Tổng quan hệ thống công nghệ nhà máy điện hạt nhân

Tổng quan hệ thống công nghệ nhà máy điện hạt nhân

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

Báo cáo tóm tắt

TỔNG QUAN

HỆ THỐNG CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

Cơ quan thực hiện: Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam

Nội dung

1 Mở đầu 2

2 Một số khái niệm cơ bản về công nghệ lò phản ứng hạt nhân 3

3 Lò nước nhẹ áp lực PWR - Pressurized Water Reactor 6

4 Lò nước sôi BWR - Boiling Water Reactor 11

5 Lò nước nặng PHWR 14

6 Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân 16

7 Một số thiết kế lò phản ứng cải tiến (advanced) 20

8 Các loại lò VVER của Nga 24

9 Kết luận 30

CÔNG NGHỆ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

1 Mở đầu

Theo số liệu mới nhất công bố tháng 1/2011 của Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế, hiện nay trên toàn cầu có 442 tổ máy điện hạt nhân đang vận hành, lượng điện phát điện hạt nhân chiếm 16% sản lượng điện toàn cầu; có khoảng 65 tổ máy điện hạt nhân đang tiến hành xây dựng

Thứ tự các quốc gia có nhiều tổ máy điện hạt nhân nhất: Mỹ 104 tổ máy, Pháp 58, Nhật Bản 54, Nga 32, Hàn Quốc 21, Ấn Độ 20, Anh 19, Canada 18, Đức 17, Ukraine 15, Trung Quốc 13 Châu Á đang là khu vực có nhịp độ phát triển điện hạt nhân cao nhất

Để đáp ứng nhu cầu của thế kỷ 21, hiện nay nhiều loại lò thế hệ mới đang được nghiên cứu phát triển Chính phủ các nước có ngành công nghiệp hạt nhân phát triển đang đầu tư trên 2 tỷ US$ cho công tác này Nhiều loại lò đang được nghiên cứu thiết kế với mục tiêu tăng tính kinh tế, nâng cao độ an toàn và giải quyết vấn đề bã thải hoạt độ cao sống dài ngày

Các khoa học gia quốc tế đã khẳng định: ”dù đang phải đối mặt với nhiều thách thức, nhưng công nghệ điện hạt nhân vẫn là một lựa chọn quan trọng của thế kỷ 21”

Trong hoạch định chiến lược phát triển năng lượng và lựa chọn công nghệ phát điện, mỗi khu vực, mỗi quốc gia, trong từng thời kỳ nhất định, đều phải đối mặt với một loạt các vấn đề, không có một khuôn mẫu chung nào cho tất cả các

nước

Việc cung cấp năng lượng, đặc biệt là điện năng, một cách đầy đủ và tin cậy không chỉ cần thiết cho sự phát triển kinh tế mà, như ngày càng được thấy rõ, còn cần thiết cho sự ổn định chính trị và xã hội Sự thiếu hụt năng lượng trầm trọng, cả hiện tại lẫn trong tương lai, thường dẫn tới những bất ổn và mâu thuẫn tiềm tàng trong mỗi quốc gia và giữa các quốc gia

Bởi vậy, cung cấp năng lượng một cách an toàn, tin cậy và với chi phí hợp

lý là một yêu cầu kinh tế, chính trị và xã hội thiết yếu, và là một thách thức Hoạch định và đưa ra những quyết định về sản xuất năng lượng và điện năng, do

đó, là một trong những chức năng quan trọng nhất của các nhà hoạch định chính sách

Báo cáo này giới thiệu những khái niệm cơ bản về công nghệ lò phản ứng hạt nhân và những cải tién, những công nghệ lò thế hệ mới đang được triển khai thực hiện trên thế giới

2 Một số khái niệm cơ bản về công nghệ lò phản ứng hạt nhân

Nơtron nhiệt Nhiệt năng Nơtron nhanh

Hình 1 Sơ đồ đơn giản của nguyên lý phản ứng phân hạch

2.2 Cấu trúc cơ bản của lò và các vật liệu sử dụng

Cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân (LPƯHN) bao gồm: nhiên liệu hạt nhân, chất làm chậm, chất tải nhiệt, thanh điều khiển, vành phản xạ, thùng lò, tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác Sơ đồ cấu trúc cơ bản của LPƯHN nêu

trong hình 2 Các phần tử chính, vật liệu sử dụng và chức năng của chúng được nêu trong bảng 1

