Điện hạt nhân và phát triển bền vững - Nguồn nguyên liệu Urani
TS. Phạm Hải Hồ
Đánh giá điện hạt nhân từ quan điểm phát triển bền vững phải được thực hiện trên cả ba bình diện: lợi ích kinh tế, công bằng xã hội và bảo vệ môi trường, với tinh thần trách nhiệm không những đối với thế hệ hiện tại mà còn với thế hệ con cháu chúng ta. Một quá trình đánh giá như thế phải bắt đầu từ việc khai thác nguồn nguyên liệu và kết thúc sớm nhất ở các hoạt động xử lý chất thải và thanh lý nhà máy không còn tiếp tục hoạt động nữa. Nhiều khía cạnh, vấn đề liên quan đã được phân tích khá kỹ lưỡng. Trong bài này, tôi chỉ xin đề cập tới nguồn nguyên liệu chính trong việc sản xuất điện hạt nhân, đó là urani.
Trữ lượng urani, tỉ lệ giữa cung và cầu
Năm 2001, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA: International Atomic Energy Agency) đã nghiên cứu khả năng cung cấp nguyên liệu ấy trong 50 năm đầu của thế kỷ 21 và đi tới nhận định chỉ khi nào huy động tất cả các nguồn urani có thể có được, kể cả những nguồn ít chắc chắn hay có hàm lượng thấp và phải khai thác với chi phí lớn, mới đủ cung ứng cho thị trường với mức tiêu thụ trung bình hoặc cao.[1]
Gần đây hơn, năm 2006, Peter Diehl, người phụ trách Dự án Urani của tổ chức Dịch vụ Thông tin Thế giới về Năng lượng (WISE: World Information Service on Energy) đã khảo sát lại trữ lượng urani trên thế giới theo yêu cầu của tổ chức Hoà bình Xanh (Green Peace). Ông đưa ra các kết luận sau đây:
- Trữ lượng urani chỉ đủ cung cấp cho thị trường có nhu cầu thấp đều cho tới năm 2040 rồi giảm xuống sau thời điểm đó.
- Nếu nhu cầu ở mức độ trung bình (tỉ lệ điện hạt nhân không thay đổi nhưng nhu cầu điện năng tăng gấp ba lần trong năm 2050), thì các nguồn urani xác định (identified resources) − gồm những nguồn chắc chắn (RAR: reasonably assured resource) và những nguồn suy đoán dựa trên thăm dò địa chất (inferred resources) − sẽ cạn kiệt vào năm 2049.
- Nếu nhu cầu cao (mỗi tuần có thêm một nhà máy điện hạt nhân), thì các nguồn xác định sẽ hết vào năm 2040.[2]
Khác với các nguyên liệu thông thường, trữ lượng urani được định nghĩa là khối lượng chắc chắn có thể khai thác một cách kinh tế bằng công nghệ hiện thời; nó được tính theo mức chi phí sản xuất. Với mức chi phí càng cao thì có thể tiếp cận cả những quặng và phần quặng có hàm lượng tương đối thấp, do đó trữ lượng càng lớn. Trữ lượng các nguồn xác định trên thế giới) khai thác với mức chi phí dưới 80 USD/kg là 2.516.000 tấn trong năm 2009 và 2.755.000 tấn trong năm 2010.
Trong khoảng thời gian 2006 - 2010, sản lượng urani tăng dần từ 39.700 tấn đến 53.700 tấn urani/năm, trong khi lượng tiêu thụ của toàn thế giới mỗi năm mỗi cao hơn 60.000 tấn. Độ chênh lệch giữa cung và cầu được cân bằng bởi những nguồn phụ như lượng urani dự trữ, urani tái sử dụng v.v. và nhất là nguồn thu từ vũ khí hạt nhân (HEU) được thanh lý theo thỏa thuận giữa Hoa Kỳ và Liên Bang Nga (sẽ hết hiệu lực vào năm 2013). Các nguồn phụ sẽ cạn kiệt trong tương lai gần, nên để bù đắp lượng thiếu hụt, cần phải nhanh chóng mở rộng sản xuất ở những mỏ đang hoạt động và khai thác thêm mỏ mới. Nhưng việc khai thác một mỏ mới không dễ thực hiện vì phải cần ít nhất 10 năm và một lượng đầu tư rất lớn để chế biến quặng thường có hàm lượng thấp hơn nhiều so với quặng từ những mỏ hiện tại. Đó là chưa kể ô nhiễm nặng nề chắc chắn sẽ gây ra phản ứng từ phía cộng đồng.
Sản xuất và nhu cầu urani trên thế giới. Đường biểu diễn xanh: tổng số lượng urani [tấn/năm] cung cấp từ hoạt động khai thác mỏ; đường màu đen: nhu cầu thế giới cho việc sản xuất điện; đường màu hồng: nhu cầu ước lượng cho việc sản xuất điện và các hạm đội của thế giới (nguồn: World Nuclear Association).
