báo cáo các vấn đề liên quan đến lò điện hạt nhân & công nghệ an toàn cho nhà máy điện hạt nhân

Định nghĩa “Nhà máy điện nguyên tử nhà máy điện hạt nhân là một nhà máy tạo ra điện năng ở quy mô công nghiệp, sử dụng năng lượng thu được từ phản ứng hạt nhân.” Nguồn: Wikipedia Nguyê

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CỤC NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ Phòng Quản lý khoa học & Công nghệ hạt nhân

- 

 -Báo cáo

Các vấn đề liên quan đến lò điện hạt nhân & công nghệ an toàn cho nhà máy điện hạt nhân

Kính gửi : Dr Hoàng Anh Tuấn

Hà Nội, 8 - 2011

MỤC LỤC

Mục lục 1

Danh mục hình ảnh và bảng biểu 2

Phần 1: Giới thiệu 3

1.1 Nhà máy điện hạt nhân 3

1.1.1 Định nghĩa 3

1.1.2 Các thành phần cơ bản của một nhà máy điện hạt nhân 4

1.2 Sự phát triển của công nghệ hạt nhân 5

1.2.1 Nhà máy điện hạt nhân thế hệ I 6

1.2.2 Nhà máy điện hạt nhân thế hệ II 6

1.2.3 Nhà máy điện hạt nhân thế hệ III và III+ 6

1.2.4 Nhà máy điện hạt nhân thế hệ IV 7

Phần 2: Xây dựng nhà máy điện ở Việt Nam 8

2.1 Đặt vấn đề 8

2.2 Lò phản ứng nước sôi (BWR) 8

2.3 Lò phản ứng nước áp lực (PWR) 9

Phần 3 : Các biện pháp đảm bảo an toàn cho nhà máy điện hạt nhân 11

3.1 Các biện pháp kỹ thuật 11

3.1.1 Quy hoạch nhà máy điện hạt nhân 11

3.1.2 An toàn trong vận hành của nhà máy 12

3.1.3 An toàn khhi xử lý sự cố 13

3.2 Các biện pháp phi kỹ thuật 16

Phần 4 : Kết luận 17

Tài liệu tham khảo 18

Danh mục hình ảnh

H.1.1 Nguyên lý tạo ra dòng điện từ dòng hơi nước 3

H.1.2 Các thùng chứa chất thải phóng xạ 4

H.1.3 Các thế hệ nhà máy điện hạt nhân 5

H.2.1 Nguyên lý của lò phản ứng nước sôi 8

H.2.2 Nguyên lý của lò phản ứng nước áp lực 10

H.3.1 Các nguy cơ có thể xảy ra với lò phản ứng 13

Phần 1 : Giới thiệu

1.1 Nhà máy điện hạt nhân

1.1.1 Định nghĩa

“Nhà máy điện nguyên tử (nhà máy điện hạt nhân) là một nhà máy tạo ra điện năng ở quy mô công nghiệp, sử dụng năng lượng thu được từ phản ứng hạt nhân.”

(Nguồn: Wikipedia)

Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện hạt nhân: giống như các nhà máy nhiệt điệt là sử dụng năng lượng nhiệt để đun nóng nước, sinh ra luồng hơi nước có

áp suất cao và lợi dụng công của luồng hơi nước này để làm quay turbine của các máy phát điện để tạo ra dòng điện cung cấp cho các phụ tải

Hình 1.1 – Nguyên lý tạo ra điện từ dòng hơi nước

Khác biệt cơ bản nhất của điện hạt nhân với nhiệt điện là: năng lượng nhiệt được tạo ra để đun sôi nước chính là năng lượng thu từ phản ứng phân rã hạt nhân của các chất phóng xạ Khi quá trình sản xuất đảm bảo “kín” và xử lý chất thải được bảo đảm an toàn cao, nhà máy điện nguyên tử sẽ có thể sản xuất năng lượng điện tương đối rẻ và sạch so với các nhà máy sản xuất điện khác, đặc biệt nó có thể

ít gây ô nhiễm môi trường hơn các nhà máy nhiệt điện đốt than hay khí thiên nhiên

