Laser giúp xử lý chất thải hạt nhân và dọn rác vũ trụ

Tháng 5 vừa qua, Đại hội Quang học và Quang lượng tử Quốc tế 2016 - hội nghị quốc tế lớn nhất về công nghệ quang học đã họp ở Yokohama, Nhật Bản. Cuộc họp lần thứ 5 này gồm 11 chủ đề, trong đó có chủ đề “Laser dùng cho vũ trụ và trên Trái đất.”

Ông Yoshiaki Kato, giám đốc trường Phát triển các ngành Công nghiệp Quang lượng tử và chủ tịch ban tổ chức đại hội phát biểu: "Mục tiêu trong không gian là loại bỏ các mảnh vụn vũ trụ và mục tiêu trên Trái đất là giúp giải quyết vấn đề ở các nhà máy điện hạt nhân ngừng hoạt động".

Việc ngày càng có nhiều quốc gia phóng vệ tinh lên quỹ đạo thường được coi là những tin tức tốt. Tuy nhiên các vệ tinh cuối cùng cũng phải kết thúc cuộc đời của chúng và trở thành rác vũ trụ.Ngay cả các tên lửa dùng để đẩy vệ tinh sau khi hết nhiệm vụ của mình cũng có nguy cơ va chạm với các vệ tinh. Người ta cần phải xử lý chúng để lấy chỗ cho các vệ tinh và tàu vũ trụ mới hoạt động.

Trên mặt đất, xử lý an toàn rác thải phóng xạ từ các nhà máy điện hạt nhân cũng là một vấn đề nan giải.

Các chuyên gia laser đang đưa vấn đề này vào tầm ngắm và xem ra laser có khả năng dọn sạch cả trên Trái đất và trong không gian vũ trụ.

Xử lý an toàn chất thải hạt nhân

Loại rác đang trở thành một vấn đề khó xử là nhiên liệu nóng chảy đã đông cứng với hàm lượng phóng xạ rất cao trong lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi, bị phá hủy bởi cơn động đất và sóng thần năm 2011 ở vùng đông bắc Nhật Bản. Không chỉ có vậy, ngay cả các lò phản ứng không bị nóng chảy vẫn còn chứa các thanh nhiên liệu và có nhiều cấu trúc quanh lò phản ứng cũng mang tính phóng xạ. Hiện người ta vẫn chưa xác định được địa điểm xử lí nhưng loại rác phóng xạ này cần phải được cắt vụn (hoặc tán nhỏ) và dọn đi. Có một khó khăn là con người không thể đến gần các cấu trúc đó, do hàm lượng bức xạ tỏa ra quá cao.

Trong năm tài chính 2015, Hội Laser Nhật Bản đã thành lập "Hội đồng Chuyên gia Nghiên cứu sử dụng Laser để đóng góp tăng cường sức mạnh Tổ quốc" nhằm bảo đảm các kiến trúc hạ tầng công cộng được an toàn. Các chuyên gia đã bắt đầu nghiên cứu việc sử dụng laser để xử lý các vấn đề trong lò phản ứng hạt nhân và trong các đường hầm quanh khu vực lò. Tại hội thảo mới đây họp ở Yokohama, hội đồng và Toshikazu Ebisuzaki, nhà vật lí thiên văn và nghiên cứu cấp cao của Viện Riken (Nhật Bản) đã thảo luận về cách ứng dụng công nghệ laser trên Trái đất và trên quỹ đạo.

Vào tháng 7/2015, Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Nhật Bản đã đồng ý cùng với Hitachi-GE Nuclear Energy và Sugino Machine phát triển các công nghệ cơ bản để giải quyết số nhiên liệu còn lại ở Fukushima Daiichi. Họ định dùng laser để cắt các ống áp suất của lò phản ứng, có thể dày đến 30cm, và tán nhỏ nhiên liệu, vốn là các ô-xít kim loại siêu cứng. Mục tiêu tiếp theo là dùng robot để xử lí rác thải sau khi kích cỡ của chúng được giảm xuống để phù hợp với công việc này.

Viện Nghiên cứu Công nghiệp Điện năng Trung ương (CRIEPI) hiện đang phát triển một công nghệ dùng laser để phân tích các cấu trúc bê tông cốt thép tại các nhà máy điện hạt nhân ven biển. Nước muối có thể thấm vào bê tông, làm cốt thép bên trong bị han gỉ, khiến cho cấu trúc bê tông đó bị yếu đi. Hiện nay việc kiểm tra cấu trúc được thực hiện bằng cách cắt lấy một thỏi bê tông hình trụ đường kính 10cm, dài 20cm. Sau đó cắt nhỏ thỏi bê tông và phân tích trong phòng thí nghiệm. Quá trình này cần vài ngày.

Bê tông phát ra ánh sáng khi được chiếu sáng bằng tia laser. Dựa vào các bước sóng của ánh sáng chúng phát ra, có thể phân tích các nguyên tố như clo và carbon.

Laser có thể kiểm tra mẫu vật ngay tại chỗ như kiểm tra hàm lượng clo (chlorine) và carbon trong bê tông. Bê tông khi còn mới mang tính kiềm nhưng lâu dần nó sẽ hấp thụ carbon và trở nên trung tính, phá vỡ bề mặt bao phủ các sợi cốt thép. Sau đó clo sẽ phản ứng làm cốt thép bị han gỉ.

