Lợi ích do điện hạt nhân mang lại cho loài người là vô cùng to lớn nhưng trên thực tế không phải quốc gia nào cũng dễ dàng chấp nhận điện hạt nhân. Hai yếu tố cơ bản gây trở ngại cho việc chấp nhận điện hạt nhân là vấn đề an toàn trong vận hành lò phản ứng hạt nhân và chất thải phóng xạ do nhà máy chế tạo nhiên liệu và nhà máy điện hạt nhân sinh ra được xử lý, quản lý thế nào để chúng không gây tác hại cho con người và môi trường.
Chính vì vậy vấn đề quản lý chất thải phóng xạ để đảm bảo an toàn cho con người và môi trường luôn được mọi quốc gia có ngành điện hạt nhân hoặc các ứng dụng hạt nhân đặc biệt quan tâm. Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã kết hợp với nhiều tổ chức quốc tế khác như FAO, ILO, OECD/NEA và tổ chức y tế thế giới có các nghiên cứu đề ra các tiêu chuẩn về quản lý an toàn bức xạ nói chung và đặc biệt là đối với chất thải hạt nhân. Giải quyết tốt việc vận hành an toàn nhà máy điện hạt nhân và quản lý chất thải phóng xạ sẽ tạo được niềm tin của các chính phủ và dân chúng đối với việc phát triển điện hạt nhân, khẳng định được tính ưu việt về kinh tế và môi trường của năng lượng hạt nhân so với các nguồn năng lượng khác.
Chất thải phóng xạ có khả năng gây tác hại đối với con người và môi trường không chỉ trong hiện tại, trước mắt mà còn ảnh hưởng lâu dài đến các thế hệ mai sau. Do đó chất thải phóng xạ phải được xử lý, quản lý hết sức chặt chẽ. Các quy trình công nghệ tiên tiến cần phải được áp dụng để xử lý, quản lý chất thải phóng xạ một cách an toàn, kinh tế nhất, giảm sự thiệt hại đến mức thấp nhất có thể đạt được. Trước kia, một số nước đã thả chất thải phóng xạ xuống biển, cộng đồng quốc tế đã phản đối việc này và đã cấm không cho quốc gia nào được thải chất thải phóng xạ xuống biển để bảo vệ môi trường. Bất kỳ một quốc gia nào có chương trình phát triển công nghệ hạt nhân đều phải có chiến lược về xử lý và quản lý chất thải phóng xạ. Chiến lược này phải được hoạch định một cách phù hợp, tương xứng với tình hình thực tế của quá trình nghiên cứu, triển khai công nghệ hạt nhân.
Chất thải phóng xạ có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau, chẳng hạn theo nguồn gốc hoặc theo đặc tính của chúng. Một số thuộc tính chung của chất thải phóng xạ có ý nghĩa quan trọng đối với việc lựa chọn kỹ thuật xử lý là: tính ổn định vật lý, thành phần hoá học, khả năng gây cháy, mức phóng xạ, khả năng di chuyển trong môi trường của các đồng vị phóng xạ. Như vậy, sự phân loại chất phóng xạ dựa vào tính nguy hiểm và khả năng kéo dài tính nguy hiểm đó của chúng. Việc chỉ ra tính nguy hiểm của chất thải phóng xạ sẽ chỉ đường cho quá trình xử lý và cất giữ, còn việc xác định khả năng kéo dài tính nguy hiểm của chúng sẽ chỉ đường cho việc lựa chọn cách thải.
Để phục vụ cho việc đưa ra những quy trình xử lý chất thải phù hợp, trước hết phải phân loại các chất thải. Có thể phân loại theo trạng thái vật lý và mức độ phóng xạ. Theo cách phân loại dựa vào hoạt độ phóng xạ, Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế đã đưa ra cách phân loại chất thải phóng xạ ra làm 5 loại:
Loại 1: Chất thải phóng xạ có chu kỳ bán rã dài ngày, mức hoạt độ phóng xạ cao
Loại 2: Chất thải phóng xạ có chu kỳ bán rã dài ngày, mức hoạt độ phóng xạ trung bình,
Loại 3: Chất thải phóng xạ có chu kỳ bán rã dài ngày, mức hoạt độ phóng xạ thấp,
Loại 4: Chất thải phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn ngày, mức hoạt độ phóng xạ trung bình,
Loại 5: Chất thải phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn ngày, mức hoạt độ phóng xạ thấp.
Ba loại đầu phải chôn cất trong kho thải sâu trong lòng đất, hai loại sau có thể chứa trong các kho thải nông.
Đối với các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng, có thể coi là chất thải hoặc là nguyên liệu đầu cho tái chế.
Các loại chất thải phóng xạ của nhà máy điện hạt nhân bao gồm chất thải ở dạng khí, lỏng và rắn. Chất thải phóng xạ dạng khí sinh ra do bị hoạt hoá bởi các nơtron, như: Nitơ-12; Nitơ-16; Ôxy-19; Iốt-131; Cacbon-14; Argon-41; Xenon-133...
