Nghiên cứu và tính toán diễn biến sự cố trong thùng lò nước sôi

Tuy nhiên vẫn còn nhiều hiện tượng diễn ra bên trong thùng lò phản ứng cho đến nay khoa học vẫn chưa giải thích và được hiểu một cách đầy đủ, có thể kể đến ở đây như việc hình thành bể v

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

ĐOÀN MẠNH LONG

NGHIÊN CỨU VÀ TÍNH TOÁN DIỄN BIẾN SỰ CỐ NẶNG TRONG

THÙNG LÒ NƯỚC SÔI

Chuyên ngành: Kỹ thuật hạt nhân

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT HẠT NHÂN

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS TRẦN CHÍ THÀNH

Hà Nội – Năm 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan:

1 Bản luận văn này là sản phẩm nghiên cứu của tôi

2 Thông tin trong luận văn đƣợc trích dẫn trung thực

3 Tôi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình

Học viên

Đoàn Mạnh Long

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 6

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU 7

CÁC KÝ TỰ DƯỚI VÀ TRÊN DÒNG 8

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 10

LỜI MỞ ĐẦU 12

LỜI CẢM ƠN 14

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 15

1.1 Vấn đề an toàn điện hạt nhân và mục tiêu nghiên cứu 15

1.2 Nội dung của luận văn 17

1.3 Bố cục của luận văn 18

CHƯƠNG 2: DIỄN BIẾN CƠ BẢN CỦA SỰ CỐ NẶNG 20

2.1 Khái niệm sự cố nặng 20

2.2 Quá trình diễn biến sự cố nặng 22

2.2.1 Diễn biến sự cố nặng bên trong thùng lò phản ứng 22

2.2.1.1 Quá trình ôxi hóa Zircaloy, thép và B4C 26

2.2.1.2 Quá trình nóng chảy Zircaloy và hòa tan viên nhiên liệu 26

2.2.1.3 Quá trình hình thành bể nhiên vật liệu nóng chảy trong vùng hoạt……… 28

2.2.1.4 Quá trình hình thành bể nhiên vật liệu nóng chảy ở khu vực đáy lò……….29

2.2.2 Diễn biến sự cố xảy ra bên ngoài thùng lò phản ứng 35

2.2.2.1 Hiện tượng đốt nóng tòa nhà lò trực tiếp 36

2.2.2.2 Hiện tượng cháy nổ H2 37

2.2.2.3 Tương tác giữa nhiên vật liệu nóng chảy với bê-tông ở hầm lò 39

CHƯƠNG 3: MỘT SỐ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG DIỄN BIẾN SỰ CỐ NẶNG TRONG MELCOR 41

3.1 Giới thiệu về chương trình MELCOR 41

3.1.1 Giới thiệu 41

3.1.2 Cách thức phát triển vấn đề trong MELCOR 42

3.2 Mô hình nút hóa vùng hoạt và khu vực lưu thông dưới đáy lò 44

3.3 Mô hình ôxi hóa 47

3.3.1 Mô hình ôxi hóa Zircaloy và thép 47

3.3.2 Mô hình ôxi hóa B4C 49

3.4 Mô hình chảy nến 50

3.5 Mô hình các cấu trúc chống đỡ và sự sai hỏng 53

3.5.1 Mô hình “PLATEB” 53

3.5.2 Mô hình “COLLUMN” 54

3.5.3 Các mô hình sai hỏng của cấu trúc chống đỡ 55

3.6 Mô hình trao đổi nhiệt và hỏng vỏ đáy thùng lò 56

3.6.1 Mô hình trao đổi nhiệt ở đáy thùng lò 58

3.6.2 Mô hình hỏng đáy thùng lò 61

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG DIỄN BIẾN SỰ CỐ BÊN TRONG THÙNG LÒ FUKUSHIMA SỐ 1 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MELCOR 63

4.1 Giới thiệu về nhà máy điện hạt nhân Fukushima số 1 63

4.2 Áp dụng mô hình nút hóa trong MELCOR cho nhà máy 65

4.2.1 Sơ đồ nút hóa vùng hoạt 65

4.2.2 Sơ đồ nút hóa thể tích không gian bên trong lò phản ứng 68

4.2.3 Sơ đồ nút hóa không gian bên trong tòa nhà sơ cấp 69

4.2.4 Mô hình các cấu trúc nhiệt 73

4.2.5 Mô hình hệ thống van xả an toàn và mô hình hỏng đáy thùng lò 74

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ THẢO LUẬN 76

5.1 Các kịch bản được mô phỏng 76

5.2 Kết quả và thảo luận 76

5.2.1 Kịch bản 1 76

5.2.2 Kịch bản 2 89

5.2.3 Kịch bản 3 92

KẾT LUẬN 101

ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU TRONG TƯƠNG LAI 103

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

MELCOR Methods for Estimation Leakage

and Consequences of Release

Các phương pháp cho việc ước tính sự rò rỉ và các hậu quả của quá trình phát thải phóng xạ

PWR Pressurized Water Reactor Lò nước áp lực

SS Supporting Structure component Thành phần cấu trúc chống

OS Other System component Thành phần cấu trúc khác

PD Particulate Debris component in

the channel

Thành phần mảnh vụn dạng hạt nằm trong kênh dẫn nước của bó nhiên liệu

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU

Cp nhiệt dung riêng đẳng áp, J/(kg.K)

lực nén trên một đơn vị diện tích, N/m2

h hệ số trao đổi nhiệt, W/(m2.K)

kc hệ số truyền khối lƣợng, [mol/(s.m2)]/[mol/m3] hay m/s

n số mol chất ôxi hóa tham gia phản ứng trên 1 mol kim loại, mol

M khối lƣợng mol phân tử của nhiên vật liệu nóng chảy, kg

MW khối lƣợng mol phân tử của kim loại bị ôxi hóa, kg

q tốc độ trao đổi nhiệt, J/s

Qox năng lƣợng sinh ra từ phản ứng ôxi hóa, J/kg

W khối lƣợng kim loại bị ôxi hóa trên một đơn vị diện tích, kg/m2

khối lƣợng vật liệu đông đặc, kg

lực tác dụng vào cấu trúc chống đỡ, N

tham số độ dão

tham số mật độ, kg/m3

DANH MỤC CÁC KÝ TỰ DƯỚI VÀ TRÊN DÒNG

ATM không khí (atmosphere)

m1 lớp vật liệu nóng chảy 1 (đối với bể phân lớp)

m2 lớp vật liệu nóng chảy 2 (đối với bể phân lớp)

p chất tạo thành sau phản ứng (product)

