5.1 SỐ HẠNG NGUỒN TRONG TAI NẠN ĐIỆN HẠT NHÂN Khi vùng hoạt bị tan chảy trong các tai nạn nghiêm trọng, nhiệt độ và áp suất rất cao trong thùng lò và nhà lò có thể bức hại các rào chắn v
Trang 15 Phát thải phóng xạ trong
những tai nạn điện hạt nhân
Đ iệ n h ạ t n h â n là k h o a h ọ c đ a n g à n h , n ơ i g ặ p n h a u c ủ a n h iề u
n g à n h k h o a h ọ c tro n g đ ó c ó k h o a h ọ c k h i q u y ể n K h o a h ọ c k h í
q u y ể n x â y d ự n g trê n n h ữ n g k iế n th ứ c c ơ b ả n v ề n h iệ t đ ộ n g
h ọ c đ ộ n g lự c h ọ c c á c d ò n g c h ả y , q u a n g h ọ c c ổ đ iể n , p h ả n ứ n g
h ó a h ọ c p h ầ n lớ n đ ã h o à n c h ỉn h từ đ ầ u th ế k ỷ X X N h ư n g
c h o đ ế n n a y á p d ụ n g nhQ-ng k iế n th ứ c c ơ b ả n ấ y đ ể g iả i c á c
p h ư ơ n g trìn h đ ộ n g lự c h ọ c ph i tu y ế n tro n g d ự b á o th ờ i tiế t và
b iế n đ ồ i k h í h ậ u v ẫ n c ò n là là b à i to á n p h ứ c tạ p n h ấ t c h ư a th ể
đi đ ế n k ế t q u ả th ỏ a đ á n g c h o dù n à n g lự c tin h to á n đ ã p h á t triể n v ư ọ 1 b ậ c tro n g v à i th ậ p k ỷ q u a
C ô n g c u ộ c c õ n g n g h iệ p h ó a k h ắ p n ơ i trê n th ế g iớ i lại c h ấ t th ê m
g á n h n ặ n g m ó'i c h o k h o a h ọ c k h í q u y ể n - b à i to á n p h á t tá n ô
n h iễ m k h ô n g k h í từ c ộ t ố n g k h ó i tro n g p h ạ m vi q u a n h n h à m á y
v à x a h ơ n , x u y ê n q u a b iê n g ió i g iữ a c á c q u ố c g ia G ầ n đ â y ô
n h iễ m k h ô n g k h í d o k h ó i m ù n h iề u n g à y ở L u â n Đ ô n th á n g 12
n ả m 1 9 5 2 đ ã g iế t c h ế t 12 0 0 0 n g ư ờ i tro n g ba tu ầ n C h ì s a u
th ả m h ọ a n à y c á c n h à k h o a h ọ c v à n h à q u ả n lý m ớ i b ắ t đ ầ u
h à n h đ ộ n g q u y ế t liệ t đ ể n g h iê n c ứ u b à i to á n ô n h iễ m k h ô n g khí
V à m ô i trư ờ n g k h ô n g k h í đã đ ư ọ 'c c ả i th iệ n rấ t n h iề u ờ c á c
n ư ó 'c tiê n tiế n
Đ ú n g v à o lú c n à y , đ iệ n h ạ t n h â n x u ấ t h iệ n và bài to á n p h á t tá n
õ n h iễ m p h ó n g xạ từ c á c lò p h ả n ứ n g đ ã đ ó n g g ó p th iế t th ự c và
th u c đ ầ y c á c n g h iê n c ứ u về ồ n h iễ m m ô i trư ờ n g k h í Bỏ'i c á c
n u c lit p h ó n g xạ từ tai n ạ n đ iệ n h ạ t n h â n là n h ữ n g c h ấ t đ á n h d ấ u
đ ộ c đ á o k h ô n g th ể n h ầ m lẫ n , q u á trìn h la n tr u y ề n ô n h iễ m
Trang 2trong khí quyển Chính các nhà khoa học tham gia giải quyết bài toán phát tán ô nhiễm phóng xạ từ nhà m áy điện hạt nhân
đã để lại phương pháp luận, công cụ tính toán và tên tuổi của mình cho khoa học khí quyển và bài toán ô nhiễm môi trường khí nói chung.
