Ebook an toàn các cụm thiết bị năng lượng hạt nhân

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮTАЗ – bảo vệ sự cố АПТ – sự cố kèm theo mất chất tải nhiệt АС – cơ sở nguyên tử hạt nhân АСТ – cơ sở hạt nhân cung cấp nhiệt АЭС NMĐNH – nhà máy điện hạt nhân БН

Sách dùng cho sinh viên đại học

(Dịch từ nguyên bản tiếng Nga)

Người dịch: TS Nguyễn Đức Kim

Moskva 1989

О.Б Самойлов Г.Б Усынин А.М Бахметьев

hệ thống an toàn, các phương pháp bảo đảm độ tin cậy của chúng

Đã xem xét các vấn đề thuộc yếu tố con người, các dạng hỏng hócthiết bị khác nhau, kinh nghiệm sự cố ở các nhà máy điện hạt nhân.Dùng cho các sinh viên đại học Có thể có ích cho nhân viên vậnhành nhà máy điện hạt nhân

Москва 1989

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

АЗ – bảo vệ sự cố

АПТ – sự cố kèm theo mất chất tải nhiệt

АС – cơ sở nguyên tử (hạt nhân)

АСТ – cơ sở hạt nhân cung cấp nhiệt

АЭС

(NMĐNH) – nhà máy điện hạt nhân

БН – ЯЭУ sử dụng lò phản ứng nơtron nhanh hoặc dạng lò phản ứng tương ứngБРУ (А) – cụm thiết bị cảm ứng tác động nhanh (kèm theo phun khí vào khí quyển)ВОБ – đánh giá xác suất của độ an toàn

ВВЭР – lò phản ứng năng lượng nước-nước

ВТГР – lò phản ứng grafit-khí nhiệt độ cao

ГЦН – máy bơm tuần hoàn chính của vòng sơ cấp

твэл – thanh nhiên liệu (với một số lò - viên nhiên liệu)

ТМА – NMĐNH “Three Mile Island”

ТВС

(BNL) – bó nhiên liệu

УСБ – hệ thống an toàn điều khiển

ЯЭУ – cụm thiết bị năng lượng hạt nhân

ВWR – lò phản ứng áp lực nước sôi

PWR – lò phản ứng áp lực

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, không thể đào tạo được cán bộ chuyên môn tốt, làm việc trong lĩnh vực thiết

kế, xây dựng và vận hành các cụm thiết bị năng lượng hạt nhân (ЯЭУ), nếu không trang

bị cho họ đầy đủ kiến thức về những yêu cầu hiện đại, các giải pháp bảo đảm an toàn vàphương pháp phân tích an toàn lò phản ứng Những vấn đề an toàn được tách riêng theotruyền thống hiện đang phân tán trong các tài liệu khác nhau hoặc có ở dạng các mục nhỏthuộc các môn học như “Điều khiển ЯЭУ”, “Kết cấu các lò phản ứng hạt nhân”…

Việc sử dụng trên quy mô lớn các lò phản ứng hạt nhân để phát điện, cung cấp nhiệtnăng, trên các phương tiện vận tải hàng hải, đã đưa vấn đề an toàn lên hàng đầu Cần phảinghiên cứu và soạn thảo chương trình đào tạo đặc biệt, trong đó trình bày một cách có hệthống các vấn đề có liên quan đến khả năng gây phát thải các chất phóng xạ quá mứcđược phép ra ngoài vùng ЯЭУ, vốn rất hiếm khi xảy ra

Điểm đặc biệt của vấn đề an toàn ЯЭУ được quyết định chủ yếu do hai yếu tố Thứ nhất,thiết bị hạt nhân là một tổ hợp kỹ thuật công nghệ cao và cần có cách tiếp cận tiên tiến,

có hệ thống khi phân tích các điều kiện làm việc bình thường và các chế độ khẩn cấp.Thứ hai, vì nó có liên quan đến những nguy hiểm tiềm ẩn đối với cư dân, nguy cơ gâythiệt hại cho xã hội và môi trường xung quanh, nên cần phải xem xét những kết hợp bấtlợi nhất của các yếu tố vận hành và các tác động từ bên ngoài Hậu quả của mọi sự cố cầnphải được hạn chế

Khi biên soạn sách này, đã sử dụng kinh nghiệm của chính các tác giả trong nhiều nămgiảng dạy về an toàn ЯЭУ ở Trường Đại học Bách khoa Gorki Ở đây, môn học này đượcphân ra trong các chương trình chuyên ngành tương ứng, ở dạng chương trình tự học,ngoài các bài giảng còn có các bài tập lớn Ngoài ra, mục phân tích an toàn là phần bắtbuộc trong thiết kế môn học Mục đích của chương trình này – rèn luyện cho cán bộchuyên môn về văn hoá an toàn, định hướng cho họ về các vấn đề chủ yếu, giúp họ thựchiện một cách có nhận thức các yêu cầu của các văn bản pháp quy và giải quyết một cách

có hiểu biết các vấn đề thực tế khác nhau, theo quan điểm an toàn

Các tác giả hy vọng rằng, cuốn sách có lợi không chỉ cho các sinh viên đại học, mà còncho các nhân viên kỹ thuật, muốn bổ sung và hệ thống hoá kiến thức của mình trong lĩnhvực này

Cấu trúc giáo trình mà các tác giả đã đưa ra không phải là cấu trúc duy nhất có thể, nhưng

nó phù hợp với quan điểm đã hình thành và phát triển của họ về mức độ quan trọng củacác vấn đề an toàn khác nhau đối với các kỹ sư thiết kế và các kỹ sư vận hành Do dunglượng hạn chế của cuốn sách mà một loạt các vấn đề quan trọng được trình bày một cách

ngắn gọn, và một số vấn đề không được xem xét Để bổ sung những thiếu sót đó có thểdùng các tài liệu được trình bày trong phần phụ lục, mà các tác giả cho rằng chúng làmtăng chất lượng của cuốn sách.

Các tác giả

Chương 1

NHỮNG LUẬN ĐIỂM CHUNG VỀ AN TOÀN

1.1 NHỮNG NGUYÊN TẮC VÀ TIÊU CHÍ AN TOÀN

Nhiệm vụ chủ yếu bảo đảm an toàn cơ sở hạt nhân (AC) là tránh cho cư dân, nhân viên

vận hành và môi trường xung quanh khỏi mức tác động phóng xạ không thể chấp nhậnđược, nhờ các phương tiện kỹ thuật và các giải pháp tổ chức Ngoài ra, như kinh nghiệmthế giới cho thấy, chủ yếu là ngăn ngừa các tình huống khẩn cấp tiềm ẩn có thể có

Các hệ thống kỹ thuật có độ phức tạp, công suất cao là các tổ hợp kỹ thuật hoàn toàn cóthể tạo nên nguy cơ xuất hiện sự cố nhất định, nguy hiểm cho con người và môi trườngxung quanh “Cái giá” thậm chí của một sự cố đơn lẻ cũng tăng dữ dội Ở đây, cả ngànhnăng lượng hạt nhân cũng không có ngoại lệ Xuất phát từ việc xác suất các sự cố nghiêmtrọng ở ЯЭУ rõ ràng là không bao giờ có thể giảm xuống bằng không, nên cần phải ápdụng các biện pháp bảo đảm hạn chế được các hậu quả của mọi sự cố nguy hiểm phóng

xạ

An toàn ЯЭУ chủ yếu được bảo đảm bằng việc thực hiện các biện pháp và các nguyêntắc sau đây (hình 1.1):

Hình 1.1 Các hướng chủ yếu bảo đảm an toàn ЯЭУ

1) xây dựng hệ thống bảo vệ đa tuyến tránh phát thải các chất phóng xạ nguy hiểmtiềm tàng có trong nhiên liệu hạt nhân, tại khu vực AC và ra bên ngoài, với việc sử

dụng các giải pháp thiết kế để giảm rủi ro hư hại các rào cản bảo vệ đến mức tốithiểu chấp nhận được;

2) chất lượng cao và luận cứ vững chắc của kết cấu thiết bị lò phản ứng, thiết kế các

hệ thống quan trọng đối với an toàn của toàn bộ AC nói chung, nghiên cứu kỹcàng mọi quá trình xảy ra trong đó;

3) chất lượng cao trong quá trình chế tạo, lắp đặt, sửa chữa thiết bị; thiết bị AC hoạtđộng với chất lượng cao – vấn đề mấu chốt của an toàn;

4) sử dụng các phương tiện tin cậy để ngăn ngừa và khắc phục các quá trình khẩn

cấp; trang bị cho AC các hệ thống an toàn – các hệ thống có nhiệm vụ ngăn ngừa

các sự cố và hạn chế các hậu quả của chúng;

5) vận hành một cách chuyên nghiệp AC, phù hợp với tài liệu kỹ thuật định mức hiệnhành, các hướng dẫn và tuân thủ nghiêm ngặt quy trình thao tác; bảo đảm nguyêntắc “văn hoá an toàn” nói chung;

6) áp dụng các biện pháp để giữ ổn định khi có các tác động và các tình huống phátsinh từ bên ngoài có liên quan đến “yếu tố con người”;

7) duy trì độ bền thiết bị của các hệ thống quan trọng đối với an toàn nhờ bảo dưỡng

kỹ thuật, kiểm tra và khám nghiệm bằng các phương tiện kiểm soát và chẩn đoánhiệu quả;

8) chọn mặt bằng thuận lợi để xây dựng AC và vùng bảo vệ-vệ sinh cần thiết

Yêu cầu cơ bản của quan điểm an toàn – loại trừ các hư hại dẫn đến thảm hoạ AC – đượcthực hiện bằng việc tạo ra các cấp an toàn liên tiếp (“bảo vệ theo chiều sâu”)

Nhiệm vụ của cấp an toàn thứ nhất – ngăn ngừa các sự cố và các rắc rối, duy trì các điềukiện vận hành AC trong các giới hạn, loại trừ xuất hiện sự cố Cấp này được bảo đảmbằng quy trình bảo đảm chất lượng, tính hoàn chỉnh của kết cấu ЯЭУ, sự tin cậy của các

hệ thống, trình độ chuyên môn của nhân viên

Nhiệm vụ của cấp an toàn thứ hai – ngăn ngừa các sự cố thiết kế – chuyển thiết bị lò phảnứng vào trạng thái an toàn và ngăn ngừa phát triển sự cố, vốn cần được khắc phục sớm,bằng các biện pháp trên cơ sở nguyên tắc được gọi là hỏng hóc đơn lẻ (xem dưới đây).Cấp này được bảo đảm bằng các hệ thống an toàn

Nhiệm vụ của cấp an toàn thứ ba – ngăn ngừa các sự cố xác suất thấp, hạn chế hậu quảcủa sự cố giả định Các biện pháp của cấp này hướng đến làm giảm nhẹ hậu quả của cáchỏng hóc nhiều lần Ở đây giả định rằng, việc trùng hợp hai hoặc nhiều hỏng hóc trongcác hệ thống an toàn là có thể về nguyên tắc, có tính đến nhiều sai lầm của nhân viên vậnhành Cũng xem xét các sự cố không kiểm soát được trong các điều kiện hỏng hóc toàn

bộ hệ thống an toàn (ví dụ mất toàn bộ nước làm nguội sau khi dừng lò) Khi tạo ra các

hệ thống của cấp an toàn thứ ba người ta sử dụng các nguyên tắc cơ bản mà giá trị củacác nguyên tắc đó đã được chứng minh: dự phòng, tách biệt thực thể, tính đa dạng, tínhđộc lập của các kênh và các hệ thống an toàn, cũng tính đến tính tự bảo vệ

Các biện pháp của cấp thứ ba bao trùm cả những sự cố ngoài thiết kế

Kết cục là hình thành cái gọi là tháp an toàn mà việc bảo đảm chất lượng nằm trên đáycủa tháp đó, và rủi ro còn lại của sự cố toàn cầu phá huỷ tất cả các rào cản là đỉnh

