An toàn hạt nhân bao gồm các hành động nhằm ngăn chặn các sự cố bức xạ và hạt nhân hoặc để hạn chế hậu quả do các sự cố này gây ra. An toàn hạt nhân là vấn đề quan tâm của các nhà máy điện hạt nhân cũng như tất cả các cơ sở hạt nhân khác và còn bao gồm cả việc vận chuyển vật liệu hạt nhân, sử dụng và lưu giữ các vật liệu hạt nhân để sử dụng trong ngành y tế, ngành điện lực, ngành công nghiệp và quân sự.

Ngành công nghiệp điện hạt nhân đã chú trọng nâng cao độ an toàn và hiệu suất của các lò phản ứng và đã đề xuất nhiều mẫu thiết kế lò phản ứng tiên tiến với mức độ an toàn nâng cao, nhưng chưa được thử nghiệm. Vì nhiều lý do, an toàn vũ khí hạt nhân cũng như sự an toàn của nghiên cứu quân sự liên quan đến các vật liệu hạt nhân nhìn chung được quản lỷ bởi các cơ quan khác nhau từ các cơ quan giám sát an toàn dân sự kể cả bảo mật.

Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) phối hợp với các nước thành viên và nhiều đối tác trên toàn thế giới để thúc đẩy các công nghệ hạt nhân an toàn, tin cậy và hòa bình. IAEA đề xuất các tiêu chuẩn về an toàn, khuyến khích phát triển năng lượng hạt nhân và cũng giám sát việc sử dụng hạt nhân; đây là tổ chức duy nhất trên toàn cầu giảm sát ngành công nghiệp năng lượng hạt nhân nhưng cũng phải kiểm tra sự tuân thủ Hiệp ước Không phổ biến vũ khí hạt nhân (NPT).

Nhiều quốc gia sử dụng năng lượng hạt nhân có các cơ quan chuyên giám sát và quản lý an toàn hạt nhân. An toàn hạt nhân dân sự ở Hoa Kỳ do Ủy ban điều phối hạt nhân quy định. Sự an toàn của các nhà máy hạt nhân và vật liệu hạt nhân được kiểm soát bởi Chính phủ Hoa Kỳ, việc nghiên cứu, sản xuất vũ khí và các tàu hải quân chạy bằng năng lượng hạt nhân không do Ủy ban này quản lý.

Ở Anh, an toàn hạt nhân được quy định bởi Cơ quan quản lý hạt nhân (ONR) và Cơ quan quản lý an toàn hạt nhân quốc phòng (DNSR). Cơ quan bảo vệ bức xạ và an toàn hạt nhân Ôxtrâylia (ARPANSA) là cơ quan trực thuộc Chính phủ liên bang có trách nhiệm giám sát và xác định các nguy cơ bức xạ mặt trời và bức xạ hạt nhân ở nước này. Đây là cơ quan đầu ngành xử lý bức xạ ion hóa và không ion hóa và xuất bản tài liệu liên quan đến chống bức xạ.

Xem thêm: Tia phóng xạ – phân loại, tính chất, định luật phân rã

Các hệ thống an toàn hạt nhân có ba mục tiêu chủ yếu, đó là làm ngừng hoạt động lò phản ứng, duy trì nó ở trong tình trạng ngừng hoạt động và ngăn chặn rò rỉ vật liệu phóng xạ trong các trường hợp xảy ra sự cố. Các mục tiêu này được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều loại thiết bị, là bộ phận của các hệ thống khác nhau, trong đó mỗi hệ thống thực hiện những chức năng cụ thể.

Một hệ thống lò phản ứng bao gồm các hệ thống được thiết kế để ngừng ngay lập tức phản ứng hạt nhân. Trong khi lò phản ứng hoạt động, phản ứng hạt nhân vẫn tiếp tục sản sinh nhiệt và bức xạ. Bằng cách làm gián đoạn phản ứng dây chuyền có thể loại bỏ nguồn nhiệt và tiếp đó sử dụng các hệ thống khác để tiếp tục loại bỏ nhiệt phân rã từ lõi. Tất cả các nhà máy đều có một số dạng hệ thống bảo vệ lò phản ứng sau:

Cần điều khiển

Các cần điều khiển là một chuỗi các thanh kim loại có thể nhanh chóng được đưa vào trong lõi để hấp thụ neutron và làm ngừng nhanh phản ứng hạt nhân.