SAT bão hòa (saturated)

ôxi hóa (oxidation)

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1: Nguyên nhân ban đầu của 3 sự cố hạt nhân điển hình 20

Bảng 2.2: Kết hợp các kiểu di chuyển của nhiên vật liệu xuống đáy lò và các trạng thái ở khu vực đáy lò 30

Bảng 4.1: Khối lƣợng của các thành phần vật liệu trong lò phản ứng 64

Bảng 4.2: Các thông số cho 5 vòng 66

Bảng 4.3: Các thông số độ cao và chiều cao cho 11 bậc 66

Bảng 4.4: Các thông tin và điều kiện ban đầu cho các thể tích bên trong lò phản ứng 69

Bảng 4.5: Các thông số cho các thể tích trong tòa nhà sơ cấp và tòa nhà lò 72

Bảng 4.6: Các đặc tính của các van an toàn 75

Bảng 5: So sánh thời điểm diễn ra sự kiện chính với tài liệu tham khảo 87

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 2.1: Quá trình tương tác hóa học khi sự cố nặng xảy ra 23

Hình 2.2: Cấu hình loại SIC 24

Hình 2.3: Cấu hình loại B4C 24

Hình 2.4: Hiện tượng đứt gãy vỏ nhiên liệu 25

Hình 2.5: Quá trình di chuyển xuống phần đáy lò của hỗn hợp nóng chảy do hỏng lớp vỏ bọc vùng hoạt 28

Hình 2.6: Quá trình dị chuyển xuống khu vực đáy thùng lò của hỗn hợp nhiên vật liệu nóng chảy do hỏng tấm đỡ vùng hoạt 29

Hình 2.7: Các mô hình di chuyển xuống khu vực đáy thùng lò của nhiên vật liệu nóng chảy và các trạng thái có thể của khu vực đáy thùng lò 30

Hình 2.8: Các giai đoạn của quá trình nổ hơi 33

Hình 2.9: Bể nóng chảy đồng nhất ở đáy lò phản ứng 34

Hình 2.10: Bể nóng chảy 2 lớp 35

Hình 2.11: Bể nóng chảy 3 lớp 35

Hình 2.12: Minh họa hỏng đáy lò tại vị trí ống thâm nhập 35

Hình 2.13: Hầm lò có nước khi vật liệu nóng chảy được phóng xuống 36

Hình 2.14: Quá trình phóng vật liệu nóng chảy vào trong tòa nhà lò 37

Hình 2.15: Sơ đồ Shapori cho hỗn hợp hydro – khí – hơi 38

Hình 2.16: Hiện tượng nổ hơi đã phá hủy hoàn toàn nóc tòa nhà lò tại nhà máy Fukushima số 1 và 3 38

Hình 2.17: Cấu hình của bể vật liệu nóng chảy trong hầm lò 39

Hình 3.1: Sơ đồ minh họa quá trình tính toán trong MELCOR 44

Hình 3.2: Sơ đồ nút hóa vùng hoạt và khu vực lưu thông phía dưới vùng hoạt 45

Hình 3.3: Các thành phần cơ bản bên trong 1 cell 46

Hình 3.4: Minh họa quá trình chảy nến của vật liệu nóng chảy 50

Hình 3.5: Minh họa cách chi đoạn và nút cho vỏ đáy thùng lò phản ứng 57

Hình 3.6: Sơ đồ nút hóa một đoạn ở đáy thùng lò 57

Hình 4.1: Các thành phần bên trong lò phản ứng 63

Hình 4.2: Minh họa 4 van xả an toàn từ đường hơi chính xuống giếng ướt 65

Hình 4.3: Sơ đồ nút hóa vùng hoạt và khu vực đáy thùng lò 67

Hình 4.4: Mặt cắt ngang của các vòng đồng tâm 67

Hình 4.5: Minh họa sơ đồ nút hóa phần không gian bên trong lò phản ứng 68

Hình 4.6: Sơ đồ nút hóa không gian bên trong tòa nhà sơ cấp 70

Hình 4.7: Sơ đồ các đường dòng kết nối các thể tích trong tòa nhà sơ cấp 70

Hình 4.8: Sơ đồ nút hóa bên trong tòa nhà lò 71

Hình 4.9: Sơ đồ đường dòng kết nối các thể tích trong tòa nhà lò 71

Hình 5.1: Minh họa tốc độ nhiệt phân rã được sinh ra trong lò phản ứng 77

Hình 5.2: Mực nước ở phần mái vòm vùng hoạt và ở vùng hoạt 78

Hình 5.3: Tổng khối lượng H2 được sinh ra bên trong lò phản ứng 79

Hình 5.4: Tổng lượng nhiệt sinh ra từ quá trình ôxi hóa và từ quá trình phân rã của các hạt nhân 79

Hình 5.5: Khối lượng UO2 ở trong vòng 1 80

Hình 5.6: Nhiệt độ của mảnh vụn tại khu vực đáy lò 81

Hình 5.7: Mực nước ở khu vực đáy lò 82

Hình 5.8: Khối lượng UO2 ở cell 101 tiếp xúc trực tiếp với vỏ đáy thùng lò 83

Hình 5.9: Nhiệt độ của vỏ đáy thùng lò ở các vòng 84

Hình 5.10: Độ dão của vỏ đáy thùng lò ở các vòng 84

Hình 5.11: Áp suất bên trong lò phản ứng 85

Hình 5.12: Độ căng đàn hồi của lớp vỏ đáy lò ở trường hợp giảm áp với lưu lượng hơi 35 kg/s 90

Hình 5.13: Độ căng đàn hồi của lớp vỏ đáy lò ở trường hợp giảm áp với lưu lượng hơi 7 kg/s 91

