Hệ thống an toàn thụ động trong nhà máy điện hạt nhân mới

Việc áp dụng triệt để nguyên lý an toàn thụ động trong thiết kế NMĐHN có phải là giải pháp tin cậy tuyệt đối để giải quyết vấn đề an toàn, đặc biệt khi xảy ra các sự cố tương tự như đã xảy ra tại Fukushima? Hay nên chăng cần cân nhắc một cách thận trọng về việc sử dụng một cách hài hòa cả hệ thống chủ động và thụ động trong thiết kế. Bài viết này sẽ đưa ra một góc nhìn về những vấn đề cần quan tâm khi xem xét hệ thống an toàn thụ động trong nhà máy điện hạt nhân.

Nghiên cứu Trao đổi HỆ THỐNG AN TOÀN THỤ ĐỘNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN MỚI Nguyễn An Trung, Trần Dương natrung@varans.vn; tduong@varans.vn Phịng An tồn hạt nhân, Cục An toàn xạ hạt nhân Vào năm thập niên 80, ý tưởng việc áp dụng nguyên lý an toàn thụ động đặt với mục tiêu đơn giản hóa giảm thiểu chi phí thiết kế nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) Năm 1991, Hội nghị “An toàn lượng hạt nhân: chiến lược cho tương lai” IAEA tổ chức thống việc sử dụng hệ thống an toàn thụ động NMĐHN cách tiếp cận nhằm đơn giản hóa tăng cường độ tin cậy chức an tồn Hiện nay, hệ thống an toàn thụ động áp dụng phổ biến lò phản ứng hạt nhân tiên tiến hệ III III+ AP1000, VVER 1200, EPR, v.v dự kiến ứng dụng lò phản ứng hệ IV Với điều kiện hoàn cảnh Việt Nam, đặc thù khoa học cơng nghệ chưa phát triển mạnh, tính kỷ luật, văn hóa cơng nghiệp, văn hóa an tồn chưa cao, nhiều chuyên gia Việt Nam cho cần xem xét yếu tố mức độ áp dụng nguyên lý an toàn thụ động ưu tiên xem xét, lựa chọn công nghệ cho Dự án ĐHN Ninh Thuận Vậy việc áp dụng triệt để nguyên lý an tồn thụ động thiết kế NMĐHN có phải giải pháp tin cậy tuyệt đối để giải vấn đề an toàn, đặc biệt xảy cố tương tự xảy Fukushima? Hay nên cần cân nhắc cách thận trọng việc sử dụng cách hài hòa hệ thống chủ động thụ động thiết kế Bài viết đưa góc nhìn vấn đề cần quan tâm xem xét hệ thống an toàn thụ động nhà máy điện hạt nhân Tổng quan hệ thống an toàn thụ động Bộ phận thụ động phận mà chức khơng phụ thuộc vào nguồn bên ngồi kích hoạt, cấu dẫn động hay nguồn điện cấp Hệ thống an toàn thụ động hệ thống cấu thành phận thụ động cấu trúc sử dụng phận chủ động (như sử dụng ắc-quy lắp sẵn) để kích hoạt phận thụ động [1] Các chế thường sử dụng để thiết kế hệ thống an toàn thụ động là: đối lưu tự nhiên, trọng lực, khí nén, trao đổi nhiệt hóa hơi, tượng giãn nở nhiệt chất lỏng khí Hệ thống an tồn thụ động chia thành nhóm theo mức độ thụ động Hệ thống có mức độ thụ động cao khơng có nghĩa ưu việt hệ thống có mức độ thụ động thấp thiết kế, khác phân loại phản ánh mức độ áp dụng nguyên tắc an toàn thụ động Áp dụng nguyên lý an toàn thụ động cho số NMĐHN 42 Tập san Thông tin pháp quy hạt nhân số 3/2014| VARANS Dưới viết trình bày việc áp dụng nguyên lý an tồn thụ động cho số cơng nghệ dự kiến xây dựng Việt Nam cho dự án Điện hạt nhân Ninh Thuận, gồm AP1000, ATMEA1, VVER-1200 AP1000 AP1000 lò phản ứng nước áp lực thiết kế Tập đồn Westinghouse có cơng suất