Bơm an toàn/kiểm soát chất lỏng dự phòng

Người ta cũng có thể làm ngừng một phản ứng hạt nhân bằng cách bơm một chất lỏng hấp thụ neutron trực tiếp vào lõi. Trong các lò phản ứng nước sôi, phản ứng này thường bao gồm một dung dịch chứa Bo (như axit boric), được bơm vào để đẩy nước trong lõi.

Một đặc trưng của các lò phản ứng nước cao áp là chúng sử dụng dung dịch Bo cùng với các cần điều khiển để kiểm soát phản ứng và như vậy chỉ cần tăng nồng độ dung dịch này lên để làm chậm hoặc ngừng phản ứng.

Hệ thống ESWS lưu thông nước làm mát các bộ trao đổi nhiệt và các bộ phận khác của nhà máy trước khi tản nhiệt ra môi trường. Vì quy trình bao gồm làm mát các hệ thống loại bỏ nhiệt phân rã từ cả hệ thống chính và các bể làm mát thanh nhiên liệu đã sử dụng, nên ESWS là một hệ thống rất an toàn. Do nước thường được lấy từ sông, biển hoặc thủy vực lớn khác gần đó, nên hệ thống có thể bị đe dọa bởi khối lượng lớn tảo biển, sinh vật biển, ô nhiễm dầu, nước đá và các mẩu rác vụn.

Tại các địa điểm không có thủy vực rộng lớn nào để phân tán nhiệt, nước được tái lưu thông qua tháp làm mát. Các máy bơm của hệ thống ESWS bị hỏng trong trận lụt tại nhà máy điện hạt nhân Blayais năm 1999 là một trong những yếu tố đe dọa đến sự an toàn.

Hệ thống làm mát lõi khẩn cấp bao gồm một dãy các hệ thống được thiết kế để đóng cửa an toàn một lò phản ứng hạt nhân trong các điều kiện sự cố. Trong điều kiện bình thường, nhiệt được loại bỏ từ lò phản ứng hạt nhân bằng cách ngưng tụ hơi nước sau khi hơi nước di chuyển qua tuabin. Trong lò phản ứng nước sôi, hơi nước ngưng tụ được đưa trở lại lò phản ứng. Trong lò phản ứng làm nguội bằng nước nén (pressurized-water reactor), hơi nước ngưng tụ được đưa trở lại qua bộ trao đổi nhiệt.

Cả hai trường hợp này đều giữ cho lõi của lò phản ứng ở nhiệt độ không đổi. Trong một sự cố mà bình ngưng hơi không được sử dụng thì cần phải có các phương pháp làm mát thay thế để ngăn chặn thiệt hại cho nhiên liệu hạt nhân.

Các hệ thống trên cho phép nhà máy ứng phó với nhiều điều kiện sự cố đồng thời tạo ra một độ dôi, cho phép nhà máy vẫn có thể ngừng hoạt động ngay cả khi có một hoặc một vài hệ thống bị lỗi không hoạt động. Trong hầu hết các nhà máy, ECCS gồm có các hệ thống sau:

Hệ thống bơm chất làm mát áp suất cao (HPCI)

Hệ thống này bao gồm một hoặc nhiều máy bơm có áp lực đủ để bơm chất làm nguội vào bể lò phản ứng khi nó bị tăng áp. Hệ thống được thiết kế để theo dõi lượng chất làm nguội trong bể lò phản ứng và tự động bơm chất làm nguội khi lượng chất này giảm xuống dưới mức xác định. Thông thường, hệ thống này là hàng phòng thủ đầu tiên đối với một lò phản ứng vì hệ thống có thể được sử dụng khi bể lò phản ứng tăng áp cao.

Hệ thống giảm áp (ADS)

Hệ thống này bao gồm một dãy van được mở để làm thoát hơi ở độ sâu vài fút bên dưới bề mặt của một bể nước lỏng lớn (được gọi là hố để bơm nước hay torus) trong các cấu trúc bảo vệ (containments) dạng triệt áp, hoặc thông hơi trực tiếp vào trong cấu trúc bảo vệ chính, với các dạng bảo vệ khác như hệ thống khô diện rộng (largedry), bình ngưng tụ băng (ice condenser) và dưới mức áp suất khí quyển (subatmospheric).

Việc vận hành các van này làm giảm áp bể lò phản ứng và cho phép các hệ thống bơm chất làm nguội áp suất thấp hoạt động, chúng có công suất rất lớn nếu so với các hệ thống áp lực cao. Một số hệ thống giảm áp có chức năng tự động nhưng cũng có thể hãm được, một số khác vận hành bằng tay và các bộ điều hành có thể hoạt động khi cần thiết.

