PHÂN TÍCH NHỮNG SỰ CỐ LỚN NHẤT Ở NHÀ MÁY ĐIỆN
17.1. Sự cố ở TMI (Three Mile Island)
Sự cốđã xảy ra 28 tháng 3 năm 1979 ở tổ máy số hai NMĐHN TMI, Mỹ, có tiếng vang trên toàn thế giới. Trong giới hạt nhân, nó kích thích những nghiên cứu khoa học quy mô lớn, các cuộc trao đổi quốc tế rộng khắp và chủ yếu là dẫn đến việc xét lại toàn diện cách tiếp cận an toàn.
Nhà máy điện hạt nhân TMI nằm trên đảo Three Mile Island, cách thành phố Harrisberg, thủ phủ bang Pencivan 90 ngàn dân, 16 km. Nhà máy có hai tổ máy công suất mỗi tổ 900 MWe sử dụng lò phản ứng kết cấu của Bebcok và Vilcok, làm nguội bằng nước áp lực. Tổ máy thứ hai được đưa vào vận hành công nghiệp 30 tháng 12 năm 1978.
Sự cố xuất hiện vào thứ tư, ngày 28 tháng 3, lúc 4 giờ sáng do một biến cố bất thường – hỏng hệ thống bù bình thường của bình sinh hơi (hình 17.1).
Vì quán tính nhiệt của bình sinh hơi vốn thấp (ít dự trữ nước), việc gia tăng nhanh chóng nhiệt độ và áp suất trong vòng sơ cấp, do quá trình chuyển tiếp đó, đã dẫn đến việc mở
van bảo hiểm của thiết bị điều áp để hạn chế gia tăng áp suất trong vòng sơ cấp.
Về phía vòng thứ cấp, tình trạng khẩn cấp của bình sinh hơi được kích thích và các máy bơm đã khởi động để đảm bảo bù khẩn cấp cho bình sinh hơi.
Về phía vòng sơ cấp, quá trình chuyển tiếp gây ra tình trạng khẩn cấp của lò phản ứng và suy giảm dần áp suất trong vòng sơ cấp. Về lý thuyết, qua 12 s sau bắt đầu sự cố, van bảo hiểm của thiết bịđiều áp cần nhận được lệnh đóng.
Hình 17.1. Sơđồ NMĐHN Three Mile Island Tuy nhiên, có hai cơ cấu bị hỏng:
van bảo hiểm đã nhận được lệnh đóng, nhưng hình như bị kẹt ở trạng thái mở. Nước từ vòng sơ cấp tiếp tục chảy vào thùng sủi bọt của thiết bịđiều áp vốn nằm trong khu bảo vệ kín, với lưu lượng 60 tấn/h (trong vòng sơ cấp có khoảng 200 tấn nước);
các máy bơm của hệ thống bù khẩn cấp các bình sinh hơi đã khởi động bình thường trong vòng 30 s, nhưng đã không thể cấp nước cho bình sinh hơi, vì do sai sót trong bảo dưỡng kỹ thuật, các van nằm giữa các máy bơm và các bình sinh hơi đã nằm không phải trong tư
thế mở, mà trong tư thếđóng. Trong những trường hợp như vậy, các bình sinh hơi sẽ bị cạn nước trong khoảng 2 – 3 phút và quá trình làm nguội vòng sơ cấp bị ngừng.
Mặc dù ởБЩУđã có tín hiệu sai tư thế của các van đó, nhưng những nhân viên vận hành
đã không phát hiện ngay hỏng hóc và chỉđiều khiển bằng tay để mở van sau 8 phút. Cần phải có 25 phút và rất nhiều thao tác cho các nhân viên vận hành để ổn định tình hình trong vòng thứ cấp, suốt khoảng thời gian đó nhân viên vận hành phải tập trung chú ý. Thời gian đó, nước của vòng sơ cấp tiếp tục chảy vào thùng sủi bọt của thiết bịđiều áp. Trong khoảng 2 phút, áp suất trong vòng sơ cấp đã giảm xuống gần mức 110 bar. Hệ
thống bù khẩn cấp của vòng sơ cấp đã tựđộng khởi động và bắt đầu cấp nước lạnh vào vòng sơ cấp.
Thiết bị chỉ dẫn tư thế của van bảo hiểm báo cho nhân viên vận hành là VAN ĐÓNG, nhưng chỉ dẫn đó đã không tương ứng với hoạt động, điều này dường như có tính quyết
định đến sự phát triển sự cố. Trên thực tế, thiết bị chỉ dẫn đã chuyển sang БЩУ không phải tư thế của van, mà là lệnh đã nhận được, trong trường hợp này là lệnh đóng.