Các chất thải phóng xạ dạng lỏng bao gồm nước làm mát lò phản ứng; các dung dịch hấp thụ các nhân phóng xạ sinh ra từ các quá trình xử lý khí phóng xạ; nước dùng để làm vệ sinh, rửa các dụng cụ làm việc.
Các chất thải phóng xạ dạng rắn là các rác thải bị nhiễm phóng xạ, dụng cụ làm việc hỏng, găng tay, quần áo, đồ nhựa, giấy...
Lượng các chất thải phóng xạ mỗi loại được sinh ra tuỳ thuộc vào kiểu lò phản ứng, loại chu trình nhiên liệu sử dụng. Trong các điều kiện làm việc bình thường các chất thải của nhà máy điện hạt nhân đều thuộc loại phóng xạ thấp và trung bình.
Tất cả các loại chất thải phóng xạ của nhà máy điện hạt nhân đều phải được thu gom và xử lý. Ba nguyên tắc của xử lý và quản lý chất thải phóng xạ là: lưu giữ cô lập chờ phân huỷ (delay- and decay) ; pha loãng và làm phân tán nhỏ ra (dilute- and disperse); và làm giàu lên để cất giữ (concentrate - and - contain). Hai nguyên tắc sau cũng thường được dùng cho các loại chất thải khác.
Đối với việc xử lý các chất thải phóng xạ dạng khí cần áp dụng cả ba nguyên tắc trên. Quy trình xử lý gồm các bước chính như sau:
Các phin lọc, chất hấp phụ/hấp thụ được xử lý như những loại chất thải phóng xạ rắn/lỏng.
Tiến hành công nghệ xử lý các chất thải phóng xạ dạng lỏng nhằm tách các nhân phóng xạ ra khỏi dung dịch để làm sạch dung dịch. Các phương pháp thường dùng là: đồng kết tủa, trao đổi ion, bay hơi dung dịch, trích ly lỏng, màng. Các nhân phóng xạ được thu hồi và xử lý như những chất thải phóng xạ rắn. Sau khi đã tập trung được các chất phóng xạ với nồng độ cao thì tiến hành xử lý định dạng để cất giữ nhằm giam giữ một cách chặt chẽ các phần tử phóng xạ có nồng độ cao trong các thể tích nhỏ, thuận tiện cho cất giữ lâu dài.
Các phương pháp chủ yếu thường dùng là: đóng rắn bằng xi măng; đóng rắn bằng bitum và thuỷ tinh hoá. Ngoài ra, có thể sử dụng các phương pháp khác như: SYNROC, Polymer hoá.
Việc lựa chọn phương pháp định dạng để cất giữ lâu dài phụ thuộc vào các phương pháp phân tích hoá học ban đầu; các thông số về thành phần hoá học và độ phóng xạ của khối vật liệu sẽ được định dạng và phương pháp cất giữ cuối cùng được dự kiến phù hợp với các điều kiện. Nói chung, lựa chọn phương pháp tuỳ thuộc nhiều vào các yêu cầu về an toàn, tính kinh tế và khả năng kỹ thuật.
Công nghệ xử lý các chất thải phóng xạ dạng rắn chủ yếu áp dụng nguyên lý thứ ba: làm giàu và cất giữ theo mục tiêu thu nhỏ thể tích để định dạng và thuận tiện cho cất giữ. Các phương pháp chủ yếu là tro hoá và định dạng giảm thể tích 10 đến 100 lần ; nén ép và định dạng - giảm thể tích 3 đến 10 lần. Tiến hành việc cất giữ các chất thải đã được định dạng và bao gói ở những cơ sở cất giữ thích hợp.
Việc cất giữ các chất thải phóng xạ dạng rắn bao gồm: cất giữ gần mặt đất và chôn sâu các chất thải trong kết cấu địa chất.
Việc cất giữ gần mặt đất thường được tiến hành trong các hào hay trong các hầm có các lớp ngăn, nhằm làm giảm hoạt độ dần với thời gian trong vòng 200 - 300 năm. Với các chất thải có hoạt độ thấp thường không cần lớp chắn, chất thải thường được cho vào trong các thùng chứa. Các chất thải có hoạt độ cao hơn được chôn ở các lớp sâu hơn với các kết cấu che chắn tốt hơn.
Việc chôn sâu các chất thải trong kết cấu địa chất được dùng cho các loại chất thải có hoạt độ cao (nhiên liệu hạt nhân thải); thời gian cất giữ được tính cho tới nhiều nghìn năm không bị ảnh hưởng của các tác động tự nhiên; không có sự xâm nhập của các nhân phóng xạ ra ngoài môi trường do đã có che chắn và định dạng thích hợp cho chất phóng xạ. Tuỳ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên có được.
Nhiên liệu hạt nhân đã cháy có hoạt độ phóng xạ cao, do vậy việc quản lý thanh nhiên liệu đã qua sử dụng là một nội dung quan trọng của việc xử lý, quản lý chất thải phóng xạ của nhà máy điện hạt nhân.