điện 1100 MW Lị AP1000 áp dụng triệt để ngun lý an tồn thụ động cho hệ thống an toàn dựa nguyên lý trọng lực, khí nén, đối lưu tự nhiên tượng hóa để làm mát lâu dài trường hợp xảy cố Một số hệ thống an tồn thụ động sử dụng lị AP1000 nêu Bảng Bảng Một số hệ thống an tồn thụ động lị AP1000 Hệ thống an toàn thụ động Chức Nguyên lý thụ động Hệ thống tải nhiệt dư thụ động (PRHR) Tải nhiệt dư từ vùng hoạt Đối lưu tự nhiên Bể bù nước vùng hoạt (CMT) Có chức tương tự hệ thống phun an toàn áp suất cao lò nước áp lực truyền thống Đối lưu tự nhiên Hóa Trọng lực Hệ thống giảm áp tự động bốn giai đoạn (ADS) Gồm van xả để giảm áp vịng sơ cấp Sử dụng van kích nổ (squib van) Bể tích nước thụ động (ACC) Tương tự bể tích nước thụ động Trọng lực lị nước áp lực truyền thống Khí nén (dùng ni tơ) Bể chứa nước thay đảo nhiên liệu boong-ke lò (IRWST) Dùng cho thay đảo nhiên liệu; Có chức tương tự hệ thống tiêm an toàn áp suất thấp lò nước áp lực truyền thống Trọng lực Hệ thu nước boong-ke lò (CS) Gom nước ngưng tụ boong-ke đưa trở lại vòng sơ cấp Đối lưu tự nhiên Trọng lực Hệ thống làm mát boong-ke lò thụ động (PCCS) Làm mát boong-ke lò Đối lưu tự nhiên Hóa Trọng lực Hệ thống dừng lị khẩn cấp (SCRAM) Dừng khẩn cấp lò phản ứng Trọng lực ATMEA1 ATMEA1 lò phản ứng thiết kế chủ yếu dựa hệ thống an toàn chủ động Lò ATMEA1 sử dụng hai hệ thống thụ động bình tích áp tiên tiến (Advanced ACC) hệ thống dừng lị khẩn cấp (SCRAM) Bên cạnh tính bình tích áp lị PWR truyền thống, 43 Tập san Thông tin pháp quy hạt nhân số 3/2014| VARANS bình tích áp tiên tiến sử dụng lị ATMEA1 sở hữu tính hệ thống bơm cấp nước thấp áp có cố LOCA lớn Với hệ thống dẫn động điều khiển (CRMD), nguồn điện, điều khiển (RCC) đưa vào bên tác dụng trọng lực VVER-1200/AES-2006 Hiện tại, có hai phiên cơng nghệ lị VVER-1200/AES-2006 V-392M (được thiết kế tập đoàn Atomenergoproekt, trụ sở Moscow cho nhà máy điện hạt nhân Novovoronezh) V-491 (được thiết kế tập đoàn Atomenergoproekt, trụ sở St Petersburg cho nhà máy điện hạt nhân Leningrad) Thiết kế hai phiên có vài điểm khác biệt việc sử dụng hệ thống an toàn thụ động, cụ thể nêu Bảng Bảng So sánh việc sử dụng số hệ thống an toàn thụ động phiên công nghệ VVER-1200 Hệ thống V-392M V491 Hệ thống cấp Boron nhanh thụ động có có Hệ thống làm ngập vùng hoạt thụ động HA-1 có có Hệ thống làm ngập vùng hoạt thụ động HA-2 có khơng Hệ thống thụ động trì áp suất thấp hành lang boong-ke lị có có Hệ thống tải nhiệt dư thụ động thơng qua bình sinh Bẫy vùng hoạt thụ động có, sử dụng trao đổi nhiệt làm mát khí có, sử dụng 18 trao đổi nhiệt làm mát nước có có Chức chế thụ động hệ thống an tồn thụ động sử dụng cơng nghệ lị VVER-1200/AES-2006 tóm tắt trongBảng Bảng Một số hệ thống an tồn thụ động cơng nghệ lị VVER-1200/AES-2006 Hệ thống Chức Cơ chế thụ động Hệ thống cấp Boron nhanh thụ động Dự phòng cho hệ thống dừng lò khẩn cấp điều khiển Axit Boric chứa bể nén áp Hệ thống làm ngập vùng hoạt thụ động HA-1 Duy trì lượng nước vùng hoạt áp suất cao trung bình Trọng