Sự cố LOCA theo định nghĩa của US.NRC:“LOCAs(Loss of Coolant Accidents) là các tai nạn giả định gây ra do mất chất tải nhiệt ở tốc độ vƣợt khả năng của hệ thống bổ sung nƣớc tải nhiệt từ các nứt vỡ trong phạm vi chịu áp cao của hệ thống tải nhiệt, kể cả các nứt vỡ lớn với kích thƣớc tƣơng đƣơng với việc gãy đôi đƣờng ống lớn nhất của hệ thống tải nhiệt” (10 CFR50 App. A).
Sự cố LOCA là một trong những sự cố cơ bản thiết kế (DBA) quan trọng nhất mà hầu hết các NMĐHN cũng nhƣ các lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu đều phải đƣợc nghiên cứu và đánh giá trong báo cáo phân tích an toàn (SAR).
Trong NMĐHN, kích thƣớc vỡ trong các sự cố LOCA có thể là từ vài lit/giờ cho tới vỡ lớn trong đó hầu nhƣ toàn bộ tổng lƣợng chất tải nhiệt bị thoát ra ngoài chỉ trong vài giây. Trong thực tế, kích thức vỡ trong các sự cố LOCA có thể thấy là nằm liên tục trong giải giữa hai cực trị nhƣ đã nêu. Các vị trí dễ bị vỡ nhất trong hệ thống RCS đƣợc nêu trong bảng 2.1.
Bảng 2.1. Các vị trí dễ bị vỡ trong hệ thống RCS
Các đƣờng ống Thùng Các thiết bị
Đoạn thẳng RPV Vỏ bơm
Chỗ gấp khúc, uốn cong Vỏ SG Vỏ van
ống T PZR Các van cô lập
Vành nối Cửa vào (manhole) PZR/SG
CRD
Các lỗ Các ống cáp
Các phần nới rộng Đƣờng xuyên thiết bị đo
Mối hàn Các bộ giảm áp
Việc phân loại các sự cố LOCA có thể thực hiện theo nhiều khái niệm khác nhau, từ kích thƣớc vỡ, tốc độ dòng khỗi chỗ vỡ hay tần suất xảy ra.
30
Phân loại các sự cố LOCA điển hình nhất là theo các kích thƣớc chỗ vỡ và kích thƣớc đƣờng ống nơi xảy ra vỡ. Các LOCA vỡ nhỏ (SBLOCA) xảy ra với các đƣờng ống với đƣờng kính khoảng 12,5 mm cho tới 50 mm, đôi khi giới hạn trên đƣợc áp dụng là đƣờng kính của van PORV của PZR. LOCA trung bình bao gồm các nứt vỡ xảy ra trên các đƣờng ống có đƣờng kính tới 150 mm và LOCA vỡ lớn (LBLOCA) là các sự cố vỡ lớn hơn 150 mm.
Bảng 2.2. Phân loại LOCA theo kích thƣớc
Nứt vỡ VSBLOCA SBLOCA MBLOCA LBLOCA
Đơn vị độ dài (mm) 0 - 7 7 - 100 20 - 300 >150 Diện tích (cm2) 1 - 5 2 - 200 50 - 300 >300
Một cách phân loại khác cho các sự cố LOCA là phân loại theo diện tích dòng vỡ. Diện tích dòng đƣợc định nghĩa là diện tích mà chất tải nhiệt qua đó thoát ra ngoài. Với các lò tại Hoa Kỳ, diện tích vỡ thƣờng đƣợc xác định trong đơn vị đo ft2, các lò thuộc Châu Âu sử dụng đơn vị cm2. Cách tiếp cận theo diện tích dòng vỡ thuận tiện và có logic hơn so với sử dụng phân loại theo đƣờng kính ống do nó cho phép ta thay đổi từng bƣớc những nứt vỡ của đƣờng ống. Cách phân loại này cũng phù hợp với mô hình rò rỉ của các van.