Hệ thống bơm chất làm mát áp suất thấp (LPCI)

Hệ thống này bao gồm một hoặc nhiều máy bơm bơm chất làm nguội vào bể lò phản ứng ngay khi nó được giảm áp. Trong một số nhà máy điện hạt nhân, LPCI là một phương thức hoạt động của hệ thống loại bỏ nhiệt thừa (RHR hoặc RHS). LPCI thường không phải là một hệ thống độc lập.

Hệ thống phun ướt lõi

Hệ thống này sử dụng các ống vẩy nước (sparger) bên trong bể lò phản ứng chịu áp suất để phun nước trực tiếp lên các thanh nhiên liệu. Hệ thống ngăn chặn phát sinh hơi, đảm bảo chất làm nguội được bơm liên tục và phun nước trực tiếp lên các thanh nhiên liệu trong trường hợp lõi hở. Trong một số loại lò phản ứng sử dụng cả hai phương thức áp cao và áp thấp để phun ướt lõi.

Hệ thống phun ướt lớp bảo vệ

Hệ thống này bao gồm một dãy máy bơm và ống vẩy nước (các ống phun đặc biệt) phun chất làm nguội vào cấu trúc bảo vệ chính. Hệ thống được thiết kế để ngưng tụ hơi nước thành nước dạng lỏng bên trong cấu trúc bảo vệ chính để ngăn áp lực quá cao, có thể dẫn đến việc giảm áp một cách không chủ ý.

Hệ thống làm mát độc lập

Hệ thống này hoạt động nhờ một tuabin hơi nước và được sử dụng để cung cấp đủ nước làm mát an toàn lò phản ứng nếu tòa nhà có lò phản ứng nằm cách biệt với tòa nhà điều khiển và tuabin. Vì hệ thống không đòi hỏi khối lượng lớn điện năng để vận hành và sử dụng các bộ ắc qui mà không cần đến các máy phát điện diesel, nên được coi là một hệ thống phòng thủ chống đối phó với tình trạng cắt điện tại nhà máy.

Xem thêm: Chất thải phóng xạ hạt nhân – Phân loại, xử lý, tái chế

Trong điều kiện bình thường, các nhà máy điện hạt nhân tiếp nhận điện từ bên ngoài. Tuy nhiên, trong lúc xảy ra sự cố, nhà máy sẽ không còn được tiếp cận với nguồn cung cấp điện năng này và do đó cần có sản xuất điện riêng để cung cấp cho các hệ thống cấp cứu. Các hệ thống điện này thường bao gồm các máy phát điện diesel và các ắc quy.

Máy phát điện diesel

Máy phát điện diesel được sử dụng để cung cấp điện năng cho nhà máy trong các tình huống khẩn cấp. Chúng thường có kích cỡ như một máy đơn nhưng có thể cung cấp đủ điện năng cần thiết cho một phương tiện tạm ngừng hoạt động trong tình trạng khẩn cấp, điều này cho phép các phương tiện có nhiều máy phát điện dự phòng.

Ngoài ra, các hệ thống không cần thiết phải tạm dừng hoạt động lò phản ứng có nguồn điện riêng (thường là các máy phát riêng) do vậy chúng không ảnh hưởng đến khả năng ngừng hoạt động.

Bánh đà động cơ máy phát

Mất điện có thể xảy ra đột ngột, gây hư hại hay làm hỏng thiết bị. Để tránh thiệt hại, người ta gắn cho các động cơ máy phát những chiếc bánh đà có thể duy trì cung cấp điện cho thiết bị trong một khoảng thời gian ngắn. Thông thường, chúng được sử dụng để cung cấp điện cho đến khi nguồn cung cấp điện của nhà máy có thể được chuyển sang dùng ắc quy và/hoặc máy phát điện diesel.

Ắc quy

Các ắc quy thường tạo thành hệ thống điện dự phòng cuối cùng và cũng có khả năng cung cấp đủ điện năng để tạm ngừng hoạt động một nhà máy. Điện một chiều do các ắc quy cung cấp có thể được chuyển đổi thành điện xoay chiều để chạy các thiết bị điện xoay chiều như các động cơ bằng cách sử dụng máy đổi điện.

Các hệ thống bảo vệ được thiết kế để ngăn chặn phát thải vật liệu phóng xạ vào môi trường.

Lớp bọc thanh nhiên liệu

Lớp bọc thanh nhiên liệu là lớp bảo vệ đầu tiên bao quanh nhiên liệu hạt nhân và được thiết kế để bảo vệ nhiên liệu khỏi sự ăn mòn lây lan trong nhiên liệu dọc theo dòng chảy của chất làm nguội lò phản ứng.