Thanh điều khiển

Vành phản xạ Nhiên liệu hạt nhân

2 Chất làm chậm H2O, D2O, C, Be Giảm năng lượng của nơtron

nhanh thành nơtron nhiệt

3 Chất tải nhiệt H2O, D2O, CO2, He,

7 Tường bảo vệ Bê tông, H2O, Fe, Pb Bảo vệ chống bực xạ

8 Các vật cấu trúc

khác

Al, Fe, Zn, S/S Hỗ trợ các cấu trúc trong lò

2.3 Phân loại các loại lò

Tuỳ thuộc vào việc sử dụng các chất tải nhiệt, chất làm chậm và cấu trúc

của lò, người ta phân ra các loại lò như nêu trong bảng 2

Bảng 2 Phân loại các loại lò

SỐ

TT LOẠI LÒ Tên gọi Nhiên liệu Chất làm chậm Chất tải nhiệt

1 PWR Lò nước áp lực Urani làm giầu

7 AGR Lò khí grafit cải

tiến

Urani tự nhiên 0,7%

Grafit Khí He

8 FBR Lò nhanh tái sinh Urani làm giầu

hoặc Plutoni

Không Na

Hiện nay, công nghệ lò phát triển rất phong phú và đa dạng Hiện có trên

10 loại lò đang được sử dụng và nghiên cứu phát triển Rất khó có thể đánh giá

ưu thế tuyệt đối của loại lò này so với loại lò khác Việc mỗi quốc gia sử dụng và phát triển loại lò nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết là ý đồ chiến lược của mỗi quốc gia, sau đó là trình độ khoa học - công nghệ và khả năng tham gia của

công nghiệp nội địa Mặc dù số loại lò nhiều như vậy nhưng đa số hoặc đã bị loại

bỏ khỏi xu hướng phát triển hoặc đang ở trạng thái thử nghiệm

Cho đến nay, thực chất chỉ mới có ba loại được công nhận là những công nghệ đã được kiểm chứng và được phát triển nhiều nhất, đó là PWR, BWR và PHWR Tỷ phần số lượng lò của các loại công nghệ như sau: Lò phản ứng nước

áp lực: 60% (Pressurired Water Reactor - PWR+VVER), kế theo đó là Lò phản ứng nước sôi: 21% (Boiling Water Reactor - BWR), và cuối cùng là Lò nước năng kiểu CANDU: 7% (Pressurired Heavy Water Reactor - PHWR), phần còn lại là các loại lò khác

Chúng ta hãy xem xét sơ bộ 3 loại lò được phát triển nhiều nhất, phổ biến nhất hiện nay đó là PWR, BWR và PHWR

3 Lò nước nhẹ áp lực PWR - Pressurized Water Reactor

Đây là kiểu lò phổ biến nhất với trên 230 lò hiện đang vận hành trên khắp thế giới Thiết kế cơ bản của loại lò này có nguồn gốc từ các lò phản ứng hạt nhân sử dụng trong các tầu ngầm hạt nhân Chúng sử dụng nước thường làm chất tải nhiệt và làm chậm Thiết kế khác biệt mang tính điển hình của loại lò này là dùng nước trong chu trình làm nguội vòng một đi qua tâm lò với áp suất rất cao

và chu trình thứ hai được sử dụng là hơi được sinh ra để chạy tuôc bin

Hình 3 Sơ đồ công nghệ hai vòng tuần hoàn của lò PWR

Nước trong vùng hoạt có thể đạt tới nhiệt độ 325 0C, khi đó nước cần phải

ở mức áp suất 150 lần áp suất khí quyển để ngăn chặn việc làm sôi nước, áp suất được duy trì nhờ hơi trong bộ điều áp Trong chu trình vòng I nước cũng đóng vai trò của chất làm chậm nên nếu nước trở thành hơi thì sẽ làm cho phản ứng phân hạch bị giảm xuống Hiệu ứng phản hồi âm này là một trong những đặc trưng an toàn nội tại của loại lò PWR Hệ thống dập lò thứ cấp thực hiện việc bổ sung thêm bo vào vòng sơ cấp

Vòng thứ cấp được duy trì ở áp suất thấp hơn và nước sẽ sôi trong các bộ trao đổi nhiệt của thiết bị sinh hơi Hơi nước làm quay tuôc bin máy phát để sản xuất điện, sau đó lại được làm ngưng tụ thành nước với nhiệt độ thấp hơn và qua các bộ trao đổi nhiệt để quay trở lại vòng sơ cấp