Bảng 2.3. Phân loại LOCA theo diện tích nứt vỡ
Diện tích nứt vỡ
SB LOCA < 1 ft2 (0,092903040 mm2) LB LOCA ≥ 1ft2 (0,092903040 mm2)
Trong hầu hết các báo cáo phân tích an toàn, các sự cố LOCA đƣợc xếp vào loại các tai nạn giả định (PAs), có nghĩa là chúng đƣợc xem nhƣ không xảy ra trong suốt quá trình hoạt động của nhà máy, tuy nhiên chúng cần phải đƣợc giả định xảy ra nhƣ là cơ sở của thiết kế bảo thủ nhằm đảm bảo rằng thiết kế đƣa ra là hoàn toàn đáp ứng đƣợc các yêu cầu an toàn đòi hỏi.
31
2.1.1. Sự cố LBLOCA
Vỡ đƣờng ống trong hệ thống RCS đƣợc giả định xảy ra ở chân nguội tại vị trí giữa bơm tải nhiệt (RCP) và lối vào thùng lò phản ứng (RPV), do các vị trí vỡ này là nguy hiểm nhất đối với việc cung cấp chất tải nhiệt đi qua vùng hoạt của lò phản ứng và cũng đòi hỏi phải có sự can thiệp của hệ thống ECCS. Chân nguội bị vỡ thƣờng đƣợc giả định là thuộc nhánh có PZR ở chân nóng tƣơng ứng. Ngoài ra, để tăng cƣờng tính bảo thủ, các kịch bản mất điện lƣới cũng đƣợc giả thiết.
Hiệu ứng đầu tiên xảy ra là nguồn điện AC bị mất làm cho các bơm tải nhiệt tắt dần (coastdown). Lƣu lƣợng dòng tải nhiệt qua vùng hoạt giảm rất nhanh và các bơm tiêm an toàn khởi động chậm hơn so với trƣờng hợp khi không có sự cố mất điện lƣới do sau khoảng thời gian trễ nhất định các máy phát diesel mới khởi động và đƣa các bơm này vào hoạt động.
Hậu quả của sự cố vỡ dẫn đến việc chất tải nhiệt trong hệ thống RCS giảm nhanh, khả năng làm nguội (lấy nhiệt) tại vùng hoạt giảm đi đồng thời với việc áp suất trong hệ thống RCS giảm rất nhanh. Lò phản ứng đƣợc dập (Reactor trip) và nƣớc chứa boron đƣợc tiêm vào từ các bình tích lũy (Accumulator) cùng với việc sinh hơi (tạo các bọt hơi do sôi) làm cho tốc độ phản ứng phân hạch giảm và mức công suất tƣơng ứng cũng giảm. Các sự cố LBLOCA bao gồm ba giai đoạn chính.
a. Giai đoạn bùng phát (Blowdown phase)
Giai đoạn bùng phát bắt đầu từ khi xảy ra vỡ cho đến thời điểm áp suất của hệ thống RCS bằng áp suất của hệ thống nhà lò.
Đầu tiên, chất lỏng bão hòa phun ra ngoài qua chỗ vỡ với tốc độ vƣợt xa khả năng của bơm tải nhiệt ở chế độ tắt dần (coast down mode). Kết quả là dòng qua vùng hoạt bị đảo ngƣợc và nhiên liệu trong vùng hoạt có sự dời khỏi sôi nhân (DNB) do vỏ bọc nhiên liệu nóng lên nhanh chóng. Công suất lò giảm do hình thành các bọt hơi trong vùng hoạt. Nƣớc hóa hơi xảy ra bắt đầu từ phần trên (upper plenum) và sau đó là vùng hoạt và tiếp tục cho đến phần đáy (lower plenum) và phần khe biên (downcomer).
32
Trong khoảng thời gian đầu tiên của quá trình bùng phát, các bơm tải nhiệt RCP trong các nhánh không có vỡ (intact loop) vẫn cung cấp nƣớc ở trạng thái một pha (lỏng) vào vùng hoạt cung cấp dòng tải nhiệt đi qua vùng hoạt theo chiều ngƣợc lên trên. Do xảy ra vỡ, các dòng tải nhiệt trong các nhánh chuyển sang trạng thái dòng hỗn hợp hai pha, hiệu suất các bơm RCP suy giảm. Hiệu ứng làm nguội do dòng chuyển động từ dƣới lên sẽ không đƣợc đáp ứng do chỗ vỡ lớn và hiệu suất các bơm RCP giảm nhanh chóng.