Các nhân viên vận hành, khi nhìn thấy mực nước trong thiết bị điều áp dâng cao nhanh chóng và cho rằng van bảo hiểm đang đóng, thì đã hốt hoảng vì nước trong vòng sơ cấp
đã quá nhiều và đã dừng bằng tay hệ thống bù khẩn cấp vòng sơ cấp, khoảng dưới 5 phút. Các nhân viên vận hành đã nhận định về tình huống hoàn toàn sai lầm. Điều đó giải thích tại sao đã có các biện pháp được họ áp dụng.
Bây giờ nước chảy ra từ vòng sơ cấp không được bổ sung thêm. Đã hình thành tình huống rò rỉ trong vòng sơ cấp, trong khi hoàn toàn không có bù khẩn cấp. Một phần tư
giờ trôi qua, màng nổ của thùng sủi bọt thiết bị điều áp đã khởi động. Nước của vòng sơ
cấp đã bắt đầu chảy trực tiếp vào khu bảo vệ kín. Thiết bị điều áp chứa đầy hỗn hợp nước-hơi nước. Chỉ dẫn mực nước trong đó càng không tương ứng với hoạt động.
Hàm lượng hơi nước trong chất tải nhiệt vòng sơ cấp đã tăng lên. Các máy bơm tuần hoàn chính hoạt động ngày càng khó khăn. Khí xâm thực và chấn động trong các máy bơm đó tăng thêm.
Khoảng 1 h 13 phút sau khi xuất hiện sự cố, khi mà chấn động đã trở nên rất mạnh, các nhân viên vận hành đã cho dừng máy bơm tuần hoàn chính thứ nhất, và sau đó 27 phút – dừng máy bơm thứ hai, hy vọng trong vòng sơ cấp sẽ phục hồi quá trình tuần hoàn tự
Trên thực tếđã có sự tách pha chất lỏng và hơi nước. Hơi nước đã tích tụở các điểm phía trên của vòng sơ cấp, còn nước ở phần phía dưới. Quá trình tuần hoàn tự nhiên chất tải nhiệt trong vòng sơ cấp bị ngừng lại và do đó ngừng luôn quá trình dẫn thoát nhiệt khỏi vùng hoạt lò phản ứng, đang tỏa nhiệt dư cỡ hàng chục MW, đến bình sinh hơi.
Do ảnh hưởng của quá trình tỏa nhiệt trong vùng hoạt, nước tiếp tục sôi; do ngừng bù nên mực nước trong vỏ lò phản ứng thấp dần, điều này dẫn đến hở trần vùng hoạt. Quá trình làm nguội nhiên liệu ngày càng kém hiệu quả. Nhiệt độ vỏ bọc thanh nhiên liệu tăng lên nhanh chóng, bắt đầu đạt đến 8500C. Ở nhiệt độ này, zirconi có phản ứng hóa học với hơi nước và tạo ra zirconi oxit kèm theo tỏa nhiệt, do vậy quá trình nhanh hơn. Khi đạt đến nhiệt độ nóng chảy vỏ bọc thanh nhiên liệu thì bắt đầu thoát mạnh các sản phẩm phân hạch từ nhiên liệu vào chất tải nhiệt vòng sơ cấp, và qua chất tải nhiệt vào khu bảo vệ
kín.
Các nhân viên vận hành đã đóng một trong số các máy bơm tuần hoàn chính, máy bơm này bắt đầu cấp nước đã được làm nguội qua các bình sinh hơi đến nhiên liệu đã rất nóng,
điều này gây vỡ vụn một phần nhiên liệu vốn nằm trên mực nước, trong vỏ lò phản ứng. Khoảng 3 h 12 phút sau bắt đầu sự cố, áp suất trong vòng sơ cấp đã tăng lên một cách nguy hiểm do nước sôi tức thời khi nó tiếp xúc với nhiên liệu. Các nhân viên vận hành lại mở van chặn xả hơi nước từ thiết bị điều áp, mà khi nó mở, đã cho thoát hơi nước phóng xạ cao hơn.
Người ta đã cô lập khu bảo vệ kín, điều này chấm dứt quá trình di chuyển phóng xạ từ
thiết bị tiêu nước vào các tòa nhà chuyên môn. Từ thời điểm xuất hiện sự cố đã qua 3 h 20 phút.