Do sử dụng nhiên liệu là các chất có tính phóng xạ mạnh, trong quá trình hoạt động sẽ sản sinh ra một lượng chất thải hạt nhân khá lớn phần lớn trong đó có độ nhiễm xạ thấp (các vật dụng bảo hộ như găng tay, giấy lót, các tấm che chắn…) sẽ được cho vào các thùng chứa đặc biệt và được tiến hành chôn lấp Một số lượng ít hơn các chất phóng xạ nguy hiểm (ban đầu sẽ được lưu trữ trong phạm vi nhà máy trong vài chục năm để giảm hoạt độ phóng xạ) sau đó còn lại các chất phóng xạ có thời gian phân hủy lâu (có thể tới hàng ngàn năm) sẽ được bê tông hóa (trộn lẫn với thủy tinh đặc biệt), sau đó được chôn lấp ở các vùng có địa chất đặc biệt (các

mỏ quặng muối lớn không thấm nước hoặc các vùng núi đá không có mạch nước ngầm chảy qua)

Hình 1.2 – Các thùng chứa chất thải phóng xạ

Đến nay việc xử lý hoàn toàn các chất thải phóng xạ sinh ra từ quá trình hoạt động của các nhà máy điện hạt nhân vẫn chưa có Biện pháp duy nhất vẫn là sử dụng các thùng chứa đặc biệt để chứa các chất thải này, sau đó tiến hành chông lấp chờ cho tính phóng xạ của chúng giảm đi Tuy nhiên, các chất phóng xạ nguy hiểm

có thời gian phân rã lớn sẽ từ từ “tấn công” vỏ các thùng chứa, quá trình này diễn

ra trong một thời gian dài có thể sẽ làm cho vỏ các thùng chứa bị ăn mòn dẫn đến việc rò rỉ các chất phóng xạ ra ngoài

1.1.2 Các thành phần cơ bản của một nhà máy điện hạt nhân

Lò phản ứng: Là nơi diễn ra các phản ứng phân rã hạt nhân để tạo ra năng lượng nhiệt lớn

Bộ phận sinh điện: Gồm máy phát điện, các turbine (sử dụng cơ năng của dòng hơi nước làm quay máy phát điện, từ đó sinh ra dòng điện)

Bộ phận trao đổi nhiệt: Gồm hệ thống các ống dẫn, bộ tạo hơi, bộ ngưng tụ…

có tác dụng trao đổi nhiệt giữa các pha với nhau, đồng thời chuyển hơi nước trở lại dạng lỏng

Bộ phận truyền tải điện năng: Gồm các máy biến áp, hệ thống lưới truyền tải điện có tác dụng truyền tải dòng điện được sinh ra đến các hộ phụ tải

1.2 Sự phát triển của công nghệ điện hạt nhân

Những nhà máy điện hạt nhân thuộc thế hệ đầu tiền ra đời từ những năm 50 của thế kỷ trước (Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên được xây dựng tại thành phố Obninsk - Liên xô cũ vào năm 1954, công suất 5.000 KW Năm 1956, các nước Anh, Pháp cũng đưa vào vận hành nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên của minh) đánh dấu sự ra đời của hàng loạt các nhà máy điện hạt nhân tiếp theo Trong quá trình phát triển, các mẫu thiết kế của nhà máy điện hạt nhân đã có nhiều cải tiến hướng đến việc nâng cao công suất của nhà máy đồng thời phát triển các thế

hệ mới có chỉ số an toàn và tính tự động hóa cao hơn Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã phân loại thành bốn thế hệ như sau:

Hình 1.3 – Các thế hệ nhà máy điện hạt nhân

Mặc dù sự khác biệt giữa các thế hệ lò điện hạt nhân không rõ ràng cho lắm: Nguyên lý vận hành vẫn giống nhau nhưng có sự nâng cấp về cả thiết kế cũng như các thiết bị phụ trợ để tăng tính an toàn cao hơn

Hiện nay, các lò đang vận hành trên thế giới chủ yếu thuộc loại thế hệ thứ II Một số nước đã xây dựng hoặc đang có kế hoạch thay thế các lò hết hạn sử dụng bằng loại lò thế hệ thứ III (hoặc III+)

Ngoài ra, các nước đang hợp tác nghiên cứu để cho ra đời loại lò thế hệ thứ

IV với nhiều ưu việt (an toàn hơn, lượng chất thải phóng xạ ít hơn, kinh tế hơn, giảm thiểu nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân)

1.2.1 Nhà máy điện hạt nhân thế hệ I

Các lò phản ứng thương mại nguyên mẫu, đưa vào vận hành từ những năm 1950-1960 Các lò điện hạt nhân thế hệ I thường đơn chiếc, không đại diện cho một mẫu thiết kế chung nào Sử dụng công nghệ an toàn chủ động và che chắn bằng các tòa nhà bảo vệ

Lò phản ứng làm lạnh bằng khí - GCR (Gas cooled reactor) Nhiên liệu dùng

là urani tự nhiên, chất làm chậm nơtron là graphit, chất làm tải nhiệt là khí CO2 Một số nhà máy điện hạt nhân thuộc thế hệ này như: Shippingport (Hoa Kỳ), Magnox (Anh) hay UNGG (Pháp) Phần lớn các lò này đã hoặc đang được tháo dỡ

