năng lượng hạt nhân và an toàn điện hạt nhân

Theo IAEA, nguyên nhân chính của sự sụt giảm này là do một trận động đất xảy ra vào ngày 16 tháng 7 năm 2007 ở phía tây Nhật Bản, làm cho nước này ngưng tất cả 7 lò phản ứng của nhà máy

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐIỆN TỬ - VIỄN THÔNG

TIỂU LUẬN AN TOÀN ĐIỆN TRONG Y TẾ

ĐỀ TÀI: NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN VÀ AN TOÀN ĐIỆN

HẠT NHÂN

GVHD: ThS Phạm Mạnh Hùng

SVTH: Lều Thị Thuỳ

MSSV: 2012 2530

Lớp: KT ĐT – TT 04

Khoá: K57

Hà Nội, 12/2015

M C L C ỤC LỤC ỤC LỤC

I NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN 3

1 Khái niệm 3

2 Sử dụng 3

3 Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng hạt nhân 4

4 Lò phản ứng hạt nhân 5

II BẢO VỆ AN TOÀN HẠT NHÂN THEO CHIỀU SÂU 8

1 Nguyên tắc bảo vệ an toàn hạt nhân theo chiều sâu, các barie (rào chắn) và hệ thống an toàn 8

1.1 Nguyên tắc bảo vệ an toàn hạt nhân theo chiều sâu 8

1.2 Các barie (rào chắn) an toàn 9

2 Các biện pháp ngăn ngừa sự xuất hiện các sự kiện bất thường 12

3 Các biện pháp ngăn ngừa sự cố nhà máy điện hạt nhân 14

3.1 Lựa chọn địa điểm 14

3.2 Một vài đặc trưng an toàn nội tại 15

4 Các biện pháp hạn chế hậu quả sự cố hạt nhân 16

4.1 Các hệ thống làm nguội vùng hoạt 16

4.2 Hệ thống giam giữ chất phóng xạ 16

5 Loại trừ ảnh hưởng hậu quả của sự cố hạt nhân 17

5.1 Biện pháp lựa chọn địa điểm 17

5.2 Kế hoạch khắc phục sự cố 18

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay, năng lượng hạt nhân đã trở thành một nguồn năng lượng quan trọng của nhân loại So với các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt, điện hạt nhân có ưu thế hạn chế gây ô nhiễm khí quyển và hiệu ứng nhà kính dẫn đến biến đổi khí hậu toàn cầu Vì vậy, điện hạt nhân đã được quan tâm phát triển và trở thành bộ phận cấu thành quan trọng của ngành công nghiệp điện lực ở nhiều quốc gia Điện hạt nhân đã góp phần giải quyết nhu cầu năng lượng đối với phát triển kinh tế-xã hội, đảm bảo anh ninh năng lượng, thực hiện đa dạng hóa nguồn năng lượng và bảo vệ môi trường

Song song với nguồn lợi to lớn do điện hạt nhân đem lại là nguy cơ xảy ra một loạt các vấn đề sự cố hạ nhân hết sức nguy hiểm Tai nạn hạt nhân có ảnh hưởng nghiêm trọng đối với sức khoẻ con người, sinh vật cũng như ảnh hưởng tiêu cực đến môi tường xung quanh Ở cấp độ thấp hơn, tại nạn hạt nhân gây ra thiệt hại lớn đối với kinh tế xã hội của đất nước Vì vậy vấn đề an toàn điện hạt nhân là vấn

đề rất quan trọng, cần thiết và cấp bách luôn luôn được đặt lên hàng đầu để đánh giá

và nghiên cứu

Bài tiểu luộn giúp em có thêm hiểu biết về “Năng lượng điện hạt nhân và

vấn đề an toàn điện hạt nhân” Bài viết của em không tránh khỏi còn nhiều thiếu

sót, mong được thầy góp ý để bài tiểu luận hoàn thiện hơn

I NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN

1 Khái niệm

Năng lượng hạt nhân hay nguyên tử nănglà một loại công nghệ hạt

nhân được thiết kế để tách năng lượng hữu ích từ hạt nhân nguyên tử thông qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát Phương pháp duy nhất được sử dụng hiện nay là phân hạch hạt nhân, mặc dù các phương pháp khác có thể bao gồm tổng hợp hạt nhân và phân rã phóng xạ Tất cả các lò phản ứng với nhiều kích thước và mục đích sử dụng khác nhauđều dùng nước được nung nóng để tạo ra hơi nước và sau