Tóm lại, trữ lượng urani trên thế giới với mức chi phí sản xuất > 80 USD/kg sẽ cạn kiệt vào khoảng năm 2050.
Giá urani và vấn đề tiếp cận nguyên liệu
Như mọi thứ hàng hoá khác, giá urani trên thị trường cũng lên xuống theo tỉ lệ giữa cung và cầu, nhưng không tránh khỏi tác động đáng kể từ phía chính trị và môi trường. Sau cuộc chiến tranh lạnh, giá urani dao động ở mức 10 USD/cân Anh U3O8 với giá đỉnh gần 17 USD trong năm 1996 rồi lại giảm dần cho tới khi chỉ còn 7 USD vào cuối năm 2000. Những năm đầu thế kỷ 21, giá urani từ từ cao hơn; đến tháng 5-2006, mỗi cân Anh U3O8 đã đắt hơn 40 USD (giá giao ngay).[3] Giá đỉnh 137 USD/cân Anh (300 USD/kg) trong năm sau đó có lẽ là do mỏ Cigar Lake ở Canađa phải ngưng hoạt động 6 tháng vì ngập lụt.
Giá urani giao ngay (spot price) trong thời đoạn 1980 - 2010 tính bằng USD/cân Anh (1 cân Anh = 0,454 g). Đường biểu diễn xanh: giá tính theo USD từng năm; đường biểu diễn đỏ: giá quy đổi theo USD trung bình trong những năm 1982 -1984 (Nguồn: NUEXCO).
Một vấn đề quan trọng khác là trên thế giới chỉ có bảy nước có khả năng xuất khẩu những lượng urani đáng kể, đó là: Canađa, Úc, Cazắcxtan, Namibia, Nigiê, Uzơbêkixtan và Nam Phi. Trong khi đó, những nước và vùng lãnh thổ như Hoa Kỳ, Nhật Bản, Pháp, Liên bang Nga, Hàn Quốc, Đức, Ucraina và Đài Loan phải nhập khẩu khá nhiều nguyên liệu ấy. Trong 10 năm nữa, Đức sẽ rời bỏ “câu lạc bộ hạt nhân”, nhưng đã có những anh chàng khổng lồ đói năng lượng như Trung Quốc và Ấn Độ nhảy vào thay thế. Nhà chiến lược thị trường nổi tiếng James Dines tiên đoán sắp có “sự thiếu hụt và cuộc hoảng loạn mua urani” với giá “50, 60 đôla một cân Anh, mọi giá đều có thể”. Tương tự, Kevin Bambrough, một nhà phân tích thị trường người Canađa, cũng dự báo sẽ có một cuộc khủng hoảng nặng nề về nguyên liệu hạt nhân trong vài năm nữa.[4]
Như vậy, các nước đang phát triển theo đuổi năng lượng hạt nhân nhưng không được thiên nhiên ban cho những quặng urani có thể khai thác một cách kinh tế sẽ gặp khó khăn trong việc tìm mua nhiên liệu. Trong quá khứ, một số nước còn bị ngăn cấm vì vấn đề chính trị. Chẳng hạn như Ấn Độ vì không ký Hiệp ước cấm phổ biến vũ khí nguyên tử (Non Proliferation Treatise) nên không được phép mua urani của nước ngoài, buộc phải khai thác những mỏ nghèo trong nước; mãi đến năm 2008, Pháp và Nga mới phá rào bán cho Ấn Độ. Cũng như thế, Trung Quốc cần nhiều nhiên liệu cho chương trình điện hạt nhân của họ nhưng không thể mua urani của Úc trước năm 2008 vì nước này lo ngại Trung Quốc có thể sử dụng cho mục đích quân sự.[5]
Tác động của hoạt động khai thác mỏ urani
Về cơ bản, quá trình sản xuất điện hạt nhân tự nó không phát thải khí cácbôníc, điều mà các nhà ủng hộ điện nguyên tử luôn luôn nhấn mạnh để tuyên truyền cho lợi ích của nó trong cuộc đấu tranh chống tác động của hiệu ứng nhà kính. Tuy nhiên, họ đã không tính đến lượng phát thải từ việc xây dựng cơ sở hạ tầng điện hạt nhân và thanh lý nhà máy cũ. Hơn nữa, quá trình sản xuất nhiên liệu urani cũng thải ra khá nhiều CO2: khoảng 300.000 tấn để sản xuất 1 GWe (1 tỉ Watt) điện từ một mỏ lộ thiên với hàm lượng 0,1 % urani (áp dụng phương pháp khuyếch tán khí để phân tách U-235 và U-238) và gần gấp đôi nếu mỏ lộ thiên có hàm lượng 0,01 % urani.