5.1 SỐ HẠNG NGUỒN TRONG TAI NẠN ĐIỆN HẠT NHÂN
Khi vùng hoạt bị tan chảy trong các tai nạn nghiêm trọng, nhiệt độ và
áp suất rất cao trong thùng lò và nhà lò có thể bức hại các rào chắn vật
lý làm thoát chất phóng xạ ra môi trường Phát thải phóng xạ trong những trường hợp này rất lón, lớn hơn nhiều so với phát thải trong suốt thời gian vận hành bình thường của lò phản ứng Chất phóng xạ có thể lan xa trong khí quyển và gây tác hại trong phạm vi hàng nghìn km như trường hợp tai nạn Chernobyl (chương 8), hoặc hàng trăm km như ờ Fukushima Dai-ichi (chương 9)
Một nội dung quan trọng trong phân tích an toàn và rủi ro tà nhà máy điện hạt nhân là nhận dạng đầy đủ nguồn nuclit phóng xạ thoát ra môi trường trong những tai nạn tan chảy vùng hoạt kèm theo hư hỏng thùng
lò và nhà lò Từ đó mới có thể đi đến xác định liều bức xạ tại những nơi chịu ảnh hưởng của tai nạn điện hạt nhân Bài toán bao gồm năm bước chính:
trong vùng hoạt ngay trước khi tai nạn xảy ra,
• Đánh giá phần thoát ra nhà lò đối với từng nuclit và dạng tồn tại của chúng,
khí quyển,
2 3 4 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHẩM
Trang 3Quá trình xảy ra tai nạn diễn biến theo thòi gian vì chúng liên quan đến kịch bản sự cố tan chảy vùng hoạt, khả năng đáp ứng của các hệ thống bảo vệ lò phàn ứng và xác suất hư hòng các hệ thống này do nhiệt độ và
áp suất vượt quá sức chống chịu của chúng Sau đây sè trình bày những nội dung trên dựa trên nhừne văn bản hướng dần mang tính pháp quy của U.S NRC như NƯREG-1165, 1468 và tài liệu mô tà phần mềm RASCAL 4 được sử dụns ữong cấp phép xây dựng và vận hành các nhà máy điện hạt nhân ờ Mỹ
5.1.1 Kiểm kê tồn trữ phóng xạ trong vùng hoạt
có thể dựa trên số liệu ờ bànơ 5.1 Nên lưu ý rằng neay trước khi \òing hoạt bị tan chảy phàn ứng dây chuyền có thể bị dập tắt bơi hệ điều khiên tự độne, như ờ hai tai nạn TM I-2 và Fukushima N hưns ờ tai nạn Chernobyl phản ứns dây chuyền chăna nhừnơ khôns bị dập tắt mà còn leo thang do hệ điều khiển bị bất hoạt Trong cả hai trườns hợp TM I-2
và Fukushima hoạt độ các nuclit ư o n s \-ùnơ hoạt đều phụ thuộc vào độ cháv nhiên liệu trước đó tính theo MWt.d Cho nên ờ bana 5.1 hoạt độ các nuclit được chuẩn hóa ra Ci/MWt và tính cho bó nhiên liệu có độ cháy 38.585 M W t.d'tan u tronơ lò phàn ứns nước nhẹ dùna uranium
giàu 4°'o với côns suất 3479 MWt chứa 193 bó nhiên liệu Hoạt độ cua