Yêu cầu độ sạch của nước vòng hai rất cao, do vậy để bảo đảm các chỉ tiêu kinh tế, tất cả hơi nước sau khi sinh công ở tuốc bin đều được ngưng tụ và đưa trở lại chu trình công nghệ Do vậy, vòng hai của nhà máy ĐHN cũng là một chu trình kín, nước bổ sung là một lượng nhỏ để bù hao hụt do rò thoát

Hình 4 Sơ đồ thùng lò PWR PWR là một loại lò nước nhẹ với nước nhẹ vừa là chất tải nhiệt vừa là chất làm chậm nơtron và có thùng lò chịu áp lực

Thùng lò cấu tạo từ một phần hình trụ với các ống vào/ra của chất tải nhiệt

và đáy hình elíp Bên trong thùng lò có giếng lò hình trụ dùng để bố trí vùng hoạt

và tổ chức dòng chuyển động của chất tải nhiệt Thùng lò chịu áp suất lớn và

chịu bức xạ cao được chế tạo rất phức tạp Mặt trong vỏ lò tiếp xúc với nước được phủ một lớp thép không gỉ để chống ăn mòn và giảm quá trình giòn vỏ lò

do tương tác của dòng nowtrôn cao, chiếu xạ mạnh Để bảo đảm độ bền, thùng lò được làm với số mối hàn ít nhất Thùng lò được thiết kế để làm việc trong một thời gian dài từ 40 đến 60 năm Các thông số của lò PWR công suất 1160 MWe được trình bày trong bảng 3

Bảng 3 Một số thông số chính của loại lò PWR - 1160 MWe

Thông số cơ bản của lò PWR

Đường kính phía trong thùng lò 4,394 m

Chiều cao thùng lò 12,9 m Vật liêu thùng lò ASME SA-508 GrB class 3Trọng lượng thùng lò 402 t

Chiều cao/dài vùng hoạt 3,66 m

Độ giàu nhiên liệu 2,1 - 4,1%

Số bó nhiên liệu 193 Đường kính thanh nhiên liệu 9,5 mm

Chiều dài thanh nhiên liệu 3,65 m Tổng chiều dài bó nhiên liệu 4,06 m Vật liệu ống thanh nhiên liệu Zircaloy-4 Trọng lượng nhiên liệu 89 t

Ở lò PWR, khối các ống bảo vệ và hệ thống điều khiển được bố trí ở phía trên vùng hoạt Điều này cho phép các thanh điều khiển có thể tự rơi vào vùng hoạt để dập lò khi cần thiết

Các lò PWR có các bó nhiên liệu với số lượng thanh nhiên liệu trong mỗi

bó từ 200-300 tuỳ thuộc cấu hình của bó nhiên liệu (15 x 15, 16 x 16, 17 x 17, v.v.), các bó nhiên liệu được sắp trong thùng lò chịu áp lực theo chiều thẳng đứng Tổng số bó nhiên liệu vào khoảng 150-250 và tổng trọng lương khoảng 80-100 tấn uranium

Các bó nhiên liệu của lò PWR cũng như của lò BWR trong trường phái thiết kế của các nước phương Tây có dạng hình hộp vuông, còn trong các lò do Nga thiết kế có dạng hình hộp lục giác đều, trong đó bố trí ô mạng vuông hay tam giác Các thanh nhiên liệu có dạng hình ống bên trong xếp các viên nhiên

liệu là rãnh khí He, phía trên có lò xo nén giữ và khoảng trống chứa khí phóng xạ thoát ra trong phản ứng hạt nhân Các thanh nhiên liệu hợp lại thành các bó nhiên liệu Các bó nhiên liệu nạp vào lò có thể có hoặc không có vỏ hộp bọc ngoài tùy từng lò Các hộp này được đục lỗ để tạo dòng chảy ngang có tác dụng dàn đều trường nhiệt độ vùng hoạt

Hình 5 Các bó nhiên liệu của lò PWR theo trường phái Phương Tây và Nga

Nhà máy ĐHN với lò PWR có sơ đồ công nghệ hai vòng Trong sơ đồ công nghệ này nhất thiết phải có thiết bị sinh hơi là thành phần phân chia hai vòng Có thể nói thiết bị sinh hơi thuộc vòng một hay thuộc vòng hai đều đúng