Hình 5.14: Khối lượng UO2 ở vòng 1 trong trường hợp lưu lượng cấp là 25 kg/s 95

Hình 5.15: Khối lượng H2 sinh ra trong thùng lò ứng với 3 lưu lượng cấp nước 95

Hình 5.16: Nhiệt độ của vỏ đáy thùng lò ứng với trường hợp lưu lượng cấp nước 25 kg/s 96

Hình 5.17: Khối lượng H2 sinh ra bên trong thùng lò ứng với 3 lưu lượng cấp nước 97

Hình 5.18: Nhiệt độ của vỏ đáy thùng lò tại các vòng ứng với lưu lượng cấp nước 25 kg/s 98

Hình 5.19: Khối lượng H2 sinh ra bên trong thùng lò ứng với 3 lưu lượng nước cấp 99

LỜI MỞ ĐẦU

An toàn trong nhà máy điện hạt nhân luôn là vấn đề được quan tâm và bàn luận nhiều nhất trong lĩnh vực điện hạt nhân Trải qua hơn 60 năm kể từ thời điểm nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên trên thế giới chính thức hoạt động (tại thành phố Oninsk-Liên Xô vào ngày 27/6/1954), cho đến nay điện hạt nhân đã đóng một vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện và đảm bảo an ninh năng lượng cho thế giới Tuy nhiên ở đó cũng đã xảy ra những sự cố liên quan đến ngành công nghiệp điện hạt nhân, trong đó có những sự cố gây thiệt hại nhỏ, có những sự cố để lại hậu quả nặng nề cho đến tận ngày nay mà người ta vẫn thường gọi chúng với cái tên thảm họa hạt nhân hay sự cố nặng, điển hình như tai nạn ở nhà máy Three Miles Island (TMI) – Mỹ năm 1979, Chernobyl – Liên Xô cũ năm 1986 hoặc gần đây nhất là tại nhà máy Fukushima – Nhật Bản ngày 11/3/2011 Sự cố xảy ra ở nhà máy Fukushima đã một lần nữa róng lên hồi chuông về các biện pháp an toàn trong các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới và tính chất quan trọng của việc nghiên cứu

sự cố nặng

Kể từ sự cố nặng TMI xảy ra cho đến nay, có rất nhiều nhóm nghiên cứu ở các quốc gia có nền công nghiệp hạt nhân phát triển như Mỹ, Pháp, Thụy Điển, Nga, Nhật v.v., đã tiến hành nhiều nghiên cứu và thí nghiệm liên quan đến các hiện tượng xảy ra trong diễn biến sự cố nặng với hy vọng hiểu rõ hơn về diễn biến sự cố

và từ đó tìm ra các biện pháp ngăn chặn sự cố xảy ra hoặc làm giảm nhẹ hậu quả Các kết quả thu được từ các nghiên cứu này đã giúp chúng ta hiểu rõ hơn về diễn biến sự cố và một số hiện tượng có thể xảy trong tòa nhà lò, và đã có những biện pháp ngăn chặn có thể kể đến ở đây như lắp đặt các bộ tái kết hợp để làm giảm lượng khí H2 tránh hiện tượng cháy nổ H2 phá hủy tòa nhà lò, hay hệ thống làm mát bên ngoài vỏ thùng lò để giữ vỏ thùng lò khỏi bị vỡ v.v Tuy nhiên vẫn còn nhiều hiện tượng diễn ra bên trong thùng lò phản ứng cho đến nay khoa học vẫn chưa giải thích và được hiểu một cách đầy đủ, có thể kể đến ở đây như việc hình thành bể vật liệu nóng chảy và các quá trình trao đổi nhiệt trong bể v.v Trên thế giới công tác

nghiên cứu sự cố nặng vẫn đang được tiếp tục với hy vọng sẽ hiểu rõ hơn các vấn

đề này trong tương lai

Việt Nam đang trong giai đoạn chuẩn bị nguồn nhân lực cho chương trình điện hạt nhân đầu tiên phục vụ cho mục đích hòa bình, vấn đề an toàn hạt nhân và các biện pháp ứng phó sự cố nặng được quan tâm một cách đặc biệt, và có ý nghĩa quan trọng đến việc quyết định lựa chọn công nghệ lò cho các nhà máy điện hạt nhân đầu tiên Nhằm mục đích xây dựng năng lực nghiên cứu an toàn hạt nhân và cùng với ý nghĩa quan trọng của việc nghiên cứu sự cố hạt nhân, nội dung của luận văn sẽ tiến hành những bước nghiên cứu đầu tiên về sự cố nặng thông qua kịch bản

sự cố “Mất hoàn toàn nguồn điện (Station Black Out – SBO),” với hy vọng đóng góp một phần công sức vào việc đảm bảo an toàn hạt nhân và công tác ứng phó sự

cố nặng cho các nhà máy điện tương lai ở Việt Nam

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới T.S Trần Chí Thành – Viện trưởng Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam, là người thầy luôn lắng nghe, động viên và sẵn sàng giải đáp những thắc mắc của tôi về các vấn đề bên trong cũng như vấn đề bên ngoài nội dung bản luận văn

Tiếp đó tôi muốn gửi lời cảm ơn đặc biệt tới các thầy, cô giảng viên đại học

và cao học tại Viện Kỹ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã trang bị cho tôi những kiến thức chuyên nghành cần thiết để tôi có đầy đủ kiến thức và sự tự tin để tiếp tục trên con đường nghiên cứu khoa học

Tôi muốn gửi lời cảm ơn tới anh Phùng Việt Anh đang làm việc tại Khoa An toàn điện hạt nhân – Trường Đại học Công nghệ Hoàng gia Thụy Điển đã giúp tôi giải đáp những thắc mắc về chương trình MELCOR

Qua đây tôi cũng gửi lời cảm ơn tới cô Phương Lan, anh Thân, chị Mai, hai

em Tuấn và Lâm là những người làm cùng Phòng Thông Tin – Ban Kế hoạch và Quản lý khoa học – Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành bản luận văn này

Cuối cùng tôi xin gửi lòng biết ơn sâu sắc tới ba mẹ tôi – những người đã luôn ở bên cạnh quan tâm, ủng hộ và động viên tôi mỗi khi tôi gặp khó khăn trong cuộc sống cũng như trong công việc