Trong dây chuyền sản xuất nhiên liệu hạt nhân, hai khâu khai thác và chế biến quặng urani có tác động xấu nhất đối với con người và môi trường.
Quặng urani chủ yếu được khai thác theo cách cổ điển ở mỏ lộ thiên hoặc mỏ ngầm. Nếu là mỏ lộ thiên, chỉ cần bóc lớp đất đá phủ tương đối mỏng để lấy quặng, còn mỏ ngầm thì phải đào hầm lò khá sâu qua lớp đá không có quặng, nhiều khi tới hai ba kilômét dưới lòng đất. Tuy việc thông khí hầm mỏ làm giảm được phần nào thiệt hại sức khoẻ cho công nhân, nhưng bụi phóng xạ và khí rađon thổi ra ngoài lại làm tăng nguy cơ mắc bệnh ung thư phổi cho người dân sống gần đó. Hàng triệu lít nước ô nhiễm từ mỏ bơm vào sông rạch, khiến lớp trầm tích ngày càng chứa nhiều chất phóng xạ hơn. Đá thải chất thành gò lớn cũng thường có độ phóng xạ cao hơn các loại đá bình thường. Kể cả khi mỏ đã ngừng hoạt động, gò đá thải vẫn còn là mối đe doạ đối với môi trường và các khu dân cư lân cận vì khí rađon, nước rỉ ô nhiễm có thể thoát ra ngoài.
Quy trình sản xuất nhiên liệu nhà máy điện hạt nhân (Nguồn: Diehl, trang 27).
Sau khi thu hoạch, quặng urani được đập vỡ rồi nghiền nhỏ ở phân xưởng gia công. Trong quá trình thủy luyện, người ta tách urani ra khỏi quặng bằng một dung môi thường là axít sunfuric. Sau đó, phần chất lỏng vẫn còn chứa một lượng urani bên cạnh những kim loại nặng khác và chất asen nên có thể lọc lấy urani lần nữa. Thành phẩm của khâu chế biến là “bánh vàng” (yellow cake) tức urani oxít U3O8 xen lẫn tạp chất. Nguy cơ lớn nhất ở khâu này là bụi phóng xạ. Quặng thải hay quặng đuôi (tailings) phát sinh có trạng thái đặc sệt như bùn được bơm vào bồn lắng, tách lấy phần rắn đưa ra bãi chất thải. Vì đa số quặng có hàm lượng urani dưới 0,5 % nên quặng đuôi thường có khối lượng lớn gần bằng khối lượng quặng khai thác và còn giữ khoảng 85 % lượng phóng xạ ban đầu. Nó còn chứa một dư lượng urani và bao gồm tất cả các thành phần khác, trong đó có thori-230, rađium-226, rađon-222 cũng như nhiều chất độc như kim loại nặng, asen v.v. Tuy có chu kỳ bán rã tương đối ngắn (3,8 ngày), rađon-222 không ngừng phát sinh từ rađium-226 (chu kỳ bán rã 1.600 năm), chất này lại luôn được bổ sung bởi phản ứng phân rã của thori-230 (chu kỳ bán rã 80.000 năm). Vì thế, các bãi quặng thải là nguồn phóng xạ độc hại lâu dài. Phải sau cả trăm ngàn năm, lượng phóng xạ và khí rađon mới giảm đáng kể. Ngoài ra, còn có khả năng nước rỉ chứa asen, urani v.v. − đặc biệt nguy hiểm trong môi trường axít vì các đồng vị phóng xạ ở dạng cơ động hơn bình thường − làm ô nhiễm cả nguồn nước ngầm lẫn nước bề mặt. Vì chu kỳ bán rã của nhiều chất phóng xạ quá dài nên để bảo đảm an toàn, bãi quặng thải phải được củng cố bằng đập đá hay bê-tông. Tuy nhiên, trong quá khứ đã xảy nhiều vụ vỡ đê bảo hộ khiến hàng ngàn tấn bùn và hàng triệu lít nước ô nhiễm tràn ra ngoài, thí dụ như ở Hoa Kỳ năm 1977, 1979 và ở Canađa năm 1984. Hiểm họa ấy sẽ còn lớn hơn ở những nước chịu nhiều tác động xói mòn và thiên tai lũ lụt như Việt Nam. Đó là chưa kể đến chất lượng xây dựng công trình, như chúng ta đã thấy qua đập thủy điện Sông Tranh 2.