đó được chuyển thành cơ năng để phát điện hoặc tạo lực đẩy Năm 2007, 14% lượng điện trên thế giới được sản xuất từ năng lượng hạt nhân Có hơn 150 tàu chạy bằng năng lượng hạt nhân và một vài tên lửa đồng vị phóng xạ đã được sản xuất

Hình 1: Sơ đồ phản ứng phân hạch

2 Sử dụng

Đến năm 2005, năng lượng hạt nhân cung cấp 2,1% nhu cầu năng lượng của thế giới và chiếm khoảng 15% sản lượng điện thế giới, trong khi đó chỉ tính

riêng Hoa Kỳ, Pháp, và Nhật Bản sản lượng điện từ hạt nhân chiếm 56,5% tổng nhu cầu điện của ba nước này Đến năm 2007, theo báo cáo của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) có 439 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động trên thế giới, thuộc 31 quốc gia

Năm 2007, sản lượng điện hạt nhân trên thế giới giảm xuống còn 14% Theo IAEA, nguyên nhân chính của sự sụt giảm này là do một trận động đất xảy ra vào ngày 16 tháng 7 năm 2007 ở phía tây Nhật Bản, làm cho nước này ngưng tất cả

7 lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân Kashiwazaki-Kariwa Một vài nguyên nhân khác như "ngưng hoạt động bất thường" do thiếu nhiên liệu đã xảy ra ở Hàn

Quốc và Đức Thêm vào đó là sự gia tăng hệ số tải của các lò phản ứng để đáp ứng nhu cầu sử dụng chỉ diễn ra trong một thời gian ngắn (cao điểm)

Hoa Kỳ sản xuất nhiều năng lượng hạt nhân nhất cung cấp 19%lượng điện tiêu thụ, trong khi đó tỷ lệ điện hạt nhân của Pháp là cao nhất trong sản lượng điện của nước này đạt 78% vào năm 2006 Trong toàn Liên minh châu Âu, năng lượng hạt nhân cung cấp 30% nhu cầu điện Chính sách năng lượng hạt nhân có sự khác biệt giữa các quốc gia thuộc Liên minh châu Âu, và một vài quốc gia khác

như Úc, Estonia, và Ireland, không có các trạm năng lượng hạt nhân hoạt động Khi

so sánh với các quốc gia khác thì Pháp có nhiều nhà máy điện hạt nhân, tổng cộng

là 16 tổ hợp đang sử dụng

Ở Hoa Kỳ, doanh thu của ngành điện hạt nhân là 33 tỷ đô la Mỹ, tăng trưởng trung bình giai đoạn 2007-2012 là 2,7%/năm

Bên cạnh đó, một số tàu quân sự và dân dụng (như tàu phá băng) sử

dụng động cơ đẩy hạt nhân biển, một dạng của động cơ đẩy hạt nhân Một vài động

cơ đẩy không gian được phóng lên sử dụng các lò phản ứng hạt nhân có đầy đủ chức năng: loạt tên lửa của Liên Xô RORSAT và SNAP-10A của Hoa Kỳ

Trên phạm vi toàn cầu, việc hợp tác nghiên cứu quốc tế đang tiếp tục triển khai để nâng cao độ an toàn của việc sản xuất và sử dụng năng lượng hạt nhân như các nhà máy an toàn bị động, sử dụng phản ứng tổng hợp hạt nhân, và sử dụng nhiệt của quá trình như trong sản xuất hydro để lọc nước biển, và trong hệ thống sưởi khu vực

3 Ưu điểm và nhược điểm của năng lượng hạt nhân

a) Ưu điểm

 Thải ra rất ít hoặc không có khí nhà kính

 Không sử dụng nguồn nguyên liệu quý giá như hidrocacbon Lượng Uranium-235 được dùng chiếm một tỷ lệ rất nhỏ 3%/viên nhiên liệu