Trong công nghiệp điện hạt nhân, chất thải phóng xạ có hoạt độ cao thường là các thanh nhiên liệu đã cháy và một phần chất thải sinh ra trong quá trình tái chế thanh nhiên liệu. Mức độ phóng xạ cũng như lượng chất thải hoạt độ cao thải ra phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố như: chu trình nhiên liệu, loại lò phản ứng hạt nhân, hàm lượng của đồng vị U-235 có trong thanh nhiên liệu.
Về mặt nguyên tắc, các thanh nhiên liệu sau khi đã được sử dụng một lần đều phải được lưu giữ tạm thời ngay tại nhà máy trong khoảng thời gian từ 30 đến 50 năm để làm giảm bớt mức phát nhiệt và hoạt độ phóng xạ của thanh nhiên liệu đã cháy ( chỉ còn cỡ 1/1000 so với lúc mới tháo dỡ khỏi lò). Sau đó, tuỳ theo chính sách của từng quốc gia mà các thanh nhiên liệu này sẽ được tái chế thành dạng nhiên liệu mới để tái sử dụng hoặc được chuyên chở ngược trở lại nước đã cung cấp thanh nhiên liệu ban đầu để tuỳ nước này tái chế hoặc lưu giữ.
Quy trình bảo quản tạm thời nhiên liệu đã cháy được tiến hành như sau: Thanh nhiên liệu sau khi được tháo dỡ ra khỏi lò phản ứng được ngâm trong các bể nước cạnh lò nhằm làm nguội dần các thanh nhiên liệu; làm giảm dần quá trình phân rã hạt nhân vẫn tiếp tục xảy ra trong thanh nhiên liệu; hoạt độ phóng xạ giảm dần. Thời gian lưu giữ nhiên liệu trong các bể này thường từ 3 - 4 tháng cho đến vài năm.
Công đoạn tiếp theo là lưu giữ thanh nhiên liệu đã cháy trong một khoảng thời gian dài cũng là nhằm để có thời gian chờ xem có cách nào tốt hơn việc loại bỏ vĩnh viễn không. Có hai phương pháp chủ yếu là phương thức lưu giữ khô và ướt. Có thể cất giữ trong các bể và làm lạnh bằng nước; cất trong các hầm có làm lạnh bằng không khí; cất giữ trong các công ten nơ có lớp vỏ bảo vệ. Thời gian lưu giữ nhiên liệu trong các bể này thường từ 25 đến 50 năm. Trên thực tế, cả hai phương pháp đều thoả mãn các yêu cầu về an toàn và đều được thiết lập trên cơ sở các công nghệ tiên tiến. Việc lựa chọn phương pháp nào tuỳ thuộc vào giá thành, vào dư luận ( có thể dân chúng không thích có một cơ sở lưu giữ chất thải nổi trên mặt đất- phương pháp khô), vào điều kiện có thể có của khu lưu giữ chất thải.
Các thanh nhiên liệu sau khi được lưu giữ theo các phương pháp khô hoặc ướt kể trên trong khoảng thời gian thích hợp sẽ được vận chuyển tới các nhà máy tái chế thanh nhiên liệu hoặc đem chôn cất lâu dài ở sâu trong các tầng địa chất với nhiều lớp bảo vệ theo nguyên tắc chất thải được đặt trong các thùng chứa bền vững và các hùng chứa được đặt sâu trong các cấu trúc địa tầng rất bền vững.
Hiện nay, nhiều nước có điện hạt nhân đã xây dựng được các khu chôn cất chất thải phóng xạ hoạt độ thấp và trung bình. Một số nước thì đang trong giai đoạn tìm kiếm, lựa chọn địa điểm. Đối với chất thải hoạt độ phóng xạ cao, hầu hết các nước mới đang ở giai đoạn thành lập các phòng thí nghiệm ở sâu dưới lòng đất để nghiên cứu hoặc đang nghiên cứu lựa chọn địa điểm, đang xây dựng kho chứa chất thải sâu dưới lòng đất. Nói chung các kho chứa chất thải này chỉ có thể được bắt đầu đưa vào sử dụng trong khoảng thời gian từ 2020 – 2030.
Chôn cất chất thải phóng xạ gần mặt đất đã được tiến hành từ những năm 1940. Kinh nghiệm đã cho thấy rằng, kỹ thuật có thể được áp dụng an toàn chỉ khi bãi thải được lựa chọn kỹ càng và các khu vực chứa thải được thiết kế, vận hành có tính đến đặc tính của bãi thải và chất thải. Các phương pháp chôn cất thải liên tục được phát triển tối ưu về mặt kỹ thuật, an toàn, và kinh tế. Hiện nay, Nhật Bản là nước đầu tư lớn cho việc xây dựng các khu cất giữ chất thải phóng xạ ở Rokkasho nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển điện hạt nhân. Các kinh nghiệm hiện tại sẽ có ý nghĩa cho sự cải tiến và mở rộng các khu vực chôn cất thải phóng xạ gần mặt đất trong tương lai. Các kinh nghiệm này rất cần thiết cho các nước đang lập kế hoạch phát triển điện hạt nhân đồng thời với việc quản lý an toàn chất thải phóng xạ như nước ta.