PHÂN TÍCH NHỮNG SỰ CỐ LỚN NHẤT Ở NHÀ MÁY ĐIỆN
17.2. Sự cố ở NMĐHN Chécnôbưn
NMĐHN Chécnôbưn nằm gần biên giới phía bắc Ucraina, cách Kiev 100 km về phía bắc, không xa thành phố mới xây dựng Priat, các cán bộ công nhân viên của nhà máy sống trong thành phốđó.
Không xa, khoảng 10 – 15 km về phía bắc là biên giới với Belarux; khoảng 150 km về
phía đông nam – biên giới với Nga.
Lò phản ứng Chécnôbưn – lò phản ứng nơtron nhiệt với chất làm chậm là grafit. Nhiên liệu là urani dioxit làm giàu 2 %, vỏ bọc thanh nhiên liệu được chế tạo từ hợp kim zirconi-niobi, làm nguội bằng nước nhẹ, sôi, tuần hoàn từ dưới lên trên trong các kênh công nghệ bằng hợp kim zirconi-niobi (hình 17.3).
Điều khiển công suất và độ phản ứng được đảm bảo bằng gần 200 thanh hấp thụđược bố
trí trong toàn vùng hoạt, trong các kênh công nghệ tách riêng đặc biệt cùng kết cấu như
nhau. Các thanh được dẫn động bằng các cơ cấu nằm bên trên vùng hoạt, bên dưới tấm bảo vệ - nền của gian xưởng lò. Chúng được cấu tạo từ các vòng bor carbit và phần dưới là đoạn nối bằng grafit, dài 4,5 m. Lúc đầu, khi đưa các thanh hấp thụ từ vị trí biên vào, nghĩa là việc dịch chuyển chúng vào, sẽ gây ra trong vùng dòng nơtron cao sự thay thế
nước bằng grafit, điều này được đặc trưng bằng hiện tượng đưa độ phản ứng dương chứ
không phải âm vào. Hiệu ứng này đã quan sát thấy ở NMĐHN Ignalin, nhưng thông tin này chưa được truyền đạt đến các nhà máy khác đang vận hành các lò phản ứng cùng dạng РБМК.
Hình 17.3. Sơđồ giản lược tổ máy РБМК-1000
Việc đưa vào hoặc kéo các thanh ra khỏi vùng hoạt lò phản ứng được thực hiện nhờ các
động cơ. Tốc độ chuyển động khoảng 0,4 m/s. Như vậy, để nhúng toàn bộ thanh từ vị trí cao nhất cần 18 – 20 s.
Cũng giống nhưở các nhà máy ở phương tây, khi xác định các đặc tính thiết kế hệ thống làm nguội khẩn cấp lò phản ứng, đã giả định đứt vỡ các đường ống đường kính cực đại, nhưng loại trừ hư hại các bể chứa lớn nhất, như máy phân ly-tang trống. Lưu ý rằng, trong các lò phản ứng dạng này không có vỏ lò chịu áp suất, mà chỉ có các kênh công nghệ riêng.
Sự tốn công và độ phức tạp của quá trình kiểm tra mức chất tải nhiệt trong các máy phân ly-tang trống, cũng như kiểm tra sự phân bố công suất cũng là những nhược điểm.
Vùng hoạt lò phản ứng dạng РБМК có kích thước rất lớn: đường kính 11,8 m và chiều cao 7 m. Trong vùng hoạt kích thước như vậy, dưới tác động của xenon, các dao động công suất dọc trục và hướng tâm rất dễ phát triển. Việc dập tắt các dao động đó đòi hỏi một lượng lớn các thiết bị đo đạc-kiểm tra và sự tham gia của một lượng lớn các thanh
điều chỉnh.
Độ nhạy của các bộ cảm biến nằm trong vùng hoạt cho phép nhận được thông tin chi tiết về sự phân bố cục bộ công suất chỉ khi công suất vượt quá 10 % giá trị định mức. Trước thời điểm đó chỉ có thông tin chung là đến được, thông tin này được cung cấp nhờ các cảm biến nằm ở tầm giữa chiều cao vùng hoạt, bên ngoài vùng hoạt.
Khi được gia nhiệt, tỷ trọng của chất tải nhiệt giảm xuống, như vậy giảm cả khả năng hấp thụ. Hơn nữa, khi sôi một phần chất tải nhiệt ở áp suất 70 bar, tỷ trọng của nó giảm 20 lần, điều đó làm tăng dòng nơtron. Công suất lò phản ứng sẽ tăng lên, khi tăng thêm hiệu
ứng.