1.2.2 Nhà máy điện hạt nhân thế hệ II

Gồm các kiểu lò phản ứng nước áp lực PWR (Pressrized Water Reactor) hoặc kiểu nước sôi (BWR), thường được gọi là lò phản ứng nước nhẹ (LWGR).VVER

và RBMK (lò năng lượng nước nhẹ của Nga) sử dụng nhiên liệu urani làm giàu 3%, chất làm chậm nơtron và chất tải nhiệt đều là nước nhẹ (H2O)

Các nhà máy điện hạt nhân thế hệ thứ hai còn các lò Candu nước nặng (D2O) của Canada, Ấn Độ Năm 1957, Mỹ khánh thành nhà máy điện hạt nhân thế hệ thứ hai đầu tiên, công suất 60 MW

So với các nhà máy thế hệ thứ nhất, các nhà máy thế hệ thứ hai cung cấp điện năng với giá rẻ hơn 20 - 30%, chiếm diện tích ít, thể tích gọn nhẹ hơn Trong đó,

có một số thiết kế được phát triển từ các lò phản ứng thế hệ I, một số được thiết kế mới hoàn toàn Sử dụng công nghệ an toàn chủ động cải tiến (bơm diesel + đặt bẫy core catcher + hệ thống quản lý sự cố) và che chắn bằng tòa nhà bảo vệ

1.2.3 Nhà máy điện hạt nhân thế hệ III và III+

Gồm các kiểu lò phản ứng nước áp lực Châu Âu- EPWR (European Pressuried Water Reator) được khởi công xây dựng đầu tiên năm 2005 tại Phần Lan dự kiến hoàn thành 2009, có công suất lớn nhất thế giới 1600 MW, do Pháp và Đức hợp tác nghiên cứu và với nước sôi, như SWR 1000-1250 MW được Pháp và Đức chung sức nghiên cứu hơn 15 năm nay, hoặc lò AP 1000 của Hoa Kỳ chế tạo

có hiệu suất và mức độ an toàn cao

Các lò phản ứng thế hệ III+: về cơ bản vẫn dựa chủ yếu trên thiết kế của thế

hệ thứ III, tuy nhiên có nhiều cải tiến chủ yếu hướng đến mục đích nâng công suất,

độ an toàn và giảm thời gian xây dựng

Sử dụng công nghệ an toàn chủ động cải tiến (bơm diesel + đặt bẫy core catcher + hệ thống quản lý sự cố) + công nghệ an toàn thụ động + che chắn bằng tòa nhà bảo vệ (thường sử dụng nhà lò có hai lớp bảo vệ) + tích hợp thêm các hệ thống điện tử và công nghệ xử lý tín hiệu số được đưa vào hệ điều khiển Ưu điểm

là độ an toàn cao, phòng được sự cố nóng chảy tâm lò, chịu được biến cố từ bên ngoài: máy bay rơi, động đất Giá điện năng rẻ, vận hành dễ dàng

Hiện nay, các lò điện hạt nhân thế hệ thứ III và III+ là các lò có chỉ số an toàn cao nhất nhưng cũng là các lò đòi hỏi giá thành đầu tư xây dựng lớn nhất Các đặc điểm của các nhà máy điện hạt nhân thế hệ III và III+:

 Tiêu chuẩn hóa thiết kế nhằm rút ngắn thời gian xin cấp phép, giảm thời gian chi phí đầu tư va thời gian xây dựng

 Tích hợp thêm các hệ thống an toàn thụ động

 Kết cấu vững chắc, vận hành ổn định, dễ dàng

 Tuổi thọ của nhà máy cao, tới 60 năm (hoặc lâu hơn)

 Giảm xác suất xảy ra sự cố đến mức thấp nhất (đặc biệt là sự cố nóng chảy lõi lò phản ứng)

 Giảm thiểu tác động tới môi trường

 Nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu, làm tăng thời gian sử dụng nhiên liệu, giảm lượng thải phát sinh

1.2.4 Nhà máy điện hạt nhân thế hệ IV

Các thế hệ lò này hiện tại vẫn đang trong quá trình dự án Hiện đang được 10 nước chung sức nghiên cứu trong khuôn khổ Hiệp định Forum International Generation (FIG), do Mỹ đề xướng từ năm 2000 với 6 kiểu lò (3 lò neutron nhanh,

