5. Các bƣớc thực hiện đề tài
3.1.4 Lò hạt nhân thế hệ IV
Lò hạt nhân thế hệ IV đ ang được 10 nước chung sức nghiên cứu trong khuôn khổ Hiệp định Forum International Generation (FIG), do Mỹ đề xướng từ năm 2000 với 6 kiểu lò (3 lò nơtron nhanh, 3 lò nhiệt) đã được lựa chọn.
Các lò tương lai này có khuynh hướng tiến tới chu kỳ kín, nghĩa là các lò phải có khả năng đốt cháy phần lớn chất thải (lò nhanh) để đáp ứng 4 tiêu chuẩn chính là tiết kiệm tài nguyên; tiết kiệm về chu kỳ nhiên liệu; hạn chế chất thải phóng xạ; hạn chế sự lan rộng vũ khí nguyên tử.
Vì đang trong thời kỳ phôi thai, nên phần lớn các lò này, trên lý thuyết là an toàn hơn, nhưng chưa thể xuất hiện trên thị trường trước những năm 2035-2040, ngoại trừ một phiên bản của lò phản ứng nhiệt độ rất cao (VHTR) và được gọi là Nhà máy hạt nhân thế hệ mới (NGNP) sẽ được hoàn thành trong năm 2021.
3.2.CÁCH THIẾT KẾ MỘT LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN AN TOÀN
Do có nhiều chất phóng xạ nguy hiểm ở trong lò, nên lò phản ứng hạt nhân được thiết kế rất công phu, nhằm đảm bảo các chất nguy hiểm đó vẫn được “nhốt chặt” bên trong thiết bị, bên trong nhà máy và không thoát được ra bên ngo ài, nếu xảy ra tai nạn.
Nguyên tắc quan trọng trước hết là không để xảy ra tai nạn. Để được điều này, điều chủ yếu là phòng chống tới mức tối đa những rủi ro có khả năng xảy ra tai nạn như hỏng hóc hoặc hư hại máy móc, thiết bị.
Thiết kế đầy đủ, chính xác thực hiện công tác quản lý chất lượng nghiêm ngặt và kiểm tra theo dõi thường xuyên để phòng ngừa những phát sinh bất thường và sai xót, hỏng hóc.Ở nhà máy, khi vận hành bình thường, thì hầu như không cần những thao tác trực tiếp của nhân viên, tình trạng các bộ phận của lò phản ứng được tổng hợp và hiển thị ở phòng điều khiển trung tâm, để các nhân viên vận hành có thể thường xuyên đánh giá tình trạng hoạt động của lò một cách chính xác. Hơn nữa, để tránh những thao tác sai hoặc nhầm lẫn gây ảnh hưởng lớn đến an toàn, lò phản ứng được thiết kế với hệ thống an toàn 2 lần (Fail Safe System), hệ thống kho á liên động (Interlock System).
Hệ thống an toàn 2 lần (Fail Safe System) là hệ thống được thiết kế dựa trên nguyên tắc, nếu một bộ phận của hệ thống hỏng hóc, thì lập tức chuyển sang trạng thái an toàn. Ví dụ, khi mất điện, thì ngay lập tức thanh điều khiển được tự động đưa vào.
Hệ thống khoá liên động (Interlock System) là hệ thống được thiết kế để phòng chống trục trặc, sự cố phát sinh do thao tác nhầm lẫn, ví dụ như nhân viên vận hành nhầm lẫn định rút thanh điều khiển ra thì không thể rút được.
Điều quan trọng tiếp theo là nếu phát sinh trục trặc bất thường, thì không để sự cố lan rộng. Người ta áp dụng những đối sách an toàn sau:
3.2.1.Thiết kế để có thể phát hiện sớm những bất thƣờng
Ở nhà máy, để có thể phát hiện và kiểm tra được những bất thường như trường hợp rò rỉ từ hệ thống ống dẫn ngay khi mới phát sinh và ở mức độ nhỏ, người ta lắp đặt các thiết bị kiểm tra giám sát tự động và khi c ần thiết sẽ áp dụng những biện pháp thích hợp như ngừng lò phản ứng.
