ khá cao ở một thời điểm là 80 mSv vì thế việc dội nước từ trên cao bằng trực thăng tạm dừng. Kiểm tra sức khỏe của phi công sau khi rời hiện trường cho thấy họ không bị nhiễm xạ sau nhiệm vụ vừa rồi. Sau phương pháp làm nguội bằng trực thăng, người ta đang cử các xe bơm áp lực cao đang đứng chờ cách nhà máy 20 km tiếp cận các lò này để bơm trực tiếp bằng cần bơm. Phương pháp này sẽ có hiệu quả hơn vì nước dễ bơm đến các vị trí mong muốn hơn so với cách trực thăng CH47 vừa thực hiện.

Tới lúc này có thể thấy được nguy cơ nhiễm xạ phải đối diện hiện nay không phải từ trong lòng các lò phản ứng nơi mà áp suất nhiệt độ đã phần nào được kiểm soát. Tuy nhiên nhiệm vụ nặng nề phải thực hiện lại là cuộc chạy đua với nhiệt của các bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng. Nguy cơ nhiễm xạ ở mức độ nhất định là có nhưng con người vẫn đang nắm kiểm soát. Người Nhật đang chạy đua với thời gian, sự tham gia của quân đội và cảnh sát sử dụng các phương tiện của họ đã giúp TEPCO một lần nữa thêm tự tin trong cuộc đấu cam go này.

clip_image007

Trực thăng vận tải CH47 của quân đội Nhật đưa túi nước thả xuống lò phản ứng tại Fukushima I. Ảnh: AFP

Khủng hoảng sẽ đi đến đâu

Có thể nói câu hỏi cho thì tương lai này không ai có thể trả lời chắc chắn được trong một tình huống như thế này. Rất nhiều người trên khắp thế giới lo lắng và cầu nguyện cho nước Nhật. Nhưng từ trong lòng nước Nhật với những thông tin cập nhật liên tục từng phút tôi có thể tin tưởng mà nói với độc giả rằng khủng hoảng sẽ đi đến kết thúc và Fukushima I sẽ nằm trong vòng kiểm soát hoàn toàn của con người.

Với các bể chứa nhiên liệu qua sử dụng, phương pháp làm lạnh ít nhất đã có giải pháp. Các xe máy bơm áp lực cao đang tiến sát về nhà máy, theo tính toán những xe này sẽ bơm nước vào các bể chứa từ khoảng cách 50 mét với góc 30 độ như tính toán để đạt hiệu quả nhất cho việc cấp nước cho các bể chứa. Chỉ cần bể có nước các thanh nhiên liệu nguội đi phóng xạ sẽ chấm dứt.

Cả nước Nhật vẫn bình tĩnh, không thấy hoảng loạn, kêu khóc, trộm cắp, hôi của. Người Nhật chia nhau cơm nắm để vượt khó, các cửa hàng giảm giá để khách hàng có đồ ăn thức uống. Công ty truyền thông cấp miễn phí các điện thoại vệ tinh cho công tác cứu trợ và tìm người thân. Viện trợ nhanh chóng tới các điểm lánh nạn trong vùng bị thiên tai.

Quốc tế cũng đã có mặt để giúp nước Nhật, đáng kể nhất là sự hiện diện của người Mỹ với tàu hàng không mẫu hạm Ronald Reagan. Thủ tướng Naoto Kan lệnh cho quân đội tăng quân số tham gia cứu hộ từ 20.000 người lên 100.000 người. Như vậy trung bình sẽ có 10 người lính giúp đỡ khoảng 5 người bị nạn nếu như thống kê 15.000 người có thể chết và mất tích và 35.000 người đang trong hoàn cảnh tị nạn là chính xác.

Điện dù vẫn đang bị cắt luôn phiên nhưng trung tâm đầu não Tokyo đã dần dần quay lại hoạt động. Ngân hàng Nhật đã đưa ra một lượng tiền lớn để ổn định thị trường. Các nhà băng đã hồi phục lại hệ thống dịch vụ. Tàu cao tốc đã chạy...

H. N. T.

Nguồn: Vnexpress.net