Hệ thống nhà lò phản ứng hạt nhân

Monday, 01/07/2013, 11:10

1/ Giới thiệu

Hệ thống nhà lò phản ứng hạt nhângọi tắt là hệ thống nhà lò(contaiment system) là một kết cấu có chức năng ngăn chặn sự thoát các đồng vị phóng xạ ra môi trường trong quá trình vận hành lò phản ứng. Đối với từng loại lò phản ứng, hệ thống nhà lò có các đặc trưng riêng. Trong khuôn khổ của bài viết này chỉ đề cập đến hệ thống nhà lò của hai loại lò phản ứng hạt nhân rất phổ biến là lò áp lực (pressurized water reactor-PWR) và lò nước sôi (boiling water reator-BWR). Sự phân loại lò áp lực hay lò nước sôi dựa trên phương thức tải nhiệt trong lò phản ứng.

PWR chiếm đa số trong các lò phản ứng hiện nay. Phương thức làm lạnh vùng hoạt và làm chậm nơtron trong PWR là sử dụng nước có áp suất cao. Nước nóng (có nhiễm xạ) sau khi ra khỏi thùng/vỏ lò phản ứng được quay vòng nhờ một bộ sinh hơi (steam generator). Tại bộ sinh hơi nước nóng sẽ truyền nhiệt cho vòng nước thứ cấp (không nhiễm xạ) để sinh hơi chạy tuốc bin phát điện, sau đó sẽ quay trở lại lò phản ứng. Vòng nước này được gọi là vòng nước sơ cấp. Đây là loại thiết kế lò phản ứng nơtron nhiệt. Thế hệ mới nhất của PWR là VVER-1200 và APWR.

BWR giống như PWR nhưng không có bộ sinh hơi. Phương thức làm lạnh vùng hoạt và làm chậm nơtron ở đây cũng sử dụng nước nhưng với áp suất thấp. Các phản ứng phân hạch trong lò phản ứng sinh nhiệt làm sôi nước ở phía dưới thùng lò, sinh ra hơi sau đó hơi theo ống dẫn đến tuốc bin phát điện. Với phương thức này, trong BWR không được chia ra vòng nước sơ cấp và thứ cấp. Loại lò này có hiệu suất nhiệt cao hơn và chúng cũng đơn giản hơn thậm chí có tiềm năng bền và an toàn hơn. BWR cũng là loại thiết kế lò phản ứng nơtron nhiệt và thế hệ mới nhất là ABWR và ESBWR.

Nhìn chung, hệ thống ngăn chặn bức xạ của cả hai loại lò nói trên đều gồm: vỏ thanh nhiên liệu (fuel cladding), thùng/vỏ lò chịu được áp lực (reactor vesle), tòa nhà lò (contaiment building) và riêng đối với thế hệ mới của lò phản ứng còn có hệ bắt giữ/bẫy nơtron (core catching) sẽ được giới thiệu ở bài khác.

2/ Mô tả các phần trong hệ thống ngăn chặn bức xạ/nhà lò

2.1/ Vỏ thanh nhiên liệu (fuel cladding)

Vỏ thanh nhiên liệu trong các lò phản ứng (H.1) là lớp bảo vệ đầu tiên quanh khu vực vị trí thanh nhiên liệu. Nó được thiết kế để bảo vệ thanh nhiên liệu khỏi sự ăn mòn do đó ngăn chặn sự thoát các chất phóng xạ từ thanh nhiên liệu vào vòng tuần hoàn chất tải nhiệt. Vỏ thanh nhiên liệu còn có chức năng giữ lại các sản phẩm phân hạch đặc biệt là các khí tại nhiệt độ đã đạt được trong lò phản ứng như Kripton, Xênon và I ốt. Vỏ thanh nhiên liệu có thể là lớp ceramic hoặc kim loại được làm kín. Vỏ thanh nhiên liệu không phải là lớp che chắn mà phải được phát triển để có khả năng hấp thụ ít nơtron đến mức có thể. Vì lý do này, các vật liệu được sử dụng làm vỏ thanh nhiên liệu thường là kim loại Ma giê, Ziconin do có tiết diện bắt giữ nơtron thấp.

Xu hướng phát triển vỏ thanh nhiên liệu trong tương lai dựa trên các tiêu chí phải có các thông số tốt hơn so với vỏ thanh nhiên liệu làm bằng hợp kim Ziconin tiêu chuẩn đang hiện hành.Ví dụ các thông số đó là: nhiệt độ vận hành > 650^oC để hạn chế sự oxy hóa hoặc ăn mòn, tiết diện bắt giữ nơtron < 0,0142/cm, không có phản ứng hóa học với chất tải nhiệt, độ dão do nhiệt gây ra thấp, độ bền cơ học cao, đảm bảo độ kín tối đa, sự phát ra hydro trong trường hợp LOCA ở mức tối thiểu.v.v.

