7. CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI
5.3. Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium-cooled fast reactor – SFR)
SFR)
SVTH: Lê Thị Bé Thơ 44 SP Vật Lý – Công Nghệ
Mục tiêu ban đầu của chương trình lò SFR (xem hình 21) là quản lý các actinide,
cắt giảm các sản phẩm thải, và tiêu thụ uran một cách hiệu quả hơn. Tuy nhiên theo dự
kiến, các thiết kế lò trong tương lai không chỉ sản xuất ra điện năng mà còn cung cấp
nhiệt, sản xuất hyđro, và có thể còn để khử mặn nữa. Phổ neutron nhanh của lò SFR có thể cho phép sử dụng các vật liệu phân hạch hữu ích, kể cả uran nghèo, một cách hiệu
quả hơn nhiều so với các lò LWR hiện nay. Ngoài ra, hệ thống SFR có thể không cần
phải nghiên cứu thiết kế nhiều như các hệ thống thế hệ IV khác.
So sánh các hệ thống GFR, LFR và SFR về tính sẵn sàng mặt kỹ thuật và về kinh
nghiệm vận hành, có thể thấy SFR chính là lò phản ứng nhanh thế hệ IV được chọn để trước mắt triển khai. Quyết định này dựa trên 300 lò-năm kinh nghiệm vận hành các lò phản ứng nơtron nhanh ở tám quốc gia.
Trong số các đặc điểm quan trọng về độ an toàn của hệ thống SFR phải kể đến
thời gian đáp ứng nhiệt dài (lò phản ứng nóng lên chậm), độ dự phòng lớn giữa nhiệt độ
vận hành và nhiệt độ sôi của chất làm mát (xác suất xảy ra sự cố sôi là thấp hơn), hệ
thống sơ cấp làm việc gần với áp suất khí quyển, và hệ thống natri trung gian giữa natri
hoạt tính phóng xạ trong hệ thống sơ cấp và nước và hơi nước trong nhà máy điện.
5.4 Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn (supercritical water-cooled reactor - SCWR)
SVTH: Lê Thị Bé Thơ 45 SP Vật Lý – Công Nghệ
Lò SCWR (xem hình 22) hứa hẹn nhiều ưu thế đáng kể về mặt kinh tế, với hai lý
do: có thể đơn giản hoá thiết kế nhà máy và hiệu suất nhiệt tăng cao. Nhiệm vụ chính của SCWR là phát điện với chi phí thấp nhờ kết hợp hai công nghệ đã qua thử thách: công
nghệ LWR truyền thống và công nghệ lò hơi siêu tới hạn đốt nhiên liệu hoá thạch. Căn
cứ các nghiên cứu thiết kế có thể tiên đoán hiệu suất nhiệt của nhà máy sẽ cao hơn các lò LWR hiện nay khoảng một phần ba.
Từ hình vẽ có thể thấy các hệ thống còn lại của nhà máy và các đặc điểm an toàn thụ động của lò SCWR cũng tương tự như đối với lò BWR, nhưng lại đơn giản hơn nhiều
do chất làm mát không thay đổi về pha trong lò phản ứng. Nước siêu tới hạn làm quay trực tiếp tuabin, không cần đến hệ thống hơi trung gian. Trên thế giới, dẫn đầu là Nhật
Bản, người ta đang tìm cách giải quyết các vấn đề cấp bách nhất về vật liệu và tính bất định trong thiết kế hệ thống nhằm chứng minh tính khả thi về kỹ thuật của lò SCWR.
Lò phản ứng nhiệt độ rất cao (very high temperature reactor - VHTR)/Nhà máy hạt nhân thế hệ tiếp theo (next - generation nuclear plant - NGNP).
Sứ mệnh cơ bản của lò VHTR/NGNP là sản xuất đồng thời điện năng và hyđro.
Hệ thống chuẩn bao gồm lò phản ứng nơtron nhiệt làm mát bằng hêli, làm chậm bằng graphít. Điện năng và hyđro được sản xuất bằng cách sử dụng chu trình gián tiếp trong đó
các bộ trao đổi nhiệt trung gian cung cấp thiết bị trình diễn về sản xuấthyđro và một máy
phát tuabin khí. Cũng có thể cung cấp nhiệt kỹ thuật dùng cho các ứng dụng như khí hoá
than và phát kết hợp nhiệt và điện.
