L ỜI CẢM ƠN
1.3.4. Khả năng lưu trữ và tính an toàn của bể nhiên liệu thải
1.3.4.1. Khả năng lưu trữ của bể nhiên liệu thải
Đối với các lò LWR, Zicaloy được sử dụng làm vỏ nên xét về mặt kỹ thuật thì thời gian lưu trữ trong các bể nhiên liệu thải gần như không giới hạn. Tuy nhiên khả năng lưu trữ của bể có hạn (do nhu cầu lưu trữ ngày càng cao – xem hình 1.29) và hình thức lưu trữ trong bể không kinh tế bằng các hình thức lưu trữ khác. Bên cạnh đó, khi nhà máy điện hạt nhân hết thời gian hoạt động, phải đóng cửa thì bể nhiên liệu thải này cũng phải đóng cửa cùng với lò phản ứng. Trong những trường hợp này, công nghệ lưu trữ khô có thể được sử dụng hoặc nhiên liệu sẽ được chuyển đến một bể chứa tập trung khác.
Hình 1.29. Đồ thị so sánh tình hình lưu trữ nhiên liệu thế giới năm 1990 và năm 2000 [12]
1.3.4.2. Các hư hại bình thường của bể nhiên liệu thải [9]
Vấn đề quan tâm nhất trong các bể nhiên liệu thải là tình trạng vỏ bọc nhiên liệu và lớp lót bị ăn mòn. Vỏ nhiên liệu chủ yếu làm bằng Zicaloy và thép không gỉ, các vật liệu này đã được chứng minh là không nhạy cảm với các quá trình ăn mòn khi nhiệt độ dưới 600C. Do đó, việc ăn mòn gian lưu trữ nhiên liệu thải trong điều kiện thường là không đáng kể.
Áp suất trong nhiên liệu thải khá thấp khi ở nhiệt độ bình thường của bể chứa. Do đó, khả năng nhiên liệu bị biến dạng là không đáng kể. Sự phân bố của hyđrô trong thanh nhiên liệu cũng ở trạng thái ổn định trong điều kiện bình thường của bể lưu trữ. Tuy nhiên, khi điều kiện trong bể chứa thay đổi, giả sử thuộc tính hóa học của bể có nồng độ clorua gia tăng (đạt 1mg/kg) và hyđrô peôxít (đạt 3mg/kg) sẽ bắt đầu xuất hiện sự ăn mòn Zr 1% Nb tại vị trí các miếng đệm thép không gỉ.
Theo dữ liệu lưu trữ nhiên liệu từ lò phản ứng nước nhẹ trong 30 năm thì việc hợp kim này bị ăn mòn là rất thấp (hầu như không thể đo được) do đó việc lưu trữ nó có thể đạt trên 100 năm mà không gặp các vấn đề rò rỉ do ăn mòn lớp vỏ.
Đối với nhiên liệu AGR có vỏ làm bằng thép không gỉ từ hợp kim Niobi cũng được lưu trữ an toàn trong các bể nhiên liệu thải (có nơi đã lưu trữ 17 năm). Tuy nhiên, các biện pháp an toàn phải được thực hiện thường xuyên để tránh nguy cơ vỏ bọc bị ăn mòn. Ở Anh, từ năm 1986, người ta làm giảm thiểu nguy cơ ăn mòn này bằng cách sử dụng Natri hyđrôxít làm chất ức chế ăn mòn.
Với 18 lò phản ứng hạt nhân đang sử dụng nhiên liệu MOX ở châu Âu, ngành công nghiệp MOX đã sử dụng những lý thuyết và kinh nghiệm về lưu trữ nhiên liệu thải nhằm cải tiến nhiên liệu của mình. Thuộc tính của nhiên liệu MOX thải ra tương tự như UO2 thải xét về sự ăn mòn vỏ bọc và áp lực trong thanh nhiên liệu. Tuy nhiên, nhiên liệu MOX có nhiệt phân rã lớn hơn và bức xạ mạnh hơn.
Qua những phân tích trên cho thấy phương pháp lưu trữ ướt rất hiệu quả và an toàn trong việc lưu trữ nhiên liệu thải, đặc biệt là nhiên liệu có hoạt độ phóng xạ mạnh.
1.3.4.3. Các sự cố có thể xảy ra với bể nhiên liệu thải
Có nhiều sự cố có thể xảy ra đối với bể chứa nhiên liệu thải, chúng tôi chỉ đề cập đến hai sự cố có khả năng xảy ra cao nhất là sự cố mất chất làm mát và sự cố mất điện.
Sự cố mất chất làm mát (LOCA)
Các bể chứa bể nhiên liệu thải được thiết kế để chịu được các trận động đất lớn nhưng có thể bị hư hại một phần hoặc toàn bộ bởi một cuộc tấn công khủng bố hoặc lốc xoáy. Việc
hư hại bể nhiên liệu thải sẽ làm mất chất làm mát (LOCA – Loss Of Coolant Accident) dẫn đến những hậu quả nghiêm trọng: ngay lập tức mức độ bức xạ ion hóa tăng cao. Khi mức nước trong bể giảm xuống còn khoảng hơn 3 m thì các đỉnh của nhiên liệu sẽ bị lộ ra, các tia bức xạ cường độ cao sẽ không được che chắn, nhưng lúc này hệ thống che chắn của bể nhiên liệu thải sẽ được kích hoạt bởi các nhân viên nhà máy, đồng thời nước sẽ được đưa bổ sung vào trong bể.