 Không gây ô nhiễm môi trường bởi hạt bụi mịn

 Cung cấp năng lượng hiệu quả (cùng một thể tích nhiên liệu, phản ứng hạt nhân sinh năng lượng lớn gấp nhiều lần so với dầu mỏ và khí đốt)

 Chi phí chấp nhận được khi áp dụng quy trình sản xuất đã được tiêu chuẩn hóa

 Ít chất thải

 Thế hệ lò phản ứng mới giúp tái tạo nguồn nguyên liệu đó là lò phản ứng tái sinh - sử dụng Urani-238 (chiếm 99,3% Uurani tự nhiên)

Hình 2: So sánh năng lượng hạt nhân với các nguồn nhiên liệu khác

Hội năng lượng hạt nhân Mỹ đã so sánh năng lượng hạt nhân với các loại năng lượng khác (như trong hình): Một viên nhiên liệu Uranium-235 cung cấp năng lượng tương đương 3 thùng dầu hỏa (42 gallon/thùng), gần bằng 1 tấn than, hoặc 17.000 cubic feet (476.000 lít) khí thiên nhiên

b) Nhược điểm

 Vấn đề an toàn và mối lo ngại của cộng đồng về chất thải phóng xạ

 Dễ xảy ra tai nạn trong sản xuất

 Tốn kém chi phí để xây dựng nhà máy hạt nhân

 Quá trình khai quật và tinh chế Uranium gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng tới sức khỏe vì những chất thải độc hại của nó

 Vấn đề vận chuyển và xử lý chất thải hạt nhân cần được đầu tư nhiều

 Tuổi thọ lò phản ứng trung bình 60 năm

4 Lò phản ứng hạt nhân

Ngày nay trên thế giới có khoảng 17% năng lượng điện được cung cấp bởi các nhà máy hạt nhân Đặc biệt là ở Pháp, hơn 75% điện năng lấy từ năng lượng hạt nhân Nguyên liệu phản ứng được nạp vào lò hạt nhân dưới hình thức những viên nhiên liệu tròn Mỗi viên nhiên liệu chứa khoảng 3% U-235

Hình 3: Viên nhiên liệu chứa 3% U-235/viên.

Các viên này được cho vào thanh nhiên liệu lắp đặt xen kẽ với bộ bộ đều hòa nơtron Nhà máy hạt nhân Comanche dùng khoảng 13 triệu viên nhiên liệu cho mỗi đợt phản ứng và để tối ưu hóa quá trình, cứ mỗi 12-18 tháng, khoảng 1/3 tới 3/4 nhiên liệu được thay mới

Toàn bộ hệ thống được dìm ngập trong nước để giải nhiệt trong suốt quá trình phản ứng Các lò phản ứng hạt nhân hầu hết có các hệ thống vận hành bằng tay và tự động để tắt phản ứng phân hạch khi phát hiện các điều kiện không an toàn

Lò phản ứng được bao quanh bởi lớp vỏ kép gồm lớp vỏ ngăn phóng xạ và lớp vỏ bảo vệ ngoài cùng Lớp vỏ kép này làm việc hiệu quả để ngăn chặn phóng xạ rò rỉ

và tác động va chạm từ bên ngoài

Hình 4: Lò phản ứng hạt nhân Tất cả các lò phản ứng tuy có kích thước và mục đích sử dụng khác nhau nhưng đều dùng nước được nung nóng bằng năng lượng của phản ứng phân hạch để tạo ra hơi nước, và sau đó được chuyển thành cơ năng để phát điện hoặc tạo lực đẩy

Hai loại hệ thống lò thông dụng hiện nay là lò phản ứng điều áp (Pressurized Water Reactor) và lò phản ứng hơi nước (Boiling Water Reactor) Trong lò điều áp, nước được làm nóng bằng năng lượng hạt nhân và được điều chỉnh áp suất, vì vậy nước không sôi Nước nóng này sẽ làm nóng nước trong máy phát điện hơi nước bên cạnh Trong hệ thống lò phản ứng hơi nước, nước được làm sôi từ năng lượng

của phản ứng phân hạch hạt nhân Nước sôi này làm chạy tuabin Tuabin tiếp tục kích hoạt máy phát điện Trong cả hai hệ thống, nước được tái sử dụng