Trong hầu hết các lò phản ứng, lớp bọc thanh nhiên liệu có dạng một lớp kim loại hoặc gốm hàn kín. Nó cũng được dùng để bẫy các sản phẩm phân hạch, đặc biệt là các sản phẩm thể khí ở trạng thái nhiệt độ đạt đến ngưỡng như bên trong lò phản ứng, chẳng hạn như krypton, xenon và iốt.

Lớp bọc không phải là lá chắn vì vậy cần được thiết kế để sao cho nó hấp thụ ít bức xạ nhất có thể. Vì lý do này, các vật liệu như magiê và zirconi được sử dụng do tiết diện hấp thu nơtron của chúng thấp.

Bể lò phản ứng

Bể lò phản ứng là lớp bảo vệ đầu tiên bao quanh nhiên liệu hạt nhân và thường được thiết kế để giữ lại hầu hết bức xạ thải ra trong một phản ứng hạt nhân. Bể lò phản ứng cũng được thiết kế để chịu được áp lực cao.

Hệ thống bảo vệ chính

Hệ thống bảo vệ chính thường là một kết cấu lớn bằng bê tông và kim loại (thường có hình trụ hoặc bình cầu) dùng để bao bọc bề lò phản ứng. Trong hầu hết các lò phản ứng, hệ thống này còn bao bọc tất cả các hệ thống bị nhiễm phóng xạ. Hệ thống bảo vệ chính được thiết kế để chịu được áp lực bên trong lớn do có một sự rò rỉ hay giảm áp có chủ ý của bể lò phản ứng.

Trong hầu hết các lò phản ứng được bảo vệ bằng nhiều hệ thống an toàn, hệ thống bảo vệ chính sẽ không bảo vệ được nhiên liệu nữa một khi chúng được đưa ra khỏi lõi. Chúng sẽ được lưu trữ vài năm trong bể chứa nhiên liệu đã sử dụng nằm bên ngoài hệ thống bảo vệ chính.

Nước trong bể nhiên liệu cần để chắn phóng xạ và làm mát. Nếu nước trong bể chứa bị thất thoát, sự tan chảy nhiên liệu mới sẽ xảy ra và có thể dẫn đến sự phân hạch không kiểm soát.

Hệ thống bảo vệ phụ

Một số nhà máy có hệ thống bảo vệ phụ bao quanh hệ thống chính. Hệ thống này rất phổ biến trong kiểu lò BWR vì hầu hết các hệ thống hơi nước kể cả tua bin đều chứa các chất phóng xạ.

Trong hầu hết các lò phản ứng, hệ thống bảo vệ phụ không có khả năng ngăn bức xạ hoặc ngăn chặn phát thải các chất phóng xạ vào môi trường trong lúc có sự cố, khi mà chất làm nguội trong bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng bị thất thoát dẫn tới sự tan chảy nhiên liệu.

Hệ thống ngăn lõi lò (core catching)

Trong trường hợp tan chảy hoàn toàn, nhiên liệu nhiều khả năng sẽ đọng lại trên sàn bê tông của khoang bảo vệ chính. Bê tông có thể chịu được nhiệt rất cao, nên sàn bê tông phẳng dày trong hệ thống bảo vệ chính thường có đủ khả năng bảo vệ chống lại sự tan chảy nghiêm trọng. Nhà máy điện Chernobyl không có khoang bảo vệ chính, nhưng đã ngăn chặn được sự tan chảy lõi lò nhờ nền bê tông.

Tuy nhiên, do những lo ngại về việc lõi sẽ tan chảy theo hướng xuyên qua bê tông, nên một thiết bị “giữ lõi lò” (core catcher) được phát minh và người ta đào một khoang dưới đáy thùng lò để lắp đặt thiết bị. Thiết bị này có chứa một loại kim loại trong trường hợp tan chảy hạt nhân nó sẽ tan chảy, hòa tan với lõi và làm tăng tính dẫn nhiệt, cuối cùng lõi bị hòa tan sẽ được làm mát bằng nước lưu thông trong đáy.

Hiện nay, tất cả các lò phản ứng do Nga thiết kế đều được trang bị core catcher nằm ở dưới đáy của kết cấu bảo vệ thùng lò.