SVTH: Lê Thị Bé Thơ 46 SP Vật Lý – Công Nghệ
Lò VHTR được đánh giá cao về mặt kinh tế bởi nó có hiệu suất cao trong sản xuất hyđro và có độ an toàn và tin cậy cao do những đặc điểm cố hữu về nhiên liệu và lò phản ứng. Lò này cũng đạt điểm tốt về chống phổ biến hạt nhân và về bảo vệ vật chất, và điểm
trung bình về phát triển bền vững do nó có chu kỳ nhiên liệu mở hoặc trực lưu (once- through fuel cycle). Mặc dầu lò VHTR/NGNP đòi hỏi những tiến bộ kỹ thuật trong
nghiên cứu triển khai về tính năng nhiên liệu và vật liệu chịu nhiệt độ cao, nhưng nó cũng được hưởng những lợi ích từ các tiến bộ kỹ thuật trước đó về các lò GFR, GT-MHR, và PBMR.
Theo dự kiến, các lò VHTR/NGNP sẽ được triển khai không xa, cỡ năm 2015.
Mục tiêu của chương trình của Ban Năng lượng hạt nhân thuộc Bộ Năng lượng Mỹ là có các hệ thống thế hệ IV khác để triển khai vào khoảng năm 2030, khi mà nhiều nhà máy
điện hạt nhân trên thế giới đã hết hoặc gần hết hạn được phép vận hành. Giống như chương trình thế hệ III+, chương trình thế hệ IV phối hợp với Chương trình điện hạt nhân
2010 của Bộ Năng lượng Mỹ nhằm đảm bảo kết quả của mọi nỗ lực sẽ bổ khuyết cho
cách tiếp cận cấp giấy phép mới dựa trên rủi ro và trung lập về công nghệ của cơ quan
này.
Các lò VHTR/NGNP cũng rất đặc biệt vì một lý do nữa. Mặc dầu Bộ Năng lượng
Mỹ đang trợ cấp cho các công trình nghiên cứu nhiều ý tưởng thiết kế lò phản ứng, nhưng lò VHTR/NGNP được ưu tiên hàng đầu bởi nó được nêu riêng trong các Chương 641 đến 645 của Luật Chính sách Năng lượng năm 2005. Khoản 1,25 tỉ USD đã được
dành riêng cho thiết kế và chế tạo nguyên mẫu công trình NGNP tại Phòng Thí nghiệm
quốc gia bang Idaho, vào năm 2021 hoặc sớm hơn. Nguyên mẫu này dự kiến sẽ có hiệu
suất nhiệt 48%, sản xuất hyđro cũng như điện năng, và cả nhiệt công nghệ, không phát
thải cacbon, thiết kế với nhiều dạng ứng dụng, ví dụ như khí tổng hợp (syngas) và biến đổi than thành nhiên liệu lỏng.
5.5 Lò nước áp lực cải tiến AP600 và AP1000 của Westinghouse
AP600:
- Thiết kế lò PWR 600 MW mang đặc tính thụ động tiên tiến (Advanced Passive)
kết hợp các hệ thống an toàn thụ động và thiết kế hệ thống được đơn giản hóa.
- Các hệ thống thụ động sử dụng cơ chế đối lưu tự nhiên trong các tình huống sự
cố mà không cần các bơm, không cần các động cơ diesel hay các hệ thống hỗ trợ khác.
AP1000:
- Thiết kế AP1000 là phiên bản lớn hơn của AP600 với công suất 1100 MWe.
- Thiết kế tương tự như AP600 nhưng sử dụng thùng lò (reactor vessel) cao hơn để
SVTH: Lê Thị Bé Thơ 47 SP Vật Lý – Công Nghệ
- Hiện tại AP1000 là thiết kế thế hệ III+ duy nhất được cấp phép tại Mỹvà Trung Quốc sẽ là nước đầu tiên xây dựng các NMĐHN lò AP1000.
Hình 5.8. Thiết kế nhà lò AP1000
5.6 Lò nước áp lực cải tiến tiêu chuẩn châu Âu EPR
Có tên gọi tại châu Âu là European Pressurized Water Reactor và xin cấp phép ở
Mỹ với tên gọi Evolutionary Power Reactor với công suất 1,600 MWe và thiết kế cải
tiến.
Các đặc tính thiết kế bao gồm bốn hệ thống an toàn kỹ thuật với năng lực 100%
mỗi hệ.
Vỏ nhà lò sử dụng tường kép (double-walled containment), và bẫy vùng hoạt
(“core catcher”) để giam giữ và làm nguội các vật liệu vùng hoạt trong tình huống tai nạn
gây hỏng thùng lò phản ứng.
