L ỜI CẢM ƠN
1.3.3. Cấu tạo và hoạt động của bể nhiên liệu thải
1.3.3.1. Cấu trúc của bể nhiên liệu thải
Các bể nhiên liệu thải có nhiều thiết kế nhưng chúng đều mang đặc điểm chung là hầu hết chúng đều được đặt bên ngoài cấu trúc chứa lò phản ứng và có khả năng chịu áp suất cao.
Một số bể nhiên liệu thải được xây dựng bên dưới trong khi số khác lại được đặt ở trên cùng của lò phản ứng.
Đối với lò nước sôi (BWR), thùng lò được thiết kế cao hơn so với lò nước áp lực (PWR). Do đó, bể chứa nhiên liệu thải cũng được thiết kế cao hơn. Hình 1.22 là sơ đồ thiết kế chung của 22 lò BWR Mark I đang hoạt động tại Hoa Kỳ.
rod
q T
U
Bể chứa nhiên liệu thải của lò PWR được đặt trong các tòa nhà liền kề tòa nhà chứa lò phản ứng như hình 1.23. Một số nhà máy điện hạt nhân xây dựng các cấu trúc khác xung quanh bể chứa để che chắn, hạn chế nguy cơ tấn công từ góc thấp.
Thượng tầng của bể nhiên liệu thải thường xây dựng bằng thép, tòa nhà được thiết kế kiểu công nghiệp với các hệ thống cần trục (làm bằng thép công nghiệp thông thường) để di chuyển các thành phần của lò phản ứng, các bó nhiên liệu và các thùng chứa nhiên liệu. Cấu
Hình 1.22.Cấu trúc lò phản ứng G.E. Mark I BWR [21]
trúc của bể nhiên liệu thải được thiết kế có thể chịu được các cơn địa chấn lớn. Tuy nhiên, bể nhiên liệu thải không thể tránh thiệt hại khi bị các vật phóng ra từ các cơn lốc xoáy lớn (như ô tô, trụ điện thoại…) (vì lúc này có tác động đến bể dưới góc thấp – theo chiều ngang) hay khủng bố.
Một bể chứa nhiên liệu điển hình có độ sâu 40 feet (12 m) và thường có hình lập phương. Các bức tường của bể được xây dựng bằng bê tông cốt thép có độ dày từ 4-8 feet (1,2-2,4 m). Bể chứa được bọc lớp thép không gỉ dày ¼ đến ½ inch (6-13mm), lớp thép này được cố định vào bê tông bằng các đinh tán. Dưới bể là các kệ lưu trữ các bó nhiên liệu. Một số bể có ngăn riêng để chứa nhiên liệu trong quá trình nạp và dỡ nhiên liệu.
Kệ lưu trữ cao khoảng 13 feet (4m) và được đặt gần dưới cùng của bể chứa. Các giá đỡ có chân để có khoảng không gian giữa đáy kệ và sàn của bể. Ngoài ra còn có không gian giữa các thành bên của kệ và tường của bể để đảm bảo nước được tuần hoàn dễ dàng. Mức nước dày 26 feet (8 m) tính từ đỉnh kệ đến mặt nước cung cấp khả năng che chắn bức xạ đáng kể ngay cả trong quá trình vận chuyển nhiên liệu vào kệ hoặc tải nhiên liệu vào lò phản ứng (hình 1.24).
Bộ phận dỡ, vận chuyển nhiên liệu vào bể nhiên liệu thải và các bộ phận phụ trợ cho bể được bố trí như trong hình 1.25 và 1.26.
Hình 1.25. Sơ đồ khối của bể chứa nhiên liệu thải và các bộ phận phụ trợ [13]
1.3.3.2. Hệ thống làm mát trong bể nhiên liệu thải
Hệ thống làm mát chính của bể chứa nhiên liệu thải (SFPCS – Spent Fuel Pool Cooling System) có sơ đồ như hình 3.1 bao gồm:
- Các máy bơm (motor-driven pumps) - Một bộ trao đổi nhiệt (heat exchanger)
- Một bộ tản nhiệt cuối cùng (ultimate heat sink) - Một bể chứa nước bổ sung (makeup tank) - Một bộ lọc (filtration system)
- Các van điều tiết (isolation valves).