lực Khí nén Hệ thống làm ngập vùng hoạt thụ động HA-1 Duy trì lượng nước vùng hoạt áp suất thấp Trọng lực Đối lưu tự nhiên Hóa 44 Tập san Thơng tin pháp quy hạt nhân số 3/2014| VARANS Hệ thống thụ động trì áp suất thấp hành lang boong-ke Thơng gió trì áp suất âm hành lang boong-ke Hệ thống tải nhiệt dư thụ động thơng qua bình sinh Tải nhiệt dư vùng hoạt Đối lưu tự nhiên qua bình sinh Bẫy vùng hoạt thụ động Giam giữ làm mát vùng hoạt nóng chảy Trọng lực Ưu điểm hệ thống an toàn thụ động Hệ thống an tồn thụ động hấp dẫn tính đơn giản kinh tế, giảm thiểu ảnh hưởng thao tác sai nhân viên vận hành, giảm phụ thuộc vào nguồn cấp điện bên (một vấn đề đặt sau Fukushima) độ tin cậy cao so với hệ thống chủ động [2] 3.1 Tính đơn giản kinh tế Hệ thống an toàn thụ động phần lớn cấu thành từ phận thụ động nên khơng cần nguồn điện cấp Việc sử dụng hệ thống thụ động góp phần giảm thiểu đáng kể chi phí liên quan tới lắp đặt, bảo dưỡng hoạt động so với hệ thống chủ động cần nhiều bơm với nguồn điện cấp có tính độc lập dự phịng Việc sử dụng hệ thống an toàn thụ động nhà máy điện hạt nhân AP1000 minh chứng cụ thể cho tính đơn giản kinh tế hệ thống an toàn thụ động Số lượng van an toàn, bơm, đường ống liên quan tới an toàn, dây cáp điện lượng cơng trình thiết kế kháng chấn trình bày Bảng [3] Tuy nhiên, cần lưu ý tính đơn giản kinh tế hệ thống an tồn thụ động có hiệu thiết kế tốt tối ưu, độ tin cậy khả thực chức an toàn hệ thống cần đặt yếu tố kinh tế Bảng Mức tiết kiệm sử dụng hệ thống an toàn thụ động Bộ phận Van an toàn Bơm Đường ống an toàn Dây điện Lượng cơng trình cần thiết kế kháng chấn PWR 1000 MW điển hình AP1000 Mức tiết kiệm 2.844 1.400 51 % 280 184 34 % 33.528 m 5.791,2 m 83 % 2.773.680 m 365.760 m 87 % 359.624 m3 158.574 m3 56 % 3.2 Tăng thời gian ân hạn cho nhân viên vận hành giảm thiểu sai sót nhân viên vận hành 45 Tập san Thông tin pháp quy hạt nhân số 3/2014| VARANS Các hệ thống an tồn thụ động khơng cần tín hiệu đầu vào để kích hoạt hoạt động hệ thống Các phận chủ động, có, nhằm kích hoạt hệ thống sử dụng nguồn lượng dự trữ khí nén, ắc-qui, nước chứa cao… Do đó, chúng có khả gia tăng thời gian ân hạn cho nhân viên vận hành giảm thiểu sai sót thao tác tức thời nhân viên vận hành Thời gian ân hạn cho nhân viên vận hành lò AP1000 (72 h) lớn nhiều so với thời gian ân hạn lò PWR truyền thống (thông thường 30 phút) Với ưu điểm này, hệ thống an toàn thụ động sử dụng giảm thiểu hậu cố nghiêm trọng Tất thiết kế NMĐHN hệ tập trung vào cải thiện khả giam giữ phóng xạ bên boong-ke lị trường hợp xảy cố nghiêm trọng (yêu cầu Thụy sỹ đề xuất bổ sung vào Công ước An toàn hạt nhân Phiên họp đánh giá lần 6, tháng 4/2014) Nguyên lý an toàn thụ động tận dụng “mảnh đất” bao gồm việc tải nhiệt cho boong-ke lị, kiểm sốt hydro sinh ra, làm mát vùng hoạt nóng chảy hay ngăn chặn việc nóng chảy bê-tông [8] 3.3 Độ tin cậy cao Cộng đồng an toàn hạt nhân giới đồng ý quan điểm cho rằng, bản, khả sai hỏng hệ thống thụ động (các ống, thùng chứa, v.v.) nhỏ tính đơn