Trong trường hợp phát thải phóng xạ, hầu hết các nhà máy đều có một hệ thống được thiết kế để khử bức xạ từ không khí nhằm giảm các ảnh hưởng của phát thải bức xạ đến các nhân viên và người dân. Hệ thống này thường bao gồm:

Thông gió bảo vệ

Hệ thống này được thiết kế để loại bỏ bức xạ và hơi nước từ hệ thống bảo vệ chính trong trường hợp hệ thống giảm áp được sử dụng để thông hơi nước vào trong hệ thống bảo vệ chính.

Thông gió buồng điều khiển

Hệ thống này được thiết kế để đảm bảo rằng các cán bộ điều khiển vận hành nhà máy được bảo vệ trong trường hợp phát thải phóng xạ. Hệ thống này thường bao gồm các bộ lọc than hoạt tính loại bỏ các chất đồng vị phóng xạ khỏi không khí.

Xem thêm: Tổng quan điện hạt nhân, lịch sự phát triển và hiện trạng

Một sự cố hạt nhân và bức xạ được Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế định nghĩa là “sự cố dẫn đến những hậu quả to lớn cho người dân, môi trường hoặc nhà máy. Các tác động bao gồm ảnh hưởng chết người đối với cá nhân, phát thải phóng xạ quy mô lớn ra môi trường hoặc tan chảy lõi lò phản ứng”. Ví dụ điển hình về một “sự cố hạt nhân lớn” trong đó lõi của lò phản ứng bị hư hại và một lượng lớn phóng xạ thoát ra ngoài như trong thảm họa Chernobyl năm 1986.

Khả năng và tác động tiềm tàng của các sự cố hạt nhân trên thực tế trở thành chủ đề tranh luận kể từ khi các lò phản ứng hạt nhân đầu tiên được xây dựng. Đây cũng là một yếu tố chủ yếu trong mối lo ngại của công chúng về các cơ sở hạt nhân.

Nhiều giải pháp kỹ thuật đã được thông qua để giảm nguy cơ xảy ra tai nạn hoặc để tránh sự cố có thể xảy ra, nhằm giảm thiểu lượng phóng xạ thải ra môi trường. Mặc dù áp dụng các giải pháp này, nhưng vẫn xảy ra nhiều sự cố với các tác động khác nhau.

Có thể kể đến một số sự cố bức xạ nghiêm trọng đã từng xảy ra như: sự cố trị liệu bức xạ tại Costa Rica, sự cố trị liệu bức xạ ở Zaragoza, sự cố bức xạ ở Morocco, sự cố Goiania, sự cố bức xạ ở Mexico City, sự cố trị liệu bức xạ ở Thái Lan và sự cố tia X học ở Mayapuri, Ấn Độ.

Cho đến nay sự cố hạt nhân tồi tệ nhất là thảm họa Chernobyl xảy ra vào năm 1986 ở Ukraina. Tai nạn này đã trực tiếp cướp đi sinh mạng của 56 người và gây ra ước tính thêm khoảng 4.000 trường hợp ung thư chết người, cũng như gây thiệt hại về tài sản trị giá khoảng 7 tỷ USD. Bụi phóng xạ từ vụ tai nạn này tập trung ở các vùng thuộc Belarus, Ukraine và Nga.

Khoảng 350.000 người đã buộc phải tái định cư ra khỏi các khu vực này ngay sau sự cố bất ngờ. Theo ước tính mới đây, từ 400.000 đến 500.000 người (kể cả các em bé còn trong bào thai) gần tỉnh Kiev đã bị nhiễm phóng xạ liều tương đối cao và có khả năng phát triển bệnh ung thư, bệnh bạch cầu và dị tật ADN trong 10 – 40 năm tới.

So sánh tài liệu về sự an toàn vận hành trong lịch sử của năng lượng hạt nhân dân sự với các hình thức sản xuất điện khác, các công trình nghiên cứu độc lập giai đoạn từ 1970-1992 cho thấy số công nhân tử vong do làm việc tại nhà máy điện hạt nhân trên toàn thế giới thấp hơn nhiều so với số ca tử vong của các công nhân làm việc ở các nhà máy điện chạy bằng than, khí thiên nhiên hay nhà máy thủy điện.

Đặc biệt, các nhà máy điện than ở Hoa Kỳ được đánh giá là cướp đi sinh mạng của 24.000 người/năm, do bệnh phổi cũng như gây ra 40.000 cơn đau tim mỗi năm.

Theo tờ Scientific American, mỗi năm, một nhà máy điện than cỡ trung bình phát thải bức xạ dưới dạng chất thải than độc hại được biết đến như tro bay ở mức cao hơn 100 lần so với một nhà máy điện hạt nhân có quy mô tương đối