Khi hệ thống SFPCS vận hành, nước trong bể nhiên liệu thải được hai máy bơm vòng tuần hoàn sơ cấp bơm vào bộ trao đổi nhiệt, tại đây nước được làm mát, sau đó nước được đi qua bộ lọc để lọc bỏ “chất cặn” rồi bơm trở về bể nhiên liệu thải. Hai máy bơm ở vòng tuần hoàn thứ cấp sẽ “bơm nhiệt” từ bộ trao đổi nhiệt đến bộ tản nhiệt bằng khí.
Bể chứa nước bổ sung có bơm vận hành bằng tay để bổ sung lượng nước thất thoát do bay hơi. Trong trường hợp bể nhiên liệu thải bị mất chất làm mát kéo dài, để phòng ngừa “cháy nhiên liệu” người ta sử dụng hệ thống bơm ngừa cháy nhiên liệu khẩn cấp. Hệ thống bơm này bao gồm hai bơm ngừa cháy nhiên liệu (firewater pump): một máy bơm điện (electric fire pumps) và một bơm diesel (diesel-driven). Hệ thống bơm này gắn với hệ thống vòi phun cứu hỏa được bố trí như hình 1.28.
Hình 1.28. Vị trí đặt vòi bơm ngừa hỏa hoạn trong bể nhiên liệu thải [25] Dưới đây là thông tin giả định về một bể nhiên liệu thải điển hình:
- Bơm bổ sung (makeup-pump): 20-30 gpm (gallon per minute) - Bơm ngừa hỏa hoạn (firewater pump): 100-200 gpm
- Công suất bơm ngừa hỏa hoạn (fire engine): 100-250 gpm (phụ thuộc vào kích thước của vòi bơm nước: vòi 1 ½ inch lưu lượng là 100 gpm còn với vòi 2 ½ inch là 250 gpm)
Các nhân viên điều hành bể nhiên liệu thải đi kiểm tra quanh khu vực bể nhiên liệu thải một lần mỗi ca (một ca 8-12 giờ). Mức nước trong bể được theo dõi thường xuyên qua một thanh đo trong bể để có biện pháp xử lý kịp thời khi mức nước trong bể giảm xuống.
1.3.3.3. Hệ thống lọc khí trong bể nhiên liệu thải
Bộ thông gió của bể chứa nhiên liệu thải (venting) kiểm soát việc lưu thông không khí nhằm duy trì nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, nồng độ…
Khí Iốt thoát ra từ các bó nhiên liệu thải phát tán vào không khí trong bể sẽ được bộ lọc khí hiệu suất cao (HEPA – High-Efficiency Particulate Air) sử dụng than làm chất hấp thụ để loại bỏ khí phóng xạ này.
Do đồng vị I-131 có chu kỳ bán rã 8 ngày (dài nhất trong các đồng vị Iốt phóng xạ) nên sau khoảng 60 ngày từ khi tải nhiên liệu thải vào bể, lượng Iốt còn lại không đáng kể nên việc lọc Iốt lúc này cũng không còn cần thiết.
Để giảm sự tích tụ hơi ẩm trên bộ hút bám (adsorbers) và bộ lọc HEPA bể được trang bị một bổ sưởi hoạt động ít nhất 31 ngày kể từ khi nhiên liệu thải được tải vào bể [24].
1.3.3.4. Thành phần và vật liệu của bể nhiên liệu thải
Thép không gỉ là vật liệu chính trong bể nhiên liệu thải, được dùng làm các khay lưu trữ nhiên liệu, đường ống và thiết bị xử lý nhiên liệu bị ăn mòn. Theo nghiên cứu được tiến hành ở các nước Nhật Bản, Hàn Quốc và Anh thì sự ăn mòn xảy ra ở thép không gỉ là rất nhỏ[9].
Lớp lót của bể chứa
Bể nhiên liệu thải được xây dựng bằng bê tông cốt thép, bên trong được lót thép hoặc lớp phủ bê tông với nhựa epoxy.