Hà Nội, ngày tháng năm 2014

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Vấn đề an toàn điện hạt nhân và mục tiêu nghiên cứu

Sự cố nặng là tai nạn nằm ở cấp cao nhất trong thang đo dành cho các sự cố xảy

ra trong nhà máy điện hạt nhân Xét trong vấn đề sự cố nặng, thì hậu quả nhẹ nhất là gây hỏng cấu trúc hình học bên trong lò phản ứng và không có sự phát tán chất phóng xạ ra ngoài nhà lò, hậu quả nặng hơn là hỏng lò phản ứng – chất phóng xạ bị

rò rỉ vào tòa nhà lò nhưng chúng bị giam hãm trong này và không phát thải ra ngoài môi trường, hậu quả lớn nhất mà sự cố nặng gây ra chính là việc phá hủy tòa nhà lò dẫn đến phát thải phóng xạ ra ngoài môi trường đe dọa trực tiếp tới môi trường và người dân Có lẽ sự cố xảy ra tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl – Liên Xô cũ (26/4/1986) là minh chứng rõ nhất cho hậu quả nặng nề gây bởi sự cố nặng mà nó còn ảnh hưởng đến ngày nay, không chỉ gây thiệt hại về người – của cải vật chất mà

nó còn gây nhiễm xạ cho một vùng rộng lớn trên lãnh thổ Liên Xô cũ, cho đến nay những vùng đất này vẫn là những vùng đất chết – không có con người sinh sống do lượng phóng xạ rất lớn Và sự cố gần đây nhất xảy ra tại khu tổ hợp nhà máy điện hạt nhân Fukushima (11/3/2011), tuy không gây thiệt hại về người nhưng chất phóng xạ bị phát tán ra ngoài gây nhiễm phóng xạ một vùng rộng lớn không chỉ trong không khí mà còn ở các mạch nước ngầm và nước biển xung quanh nhà máy Các thiệt hại mà các sự cố nặng này gây ra là vô cùng to lớn, để khắc phục các hậu quả để lại không chỉ đòi hỏi về mặt tài chính, nhân lực mà còn đồi hỏi cả vấn đề về thời gian Điều này cho thấy tầm quan trọng và ý nghĩa của việc nghiên cứu diễn biến sự cố nặng trong nhà máy điện hạt nhân

Nguyên nhân ban đầu của mỗi sự cố là khác nhau nhưng tất cả chúng đều dẫn

đến mất khả năng tải nhiệt dư làm mát lò phản ứng một cách thích hợp khi mà lò đã

được dập tắt hoàn toàn Khi mà vùng hoạt tiếp tục bị đốt nóng bởi nhiệt dư, nhiệt độ tăng cộng với mật độ hơi cao sẽ dẫn đến một loạt các hiện tượng hóa – lý phức tạp xảy ra bên trong thùng lò phản ứng, gây ra sự sụp đổ của vùng hoạt, sau này diễn biến sự cố còn có thể lan ra tòa nhà lò khi thùng lò phản ứng bị hỏng Vì vậy bài toán đặt ra ở đây là “Khi mà các biện pháp an toàn để ngăn chặn sự cố xảy ra bị vô

hiệu hóa thì chúng ta cần phải có những biện pháp dự phòng nào khác để ngăn chặn

sự phát triển mở rộng và giảm thiểu tác hại từ sự cố nặng?” Để tìm được lời giải cho bài toán này, chúng ta cần phải biết: (1) Diễn biến của sự cố; (2) Các hiện tượng xảy

ra trong quá trình diễn biến sự cố; (3) Sự liên quan giữa các hiện tượng; (4) Ảnh hưởng của các hiện tượng đến sự an toàn của toàn bộ nhà máy v.v Như vậy chúng

ta cần phải tiến hành nghiên cứu – tìm hiểu về diễn biến sự cố nặng, để từ đó đề ra các biện pháp và kế hoạch khắc phục, hoặc giảm nhẹ hậu quả của sự cố

Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu an toàn hạt nhân đã bắt đầu được tiến hành từ nhiều năm trước đây, nhưng tập trung chủ yếu vào tính toán vật lý và phân tích động học lò, còn vấn đề thủy nhiệt và sự cố nặng mới chỉ bắt đầu gần đây Hiện nay

ở một vài tổ chức có các nhóm tiến hành nghiên cứu về thủy nhiệt và sự cố nặng như Trung tâm an toàn hạt nhân – Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân sử dụng chương trình Relap 5 để tiến hành nghiên cứu thủy nhiệt và diễn biến sự cố cho lò APR1400 (Hàn Quốc); hay Cục An toàn bức xạ và hạt nhân Việt Nam (VARANS)

sử dụng chương trình tính toán thủy nhiệt CARTHARE của Pháp để nghiên cứu v.v Ngoài ra còn một số chương trình dành cho việc nghiên cứu sự cố nặng như MELCOR, MAAP4, hay ASTEC v.v Nhưng hiện nay các chương trình này chưa được sử dụng ở Việt Nam

Một phần do trình độ chúng ta còn thấp cộng với việc thiếu hụt nguồn nhân lực

vì vậy mà các nghiên cứu này mới chỉ tập trung vào các vấn đề đơn giản và chỉ tiến hành nghiên cứu lại một số bài toán nước ngoài đã được công bố, nhưng đây sẽ là những bước khởi đầu để chúng ta nắm vững được công cụ tính toán hiện đại và tranh thủ thời gian để đào tạo cũng như trau dồi kiến thức, và trong một tương lai không xa chúng ta sẽ tiến tới những nghiên cứu mới để phục vụ cho mục đích an toàn điện hạt nhân nước nhà

Để chuẩn bị cho bước đầu tiên đó, bản luận văn này sẽ tiến hành từng bước nghiên cứu diễn biến sự cố nặng trước hết là ở trong một lò phản ứng nước sôi bằng chương trình MELCOR, với mục tiêu từng bước nắm vững được công cụ tính toán

này, hiểu rõ hơn về diễn biến của sự cố nặng, và quan trọng nhất là tiến tới nghiên cứu cho kiểu lò phản ứng sẽ được xây dựng ở Việt Nam trong tương lai