H.1: Mô hình thanh nhiên liệu có vỏ bao H.2: Thiết kế thùng lò của APWR

2.2/ Thùng lò (reactor vessle)

Thùng lò (hay còn gọi là vỏ lò) trong một lò phản ứng năng lượng là một kết cấu có thể chịu được áp lực, chứa vùng hoạt và chất tải nhiệt. Trong các loại lò chủ yếu, PWR là lò duy nhất có thùng lò chịu được sự chiếu xạ của nơtron một cách đáng kể. Do đó thùng lò trong hệ thống PWR có thể trở nên dễ vỡ sau một thời gian vận hành. Trong thực tế, thùng lò của BWR lớn hơn được che chắn khỏi thông lượng nơtron tốt hơn. Vì vậy, mặc dù loại thùng lò này có chi phí chế tạo cao hơn do kích thước lớn nhưng nó có ưu điểm là không cần xử lý nhiệt để kéo dài tuổi thọ. Thùng lò (H.2) gồm hai bộ phận chính: thân thùng và đầu thùng. Thân thùng lò là bộ phận lớn nhất được thiết kế để chứa chất tải nhiệt và bộ lắp ráp thanh nhiên liệu. Thân thùng lò thường có hình dạng là hình trụ hoặc hình quả bầu lớn, được mở phía trên đỉnh để cho phép nạp thanh nhiên liệu vào. Đầu thùng lò được gắn phía trên đỉnh thân thùng. Qua đầu thùng bộ lái thanh điều khiển được xuyên qua để gắn với các thanh điều khiển bên trong thùng lò. Ống đo mức chất tải nhiệt cũng được đưa vào bên trong thùng lò qua đầu thùng lò.

Vật liệu dùng để chế tạo thùng/vỏ lò chịu áp thường là thép không gỉ hoặc hợp kim cao. Yêu cầu phát triển vật liệu của thùng lò chịu áp là: 1) có cường độ ứng suất cao thích hợp để làm giảm chiều dày của kết cấu và; 2) giới hạn nhiệt độ vận hành cao. Trong báo cáo kế hoạch R&D về vật liệu thùng lò cho nhà máy ĐHN thế hệ mới ở Mỹ, các loại vật liệu thùng lò được khuyến cáo là thép Grade 91 và A 508/533. Trong đó Grade 91 được ưa chuộng hơn do có ứng suất vật liệu và giới hạn nhiệt độ vận hành cao hơn. Thép A 508/533 cũng có thể được chấp nhận nếu sự thiết kế làm mát lò thỏa đáng.

Ngoài các bộ phận chính của thùng/vỏ lò chịu áp nêu trên, các phần khác được lắp đặt trong thùng lò là bộ lắp ráp thanh nhiên liệu và vành phản xạ. Mục đích của vành phản xạ là bảo vệ cho thùng lò không bị phá hủy do nơtron nhanh gây ra.

2.3/ Tòa nhà lò (contaiment building)

Tòa nhà lò là một kết cấu kín khí bằng thép hoặc bê tông cốt thép, bao bọc lò phản ứng. Tòa nhà lò được thiết kế để chứa một lượng chất phóng xạ thoát ra tại áp suất cực đại trong dải từ 410 - 1400 kPa tại bất kỳ trường hợp sự cố nào. Kết cấu tòa nhà lò có thể hoặc là thép đơn độc hoặc được áp thêm lớp che chắn bê tông. Mặc dù tòa nhà lò đóng vai trò then chốt trong các sự cố hạt nhân nghiêm trọng nhất nhưng lại chỉ được thiết kế để chứa hoặc ngưng tụ một lượng hơi thoát ra trong thời gian ngắn, còn việc khử nhiệt trong thời gian dài phải nhờ đến các hệ thống khác.

Hình dạng của tòa nhà lò có thể là hình cầu, hình trụ đối với PWR, hình chữ nhật đối với BWR. Trong thiết kế hiện đại của PWR, tòa nhà lò là kết hợp giữa hai hình cầu và trụ.

Các hệ thống tòa nhà lò được phân biệt bởi kích cỡ, hình dạng, vật liệu được sử dụng và hệ thống triệt áp. Trong đó, hệ thống triệt áp là yếu tố quyết định đối với phân tích an toàn và ảnh hưởng lớn đến kích cỡ tòa nhà lò. Phương pháp triệt áp có thể đơn giản chỉ là sự trao đổi nhiệt giữa một lượng lớn hơi với không khí trên bề mặt kết cấu tòa nhà lò để ngưng tụ lượng hơi này.