Như vậy, hệ số độ phản ứng, vốn có liên quan đến nhiệt độ của nước (hệ số của độ phản
ứng theo nhiệt độ) là dương trong một số vùng hoạt động của cụm thiết bị lò phản ứng, như hệ số theo hơi nước của độ phản ứng cũng dương, thường được gọi là “hệ số tỷ
trọng”, và hiện tượng cũng được gọi như vậy.
Hiệu ứng đó được dung hòa trong một khoảng nhất định bằng các hiệu ứng khác và, đơn cử, bằng hiệu ứng nhiệt độ của chính nhiên liệu. Hiệu ứng này là hiệu ứng âm ở mọi giá trị công suất, nhờ hiệu ứng Dopler và hiệu ứng này tăng lên khi tăng công suất. Kết cục, hiệu ứng tổng của độ phản ứng là âm khi công suất lớn và dương khi công suất nhỏ dưới 700 MW (nhiệt). Khi đó nó sẽ dương hơn, nếu nhiều thanh điều chỉnh hơn được kéo ra khỏi vùng hoạt.
Cuối cùng, trong sơđồ thủy nhiệt cần lưu ý rằng, bởi vì lưu lượng khối của chất tải nhiệt trên thực tế là tỷ lệ với công suất, nên lượng tăng công suất bằng nhau sẽ cho mức tăng khối lượng hơi nước lớn hơn, nếu mức công suất ban đầu nhỏ hơn.
Tập hợp các số liệu vật lý này cần tìm được cách thể hiện thành văn trong Quy trình thao tác công nghệ vận hành lò phản ứng РБМКở dạng các yêu cầu sau đây:
không cho phép thiết bị phát công suất dưới 700 MW (nhiệt) hoạt động lâu dài; mâu thuẫn với điều đã được nói rõ trước tiên. Yêu cầu này chưa được ghi nhận trong văn bản đó; trong các điều kiện vận hành bình thường, dự trữ vận hành của độ phản ứng cần được đảm bảo nhờ nhúng thường xuyên tương đương không dưới 30 thanh điều chỉnh. Yêu cầu thứ hai đó đã được đưa vào Quy trình thao tác công nghệ. Tuy nhiên nó được tiếp nhận không
kiểm soát phân bố công suất. Cũng cần lưu ý rằng, sự có mặt thường xuyên các thanh điều chỉnh đã được nhúng sẽ ngăn cản hiệu ứng đưa vào độ phản ứng dương trong giai đoạn đầu quá trình nhúng các thanh khác.
Để tiến hành việc sửa chữa, vốn không thể thực hiện được khi đang vận hành, ngày 25 tháng 4 năm 1986 đã có kế hoạch dừng lò phản ứng. Ngay trước khi dừng lò cần phải tiến hành thử nghiệm đặc biệt để kiểm tra khả năng cấp điện cho hệ thống làm mát khẩn cấp lò phản ứng từ máy phát tuabin hoạt động ở chế độ chạy theo quán tính trong thời gian mất nguồn cấp điện bên ngoài của tổ máy. Nguồn cấp điện này cần thiết trong lúc máy phát diezen chưa kịp khởi động và đấu vào mạng cấp tin cậy.
Thử nghiệm cần được tiến hành ở công suất ban đầu từ 700 đến 1000 MW (nhiệt).
Ngày 25 tháng 4 đã bắt đầu giảm công suất. Vào lúc 13 h, lò phản ứng chuyển sang nửa công suất, nghĩa là 1600 MW (nhiệt), và một trong số các máy phát tuabin đã được ngắt. Chương trình thử nghiệm đang tiếp tục và không hiểu vì lý do nào mà hệ thống dự phòng làm mát lò phản ứng đã bị ngắt.
Lúc đó, nhân viên điều phối hệ thống năng lượng đã yêu cầu để nhà máy ngừng giảm công suất và tiếp tục cung cấp cho lưới điện ở công suất 500 MW (điện).
Như vậy, lò phản ứng tiếp tục hoạt động phát nửa công suất trong khoảng 9 h. Trong khoảng thời gian đó, nhiễm độc xenon vùng hoạt đã kịp tăng đến giá trị cực đại của nó.
Đểđiều hòa hiệu ứng này, các thanh điều chỉnh được từ từ kéo ra khỏi vùng hoạt.
Do không có hệ thống điều chỉnh tự động, việc nhiễm độc xenon vùng hoạt lại tăng lên. Quá trình hình thành hơi nước trong vùng hoạt là không đáng kể. Lại cần kéo thêm thanh
điều chỉnh ra để mong tăng công suất, và vào khoảng 1 h đêm ngày 26 tháng 4 công suất
đã ổn định ở mức 200 MW (nhiệt).