Trong bản luận văn này, một số mô hình mô phỏng diễn biến sự cố nặng trong chương trình MELCOR 1.8.5 được sử dụng để nghiên cứu diễn biến bên trong thùng lò phản ứng nước sôi (BWR) Fukushima số 1 khi xảy ra sự cố “Mất hoàn toàn nguồn điện (sự cố SBO),” lý do cho sự lựa chọn này đó là: sự cố này vừa mới xảy ra và vẫn còn là một vấn đề khoa học cho đến nay vẫn chưa được hiểu một cách

rõ ràng, đây cũng là cơ hội và thách thức để chúng tôi tiến hành nghiên cứu này Thông qua việc so sánh kết quả với các tài liệu tham khảo Randall Gauntt et al (2012) [3] và Tuomo Sevón (2012) [4] để tìm hiểu nguyên nhân, thời điểm hỏng đáy thùng lò phản ứng và tổng khối lượng H2 được sinh ra bên trong lò phản ứng

1.2 Nội dung của luận văn

Với mục tiêu và ý nghĩa đã đề ra, chúng tôi chọn tên đề tài luận văn là “Nghiên

cứu và tính toán diễn biến sự cố nặng trong thùng lò nước sôi.” Nội dung của

luận văn nghiên cứu 2 vấn đề chính:

 Thứ nhất:

 Mô phỏng diễn biến sự cố bên trong thùng lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân Fukushima số 1 khi xảy ra hiện tượng mất hoàn toàn nguồn điện bằng chương trình MELCOR

 Với mục đích:

 So sánh kết quả diễn biến sự cố thu được với các kết quả tính toán của các tác giả Randall Gauntt et al (2012) [3] và Tuomo Sevón (2012) [4], để đánh giá nguyên nhân, thời điểm hỏng vỏ đáy thùng

lò, và tổng khối lượng H2 được sinh ra bên trong thùng lò

 Hiểu rõ hơn về quá trình diễn biến của một sự cố xảy ra bên trong thùng lò phản ứng Các yếu tố và hiện tượng có vai trò quan trọng trong diễn biến sự cố Qua đó thấy rõ vai trò của các biện pháp phòng chống sự cố nặng ở các thiết kế nhà máy điện hạt nhân, từ đó

có thể so sánh, đánh giá các thiết kế điện hạt nhân tiềm năng có thể đưa vào xây dựng tại Ninh Thuận

 Kiểm tra khả năng sử dụng công cụ tính toán MELCOR sau một thời gian tìm hiểu

 Thứ hai:

 Dựa theo kịch bản SBO ở trên để tiến hành nghiên cứu 2 vấn đề: (1) vai trò của áp suất trong quá trình biến dạng dão của vỏ đáy thùng lò; (2) nghiên cứu chiều hướng diễn biến sự cố khi tiến hành cấp nước vào bên trong thùng lò phản ứng

 Với mục đích:

 Vấn đề 1: Tìm hiểu ảnh hưởng của cường độ áp suất trong quá trình biến dạng dão của vỏ đáy thùng lò

 Vấn đề 2: dự đoán các hiện tượng có thể xảy ra bên trong thùng lò để

từ đó rút ra các bài học và đề xuất áp dụng thực tế; nghiên cứu chiều hướng diễn biến của sự cố, và việc cấp nước vào có thể làm mát thích hợp các mảnh vụn hoặc bể nhiên vật liệu nóng chảy ở khu vực đáy lò để làm chậm quá trình gây hỏng đáy lò hay có thể giữ đáy lò khỏi bị hỏng không?

1.3 Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn gồm 5 chương với các nội dung như sau:

 Chương 1: Giới thiệu về nội dung, mục đích và bố cục luận văn

 Chương 2: Giới thiệu về sự cố nặng, diễn biến của sự cố nặng xảy ra

trong nhà máy điện hạt nhân nước nhẹ

 Chương 3: Giới thiệu về chương trình MELCOR và một số mô hình mô

phỏng diễn biến sự cố trong MELCOR được sử dụng trong nội dung của luận văn

 Chương 4: Sử dụng một số mô hình trong chương trình MECLOR để mô

phỏng diễn biến sự cố nặng bên trong thùng lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân Fukushima số 1

 Chương 5: Phân tích và đánh giá kết quả

CHƯƠNG 2: DIỄN BIẾN CƠ BẢN CỦA SỰ CỐ NẶNG

 Khái niệm [5]:

Thuật ngữ “sự cố nặng” được dùng để nhắc tới một sự kiện xảy ra trong nhà

máy điện hạt nhân mà dẫn đến sự phá hủy nghiêm trọng nhiên liệu hạt nhân và gây

ra quá trình nóng chảy một phần hoặc hoàn toàn vùng hoạt Hậu quả còn có thể nghiêm trọng hơn nếu vỏ thùng lò phản ứng bị hỏng, nhiên vật liệu nóng chảy được phóng vào tòa nhà lò kéo theo nhiều hiện tượng khác xảy ra, có thể dẫn đến khả năng phả hủy nhà lò và phát thải chất phóng xạ ra ngoài môi trường

 Nguyên nhân:

Nguyên nhân ban đầu dẫn đến sự cố nặng đã xảy ra tại một số nhà máy điện hạt nhân trước đây là hoàn toàn khác nhau, có thể bắt nguồn từ các hiện tượng tự nhiên như động đất, bão, sóng thần v.v., như sự cố xảy ra tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima (Nhật Bản) hoặc cũng có thể do sai sót của nhân viên vận hành hoặc sai sót đến từ các hệ thống an toàn v.v như sự cố Chernobyl (Liên Xô cũ), có thể kể đến 3 sự cố nặng điển hình đã xảy ra tại 3 nhà máy điện hạt nhân sau đây làm ví dụ minh họa (Bảng 2.1)

Bảng 2.1: Nguyên nhân ban đầu của 3 sự cố hạt nhân điển hình

Three Miles Island –

Mỹ [8]

(28/3/1979)

