01 Tháng Mười Một 2014
Đổi mới - Sáng tạo
09:32-19/08/2011
Công nghệ lò phản ứng nước áp lực thế hệ III và III+
TS Nguyễn Tùng Sơn

Việc thiết kế các lò phản ứng thế hệ III và III+ nằm trong xu hướng chính của vấn đề nghiên cứu và phát triển công nghệ điện hạt nhân (ĐHN) cho tương lai, đó là hoàn thiện các công nghệ ĐHN hiện hành và thiết kế cải tiến để đáp ứng các yêu cầu sau: Giảm thời gian xây dựng; Tăng tính an toàn; Giảm xác suất tai nạn nóng chảy vùng hoạt; Tăng tuổi thọ lên 60 năm; Giảm sự tác động tới môi trường. Giảm lượng chất thải phóng xạ.

Sau chiến tranh thế giới lần thứ II, người ta bắt đầu nghiên cứu sử dụng năng lượng nguyên tử vào mục đích hoà bình. Năm 1954 nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) đầu tiên trên thế giới được đưa vào vận hành tại Obnhinsk, Liên Xô cũ với công suất 5MW. Năm 1956 Anh đưa vào vận hành thương mại NMĐHN Calder Hall công suất 60 MW. Năm 1957 Mỹ đưa vào vận hành thương mại NMĐHN Shipping port công suất 100 MW. Các nước đi đầu về công nghệ NMĐHN là Liên Xô cũ, Mỹ, Anh và Canada. Hiện nay trên thế giới có 442 lò phản ứng hạt nhân năng lượng đang được vận hành tại 31 nước và lãnh thổ với tổng công suất 356740 MWe và chiếm khoảng 17% sản lượng điện toàn thế giới.

Công nghệ lò phản ứng hạt nhân đã được phát triển rất phong phú. Hiện có khoảng 10 loại lò đang được sử dụng. Tuy vậy ba loại chính là lò nước áp lực (PWR và VVER của Nga): 59,5%; lò nước sôi (BWR): 20,8%; và lò nước nặng áp lực (PHWR): 7,7%; các loại khác chiếm hơn 10%.

Các lò phản ứng thế hệ I là các lò phản ứng được đưa vào vận hành vào những thập kỷ 50-60 như Shippingport, Fermi I ở Mỹ...và đã được tháo dỡ gần hết. Đại đa số các lò phản ứng đang hoạt động hiện nay thuộc thế hệ II.

Sau sự cố Three Mile Island ở Mỹ (1979) và đặc biệt là sự cố Chernobyl ở Liên Xô cũ (1986), các loại lò phản ứng được nghiên cứu cải tiến đáng kể và ra đời lò phản ứng thế hệ III. Trên cơ sở lò nước nặng áp lực CANDU-6, Canada đã thiết kế lò CANDU cải tiến ACR-700 công suất 700 MWe với ý tưởng mới là dùng nước nhẹ làm chất tải nhiệt và chất làm chậm vẫn là nước nặng thay cho thiết kế truyền thống của lò CANDU là dùng nước nặng cho cả chất làm chậm và chất tải nhiệt. Lò ACR-700 có thể sử dụng nhiên liệu là uranium tự nhiên, uranium có độ giàu thấp hoàn nguyên từ tái chế nhiên liệu đã cháy của PWR và còn ứng dụng các đặc điểm an toàn thụ động. Canada đang thiết kế lò ACR-1000.

Mỹ đã phát triển lò nước sôi tiên tiến ABWR công suất 1300 MW, có hai lò loại này đang vận hành thương mại ở Nhật Bản và hai đang được xây dựng ở Đài loan. Thuỵ Điển đã thiết kế lò nước sôi BWR 90+ tiến hoá công suất 1500MWe.


Một số nước có chương trình nghiên cứu và phát triển lò tái sinh neutron nhanh (FBR). Các lò này dùng cả U-238 và U-235 vì vậy lò FBR có thể sử dụng uranium với hiệu suất hơn 60 lần so với  lò phản ứng thường. Nga đã xây hai lò tái sinh neutron nhanh đang hoạt động để cung cấp điện là BN-350 ở Kazakhstan, BN-600 ở Nga và đang xây lò BN-800. Hiện có gần 20 lò FBR tải nhiệt bằng kim loại lỏng đang vận hành trong đó có một số cung cấp điện thương mại. Tuy nhiên xây dựng rất tốn kém vì vậy việc nghiên cứu FBR Âu châu bị đình lại và lò FBR Superphenix 1250 MWe của Pháp cũng bị đóng của. Công ty General Electric (GE) cũng đã tiến hành thiết kế lò an toàn nội tại tải nhiệt bằng kim loại lỏng (PRISM). GE và Argonne còn phát triển lò nhân neutron nhanh kim loại lỏng cải tiến (ALMR) công suất hơn 1400 MWe, nhưng cả 2 thiết kế này ngay ở giai đoạn đầu đã bị loại khỏi danh sách thẩm định của Cơ quan pháp quy Hoa Kỳ (NRC). Super-PRISM là một thiết kế cải tiến khác của GE là lò dạng bể modul compact thoát nhiệt dư thụ động, công suất 1000 MWt và vận hành ở nhiệt độ  510 oC cao hơn PRISM với chất tải nhiệt natri lỏng.

