Các công nghệ lò phản ứng thường dùng trong nhà máy điện nguyên tử và độ an toàn khi xây dựng nhà máy điện hạt nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY ĐÔ KhOA KỸ THUẬT – CÔNG NGHỆ Đề tài: Các cơng nghệ lị phản ứng thường dùng nhà máy điện nguyên tử độ an toàn xây dựng nhà máy điện hạt nhân Sinh viên thực hiện: Nguyễn Mẫn Nhân Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Chí Thắng Cần Thơ, ngày 17 tháng 10 năm 2014 -1- Lời cảm ơn: Tôi xin chân thành gữi lời cảm ơn tới đơn vị hổ trợ thực tập để tơi tìm hiểu nghiên cứu thực báo cáo cuối cấp nầy, xin cảm ơn tới giảng viên trường ĐH Tây Đô giúp đở xuốc trình làm báo cáo đặc biệt thầy Nguyễn Chí Thắng giáo viên hướng dẩn tơi Ký tự viết tắc: • BWR : Boiling Water Reactor • NMĐNT : Nhà máy điện nguyên tử • PHWR : Pressurized Heavy Water Reactor • PWR : Pressurized Water Reactor • ƯLT : Ứng lực trước Tóm tắc: Báo cáo trình bày đặc điểm số cơng nghệ lị phản ứng thường dùng nhà máy điện nguyên tử, yêu cầu an toàn chịu lực phóng xạ ứng với cơng nghệ đó, nhằm giúp kỹ sư xây dựng có định hướng ban đầu việc lựa chọn giải pháp kết cấu, vật liệu để phục vụ dự án xây dựng cơng trình nhà máy điện ngun tử Việt Nam -2- Mục lục: Lời cảm ơn .2 Ký tự viết tắc Tóm tắc Đặt vấn đề Các cơng nghệ lị phổ biến yêu cầu mức độ an toàn 2.1 NMĐNT sử dụng lò nước áp lực PWR .6 2.2 NMĐNT sử dụng lị nước sơi BWR 2.3 NMĐNT sử dụng lò nước nặng CANDU 10 Kết luận .11 TÀI LIỆU THAM KHẢO .11 -3- Đặt vấn đề Dự án xây dựng nhà máy điện nguyên tử (NMĐNT) nước ta triển khai Nhiều kiến thức liên quan đến việc xây dựng nhà máy cơng nghệ, phương pháp tính tốn, thiết kế, tải trọng tác động, giải pháp kết cấu, vật liệu, yêu cầu mức độ an toàn cho kết cấu xây dựng… lạ kỹ sư xây dựng cần nghiên cứu chuẩn bị kỹ nhằm trang bị kiến thức bản, để tiếp cận tham gia dự án Với ý nghĩa đó, chúng tơi giới thiệu số vấn đề liên quan, nhằm giúp bạn đọc có thêm số thơng tin, kiến thức liên quan đến lĩnh vực xây dựng NMĐNT Báo cáo trình bày đặc điểm số cơng nghệ lị phản ứng thường dùng NMĐNT yêu cầu mức độ an toàn chịu lực, phóng xạ ứng với cơng nghệ nhằm giúp kỹ sư xây dựng có định hướng ban đầu việc lựa chọn giải pháp kết cấu vật liệu để phục vụ dự án xây dựng cơng trình NMĐNT Việt Nam Các cơng nghệ lị phổ biến u cầu mức độ an toàn Hiện nay, giới có nhiều loại lị sử dụng Rất khó đánh giá ưu tuyệt đối loại lò so với loại lò khác Việc quốc gia sử dụng phát triển loại lò phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết ý đồ chiến lược quốc gia, sau trình độ khoa học - cơng nghệ khả tham gia công nghiệp nội địa Tùy vào việc sử dụng chất tải nhiệt, chất làm chậm cấu trúc lò, người ta phân loại lò nêu “Bảng phân loại lò phản dùng nhà máy điện nguyên tử” Chất T Loại lò Tên gọi Nhiên liệu T PWR Lò nước áp lực Urani làm giầu nhẹ - 4% -4- Chất làm tải chậm S nhiệt H2O H2O BWR WWER Lị nước cáp lực (Liên Xơ củ) Urani làm giầu nhẹ - 4% H2O H2O Urani làm giầu nhẹ - 4% H2O H2O Urani tự nhiên 0,7% PHWR - Lị nước sơi D2O Urani tự nhiên 0,7% Grafit Urani giầu nhẹ 1,8% Grafit Urani tự nhiên 0,7% Grafit Lò nước nặng kênh áp CANDU Lực GCR Lị khí grafit LWGL AGR Lị nước grafit kênh áp lực Lị khí grafit cải tiến D2O, H2O Khí He H2O