 Trong nỗ lực loại bỏ các cặn làm tắc đường ống của

hệ thống cấp nước vòng thứ cấp, các nhân viên vận hành đã gây ra tín hiệu dừng các hệ thống bơm nước cấp cho bình sinh hơi, hệ thống bơm cho bình ngưng,

và hệ thống bơm tăng cường cho bình ngưng dẫn đến tín hiệu dập lò khẩn cấp

 Tiếp đó hệ thống bơm nước cấp phụ không được kích hoạt do van đầu ra bị đóng

 Các van xả áp tại bình điều áp đáng lẽ cần phải đóng khi áp suất trong lò giảm thì lại ở trạng thái mở do sai hỏng phần cơ khí dẫn đến nước trong hệ thống sơ cấp thoát ra ngoài, vùng hoạt không được làm ngập hoàn toàn gây tổn thất nhiên liệu và làm nóng chảy một phần cấu trúc bên trong lò phản ứng

Chernobyl – Liên Xô cũ

(28/6/1986)

[8]

 Tai nạn xảy ra khi tiến hành thí nghiệm ngừng nguồn điện cung cấp từ bên ngoài xem xét khả năng dùng quán tính của tuabin để phát điện cho hệ thống an toàn của lò, đặc biệt là hệ thống bơm cấp nước

 Từ một loạt các sai sót đến từ các nhân viên vận hành, thao tác vi phạm nguyên tắc vận hành, ngắt thiết bị ngừng lò tự động, quá ưu tiên cho việc hoàn thành thí nghiệm, để lò hoạt động ở công suất thấp không ổn định, rồi vi phạm nguyên tắc điều khiển các thanh điều khiển (do không hiểu rõ động học lò phản ứng) Do đó, công suất lò tăng nhanh chóng, nhiên liệu bị quá nhiệt, phát sinh hơi nước dữ dội dẫn đến phá hỏng ống áp lực, một phần lò phản ứng và khu nhà lò

Fukushima – Nhật Bản

(11/3/2011)

[8]

 Trận động đất mạnh 9.0 richter kèm theo các đợt sóng thần cao tới 15m đã vô hiệu hóa hoàn toàn các

hệ thống an toàn của tổ hợp nhà máy điện hạt nhân

 Lò phản ứng không được cấp nước bổ sung để tải nhiệt dư, lượng nước trong lò giảm dần dẫn đến nhiên vật liệu nóng chảy hoàn toàn, phá hỏng vỏ lò phản ứng và tòa nhà lò tại các tổ máy số 1, 2, 3

Như đã nói ở trên, nguyên nhân ban đầu của các sự cố nặng là hoàn toàn khác

nhau nhưng có một nguyên nhân chung nhất của hầu hết các sự cố là do “mất khả

năng tải nhiệt dư ra khỏi vùng hoạt sau khi lò phản ứng đã được dập tắt hoàn toàn.”

Như vậy sự cố xảy ra sau khi lò phản ứng đã được dập tắt hoàn toàn, vùng hoạt tiếp tục bị đốt nóng bởi nhiệt dư trong khi nước không được cấp bổ sung vào hoặc lượng nước cấp vào không đủ để có thể tải lượng nhiệt dư này ra dẫn đến vùng hoạt

bị mất nước, nhiệt độ trong thùng lò tăng cao cộng với mật độ hơi dày sẽ là điều kiện thuận lợi để các hiện tượng hóa – lý xảy ra, khi mà các hiện tượng này xảy ra

sẽ làm cho quá trình phá hủy hình học vùng hoạt diễn ra nhanh hơn và còn gây ra các hiện tượng khác dẫn đến phá hủy vỏ thùng lò phản ứng và có thể là tòa nhà lò Mặt khác sự cố xảy ra còn do sai lầm của con người (Chernobyl) dẫn đến công suất

lò tăng đột biến nhanh chóng phá hủy vùng hoạt, vỏ thùng lò phản ứng bị thủng, nhiên vật liệu nóng chảy được phóng ra ngoài

Nội dung của phần này trình bày cơ bản về diễn biến của sự cố nặng xảy ra trong một nhà máy điện hạt nhân nước nhẹ mà không tính đến các biện pháp an toàn được đưa vào, không tính đến loại lò gì v.v Diễn biến sự cố diễn ra theo một cách tự nhiên, từ các hiện tượng đầu tiên xảy ra, rồi chúng trở thành nguyên nhân gây ra các hiện tượng tiếp theo Diễn biến được chia thành 2 giai đoạn: (1) diễn biến sự cố diễn

ra bên trong thùng lò phản ứng; (2) diễn biến sự cố xảy ra bên ngoài thùng lò phản ứng

Khi vùng hoạt bị mất nước, nhiệt độ nhiên vật liệu tăng lên, các tương tác hóa –

lý diễn ra dẫn đến sự sụp đổ sớm của các cấu trúc vùng hoạt và cũng là khởi nguồn cho các hiện tượng khác diễn ra Tùy thuộc vào nhiệt độ bên trong vùng hoạt và khả năng cấp nước làm mát bổ sung mà mức độ hủy hoại vùng hoạt nghiêm trọng ít hay

nhiều và các hiện tượng nào có thể xảy ra Sơ đồ dưới đây (hình 2.1) biểu thị các hiện tượng xảy ra trong vùng hoạt phụ thuộc vào nhiệt độ (oC)

Hình 2.1: Quá trình tương tác hóa học khi sự cố nặng xảy ra [7]

2.2.1.1 Quá trình sụp đổ sớm của thanh điều khiển

Có 2 loại thanh điều khiển được sử dụng tại các nhá máy điện hạt nhân hiện nay

đó là loại thanh SIC (Silver – Indium – Cadminium) và loại B4C, cấu hình các loại thanh này được minh họa ở các hình 2.2 và 2.3 Các thanh điều khiển này trải qua

quá trình sụp đổ ở nhiệt độ thấp bởi tương tác eutectic xảy ra ở một tỷ lệ nhất định nào đó giữa 2 vật liệu (Ni, Fe) – Zr ở 940o