một nuclit cụ thể nào đó có được bằng cách nhân giá trị tuơns ứn2 trên bảns 5.1 với côns suất nhiệt của lò Các thông số lò đưa ra trên đày đại diện cho nhừns lò nước nhẹ ớ Mỹ với các bó nhiên liệu được sư dụna vài năm trong \Tins hoạt trước khi xảy ra tai nạn gia định Trên thực tế
những bó nhièn liệu có độ cháy rất khác nhau, và khác \'ới con số
38,585 M W t.dtan u do đó hoạt độ những nuclit trona bang 5.1 phai
được hiệu chính ty lệ với độ cháy thực tế theo côna Thức
I = l3 S 5 S 5 - • — : - ( 5 U
Công thức này được dùng đê hiệu chính đối \ ới các nuclit có chu kỳ
bán rà khá lớn trên 100 ngày, nên hoạt độ các nuclit này chưa đạt đến
Trang 42 3 6 AN TOAN ĐIỆN HẠT NHÂM
bão hòa khi các bó nhiên liệu chỉ ngâm không quá vài năm trong vùng hoạt Với những nuclit có chu kỳ bán rã bé hơn nhiêu so với thời gian
bó nhiên liệu ngâm trong vùng hoạt, hoạt độ cua chúng đạt đên bão hòa
và phụ thuộc vào công suất lò, không phụ thuộc vào độ cháy cua bó nhiên liệu, do đó không cần phải hiệu chính theo công thức 5.1
B ả n g 5.1 K iểm kê h oạt độ n u clỉt tồn trữ tro n g vù n g h oạt lò p h ản ứng nước nhẹ.
Hoạt độ tồn trư,
Hoạt độ tồn trữ, Ci/MWt
4 ,7 4 e + 0 4 4,33e+04 2,36e+03
C e ’ "" 4,39e+04 Mo®® 5,30e+04 8,26e+03
1 ,1 2 e + 0 3 5,69e+05 3,81e+D 4
4 ,7 0 e + 0 3 Pr^43 3 ,9 6 e + 0 4 3 ,6 5 e + 0 2
1 ,4 9 e + 0 3 4 ,2 6 e + 0 3 5 ,4 3 e + 0 4
1
3 ,2 5 e + 0 3 Rb®® 5 ,2 9 e + 0 1 ^g133n. 1,7 2 e + 0 3
.131
2 ,6 7 e + 0 4 Rh'°® 2 ,8 1 e + 0 4 1 ,42e+ 04
.132
3 ,8 8 e + 0 4 4 ,3 4 e + 0 4 1.15e+04 133
5 ,4 2 e + 0 4 3 ,0 6 e + 0 4 4,56e+04 134
^^83m
Trang 5Trong bảng 5.1 không có mặt hàng chục đồng vị có chu kỳ bán rã bé hơn 10 phút, chúng phân rã gần hết trước khi thoát ra ngoài để có thể gây ảnh hưởng đến môi trường xung quanh Ngoài ra cũng không có mặt trong bảng rất nhiều đồng vị con gái có chu kỳ bán rã ngắn nên luôn cân bằng phóng xạ với các đồng vị mẹ
5.1.2 Số hạng nguồn
Các nuclit tồn trữ trong vùng hoạt có khả năng thoát ra được bên ngoài nhà lò trong tai nạn điện hạt nhân tạo thành số hạng nguồn Để có căn
cứ tính toán phát tán chất phóng xạ trong khí quyển và liều chiếu xạ lên dân chúng, số hạng nguồn phải bao gồm thành phần và hoạt độ nuclit phóng xạ, đặc điểm hóa học của chúng khi xâm nhập vào nhà lò và diễn biến theo thời gian của quá trình này Diễn biến của toàn bộ quá trình trên phản ảnh mức độ tan chảy nhiên liệu theo thời gian và thời điểm các rào chắn vật lý bị phá hỏng khiến nhiên liệu tan chảy có thể tương tác với vật liệu xung quanh