Do dòng trong các bơm RCP giảm đi, dòng vỡ bắt đầu chiếm ƣu thế và dòng qua vùng hoạt của lò phản ứng sẽ chuyển động ngƣợc lại. Chất lỏng bị cuốn theo cùng với dòng hơi cung cấp khả năng làm nguội vùng hoạt. Do áp suất các RCP tiếp tục giảm đến áp suất bên trong nhà lò phản ứng, dòng vỡ và dòng đi qua vùng hoạt cũng giảm đi. Cuối cùng,vùng hoạt bắt đầu nóng lên. Khi áp suất hệ thống RCS giảm xuống dƣới mức áp suất đặt của các bình tích lũy, nƣớc chứa boron từ các bình này bắt đầu đƣợc phun vào thùng lò phản ứng qua các chân nguội hoặc trực tiếp vào thùng lò phản ứng (DVI) tùy theo thiết kế của lò phản ứng.
b. Giai đoạn làm đầy (Refill phase)
Giai đoạn làm đầy bắt đầu tiếp sau giai đoạn bùng phát cho đến khi đáy thùng lò (lower plenum) đƣợc làm đầy nƣớc cho đến đáy vùng hoạt của lò. Trong giai đoạn này vùng hoạt của lò phản ứng trải qua quá trình nóng lên gần nhƣ đoạn nhiệt (adiabatic heatup) do đáy thùng lò đƣợc làm đầy bằng nƣớc chứa boron do các các bình tích lũy tiêm vào từ hệ thống tiêm an toàn. Các bình tích lũy vận hành ở chế độ dòng chảy lớn trong giai đoạn này kể cả trong các thiết kế các lò PWR thế hệ II cũng nhƣ trong các thiết kế APWR. Dòng từ các bình tích lũy đủ khả năng làm đầy vùng đáy thùng lò và phần vành xuyến và bắt đầu giai đoạn làm ngập vùng hoạt của lò phản ứng.
c. Giai đoạn làm ngập (Reflood phase)
Giai đoạn làm ngập kéo dài từ sau giai đoạn làm đầy (nƣớc ngập khoang đáy thùng lò và dến đáy vùng hoạt) cho đến khi vùng hoạt đƣợc làm ngập nƣớc trở lại (quenching). Trong giai đoạn này, dòng chảy từ các bình tích lũy trong các thiết kế
33
APWR đƣợc chuyển từ chế độ dòng chảy lớn sang tốc độ tiêm thấp hơn do mức nƣớc trong các bình tích lũy cũng đã giảm. Chức năng làm nguội vùng hoạt đƣợc duy trì nhờ tốc độ dòng tiêm vào thấp (từ các bình tích lũy) và dòng từ các bơm phun an toàn. Nƣớc chứa boron tiêm vào vùng hoạt bắt đầu ngập đến phần dƣới của vùng hoạt, do tiến trình làm ngập / tôi bề mặt thanh nhiên liệu, vị trí nhiệt độ vỏ đạt cực đại dịch chuyển dần lên phần cao hơn trong vùng hoạt. Cuối cùng, toàn bộ vùng hoạt đƣợc ngập nƣớc bao gồm dòng chất tải nhiệt và hỗn hợp hai pha nƣớc và hơi.
Blowndown Phase Refill Phase Reflood Phase Hình 2.1. Các giai đoạn của sự cố LOCA vỡ lớn
2.1.2. Sự cố SBLOCA
Không giống nhƣ LBLOCA, các tiến trình của các sự kiện xảy ra trong sự cố SBLOCA có thể diễn ra theo nhiều cách khác nhau. Các hành động của nhân viên vận hành, thiết kế cụ thể của lò phản ứng, các điểm đặt (setpoints) của hệ thống ECCS, kích thƣớc và vị trí vỡ làm cho kịch bản của sự cố SBLOCA trở nên rất đa dạng và phức tạp. Vì vậy, để tiên đoán đáp ứng của cả hệ thống trong tiến trình sự cố SBLOCA, ngƣời ta đã áp dụng các chƣơng trình tính toán ƣớc lƣợng tốt nhất với khả năng mô hình hóa có thể tính đến các tham số nêu trên.