Khí He Cho đến thực chất có ba loại cơng nhận công nghệ kiểm chứng phát triển nhiều nhất, loại cơng nghệ: lị phản ứng nước áp lực chiếm 60% (Pressurized Water Reactor - PWR), lị phản ứng nước sơi chiếm 21% (Boiling Water Reactor - BWR), lò nước nặng kiểu CANDU chiếm 8% (Pressurized Heavy Water Reactor - PHWR), lại loại lị khác Dưới đây, chúng tơi trình bày nội dung liên quan đến ba loại cơng nghệ lị phổ biến nêu Các kết cấu NMĐNT phải đáp ứng yêu cầu nghiêm ngặt an tồn chịu lực an tồn phóng xạ Tùy theo loại công nghệ chức hạng mục cơng trình NMĐNT mà u cầu mức độ an toàn mặt chịu lực an toàn mặt phóng xạ kết cấu bao che có giới hạn khác quy định cụ thể tiêu chuẩn chuyên ngành An toàn chịu lực phải thỏa mãn yêu cầu ứng suất, biến dạng độ kín khít ứng với trạng thái giới hạn thứ thứ hai kết cấu tác động tất tải trọng xảy tình huống, bao gồm: vận hành bình thường; vận hành với cố dự đoán trước trường hợp xảy cố nghiêm trọng An tồn phóng xạ hay cịn gọi an toàn sinh học đảm bảo an tồn cho người mơi trường (trong ngồi nhà máy) suốt trình hoạt động, ngừng hoạt động tháo dỡ nhà máy - Yêu cầu trạng thái giới hạn thứ thứ hai kết cấu gồm mức: -5- + Mức - kết cấu làm việc giai đoạn đàn hồi, khơng có biến dạng thường xun phá hoại tác dụng tất loại tải trọng tổ hợp tải trọng đó, xảy suốt trình khai thác, sử dụng kết thúc hoạt động NMĐNT Độ bền kết cấu đảm bảo với khoảng an toàn lớn; + Mức - biến dạng thường xuyên nhỏ Có thể xuất biến dạng vài hư hỏng nhỏ cục Độ bền kết cấu bảo đảm với khoảng an toàn nhỏ so với mức 1; + Mức - biến dạng thường xuyên lớn Có số hư hỏng cục Mức khơng cho phép vỏ lị phản ứng - Yêu cầu độ kín khít gồm mức: + Mức - kết cấu kín Các rị rỉ từ vỏ bảo vệ yêu cầu thiết kế; + Mức - độ rị rỉ vượt giá trị thiết kế, giới hạn cho phép; + Mức - độ rò rỉ lớn lớn độ bền kết cấu vỏ lị đảm bảo Mức khơng cho phép vỏ lò phản ứng 2.1 NMĐNT sử dụng lò nước áp lực PWR Hiện lò PWR thường sử dụng nước nhẹ vừa làm chất tải nhiệt vừa chất làm chậm nơtron nên có tên lị nước nhẹ áp lực (Pressurized light-Water-moderated Reactor) NMĐNT dùng lò PWR loại cơng nghệ vịng tuần hồn Sơ đồ nguyên lý hoạt động NMĐNT dùng lò PWR nêu hình Vịng tuần hồn thứ (vịng 1) có thành phần lị phản ứng, thiết bị sinh hơi, bình điều áp máy bơm tuần hồn Vịng tuần hồn thứ hai (vịng 2) bao gồm thành phần tuốc bin - máy phát, bình ngưng tụ nước sau qua tuốc bin, hệ thống lọc nước, bơm tuần hồn,… Vịng tuần hồn giống vịng tuần hồn NMĐNT với lị nước sơi BWR -6- Hình Sơ đồ nguyên lý hoạt động NMĐNT dùng lò PWR Tại vòng một, nước áp suất cao bơm tuần hồn bơm vào lị, qua vùng hoạt, nhận nhiệt sinh trình phân rã hạt nhân tâm lị nhiệt độ nước tăng lên Trong điều kiện áp suất cao, nước không sôi Nước đẩy đến thiết bị sinh hơi, nước truyền nhiệt cho nước vòng hai cách trao đổi nhiệt qua dàn ống, nhiệt độ hạ xuống lại tiếp tục bơm quay lại lò phản ứng Tại vòng hai, nước cấp bơm vào thiết bị sinh hơi, nhận nhiệt nước vòng qua hệ thống ống trao đổi nhiệt thiết bị sinh hơi, hóa nước đưa vào quay tuốc bin Hơi nước dùng nhà máy điện nguyên tử thường bão hòa Từ đặc điểm công nghệ nêu cho thấy NMĐNT với lị PWR có sơ đồ cơng nghệ hai vịng tuần hồn Các thiết bị vịng thứ làm việc điều kiện