Khi giải quyết bài toán an toàn cần tính đến khía cạnh tâm lý của vấn đề, điều thuộc vềnhận thức, rằng không có một mức phát tán các sản phẩm phóng xạ nào là được phép,thậm chí cả khi nó không dẫn đến các hậu quả đáng kể cũng không được dư luận xã hộicoi là mức có thể chấp nhận Chỉ có quan điểm ngăn chặn tất cả các phát tán khi có sự cố

là có khả năng chiếm được lòng tin

Kinh nghiệm trong mọi phạm vi hoạt động của con người chứng tỏ rằng, yếu tố conngười là rất lớn trong việc bảo đảm an toàn Trong công nghiệp hoá học, từ 80 đến 90%các sự cố, bằng cách nào đó, đều có liên quan đến các sai lầm của nhân viên; theo thống

kê các sự cố hàng không trong vòng ba mươi năm trở lại đây, có đến 60 – 80% sự cố xảy

ra do lỗi của con người; trong ngành năng lượng hạt nhân, phần đóng góp của các sai lầmcủa nhân viên trong tần suất sự cố nóng chảy vùng hoạt cũng chiếm khoảng 60 – 80%.Tất cả điều đó chứng tỏ rằng, ít ra cũng cần chú ý đến việc phân tích mối quan hệ giữacon người và thiết bị, vấn đề “con người – máy móc”, giống như việc phân tích động tháicủa chính thiết bị

Việc ngăn ngừa tính chủ quan trong quá trình làm việc bình thường, việc nhân viên thấuhiểu ý nghĩa tiềm ẩn của mọi sai lệch so với quy trình thao tác thông thường theo quanđiểm an toàn, việc ưu tiên cho an toàn trong lúc áp dụng các giải pháp, tinh thần tráchnhiệm của những người thiết kế, cách tiếp cận có hệ thống trong mọi giai đoạn, việckhông bỏ qua những tiểu tiết (sức mạnh của các tiểu tiết là ở chỗ chúng có nhiều), việcquan tâm một cách thực chất đến kinh nghiệm – tất cả những điều đó là cần thiết chocách tiếp cận, bảo đảm “văn hoá an toàn”

1.2 AN TOÀN TRONG CÁC TÌNH HUỐNG KHẨN CẤP

Kinh nghiệm vận hành ЯЭУ trên thế giới, vào khoảng 5000 lò-năm, cho thấy, vấn đề antoàn – đó là vấn đề của các sự cố có thể có, ở mức tiềm tàng, xác suất thấp do nguyênnhân hỏng hóc các hệ thống kỹ thuật, những sai lầm của nhân viên và các tác động từ bênngoài Các sự cố ở các nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) khác với các sự cố ở các nhà

máy điện khác ở chỗ chúng có thể gây ra phát tán một lượng đáng kể các chất phóng xạvào không gian xung quanh.

Trong ЯЭУ công suất 1000 MWe tích tụ các sản phẩm phân hạch mà độ phóng xạ củachúng có thể đạt đến mức 3.1020 Bq Việc các chất phóng xạ đã tích tụ lọt ra môi trườngxung quanh đem lại hậu quả vô cùng nghiêm trọng Phần lớn các chất phóng xạ nằmtrong các thanh nhiên liệu Việc chúng phát thải là có thể khi vỏ bọc thanh nhiên liệu bị

hư hại nặng và khi nhiên liệu bị nóng chảy

Sự quá nhiệt của nhiên liệu chỉ diễn ra khi cường độ toả nhiệt của các thanh nhiên liệuvượt quá cường độ dẫn thoát nhiệt Mất cân bằng nhiệt như vậy trong vùng hoạt lò phảnứng có thể xuất hiện trong các tình huống sau đây:

1 Sự cố kèm theo mất chất tải nhiệt vòng sơ cấp do nó bị hở hoặc bị phá huỷ Khi đó

cân bằng bị mất, bởi vì quá trình toả nhiệt dư trong vùng hoạt là đáng kể, còn quátrình lấy nhiệt bị xấu đi nhiều hoặc là mất hẳn, cho đến khi chưa đưa được chất tảinhiệt từ hệ thống làm nguội khẩn cấp vào vùng hoạt Đó là một trong số những sự

cố nghiêm trọng nhất, khi mà rào cản an toàn thứ hai (rào cản của hệ thống vòng

sơ cấp) bị phá huỷ, còn rào cản thứ nhất – vỏ bọc các thanh nhiên liệu – dườngnhư trong hoàn cảnh nặng nề ví dụ như nóng chảy một phần vùng hoạt, vốn phụthuộc vào hoạt động của các hệ thống an toàn Chất tải nhiệt chủ động được cấpvào cụm thiết bị lò phản ứng, làm tăng áp suất trong đó, tạo ra nguy cơ hỏng hóc

về cơ khí và sai phạm về nhiệt của một rào cản nữa – lớp tường bảo vệ (nhà lò)của AC hoặc khu vực kín, nghĩa là có nguy cơ hư hại tất cả ba rào cản

2 Những quá trình chuyển tiếp khẩn cấp Trong số đó có thể chia ra thành các quá trình kèm theo gia tăng độ phản ứng, khi mà cường độ toả nhiệt trong vùng hoạt tăng lên so với cường độ dẫn thoát nhiệt, và các quá trình kèm theo sai phạm dẫn thoát nhiệt, khi mà cường độ dẫn thoát nhiệt giảm xuống so với cường độ toả nhiệt

trong vùng hoạt

Khi phân tích các tình huống khẩn cấp, mối quan tâm chủ yếu là sự gia tăng không điềukhiển được của công suất vùng hoạt (sự sinh nhiệt), sự suy giảm lưu lượng chất tải nhiệt(suy giảm dẫn thoát nhiệt) và việc tăng cao áp suất trong lò phản ứng Các sự cố kèmtheo gia tăng độ phản ứng có thể kích thích một trong những tình huống nghiêm trọngnhất – sự cố kèm theo phá huỷ vùng hoạt và phá huỷ đồng thời tất cả các rào cản an toàn.Trong các quá trình chuyển tiếp khẩn cấp, các thông số chủ yếu của lò phản ứng bị sailệch đáng kể so với các giá trị bình thường Nhiều tình huống khẩn cấp loại này đượckhắc phục nhờ hệ thống điều khiển, hệ thống này đưa lò phản ứng trở lại trạng thái vậnhành bình thường Nhưng một số tình huống dường như là hệ thống điều khiển “không

với tới được”, và khi đó cần phải dừng lò phản ứng nhờ hệ thống bảo vệ sự cố để tránh

hư hại các thanh nhiên liệu hoặc hệ thống vòng sơ cấp – hai rào cản trên đường lan truyềncác sản phẩm phân hạch

Lưu ý rằng, có thể bảo vệ lò phản ứng một cách tin cậy nhất khi sử dụng các thuộc tínhnội tại vốn có của lò phản ứng và các phương tiện thụ động, nghĩa là nhờ mọi khả năng tựbảo vệ, vốn do các đặc tính kỹ thuật-vật lý của lò phản ứng quyết định, và nhờ các hệthống thụ động

Việc tìm kiếm các giải pháp, hướng tới khả năng tự bảo vệ cao nhất có thể của cụm thiết

bị lò phản ứng, được quyết định do cố gắng giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của yếu tố conngười đến tính an toàn, và điều đó đặc biệt quan trọng khi tăng quy mô và mở rộng phạm

vi sử dụng năng lượng hạt nhân Khả năng tự bảo vệ của cụm thiết bị lò phản ứng tạođiều kiện đơn giản hoá cấu trúc và giảm khối lượng các phương tiện bảo vệ chủ động,vốn không tránh khỏi liên quan đến việc phức tạp hoá, và sự phức tạp này lại giảm độ tincậy của thiết bị

Nguyên tắc đa dạng các rào cản và bảo vệ theo chiều sâu là phần quan trọng của triết lýbảo đảm an toàn các lò phản ứng hạt nhân Theo triết lý đó, khi xảy ra bất kỳ biến cố nàocũng cần còn lại ít nhất hai rào cản để bảo vệ môi trường xung quanh khỏi phát tán cácchất phóng xạ từ vùng hoạt lò phản ứng Vì vậy, về nguyên tắc, quan trọng là làm sao bảođảm được tính độc lập về chức năng của mỗi rào cản trong trường hợp sự cố

Phân tích các sự cố đã từng xảy ra cho thấy, các biến cố chủ yếu kích thích các sự cố –mất chất tải nhiệt, các quá trình chuyển tiếp, sự tương tác của các hệ thống Các sai lầmcủa nhân viên, cũng như những hỏng hóc kỹ thuật của thiết bị là nguyên nhân chủ yếucủa các sai phạm chức năng hoạt động bình thường

Các hệ thống an toàn Nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ

Việc bảo đảm an toàn khi xuất hiện các chế độ khẩn cấp (sự cố) được thực hiện nhờ các

hệ thống đặc biệt được đưa vào trong AC, chúng có nhiệm vụ ngăn ngừa sự cố và hạnchế các hậu quả của chúng Các hệ thống an toàn “kiểm soát” sự cố trong lúc thực hiệncác chức năng chủ yếu sau đây: dừng lò phản ứng; dẫn thoát nhiệt dư; hạn chế lan truyềncác sản phẩm phóng xạ Các hệ thống an toàn được chia thành các hệ thống bảo vệ, ngănchặn, điều khiển và bảo đảm

Trạng thái bình thường của các hệ thống an toàn – đó là chế độ chờ sự cố, còn yêu cầuchủ yếu đối với chúng – khởi động tin cậy và bảo đảm các đặc tính thiết kế khi hoạtđộng

Khi tính đến cấp độ tin cậy cuối cùng của bất kỳ hệ thống nào, thì việc phân tích toàndiện biện pháp và các cách thức dự phòng, cũng như việc kiểm tra khả năng hoạt độngcủa các bộ phận, vốn cho phép giảm thiểu xác suất hỏng hóc hệ thống, đều có ý nghĩa vềnguyên tắc Đối với tất cả các hệ thống an toàn đều cần phải áp dụng nguyên tắc được gọi

là nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ Theo nguyên tắc này, khi phân tích an toàn AC, giả định

đồng thời với biến cố khởi nguồn, rằng một hỏng hóc đơn lẻ, độc lập với biến cố khởinguồn đó, đã xảy ra trong các hệ thống an toàn đã khởi động trong biến cố đã cho Độ bội

dự phòng cần phải ở mức sao cho, dù là có hỏng hóc đơn lẻ thì chức năng an toàn vẫnđược thực hiện Hỏng hóc đơn lẻ được giả định ở bất kỳ đầu mối nào của hệ thống antoàn, nhưng hỏng hóc đồng thời thì chỉ có một

Việc lựa chọn nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ làm nguyên tắc chủ đạo cho độ bội dự phòngcủa các hệ thống an toàn được ước định bởi việc, bản thân các hỏng hóc là những biến cốngẫu nhiên, mà việc chúng xuất hiện có đặc điểm của một xác suất nhất định nào đó Bởi

vì độ tin cậy của các hệ thống và thiết bị, vốn có ảnh hưởng đến độ an toàn, được duy trìnhờ các biện pháp bảo đảm chất lượng trong các giai đoạn thiết kế, chế tạo, lắp ráp vàvận hành ở mức đủ cao, nên xác suất xuất hiện hỏng hóc đơn lẻ của thiết bị là nhỏ Xácsuất xuất hiện đồng thời hai hỏng hóc độc lập như vậy có đặc điểm của tích số của cácxác suất của từng hỏng hóc đó Giá trị của nó nhỏ đến mức có thể bỏ qua biến cố như vậytrong quá trình tiếp cận này

Phân biệt các nguyên tắc hoạt động chủ động và thụ động của các hệ thống an toàn

Nguyên tắc hoạt động chủ động của hệ thống hoặc của cơ cấu – là nguyên tắc, trong đó

để thực hiện chức năng đã cho cần bảo đảm một số điều kiện (ví dụ, ra lệnh đóng, bảođảm cung cấp năng lượng, môi trường,…) Các hệ thống và các cơ cấu, có đặc điểm củanguyên tắc tác động chủ động, được gọi là các hệ thống và các cơ cấu chủ động Thôngthường, chúng phức tạp về kết cấu và có nhiều mối liên hệ với các cơ cấu khác, mà khảnăng làm việc của chúng phụ thuộc vào các cơ cấu này

Nguyên tắc hoạt động thụ động của hệ thống hoặc của cơ cấu – là nguyên tắc, trong đó để

thực hiện chức năng đã cho không cần các hệ thống và cơ cấu khác hoạt động Các hệthống thụ động thực hiện chức năng dưới ảnh hưởng của các tác động xuất hiện trực tiếp

do biến cố khởi nguồn Thông thường, các hệ thống như vậy có đặc điểm là độ tin cậycao hơn so với các hệ thống chủ động, do vậy mà nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ thường chỉđược áp dụng cho các hệ thống và cơ cấu chủ động

Nếu hỏng hóc đơn lẻ của một bộ phận nào đó dẫn đến hỏng hóc các bộ phận khác, thì tất

cả các hỏng hóc đều là các hỏng hóc độc lập và được xem như một hỏng hóc Biến cố

khởi nguồn có thể là nguyên nhân xuất hiện các hỏng hóc lệ thuộc trong các hệ thống antoàn Trong các trường hợp đó, ngoài các hỏng hóc lệ thuộc như vậy, khi phân tích antoàn theo nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ cần phải tính thêm một hỏng hóc độc lập.