Hình 6 Thiết bị sinh hơi kiểu đứng (phương Tây) và kiểu ngang (Nga)

Trong thiết bị sinh hơi, để truyền được nhiệt từ vòng một sang vòng hai cần phải có chênh lệch nhiệt độ giữa nước vòng một (không được sôi) và nước sôi thuộc vòng hai Để tránh sôi nước trong vòng một, áp suất của nó phải đủ lớn, thường là cao hơn nhiều so với áp suất vòng hai Do vậy, tính kinh tế nhiệt của nhà máy hai vòng bao giờ cũng thấp hơn nhà máy một vòng có áp suất trong lò như nhau

Thiết bị sinh hơi là một thành phần cần thiết trong nhà máy ĐHN với lò PWR Nó cách ly sự lan truyền chất phóng xạ từ vòng một sang vòng hai, giúp cho việc vận hành nhà máy được thuận tiện hơn Nhưng mặt khác, thiết bị sinh hơi là một khâu yếu trong nhà máy ĐHN với lò PWR Trong thiết bị này, có hàng ngàn ống trao đổi nhiệt, nhiều hỏng hóc thường hay xẩy ra với các ống này như tắc nghẽn, đứt gẫy, thủng do ăn mòn và cọ xát gây rò nước có phóng xạ từ vòng một sang vòng hai Để khắc phục những hỏng hóc này, thường đòi hỏi phải mất thời gian, tốn kém và phải dừng nhà máy, gây ảnh hưởng đến kinh tế

Thoáng nhìn người ta có cảm giác nhà máy ĐHN hai vòng cần vốn đầu tư nhiều hơn nhiều so với nhà máy một vòng Nhưng do yêu cầu đảm bảo an toàn

phóng xạ, phải xử lý (trao đổi ion) toàn bộ lưu lượng nước ngưng tụ (sau tuốc bin) đã làm cho chỉ số quan trọng như giá công suất đặt mỗi KW của nhà máy một vòng hầu như xấp xỉ với nhà máy hai vòng

4 Lò nước sôi BWR - Boiling Water Reactor

Về mức độ phổ biến cũng như các hãng cung cấp, các nước sử dụng thì

lò nước sôi BWR chỉ đứng sau lò nước áp lực PWR Nguyên lý thiết kế và hoạt động căn bản của các lò nước sôi là sử dụng chu trình trực tiếp Nước trong vùng hoạt lò phản ứng được làm sôi nhờ phản ứng phân hạch và sinh ra hơi nước trực tiếp chạy tuôc bin máy phát Nước trong thùng lò bao gồm hai phần: nước và hơi nước, do đó việc sử dụng chu trình trực tiếp thể hiện sự khác biệt với các công nghệ khác ở những đặc tính cơ bản sau:

o Không có máy sinh hơi (chu trình trực tiếp)

o Giảm được áp lực trong lò trong khi vẫn đạt được hiệu suất cao

o Phần lưu chuyển của các vật chất phóng xạ rộng hơn

Hình 7 Sơ đồ công nghệ một vòng tuần hoàn với lò nước sôi - BWR

BWR cũng là một loại lò với nước nhẹ vừa là chất tải nhiệt vừa là chất làm chậm và có thùng lò chịu áp lực Tuy nhiên, khác với lò PWR, trong lò BWR có

sự sôi thể tích ngay trong lò

Thùng lò BWR có hình thức gần giống như lò PWR nhưng có các thông

số khác hơn Vùng hoạt lò BWR tương tự như lò PWR không đồng nhất và được

tập hợp từ các bó nhiên liệu đặt sát nhau trong giỏ vùng hoạt So với lò PWR cùng công suất, kích thước vùng hoạt của lò BWR lớn hơn

Hình 8 Thùng lò nước sôi - BWR Bảng 5 Một số thông số chính của loại lò BWR - 1100 MWe

Thông số BWR

Đường kính phía trong thùng lò 6,375 m

Chiều cao thùng lò 23,0 m Vật liêu thùng lò ASME SA-533 GrB class 1 Trọng lượng thùng lò 793 t

Chiều cao/dài vùng hoạt 3,71 m

Độ giàu nhiên liệu 2,2%

Số bó nhiên liệu 764 Đường kính thanh nhiên liệu 13 mm

Chiều dài thanh nhiên liệu 3,71 m Tổng chiều dài bó nhiên liệu 4,46 m Vật liệu ống thanh nhiên liệu Zircaloy-2 Trọng lượng nhiên liệu 142 t