Lúc 1 h 23 phút, các van chặn của máy phát tuabin đã đóng, nhưng lò phản ứng vẫn tiếp tục hoạt động. Các máy bơm tuần hoàn, mà nguồn cấp điện cho nó là máy phát tuabin chạy theo quán tính, đã chạy chậm hơn, lưu lượng giảm sút, và nước được gia nhiệt đến mức bốc hơi. Hiệu ứng tỷ trọng đã làm tăng độ phản ứng. Công suất vùng hoạt tăng lên, làm tăng lượng hơi nước được hình thành. Bắt đầu phát triển tình huống chuyển lò phản
ứng vào trạng thái tới hạn.
Lúc 1 h 23 phút 40 s, trưởng ca ra lệnh nhanh chóng nhúng các thanh điều chỉnh xuống bằng tay, nhưng kết quả lại ngược lại: phần dưới của các thanh điều chỉnh, vốn không chứa chất hấp thụ và được nhúng xuống vùng hoạt trước tiên, đã đẩy nước có trong các
kênh công nghệ ra. Điều đó làm tăng độ phản ứng đáng kể. Vì vậy, việc nhúng các thanh
điều chỉnh vào, ngược lại, lại làm tăng đột ngột công suất do hiệu ứng rỗng.
Các tính toán cho thấy, công suất tức thời của lò phản ứng tăng lên 100 lần trong 4 s. Sau
đó lò phản ứng đã tự dừng do độ phản ứng âm, bởi nhiên liệu được gia nhiệt nhờ hiệu
ứng Dopler, và do một phần nhiên liệu bị phá hủy.
Công suất tăng đột ngột gây ra tỏa nhiệt mạnh trong viên nhiên liệu, các viên này bị vỡ
và bắn ra urani oxit. Tương tác nhanh giữa nhiên liệu và hơi nước dẫn đến giải phóng thêm năng lượng. Kết quả là có nổ, gây ra vỡ một số kênh; tấm phía trên – nắp lò phản
ứng (2000 tấn) – bị nâng lên, phá hủy các kênh công nghệ và các đường ống nằm ngang dẫn hơi nước vào các ống góp, cũng như làm méo mó các thanh điều chỉnh.
Chẳng bao lâu có vụ nổ thứ hai, có thể, do nổ hydro, được hình thành do phản ứng nước với zirconi vỏ bọc thanh nhiên liệu và các kênh, và được trộn với không khí sau khi vùng hoạt bị hở. Nguyên nhân khác có thể là hiệu ứng độ phản ứng do sôi toàn bộ nước vì giảm áp suất đột ngột khi vỡ kênh công nghệ – từ 70 bar xuống áp suất khí quyển.
Các kết cấu phần trên của xưởng lò đã bị phá hủy. Không một lớp bảo vệđược thiết kế một cách bình thường nào có thể chống lại được những vụ nổ như vậy.
Nước rất nhanh chóng chảy vào vùng hoạt để làm nguội nó và phòng ngừa grafit bốc cháy, nhưng cố gắng này không thành công tốt đẹp.
Một phần vùng hoạt đã bị sập. Các mảnh vỡ nhiên liệu và grafit bắn xuống tấm bê tông phía dưới. Xói mòn tấm bê tông dày 1,8 m đến mức 1m.
Để dập lửa và ngăn phát thải các sản phẩm phóng xạ, cát, bor, đất sét, dolomit, chì được thả xuống lò phản ứng từ máy bay trực thăng. Như vậy, từ 27 tháng 4 đến 10 tháng 5 đã thả xuống 5000 tấn các vật liệu khác nhau với hy vọng lấp dần lò phản ứng để chấm dứt xâm nhập không khí làm cháy grafit và phát thải các sản phẩm phân hạch. Lúc đầu dường nhưđã cô lập được một phần vùng hoạt, nhưng việc dẫn thoát công suất dư dường như
không đủ, và dập cháy grafit không thành công. Nhiệt độ lại tăng lên và từ 2 đến 5 tháng 5 bắt đầu tăng thoát các sản phẩm phân hạch. Một phần các vật liệu được thả xuống lẫn với urani nóng chảy, tạo thành một cái gì đó giống như dung nham, một phần cái đó chảy theo các đường ống vào các bể-sủi bọt.