Các hỏng hóc do nguyên nhân chung – các hỏng hóc của một số hệ thống quan trọng đối

với an toàn, xuất hiện do một trong số các tác động từ bên trong hoặc từ bên ngoài, dohỏng hóc cơ cấu hoặc do sai lầm của con người

Nguyên nhân chung của các hỏng hóc có thể chỉ là cái chung đối với một loạt các hệthống hoặc cơ cấu an toàn: vị trí xây dựng, các điều kiện bên trong hoặc bên ngoài, cácnguồn cung cấp, điều kiện bảo quản, kết cấu, công nghệ chế tạo, các vật liệu,…Bởi vì cáchỏng hóc do nguyên nhân chung không phải là đơn lẻ, nên việc bảo vệ nó không chỉ bằngcác phương pháp dự phòng

Các nguyên tắc xây dựng các hệ thống an toàn

Để đáp ứng tiêu chí hỏng hóc đơn lẻ và giảm xác suất hỏng các hệ thống quan trọng đốivới an toàn do nguyên nhân chung cần phải áp dụng bốn nguyên tắc (riêng biệt hoặc kếthợp):

1) dự phòng – sử dụng một lượng dư các hệ thống hoặc các bộ phận để bảo đảm dưkhả năng thực hiện chức năng được giao;

2) độc lập – việc thực hiện chức năng của một hệ thống không phụ thuộc vào hoạtđộng của hệ thống khác;

3) tách biệt – tách riêng, bằng rào cản, các hệ thống, vốn thực hiện cùng một chứcnăng, hoặc tách xa chúng ra một khoảng cách nhất định để giảm xác suất hỏng hócđồng thời do nguyên nhân chung;

4) khác biệt (đa dạng, khác kiểu) – việc tránh cho các hệ thống và các bộ phận, vốnthực hiện một nhiệm vụ, khỏi hỏng hóc cùng một kiểu, bằng cách chế tạo chúngtheo kết cấu, nguyên tắc hoạt động khác nhau…Như đã biết, sự đa dạng luôn chechở cho cuộc đời tránh khỏi những cảnh ngang trái

Sự cần thiết phải ngăn ngừa những hỏng hóc do nguyên nhân chung đã dẫn đến nhu cầuxây dựng các hệ thống an toàn theo cấu trúc dạng kênh Với cấu trúc như vậy, tập trungthực hiện toàn bộ các chức năng an toàn trong một kênh an toàn Số lượng các kênh antoàn được chọn theo độ dư cần thiết khi thực hiện các chức năng an toàn, nghĩa là, theonguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ có tính đến khả năng có các hỏng hóc lệ thuộc Các kênh antoàn hoàn toàn tách khỏi nhau và khỏi các hệ thống khác, sao cho không thể hỏng thêmmột kênh nào nữa do cùng một nguyên nhân Khó hơn cả là tránh được tính giống nhau

về kết cấu, về vật liệu và công nghệ chế tạo các bộ phận riêng biệt

Khi nghiên cứu chế tạo các hệ thống an toàn cần lưu ý rằng, một số lượng lớn các bộphận, vốn làm tăng số lượng các mối tương quan, sẽ làm tăng ảnh hưởng của các yếu tốrối loạn Các hệ thống phức tạp chịu ảnh hưởng của các rối loạn và sai sót lớn hơn nhiều

so với các hệ thống đơn giản, nghĩa là, những biện pháp an toàn dư thừa có thể gây ảnhhưởng xấu đến chính an toàn

Có thể coi việc tạo ra các hệ thống, được gọi là hệ thống tổng thể, nhờ áp dụng các ýtưởng mới, để cùng một lúc thực hiện được một số chức năng, là hướng nhiều triển vọngnhằm khắc phục tính phức tạp, nhiều về số lượng và to về quy mô của các hệ thống antoàn Điều đó cho phép làm giảm số lượng các bộ phận, làm tăng độ tin cậy và tính hiệuquả của toàn bộ AC nói chung

Trên đây đã nhấn mạnh ý nghĩa có tính nguyên tắc của việc hiểu đúng các quá trình trongcác chế độ vận hành bình thường và khẩn cấp Điều đó làm tăng cao, ví dụ, độ ổn địnhcủa ЯЭУ trước những sai lầm của nhân viên Từ quan điểm đó, tốt hơn cả là những ЯЭУ

có khả năng tích hợp lớn và có các hệ thống an toàn thụ động với tổ hợp các tính chất,quyết định độ an toàn nội tại và tính tự bảo vệ của cụm thiết bị lò phản ứng

1.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ LUẬN GIẢI AN TOÀN

Cách tiếp cận tất định

Những yêu cầu định mức hiện hành đang đòi hỏi cách xem xét tất định đối với các vấn đề

an toàn trong khuôn khổ quan điểm về các sự cố thiết kế và trong khuôn khổ nguyên tắchỏng hóc đơn lẻ Trong đó lưu ý rằng, mỗi hệ thống an toàn đều thực hiện được các chứcnăng đã định đòi hỏi nó hoạt động, trong mọi biến cố khởi nguồn được tính đến trongthiết kế, có tính đến một hỏng hóc (độc lập với biến cố khởi nguồn) của một bộ phận nào

đó Theo kinh nghiệm đã được tích luỹ và theo trực quan kỹ thuật, người ta xác lập cácbiến cố khởi nguồn thiết kế, các hiệu ứng thứ cấp, các giới hạn an toàn mà các giải phápbảo vệ phải tuân thủ

Cách tiếp cận tất định được hiểu là phương pháp phân tích trình tự các giai đoạn của quá trình khẩn cấp, từ biến cố khởi nguồn, qua tất cả các thời kỳ biến thái và phá huỷ

có thể có, đến trạng thái cuối cùng đã được xác lập.

Trong cách tiếp cận tất định không sử dụng các số liệu xác suất định lượng để mô tả cácbiến cố hoặc tổ hợp các biến cố Ở kịch bản này hay kịch bản khác, đặc điểm của cáchtiếp cận này đều được nhận ra một cách định tính trong các thuật ngữ như “thườngxuyên”, ‘xác suất thấp”, có thể”, “không thể về mặt kỹ thuật”,…Trong khi đó có thể áp

dụng phương pháp tất định trong các trường hợp riêng biệt, ví dụ, hỏng hóc kép trong hệthống,…

Cách tiếp cận xác suất

Quan điểm về cụm thiết bị được cho là an toàn khi có các sự cố thiết kế (nghĩa là, trongkhuôn khổ tuân thủ nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ) không giải đáp mọi vấn đề thiết kế vàvận hành Vì vậy cách tiếp cận ngày càng được áp dụng rộng rãi hơn là cách tiếp cận xácsuất, theo nó, khi phân tích an toàn, người ta xem xét tất cả các sự cố có thể có, cũng nhưbất kỳ số lượng các hỏng hóc đồng thời nào

Khi áp dụng phương pháp “cây biến cố” thì kết quả phân tích an toàn ЯЭУ ở đây dẫn

“đến một con số”, đến cái gọi là giá trị xác suất an toàn (ВОБ) Cơ sở của cách tiếp cậnxác suất chính là phân tích một cách có hệ thống các kịch bản có ý nghĩa của các sự cố,cũng như nghiên cứu một cách trình tự các sự cố, kể cả các biến cố khởi nguồn, cácđường hướng phát triển của các quá trình khẩn cấp, có tính đến khả năng trùng hợp hỏnghóc của các hệ thống Khi đó, phần quan trọng là việc phân tích định lượng độ tin cậy củathiết bị và các hệ thống quan trọng đối với an toàn

Sử dụng phân tích xác suất dễ xác lập những vấn đề ưu tiên và dễ chọn hướng nghiên cứucác vấn đề an toàn của các lò phản ứng hạt nhân

Phân tích bằng cách so sánh các giải pháp kỹ thuật và các giá trị xác suất sẽ cho phép lựachọn một cách có cơ sở các giải pháp kỹ thuật cạnh tranh khác nhau, cũng như nghiêncứu độ nhạy cảm của các kết quả khi thay đổi các thông số Cũng có thể đánh giá đượcphần đóng góp của các yếu tố và các hệ thống khác nhau vào các chỉ số an toàn AC vàtrên cơ sở đó xác định được phương hướng cải thiện các chỉ số này Một trong những kếtquả quan trọng nhất của ВОБ là phân định được các kịch bản sự cố có phần đóng góp lớnnhất vào các hậu quả, nghĩa là, phân định được các trình tự phổ biến nhất của các biến cố.Khi biết các trình tự phổ biến nhất của các biến cố trong các sự cố, có thể phân định đượccác hệ thống và các bộ phận quan trọng nhất, điều này rất có lợi để hoàn thiện các thiết

kế Và cuối cùng, chính các phương pháp ВОБ có thể cho phép đặt nền móng cho ranhgiới của rủi ro có thể chấp nhận được, và tương ứng với điều đó, cho tiêu chí của mộtthiết kế ЯЭУ cụ thể

Những hạn chế trong việc sử dụng các phương pháp xác suất có liên quan đến sự thiếuhụt số liệu để tiến hành các phân tích thích hợp, cũng như thiếu hiểu biết về nguy cơ hỏnghóc tiềm ẩn do các nguyên nhân chung, và về động thái của nhân viên vận hành

Động thái của con người – nguồn bất định trong ВОБ, bởi vì người ta có thể coi nhữnghành vi khác nhau là đúng, và các sai lầm có thể diễn ra cả khi thực hiện các hành vi, cảkhi không làm gì.

Những phương pháp ВОБ đóng góp vào các phương pháp tất định những nghiên cứu về

an toàn, nghĩa là, cả hai phương pháp cùng được áp dụng Trong khoa học đã được biếtnhững quá trình phức tạp, “một lời khôn tả” Rõ ràng, các nhiệm vụ nghiên cứu và luậngiải an toàn thuộc loại này Khi đó cần đến việc phân tích có hệ thống

Đối với mỗi tình huống khẩn cấp (biến cố khởi nguồn) cần xem xét những mắt xích cóthể có, từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng, phản ánh những tác động có thể củanhân viên vận hành và đánh giá hậu quả

Cần làm rõ các đường hướng phát triển của tình huống khẩn cấp, có tính đến tương táccủa các hệ thống và các quy luật diễn biến của các quá trình vật lý, cũng như các xác suấthỏng hóc của các hệ thống an toàn Khi đó cần đặc biệt chú ý đến sự xuất hiện các hỏnghóc thiết bị, dẫn đến các hỏng hóc lệ thuộc, hoặc đến sự suy giảm tính hiệu quả của các

hệ thống, cũng như các tác động sai lầm của nhân viên, có tính đến cả ảnh hưởng của cáchành động đó đến sự xuất hiện, đặc tính diễn biến và hậu quả của các sự cố

Về mối nguy hiểm từ cơ sở hạt nhân

Không thể bảo đảm an toàn tuyệt đối trong bất kỳ một dạng hoạt động nào của con người

Cả nhân viên, cả cư dân luôn luôn chịu nguy hiểm – các xác suất chịu thiệt mạng hoặcchịu thiệt hại vật chất do các nguyên nhân tự nhiên (động đất, bão lốc, rơi thiên thạnh,…)hoặc do các hoạt động của chính mình (tác động độc hại của các ngành sản xuất khácnhau và các dạng hoạt động của con người, những trường hợp không may,…)

Cụm thiết bị lò phản ứng, nguồn các sản phẩm phóng xạ, cũng là mối nguy hiểm nhấtđịnh cho nhân viên, cư dân và môi trường xung quanh Mối nguy hiểm này có liên quankhông chỉ với việc vận hành ЯЭУ, mà còn với các khâu còn lại của chu trình nhiên liệuhạt nhân Mức nguy hiểm là mức tính đến xác suất các sự cố và hậu quả phóng xạ củachúng: đối với cư dân sống gần AC, mức rủi ro chết người do các sai phạm vận hành AC,không được vượt quá 0,001 tổng mức rủi ro chết người xuất hiện do các nguyên nhânkhác Để đánh giá rủi ro người ta sử dụng các phương pháp ВОБ và chú ý đến cả các sự

cố xác suất thấp (giả định) với kịch bản giả định có trùng hợp một số lượng bất kỳ cáchỏng hóc và sai lầm có thể xảy ra kèm theo những hậu quả nghiêm trọng Ở đây sử dụngtất cả các kết quả đánh giá xác suất an toàn và có thể xác định giá trị của mức rủi ro chấpnhận được Rủi ro từ các sai lệch có thể có khi vận hành ЯЭУ được coi là chấp nhận

được nếu nó không vượt nhiều quá so với rủi ro từ các phương pháp sản xuất năng lượngkhác.