áp suất nhiệt độ cao lại chịu tác động mạnh phóng xạ Thơng thường khu vực chịu áp suất lớn 150 lần áp suất khí nhiệt độ khoảng 325oC Do kết cấu vỏ bảo vệ phận vịng (gian lị phản ứng) phải tính tốn, thiết kế với độ an toàn cao khả -7- chịu lực an tồn phóng xạ u cầu trạng thái ứng suất, biến dạng độ kín khít kết cấu vỏ gian lị phản ứng phải mức Thông thường giải pháp kết cấu cho gian lị NMĐNT có cơng nghệ lị PWR sử dụng kết cấu vỏ bê tông cốt thép ứng lực trước (ƯLT) dày mét kết hợp với lớp vỏ thép Hình dạng hợp lý vỏ thân có dạng trụ trịn, nắp có dạng chỏm cầu đáy có dạng e líp Giải pháp thi cơng tồn khối lắp ghép, kết hợp hai công nghệ nhằm đảm bảo chất lượng tiến độ thi công Tại có nhiều đường ống cơng nghệ nối vịng hai với vịng một, giải pháp cấu tạo vùng có đường ống cơng nghệ qua cần phải đảm bảo độ kín, tránh bị dị rỉ phóng xạ Ngồi ra, vịng thứ nhất, phận máy sinh đảm nhận cách ly lan truyền chất phóng xạ từ vịng sang vịng hai, khâu yếu NMĐNT sử dụng công nghệ lò PWR Việc lắp đặt phải đặc biệt quan tâm độ kín khít chế độ kiểm tra, bảo trì trình sử dụng Các thiết bị vòng hai làm việc điều kiện thuận lợi áp suất, nhiệt độ không bị nhiễm xạ Vì giải pháp kết cấu vật liệu cấu tạo vỏ bảo vệ phận vịng hai khơng u cầu khắt khe vịng 2.2 NMĐNT sử dụng lị nước sơi BWR NMĐNT sử dụng lị BWR loại cơng nghệ vịng tuần hồn Sơ đồ ngun lý hoạt động NMĐNT dùng lị PWR nêu hình Chất tải nhiệt nước nhẹ, đồng thời chất làm chậm, chất sinh công tuốc bin Nước bơm tuần hồn bơm vào lị phản ứng hạt nhân, nhận nhiệt nóng lên sơi, hóa vùng hoạt Hơi nước bão hòa khỏi vùng hoạt tách ẩm thiết bị bố trí vùng hoạt, sấy khô vào tuốc bin cao áp Sau khỏi tuốc bin cao áp, nước có chứa nhiều ẩm lại tách ẩm sấy tiếp thiết bị riêng, thiết bị sử dụng trích từ tuốc bin cao áp để sấy luồng nước chu trình trước vào tuốc bin hạ áp Sau tuốc bin hạ áp, nước ngưng tụ bình ngưng hơi, nước xử lý tách loại muối (khoáng) bơm vào thiết bị khử khí, sau bơm tuần hồn bơm quay lại lị phản ứng hạt nhân -8- Hình Sơ đồ nguyên lý hoạt động NMĐNT dùng lò BWR Đặc thù riêng tổ máy kiểu nước qua lò phản ứng thành nhiễm xạ, thiết bị vịng tuần hồn phải làm việc điều kiện phóng xạ Việc làm phức tạp q trình thiết kế vận hành, bảo dưỡng thiết bị khối lượng chất thải phóng xạ nhiều Cơng nghệ lò giảm số thiết bị lại phải tăng cường thêm cho hệ thống lọc nước sau ngưng tụ, trước đưa trở lại vào lị Khác với lị PWR, cơng nghệ lị nước sơi BWR có vịng tuần hồn Phần khác chủ yếu lò phản ứng, phần tuốc bin-máy phát đủ thành phần công nghệ với lị nước áp lực PWR Lị nước sơi BWR dùng chu trình trực tiếp Nước lị phản ứng đun sôi bề mặt nhiên liệu, sinh nước trực tiếp chạy tuốc bin máy phát nên không cần thiết bị trung gian máy sinh hơi, kích thước khơng gian vỏ lị nhỏ So với lị PWR, lị nước sơi BWR làm việc điều kiện áp lực nhiệt độ lò nhỏ (áp suất lớn 75 lần áp suất khí quyển, nhiệt độ khoảng 285oC) Vì xét mặt chịu lực, kết cấu vỏ gian lò phản ứng đơn giản Tuy nhiên vùng bị nhiễm xạ loại lò rộng so với lò PWR, chế độ kiểm tra -9- phóng xạ ngặt nghèo Từ đặc điểm công nghệ mà kết cấu gian lò phản ứng NMĐNT sử dụng cơng nghệ lị BWR thường sử dụng vỏ thép kết hợp với bê tơng cốt thép Vỏ thép có tác dụng