C và B4C với Fe ở 1150oC tạo ra dung dịch eutectic có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của Zircaloy và thép nguyên chất, gây ra hỏng lớp vỏ Zircaloy và lớp vỏ thép sớm, phá hỏng hình học của thanh điều khiển Khi dung dịch eutectic này chảy xuống tiếp xúc với các cấu trúc bên dưới, chúng tiếp tục phá hủy các cấu trúc này bằng các phản ứng hóa học hòa tan Ngoài ra, vỏ các thanh điều khiển bị hỏng do quá trình ôxi hóa lớp vỏ Zircaloy giải phóng một lượng nhiệt lớn làm Zircaloy nóng chảy, tiếp đó là phá hỏng lớp vỏ thép Đặc biệt đối với loại thanh điều khiển B4C thì khi lớp vỏ Zircaloy

và thép bị hỏng đã tạo điều kiện cho phản ứng ôxi hóa B4C xảy ra khi mà hơi và

B4C tiếp xúc trực tiếp với nhau

Quá trình sụp đổ sớm của thanh điều khiển được coi như là tác nhân lan truyền

và làm gia tăng quá trình nóng chảy vùng hoạt ở nhiệt độ thấp Cho đến nay đã có nhiều thí nghiệm được tiến hành để nghiên cứu về quá trình này (R Dubourg at el., 2010; Terttaliisa Lind at el., 2010; v.v.), quá trình sụp đổ sớm của loại thanh điều

Hình 2.3: Cấu hình loại B4C [9] Hình 2.2: Cấu hình loại SIC [9]

khiển Ag – In – Cd được hiểu khá rõ, tuy nhiên thì vẫn còn nhiều vấn đề chưa chắc chắn về quá trình sụp đổ của thanh điều khiển loại B4C

2.2.1.2 Quá trình vỡ vỏ thanh nhiên liệu

Khi nhiệt độ của các viên nhiên liệu tiếp tục tăng, viên nhiên liệu giãn nở tạo điều kiện cho các chất khí được sinh ra trong quá trình phân hạch thoát ra khỏi viên nhiên liệu đi vào khe hở giữa nhiên liệu và lớp vỏ, làm tăng áp suất bên trong thanh nhiên liệu Tùy thuộc vào quá trình diễn biến của sự cố, nếu áp suất ở bên trong thanh nhiên liệu cao hơn áp suất ở trong lò phản ứng, điều này có thể dẫn đến vỏ thanh nhiên liệu bị phồng lên và gây ra hiện tượng dão lớp vỏ, hiện tượng này còn được gọi là “sự căng phồng” khi mà áp suất từ bên trong quá lớn so với bên ngoài, cộng với lớp vỏ bị ôxi hóa rất ròn dẫn đến hiện tượng vỡ vỏ thanh nhiên liệu (hình 2.4), giải phóng các chất phóng xạ khí vào trong lò phản ứng, vào hệ thống vòng sơ cấp (lò nước áp lực), và có thể thoát ra tòa nhà lò hoặc ra môi trường nếu không có

sự kiểm soát và hệ thống đảm bảo an toàn không đủ khả năng vận hành

Hình 2.4: Hiện tượng đứt gãy vỏ thanh nhiên liệu [5]

Vỡ vỏ nhiên liệu do chênh lệch áp suất

Giải phóng các chất phóng xạ khí ra lò phàn ứng

2.2.1.1 Quá trình ôxi hóa Zircaloy, thép và B 4 C

Quá trình ôxi hóa các cấu trúc được làm từ Zircaloy, thép và B4C diễn ra khi nhiệt độ tại các cấu trúc này đạt tới điểm tới hạn (1200oC đối với Zircaloy và thép;

1500oC đối với B4C) và có sự tiếp xúc giữa chúng với chất ôxi hóa

Đối với quá trình oxi hóa Zircaloy [1]:

Zr + 2H2O ZrO2 + 2H2 (2.1)

Zr + O2 ZrO2 (2.2) Đối với quá trình ôxi hóa cấu trúc thép, vì thép được cấu tạo từ nhiều thành phần, nhưng quá trình ôxi hóa thép chỉ tính đến các thành phần chính như sắt (Fe), crôm (Cr), nikel (Ni), cacbon (C) Các phản ứng ôxi hóa như sau [1]:

Fe + 2H2O FeO + 2H2 (2.3) 2Cr + 3H2O Cr2O3 + 3H2 (2.4)

Ni + H2O NiO + H2 (2.5)

C + H2O CO2 + H2 (2.6) Nếu vật liệu hấp thụ của các thanh điều khiển là B4C, các phản ứng ôxi hóa B4C chỉ xảy ra khi lớp vỏ Zircaloy và lớp vỏ thép bị hỏng, B4C tiếp xúc với hơi nước và

bị ôxi hóa xảy ở nhiệt độ khoảng 1500oC theo các phản ứng dưới đây [1]:

B4C + 7H2O 2B2O3 + CO + 7H2 (2.7)

B4C + 8H2O 2B2O3 + CO2 + 8H2 (2.8)

B4C + 6H2O 2B2O3 + CH4 + 4H2 (2.9) Quá trình ôxi hóa trên tỏa ra một lượng nhiệt lớn, làm gia tăng quá trình đốt nóng vùng hoạt, quá trình ôxi hóa còn tạo ra một lớp vỏ ôxit bao phủ phía ngoài các cấu trúc và làm tăng độ giòn của các cấu trúc này, ngoài ra lượng khí H2 được sinh ra từ các phản ứng khi thoát vào tòa nhà lò dễ gây ra hiện tượng cháy nổ H2 (hay còn được gọi là rủi ro H2) có thể phá hủy tòa nhà lò

2.2.1.2 Quá trình nóng chảy Zircaloy và hòa tan viên nhiên liệu

Khi nhiệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu Zircaloy tiến tới khoảng 1760oC (hình 2.1) chúng bắt đầu nóng chảy, tuy nhiên Zircaloy nóng chảy được giữ ở phía bên trong

thanh nhiên liệu bởi lớp vỏ ôxit ZrO2 (lớp vỏ ôxit có nhiệt độ nóng chảy cao hơn Zr) và không thể chảy ra ngoài được (nếu lớp vỏ ôxit còn nguyên vẹn), điều này sẽ dẫn đến hiện tượng viên nhiên liệu bị hòa tan một phần bởi Zircaloy nóng chảy tại nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ nóng chảy của UO2 (2850oC – hình 2.1), tạo thành hỗn hợp nóng chảy U–Zr–O hay còn được gọi là hỗn hợp “corium” Phản ứng hòa tan này phá hủy nghiêm trọng hình học của thanh nhiên liệu và quá trình di chuyển xuống phía dưới của hỗn hợp corium có ảnh hưởng mạnh mẽ đến hình học của lò phản ứng