3 lò nhiệt) đã được lựa chọn

Các lò tương lai này có khuynh hướng tiến tới chu kỳ kín, nghĩa là các lò phải

có khả năng đốt cháy phần lớn chất thải (lò nhanh) để đáp ứng 4 tiêu chuẩn chính

là tiết kiệm tài nguyên, tiết kiệm về chu kỳ nhiên liệu, hạn chế chất thải phóng xạ, hạn chế sự lan rộng vũ khí nguyên tử Về lý thuyết, các lò này sẽ có độ an toàn gần như tuyệt đối nhưng sẽ chỉ có mặt trên thị trường sau những năm 2030

Phần 2 : Xây dựng nhà máy điện hạt nhân ở Việt Nam

2.1 Đặt vấn đề

Theo Nghị quyết số 41/2009/QH12 ngày 25/11/2009 của Quốc hội về chủ

trương đầu tư dự án điện hạt nhân Ninh Thuận có ghi rõ: “Công nghệ chính: công

nghệ lò nước nhẹ cải tiến, thế hệ lò hiện đại nhất, đã được kiểm chứng, bảo đảm tuyệt đối an toàn và hiệu quả kinh tế tại thời điểm lập dự án đầu tư.”

Các loại lò nước nhẹ cải tiến hiện nay gồm 2 loại: Kiểu lò phản ứng nước áp lực (PWR – Pressrized Water Reactor) hoặc kiểu nước sôi (BWR – Boiling Water Reactor) Do đó, ta sẽ xem xét 2 kiểu lò này

2.2 Lò phản ứng nước sôi (BWR)

Lò phản ứng hạt nhân nước sôi (BWR) hay còn gọi tắt là lò phản ứng nước sôi là lò phản ứng hạt nhân thuộc nhóm nước nhẹ, được sử dụng để sản xuất điện Đây là kiểu lò phản ứng hạt nhân sản xuất điện phổ biến thứ 2 sau kiểu lò phản ứng nước áp lực (PWR), cũng thuộc nhóm lò phản ứng nước nhẹ

BWR đã được phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ Idaho và công ty General Electric phát triển vào giữa thập niên 1950 Nhà sản xuất chính hiện sản xuất kiểu

lò này là GE Hitachi Nuclear Energy, đặc biệt công đoạn thiết kế và xây dựng Thiết kế BWR được ứng dụng ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima I, hiện nhà máy này đang bị hư hỏng trong trận động đất và sóng thần Tohoku vào tháng 3 năm

2011

Hình 2.1 – Nguyên lý của lò phản ứng nước sôi

a Ưu điểm:

Công nghệ sử dụng hai vòng lưu chuyển của chất lỏng, trong đó vòng thứ nhất làm nhiệm vụ tải nhiệt của lõi và tạo hơi làm quay turbine, vòng thứ hai làm nhiệm vụ ngưng tụ hơi nước (lấy bớt nhiệt từ hơi nước) Làm cho thiết kế của các

lò BWR đơn giản hơn các kiểu lò khác (lò PWR)

b Nhược điểm:

Sử dụng trực tiếp luồng hơi nước từ lò phản ứng (có tính phóng xạ mạnh) để trực tiếp làm quay turbine nên công nghệ lò này sẽ làm cho mức độ phổ biến phóng xạ rộng hơn, phát sinh ra lượng rác thải phóng xạ lớn (kể cả các turbine) và nguy cơ rò rỉ phóng xạ (hơi nước chứa phóng xạ) là rất cao

2.3 Lò phản ứng nước áp lực (PWR)

Lò phản ứng nước áp lực (PWR) là một trong hai loại lò phản ứng hạt nhân thuộc nhóm lò phản ứng nước nhẹ, loại lò này được sử dụng rất phổ biến ở các nước phương tây Trong lò PWR, bộ phận làm lạnh sơ cấp (nước) được bơm vào lõi lò phản ứng dưới áp suất cao, tại đây, nước được đun nóng bằng nhiệt tạo ra từ các phản ứng hạt nhân Nước nóng sau đó chảy đến một bộ phận thứ cấp để truyền nhiệt mà nó mang theo, lượng nhiệt này sẽ làm nước sôi và tạo ra hơi nước để quay turbine, và phát ra điện Khác với lò phản ứng nước nhẹ ở chỗ áp suất trong bộ phận sơ cấp được tuần hoàn mà không có quá trình sôi trong lò phản ứng Tất cả các lò phản ứng nước nhẹ ban đầu dùng nước nhẹ trong bộ phân làm lạnh và điều hòa nơtrong