- Tòa nhà lò của PWR: Đối với một lò áp lực, tòa nhà lò là một khốí thống nhất bao bọc các bộ sinh hơi và bình điều áp. Hình dạng điển hình của tòa nhà lò trong PWR là hình trụ hoặc hình vòm. Kích cỡ của tòa nhà lò trong PWR thường lớn hơn so với BWR (lớn gấp 10 lần) với mục đích là để đảm bảo chứa một khối hỗn hợp hơi-khí xuất phát từ sự cố mất chất tải nhiệt và hạn chế áp suất cuối cùng đạt được trong tòa nhà lò.

PWR thế hệ trước hầu hết có hình dạng tòa nhà lò giống hình trụ (H.3) với vật liệu là bê tông cốt thép. Thiết kế hợp lý nhất để chứa một áp suất lớn là tòa nhà hình cầu. Các thiết kế tòa nhà lò của PWR nhiều nhất hiện nay là kết hợp hai hình dạng (H.4): phần dưới là hình trụ, phần trên là nửa hình cầu. Các thiết kế hiện đại cũng có xu hướng sử dụng vật liệu thép cho tòa nhà lò. Trong vài trường hợp như các lò AP1000 và EPR, vật liệu được sử dụng là cả hai gồm thép là lớp bên trong, bê tông là lớp ngoài. Điều này dựa trên mục đích là lớp bê tông ngoài sẽ ngăn cản các vật từ trong lò phản ứng không phóng được ra ngoài, còn lớp thép trong có khả năng giữ áp suất.

H.3: Tòa nhà lò của lò Brennilis, Pháp H.4: Tòa nhà lò của lò Cook, Michigan (Mỹ)

- Tòa nhà lò của BWR: Trong BWR, mục đích của tòa nhà lò khác hẳn. Tòa nhà lò của BWR (H.5) gồm hai hệ nhà lò sơ cấp và thứ cấp. Nhà lò sơ cấp chứa một bể khô (drywell) nơi đặt lò phản ứng và hệ thống tải nhiệt. Nhà lò sơ cấp hay nói cách khác là bể khô nhỏ hơn nhiều so với tòa nhà lò của PWR và có vai trò lớn. Theo kịch bản trường hợp sự cố có rò rỉ thì chất tải nhiệt sẽ tràn đến hơi trong bể khô để nhanh chóngđiều áp. Các ống thông hơi từ bể khô hướng đến hơi ở dưới mực nước trong bể ướt (wetwell) làm ngưng tụ hơi và hạn chế áp suất cuối cùng đạt được. Cả hai bể khô và bể ướt được bao bọc bởi nhà lò thứ cấp. Trong quá trình vận hành, áp suất bên trong nhà lò thứ cấp được duy trì thấp hơn (âm) so với áp suất khí quyển bên ngoài một chút.

Các thiết kế tòa nhà lò của BWR được nói đến với các tên gọi Mark I, Mark II và Mark III. Kết cấu Mark I (H.6) là cũ nhất được phân biệt bởi bể khô với hình dạng giống như quả bầu úp ngược đặt trên bể ướt là một ống vòng bằng thép chứa nước.

H.5: Hình ảnh tòa nhà lò của BWR H.6: Mặt cắt tòa nhà lò của BWR Mark I

Mark II đã được sử dụng với các thế hệ 4 và 5 của BWR. Mark II với hình dạng của bể khô là hình nón cụt trên một tấm bê tông, phía dưới là buồng triệt áp hình trụ được làm bằng bê tông. Nhà lò thứ cấp Mark II được làm bằng thép nhẹ hoặc bê tông.

Mark III sử dụng một vòm bê tông có phần nào giống PWR và có tòa nhà riêng chứa các thanh nhiên liệu đã sử dụng.

Nhìn bên ngoài, thiết kế tòa nhà lò của BWR (H.7) rất khác biệt so với PWR bởi: ở đây tòa nhà hình vuông được sử dụng làm hệ thống ngăn chặn bức xạ; ở đây chỉ có duy nhất một vòng nước đi qua tuốc bin và lò phản ứng, hơi đi qua tuốc bin cũng bị nhiễm ít phóng xạ dẫn đến tòa nhà tuốc bin phải được cân nhắc che chắn.

H.7: Hình ảnh tòa nhà lò của BWR ở Đức

Trần Thu Hà

Tổng hợp từ “Advanced LWR Nuclear Fuel Cladding System Develpment Trade-of Study”, “Reactor Pressure Vessel”, “Next Generation Nuclear Plant Reactor Pressure Vessel Materials Research and Development Plan”, Contaiment Building” có sẵn trên internet

Hệ thống nhà lò phản ứng hạt nhân

Các tin khác