44
3.2.2.Thiết kế để có thể ngừng lò khẩn cấp
Khi phát hiện thấy có bất thường như áp lực trong lò phản ứng đột ngột tăng cao cần áp dụng biện pháp khẩn cấp, người ta lắp đặt các thiết bị phát hiện và thiết bị ngừng lò khẩn cấp để có thể cùng một lúc cho các thanh điều khiển vào lò phản ứng và ngừng tự động lò phản ứng. Các thiết bị quan trọng có đủ độ tin cậy, nhiều tầng và độc lập. Công phu tới mức lắp đặt cả thiết bị mà trong trường hợp hy hữu thanh điều khiển không hoạt động thì ngay lập tức một lượng lớn dung dịch axit boric có khả năng hấp thụ nơtron sẽ được rót và để ngừng lò phản ứng.
3.2.3.Thiết kế phòng chống rò rỉ chất phóng xạ-“làm lạnh, nhốt chặt”
Để đề phòng khả năng tai nạn như nước tải nhiệt sơ cấp bị tổn thất, mất mát thì người ta lắp đặt hệ thống thiết bị làm lạnh tâm lò phản ứng (vùng hoạt) khẩn cấp (ECCS:Emergency Core Cooling System) và thùng chứa lò phản ứng (Reactor Contaiment Vessel). Khi sự cố xảy ra, cùng với việc xả nước làm nguội lò phản ứng thì hệ thống phun hơi của thùng lò chứa lò sẽ làm lạnh và hóa lỏng hơi nước tho át ra thùng chứa lò, làm giảm áp lực trong thùng chứa lò và giảm thiểu nhanh chóng chất phóng xạ ở dạng khí.
3.3.MỘT SỐ TAI NẠN CỦA CÁC NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
TRÊN THẾ GIỚI
3.3.1.Tai nạn nhà máy điện hạt nhân Chernobyl ở Liên Xô cũ hay Ukraine
Trong đêm 25 rạng sáng 26 tháng 4 năm 1986, một tai nạn bi thảm nhất thế giới đã xảy ra ở nhà máy điện dân sự hạt nhân Chernobyl ở Liên Xô cũ hay Ukraine. Nhà máy điện hạt nhân này ở về phía Bắc cách thành phố Kiev 80 dậm. Nhà máy có 4 lò phản ứn g. Đúng 1 giờ 23 phút sáng, các phản ứng phát hiện dây chuyền hoàn toàn không còn kiểm soát được và kết quả là nhiều tiếng nổ lớn cùng những cột lửa thoát ra từ cửa lò hạt nhân số 4.
Có 30 nạn nhân chết ngay tức khắc. Hàng ngàn nhân viên cấp cứu tự nguyện cũng đã bị chết tiếp sau đó.
Người ta đánh giá lượng phóng xạ mà những cư dân này phải nhận là 16.000 sievert, nếu tính bình quân thì mỗi người nhận 120mSv và cao hơn khoảng 50 lần so với lượng phóng xạ nhận từ tự nhiên (khoảng 2,4 mSv).
Phóng xạ không những ảnh hưởng ở vùng xảy ra tai nạn mà còn lan rộng sang Belarus, Liên Xô cũ, Ba Lan, Thụy Điển, Đức, Thổ Nhĩ Kỳ và nhiều quốc gia khác nữa.
Tổng kết dài hạn, kết quả cho thấy có khoảng 150.000 trẻ em có nguy cơ bị ung thư tuyển giáp trạng, và 800 ngàn người bị ung thư máu. Trên 2 triệu rưởi đất hoàn toàn bị hoang hoá, chiếm 20% diện tích đất canh tác của Ukaina. Ngoài nhân mạng và đất đai không thể sử dụng, vùng đất hoang phế này phải cần đến khoảng 200 tỷ USD để có thể xử lý và cải thiện môi trường.