Khi tính đến nhịp độ phát triển kỳ vọng của ngành năng lượng hạt nhân trong những thập

kỷ gần đây thì những yêu cầu đối với xác suất tổng của các sự cố nghiêm trọng đượcdiễn đạt như sau: các sự cố kèm theo phá huỷ vùng hoạt, nhưng không vượt quá mức pháttán phóng xạ được phép đã định (bằng cách ngăn chặn các sản phẩm phóng xạ) cần cóxác suất tổng theo toàn bộ trình tự các biến cố ρ ≤ 10-5 một lò-năm

Đối với các sự cố kèm theo phá huỷ vùng hoạt và phát tán các sản phẩm phóng xạ caohơn mức cho phép, yêu cầu đã được xác lập là ρ ≤ 10-7 một lò-năm

Từ đó suy ra, cần loại trừ phát tán các sản phẩm phóng xạ không được phép trong mọibiến cố khởi nguồn và trên đường phát triển các sự cố, mà xác suất tổng của các sự cố đóvượt quá 10-7 một lò-năm

Chương 2

CÁC RÀO CẢN AN TOÀN

2.1 NGUYÊN TẮC BẢO VỆ THEO CHIỀU SÂU

Khi thiết kế ЯЭУ, một trong những nguyên tắc an toàn cơ bản là nguyên tắc bảo vệ theochiều sâu, theo nó, một số cấp bảo vệ được tính trước để ngăn ngừa hoặc hạn chế các hậuquả bất lợi của những hỏng hóc thiết bị và các sai lầm của nhân viên AC

Yêu cầu quan trọng nhất của nguyên tắc bảo vệ theo chiều sâu là tổ chức các hàng rào antoàn thực thể Trên đường lan truyền các mảnh vỡ phân hạch, trong trường hợp chúng cókhả năng tiềm ẩn phát thải từ kết cấu nhiên liệu vào môi trường xung quanh, thôngthường, trong các lò phản ứng hiện đại có ba rào cản, xét chức năng và ý nghĩa củachúng, có thể coi chúng là các rào cản an toàn (hình 2.1) Tạo nên rào cản thứ nhất là kếtcấu nhiên liệu và vỏ bọc các thanh nhiên liệu Trong trường hợp lọt các sản phẩm phóng

xạ của quá trình phân hạch vào chất tải nhiệt thì hệ thống vòng sơ cấp, các đường ống,các kết cấu dạng vỏ của vòng sơ cấp (rào cản an toàn thứ hai) sẽ cản trở quá trình lantruyền tiếp theo của chúng Và cuối cùng, khi rò rỉ vòng sơ cấp, các sản phẩm phóng xạcủa quá trình phân hạch được giữ lại hoặc nhờ hệ thống khu vực kín, hoặc nhà lò (rào cảnthứ ba) (hình 2.2) Khi phân tích an toàn cần tin chắc vào độ hiệu dụng của các rào cản đó

cả trong điều kiện bình thường, cả trong điều kiện khẩn cấp, theo dõi liên tục tính độc lập

trong việc thực hiện chức năng của chúng, sự có mặt của “dự trữ” độ hiệu dụng, cácphương tiện chẩn đoán và kiểm tra.

Mọi sự cố thiết kế đều không được dẫn đến sai phạm tiếp theo của các hệ thống, ví dụ,các hệ thống vòng sơ cấp và các hệ thống ЗО, vốn cần thiết để ngăn chặn tình huống đãxuất hiện, khi chúng thực hiện chức năng

Việc thực hiện chức năng của các rào cản an toàn trong các chế độ khẩn cấp cần thoảmãn hoàn toàn các yêu cầu nhất định Các điều kiện hoạt động của các rào cản khi có sự

cố, kể cả những sự cố giả định rất ít có khả năng xảy ra, cần được phân tích kỹ càng, khi

đó cần chứng minh độ hiệu dụng của các rào cản với mức dự trữ cần thiết cho độ bất định

có thể có

Hình 2.1 Sơ đồ các rào cản trên đường lan truyền các nuclit phóng xạ sinh ra

trong quá trình hoạt động của ЯЭУ

Hình 2.2 Các rào cản an toàn AC có nhà lò:

1 – nhiên liệu; 2 – vỏ bọc thanh nhiên liệu; 3 – hệ thống vòng sơ cấp kín; 4 – nhà lò

2.2 THANH NHIÊN LIỆU – RÀO CẢN AN TOÀN THỨ NHẤT

Thanh nhiên liệu cần giữ được nguyên vẹn trong suốt thời gian tồn tại trong lò phản ứng,khi lưu giữ và vận chuyển Sự giãn nở hoặc phồng rộp không được vượt quá các giới hạn,khi đó các điều kiện làm nguội bình thường được bảo đảm Thanh nhiên liệu bị coi là hưhại, nếu do vỏ bọc không còn nguyên vẹn mà các sản phẩm phân hạch lọt vào chất tảinhiệt

Trong các lò phản ứng năng lượng hiện đại, thông thường, sử dụng các thanh nhiên liệu

có nhiên liệu ở dạng viên urani dioxit, nằm trong vỏ bọc bằng thép hoặc hợp kim zirconi.Kết cấu nhiên liệu và vỏ bọc kín của thanh nhiên liệu tạo ra rào cản thứ nhất trên đườnglan truyền các sản phẩm phân hạch

Nhiên liệu

Các sản phẩm phóng xạ tích tụ do quá trình phân hạch và bắt nơtron trong nhiên liệu, khi

đó thành phần, các tính chất cơ học và hoá lý của kết cấu nhiên liệu thay đổi

Đặc trưng hoạt động của các thanh nhiên liệu là mức tải nhiệt cao (khoảng 450 W/cm) vàchênh lệch nhiệt độ theo mặt cắt ngang nhiên liệu đáng kể, có thể đến vài trăm độ.

Mặc dù một lượng lớn các sản phẩm phóng xạ được tạo ra trong quá trình phân hạch,nhưng ở nhiệt độ làm việc bình thường urani dioxit giữ lại hơn 98% sản phẩm Gần 1 –2% sản phẩm, chủ yếu ở dạng khí và dạng bay hơi – kripton, xenon và iốt, khuếch tánvào khoảng khí giữa khối nhiên liệu và vỏ bọc, khi đó vỏ bọc kín ngăn cản chúng thoátvào chất tải nhiệt

Động thái của nhiên liệu giống như của rào cản, là giữ sản phẩm phân hạch lại, tùy thuộcvào nhiệt độ và độ cháy Khi nhiệt độ dưới 10000C, urani dioxit giữ lại tất cả, thậm chí cảcác sản phẩm phân hạch dạng khí Khi nhiệt độ và độ cháy tăng lên, tình hình thay đổinhiều Các sản phẩm phân hạch trở nên linh động hơn (hình 2.3)

Quá trình này có bản chất khuếch tán, và tốc độ thoát sản phẩm phân hạch từ nhiên liệu

được xác định bằng quy luật hàm mũ exp (–E/kT), ở đây E – năng lượng kích hoạt; T – nhiệt độ; k – hằng số Bolsman Khi nhiệt độ cao hơn 16000C, một phần lớn các khí thoát

ra khỏi nhiên liệu và nằm trong lớp vỏ bọc, việc thoát iốt và các nuclit bay hơi cũng tănglên đáng kể Để nhiên liệu hoàn thành chức năng “rào cản” của mình, quan trọng là saocho tương tác của nhiên liệu với chất tải nhiệt là tối thiểu

Hình 2.3 Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của quá

trình thoát các sản phẩm phân hạch dạng khí

từ nhiên liệu

Một trong những tiêu chí quan trọng nhất, đặc trưng cho các điều kiện hoạt động của kếtcấu nhiên liệu, – đạt đến nhiệt độ nóng chảy Thông số này đặc biệt quan trọng khi tăngnhanh công suất, khi mà nhiệt độ của vỏ bọc tăng lên còn chưa đáng kể Việc nóng chảynhiên liệu cần được xem như mất chức năng rào cản không chỉ của nhiên liệu mà còn củathanh nhiên liệu nói chung

Vỏ bọc

Vỏ bọc thanh nhiên liệu bảo đảm tính nguyên vẹn của nó, bảo đảm độ bền cơ khí, cản trởthoát sản phẩm phân hạch vào vòng sơ cấp Yêu cầu cơ bản đối với vỏ bọc – bảo đảm độbền và độ kín dưới mọi tác động bình thường và khẩn cấp trong suốt “chu trình sống”nhiều năm và độ bền phóng xạ khi chiếu xạ dài ngày

Độ kín của vỏ bọc cần được bảo toàn trong suốt thời hạn hoạt động của thanh nhiên liệu

và thời gian lưu giữ sau này của nhiên liệu đã cháy Trong suốt “chu trình sống”, vỏ bọcthanh nhiên liệu chịu tác động của nhiều yếu tố, tạo ra những điều kiện hoạt động phứctạp của vỏ bọc Đó là các tác động của lực và quá trình ăn mòn cả từ phía chất tải nhiệt,

cả từ phía nhiên liệu, là dao động nhiệt khi thay đổi các chế độ làm việc (khởi động,dừng, điều chỉnh), là hoá ròn phóng xạ khi bị tác động của các dòng nơtron nhanh, vàcuối cùng, là quá nhiệt trong các tình huống khẩn cấp (hình 2.4)

Khi “phồng rộp” nhiên liệu, cũng như dưới tác động của các sản phẩm phân hạch dạngkhí và dạng bay hơi, thoát ra dưới lớp vỏ bọc thì các tải trọng, tác động từ bên trong lên

vỏ bọc thanh nhiên liệu, tăng lên

Đối với các vật liệu vỏ bọc, các tính chất sau đây có ý nghĩa hàng đầu: bền phóng xạ, hoáròn, phồng rộp, rão phóng xạ, bền ăn mòn

Hình 2.4 Các yếu tố có ảnh hưởng đến khả năng làm việc của vỏ bọc thanh nhiên liệu – rào cản an toàn đầu tiên

Khi tăng chậm công suất hoặc giảm lưu lượng chất tải nhiệt qua lò phản ứng thì nhiệt độ

vỏ bọc sẽ là thông số cơ bản, đặc trưng cho tính nguyên vẹn của thanh nhiên liệu Việcphá huỷ vỏ bọc bắt đầu khi ứng suất vượt quá giới hạn bền, vốn được xác định theo nhiệtđộ

Các giá trị nhiệt độ, được dùng làm các tiêu chuẩn của trạng thái khẩn cấp, cần được xácđịnh cho các điều kiện cụ thể của dạng lò phản ứng đã cho Ví dụ, xét các điều kiện nhiệt

độ “ngoài khủng hoảng” khi có sự cố mất chất tải nhiệt trong các lò công suất nước-nước(ВВЭР)