Từ 5 tháng 5, để làm nguội lớp đệm và đế lò phản ứng, bắt đầu đưa nitơ nén vào phần dưới tấm bê tông. Sau đó đã lắp đặt thiết bị trao đổi nhiệt trong vùng này.
Cuối cùng, đã thực hiện việc cách ly tổ máy trong “lớp phủ” bê tông. Tuy nhiên, những khó khăn liên quan với việc xây dựng “quan tài” đó đã làm giảm độ kín và độ bền của nó theo thời gian và từ năm 1990 đã nghiên cứu khả năng chồng lên nó lớp phủ bảo hiểm thứ hai. Năm 1995, bằng giải pháp tạm thời đã bắt đầu các công việc phủ bảo vệ bên ngoài để tránh ngấm nước mưa. Theo đánh giá ban đầu, đã phát thải:
hầu như toàn bộ khí hiếm (6,5.106 TBq, nghĩa là 200 MCi); 50 – 60 % iốt 131 (1,5 – 1,9.106 TBq, nghĩa là 40 – 50 MCi) 20 – 40 % cesi 137 (85.103 TBq, nghĩa là 2 MCi);
3 – 6 % các sản phẩm phân hạch khác, nhà máy điện hạt nhântinit và nhiên liệu nằm trong vùng hoạt (7.103 TBq, nghĩa là 0,2 MCi).
Động học phát thải phóng xạ theo thời gian được trình bày trên hình 17.4.
Hình 17.4. Phát thải phóng xạ không tính các khí hiếm
Các nguyên nhân sự cố và các bài học
Theo các số liệu ban đầu, mọi tội lỗi đều đổ lên đầu các nhân viên vận hành, dựa vào việc họ không tuân thủ các quy tắc vận hành. Như ngày nay đã làm rõ, các quy tắc đó hoặc là nói chung không tồn tại hoặc là không rõ ràng và không hiểu được và nguyên nhân thực sự của thảm họa là khiếm khuyết của thiết kế, sự nghèo nàn trong nghiên cứu phân tích an toàn và những nhược điểm từđó mà ra của Quy trình vận hành công nghệ và đào tạo chuyên môn cho nhân viên.
Chắc là các nhân viên vận hành thao tác mà không tính đến các hậu quả có thể có.
Đồng thời, rõ ràng các thao tác đó không phải là ngoại lệ và đã được cấp lãnh đạo nhà máy cũng như các đại diện thường trực của các cơ quan điều tiết cho phép. (Lưu ý rằng,
Ủy ban giám sát nguyên tử Nhà nước Nga vào đầu năm 1986 mới chỉ triển khai công tác và các phương pháp hoạt động)
Tuy nhiên, ngoại trừ các sai lầm vận hành kể trên cần nhấn mạnh đến những khiếm khuyết thiết kếđặc trưng cho dạng lò phản ứng này:
tính không ổn định của vùng hoạt khi công suất thấp, do hệ số tỷ trọng quá dương của nước làm nguội;
thiếu hệ thống bảo vệ khẩn cấp lò phản ứng, tác động thực sự nhanh và không kéo theo các hiện tượng bất lợi trong giai đoạn nó bắt đầu khởi động;
mức độ tự động hóa không đủ của các phương tiện bảo vệ, vốn được trao quá nhiều khả năng ngắt các hệ thống. Trong thời kỳ thiết kếđầu tiên, dường như niềm tin đặt vào nhân viên vận hành lớn hơn niềm tin đặt vào các hệ thống tựđộng (độ tin cậy của chúng bị nghi ngờ).
Để kết luận chương về những sự cố lớn nhất, đề nghị người đọc tự phân tích, có bao nhiêu hỏng hóc thiết bị và bao nhiêu sai lầm của nhân viên đã diễn ra trong mỗi sự cốđã xem xét và liên hệ điều đó với các quan điểm an toàn chủ yếu đã được giới thiệu trong sách này.
LỜI KẾT
Một lần nữa muốn nhắc lại nhiệm vụ chủ yếu của khóa học – cố gắng cung cấp những khái niệm an toàn nhà máy điện hạt nhân cơ bản. Do hạn chế nội dung và thời gian lên lớp, tác giả không có khả năng đưa vào nhiều vấn đề chi tiết hơn và theo tác giả là rất hay. Nhưng có lẽ không cần thiết, bởi vì các vấn đề thuộc quan tâm riêng, người đọc có thể tìm thấy trong các tài liệu chuyên ngành. Đối với người muốn làm quen với lĩnh vực hấp dẫn và quan trọng này, tác giả hy vọng, như thế này là đủ.