Hình 9 Các bó nhiên liệu và thanh điều khiển của lò BWR

Các thanh nhiên liệu của lò BWR về hình thức cũng giống như các thanh nhiên liệu của lò PWR, chỉ khác là chúng có đường kính to hơn và vỏ bọc dày hơn Các bó nhiên liệu của lò BWR được bọc trong hộp kín hoàn toàn, không đục lỗ để loại trừ các dòng chảy ngang

Do đặc thù của sơ đồ công nghệ khác với lò PWR, các hệ thống điều khiển

và bảo vệ của lò BWR được bố trí ở phần dưới của lò và trong thành phần của hệ thống điều khiển có sử dụng các bơm để thay đổi lưu lượng nước tuần hoàn qua vùng hoạt để điều chỉnh công suất lò Động cơ của các thanh điều khiển và bảo

vệ nằm ngoài vỏ thùng lò và luôn có năng lượng dự trữ để thắng lực trọng trường

và đưa các thanh này vào vùng hoạt khi bị mất điện cấp

Ưu điểm cơ bản của nhà máy ĐHN với lò BWR là có sơ đồ công nghệ một vòng, nhờ vậy cấu trúc đơn giản và tính kinh tế cao vì các thông số của hơi nước trước khi vào tuốc bin và ở trong lò gần như bằng nhau (chỉ hơn kém nhau ở phần tiêu hao trên đường ống) Nhược điểm cơ bản của nhà máy với lò BWR là tất cả thiết bị phải làm việc trong điều kiện có phóng xạ, do vậy, việc vận hành phức tạp hơn và lượng chất thải phóng xạ cũng nhiều hơn

5 Lò nước nặng PHWR

Phần lớn các lò PHWR (Pressurized Heavy-Water-moderated Reactor) có cấu hình tiêu chuẩn như nhau Lò có 380 kênh công tác nằm ngang được sắp xếp trong ô mạng hình vuông Thiết bị điều khiển, thiết bị dập lò và các thiết bị đo trong vùng hoạt đều nằm trong ống được bố trí thẳng đứng hay nằm ngang (xen

kẽ giữa các kênh nhiên liệu) Môi trường làm việc là nước nặng có áp suất thấp, nhiệt độ thấp

Hình 10 Các bó nhiên liệu và kênh ngang của lò PHWR Vùng hoạt được bao bọc trong một bể kín bằng thép, hình trụ, nằm ngang, gọi là bể calandria Đến lượt mình, bể calandria lại nằm trong một khoang bê tông kín chứa đầy nước nhẹ Mỗi kênh công tác là một ống lồng, ống ngoài gọi là

ống calandria làm bằng zircaloy Ống trong gọi là ống chịu áp, chứa 12 bó nhiên liệu và nước nặng tải nhiệt, ống này làm bằng hợp kim zirconi-niobi Các kênh công tác nằm ngang song song với trục và xuyên qua bể calandria

Khoảng không giữa ống chịu áp và ống calandria trong mỗi kênh công tác

là khí CO2 Chất tải nhiệt là nước nặng chảy trong kênh nhiên liệu (kênh chịu áp) tải nhiệt sinh ra từ phản ứng hạt nhân về máy sinh hơi Nước nặng trong bể calandria được sử dụng để làm chậm nơtron nhanh sinh ra từ phản ứng phân hạch Chất làm chậm là nước nặng tuần hoàn liên tục qua bể calandria và máy trao đổi nhiệt để giải phóng nhiệt sinh ra trong chất làm chậm khi lò làm việc Các cơ cấu trên đầu vào và đầu ra bảo đảm cho việc phân bố nhiệt độ của chất tải nhiệt trong bể calandria được đồng đều, áp suất trên bề mặt của nước nặng lớn hơn áp suất khí quyển một ít

Hình 11 Sơ đồ công nghệ của lò nước nặng PHWR

Hệ thống chất làm chậm nơtron độc lập hoàn toàn với hệ thống tải nhiệt lò phản ứng Hệ thống này bao gồm hai bơm và hai máy trao đổi nhiệt và nối với:

- Hệ thống làm sạch nước nặng;

- Hệ thống khí trên bề mặt nước nặng;

- Hệ thống chất lỏng gây nhiễm độc dập phản ứng hạt nhân;

- Hệ thống lấy mẫu;