Về dòng lò phản ứng dùng khí He làm chất tải nhiệt, Mỹ đã thiết kế lò HTR tải nhiệt bằng khí helium nhiệt độ cao (nhiệt độ cao tới 950 oC) có thể tăng hiệu suất nhiệt tới 48%.

Nam Phi đang phát triển lò tầng cuội modul PBMR (Pebble Bed Modular Nuclear Reator) với 450.000 viên cuội nhiên liệu di chuyển quay vòng qua vùng hoạt một cách liên tục (mỗi viên qua khoảng 10 lần) cho đến khi cạn kiệt. Lò PBMR hy vọng sẽ trở thành lò an toàn và kinh tế.

Một phát triển gần đây là Hệ lò dùng máy gia tốc, đó là kết hợp công nghệ lò phân hạch và máy gia tốc để phát điện. Chùm proton năng lượng cao đập vào bia kim loại nặng làm sản sinh neutron. Các neutron  gây ra phân hạch trong nhiên liệu, nhưng không giống lò thông thường, nhiên liệu luôn ở dưới tới hạn và phân hạch lập túc chấm dứt khi máy gia tốc tắt. Nhiên liệu có thể là uranium, plutonium, thorium, có thể trộn cả chất thải sống dài từ các lò thông thường. Tuy vậy vấn đề công nghệ và kỹ thuật vẫn còn cần giải quyết  và được kiểm chứng.

Dòng lò thế hệ III và III+ chiếm được nhiều sự quan tâm và đặt mua là lò nước áp lực, đó là các lò VVER-428 (AES-91), VVER-392 (AES-92) công suất 1000 MWe của Nga; EPR công suất 1600 MWe của Pháp. Tuy nhiên các lò phản ứng nước áp lực thế hệ III này mới chỉ đang được xây dựng, cái sớm nhất sẽ được đưa vào hoạt động năm 2012. Lò phản ứng VVER-428, VVER-392 đang được xây dựng tại Nga, Trung Quốc đang xây hai lò VVER-428 và cũng đặt mua thêm hai lò phản ứng loại này nữa, Ấn Độ đang xây dựng hai lò VVER-392. Pháp đang xây dựng một lò EPR dự kiến đưa vào hoạt động năm 2013, Phần Lan cũng đã mua và đang xây một lò EPR. Hàn Quốc phát triển lò nước áp lực cải tiến APR1400 MWe dựa trên thiết kế System 80+ của Mỹ được coi là lò thế hệ III của Hàn quốc. Tổ máy đầu tiên của loại lò này đang được xây dựng dự kiến vận hành vào năm 2012 ở Hàn Quốc.

Các lò phản ứng nước áp lực thế hệ III+ tiêu biểu là AES-2006 của Nga và lò AP1000 của Mỹ.

Việc thiết kế các lò phản ứng thế hệ III và III+ nằm trong xu hướng chính của vấn đề nghiên cứu và phát triển công nghệ điện hạt nhân (ĐHN) cho tương lai, đó là hoàn thiện các công nghệ ĐHN hiện hành và thiết kế cải tiến để đáp ứng các yêu cầu sau: Giảm thời gian xây dựng; Tăng tính an toàn; Giảm xác suất tai nạn nóng chảy vùng hoạt; Tăng tuổi thọ lên 60 năm; Giảm sự tác động tới môi trường. Giảm lượng chất thải phóng xạ.

Trong thời gian gần sáu mươi năm phát triển, các NMĐHN sử dụng lò nước áp lực đã và đang vận hành ổn định, an toàn. Những lò phản ứng nước áp lực thế hệ III và III+ có những ưu điểm vượt trội về mặt an toàn và kinh tế. Đó là những đối tượng được nhiều nước xem xét cho chương trình ĐHN của mình. Tuy vậy chưa có thiết kế nào được tính toán an toàn cho trường hợp xảy ra sự cố do nguyên nhân kép là động đất và sóng thần. Vì vậy trong tương lai gần các công ty thiết kế và các ủy ban an toàn chắc chắn sẽ thực hiện công việc đánh giá an toàn các loại lò phản ứng này cho trường hợp động dất và sóng thần cùng xảy ra.