Trong các bể lưu trữ nhiên liệu thải từ lò phản ứng nước nhẹ, người ta sử dụng thép không gỉ làm lớp lót trong khi các bể của lò CANDU (CANada Deuterium Uranium) sử dụng cả thép không gỉ và lớp phủ epoxy. Tất cả các bể lưu trữ nhiên liệu thải ngoài nhà máy đều sử dụng thép không gỉ làm lớp lót (Pháp, Phần Lan, Nhật Bản, Nga, Thụy Điển…) riêng Anh sử dụng bê tông phủ epoxy trong các bể lưu trữ nhiên liệu thải ngoài nhà máy.
Phát hiện rò rỉ trong bể chứa
Thiết kế của bể nhiên liệu thải nhằm đảm bảo hạn chế nước rò rỉ cả về lượng nước và tần số rò rỉ đồng thời dễ dàng phát hiện rò rỉ dù nhỏ.
Vật liệu hấp thụ nơtron
Có hai loại vật liệu hấp thụ nơtron được sử dụng trong bể lưu trữ nhiên liệu: - Chất lỏng
- Chất rắn
Trong các bể chứa nhiên liệu thải từ phản ứng nước nhẹ áp lực (kể cả các lò VVER – Vodo Vodyanoi Energetichesky Reactor) chất hấp thụ lỏng được sử dụng là nước Bo.
Bể nhiên liệu thải của các lò phản ứng kiểu BWR, CANDU, và RBMK chỉ sử dụng nước tinh khiết.
Trong nhiều thiết kế bể nhiên liệu thải, vật liệu rắn được sử dụng để hấp thụ nơtron nhằm đảm bảo mức nơtron ở các khay chứa nhiên liệu không thể đạt trạng thái tới hạn (k ≥ 1). Có nhiều vật liệu rắn được phát triển để làm chất hấp thụ nơtron.
- Boraflex - Boral
- Hợp kim nhôm – bo
- Hợp kim thép không gỉ – bo
Boraflex, có chứa 25-40% B4C là một chất kết dính cao su silicon đã được phát triển từ năm 1970. Vật liệu này có thể được phủ lên các tấm hoặc ống để hấp thụ nơtron.
Boral bao gồm các hạt Bo cacbua trong nhôm tinh khiết và được sử dụng rộng rãi làm chất hấp thụ nơtron. Tuy nhiên, loại vật liệu hấp thụ nơtron này sinh ra hyđrô khi dùng trong các bể lưu trữ nhiên liệu thải.
Hợp kim thép không gỉ – Bo là hợp kim chứa đến 19% Bo tự nhiên (thường sử dụng Bo-10). Đây là vật liệu hấp thụ nơtron tốt với tỷ lệ ăn mòn thấp và có tính ổn định cao khi bị chiếu xạ. Tuy nhiên việc bổ sung nhiều Bo làm cho vật liệu giòn hơn và khó khăn trong việc sản xuất nhằm đảm bảo Bo phân tán đồng đều trong khối vật liệu làm. Bên cạnh đó chi phí làm giàu Bo-10 làm cho giá thành sản phẩm tăng lên đáng kể. Hợp kim thép không gỉ – Bo là vật liệu hấp thụ nơtron tốt nhất và được sử dụng nhiều dù vật liệu này cũng mắc nhất.
Cadminox là vật liệu hấp thụ nơtron được phát triển gần đây và sử dụng Cadmi (thay cho Bo) được đựng trong một bình kín.
1.3.3.5. Nước trong bể chứa nhiên liệu thải
Trong việc lưu trữ nhiên liệu thải trong bể, nước đóng vai trò chất làm mát để giữ cho nhiên liệu ở nhiệt độ an toàn. Việc này giúp cho nhiên liệu giữ được sự nguyên vẹn. Nước còn giúp che chắn phóng xạ, giúp duy trì phóng xạ ở mức cho phép. Chất lượng nước trong các bể chứa nhiên liệu thải luôn được duy trì ở trạng thái tinh khiết cao nhằm hạn chế tối đa sự ăn mòn. Ngoài ra, việc kiểm soát sự phát triển của các loài vi sinh vật (chẳng hạn như tảo) cũng được chú trọng nhằm hạn chế sự mất nước. Ngoài ra, các yêu cầu về chất lượng nước còn phụ thuộc vào loại nhiên liệu được lưu trữ trong bể (CANDU, AGR, MAGNOX – gọi theo tên hợp kim làm vỏ nhiên liệu, PWR, BWR, RBMK hoặc VVER) và chế độ kiểm soát an toàn của nhiên liệu (nhiên liệu để trần hay để trong các thùng chứa). Mỗi loại sẽ có những tiêu chuẩn an toàn khác nhau cho nước về thành phần hóa học, nhiệt độ nước, thiết bị xử lý và theo dõi chất lượng nước.