Hình 5: Lò phản ứng điều áp

Hình 6: Lò phản ứng hơi nước

II BẢO VỆ AN TOÀN HẠT NHÂN THEO CHIỀU SÂU

1 Nguyên tắc bảo vệ an toàn hạt nhân theo chiều sâu, các barie (rào chắn) và hệ thống an toàn

1.1 Nguyên tắc bảo vệ an toàn hạt nhân theo chiều sâu

Bảo vệ an toàn hạt nhân theo chiều sâu bao gồm việc triển khai có thứ tự với các mức độ khác nhau đối với thiết bị máy móc và các thủ tục để duy trì hiệu quả của các barie vật lý ngăn cách giữa các vật liệu phóng xạ và nhân viên làm việc, dân

cư hay môi trường trong khi vận hành bình thường hoặc khi có các sự cố hạt nhân đối với một vài barie cho phép Để hạn chế hậu quả của sự cố hạt nhân, bảo vệ theo chiều sâu được thực hiện với nhiều mức che chắn nhằm bảo đảm 3 chức năng cơ bản của hệ thống an toàn: điều khiển công suất, làm mát vùng hoạt và giam giữ phóng xạ Điều quan trọng hơn cả là phải ngăn ngừa sự cố, đặc biệt là sự cố có thể làm thoát phóng xạ ra môi trường

Ngăn ngừa sự cố được thực hiện trên ba phương diện: thứ nhất, đảm bảo chất lượng trong các giai đoạn như lựa chọn địa điểm, thiết kế, chế tạo và xây dựng; thứ hai, các hệ thống an toàn (hệ điều khiển, hệ chỉ thị số, ) phải hoạt động chính xác

để điều chỉnh mọi sai lệch về trạng thái bình thường; thứ ba, các nhân viên vận hành được đào tạo tới trình độ có thể chuẩn đoán các nguy cơ sự cố và sử dụng các biện pháp cần thiết để dập tắt các nguy cơ đó Hơn nữa, các hệ thống an toàn của nhà máy điện hạt nhân được thiết kế theo những nguyên tắc nhất định nhằm giảm bớt việc hỏng hóc của thiết bị máy móc vì những nguyên nhân chung Các nguyên tắc

đó là:

 Nguyên tắc dự phòng: Trang bị số lượng dư thừa các hệ thống an toàn thực hiện cùng một chức năng

 Nguyên tắc độc lập: Sự thực hiện chức năng của một hệ thống không phụ thuộc vào hoạt động của các hệ thống khác

 Nguyên tắc tách rời: Sự phân chia vật lý của các hệ thống thực hiện cùng một chức năng bằng barie (rào) ngăn cách hoặc phân bố các hệ thống đó xa

 Nguyên tắc khác biệt: Các hệ thống hoặc thiết bị máy móc có cấu trúc

và nguyên tắc làm việc khác nhau nhưng cùng có chung một nhiệm vụ

Khi nói đến bảo vệ an toàn hạt nhân tức là nói đến các biện pháp bảo vệ an toàn nhà máy điện hạt nhân trong các trường hợp thiết bị hoạt động bình thường và không bình thường Trong trường hợp thiết bị hoạt động bình thường, an toàn hạt nhân dược thực hiện trên nguyên lý “tốt nhất có thể được” Trong trường hợp thiết

bị hoạt động không bình thường, an toàn hạt nhân được thực hiện trên nguyên lý

“bảo vệ theo chiều sâu” theo 4 mức như sau:

 Ngăn ngừa sự xuất hiện của các sự kiện bất thường

 Ngăn ngừa sự phát triển của các sự khiện bất thường thành sự cố

 Hạn chế hậu quả của sự cố hạt nhân

 Loại trừ hậu quả của sự cố hạt nhân đối với môi trường

Hình 7: Sơ đồ bảo vệ an toàn bức xạ theo chiều sâu 1.2 Các barie (rào chắn) an toàn

Yêu cầu quan trọng nhất của nguyên lý bảo vệ an toàn hạt nhân theo chiều sâu là thiết lập các barie an toàn (các rào chắn) Một số các rào chắn kế tiếp nhau để giam giữ các vật liệu phóng xạ được thiết kế cho lò phản ứng hạt nhân Thiết kế các rào chắn này có thể thay đổi tùy thuộc vào tác dụng của vật liệu và vào sự sai lệch

có thể khỏi trạng thái vận hành bình thường mà sự sai lệch đó có khả năng dẫn đến

sự hỏng hóc của một số rào chắn Đối với lò sử dụng nước làm chậm, có 3 rào chắn như theo sơ đồ sau:

Hình 8: Sơ đồ các rào chắn trong bảo vệ an toàn theo chiều sâu.