Các giới hạn hư hại thanh nhiên liệu

Khi xác định các giá trị cực đại được phép của các thông số đặc trưng cho trạng thái vùnghoạt, trước hết cần xem xét các vỏ bọc thanh nhiên liệu, mà sự phát triển các quá trìnhkhẩn cấp phụ thuộc nhiều vào chúng Các giá trị giới hạn cho phép của các thông số đượcxác lập trên cơ sở các số liệu thực nghiệm về động thái của vỏ bọc và của thanh nhiênliệu nói chung trong các chế độ ổn định và chuyển tiếp Những nghiên cứu bằng thựcnghiệm về các đặc tính khả năng làm việc của vỏ bọc thanh nhiên liệu cho phép đưa racác tiêu chuẩn an toàn khi có sự cố Khi phân tích các quá trình khẩn cấp và xác định cácgiá trị cho phép của các thông số cần xem xét toàn diện và tính đến các tương tác hoá lý

có thể xảy ra giữa nhiên liệu, vỏ bọc và chất tải nhiệt, cũng như các môi trường khác, vốn

có thể lọt vào vùng hoạt khi làm việc bình thường hoặc trong thời gian có sự cố

Vùng hoạt và các hệ thống khác, vốn quyết định điều kiện hoạt động của vùng hoạt, cầnđược thiết kế sao cho loại trừ được khả năng vượt các giới hạn hư hại đã định trong suốtthời hạn sử dụng dự kiến, ở các điều kiện vận hành bình thường Cũng không được phépvượt các giới hạn nói trên, khi có những sai phạm vận hành bình thường sau đây (có tínhđến tác động của các hệ thống bảo vệ):

hư hỏng hệ thống điều khiển và kiểm soát lò phản ứng;

mất điện các máy bơm tuần hoàn chính;

ngắt máy phát tuabin và các tải tiêu thụ nhiệt;

mất hoàn toàn nguồn cấp điện bên ngoài;

rò rỉ vòng sơ cấp, vốn được bù nhờ các hệ thống bù bình thường

Các giới hạn hư hại được phép của thanh nhiên liệu khi vận hành bình thường đối với các

lò phản ứng được làm nguội bằng nước như sau: số lượng các thanh nhiên liệu có các

khuyết tật nhỏ không được vượt quá 0,1 – 1%, còn có tiếp xúc trực tiếp nhiên liệu vớichất tải nhiệt 0,01 – 0,1% tổng số lượng các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt, tuỳ thuộcvào dạng lò phản ứng Các giá trị thực dường như nhỏ hơn Tuỳ thuộc vào các đặc tínhcủa các thanh nhiên liệu và lò phản ứng mà đôi khi các giới hạn hư hại được quy địnhtheo các thông số khác (hoạt độ thể tích của chất tải nhiệt,…).

Trong các điều kiện khẩn cấp phức tạp, cho phép vượt giới hạn hư hại thiết kế của thanhnhiên liệu khi vận hành bình thường (giới hạn hư hại thiết kế đầu tiên) Trong khi đó, cóđặt ra các yêu cầu, dành riêng cho các dạng lò phản ứng khác nhau và cho nhiên liệuđược sử dụng, về việc bảo đảm giới hạn hư hại thiết kế thứ hai của các thanh nhiên liệunhờ hệ thống làm nguội khẩn cấp khi có các sự cố thiết kế ít khả năng xảy ra, kể cả sự cốthiết kế cực đại (МПА) Đối với các lò phản ứng nước-nước, giới hạn hư hại thứ hai củacác thanh nhiên liệu được quy định bằng việc hạn chế sự phát triển phản ứng zirconi-hơinước

Trong quá trình vận hành, tình trạng vỏ bọc các thanh nhiên liệu, mà tính nguyên vẹn củachúng là điều kiện quan trọng nhất bảo đảm an toàn, được kiểm soát liên tục Tình trạng

vỏ bọc được đánh giá nhờ hệ thống kiểm tra độ kín vỏ bọc (hệ thống КГО), nó đo ghi cácnơtron trễ của các sản phẩm phân hạch hoặc bức xạ γ

Các điều kiện làm việc của các thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu và vùng hoạt

Bó nhiên liệu (BNL) định vị các thanh nhiên liệu, tạo ra dòng chất tải nhiệt quanh cácthanh, bảo đảm làm nguội cần thiết BNL bảo đảm cho độ nguyên vẹn cơ khí của cácthanh, ngăn cản sự xuất hiện và lan truyền sự cố cục bộ, vốn có liên quan đến suy giảmlưu lượng chất tải nhiệt trong những ô riêng và hư hại một phần thanh nhiên liệu

Các điều kiện làm việc của các thanh nhiên liệu phần lớn được quyết định bởi kết cấuvùng hoạt, mà một trong số các chức năng của nó là giữ nguyên được vị trí nhiên liệutheo thiết kế và sự phân bố chất tải nhiệt cần thiết theo quan điểm các điều kiện về nhiệt

độ Đối với tất cả các điều kiện vận hành bình thường, cần ngăn ngừa tính không ổn địnhlưu lượng chất tải nhiệt qua vùng hoạt

Vùng hoạt được trang bị những cảm biến đặc biệt để kiểm soát bên trong lò phản ứng,bảo đảm cung cấp thông tin về phân bố công suất dưới các tác động khác nhau (dịchchuyển các thanh, tái phân bố xenon, ), về các điều kiện nhiệt độ trong BNL và các đặctính của dòng chất tải nhiệt

Các sự cố thiết kế, kể cả МПА, không được dẫn đến các thay đổi tới mức cản trở quátrình làm nguội các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt, hoặc dẫn đến quá trình tháo dỡvùng hoạt sau sự cố.

Các tiêu chí về tính nguyên vẹn của rào cản các thanh nhiên liệu

Để bảo đảm độ nguyên vẹn của rào cản an toàn cơ bản thứ nhất cần duy trì được chế độnhiệt độ định trước của các thanh nhiên liệu khi chúng hoạt động và ngăn ngừa các tácđộng cơ học và ăn mòn lên vỏ bọc, vượt quá các giới hạn cho phép về độ bền

Các giới hạn thiết kế được quy định như sau:

1) dự trữ trước khủng hoảng dẫn thoát nhiệt không dưới 1,1 – 1,3;

2) nhiệt độ ở trung tâm lõi nhiên liệu thấp hơn nhiệt độ nóng chảy urani dioxit (nghĩa

là, không cao hơn 27000C);

3) áp suất khí bên trong vỏ bọc thanh nhiên liệu ở cuối thời hạn hoạt động của vùnghoạt nhỏ hơn áp suất định mức bên ngoài;

4) các ứng suất trong vỏ bọc nhỏ hơn giới hạn chảy;

5) biến dạng vỏ bọc dưới 0,7 – 1%;

6) mức hư hại do mỏi, tích luỹ theo chu kỳ, nhỏ hơn 80% giá trị thiết kế

Sự phá huỷ rào cản, sự hư hại các thanh nhiên liệu được xác định như là sự nóng chảy(một phần hoặc toàn bộ), việc vỡ hoặc hở vỏ bọc thanh nhiên liệu lúc đầu không cókhuyết tật quá các giới hạn đã định, vốn diễn ra, ví dụ do sự kết hợp bất lợi của mật độtoả năng lượng và các điều kiện làm nguội

2.3 HỆ THỐNG VÒNG SƠ CẤP – RÀO CẢN AN TOÀN THỨ HAI

Những khái niệm chung

Vỏ lò phản ứng, các kết cấu dạng vỏ khác của vòng sơ cấp và các đường ống là rào cảnthứ hai trên đường lan truyền các sản phẩm phân hạch Hệ thống vòng sơ cấp tạo ra ranhgiới, mà trong giới hạn của nó có chứa chất tải nhiệt ở nhiệt độ và áp suất làm việc, vàgiúp giữ các sản phẩm phóng xạ phân hạch thoát ra từ các thanh nhiên liệu, hạn chếlượng phát tán không kiểm soát được

Chức năng của vòng sơ cấp là dẫn thoát nhiệt được sinh ra trong vùng hoạt trong thờigian làm việc bình thường Ngoài ra, hệ thống vòng sơ cấp còn thực hiện nhiệm vụ như

một phần của hệ thống dẫn thoát nhiệt dư sau khi dừng lò phản ứng và như một phần của

hệ thống làm nguội khẩn cấp cho vùng hoạt trong thời gian sự cố mất chất tải nhiệt

Vỏ lò phản ứng cần bảo đảm kín trong suốt thời gian vận hành (trên 30 năm) Cho nênđối với vật liệu vỏ lò, các yêu cầu về độ bền phóng xạ và chống ăn mòn cao và độ bền lâudài trong các điều kiện của tất cả các tác động khi vận hành (áp suất, nhiệt độ, thônglượng nơtron, biến động nhiệt, ) được đặt ra

Tất cả thiết bị và các đường ống của vòng sơ cấp cần chịu được, mà không bị hư hại, cáctải trọng động và tĩnh, các tác động nhiệt độ, xuất hiện trong các bộ phận bất kỳ nào đó,

có tính đến tác động của các hệ thống bảo vệ khi có tỏa năng lượng không định trước Ví

dụ, phân tích các hậu quả của quá trình khẩn cấp do đưa độ phản ứng dương vào khi hỏng

bộ phận có độ hiệu dụng cực đại tác động lên độ phản ứng, hậu quả của việc xả chất tảinhiệt “lạnh” vào vùng hoạt, cũng như các biến cố khởi nguồn dẫn đến sai phạm dẫn thoátnhiệt từ vòng sơ cấp

Yêu cầu đối với các hệ thống vòng sơ cấp

Sơ đồ vòng sơ cấp phải bảo đảm chắc chắn để tuần hoàn tự nhiên (ЕЦ) bảo đảm dẫnthoát nhiệt dư và ngăn ngừa tăng quá các giới hạn nhiệt độ của các thanh nhiên liệu, cácgiới hạn nhiệt độ và áp suất trong hệ thống vòng sơ cấp Các máy bơm tuần hoàn chính(ГЦН) phải có đủ quán tính, sao cho lưu lượng dư đủ để không làm hư hại các thanhnhiên liệu Các yêu cầu đó đặc biệt quan trọng trong trường hợp có sự cố mất điện Đểbảo đảm khả năng làm việc lâu dài của vòng sơ cấp và ngăn ngừa các tác động ăn mòn,

cơ học và nhiệt độ không được phép lên các kết cấu và thiết bị, thì chế độ hoá học củanước, áp suất và nhiệt độ chất tải nhiệt trong vòng sơ cấp, tốc độ chất tải nhiệt và đặc tínhdòng chảy cần luôn luôn nằm trong các giới hạn nghiêm ngặt

Việc khởi động các hệ thống bảo vệ không được dẫn đến hư hại thiết bị và các hệ thốngvòng sơ cấp Khi thiết kế, phải có luận chứng để xác định số lần được phép khởi động các

hệ thống bảo vệ an toàn trong suốt thời gian hoạt động của AC (trong đó có cả các lầnkhởi động giả) theo quan điểm tác động lên tuổi thọ của thiết bị, và xác định phần đónggóp của chúng vào việc làm hư hại thiết bị

Các hệ thống vòng sơ cấp cần có các cơ cấu đặc biệt và có các dụng cụ, thiết bị để kiểmtra, thử nghiệm và theo dõi độ bền và độ nguyên vẹn của chúng trong suốt thời hạn vậnhành ЯЭУ, cũng như để kiểm soát các vật liệu vỏ lò và tình trạng các mối hàn Cần tínhtrước đến các phương tiện theo dõi và đo mức độ rò rỉ các sản phẩm phóng xạ từ vòng sơcấp

Phá huỷ ròn

Cần tính đến khả năng hiện hữu về nguyên tắc của hiện tượng phá huỷ ròn, dẫn đến hỏnghoàn toàn vỏ lò phản ứng khi có các ứng suất tác động ở mức tương đối thấp, thường nhỏhơn các giá trị cho phép được chọn theo các tiêu chuẩn về độ bền Điểm khác biệt của nó

là sự xuất hiện mầm mống phá huỷ khi có biến dạng nhỏ và nhanh chóng lan truyền vếtnứt

Thông thường, việc phá huỷ có tính thảm họa tương tự diễn ra khi nhiệt độ xuống thấp,

do vậy, nhiệt độ có ý nghĩa quan trọng là nhiệt độ chuyển kim loại vào trạng thái ròn (Tk– nhiệt độ hoá ròn tới hạn hoặc ngưỡng ròn nguội), vốn được hiểu là nhiệt độ cao nhấtlàm lan truyền vết nứt khi không có biến dạng dẻo Trong mọi trường hợp, khả năng

chống phá huỷ ròn của loại thép bất kỳ nào đó càng cao, khi nhiệt độ dẫn (T – Tk) càng

cao, hoặc khi Tk – nhiệt độ hoá ròn tới hạn, càng thấp Liên quan đến những thay đổi tínhchất vật liệu vỏ lò phản ứng hạt nhân trong suốt thời hạn hoạt động của nó, là những tínhtoán mức độ dịch chuyển nhiệt độ tới hạn ròn do các tác động khác nhau trong quá trình

vận hành Ví dụ, Tk được tính theo công thức

T k T k0 T T  T N T F,

ở đây, Tk0 – nhiệt độ hoá ròn tới hạn của vật liệu trong trạng thái ban đầu; ΔTT – mức dịch

chuyển nhiệt độ tới hạn ròn do hoá già theo nhiệt độ; ΔT N – mức dịch chuyển nhiệt độ tới

hạn ròn do hư hại có chu kỳ; ΔT F – mức dịch chuyển nhiệt độ tới hạn ròn do ảnh hưởngcủa chiếu xạ nơtron

Giá trị ΔTT được xác định trên cơ sở các số liệu thực nghiệm và thường nằm trong khoảng

Nhiệt độ tới hạn ròn càng cao khi độ hư hại (Ni/[Ni ]) của vật liệu và dòng nơtron (F)

càng lớn

Biết được nhiệt độ dẫn (T – Tk) là cần thiết để tính toán sức bền phá huỷ ròn của thiết bị

và các đường ống ЯЭУ khi thiết kế theo các tiêu chuẩn hiện hành về độ bền Trong khi

đó giả định rằng, trong mọi chi tiết được xem xét đều có khuyết tật ban đầu giống như vếtnứt dạng nửa elip với tỷ lệ các bán trục 2/3 và kích thước của nửa trục nhỏ, bằng 25% độdày thành vỏ bình hoặc thành đường ống Trong các tính toán, sử dụng các biểu đồ pháhuỷ vật liệu (hoặc loại vật liệu) trên trục toạ độ: ứng lực cho phép (hoặc đặc tính bền nứt)– nhiệt độ, được dựng theo kết quả các nghiên cứu thực nghiệm.