Nếu nhìn tai nạn này từ góc độ chuyên môn thì có thể đánh giá như sau: - Sự khuyết điểm của hệ thống quản lý
- Sự khuyết điểm của chức năng đóng kín các chất phóng xạ, không có vỏ lò phản ứng.
- Vi phạm nguyên tắc vận hành, nhân viên vận hành thiếu kiến thức. Tai nạn được lý giải bởi một số nguyên nhân chính sau:
Nguyên nhân thứ nhất: Trên nguyên tắc khi bắt đầu thử nghiệm. thì tất cả hệ thống điện phải được đình chỉ, trừ nguồn điện dự phòng cho việc vận hành hệ thống an toàn trong điều kiện khẩn cấp. Nhưng khi lò phản ứng hoạt động còn khoảng 50%, hệ thống vì một lý do gì đó vẫn còn trên mạng lưới của nhà máy.
45
Nguyên nhân thứ hai: về kỹ thuật, các lò phản ứng tại đây không có hệ thống kiểm soát hay chế ngự phản ứng phát nhiệt, cũng như hệ thống làm nguội bằng nước thay vì bằng hơi nước (Đây là loại lò phản ứng hạt nhân thuộc thế hệ I), nghĩa là theo kỹ thuật từ những năm 1950.
Nguyên nhân thứ ba: sự vi phạm trầm trọng các thủ tục thử nghiệm về an toàn do nhân viên kỹ thuật phạm phải. Đó là trong quy trình an toàn vận hành, cần phải thử nghiệm các ống phản ứng trong lò.
Nguyên nhân thứ tư: nhà máy không có hệ thống liên lạc hữu hiệu giữa các bộ phận chung quanh nhà máy, do đó nhân viên làm việc ở các lò khác không được thông báo kịp thời cho nên con số nạn nhân rất cao.
- Khuyết điểm quan trọng về mặt thiết kế
Loại lò RBMK không an toàn, nhất là ở công suất nhỏ có hệ số lỗ trống dương. Không có bọc bảo vệ gia cố bên ngoài, hệ số rỗng dương.
Khi công suất thấp, lò vận hành không ổn định. Nếu công suất tăng lên mộ t chút và lượng hơi nước tăng lên thì công suất sẽ tăng lên nhanh chóng.
Công suất lò tăng làm nổ các thanh nhiên liệu, hất tung nắp lò và phá vỡ các kênh. Lúc này:
Nước + Zirconi Hydro
2H2O + Zr ZrO2 + 2H2 + Q (Q = 6530 kJ/kg)
Lượng hydro tiếp xúc với không khí gây thêm một vụ nổ thứ hai. Lò bị phá hủy và chất phóng xạ thoát ra ngoài khí quyển.
Gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe, tâm lý người dân, đến xã hội, kinh tế và chính trị
3.3.2.Tai nạn nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island của Mỹ
Vào lúc 4h sáng ngày 28 tháng 3 năm 1979, xảy ra sự cố ở nhà máy điện Three Mile Island, tiểu bang Pennsylvania của Mỹ.