đảm bảo độ kín khít cản xạ Lớp vỏ bê tơng cốt thép có tác dụng đảm bảo an tồn mặt chịu lực góp phần đảm bảo an tồn phóng xạ Gian lị nắp lị có dạng hình trụ trịn chỏm cầu vỏ lò PWR Yêu cầu trạng thái ứng suất, biến dạng độ kín khít kết cấu vỏ gian lị phản ứng sử dụng cơng nghệ BWR phải mức 2.3 NMĐNT sử dụng lò nước nặng CANDU Sơ đồ hoạt động NMĐNT dùng lị CANDU gồm vịng tuần hồn, tương tự NMĐNT dùng lị PWR Vịng tuần hồn thứ lò CANDU gồm nhánh, nhánh phục vụ nửa số kênh nhiên liệu Mỗi nhánh tuần hồn có bơm, máy sinh hơi, ống góp vào ống góp bố trí theo “hình số 8”, nước nặng tải nhiệt vào kênh theo hai hướng ngược nhau, nhờ trường nhiệt độ dàn Vịng tuần hồn thứ hai hoạt động tương tự NMĐNT dùng lò PWR Sơ đồ nguyên lý hoạt động NMĐNT dùng lị BWR nêu hình Hình Sơ đồ nguyên lý hoạt động NMĐNT dùng lò PHWR - 10 - NMĐNT dùng lò PHWR giống NMĐNT dùng lị PWR có thêm vịng tuần hồn phụ làm mát chất làm chậm, vỏ lị cần tạo không gian lớn hơn, kết cấu chịu lực cản xạ gian lò phản ứng phức tạp Giải pháp kết cấu cho gian lò thường sử dụng kết cấu bê tông cốt thép ƯLT kết hợp với vỏ thép Yêu cầu mức độ an toàn trạng thái ứng suất, biến dạng độ kín khít giải pháp kết cấu, vật liệu kết cấu vỏ gian lò phản ứng bảo vệ vòng vòng hai tương tự lò PWR Kết luận - Trên giới có nhiều loại lò sử dụng nghiên cứu, thực chất có ba loại công nhận công nghệ kiểm chứng sử dụng nhiều nhất, lò PWR; lò BWR lò nước nặng kiểu CANDU; - Tùy theo loại công nghệ chức hạng mục cơng trình NMĐNT mà u cầu mức độ an toàn mặt chịu lực an tồn mặt phóng xạ kết cấu xây dựng có giới hạn khác Tuy nhiên mức độ an tồn chịu lực độ kín khít gian lị phản ứng loại lị ln phải mức cao mức 1; - Gian lị phản ứng NMĐNT sử dụng cơng nghệ lị PWR lò nước nặng kiểu CANDU thường phải làm việc điều kiện áp lực nhiệt độ cao nên vỏ bảo vệ thường dày, giải pháp kết cấu thường bê tông cốt thép bê tông cốt thép ƯLT kết hợp với vỏ thép; - Gian lị phản ứng NMĐNT sử dụng cơng nghệ lị nước sôi BWR làm việc điều kiện áp lực lị nhỏ Vì xét mặt chịu lực, kết cấu vỏ gian lò phản ứng đỡ dày Tuy nhiên vùng bị nhiễm xạ loại lò rộng so với lò PWR, chế độ kiểm tra phóng xạ ngặt nghèo Giải pháp kết cấu thường vỏ thép kết hợp với bê tông cốt thép bê tông cốt thép ƯLT - 11 - TÀI LIỆU THAM KHẢO Báo cáo tổng kết đề tài Nghiên cứu giải pháp vật liệu, kết cấu công nghệ xây dựng nhà máy điện nguyên tử Việt Nam Viện KHCN Xây dựng, 12/2005 IAEA Design of Reactor Containment System for Nuclear Power Plants Safety Standards Series No NS-G-1.10 Printed by the IAEA in Austria, September 2004 Nuclear Engineering International Handbook 2010 - 12 - ... liên quan đến lĩnh vực xây dựng NMĐNT Báo cáo trình bày đặc điểm số công nghệ lò phản ứng thường dùng NMĐNT yêu cầu mức độ an toàn chịu lực, phóng xạ ứng với cơng nghệ nhằm giúp kỹ sư xây dựng. .. cấu xây dựng có giới hạn khác Tuy nhiên mức độ an tồn chịu lực độ kín khít gian lị phản ứng loại lị ln phải mức cao mức 1; - Gian lò phản ứng NMĐNT sử dụng cơng nghệ lị PWR lò nước nặng kiểu CANDU... nhà máy điện nguyên tử, yêu cầu an toàn chịu lực phóng xạ ứng với cơng nghệ đó, nhằm giúp kỹ sư xây dựng có định hướng ban đầu việc lựa chọn giải pháp kết cấu, vật liệu để phục vụ dự án xây dựng