giản thiết kế hệ thống Các vấn đề cần lưu ý sử dụng hệ thống an toàn thụ động 4.1 Tính kiểm chứng Hệ thống an tồn thụ động nghiên cứu phát triển thời gian gần Do đó, khả kiểm chứng dựa kinh nghiệm vận hành hệ thống thụ động khơng cao so với hệ thống an tồn chủ động AP1000 lị phản ứng điển hình sử dụng triệt để nguyên lý an toàn thụ động, nhiên chưa có lị phản ứng AP1000 vận hành thực tế Van Squib sử dụng lò phản ứng AP1000 phận thụ động sử dụng nhiều lĩnh vực hàng không vũ trụ Tuy nhiên, theo khuyến cáo Cơ quan pháp quy hạt nhân Anh, việc bảo đảm van hoạt động tốt tin cậy nhà máy điện hạt nhân để ngỏ [5] Vai trò nhân viên vận hành quản lý cố NMĐHN sử dụng hệ thống thụ động chủ động cần làm rõ 4.2 Cần thiết đánh giá quan pháp quy hạt nhân Năng lực quan pháp quy việc thẩm định an toàn độ tin cậy hệ thống an toàn thụ động cần xem xét Khác với hệ thống an toàn chủ động, độ tin cậy hệ thống không phụ thuộc vào độ tin cậy phận mà phụ thuộc vào độ xác tính tốn tượng vật lý (chủ yếu tượng thủy nhiệt động) [7] Do việc đánh giá độ tin cậy hệ thống an toàn thụ động cần sử dụng quy trình khác so với quy trình đánh giá độ tin cậy hệ thống an toàn chủ động Sai số tính tốn tượng thủy nhiệt động thiết kế hệ thống an toàn thụ động vấn đề nước nghiên cứu Năm 1999, Phần Lan đề xuất yêu cầu đánh giá độ tin cậy hệ thống an tồn thụ động Mục tiêu lập bảng phương pháp đánh giá độ tin cậy hệ thống thủy nhiệt an toàn thụ động nhằm hỗ trợ công tác cấp phép xây 46 Tập san Thông tin pháp quy hạt nhân số 3/2014| VARANS dựng qui định pháp quy Phần Lan Theo đề xuất Phần Lan, Liên minh Châu Âu khởi động dự án nghiên cứu “Phương pháp xác định độ tin cậy hệ thống an toàn thụ động (RMPS)” Tại hội nghị tổng kết kết dự án RMPS [4], hầu hết quan pháp quy nước thành viên xác nhận không đủ thông tin kinh nghiệm để cấp phép nhà máy có hệ thống an toàn thụ động Hiện tại, quan pháp quy nước chưa có nhiều kinh nghiệm việc đánh giá an toàn hệ thống an toàn thụ động Với yếu tố vậy, quan pháp quy hạt nhân cần bảo đảm đơn vị xin cấp phép đánh giá đúng, đầy đủ xác độ tin cậy hệ thống an tồn thụ động phân tích an tồn xác suất (PSA) 4.3 Thận trọng với sai hỏng Về bản, so với hệ thống chủ động, hệ thống an tồn thụ động có độ tin cậy cao Tuy nhiên, khơng có nghĩa hệ thống an tồn thụ động khơng có khả sai hỏng (Westinghouse đánh giá khả sai hỏng van Squib 5.8E-4 Cơ quan pháp quy hạt nhân Mỹ (US.NRC) cho khả sai hỏng van Squib cao dựa vào liệu kiểm tra thực nghiệm [6]) Thậm chí độ tin cậy hệ thống an tồn thụ động thấp hệ thống an toàn chủ động thiết kế tuân thủ tốt yêu cầu an toàn Ngoài hệ thống an toàn chủ động sử dụng nhiều tín hiệu để kiểm sốt cho phép thực chức an toàn xác hơn, điều đặc biệt quan trọng quản lý cố Hệ thống an toàn thụ động hầu hết thiết kế dựa “lực yếu” (như lực trọng trường) “tương tác yếu” (như đối lưu tự nhiên, giãn nở nhiệt truyền nhiệt hóa hơi) Do đó, cần thận trọng q trình thiết kế, phân tích đánh giá hệ thống an tồn thụ động khả hiệu thực chức an tồn