Takashi Fujii, một nhà nghiên cứu của CRIEPI nói: “Hiện nay các cơ sở hạ tầng được xây dựng trong giai đoạn phát triển kinh tế [của Nhật Bản] đang có dấu hiệu lão hóa. Vì vậy, ngay từ bây giờ, công nghệ kiểm tra dùng laser sẽ có một vai trò quan trọng. Chúng tôi gần như đã hoàn tất công nghệ này và dự định sẽ thương mại hóa công nghệ đó trong 5 năm tới.”

Ngoài việc dùng laser xử lý nhà máy điện hạt nhân, Viện Công nghệ Laser, một tổ chức dịch vụ công của Nhật Bản, đang phát triển laser để kiểm tra đường hầm và các kết cấu hạ tầng khác. Ý tưởng chính là kiểm tra các lỗi của bê tông bên trong các đường hầm, qua đó tiến tới sửa chữa chúng.

Lính bắn tỉa không gian

Toshikazu Ebisuzaki, người chủ trì cuộc họp về chủ đề Laser dùng cho vũ trụ và trên Trái đất, tin rằng việc dọn một lượng lớn rác vũ trụ quay xung quanh Trái đất mang vai trò hết sức quan trọng. Một năm trước, ông từng kết hợp với các nhà khoa học Pháp, Ý và Mỹ viết một bài nghiên cứu tổng quan về vấn đề này.

Trong nghiên cứu này nêu rõ, ranh giới giữa vũ trụ và bầu khí quyển Trái đất bắt đầu từ độ cao khoảng 330 km. Ở khu vực này có hàng triệu mảnh vụn từ các tên lửa đẩy và vệ tinh đã hết hạn, nhiều nhất là các mảnh có kích cỡ từ 3mm đến 10cm nhưng những mảnh nhỏ như vậy cũng có thể dẫn đến hậu quả nghiêm trọng nếu chúng va chạm với một vệ tinh đang hoạt động hay thậm thí Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) cũng không ngoại lệ.

Ebisuzaki đề nghị bắn rơi các mảnh vụn này bằng tia laser chiếu lên từ mặt đất. Ông tin rằng, ưu tiên số một là dọn các mảnh vụn ở độ cao 700 đến 900km, nơi các mảnh vụn dầy đặc nhất.

Tại Viện Riken, Marco Casolino và nhóm của ông đang nghiên cứu phát triển một kính viễn vọng rộng 2,5m được đặt tên là EUSO. Kính này vốn được thiết kế để phát hiện những tia sáng rất nhỏ phát ra khi các tia vũ trụ đi vào bầu khí quyển. EUSO nhạy đến mức cũng có thể bắt được ánh sáng mặt trời phản chiếu từ các mảnh vụn ở khoảng cách 100km. Casolino nói "Chúng tôi có thể phát hiện được các mảnh vụ nhỏ chỉ vài milimet."

Sử dụng tia sáng phản chiếu này, họ có thể tính được vị trí và tốc độ của các mảnh vụn. Sau đó một nguồn laser 500kW đặt gần kính thiên văn sẽ chiếu tia laser vào mảnh vụn. Tia này sẽ đốt nóng bề mặt mảnh vụn, tạo ra plasma (tức khí bị ion hóa), làm mảnh vụn di chuyển chậm lại, rời khỏi quỹ đạo và rơi trở về Trái đất rồi cháy tan trong bầu khí quyển.

Ebisuzaki nói: "Có rất nhiều vấn đề phải giải quyết trước khi có thể ứng dụng công nghệ này. Các mảnh vụn vũ trụ đều có chủ và không phải ai cũng có thể tùy ý phá hủy chúng mà không xin phép chủ nhân của chúng".

Còn nhiều khó khăn khác đang chờ các nhà khoa học khi dùng tia laser "bắn tỉa" các loại rác vũ trụ: 1. Các mảnh vụn bị bắn rơi không được phép va chạm với các vệ tinh đang hoạt động bên dưới; 2. Khó khăn trong việc chia xẻ chi phí (vốn dĩ không nhỏ) giữa các bên liên quan; 3. Phải tránh việc biến công nghệ đó thành một thứ vũ khí. Ebisuzaki nói, "dù việc này khả thi về mặt kỹ thuật nhưng các bên liên quan sẽ vẫn cần đối thoại với nhau một cách thấu đáo. Tuy nhiên, do rác vũ trụ đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng nên chúng tôi hi vọng sẽ thương mại hóa được ý tưởng này trong vòng một thập niên tới."

Hội nghị Yokohama thu hút các nhà nghiên cứu quan tâm tới vấn đề dùng laser để dọn rác vũ trụ và bảo đảm an toàn cho các kết cấu hạ tầng trên toàn thế giới tham dự. Fujii cho rằng, "việc thảo luận với các chuyên gia trong các lĩnh vực khác sẽ giúp tôi phát triển kiến thức về lĩnh vực của mình." Ông Ebisuzaki đã quyết định sẽ tổ chức hội nghị hàng năm.

Sự phát triển công nghiệp trên toàn thế giới đã gây ra tác hại phá hoại môi trường. Laser có thể giúp con người thấy được các thiệt hại đó cũng như sửa chữa chúng.