Nhờ các biểu đồ đó, đánh giá khả năng phá huỷ ròn của vỏ lò phản ứng tuỳ thuộc vào

mức ứng lực tác động và nhiệt độ dẫn (T – Tk)

Nếu kết quả tính toán cho thấy sự phá huỷ ròn không được loại trừ thì cần hạn chế các

điều kiện vận hành (tăng nhiệt độ làm việc T, giảm các ứng suất tác động, giảm độ hư hại

Ni/[Ni ] trong từng chế độ i,…).

Tiêu chí nguyên vẹn rào cản

Rào cản của hệ thống chất tải nhiệt vòng sơ cấp cần chịu được tất cả các điều kiện vậnhành bình thường, mà không có bất kỳ hư hại và rò rỉ các sản phẩm phóng xạ nào thêm.Các sự cố thiết kế mọi loại, kể cả МПА, không được dẫn đến những hư hại thứ cấp lớn.2.4 HỆ THỐNG NHÀ LÒ – RÀO CẢN AN TOÀN THỨ BA

Trong các tình huống khẩn cấp liên quan đến mất chất tải nhiệt vòng sơ cấp, rào cản antoàn thứ ba – nhà lò, đóng vai trò cực kỳ quan trọng, nó là hệ thống an toàn ngăn chặn(đối với AC không có ЗО thì nhà kín là hệ thống như vậy) ЗО được trang bị một loạt các

hệ thống phụ trợ

Các chức năng chủ yếu của các hệ thống ЗО như sau:

a) chịu được áp suất cao bên trong ЗО trong mọi điều kiện phá huỷ hệ thống vòng sơcấp khi có sự cố mất chất tải nhiệt (АПТ);

b) kết hợp với hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt (САОЗ) hạn chế năng lượngthoát ra khi có АПТ để ngăn ngừa tăng áp suất trong khu vực nhà lò vượt quá cácgiới hạn thiết kế;

c) hạn chế phát thải các chất phóng xạ trong và sau АПТ trong các giới hạn đượcphép;

d) giảm áp suất và nhiệt độ trong khu vực nhà lò sau АПТ

САОЗ làm nguội vùng hoạt, còn các hệ thống đặc biệt (thông gió, phun, sủi bọt) dẫnthoát năng lượng ra khỏi khu vực nhà lò (hoặc tích tụ chúng), làm giảm áp suất và nhiệt

độ trong đó Trong vùng này hydro cũng được tạo ra do các phản ứng hoá-nhiệt và phân

tách phóng xạ, vì vậy cần tính trước hệ thống kiểm soát thành phần khí quyển vùng ЗО

để ngăn ngừa tích tụ hỗn hợp gây nổ trong khu vực nhà lò

Hệ thống ЗО, giống như rào cản an toàn, cần thực hiện các chức năng của mình trong cácđiều kiện khẩn cấp có tính đến những tác động hoá học, nhiệt và cơ học có thể có, vốn làhậu quả chảy tràn chất tải nhiệt và nóng chảy vùng hoạt

Áp suất dư, mà nhà lò phải ứng phó, vào khoảng vài trăm kPa và tuỳ thuộc vào nănglượng thoát ra khi có sự cố và thể tích khép kín của nhà lò Mức độ kín của ЗО theo thiết

kế, thông thường, không vượt quá 0,1 – 1% thể tích/ngày

Áp suất trong ЗО, xuất hiện sau khi chảy chất tải nhiệt, là một trong những nguyên nhânchính phát tán các sản phẩm phóng xạ ra ngoài rào cản cuối cùng này Vì vậy, việc giảm

áp suất nhờ các hệ thống bảo đảm ngưng tụ hơi nước đã thoát ra trong quá trình sự cố,hoặc thông gió, sẽ tạo điều kiện thuận lợi để giữ các sản phẩm phóng xạ trong rào cảncuối cùng ЗО được trang bị các phin lọc đặc biệt làm sạch iốt, cesi và các sản phẩm phânhạch khác khỏi bầu khí quyển bên trong

Các cơ cấu ngăn chặn của ЗО (các van, các hệ thống dẫn thoát nhiệt, các hệ thống làmgiảm áp suất) cần có đủ công suất, năng suất và có đủ dự phòng để hoàn thành các chứcnăng của mình khi không khởi động hoặc hỏng hoàn toàn một thiết bị chủ động nào đó.Các hệ thống ЗО cần cho phép kiểm tra định kỳ độ kín ЗО, độ tin cậy thực hiện chứcnăng của tất cả các hệ thống, trong suốt thời hạn vận hành

Chương 3

NGĂN NGỪA SỰ CỐ

3.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG

Nguyên tắc bảo đảm an toàn cơ bản là ngăn ngừa sự cố, thực hiện chính xác hệ thống cácbiện pháp chống sự cố

Mối nguy hiểm phóng xạ trong các điều kiện khẩn cấp – đó là mối nguy hiểm tiềm ẩn, nó

có thể xuất hiện khi có hư hại nghiêm trọng trong các hệ thống và thiết bị AC và khi cócác sai lầm của nhân viên

Độ hiệu dụng của các biện pháp an toàn chống sự cố được bảo đảm bằng độ tin cậy củathiết bị, vốn được xác định bởi logic và cấu trúc của các hệ thống, đặc biệt là các hệ

thống điều khiển, cũng như bằng các quy trình vận hành tương ứng, bao gồm các biệnpháp phòng ngừa, kiểm tra khả năng hoạt động của các hệ thống quan trọng đối với antoàn, (hình 3.1).

Để bảo đảm cho ЯЭУ hoạt động bình thường cần hiểu rõ tất cả các quá trình diễn ratrong đó, luận giải bằng những phương pháp mô hình toán học và vật lý có tính đại diện,các giải pháp kết cấu và thiết kế, chế tạo tất cả các bộ phận một cách có chất lượng, tuânthủ quy trình thao tác vận hành Cốt lõi của các biện pháp chống sự cố là chất lượng củaviệc chế tạo và lắp ráp thiết bị

Các thử nghiệm khởi động thiết bị, kiểm tra các đặc tính khi hoạt động, thể hiện sự phốihợp theo thiết kế của tất cả các bộ phận và hệ thống, kiểm tra tình trạng thiết bị và phòngngừa sai phạm – một trong những nhiệm vụ then chốt ngăn ngừa các rắc rối dẫn đến sự

cố Phát hiện những sai lệch so với tiêu chuẩn càng sớm, hậu quả của chúng càng bớtđáng tiếc Mục đích cơ bản – không để các hỏng hóc và sai phạm trở thành sự cố Vì vậycần phải xác lập các giới hạn vận hành an toàn đối với mọi trạng thái ЯЭУ (khởi động,gia nhiệt, phát công suất, các chế độ chuyển tiếp, làm nguội, thay đảo nhiên liệu, sửachữa, )

Những cấu thành của vấn đề đó: đưa ra các tiêu chí về khả năng hoạt động của thiết bịchính, nghiên cứu áp dụng các phương pháp chẩn đoán sớm các hư hại; bảo đảm thiết bị

và phụ kiện để kiểm tra và chẩn đoán

Hình 3.1 Các biện pháp ngăn ngừa sự cố

3.2 CẢNH BÁO CÁC TÌNH HUỐNG KHẨN CẤP TRONG QUÁ TRÌNH

VẬN HÀNH

Hệ thống tin cậy kiểm soát hoạt động của lò phản ứng hạt nhân và các bộ phận riêng biệtcủa nó – một trong những yếu tố quan trọng nhất, không chỉ bảo đảm cảnh báo những sailệch so với chế độ bình thường, mà còn cho phép thực hiện quá trình với những chỉ số tối

ưu theo quan điểm hư hại

Để thực hiện các yêu cầu cảnh báo các rối loạn gây sự cố, nghĩa là, ví dụ như để loại trừkhả năng quá nhiệt của các thanh nhiên liệu và mất độ kín của hệ thống vòng sơ cấp (cácrào cản an toàn thứ nhất và thứ hai), cần xác lập một bộ các giới hạn thiết kế và các giớihạn vận hành an toàn

Các giới hạn thiết kế – các giá trị định lượng của các thông số và các đặc tính trạng thái

thiết bị, được xác lập cho vận hành bình thường, cho các sai phạm vận hành bình thường

và cho các biến cố khởi nguồn tương ứng, được tính theo thiết kế

Các giới hạn vận hành an toàn – các giá trị của các thông số và các đặc tính, mà sai lệch

so với chúng có thể dẫn đến tăng chiếu xạ nhân viên AC, tăng nhiễm bẩn môi trườngxung quanh bởi các chất phóng xạ vượt quá các giá trị đã định khi vận hành bình thường,dẫn đến hư hại các thanh nhiên liệu

Giá trị cụ thể của các giới hạn được xác định cho các thông số vận hành sau đây (ví dụ):

nhiệt độ chất tải nhiệt vòng sơ cấp;

áp suất trong hệ thống vòng sơ cấp;

công suất lò phản ứng;

tốc độ thay đổi dòng nơtron;

tốc độ tăng nhiệt độ chất tải nhiệt vòng sơ cấp;

mực nước trong thiết bị điều áp;

lưu lượng nước cấp;

số vòng quay của ГЦН;

hoạt độ phóng xạ của chất tải nhiệt các vòng sơ cấp và thứ cấp;

áp suất trong ЗО

Các phương tiện cảnh báo và ngăn ngừa sự cố

Nhiệm vụ của các phương tiện cảnh báo chống sự cố – ngăn ngừa triệt để sự cố hoặc làngăn ngừa sự cố phát triển

Các tín hiệu ngắt khẩn cấp lò phản ứng được chọn theo kết quả phân tích các tình huốngkhẩn cấp có thể có, sự phát triển và các hậu quả của chúng Những sự cố đặc trưng nhất

mà khi đó lò phản ứng cần hoặc là ngắt hoàn toàn, hoặc là giảm công suất đến mức antoàn là các sự cố sau: tăng dòng nơtron quá mức cho phép, vượt quá tốc độ tăng côngsuất lò phản ứng, hỏng các bộ phận điều chỉnh, ngắt đột ngột các máy bơm tuần hoàn,giảm đột ngột áp suất trong vòng sơ cấp, tăng không ngừng hoạt độ chất tải nhiệt Tuỳthuộc vào dạng lò phản ứng và các điều kiện vận hành cụ thể mà danh mục các tín hiệukhẩn cấp có thể được bổ sung và thay đổi