Trong quá trình hoạt động của NMĐHN luôn tiềm ẩn những nguy cơ gây mất an toàn vì vậy hệ thống đảm bảo an toàn rất quan trọng. Thiết kế hệ thống an toàn cho NMĐHN phải đáp ứng các nhiệm vụ sau: Điều khiển công suất và dập lò sự cố; Làm mát và làm nguội khẩn cấp vùng hoạt (lõi lò) khi có sự cố; che chắn và giam giữ chất phóng xạ. Hệ làm nguội vùng hoạt khẩn cấp của lò nước nhẹ thế hệ II bao gồm hai hệ độc lập là Hệ phun nước vùng hoạt áp suất cao và Hệ phun nước vùng hoạt áp suất thấp, các hệ thống này được cấp điện bằng hai nguồn điện độc lập với độ tin cậy cao. Hai hệ này được gọi là hệ an toàn chủ động. Khi có sự cố, điều lo ngại nhất là mất chất tải nhiệt (nước) có thể gây nóng chảy vùng hoạt dẫn dến phá hủy toàn bộ lò phản ứng. Trong điều kiện hoạt động bình thường áp suất trong lò khoảng 15-16 MPa, khi mất chất tải nhiệt thì áp suất cũng giảm dần đến một giá trị định sẵn (thường là khoảng 8 MPa) thì Hệ phun nước vùng hoạt áp suất cao tự động hoạt động để bơm nước (nước trộn với a xít Bo) bổ xung vào làm nguội vùng hoạt. Nếu sự cố không khắc phục được, chất tải nhiệt tiếp tục mất nghĩa là áp suất tiếp tục giảm đến một giá trị định sẵn khác thì Hệ phun nước vùng hoạt áp suất thấp tự động hoạt động để bơm nước bổ xung vào làm nguội vùng hoạt.

Các hệ làm nguội vùng hoạt khẩn cấp của lò nước nhẹ thế hệ III và III+ được chú ý cải tiến nhằm nâng cao độ an toàn của lò phản ứng. Đối với các lò các lò nước VVER-428 và VVER-392 của Nga, ngoài hai hệ an toàn chủ động giống như ở thế hệ II người ta còn thiết kế một hệ an toàn thụ động với bốn bể chứa nước trộn a xít Bo với dung lượng 50 m3 mỗi bể được nén sẵn sàng ở áp suất 6,0 MPa. Khi áp suất trong lò giảm đến 5,9 MPa thì Hệ an toàn thụ động đẩy nước trộn a xít Bo vào làm mát vùng hoạt mà không cần phải bơm như các hệ an toàn chủ động.

Lò phản ứng VVER-392 còn được thiết kế bẫy Corium để thu hồi các sản phẩm nóng chảy vùng hoạt khi có sự cố nặng. Nếu xảy ra sự cố nặng làm nóng chảy vùng hoạt, các sản phẩm  nóng chảy từ vùng hoạt thoát ra với nhiệt độ rất cao sẽ tiếp xúc với nước làm hóa hơi đột biến và gây nổ hơi nước và có nhiều nguy cơ phá hủy nhà lò phản ứng, làm phóng xạ thất thoát ra ngoài.

Trong hệ làm nguội vùng hoạt khẩn cấp của lò phản ứng thế hệ III+, AES-2006 của Nga, ngoài hệ an toàn thụ động và bẫy Corium để thu hồi các sản phẩm nóng chảy vùng hoạt như lò VVER-392 (AES-92) còn được thiết kế thêm một hệ an toàn thụ động bằng khí nén ở áp suất 1,5 MPa và hệ làm mát nhà lò thụ động cùng với hệ làm mát nhà lò bằng không khí đối lưu tự nhiên.

Thành công lớn nhất trong thiết kế lò phản ứng AP1000 của Mỹ là hệ thống an toàn chỉ sử dụng nguyên lý thụ động. Hệ thống này chỉ sử dụng các lực tự nhiên như trọng lực, đối lưu tự nhiên và khí nén để thực hiện chức năng an toàn. Không cần bơm, quạt, máy phát điêzen. Hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động của lò AP1000 gồm có bốn hệ thành viên, đó là: Hệ phun an toàn áp suất cao (sử dụng trọng lực); Hệ phun an toàn áp suất trung bình (sử dụng khí nén); Hệ làm mát vùng hoạt áp suất thấp (sử dụng trọng lực); Hệ thống tải nhiệt dư thụ động (sử dụng nguyên lý đối lưu tự nhiên). Lò phản ứng AP1000 còn thiết kế hệ làm mát nhà lò thụ động và hệ làm mát nhà lò bằng không khí đối lưu tự nhiên.