Để xác định số hạng nguồn, người ta thường chia nhà lò ra làm nhiều ngăn và tính hoạt độ phóng xạ của các nuclit đi vào và ra khỏi từng
kéo dài 15 phút Ngăn thứ nhất chính là nhiên liệu, từ đây các nuclit thoát ra ngăn thứ hai là nhà lò Vì hệ thống tự động dừng lò khẩn cấp khi xảy ra tai nạn (như LOCA) nên các sản phẩm phân hạch không sinh
ra thêm trong nhiên liệu mà cạn dần sau mồi nấc thời gian do hai quá trình phân rã phóng xạ và thoát ra nhà lò Trong khi đó, một số đồng vị con gái lại được bổ sung thêm do phân rã phóng xạ của các đồng vị mẹ, tương tự như quá trình nhiễm độc xenon đã xét đến ở mục 4.1.8
ơ ngăn thứ hai, hoạt độ các nuclit trong mồi nâc thời gian có được do chất phóng xạ thoát ra rtr nhiên liệu trong nấc thời gian ấy trừ phần mất
đi do phàn rã phóns xạ và do thoát ra môi trường Ngoài ra, hệ thống phun nước khẩn cấp làm giảm nhiệt độ nhà lò khi xáy ra sự cố cũng rửa trôi một phần các nuclit phóng xạ
Trang 62 3 8 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAN
Lượng nuclit thoát ra khỏi nhiên liệu đi vào nhà lò phụ thuộc vào diễn biến quá trình vùng hoạt bị phơi trần sau khi mất nước tài nhiệt (LOCA)
mà hệ thống tải nhiệt khẩn cấp bị bất hoạt, như có thể thấy trên bảng 5.2, theo báo cáo NUREG -1465 của NRC và được sừ dụng trong RASCAL
4 cho lò nước nén số liệu đối với lò nước sôi không khác nhiêu.
Kịch bản tan chảy vùng hoạt có thể chia ra thành ba pha, vò bọc bị hỏng
là pha thứ nhất, sau đó nhiên liệu trong vùng hoạt bị tan chảy, và cuối cùng là thùng lò bị thủng Pha vỏ bọc hư hỏng, hay còn gọi là pha thoát chất phóng xạ từ khe hở giữa nhiên liệu và vỏ bọc (gap release), bắt đầu
từ khi nước trong thùng lò hạ xuống dưới mức trên cùng của vùng hoạt (TAF) Trong pha này những bó nhiên liệu ở trung tâm vùng hoạt bắt đầu hư hỏng làm thoát ra một ít khí trơ, halogens và kim loại kiềm Khi tan chảy nhiên liệu lan rộng hơn ở pha thứ hai, phần lớn khí trơ sẽ thoát
ra nhà lò cộng với vài chục phần trăm lượng tồn trữ của các halogens và kim loại kiềm Các nuclit thuộc những nhóm chịu lửa phần lớn vẫn nằm lại trong thùng lò trong pha thứ hai, và thậm chí cả trong pha thứ ba
B ản g 5.2 Phần thoát ra nhà lò từ nhiên liệu đối với các nuclit phân theo
những nhóm có hóa tính tưong tự (Nguồn: N U RE G -1465).