Các PWR ban đầu được thiết kế cho các lò phản ứng của tàu ngầm nguyên tử Các PWR hiện đang được vận hành ở Hoa Kỳ là loại lò phản ứng thế hệ II Các lò VVER của Nga cũng tương tự như của Hoa Kỳ (là các lò theo công nghệ PWR) Pháp vận hành một số lò PWR để tạo đa số lượng điện của họ

Hình 2.2 – Nguyên lý của lò phản ứng nước áp lực

a Ưu điểm:

Mức độ phổ biến phóng xạ hẹp (chỉ trong vòng lưu chuyển thứ nhất), turbine của máy phát điện và các bộ phận khác không hề bị nhiễm xạ, đồng thời giảm thiểu nguy cơ rò rỉ phóng xạ (dưới dạng hơi nước) ra bên ngoài

b Nhược điểm:

Thiết kế phức tạp hơn (so với công nghệ lò BWR), do có thêm một vòng lưu chuyển của chất lỏng

Trong vòng lưu chuyển thứ nhất, chỉ làm nhiệm vụ truyền tải nhiệt năng nên nước phải được giữ cho không sôi dưới một áp suất rất và nhiệt độ rất cao Điều này yêu cầu các bộ phận lưu chuyển (đường ống dẫn, các van…) phải thật chắc chắn, và hạn chế số lượng các mối hàn để tránh hiện tượng rò rỉ nước chứa phóng

xạ ra bên ngoài Tuy vậy, nguy cơ rò rỉ chất phóng xạ (nước nhiễm xạ) là hoàn toàn có thể xảy ra

Phần 3 : Các biện pháp đảm bảo an toàn cho nhà máy điện

hạt nhân

3.1 Các biện pháp kỹ thuật

Ví dụ: Khi chọn mua ô tô, nếu đủ điều kiện về mặt kinh tế, ta hoàn toàn có thể chọn lựa một chiếc Mercedes-Benz có trang bị đầy đủ hệ thống túi khí an toàn, hệ thống chống trượt ABS, khả năng tăng tốc nhanh, nội thất sang trọng… có giá hàng tỷ đồng Nhưng nếu khả năng về kinh tế hạn hẹp, ta có thể chỉ lựa chọn mua một chiếc Hyundai-Kia Morning với giá thành vài trăm triệu đồng cũng đã đáp ứng rất tốt các nhu cầu về phương tiện đi lại cho chúng ta

Quay trở lại việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân, các vấn đề về kỹ thuật (đặc biệt là vấn đề về quy hoạch, thiết kế và các biện pháp dự phòng, xử lý sự cố) luôn

là vấn đề đầu tiên được xem xét vì nó là điều kiện tiên quyết trong việc cho ra đời một “sản phẩm” nhà máy điện có an toàn hay là không Tuy nhiên, các biện pháp

kỹ thuật về cơ bản sẽ làm tăng giá thành xây dựng các nhà máy điện hạt nhân lên rất cao

3.1.1 Quy hoạch nhà máy điện hạt nhân

Ưu điểm của một nhà máy điện hạt nhân là không đòi hỏi một diện tích quá lớn để xây dựng (giảm thiểu được tối đa diện tích của khu vực chứa nhiên liệu) Đảm bảo tính an toàn cho nhà máy điện hạt nhân bước đầu tiên phải lưu ý đến:

i Vị trí đặt nhà máy điện hạt nhân có thể không đặt nặng yêu cầu ở gần các nguồn nhiên liệu, gần đường giao thông, bến tàu, cảng biển (giống như các nhà máy nhiệt điện) Do đó, dễ dàng tiến hành quy hoạch các nhà máy này ở các khu vực có lịch sử địa chất ổn định (trong quá khứ chưa từng xảy ra động đất), đặt cách xa khu dân cư hoặc gần các phụ tải tiêu thụ điện lớn để giảm tổn thất điện năng khi truyền tải

ii Không chỉ quy hoạch về vị trí xây dựng nhà máy điện hạt nhân mà đồng thời phải xây dựng quy hoạch chi tiết về các khu vực sẽ cần sử dụng để chôn lấp các chất thải phóng xạ (sản sinh ra trong quá trình hoạt động của nhà máy điện hạt nhân)

iii Một yêu cầu quan trọng là các nhà máy điện hạt nhân phải cách ly được tối đa sự có mặt của “những người không phận sự” trong phạm vi nhà máy Vì thế trong thiết kế xây dựng bất kỳ một nhà máy điện hạt nhân, nhất thiết phải có tường bao kiên cố cho cả nhà máy, đồng thời có thể quy định thêm cả vùng cấm xâm phạm trong bán kính hợp lý tính từ tường bao của nhà máy Cuối cùng là phải lắp đặt các hệ thống giám sát