Trong ЯЭУ thiết lập hệ thống tín hiệu cảnh báo, cho phép nhân viên và các hệ thống điềukhiển ngăn chặn sự phát triển không thuận lợi của quá trình khẩn cấp này hay quá trìnhkhẩn cấp khác Thật vậy, khởi động hệ thống bảo vệ sự cố (АЗ) theo giá trị giới hạn mật

độ dòng nơtron được thiết lập ở mức, ví dụ, 110% giá trị định mức, còn tín hiệu cảnh báo– ở mức 105% Trong khi đó, nếu quá trình diễn ra với tốc độ tương đối nhỏ, mà nguyênnhân của nó có thể được khắc phục, thì nhờ tín hiệu cảnh báo và áp dụng các biện phápthích hợp mà việc ngắt khẩn cấp lò phản ứng có thể không diễn ra

Chu kỳ lò phản ứng là đại lượng cực kỳ quan trọng và nhất thiết phải kiểm soát được, nó

có một giá trị giới hạn cho phép Tín hiệu khẩn cấp về chu kỳ lò phản ứng đặc biệt quantrọng trong các chế độ khởi động lò phản ứng, khi mà trên thực tế không có bảo vệ theomức mật độ dòng nơtron

Lò phản ứng hạt nhân không thể không được điều khiển thậm chí trong một thời gianngắn Vì vậy, hỏng hóc các bộ phận điều khiển do bất kỳ nguyên nhân nào (ngắt dẫn

động, kẹt các bộ phận điều khiển di động, ) đều là tình huống khẩn cấp nghiêm trọng, và

lò phản ứng cần được ngắt lập tức nhờ АЗ

Việc ngắt các máy bơm tuần hoàn không tránh khỏi dẫn đến giảm lưu lượng chất tải nhiệttới mức gần như tuần hoàn tự nhiên Giảm đột ngột áp suất trong vòng sơ cấp chứng tỏvòng tuần hoàn bị hở và chất tải nhiệt bị mất Tình huống tương tự là rất nguy hiểm đốivới mọi dạng lò phản ứng, bởi vì nó dẫn đến giảm trực tiếp lưu lượng chất tải nhiệt quavùng hoạt, làm xấu quá trình dẫn thoát nhiệt và làm tăng nhiệt độ các thanh nhiên liệu.Trong quá trình vận hành, an toàn ЯЭУ được quyết định bởi độ tin cậy và độ hiệu dụngcủa các hệ thống và thiết bị, bởi chất lượng điều khiển cụm thiết bị và duy trì cụm thiết bịtrong trạng thái kỹ thuật chấp nhận được Khi phân tích các trạng thái ЯЭУ người ta sửdụng các khái niệm trạng thái kỹ thuật và trạng thái có khả năng hoạt động

Trạng thái kỹ thuật – tập hợp các dấu hiệu hoặc các điều kiện, xác lập các mối tương

quan giữa các giá trị hiện tại của các thông số và các đặc tính trạng thái thiết bị và các hệthống ЯЭУ, với các giới hạn thiết kế, mà việc tuân thủ chúng là cần thiết để vận hành antoàn Các chỉ số trạng thái kỹ thuật được quy định trước cho đặc tính thiết bị và các hệthống, giống như các sản phẩm với chức năng kỹ thuật-công nghiệp, có những đặc tính

kỹ thuật nhất định Trong khi đó, giá trị của các thông số được dùng để tiến hành phântích so sánh chúng với các thông số danh định trong các tài liệu thiết kế

Trạng thái có khả năng hoạt động (khả năng hoạt động) – trạng thái của công trình, trong

đó giá trị của các thông số, vốn đặc trưng cho khả năng thực hiện các chức năng đã định,tương ứng với các yêu cầu của các tài liệu định mức-kỹ thuật và (hoặc) thiết kế

Khi đánh giá trạng thái kỹ thuật của thiết bị và hệ thống ЯЭУ có thể tính đến các yếu tốsau đây:

1) không có các hư hại cơ khí và ăn mòn;

2) không có các tiếng động lạ, các tiếng gõ và rung khi hoạt động;

3) sự tương thích của giá trị các thông số và các đặc tính được kiểm soát với các giátrị cho phép (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, vòng quay, cột áp, hoạt độ, cách điện,mức độ hư hại, mòn, khe hở, các mức bức xạ,…);

4) độ bền và tỷ trọng trong các thử nghiệm thuỷ lực và khí nén

Việc kiểm tra trạng thái kỹ thuật và khả năng hoạt động cần được tiến hành thường xuyêntrong thời gian vận hành ЯЭУ theo trạng thái thực của thiết bị Dưới đây đưa ra ví dụ cácphương pháp kiểm tra được sử dụng

Kiểm tra công nghệ:

bảo dưỡng kỹ thuật;

kiểm tra thông số;

kiểm tra chức năng;

kiểm tra kỹ thuật nhiệt;

kiểm tra quy trình thao tác các hệ thống an toàn;

kiểm tra tại chỗ các đặc tính của thiết bị riêng biệt trong giai đoạn thay đảo nhiênliệu vùng hoạt, khi sửa chữa và khiểm nghiệm;

Kiểm tra chẩn đoán:

kiểm tra trong lòng lò phản ứng;

kiểm tra rung-âm thanh;

chẩn đoán tiếng ồn âm thanh-nơtron;

kiểm tra ăn mòn;

kiểm tra bằng mắt thường;

kiểm tra không phá huỷ kim loại:

kiểm tra gamma và rơngen;

kiểm tra phát xạ-âm thanh;

dò khuyết tật màu;

kiểm tra siêu âm;

kiểm tra truyền hình-quang;

so sánh với các mẫu chuẩn và mẫu chứng

3.3 PHÉP CHẨN ĐOÁN VÀ KIỂM TRA CÁC HƯ HẠI

Mục đích của hệ thống chẩn đoán – xác định những bất thường trong sai lệch của cácthông số Việc tạo ra một hệ thống kiểm tra và chẩn đoán có hiệu quả làm tăng đáng kể

độ tin cậy và tính kinh tế của ЯЭУ Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống kiểm tra – kiểm trathường xuyên sự tương thích của các thông số với các điều kiện cho trước

Các thông số chẩn đoán – đó là các thông số, dành riêng để làm rõ các hư hại, các hỏng

hóc thiết bị cụ thể và nguyên nhân của chúng (tiếng ồn và rung âm thanh, đo biến dạng ởcác mối khác nhau của vỏ lò,…)

Kiểm tra chẩn đoán hệ thống vòng sơ cấp

Kiểm tra độ rung Ngày nay đã nghiên cứu và đưa ra các phương pháp rất nhạy để kiểm

tra độ rung thuỷ động của hầu hết các bộ phận của vòng sơ cấp Để đo đạc, người ta sửdụng các bộ khuếch đại, các cảm biến độ dịch chuyển, các detector nơtron, được lắp đặt ởmặt ngoài thiết bị Việc sử dụng các cảm biến khác nhau cho phép nhận được thông tinđầy đủ và đáng tin cậy về trạng thái của thiết bị đang hoạt động, trong số đó, người ta sửdụng các cảm biến đã tỏ ra có hiệu quả trong việc dò tìm những chi tiết bị mòn và bịlỏng Thông tin được lấy thường kỳ và được cung cấp để giải thích đúng các kết quảnhững lần đo “khởi động” các đặc tính rung

Kiểm tra rò rỉ Quan trọng là phát hiện các rò rỉ nhỏ ở thiết bị đang hoạt động Độ nhạy

cần thiết để kiểm tra rò rỉ là 5 – 10% rò rỉ, tương ứng với khuyết tật của kích thước tớihạn

Phương pháp phát xạ-âm thanh (АЭ) cho phép giải quyết cả ba nhiệm vụ kiểm tra: dò tìm

rò rỉ nhỏ, xác định vị trí và mức độ rò rỉ

Kiểm tra tiếng ồn âm thanh và nơtron Phương pháp này cho phép xác định một cách tin

cậy các đặc tính sau đây của cụm thiết bị:

các sai lệch về động thái của các kết cấu;

các giá trị nhỏ (bất thường) của hàm lượng hơi trong vùng hoạt của các lò phảnứng không sôi;

sự dịch chuyển của các thanh điều chỉnh và các bộ phận kết cấu khác của vùnghoạt

Kiểm tra độ mỏi chu kỳ Mục đích kiểm tra – bảo đảm hoạt động tin cậy của thiết bị trong

suốt thời hạn làm việc bằng cách kiểm tra lai lịch chịu tải thực tế của thiết bị, đo biếndạng và đo nhiệt trong giai đoạn khởi động Hệ thống này xác định số chu trình trong mộtgiai đoạn, từ lúc đầu vận hành thiết bị, đến số chu trình chịu tải được phép theo tính toánchung của thiết bị và cho phép đánh giá tuổi thọ làm việc còn lại

Các phương pháp kiểm tra không phá huỷ kim loại (НК)

Việc nắm rõ những bất thường ngay từ sớm, việc chẩn đoán trạng thái các kết cấu và cácđường ống dạng vỏ của vòng sơ cấp, việc cảnh báo kịp thời các hiện tượng không mongmuốn được bảo đảm bằng các phương pháp kiểm tra không phá huỷ kim loại

Sử dụng các phương pháp НК khác nhau: Nhờ các thiết bị nội soi trên cơ sở quang họcsợi (kiểm tra bằng mắt thường) có thể kiểm tra từ xa kim loại của thiết bị, cả lúc đang sửa

chữa, cả khi đang vận hành Phương pháp kiểm tra này cho phép có được thông tin vềtrạng thái kim loại, ví dụ, của các ống nối trong lò phản ứng, của các bề mặt khó tiếp cậncủa các đường ống, các bộ phận của lò phản ứng và thiết bị khác.

Phương pháp kiểm tra phóng xạ được sử dụng rộng rãi để chẩn đoán kỹ thuật và kiểm trakhông phá huỷ thiết bị, các liên kết hàn các ống nối và các đường ống

Tuỳ thuộc vào những điều kiện cụ thể mà lựa chọn nguồn phóng xạ kiểm tra

Sử dụng phương pháp rơngen chủ yếu để kiểm tra các liên kết hàn của các đường ống cóthành dày dưới 20 mm, ở đây cần có yêu cầu cao về chất lượng liên kết hàn

Sử dụng phương pháp gamma khi kiểm tra chất lượng kim loại nền và kim loại các mốihàn độ dày lớn, cũng như các bộ phận của các kết cấu nằm trong các vị trí khó tiếp cận.Trong một thời gian dài, người ta sử dụng các phương pháp kiểm tra bằng siêu âm trongngành năng lượng Cơ sở của các phương pháp siêu âm kiểm tra vật liệu là các định luậtlan truyền các dao động đàn hồi và các sóng trong môi trường đàn hồi Chúng được chiathành hai nhóm:

1) các phương pháp chủ động, sử dụng bức xạ và tiếp nhận các dao động và sóng âmthanh;

2) các phương pháp thụ động, chỉ trên cơ sở tiếp nhận các dao động và sóng

Phương pháp phát xạ âm thanh để kiểm tra kim loại Phương pháp phát xạ âm thanh là

một trong những phương pháp kiểm tra không phá huỷ mới và hấp dẫn

Phát xạ âm thanh – hiện tượng giải phóng năng lượng do xuất hiện và lan truyền các biến

dạng dẻo và các vết nứt khi vật liệu biến dạng, năng lượng này ở dạng sóng âm thanh,được lan truyền trong vật liệu và và được ghi lại nhờ các cảm biến áp điện nằm trên bề

mặt của chi tiết Biên độ (A), cường độ ( N ), năng lượng (E), số lượng xung АЭ ( N)của các tín hiệu là các thông số cơ bản của chúng

Phương pháp АЭ hấp dẫn ở điểm nào và tại sao người ta bắt đầu sử dụng nó nhiều bêncạnh các phương pháp kiểm tra không phá huỷ truyền thống đã được thử thách?

Phương pháp АЭ chỉ dành cho các khuyết tật đang phát triển, vốn là mối nguy hiểm thực

sự đối với khả năng hoạt động của các kết cấu Theo các quan điểm của cơ học phá huỷhiện đại, mọi vật liệu, mọi kết cấu đều có các khuyết tật trong cấu trúc của mình Để duytrì khả năng hoạt động của các kết cấu đó trong suốt thời hạn vận hành, cần sao cho, thờigian phát triển đến kích thước tới hạn nguy hiểm của các khuyết tật đó dài hơn so với thời

hạn sử dụng kết cấu đó Như vậy, chỉ có các khuyết tật đang phát triển là cần phải pháthiện Trên thực tế, không một phương pháp НК truyền thống nào có được tính chất nóitrên.