Hiểm hoạ từ bãi chứa quặng thải từ khâu chế biến quặng urani (Nguồn: Diehl, trang 32)
Sau khi ngừng khai thác, để phòng tai hoạ cho con người và môi trường, cần phải thu dọn, cải thiện tình trạng ô nhiễm ở mỏ và phân xưởng gia công, cũng như phải quản lý chặc chẽ hàng chục triệu tấn phế thải (đá và quặng đuôi). Chi phí xử lý sau khi khai thác tuỳ thuộc vào tiêu chuẩn bảo vệ môi trường. Đức phải chi 49 USD cho mỗi tấn phế thải hay 31 USD cho mỗi kilô U3O8 sản xuất ở CHDC Đức cũ, trong khi các chi phí tương ứng của Canađa là 0,48 USD/tấn phế thải và 0,26 USD/kg U3O8.[6] Tổng chi phí xử lý lượng phế thải khổng lồ từ một mỏ urani sẽ lên tới hàng triệu, thậm chí hàng trăm triệu đôla Mỹ. Càng để lâu, việc xử lý phế thải càng khó khăn và tốn kém hơn. Vì thế, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế khuyến cáo ngay khi lập bản dự chi cho việc sản xuất urani nên tính cả kinh phí quản lý môi trường và chất thải.[7]
Giữa bối cảnh môi trường sinh thái ở nước ta đang suy thoái nặng nề, mỗi tác động đáng kể vào tự nhiên đều đòi hỏi sự cân nhắc cẩn thận và những biện pháp phòng chống ô nhiễm chặt chẽ. Huống chi việc khai thác quặng urani lại thải ra một lượng phế thải phóng xạ độc hại hết sức to lớn. Nếu không được xử lý kỹ lưỡng, nó là mối đe doạ nhiều mặt kéo dài hàng ngàn năm (“ngàn năm phế thải vẫn còn trơ trơ!”). Hơn nữa, trong trường hợp quặng nghèo, phải cần một vốn đầu tư khổng lồ, trong khi thiệt hại cho môi trường sinh thái và sức khỏe cư dân ở quanh vùng mỏ sẽ không có gì bù đắp được. Vì thế, khi đề cập tới nỗ lực khai thác quặng urani nghèo của Ấn Độ, TS. C. Ganguly, Chủ tịch Chu trình Nhiên liệu Hạt nhân (Nuclear Fuel Cycle) thuộc IAEA, khuyên nước này nên tìm giải pháp chính trị để tiếp cận công nghệ lò phản ứng mới nhất và mua urani ở thị trường quốc tế.[8]
Tài liệu tham khảo
Andruleit, Harald; Babies, Hans Georg; Meßner, Jürgen et. al. Annual Report. Reserves, Resources and Availability of Energy Resources 2010. Published by Federal Institute for Geosciences and Natural Resources (BGR). Hanover, 2012.
Bambrough, Kevin (interviewed by StockInterview). Explosion in Nuclear Energy Demand Coming, 23 Oct 2011.
Diehl, Peter. Reichweite der Uran-Vorräte der Welt – erstellt für Greenpeace Deutschland. [Khả năng cung cấp của các nguồn urani trên thế giới – biên soạn cho tổ chức Hoà bình Xanh Đức], Berlin 2006.
Dines, James (interviewed by Business and Advertising). James Dines Predicts a Buying Panic in Uranium.
Hoàng Quốc Đô. Vấn đề nội địa hóa nhiên liệu và vật liệu hạt nhân. Công nghiệp & Khoa học Công nghệ số tháng 8-9/2005, trang 32.
International Atomic Energy Agency. Analysis of Uranium Supply to 2050, Vienna 2001.
Nguyễn Quang Hưng, Nguyễn Phương, Bùi Tất Hợp: Quặng urani và khả năng đáp ứng cho phát triển điện hạt nhân ở Việt Nam, 2008.
Phạm Duy Hiển. Việt Nam có tránh được lời nguyền tài nguyên? Bee.net.vn 18/11/2010 (theo Thời báo Kinh tế Sài Gòn).
Trần Minh Huân. Về nguồn nguyên liệu cho điện hạt nhân. Công nghiệp & Khoa học Công nghệ số tháng 8-9/2005, trang 30.
Vũ Trung. Sắp khai thác uranium tại Quảng Nam. Vietnamnet 29/8/2011.
WISE Uranium Project. New Uranium Mining Projects - India (last updated 3 Apr 2012).
World Nuclear Association. World Uranium Mining. Updated December 2011.
[1] International Atomic Energy Agency; trang 1-6, 59-72.
[2] Diehl; trang 5-20, 55-60.
[3] World Uranium Association.
[4] Finch.
[5] Diehl, trang 47-65. Tháng 2-2005, Trung Quốc và Úc bắt đầu thương thuyết để khắc phục khó khăn.
[6] Diehl, trang 27-35.
[7] IAEA, trang 32.
[8] WISE Uranium Project.