Lò EPR đầu tiên đã được xây dựng tại địa điểm Olkiluoto, Phần Lan và địa điểm
SVTH: Lê Thị Bé Thơ 48 SP Vật Lý – Công Nghệ
SVTH: Lê Thị Bé Thơ 49 SP Vật Lý – Công Nghệ
Chương 6. MỘT SỐ TAI NẠN ĐIỆN HẠT NHÂN LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT
KẾ VỀ CÔNG NGHỆ
6.1 Tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl
Nhà máy điện nguyên tử Chernobyl mang tên V. I. Lenin nằm ở thị trấn Pripyat,
Ukraina, cách 18 km về phía tây bắc thành phố Chernobyl, 16 km từ biên giới Ukraina và Belarus, và khoảng 110 km phía bắc Kiev. Nhà máy có bốn lò phản ứng, mỗi lò có thể
sản xuất ra 1 gigawatt (GW) điện (3,2 gigawatts nhiệt điện), và cả bốn lò phản ứng sản
xuất ra khoảng 10% lượng điện của Ukraina ở thời điểm xảy ra vụ tai nạn. Việc xây dựng nhà máy được bắt đầu từ thập kỷ 1970, lò phản ứng số 1 bắt đầu hoạt động năm 1977,
tiếp theo là lò phản ứng số 2 (1978), số 3 (1981), và số 4 (1983). Thêm hai lò phản ứng
nữa (số 5 và số 6, mỗi lò cũng có khả năng sản xuất 1 gigawatt) đang được xây dựng ở
thời điểm xảy ra tai nạn. Bốn tổ máy phát điện đó sử dụng lò phản ứng kiểu RBMK- 1000.
Nhà máy điện hạt nhân Chernobyl vẫn tiếp tục sản xuất điện thêm 14 năm sau
thảm hoạ và chỉ đóng cửa hoàn toàn vào năm 2000 do sức ép của quốc tế. Một vùng cách
ly có bán kính 30 km được thiết lập quanh Chernobyl và đây là một trong những điểm
nhiễm phóng xạ đậm đặc nhất trên hành tinh hiện nay.
Vào lúc 1:23:58 sáng, thứ bảy ngày 26 tháng 4 năm 1986 (giờ địa phương), lò
phản ứng số 4 nhà máy điện Chernobyl xảy ra một vụ nổ hơi lớn gây cháy, một loạt các
vụ nổ tiếp sau đó đã gây ra hiện tượng tan chảy lõi lò phản ứng hạt nhân. Do không có
tường chắn, đám mây bụi phóng xạ tung lên từ nhà máy lan rộng ra nhiều vùng phía tây
Liên bang Xô viết, Đông và Tây Âu, Scandinav, Anh quốc, và đông Hoa Kỳ. Nhiều vùng
rộng lớn thuộc Ukraina, Belarus và Nga bị ô nhiễm nghiêm trọng, dẫn tới việc phải sơ tán
và tái định cư cho hơn 336.000 người. Vụ nổ nhà máy Chernobyl biến những thành phố
đã từng rất phát triển nơi đây thành những thành phố chết, hoang tàn. Khoảng 60% đám
mây phóng xạ đã rơi xuống Belarus. Theo bản báo cáo năm 2006 của TORCH, một nửa
lượng phóng xạ đã rơi xuống bên ngoài lãnh thổ ba nước cộng hoà Xô viết. Thảm hoạ
này phát ra lượng phóng xạ lớn gấp 400 lần so với quả bom nguyên tử được ném xuống
Hiroshima (Nhật Bản ngày 6/8/1945). Đây được coi là vụ tai nạn hạt nhân trầm trọng
SVTH: Lê Thị Bé Thơ 50 SP Vật Lý – Công Nghệ
Hình 6.1. Hiện trường vụ tai nạn tại nhà máy điện hạt nhân Chernobylnăm 1986
Một bản báo cáo năm 2005 do Hội nghị Chernobyl, dưới quyền lãnh đạo của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) và Tổ chức Y tế thế giới (WHO), đưa ra cho
rằng có 56 người chết ngay lập tức; 47 công nhân và 9 trẻ em vì ung thư tuyến giáp và
ước tính rằng có khoảng 9.000 người, trong số gần 6,6 triệu, cuối cùng sẽ chết vì một loại
bệnh ung thư nào đó…
Hình 6.2. Chernobyl sau thảm họa.