Tính ưu việt của  NMĐHN với lò AP1000 là dựa trên khái niệm thiết kế đơn giản, bơm tuần hoàn được thiết kế bọc kín và gắn liền với lò hơi. Hệ thống đường ống nối giữa lò phản ứng với lò hơi, bơm tuần hoàn và bình điều áp rất gọn. Số lượng đường ống giảm hơn 5 lần, số lượng dây cáp chỉ bằng xấp xỉ 1/8, số lượng bơm giảm đi đáng kể so với nhà máy sử dụng lò PWR thế hệ II có cùng công suất. Mặt bằng xây dựng cũng nhỏ hơn nhiều cho nên khối lượng xây dựng ít hơn và khối lượng tháo dỡ khi nhà máy hết hạn sử dụng cũng ít hơn. Thiết kế NMĐHN với lò AP1000 theo kiểu module bao gồm hơn 300 module trong đó hơn 150 module của các bộ phận kết cấu và khoảng 150 module của các bộ phận cơ khí. Điều đó cho phép vừa chế tạo module vừa xây dựng, rút ngắn tiến độ thi công tại công trường, tối thiểu hóa số lượng công nhân thi công tại hiện trường, thực hiện nhiều hạng mục trong nhà máy, nên có điều kiện kiểm tra, quản lý chất lượng nhằm nâng cao chất lượng công trình và rút ngắn thời gian xây dựng và lắp đặt thiết bị của nhà máy (dự kiến 48 tháng).

Lò phản ứng EPR được thiết kế, chế tạo dựa trên công nghệ đã được kiểm chứng là các lò phản ứng N4 của Pháp và KONVOI của Đức. Hệ làm nguội vùng hoạt khẩn cấp vẫn chỉ sử dụng hệ an toàn chủ động là hệ phun nước vùng hoạt áp suất cao và hệ phun nước vùng hoạt áp suất thấp. Tuy nhiên trong nhà lò được thiết kế hệ thống hầm chứa sản phẩm nóng chảy để bảo vệ khi có sự cố nặng làm nóng chảy vùng hoạt.

Trong thời gian gần sáu mươi năm phát triển, các NMĐHN sử dụng lò nước áp lực đã và đang vận hành ổn định, an toàn. Những lò phản ứng nước áp lực thế hệ III và III+ có những ưu điểm vượt trội về mặt an toàn và kinh tế. Đó là những đối tượng được nhiều nước xem xét cho chương trình ĐHN của mình. Tuy vậy chưa có thiết kế nào được tính toán an toàn cho trường hợp xảy ra sự cố do nguyên nhân kép là động đất và sóng thần. Vì vậy trong tương lai gần các công ty thiết kế và các ủy ban an toàn chắc chắn sẽ thực hiện công việc đánh giá an toàn các loại lò phản ứng này cho trường hợp động dất và sóng thần cùng xảy ra.

Lò phản ứng thế hệ IV sẽ đáp ứng các yêu cầu về an toàn cao hơn thế hệ III và III+. Tuy nhiên đang còn ở giai đoạn thiết kế khái niệm hoặc thực nghiệm, hy vọng sẽ được xem xét khai thác sau năm 2030.

 


Thư bạn đọc
Họ tên  *
Địa chỉ
Email *
Nội dung
*
Cập Nhật Hủy
Các tin đã đưa
Biến CO2 thành đồ dùng gia dụng - (15/08)
Phát triển các tổ chức trung gian cung-cầu công nghệ - (04/08)
Có công nghệ thích ứng để khai thác hiệu quả bể than đồng bằng Sông Hồng - (22/07)
Khám phá chi tiết bề mặt Sao Thủy cùng phi thuyền Messenger - (01/07)
Văn hóa an toàn trong công nghiệp - (10/06)
Giải pháp định vị rùa Hồ Gươm - (08/06)
Tàu tinh luyện khí đốt trị giá nhiều tỷ USD - (06/06)
Xây dựng bản đồ công nghệ phù hợp cho Việt Nam - (19/05)
In ấn      Gửi Email  Quay lại
VietTotal
Đọc nhiều nhất
Mới nhất
Tạp chí Tia Sáng - tiasang.com.vn
Cơ quan chủ quản: Bộ Khoa học Công nghệ. Giấy phép: Số 17/GP-TTĐT ngày 24/01/2011.
Tòa soạn: 70 Trần Hưng Đạo - Hà Nội, Tel: (043)-9426376, Fax: (043)-9426375, Email: tctiasang@gmail.com, tiasang@fpt.vn
Yêu cầu ghi rõ nguồn từ http://tiasang.com.vn khi bạn trích dẫn nôi dung từ website này
Hệ thống được xây dựng trên công nghệ Cổng thông tin điện tử VietPortal