Để loại bỏ khỏi vòng sơ cấp phần lớn hydro và các sản phẩm phân hạch dạng khí không ngựng tụ được, vốn gây cản trở việc bơm đầy vòng sơ cấp, đỏi hỏi thêm 12 h. Điều đó làm được nhờ mở và đóng theo thứ tự hệ thống các van bảo hiểm của thiết bị điều áp, cũng như khởi động hệ thống bù khẩn cấp và các máy bơm tuần hoàn chính.
Khoảng 9 h 50 phút sau bắt đầu sự cố, vụ nổ cục bộ (khoảng 320 kg hydro) gây ra đỉnh áp suất gần 2 bar ở khu bảo vệ kín, đã không gây ra hư hại đặc biệt.
Vào thứ tư, ngày 28 tháng 3 năm 1979, khoảng tám giờ tối, sự cố dường như đã được khắc phục, mặc dù trong suốt một số ngày sau, ở nhà máy vẫn rất lo ngại những vụ nổ
Mức độ hư hại nhiên liệu dường như lớn hơn nhiều so với mức hư hại được tính trước trong thiết kếđối với trường hợp sự cố nặng nhất, cụ thể là, sự cố mất chất tải nhiệt vòng sơ cấp do đứt vỡđột ngột đường ống kèm theo chảy chất tải nhiệt từ hai phía.
Hình 17.2. Trạng thái cuối cùng của vùng hoạt tổ máy số 2 NMĐHN Three Mile Island Những hậu quả sự cố chính xác trong vùng hoạt chỉ được xác định vào năm 1985, nghĩa là 6 năm sau, khi giữa phần dưới các cấu trúc bên trong vỏ lò và vỏ lò đã đưa được máy quay truyền hình vào: đã nóng chảy 45 % nhiên liệu cùng với các vật liệu vỏ bọc thanh nhiên liệu và các cơ cấu bên trong vỏ lò – tổng cộng 62 tấn, đã tạo ra cái gọi là “lớp đệm” (hình 17.2).
Một phần lớp đệm (khoảng 20 tấn), đã hình thành ở phần trên của nhiên liệu, đã xuyên mở đường giữa BNL ngoài biên và tấm ngăn vùng hoạt và, sau khi chảy lỏng, đã chảy xuống đáy của vỏ lò mà, rất may, nó không làm chảy vỏ lò.
Mặc dù đã nóng chảy nhiên liệu và di chuyển phóng xạ vào khu bảo vệ kín, các hậu quả
phóng xạ trực tiếp đối với môi trường xung quanh dường như không đáng kể. Lớp bảo vệ
hầu như hoàn thành một cách hoàn hảo vai trò của mình. Chỉ có việc bơm chuyển nước từ thiết bị tiêu nước là dẫn đến phát thải phóng xạ, được hạn chế theo thời gian.
Việc phát thải được đánh giá là không đáng kể, các hậu quả của chúng là rất hạn chế. Người sống gần cơ sở này, đúng hướng gió, chỉ bị chiếu xạ dưới mức 1 mSv, nghĩa là, bằng khoảng liều hàng năm do chiếu xạ tự nhiên.
Các bài học rút ra từ sự cốở nhà máy TMI:
Dường như có thể xuất hiện các sự cố nặng hơn rất nhiều so với các sự cố kèm theo mất chất tải nhiệt vòng sơ cấp do đứt hẳn đường ống đường kính cực đại, vốn được chọn làm sự cố thiết kế cực đại. Các sự cố như vậy có thể do hỏng hóc nhỏ và nhiều hoặc do sai lầm của con người.
Điều đó không gây nghi ngờ chất lượng chung của thiết kế cơ sở năng lượng. Nguyên tắc bảo vệ theo chiều sâu, vốn đòi hỏi nghiên cứu các sự cố nặng, dẫn đến sự cần thiết có hệ
thống cô lập đáng tin cậy. Trong trường hợp này, lớp bảo vệ thực tế đã hoàn toàn đảm bảo việc bảo vệ cư dân, cũng như nhân viên nhà máy .
Con người là khâu quan trọng nhất trong việc đảm bảo an toàn. Nảy sinh những câu hỏi sau đây:
Làm thế nào để tránh được việc nóng chảy vùng hoạt, vốn có thể xảy ra theo kịch bản không được nghiên cứu trước?
Làm thế nào là tốt nhất để chẩn bịđối phó với tình huống khủng hoảng? Làm thế nào để giữ gìn lớp bảo vệ, vốn là cấu thành của rào cản cuối cùng?
Bằng cách nào là tốt nhất để làm rõ các kịch bản vốn là tiền thân của các sự cố nặng, và để áp dụng một cách kịp thời những biện pháp hiệu chỉnh cần thiết?