chúng bị ảnh hưởng yếu tố như: (i) tích tụ đóng cặn mảnh vụn tạp chất ngăn cản dịng chảy, dịng khí; (ii) giảm hệ số trao đổi nhiệt trình bám bẩn bề mặt, lão hóa vật liệu; (iii) biến dạng ống dẫn điều khiển ngăn cản trình rơi tự điều khiển Trong Báo cáo Đánh giá nhóm AP1000 Oversight Group nêu Báo cáo SECY-110137, ngày 3/10/2011 [9] đưa vấn đề xảy tác động mảnh vỡ từ vụ nổ nhà máy địa điểm tới khả tải nhiệt boong-ke lò AP1000: khả mở van cho phép bể nước hệ thống làm mát thụ động xả xuống boong-ke lò, tắc lỗ tịa nhà che bên ngồi boong-ke loại bỏ hay làm giảm khả tải nhiệt từ boong-ke lò Hoạt động kiểm tra bảo dưỡng sau lắp đặt hệ thống an toàn thụ động vấn đề cần quan tâm Hệ thống an tồn thụ động có khả sai hỏng khả hoạt động chúng bị ảnh hưởng sai sót thiết kế, chế tạo biến đổi thông số thiết kế theo thời gian lão hóa vật liệu, bám bẩn mặt, tích tụ đóng cặn mảnh vụn tạp chất Việc kiểm tra, thử nghiệm hoạt động hệ thống an tồn thụ động mơi trường cố, đặc biệt cố nghiêm trọng, tiếp tục nghiên cứu khả kiểm tra, thử nghiệm điều kiện thực tế cố cịn nhiều hạn chế 47 Tập san Thơng tin pháp quy hạt nhân số 3/2014| VARANS 4.4 Yêu cầu tính dự phịng đa dạng Hệ thống an tồn thụ động khơng có nghĩa kinh tế hệ thống an toàn chủ động [4] Để nâng cao độ tin cậy nhà máy, hệ thống an tồn chủ động lắp hệ thống an tồn thụ động để đảm bảo tính dự phịng đa dạng Trong trường hợp này, việc sử dụng hệ thống an tồn thụ động kinh tế việc sử dụng hoàn toàn hệ thống an tồn chủ động Sử dụng hài hịa hệ thống an tồn chủ động thụ động Khơng có công nghệ NMĐHN áp dụng cách tuyệt đối có ngun lý chủ động hay thụ động Ví dụ hệ thống làm mát khẩn cấp sử dụng hầu hết lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ áp dụng nguyên lý thụ động (trong bình cấp nước khẩn cấp-Accumulator) chủ động (các bơm thấp áp cao áp hệ thống phun nước an tồn) Thậm chí thiết kế APWR Misubishi cịn đơn giản hóa, nâng cao tính kinh tế tính độc lập với nguồn điện có cố cách sử dụng bình tích áp tiên tiến thụ động sở hữu tính hệ thống bơm cấp nước thấp áp có cố LOCA lớn bổ sung cho tính bình tích áp lị PWR truyền thống Việc sử dụng hài hòa hai nguyên lý dựa việc xem xét cách thận trọng ưu điểm nhược điểm, ảnh hưởng chúng lên tổng thể hệ thống tổng chi phí [8] Quyết định sử dụng nguyên lý phụ thuộc vào chức hệ thống Đặc biệt hệ thống có vai trị quan trọng việc giảm thiểu hậu cố nghiêm trọng mà lắp đặt khu vực có phóng xạ cao (như hệ thống làm mát boong-ke lò đặt bên boong-ke lị) xem xét áp dụng ngun lý thụ động khơng thể tiếp cận vào khu vực đặt thiết bị để thực công tác bảo dưỡng suốt thời gian vận hành nhà máy Mọi hệ thống an toàn, thụ động hay chủ động dựa quan điểm bảo vệ theo chiều sâu Khơng có xung đột việc sử dụng hệ thống chủ động thụ động Hệ thống thụ động kết hợp với hệ thống chủ động đảm bảo tính đa dạng tăng cường mức độ an tồn cho lị phản ứng hạt nhân tiên tiến Kết luận Hệ thống an toàn thụ động rõ ràng có ưu điểm thiết kế đơn giản (đồng nghĩa với việc thuận lợi cơng tác