Nhóm nuclit
Phần nuclit thoát ra khỏi nhiên liệu Pha vỏ bọc
bị hỏng (kéo dài 0,5 giờ)
Pha tan chảy nhiên liệu (kéo dài 1,3 giờ)
Pha sau khi thùng lò bị hỏng (kéo dài 2 giờ)
Kim loại kiềm (Cs, Rb) 0,05 0,25 0,35
Kim loại hiếm (Ru, Rh, Pd,
Nhóm ceri (Ce, Pu, Np) 0 0,0005 0 ,0 0 5 Nhóm lanthanides (La, Zr,
Nd, Eu, Nb, Pm, Pr, Sm, Y,
Cm, Am)
Trang 7Khi thoát ra khòi nhiên liệu vào nhà lò, các nuclit tồn tại dưới dạng sol khi, trừ các nuclit khí trơ và một phần iod Dạng tồn tại hóa học cua các nuclit, đặc biệt là iod, rất được quan tâm bời nó tác độns sơm nhất đến liều chiếu xạ lên tuyến siáp ưone các tai nạn điện hạt nhàn, ư ớ c tính 95% iod đi vào nhà lò dưới dạng Csl 5°0 còn lại dưới dạng iod nguyên
tố hoặc HI Sau đó, trone điều kiện nhà lò chứa nước và hơi nước Csl
có thể hòa tan thành ion r Một phần iod còn tồn tại dưới dạng hữu cơ
như methyl iod CH3I do phàn ứng iod nơuyên tố với các chất hữu cơ
lod hữu cơ có hoạt tính hóa học rất yếu nên thườns được xếp chung với khi trơ phóng xạ
Sau khi đi vào nhà lò, các chất phóns xạ có thè khôns còn tồn tại dưới dạna sol khí nhờ có các quá trình tự nhiên như rơi lắnơ do trọns lực và
các giái pháp kỳ thuật bao Rồm hệ thốnơ tưới mát nhà lò \ ầ các phin
lọc Hệ tưới mát nhà lò chăns nhừnơ có nhiệm \-ụ làm nguội khôna khí
ữ-ong nhà lò mà còn làm tiêu tan các sol khí thoát ra tò \iin2 hoạt Hệ thống này làm cho nồng độ sol khí trong nhà lò aiảm nhanh theo quy luật hàm mù sons các khí trơ và iod dưới dạng hữu cơ hầu như khôna
5.2 PHÁT TÁN NUCLIT PHÓNG XẠ RA KHÍ QUYẾN BÊN NGOÀI NHÀ MÁY THEO MÔ HÌNH GAUSS
5.2.1 Mô hình phân bố Gauss
Những nshiẻn cứu về vấn đề này thừa hương rất nhiều ưi thức về phát tán các chât ô nhiềm ưong khi quyên đã phát triên trước khi có côns nghệ điện hạt nhàn Cụ thể mô hình làn khí toa ra rù cột ốns khói nhà máy (hình 5.6) với nồns độ khí phàn bố theo hàm Gauss trên mặt cất
Miông 2ÓC với hướng gió \'ần được sừ dụns đê mô ta phát tán các nuclit
phónơ xạ từ nhà máy điện hạt nhân Rộnơ ra hơn đày cùns là bài toán ràt thườns ơặp trong vật lý học như truyèn nhiệt do Idiuèch tán bài toán vận chuvển neutron trong mồi tnrờnơ không có chất hấp thụ
Chuưng 5 PHÀT THÃI PHÓNG XẠ TRONG NHỮNG TAI NẠN _ 239
Trang 82 4 0 AN TOÀN ĐIỆH HẠT NHAN
Nuclit phóng xạ, cũng như
các chất ô nhiễm thoát ra tà
cột ống khói nhà máy có thể
phát tán được trong khí
quyển và lan xa là do bị gió
cuốn (advection) cộng với
khuếch tán (diffusion) khí và
sol khí do lớp khí quyển gần
mặt đất luôn bị xáo động
khiến vật chất trong làn khói
luôn xáo trộn với không khí
bên ngoài
Phương trình phát tán phụ
thuộc thời gian mô tả quy
luật cân bằng khối đối với
từng yếu tố thể tích trong môi
trưÒTig phát tán có dạng tổng quát sau đây (chừ đậm là ký hiệu vectơ):
Ỗ0(r,t)
H ình 5.1 Làn khói tỏa ra từ cột ống khói
(Nguồn: internet).