Khi mức nước trong bể giảm đồng nghĩa với khả năng làm mát nhiên liệu của bể giảm, đặc biệt khi mức nước hạ xuống dưới nhiên liệu. Lúc này nhiệt độ nhiên liệu tăng lên rất cao, đẩy nhanh quá trình oxy hóa vỏ bọc Zicaloy của nhiên liệu. Phản ứng ôxy hóa này có thể xảy ra khi có không khí, hơi nước và tỏa nhiều nhiệt làm cho nhiệt độ thanh nhiên liệu tăng rất nhanh. Bên cạnh đó, phản ứng này cũng tạo ra một lượng lớn hyđrô:
- Phản ứng trong không khí: Zr + O2→ ZrO2 Nhiệt sinh ra: 1,2x107 J/kg
- Phản ứng với hơi nước: Zr + 2H2O → ZrO2 + 2H2 Nhiệt sinh ra: 5,8x106J/kg
Các phản ứng oxy hóa có thể trở thành phản ứng tự duy trì nếu trong bể có sẵn hơi nước và không khí (tuy nhiên, phản ứng này chưa thể xảy ra khi nhiên liệu lưu trữ còn ở dưới mức nước của bể do việc làm mát của nước ngăn cho nhiên liệu không đạt được nhiệt độ phản ứng).
Do lượng nhiệt sinh ra từ các phản ứng ôxy hóa rất lớn (lớn hơn cả lượng nhiệt do phân rã phóng xạ gây ra) làm cho nhiên liệu luôn ở nhiệt độ cao (có thể lên đến hàng ngàn độ C). Việc này càng làm cho phản ứng oxy hóa xảy ra rất dễ dàng kết quả là vỏ Zircaloy bốc cháy (Zirconium cladding fire) nó giống như hiện tượng bốc cháy xảy ra trên bề mặt [21].
Khi nhiệt độ thanh nhiên liệu tăng lên, áp suất khí bên trong các thanh nhiên liệu cũng tăng và cuối cùng tạo thành các bóng khí trong thanh nhiên liệu và phá vỡ thanh. Khi nhiệt độ cao hơn (khoảng 1800o
C), các thanh Zircaloy phản ứng với nhiên liệu Urani ôxít để tạo thành giai đoạn phản ứng phức tạp có chứa ôxít Zirconi-Urani nóng chảy. Lớp nóng chảy này sẽ phá hủy hoàn toàn thanh nhiên liệu, phát tán khí phóng xạ trong nhà máy và có thể ra ngoài môi trường. Nếu không được ngăn chặn kịp thời, ngọn lửa sẽ lan rộng sang các bó nhiên liệu khác trong bể nhiên liệu thải, kết quả là cháy Zicaloy [21].
Phản ứng nhiệt độ cao của Zirconi với hơi nước đã được mô tả kỹ từ năm 1960. Vụ tai nạn tại lò phản ứng số 2 của nhà máy điện Three Mile Island và một số thí nghiệm khác đã cung cấp cơ sở cho sự hiểu biết về hiện tượng cháy Zicaloy và các sản phẩm phân hạch bị phát tán trong phản ứng này. Sự hiểu biết và dữ liệu từ các thí nghiệm làm cơ sở cho việc mô phỏng các tai nạn trên máy tính.
Sự cố mất điện (loss of AC power)
Không diễn biến nhanh như sự cố mất chất làm mát, khi sự cố mất điện xảy ra, hệ thống trao đổi nhiệt của bể chứa nhiên liệu thải ngưng hoạt động. Nhiệt phân rã từ các bó nhiên liệu thải làm cho nước nóng dần lên, sôi và bốc hơi. Thời gian sôi có thể từ vài giờ đến vài tuần tùy theo công suất nhiệt phân rã trong bể. Khi nước bay hơi làm lộ nhiên liệu ra ngoài không khí, vỏ bọc Zicaloy sẽ phản ứng với ôxi và hơi nước sinh ra hyđrô. Do không còn nước che chắn phóng xạ nên hoạt độ phóng xạ ở bể và khu vực xung quanh tăng cao cùng với việc các chất phóng xạ bị rò rỉ gây nguy hiểm với sức khỏe của nhân viên nhà máy, dân cư xung quanh và cộng đồng.
Sự cố mất điện đối với bể chứa nhiên liệu đã xảy ra ở nhà máy Fukushima vào năm 2011 nên chúng tôi sẽ tập trung phân tích sự cố này ở chương 3.
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PCTRAN/ SFP CỦA MICRO-SIMULATION TECHNOLOGY
Chương này giới thiệu về phần mềm PCTRAN/ SFP phiên bản 1.0.1 mô phỏng bể chứa nhiên liệu thải từ lò phản ứng nước nhẹ áp lực hai vòng (PWR – 2 loops). Đây là kiểu lò thiết kế bởi Westinghouse. Bên cạnh đó chúng tôi sẽ chỉ rõ giao diện, cách vận hành chương trình và các thông số đầu vào của chương trình.