Các chƣơng trình tính toán này, lại cần đƣợc đánh giá, kiểm chứng với các thử nghiệm hệ thống (IET). Nếu chƣơng trình thỏa mãn và đƣợc đánh giá tốt khi so
34
sánh với các số liệu thực nghiệm, nó có thể đƣợc áp dụng trong các nghiên cứu thủy nhiệt cho lò phản ứng hạt nhân.
Sự khác nhau chủ yếu giữa SBLOCA và LBLOCA là tốc độ mất chất tải nhiệt và sự thay đổi áp suất trong hệ RCS theo thời gian. Nói chung, các sự cố SBLOCA đƣợc đặc trƣng bởi khoảng thời gian kéo dài (thƣờng là từ hàng chục phút cho đến vài giờ ở giai đoạn cuối của sự cố nứt vỡ) sau khi xảy ra nứt vỡ, trong khi hệ sơ cấp vẫn ở áp suất tƣơng đối cao và vùng hoạt vẫn đƣợc ngập nƣớc. Ngay sau khi các bơm RCP đƣợc ngắt, hoặc tự động hoặc do nhân viên vận hành, xuất hiện sự tách pha do trọng trƣờng và các trọng lực tác động đến chế độ dòng chảy và phân bố chất tải nhiệt bên trong hệ thống. Các sự kiện tiếp theo đó, không phụ thuộc vào việc vùng hoạt có bị hở nƣớc hay không hoặc có đƣợc làm ngập trở lại hay không, không chỉ phụ thuộc vào vị trí, dạng, và kích thƣớc chỗ vỡ, mà còn phụ thuộc cả vào các đặc trƣng tổng thể của các hệ thống sơ cấp và thứ cấp. Tính chất này chịu ảnh hƣởng mạnh bởi cả hai các biện pháp giảm thiểu khởi phát tự động hay do nhân viên vận hành. Nói chung, đặc trƣng của hệ thống lò phản ứng đối với các sự cố SBLOCA là chậm hơn so với các sự kiện xảy ra trong các sự cố LBLOCA. Điều đó cho phép có nhiều thời gian hơn và nhiều khả năng khác nhau để nhân viên vận hành có thể can thiệp. Một sự khác nhau cơ bản khác nữa là tính trội của các hiệu ứng trọng trƣờng trong các vỡ nhỏ so với các hiệu ứng quán tính trong các vỡ lớn. Cũng cần chú ý rằng các sự kiện không phát triển theo một con đƣờng duy nhất. Các kịch bản có thể thay đổi rất khác nhau do nhiều yếu tố khác nhau nhƣ các thiết kế lò phản ứng khác nhau (chẳng hạn nhƣ các bình sinh hơi là U- Tube, thẳng hay nằm ngang…), kích thƣớc vỡ, kích thƣớc phần đi tắt qua vùng hoạt (cho một phần nƣớc vào từ chân nguội chảy trực tiếp qua phần cấu trúc bên trên vùng hoạt mà không đi qua vùng hoạt), và quan trọng nhất là những thao tác khác nhau của ngƣời vận hành.
Sự cố SBLOCA thƣờng đƣợc giả định xảy ra ở chân nguội, phần đƣờng ống nối giữa đầu ra của bơm tải nhiệt RCP và lối vào thùng lò phản ứng (RV inlet), vì các vị trí vỡ này làm mất nƣớc tải nhiệt đi vào thùng lò và đòi hỏi phải có sự can
35
thiệp của hệ thống ECCS. Ngoài ra, còn rất nhiều vị trí vớ khác nhƣ vỡ đƣờng DVI chẳng hạn cũng rất đƣợc quan tâm do vai trò của đƣờng DVI nhƣ phân tích ở trên, là đƣờng cấp nƣớc khi sự cố LOCA xảy ra.
Để đảm bảo tính bảo thủ, kịch bản LOOP cũng đƣợc giả định kèm theo dập lò phản ứng. Kịch bản LOOP tạo ra tình huống xấu nhất khi dòng qua vùng hoạt của lò giảm và các bơm SI khởi động chậm hơn so với tình huống không có LOOP.