ở đó ô(r, t) là nồng độ chất phát tán mà trong bài toán tai nạn điện hạt nhân chính là nồng độ nuclit trong không khí tính theo Ci/m^ tại vị trí r
và thời điểm t,
S(r, t) là nguồn phát, thông thường được chọn tại gốc tọa độ (r = 0) và thời điểm ban đầu (t = 0),
J(r, t) là dòng phát tán gồm hai thành phần Thành phần thứ nhất mô ta hiện tượng khuếch tán tuân theo định luật Pick thứ nhất, theo đó dòng khuếch tán hướng từ vùng nồng độ khí cao đến vùng nồng độ thấp và tỳ
lệ thuận với gradient nồng độ
k là hệ số khuếch tán đo bằng m“/s Thành phần thứ hai mô ta chuyên động cuốn theo gió và tỷ lệ với vận tốc gió u, u đo bằng m s
Trang 9Chirong 5 PHÁT THÀI PHÓNG XẠ TROMG NHŨNG TAI NẠN 241
Cách giải phương trình vi phân (5.2 - 5.4) khá phức tạp nên người ta thường phải sử dụng các già định mô tả quy luật phát tán \ ’à đưa ra những điều kiện biên tương đối gần với thực tế ờ đày sè khôns đi vào chi tiết mà chi đưa ra lời giải cho trườns họp nuclit phát ra với tốc độ không đổi, Q (Ci/s) và ờ độ cao hiệu dụns h, như ưên hình 5.2 Độ cao
ống khói, ôh, do khí bên ưong nhà máy phụt lên nhờ có áp suất và nhiệt
độ cao hơn không khí bên ngoài
Giả sử gíó thôi vó i vận tốc khôns đôi u theo hướna dương trên trục X
và vận tốc u lớn hơn rất nhiều so \ ới \ ận tốc khuếch tán khí theo
[k~
trons khí quyên sẽ có dạng
V
2ơ:
( z h )
-(5.5)
ưona đó = 2 k y t = 2 k v X u
Trang 102 4 2 AN TOÀN ĐIỆN HẠT NHAl
Phương trình (5.5) được gọi là mô hình làn khói Gauss cho phép xác định nồng độ nuclit phóng xạ trong làn khói tỏa ra từ nhà máy tại tọa độ
X , y, z Trên mặt cắt vuông góc với hướng gió, nồng độ phân bố theo hàm Gauss, hay theo hình quả chuông với cực đại ở tâm (trên trục x) và giảm nhanh ra xa Độ lệch chuẩn của hai phân bố Gauss này chính là ơy
và ơ z , chúng càng lớn khi càng ra xa nguồn phát, như công thức (5.6) Hai thông số này được gọi là hệ số phát tán (coefficient o f dispersion) ngang và thẳng đứng, có đơn vị đo là m c ầ n phân biệt hệ số phát tán với hệ số khuếch tán k (coefficient of diffusion) trong định luật khuếch tán Pick ở công thức (5.3) có đon vị đo là mVs
Công thức (5.5) là lời giải cho môi trường đồng nhất vô hạn Trên thực
tế, nguồn phát ở gần mặt đất, nên môi trưòmg phát tán không thể xem là đồng nhất vô hạn Cụ thể, sau một thời gian lan truyền, làn khí có thể chạm mặt đất Đến đây ta lại phải đưa ra thêm giả thiết mới, xem mặt đất là mặt phang có khả năng phản xạ toàn phần, nghĩa là làn khí được phản xạ về phía trên và các nuclit không bị mất mát do hấp thụ khi làn
do khí và sol khí phóng xạ rơi lắng (khô và ướt) xuống đất chứ không phải do làn khí chạm xuống đất
Cách đơn giản để tính đến hiện tượng phản xạ này là có thêm một nguồn phát ảo ở độ cao -h , khi ấy thừa số exp theo trục z
ở công thức (5.5) sẽ trở thành
Cũng vây, về phía trên, khí phóng xạ không thể bốc lên cao hơn độ cao của lớp xáo trộn (mixing height) Lớp xáo trộn này luôn hình thành vi mặt đât bị ánh sáng mặt trời đôt nóng tạo nên những luồng khí có xu hướng bốc lên cao, lại thêm hiện tượng ma sát gần mặt đất nên những chuyên động này trở thành xáo động, kết quả là vật chất được trộn đều