Nhiệt độ của nước
Nhiệt độ bình thường trong các bể lưu trữ nhiên liệu thải khoảng 450
C (tối đa 650
C ở Hàn Quốc) [9]. Việc duy trì nhiệt độ trong bể phù hợp nhằm giảm khả năng phát tán phóng xạ từ nhiên liệu bị lỗi, giảm thiểu sự phát triển của vi khuẩn và giảm độ ẩm trong khu vực lưu trữ.
Đối với các bể nhiên liệu thải ngoài nhà máy, do công suất nhiệt phân rã từ nhiên liệu thấp (nhiên liệu đã được lưu trữ thời gian dài trước đó) nên nhiệt độ nước trong bể thường thấp hơn 400
C.
Thành phần hóa học của nước
Bảng 1.4. Thành phần hóa học thông thường của nước trong các loại bể nhiên liệu thải [9]
Loại nhiên liệu CANDU AGR MAGNOX RBMK Loại bể Bể trong nhà máy (AR) Bể trong nhà máy (AR) Bể ngoài nhà máy (AFR)a Bể trong nhà máy (AR) Bể ngoài nhà máy (AFR) Bể trong nhà máy (AR) Bể ngoài nhà máy (AFR) Thùng chứa nhiên
liệu (nếu có) Thùng ng(Flooded) ập
Thùng vơi (Ullaged) Bình chứa đầy nước Làm mát Nước khử khoáng
Nước Borat Nước khử khoáng Nước khử khoáng Nước khử khoáng pH 6,9 7 13 11,5 11,4b 5,5 – 8 6 – 7,5 Suất dẫn (conductivity 200 µS/m - < 200 µS/m - 300 µS/m - Clorua 0,5 ppm 0,5 ppm < 0,5 – 1,2 ppm < 0,1 ppm 0,4 ppm 0,1 ppm 0,05 – 0,1 ppm Sunfat 0,02 ppm 0,5 ppm 0,9 ppm < 0,4 ppm 0,6 ppm - - Florua 0,06 ppm - - < 0,5 ppm - 0,1 ppm Na+ và Ca2+ 0,1 ppm - - - - - - Cs-137 0,003 MBq/m3 10 MBq/m3 29,4 MBq/m3 c 0 – 60 MBq/m3 20 MBq/m3 5 MBq/m3 Hoạt độ nước 9 MBq/m3 40 MBq/m3 29,5 MBq/m3 0 - 60 MBq/m3 20 MBq/m3 5 MBq/m3
Loại nhiên liệu VVER PWR và LWR Loại bể Bể trong nhà máy (AR) Bể ngoài nhà máy (AFR) Bể trong nhà máy (AR)
Bể ngoài nhà máy (AFR) Trường hợp
thông thường Bể CLAB Bể La Hague Bể THORP
d
Thùng chứa MEBe
Làm mát Nước Borat Nước khử khoáng Nước Borat (PWR) Nước khử khoáng (BWR) Nước khử khoáng Nước khử khoáng Nước khử khoáng Nước khử khoángf pH 4,3 – 6,5 5,5 – 7 4,5 – 5,5 4 – 6 5 – 6 5 – 5,4 6,2 – 7,5 Suất dẫn (conductivity 1000 µS/m 200 µS/m 100 – 350 µS/m < 100 µS/m 130 µS/m Clorua < 0,1 ppm < 0,1 ppm 0,15 ppm < 0,1 ppm < 0,005 ppm < 0,005 ppm 0,4 ppm Sunfat < 0,1 ppm < 0,1 ppm 0,15 ppm < 0,1 ppm < 0,005 ppm 0,01 ppm 0,6 ppm Florua < 0,1 ppm < 0,1 ppm 0,15 ppm (Hàn Quốc) < 0,1 ppm < 0,005 ppm 0,05 ppm Na+ và Ca2+ <0,5ppm < 0,1 ppm <0,5 ppm < 0,001 ppm < 0,03 ppm Cs-137 10 MBq/m3 1 MBq/m3 0,02 MBq/m3 - 4,1MBq/m3 Hoạt độ nước 40 MBq/m3 40 MBq/m3 20 MBq/m3 5 - 20 MBq/m3 10 MBq/m3 12 MBq/m3 4,2 MBq/m3
a bể chứa sạch, bể không có hệ thống trao đổi ion. Nồng độ ion trong bể được làm giảm xuống ở một hệ thống riêng biệt trước khi xả ra biển. b pH được kiểm soát bên trong các thùng chứa, không kiểm soát trong bể.