So với LBLOCA, các giai đoạn trong sự cố SBLOCA trƣớc khi có sự hồi phục thƣờng xảy ra trong khoảng thời gian dài hơn. Để làm rõ các hiện tƣợng cơ bản trong sự cố SBLOCA, ngƣời ta xác định 5 giai đoạn chính trong tiến trình sự cố SBLOCA: Bùng phát (Blowdown), tuần hoàn (đối lƣu) tự nhiên, phá vỡ nút kín vòng tải nhiệt (Loop seal clearance), bốc hơi (boil-off), và phục hồi vùng hoạt (core recovery). Khoảng thời gian của mỗi giai đoạn là tùy thuộc vào kích thƣớc vỡ cũng nhƣ hiệu năng của hệ thống ECCS. Những thảo luận sau đây giả thiết rằng sự cố SBLOCA xảy ra ở phần chân nguội.
a. Giai đoạn bùng phát (Blowdown phase)
Sau khi xảy ra nứt vỡ, áp suất trong phần sơ cấp của hệ RCS giảm nhanh cho đến khi hóa hơi nƣớc nóng tải nhiệt thành hơi bắt đầu. Lò đƣợc dập từ tín hiệu áp suất trong PZR thấp đến điểm đặt (khoảng 13 MPa). Việc đóng các van xuất hơi trong bình ngƣng tụ cô lập phần thứ cấp của bình sinh hơi và do đó áp suất trong phần thứ cấp của bình sinh hơi tăng lên đến điểm đặt của van an toàn (khoảng 9 MPa), và hơi thoát ra qua các van an toàn. Tín hiệu kích hoạt hệ thống ECCS phát sinh vào thời điểm áp suất trong PZR giảm xuống dƣới áp suất đặt (12 MPa) và sau một khoảng thời gian trễ việc tiêm an toàn đƣợc khởi động. Sau khoảng 1,5 – 3 giây, do giả thiết có LOOP, các bơm RCP ngừng hoạt động do tín hiệu dập lò phát sinh từ áp suất trong PZR giảm thấp. Chất tải nhiệt trong hệ thống RCS vẫn ở trạng thái lỏng (1 pha) trong toàn bộ quá trình này, cho đến cuối quá trình, hơi bắt đầu đƣợc tạo thành ở phân trên của thùng lò và các chân nóng.Sự giảm áp nhanh kết thúc khi áp suất giảm đến trên áp suất bão hòa của phần thứ cấp trong bình sinh hơi là áp suất đặt của các van an toàn. Dòng vỡ trong giai đoạn này là chất lỏng 1 pha.
36
b. Giai đoạn tuần hoàn tự nhiên (Natural Circulation phase)
Sau khi giai đoạn bùng phát kết thúc, trong các nhánh của hệ RCS xác lập dòng tuần hoàn tự nhiên hai pha với nhiệt dƣ đƣợc lấy do quá trình truyền nhiệt (ngƣng tụ và đối lƣu) tới phần thứ cấp của các bình sinh hơi. Nƣớc cấp khẩn cấp (EFW) đƣợc kích hoạt để duy trì lƣợng nƣớc phần thứ cấp.
Do chất lỏng bị mất ngày càng nhiều qua chỗ vỡ, hơi tích tụ trong phần dốc xuống của các ống trong bình sinh hơi và phần chân giao nhau. Giai đoạn tuần hoàn tự nhiên sẽ tiếp tục cho đến khi không còn đủ áp lực đẩy trên phần chân nguội của các nhánh, do sự tích lũy của hơi ở các nhánh giữa phần đỉnh của các ống trong bình sinh hơi và những chỗ bị nút kín trong nhánh (loop seal).
c. Giai đoạn phá vỡ nút kín vòng tải nhiệt (Loop Seal Clearance phase)
Giai đoạn thứ ba là quá trình phá vỡ nút kín vòng tải nhiệt. Với sự có mặt của các nút kín, chỗ vỡ vẫn chỉ có nƣớc. Tổng lƣợng nƣớc của hệ thống RCS tiếp tục giảm và thể tích hơi trong hệ RCS tăng lên. Áp suất tƣơng đối trong vùng hoạt tăng lên cùng với sự mất chất tải nhiệt qua chỗ vỡ làm cho mức nƣớc trong vùng hoạt và trong bình sinh hơi tiếp tục giảm. Nếu trong quá trình này mức hỗn hợp hơi