Nếu nhìn tai nạn này từ góc độ chuyên môn thì có thể đánh giá như sau:
a. Sự khiếm khuyết của hệ thống quản lý:
- Lập kế hoạch thử nghiệm mà không có sự đồng ý của Ủy ban giám sát năng lượng
SVTH: Lê Thị Bé Thơ 51 SP Vật Lý – Công Nghệ
- Vì ưu tiên thử nghiệm nên trình tự thử nghiệm liên tiếp bị thay đổi do sự phán đoán của nhân viên vận hành.
b. Sự khiếm khuyết của chức năng đóng kín các chất phóng xạ, không có vỏ lò phản ứng.
c. Vi phạm nguyên tắc vận hành, nhân viên vận hành thiếu kiến thức:
- Nhân viên vận hành không am hiểu hết những quá trình xảy ra trong lò lúc làm thí nghiệm ngoài ra nhân viên vận hành lại vi phạm nhiều quy tắc an toàn nguy hiểm .
- Ngắt thiết bị làm lạnh tâm lò khẩn cấp rồi vận hành. - Thử nghiệm với công suất thấp hơn kế hoạch
- Rút các thanh điều khiển trên mức được quy định vì muốn nâng công suất lên để
làm thí nghiệm nhưng do số thanh điều khiển trong lò phải lớn hơn hoặc bằng 15
mà ở đây họ đã kéo lên quá nhiều các thanh điều khiển.
- Ngắt tín hiệu bảo vệ cứu hộ (tín hiệu này sẽ buộc dừng lò phản ứng, nghĩa là phải
dừng thí nghiệm).
Theo lịch trình, lò phản ứng số 4 “phải” bị ngưng hoạt động vào ngày 25/4, nghĩa
là ngày xảy ra tai nạn, để bảo trì và kiểm soát lại hệ thống an toàn.
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 điện vì một lý do gì đó vẫn còn trên mạng lưới của nhà máy. Từ đó nhiệt độ của lò phản ứng tăng nhanh bất thường, cũng như hệ thống làm nguội hoàn toàn ngưng hoạt động. Dưới áp lực đó, các “ống nguyên tử” bắt đầu bị bể ra và phóng xạ thoát ra ngoài môi
trường chung quanh.
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. Do đó, một sự tăng nhiệt độ bất thường sẽ làm tăng thêm lượng hơi nước đã hấp thụ sẵn neutron, do đó áp suất sẽ tăng dần cho đến mức độ làm vỡ nắp lò phản ứng). Chỉ trong khoảng thời gian 3-4 giây, lò phản ứng thay vì được làm nguội lại nóng hơn gấp 100 lần, từ đó nước trong lò phản ứng bốc hơi, tạo ra áp suất lớn và làm nổ
tung cả hệ thống bao bọc lò nặng hàng ngàn tấn. Hơi nước đã mang theo độ 70% chất
SVTH: Lê Thị Bé Thơ 52 SP Vật Lý – Công Nghệ
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. Lần sau cùng, các nhân viên chỉ thử nghiệm 8 ống
phản ứng thay vì 30 ống trong lò. Thêm nữa, hệ thống làm nguội khi xảy ra tai nạn không
hoạt động.
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.
d. Khiếm khuyết quan trọng về mặt thiết kế
- Loại lò RBMK không an toàn, nhất là ở công suất nhỏ có hệ số lỗ trống dương. Hệ thanh điều khiển đưa vào lò phản ứng quá chậm: 20 s chứ không phải là 0,5 s như
các lò khác (cho nên lúc ban đầu vì đáy của các thanh điều khiển không bằng chất
hấp thụ neutron cho nên gây độ phản ứng dương).
- Không có vỏ 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 một 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.
e. Gây ảnh hưởng lớn đến sức khỏe và tâm lý người dân.
f. Gây ảnh hưởng lớn đến xã hội, kinh tế và chính trị.
Đây được coi là tai nạn hạt nhân tồi tệ nhất trong lịch sử và duy nhất bị liệt vào mức 7 của thang INES.
6.2. Tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Mile Island
Vào lúc 4 giờ sáng ngày 28 tháng 3 năm 1979, xảy ra sự cố tại nhà máy điện
Three Mile Island, tiểu bang Pennsylvania của Mỹ. Nhà máy gồm hai block lò PWR công suất mỗi mạch là 950 MW.
SVTH: Lê Thị Bé Thơ 53 SP Vật Lý – Công Nghệ