Sự cố xảy ra như sau: Vì thiếu nước trong buồng sinh hơi cho nên quá trình trao đổi nhiệt giữa mạch I và mạch II không tiến triển được, do đó áp suất trong mạch I tăng lên quá mức cho phép sau vài giây. Áp suất quá cao trong mạch I dẫn đến sự cố lò ngừng hoạt động sau 9 giây kể từ sự cố ban đầu. Áp suất quá cao làm cho van của bình sinh áp RK mở và nước trong mạch I thoát ra theo lối đó. Như vậy áp suất mạch I giảm. Máy đo lại trục trặc: trên mặt đo kế, chỉ rằng nước chảy vào mạch I nhiều hơn là nước thoát ra. Ngoài ra, nhân viên vận hành lại ngừng hệ thống tải nhiệt tâm lò khẩn cấp (ECCS) đã bắt đầu vận hành tự động và van áp lực đáng lẽ cần phải được đóng khi áp lực lò phản ứng giảm lại ở trạng thái mở. Đó là một loạt các hỏng hóc của máy móc và tháo tác sai chồng chéo lên nhau. Áp suất mạch I tiếp tục giảm và khi áp suất giảm tới 1 trị số nào đó thì phát sinh những bọt hơi. Nước tiếp tục thoát ra van RK, tâm lò nóng lên. Các vỏ nhiên liệu đạt nhiệt độ 8500C rồi 1300oC. Ở những nhiệt độ như vậy hơi nước tương tác hoá học với zirconi để sinh ra oxit zirconi và H, 45% tâm lò bị nóng chảy, nước trong lò bị nhiễm xạ và từ đó thoát ra ngoài. Hydro một phần ở lại lò, một phần thoát ra ngoài để bảo vệ lò. Thùng lò phản ứng có nguy cơ bị nấu chảy làm cho những phóng xạ chảy thấm vào lòng đất.
Vì hiện tượng này là một tình huống đã được rà xét trước những biện pháp đối phó đã được bố trí ngay từ khi thiết kế nhà máy. Khi lò phản ứng bị nấu chảy thì những chất chứa trong lò sẽ ở nhiệt độ cao làm cho nền móng nhà máy bị nấu chảy. Lò phản ứng lún xuống lòng đất mang theo những chất phóng xạ chứa trong lò. Như thế những chất phóng xạ sẽ bị giam trong lòng đất và không toả ra ngoài làm nguy hại đến sức khoẻ dân chúng địa phương. Địa điểm nhà máy đã được chọn nước ngầm không chuyển những chất phóng xạ đó đi nơi khác.
46
Trong khi tai nạn xảy ra, một chút khí phóng xạ thoát ra khỏi nhà máy. Nhưng vì nhà máy đã được thiết kế trước khi khí phóng xạ thoát ra ngoài thì sẽ được phun lên cao để tỏa trên một diện tích lớn và như thế, sẽ không làm nguy hại đến dân chúng địa phương. Trong tiến trình tai nạn một chút khí phóng xạ đã được thổi lên cao như đã dự đoán. Quả nhiên, sau vài ngày hoạt tính xung quanh nhà máy có gia tăng, nhưng vẫn ở xa dưới mức an toàn.
Theo đánh giá cư dân sống trong phạm vi 80 km từ nhà máy phải nhận tia phóng xạ ở mức độ 0,01mSv trên đầu người, nhưng cũng không đáng kể nếu so với lượn g phóng xạ tự nhiên nhận trong năm (2,4mSv).
Nếu nhìn tai nạn này từ góc độ chuyên môn thì có thể đánh giá như sau: - Nhân viên vận hành phán đoán nhầm:
+ Có thể đóng van áp lực bằng tay nhưng lại không đóng trong một thời gian khá lâu.
+ Cho rằng có đủ nước trong lò.
+ Ngừng sớm thiết bị làm mát tâm lò khẩn cấp. - Nhân viên vận hành vi phạm nguyên tắc:
Vận hành khi vẫn đóng van đầu ra của bơm cấp nước phụ. - Khiếm khuyết trong thiết kế:
+ Van áp lực vẫn không được đóng lại khi áp lực giảm.
+ Nước tràn ra từ bể chứa dịch thải của toà nhà phụ dẫn nước đọng bên trong thùng chứa lò và chảy xuống sàn.
3.3.3.Tai nạn nhà máy điện hạt nhân Fukushima của Nhật Bản
Trận động đất hết sức lớn (8,9° Richter - đã làm xê dịch đảo Honshu của nước Nhật 2,4 m về hướng đông) và sóng thần kinh khủng tại vùng đông bắc Nhật Bản ngày 11/3/2011 đã gây ra thảm hoạ đang diễn biến tại nhà máy điện hạt nhân tỉnh Fukushima (cách Tokyo 250 km về phía Bắc).