Phương pháp АЭ cho phép kiểm tra từ xa, trong khoảng thời gian thực tế rộng, kiểm trađồng thời toàn bộ kết cấu đang được theo dõi mà không phải quét trên bề mặt nó

Hình 3.2 Biểu đồ kéo mẫu (đường cong 1) và cường độ АЭ (đường cong 2):

N – cường độ các xung АЭ; P – tải trọng, Δt – độ dãn dài của mẫu

Trên hình 3.2 trình bày quy luật tiêu biểu thay đổi của một trong những thông số АЭ

(cường độ) khi phá huỷ mẫu thép kết cấu mác 12X18H10T (đường cong 2) Trên hình này (đường cong 1) cũng trình bày biểu đồ kéo của thép đó Rõ ràng, giá trị cực đại của

thông số trùng với giới hạn chảy ước lệ của vật liệu Ở giai đoạn chịu tải tiếp sau, các tínhiệu АЭ phản ánh động lực học hình thành và phát triển khuyết tật trong mẫu

Khả năng của phương pháp АЭ rộng hơn rất nhiều so với việc sử dụng nó như là mộttrong số các phương pháp dò khuyết tật, nghĩa là, các phương tiện xác nhận sự tồn tại củacác khuyết tật trong kim loại Theo quan điểm về độ bền, không phải chính sự có mặthoặc kích thước nào đó của khuyết tật, mà là khả năng phát triển khuyết tật dưới tác độngcủa những tải trọng cơ-nhiệt khi vận hành, mới thể hiện sự nguy hiểm Do vậy, quanđiểm áp dụng phương pháp АЭ chính là ở việc lý giải thông tin АЭ nhận được từ quanđiểm cơ học phá huỷ Ngày nay đã nghiên cứu và đưa ra phương pháp đánh giá cáckhuyết tật được phát hiện theo mức độ nguy hiểm của chúng đối với khả năng hoạt độngcủa kết cấu

Kiểm tra chẩn đoán kim loại của vòng sơ cấp ở những ЯЭУ đang hoạt động

Việc kiểm tra định kỳ và liên tục kim loại của thiết bị ЯЭУ là vấn đề phức hợp và là cóthể, khi bảo đảm tiếp cận được các bề mặt kiểm tra của thiết bị, khi tự động hoá cácphương pháp quét trong vùng bề mặt được nghiên cứu và khi lựa chọn được nhữngphương tiện kiểm tra cần thiết.

Phông bức xạ ion hoá cao trong vùng vỏ lò phản ứng hạt nhân loại trừ khả năng sử dụngcác phương pháp kiểm tra không phá huỷ, vốn yêu cầu sự tham gia trực tiếp của nhânviên vận hành trong vùng kiểm tra Các phương pháp dò khuyết tật hiện nay đang có,thuận tiện để kiểm tra vỏ lò phản ứng trong quá trình vận hành, chung quy là kiểm trabằng mắt từ xa nhờ các đường cáp quang liên kết thị tần, các hệ thống kiểm tra bằng siêu

âm và các dụng cụ có sử dụng các nguồn bức xạ ion hoá điều khiển từ xa

Đã nghiên cứu và áp dụng hệ thống kiểm tra trạng thái kim loại (kim loại nền và các mốihàn) vỏ lò ВВЭР, bao gồm các thiết bị siêu âm và truyền hình Việc kiểm tra được tiếnhành từ phía mặt ngoài vỏ lò phản ứng Trong vùng không gian dưới lò đã xây dựng sàn

đỡ kèm theo thanh thẳng đứng, chịu tải trọng của thiết bị quét có các cảm biến siêu âmhoặc máy quay truyền hình Nhờ dịch chuyển sàn đỡ dọc khe hở hình tròn giữa vỏ lòphản ứng và vùng bảo vệ sinh học và nhờ chuyển dịch thẳng đứng, dọc thanh của thiết bịquét, việc kiểm tra toàn bộ bề mặt lò phản ứng được bảo đảm (hình 3.3) Máy tính điện tử

sẽ điều khiển và ghi kết quả kiểm tra Song song với việc kiểm tra mặt ngoài, có tínhtrước việc kiểm tra bên trong vỏ lò phản ứng (hình 3.4, 3.5)

Để khảo sát và sửa chữa các lò phản ứng ВВЭР, đã nghiên cứu và áp dụng contenơ bảo

vệ cho phép tiến hành khám xét và sửa chữa bề mặt lò phản ứng hạt nhân dạng có vỏtrong các điều kiện phóng xạ cao, bảo đảm cho nhân viên lưu lại lâu trong lòng lò phảnứng, giảm thời gian khám xét mặt trong của lò phản ứng

Những cơ cấu đặc biệt giúp dịch chuyển contenơ lên trên và xuống dưới và quay chúngquanh trục đứng

Hình 3.3 Phân hệ để kiểm tra bên ngoài vỏ

lò phản ứng:

1 – các dụng cụ kiểm tra; 2 – thanh viễn

kính; 3 – bảo vệ quay; 4 – sàn đỡ quay

Hình 3.4 Phân hệ để kiểm tra bên trong vỏ

lò phản ứng:

1 – máy quay TV; 2 – thanh viễn kính;

3 – tấm đỡ; 4 – cơ cấu dịch chuyển thanh;

5 – thiết bị điều khiển; 6 – màn hình TV

Hình 3.5 Phân hệ để kiểm tra vùng các ống nối:

a – thiết bị ДКР-1; b – cơ cấu đầu dò vào; 1 – đầu dò vào; 2 – ống nối; 3 – bàn điều khiển; 4 –

thanh; 5 – sàn đỡ quay; 6 – khoan lỗ giếng lò; 7 – tấm phản xạ; 8 – đèn chiếu sáng; 9 – lăng kính; 10 – các cửa sổ; 11 – hệ thống thấu kính; 12 – ống dẫn ánh sáng

Chương 4

CÁC QUÁ TRÌNH KHẨN CẤP TRONG LÒ PHẢN ỨNG

4.1 NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG

Thuật ngữ quá trình chuyển tiếp khẩn cấp được sử dụng cho trạng thái lò phản ứng khi cósai lệch đáng kể của một thông số cơ bản nào đó so với các giá trị bình thường Có thểcoi cả các tình huống dẫn đến sai phạm cân bằng giữa toả nhiệt trong nhiên liệu và dẫnthoát nhiệt khỏi nhiên liệu là các quá trình chuyển tiếp khẩn cấp

Các quá trình chuyển tiếp khẩn cấp xuất hiện do sai lầm của nhân viên vận hành hoặc dohỏng hóc thiết bị Nhiều quá trình chuyển tiếp khẩn cấp được khắc phục nhờ hệ thốngđiều khiển lò phản ứng, hệ thống này đưa lò phản ứng trở về trạng thái vận hành bìnhthường Các quá trình khác có thể nằm ngoài phạm vi tác động của hệ thống điều khiển,

và khi đó cần phải dừng lò nhờ hệ thống bảo vệ sự cố để tránh hư hại các thanh nhiên liệuhoặc hệ thống vòng sơ cấp

Khi phân tích an toàn cần đặc biệt chú ý đến hiện tượng gia tăng công suất không điềukhiển được trong vùng hoạt lò phản ứng (sinh nhiệt), suy giảm lưu lượng chất tải nhiệt(dẫn thoát nhiệt) và tăng áp suất trong hệ thống vòng sơ cấp Bất kỳ tình huống nào trong

số đó cũng có thể là do hỏng hóc thiết bị hoặc sai lầm của nhân viên, và tất cả đều lànhững mối nguy hiểm tiềm ẩn đối với vùng hoạt lò phản ứng và hệ thống vòng sơ cấp.Riêng đối với các sự cố mất chất tải nhiệt, nghĩa là trong trường hợp đã có sai phạm trong

hệ thống vòng sơ cấp, thì nhiệm vụ chủ yếu vẫn là bảo đảm dẫn thoát nhiệt trong các điềukiện mất chất tải nhiệt tạm thời, sao cho giữ được hoặc chí ít cũng chỉ làm hỏng thanhnhiên liệu ít nhất, và như vậy, bảo đảm kiểm soát được phần lớn các sản phẩm phóng xạ

đã sinh ra trong vùng hoạt

Trong chương này sẽ nghiên cứu các quá trình kiểm soát được, nghĩa là các quá trìnhdiễn ra trong các điều kiện tác động của các tính chất tự hạn chế và tự điều chỉnh nội tại,

và tác động của các hệ thống bảo vệ

Khi phân tích các quá trình khẩn cấp, khi đặt ra các yêu cầu đối với các hệ thống bảo vệ

và xác định các mức đặt khởi động, cần phải có các số liệu về giá trị được phép của cácthông số đặc trưng cho tình trạng của các bộ phận trong vùng hoạt và của thiết bị thuộccác hệ thống các vòng trao đổi nhiệt ЯЭУ, trước hết là các hệ thống của vòng sơ cấp Đốivới các thanh nhiên liệu – đó là nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ vỏ bọc, dự trữ trước khủnghoảng trao đổi nhiệt, nhiệt độ của các quá trình hoá lý, dòng nhiệt Đối với vòng tuầnhoàn – đó là áp suất, nhiệt độ, dự trữ trước phá huỷ ròn, sụt giảm áp suất,…Giá trị giớihạn cho phép của các thông số được xác định trên cơ sở các số liệu thực nghiệm về độngthái của các vật liệu, các bộ phận, thiết bị và các hệ thống

4.2 CÁC BIẾN CỐ KHỞI NGUỒN CỦA CÁC QUÁ TRÌNH KHẨN CẤP

Việc xem xét các biến cố khởi nguồn cần:

1) tính đến các trạng thái có thể có của ЯЭУ trong quá trình vận hành;

2) phân tích những sai phạm có thể có về mặt kỹ thuật khi ЯЭУ hoạt động, trong đó

có các sai phạm do sai lầm của nhân viên;

3) nghiên cứu các hỏng hóc thiết bị và các hệ thống, độc lập với các biến cố khởinguồn;

4) tần suất xuất hiện các biến cố khởi nguồn

Khi xem xét các trạng thái có thể có của ЯЭУ cần tách riêng: việc đưa cụm thiết bị vàohoạt động; hoạt động phát công suất; ngừng hoạt động; tiến hành thay đảo nhiên liệu, bảodưỡng kỹ thuật, kiểm tra khả năng hoạt động và sửa chữa thiết bị

Các trạng thái nói trên có thể được chi tiết hoá để tìm ra các điểm đặc biệt trong việc giảiquyết các vấn đề an toàn Ví dụ, khi phát công suất có thể tách riêng:

1) các thời điểm của thời hạn sử dụng vùng hoạt, bởi vì phụ thuộc vào điều đó là cáchiệu ứng độ phản ứng của vùng hoạt, độ hiệu dụng của các bộ phận công tác thuộc

hệ thống điều khiển và bảo vệ (СУЗ), độ cháy của nhiên liệu;

2) các mức công suất đặc trưng, mà ở các mức đó lò phản ứng hoạt động, bởi vì côngsuất toả nhiệt dư và tương ứng với nó là độ hiệu dụng của các hệ thống dẫn thoátnhiệt khẩn cấp phụ thuộc vào mức công suất ban đầu Đặc tính diễn biến của các

sự cố khi không cố ý đưa độ phản ứng vào (ví dụ, rút các bộ phận công tác СУЗra) có thể rất khác nhau, tuỳ thuộc vào mức công suất ban đầu (và là do vị trí củacác bộ phận công tác)

Dưới đây đưa ra danh mục các biến cố khởi nguồn tiêu biểu cho lò phản ứng dạng ВВЭР

Tên gọi các biến cố khởi nguồn Các nguyên nhân xuất hiện Các sự cố kèm theo thay đổi độ phản ứng

Rút không cố ý nhóm các bộ phận công

tác ra khỏi vùng hoạt trong các trạng thái

khác nhau của lò phản ứng (khởi động,

hoạt động phát công suất)

Tự rút bộ phận công tác ra

Rơi bộ phận công tác

Các sai lầm của nhân viên vận hành; việc

tự rút các bộ phận công tác ra do hỏnghóc thiết bị

Vỡ thùng chứa dẫn động СУЗ