c bể có chứa một lượng nhỏ nhiên liệu bị rò rỉ.
d bể chứa sạch, bể không có hệ thống trao đổi ion. Nồng độ ion trong bể được làm giảm xuống ở một hệ thống riêng biệt trước khi xả ra biển. e bể có chứa nhiên liệu AGR trong các thùng chứa, có thể chứa nước khử ion hóa hoặc borat.
Việc kiểm soát thành phần hóa học của nước giữ vai trò quan trọng trong việc lưu trữ ướt. Đối với mỗi loại lưu trữ thì việc tối ưu hóa thành phần hóa học trong nước có thể giúp ngăn chặn sự ăn mòn của vỏ bọc nhiên liệu (bảng 1.4). Trong trường hợp lưu trữ nhiên liệu bị lỗi, bể chứa vẫn đảm bảo an toàn lâu dài nếu thành phần hóa học trong nước được duy trì phù hợp với các yêu cầu cụ thể cho nhiên liệu đó.
Kiểm soát chất lượng nước
Mục tiêu của kiểm soát chất lượng nước là duy trì các điều kiện cần thiết để giảm thiểu sự ăn mòn vỏ bọc các thanh nhiên liệu và đảm bảo nồng độ của các thành phần phóng xạ trong nước ở mức an toàn. Việc đánh giá chất lượng hóa học của nước trong bể thông qua việc giám sát các thông số về:
- Độ pH
- Suất dẫn (điện) - Độ đục của nước
- Các thành phần hóa học ( Cl–, F, SO42-) - Hoạt độ của các đồng vị
Việc kiểm tra hoạt động của nước được tiến hành hàng tuần. Trong khi đó, ở một số hệ thống việc kiểm tra beta/gama có thể được thực hiện hàng ngày nhờ các thiết bị được cài đặt sẵn. Phân tích thành phần hóa học của nước được thực hiện mỗi tháng. Một số bể được kiểm tra mức florua, clorua và sulfat tiến hành hàng tuần (La Hague ở Pháp, Sellafield tại Vương quốc Anh).
Xử lý nước
Việc xử lý nước trong các bể lưu trữ nhiên liệu thải là cần thiết nhằm duy trì thành phần hóa học, hạn chế sự ăn mòn vỏ nhiên liệu và giảm sự tích tụ chất thải cặn trong các ống dẫn. Ngoài ra, xử lý nước còn tránh sự gia tăng của các loài vi sinh vật có thể làm giảm chất lượng nước.
Việc xử lý nước bao gồm việc xử lý cơ học và xử lý hóa học:
- Xử lý cơ học nhằm loại bỏ các vật liệu rắn có trong bể và thường sử dụng các bộ lọc (lớp tráng, cát hoặc các bộ lọc cơ khí).
- Xử lý hóa học được thực hiện bằng việc trao đổi ion (sử dụng nhựa cation và anion). Các loại nhựa trao đổi ion này có thể được tái sinh. Một số bể được trang bị bộ trao đổi ion dưới nước (như bộ trao đổi ion Nymphea của Pháp). Việc này giúp hạn chế việc xử lý các chất phóng xạ bên ngoài bể đồng thời giảm thiểu việc tiếp xúc của con