Nhà máy Fukushima Daiichi có 6 lò phản ứng (trong số đó, các lò 4-5-6 ngừng vận hành trước trận động đất vì đang được kiểm tra) và nhà máy Fukushima Daini cách đó 10 km có 4 lò phản ứng. Các lò Daiichi được xây cất vào đầu những năm 70 và các lò Daini vào những năm 80 bởi các Công ty General Electric, Toshiba và Hitachi. Kiểu lò nước sôi BWR (Boiled Water Reactor) này rất phổ biến ở Nhật khác với kiểu lò nước áp suất PWR (Pressurized Water Reactor) thông dụng trên thế giới, đặc biệt ở Pháp. Hai kiểu lò này tương đối an toàn hơn lò nhà máy Tchernobyl RBMK (Reaktor Bolchoi Mochtchnosti Kanalni) của Ukraine vì có tường bêtông bọc lò rất dày (enceinte de confinement) để ngăn cản phóng xạ thoát ra ngoài.
- Lò số 1: + Diễn biến:
Vào lúc 15h36 ngày 12/3 (giờ địa phương), một vụ nổ vì khí hydro đã xảy ra tại toà nhà lò phản ứng số 1 (440 MW) của nhà máy Fukushima Daiichi. Vụ nổ làm tung bay một phần toà nhà, nhưng lò phản ứng và tường bọc lò chưa bị thiệt hại.
+ Nguyên nhân:
Cơ quan an toàn hạt nhân của Nhật thừa nhận rằng một phần tâm lò phản ứng (chứa cácthanh nhiên liệu) đã bị nóng chảy.
+ Biện pháp:
- TEPCO quyết định bơm nước biển vào lò, để tránh các thanh nhiên liệu bị nóng
chảy hoàn toàn. Biện pháp tuyệt vọng này, xem như hy sinh các lò sắp được hưu trí, vì nước biển sẽ làm gỉ vật liệu nhanh chóng.
- Để đối phó với sự cố xảy ra đối với tâm lò phản ứng, cần tiến hành theo ba bước sau : làm ngưng hoạt động lò phản ứng (được thực hiện) làm lạnh lò, và ngăn không cho chất phóng xạ thoát ra ngoài. Với những gì đã xảy ra thì việc thực hiện ở bước thứ hai và
47
bước thứ ba đều không thành công. TEPCO đã kêu gọi cơ quan nguyên tử quốc tế (IAEA) và chuyên gia Mỹ đem nước làm lạnh đặc biệt mà vẫn không có kết quả khả quan.
- Lò phản ứng số 3: + Diễn biến:
Vấn đề tương tự cũng xảy ra đối với lò phản ứng số 3 (760 MW) thuộc nhà máy Fukushima Daiichi. Và sự lo ngại này đã thực sự đến khi xảy ra hai vụ nổ tại lò phản ứng này trong ngày 14/3. Như ở lò số 1, hydro được sinh ra do tương tác với vỏ thanh nhiên liệu. Zr nóng trên 1200°C, với nước tạo ZrO2, tỏa ra 6500kj/kg Zr. Khối lượng H2 sinh ra trong lò nước sôi có thể gấp đôi so với lò áp lực ! Các chuyên gia Nhật chưa cho biết số thanh nhiên liệu bị nóng chảy và cách phân bố trong lò.
+ Nguyên nhân:
Trong trường hợp thủng lò, nhiên liệu nóng chảy vì nhiệt độ rất cao (trên 1500° - 2000°) có thể làm vỏ bọc lò bị nứt, để phóng xạ lan ra ngoài. Hiện tượng này đã được Đại học California nghiên cứu từ năm 1985. Cũng như lò phản ứng số 1, vỏ bọc lò phản ứng số 3 hình như vẫn chưa bị ảnh hưởng quan trọng.
Tuy nhiên, mối lo ngại lớn nhất lại nằm ở lò phản ứng số 2 của nhà máy này dùng nhiên liệu Mox có plutonium rất độc. Mực nước trong lò phản ứng đã xuống rất thấp,