bảo dưỡng, kiểm tra), tính kinh tế, giảm phụ thuộc vào nguồn điện trường hợp xảy cố, tăng độ tin cậy với việc giảm phụ thuộc vào thao tác nhân viên vận hành Tuy nhiên, tính kiểm chứng, yêu cầu tính đa dạng dự phòng, độ tin cậy hệ thống, khả thực chức an toàn xảy cố vấn đề nhiều tranh cãi Trong nhiều trường hợp cịn thiếu cơng cụ phân tích an tồn tin cậy, kinh nghiệm vận hành để đánh giá, kiểm tra hoạt động hệ thống điều kiện cố thực tế Bên cạnh đó, kinh nghiệm thẩm định cho hệ thống an toàn thụ động quan pháp quy hạt nhân tổ chức hỗ trợ kỹ thuật nước nhiều hạn chế 48 Tập san Thông tin pháp quy hạt nhân số 3/2014| VARANS Để giảm bớt phụ thuộc vào yếu tố “bất định” này, việc kết hợp cách hài hòa nguyên lý thụ động chủ động thiết kế NMĐHN cần xem xét cách thận trọng, đặc biệt quốc gia bắt đầu chương trình điện hạt nhân Việt Nam Tài liệu tham khảo [1] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY Safety Related Terms for Advanced Nuclear Plants IAEA-TECDOC-626, Vienna (1991) [2] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY Passive Safety Systems and Natural Circulation in Water Cooled Nuclear Power Plants IAEA-TECDOC-1624, Vienna (2009) [3] HASHIM Muhammad, YOSHIKAWA Hidekazu, YANG Ming Addressing the fundamental issues in reliability evaluation of passive safety of AP1000 for a comparison with active safety of PWR 2013 [4] Commissariat l’Energie Atomique (CEA), France PASSIVE SYSTEM RELIABILITY - A Challenge to Reliability Engineering and Licensing of Advanced Nuclear Power Plants NEA/CSNI/R(2002)10, France (2002) [5] Health and Safety Executive (HSE), England Squib valve concept and design substantiation GI-AP1000-ME-01 Revision 1, HSE (2011) [6] Jeffrey Jacobson, NRO/DCIP Issues Identified With Design Verification of AP1000 Squib Valves ML13043A082, US.NRC (2013) [7] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY Technical Feasibility and Reliability of Passive Safety Systems for Nuclear Power Plants IAEA-TECDOC-920, Vienna (1996) [8] INTERNATIONAL ATOMIC ENERGY AGENCY Balancing Passive and Active systems for evolutionary water cooled reactors IAEA-SM-353-18, International symposium on evolutionary water cooled reactors: strategic issues, technologies and economic viability [9] Báo cáo Đánh giá nhóm AP1000 Oversight Group nêu Báo cáo SECY-11-0137, ngày 3/10/2011 49 Tập san Thông tin pháp quy hạt nhân số 3/2014| VARANS ... Một số hệ thống an toàn thụ động sử dụng lò AP1000 nêu Bảng Bảng Một số hệ thống an toàn thụ động lị AP1000 Hệ thống an tồn thụ động Chức Nguyên lý thụ động Hệ thống tải nhiệt dư thụ động (PRHR)... chế thụ động hệ thống an toàn thụ động sử dụng cơng nghệ lị VVER-1200/AES-2006 tóm tắt trongBảng Bảng Một số hệ thống an toàn thụ động cơng nghệ lị VVER-1200/AES-2006 Hệ thống Chức Cơ chế thụ động. .. VARANS 4.4 u cầu tính dự phịng đa dạng Hệ thống an tồn thụ động khơng có nghĩa kinh tế hệ thống an toàn chủ động [4] Để nâng cao độ tin cậy nhà máy, hệ thống an tồn chủ động lắp hệ thống an toàn