1.3 Các hệ thống an toàn Khái niệm chung về các hệ thống an toàn:

Sự đảm bảo an toàn nhà máy điện hạt nhân khi có triệu chứng sinh ra sự cố được thực hiện bằng cách trang bị cho nhà máy các hệ thống đặc biệt có tác dụng

dự báo, ngăn ngừa và hạn chế hậu quả sự cố Các hệ thống có tính năng như vậy được gọi là chung là hệ thống an toàn

Hệ thống an toàn có nhiệm vụ chính như: dừng lò an toàn, tải nhiệt dư và hạn chế sự thải phóng xạ ra môi trường Các hệ thống an toàn hoạt động theo nguyên tắc chủ động (active) và thụ động (passive):

- Nguyên tắc chủ động trong hoạt động của hệ thống hay thiết bị là nguyên tắc mà ở đó để thực hiện một chức năng đã dự định cần phải đảm bảo một vài điều kiện nào đó như: ra lệnh bật hay cung cấp năng lượng, Các hệ thống và thiết bị hoạt động tuân theo nguyên tắc chủ động được gọi là các hệ thống và thiết bị chủ động

- Nguyên tắc thụ động trong hoạt động của hệ thống hay thiết bị là nguyên tắc mà theo đó để thực hiện chức năng cho trước không cần đến sự làm việc của các hệ thống và thiết bị khác

Các hệ thống thụ động hoạt động dưới ảnh hưởng của các tác động trực tiếp

từ hiện tượng ban đầu Hệ thống an toàn được chia ra thành các nhóm chính như: bảo vệ, cô lập, điều khiển, và đảm bảo:

- Hệ thống bảo vệ ngăn ngừa hoặc hạn chế gây ra hư hại nhiên liệu hạt nhân,

vỏ thanh nhiên liệu và hệ thống vòng 1 Hệ thống bảo vệ cơ bản là hệ thống dừng lò khẩn cấp và hệ thống tải nhiệt khẩn cấp khi có sự cố (hay người ta thường gọi là hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp (ECCS) khi có sự cố

- Hệ thống cô lập có công dụng để ngăn ngừa hoặc hạn chế sự thoát các chất phóng xạ ra bên trong và bên ngoài nhà máy khi sự cố xảy ra (hệ làm giảm

áp suất và nhà bảo vệ lò phản ứng)

- Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ đưa các hệ thống an toàn vào hoạt động; kiểm soát và điều khiển các hệ thống đó trong việc thực hiện chức năng đã quy định

- Hệ thống đảm bảo cung cấp năng lượng, môi trường làm việc cho các hệ thống an toàn và tạo điều kiện cho việc thực hiện chức năng của các hệ thống

an toàn

Tất cả các hệ thống và thiết bị an toàn phải thỏa mãn yêu cầu cao về chất lượng tương ứng với các quy định và tiêu chuẩn thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành thiết bị hạt nhân Các hệ thống an toàn phải thực hiện đầy đủ chức năng của mình trong các điều kiện cơ học, hóa học, nhiệt học nảy sinh trong điều kiện sự cố Các hệ thống an toàn cần phải được đưa vào hoạt động một cách tự động khi có triệu chứng phát sinh sự cố Các hệ thống và thiết bị an toàn cần phải được kiểm tra trực tiếp và đầy đủ so với các đặc tính thiết kế ngay sau khi được đưa vào vận hành, sửa chữa, lắp đặt và cải tạo; đồng thời cũng phải được kiểm tra định kỳ trong toàn

bộ thời gian vận hành

Cần phải thiết lập các thiết bị và phương pháp để:

- Kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị và hệ thống, kể cả các thiết bị nằm trong thùng lò phản ứng, và thay thế các thiết bị quá thời hạn sử dụng