Quá trình mở rộng của corium trong vùng hoạt khi mà lớp vỏ ôxit bị phá vỡ phụ thuộc vào độ xốp của hỗn hợp và diện tích dòng chảy corium, độ xốp của corium phụ thuộc vào mức độ bị ôxi hóa của hỗn hợp, trong khoảng nhiệt độ 2627oC –

2827oC độ xốp hiệu dụng của corium tăng theo mức độ bị ôxi hóa của hỗn hợp [2]

Vì trong hỗn hợp corium có chứa một phần Zr chưa bị ôxi hóa nên trong quá trình

mở rộng (M S Veshchunov et al., 2005 [16]) hỗn hợp này tiếp tục bị ôxi hóa khi chúng tiếp xúc với hơi nước, như vậy để biết rõ hơn về quá trình mở rộng của hỗn hợp corium thì chúng ta cần phải biết rõ về quá trình ôxi hóa hỗn hợp corium Hiện nay, hiện tượng mở rộng của corium vẫn chưa được hiểu rõ ràng, nó vẫn còn là một vấn đề khó khi mà hầu hết các thí nghiệm được tiến hành chỉ tính toán quá trình di chuyển của corium theo chiều thẳng đứng, trong khi việc nghiên cứu quá trình mở rộng của corium theo phương ngang trong lò phản ứng là cũng khá quan trọng

Ngoài ra, ở đây vẫn còn rất nhiều vấn đề chưa được hiểu rõ như: tính chất vật lý, nhiệt độ nóng chảy và đông đặc, và quá trình ôxi hóa hỗn hợp corium, cũng như độ xốp bên trong vùng 2 pha (rắn – lỏng) Những đặc tính này ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình di chuyển của corium, quá trình di chuyển của corium có ý nghĩa vô cùng quan trọng trong diễn biến sự cố nặng khi mà chúng có thể mở rộng theo phương ngang hình thành bể vật liệu nóng chảy ở trong vùng hoạt và quá trình di chuyển xuống đáy lò đánh dấu một diễn biến mới của sự cố nặng

2.2.1.3 Quá trình hình thành bể nhiên vật liệu nóng chảy trong vùng hoạt

Như đã nói ở phần trên, hỗn hợp nóng chảy di chuyển xuống các vùng phía dưới

và mở rộng theo cả phương ngang trong vùng hoạt Khi di chuyển xuống phía các vùng phía dưới có nhiệt độ thấp hơn bên trong vùng hoạt thông qua các kênh trong

bó nhiên liệu, nhiên vật liệu nóng chảy có thể bị đông đặc tạo thành một lớp vỏ cứng ngăn cản quá trình di chuyển của hỗn hợp nóng chảy theo phương thẳng, hỗn hợp này bị giữ lại trong các kênh có thể tạo thành các bể hỗn hợp nóng chảy cục bộ tại các kênh và có thể mở rộng theo phương ngang thành một bể lớn bên trong vùng hoạt (hình 2.5)

Hình 2.5: Quá trình di chuyển xuống phần đáy lò của hỗn hợp nóng chảy do hỏng

lớp vỏ bọc vùng hoạt [5]

Quá trình mở rộng của bể vẫn tiếp tục theo 2 phương Trong quá trình mở rộng theo phương ngang, vật liệu nóng chảy tiến tới sát lớp vỏ bọc vùng hoạt và có thể làm hỏng lớp vỏ này bởi quá trình ăn mòn nhiệt, và chảy xuống khu vực đáy lò từ bên rìa của vùng hoạt (hình 2.5) Lớp vỏ cứng sẽ bị bị ăn mòn dần dần và đến khi bị

vỡ, hỗn hợp nóng chảy tiếp tục di chuyển xuống phía dưới, chúng tiếp tục hòa tan

và phá hủy các cấu trúc ở phía dưới này

Khi mà các cấu trúc chống đỡ (tấm đỡ vùng hoạt) bị phá hỏng, vật liệu nóng chảy bắt đầu di chuyển hoặc có thể được phóng xuống khu vực đáy lò (hình 2.6), quá trình di chuyển này đã đánh dấu quá trình di chuyển diễn biến sự cố từ vùng

Bể hỗn hợp nóng chảy trong vùng hoạt

Phá hỏng lớp vỏ

bọc vùng hoạt và

di chuyển xuống

đáy lò

hoạt xuống khu vực đáy thùng lò Đưa diễn biến sự cố sang giai đoạn mới, một giai đoạn mà có thể khiến cho hậu quả của sự cố trở nên nguy hiểm hơn khi mà vỏ thùng

lò phản ứng bị đe dọa trực tiếp bởi quá trình này

Hình 2.6: Quá trình di chuyển xuống khu vực đáy thùng lò của hỗn hợp nhiên vật

liệu nóng chảy do hỏng tấm đỡ vùng hoạt [5]

2.2.1.4 Quá trình hình thành bể nhiên vật liệu nóng chảy ở khu vực đáy lò

Trong quá trình di chuyển xuống khu vực đáy thùng lò, nhiên vật liệu có thể ở dạng rắn hoặc dạng lỏng, tuy nhiên dạng lỏng là chủ yếu, nhiên vật liệu dịch chuyển xuống theo 3 kiểu: chảy nến (candling); dòng nhỏ (small jet) và dòng lớn (big jet) (hình 2.7) và khu vực đáy thùng lò có thể ở 4 trạng thái: (1) có nhiều nước và đã có mặt của nhiên vật liệu rơi xuống từ trước nhưng không đáng kể (trạng thái A – hình 2.7); (2) có nước và nhiên vật liệu rắn đã rơi xuống khá nhiều từ trước (trạng thái B – hình 2.7); (3) không còn nước và không có nhiên vật liệu rơi xuống trước, chỉ có cấu trúc chống đỡ và các ống thâm nhập (trạng thái C – hình 2.7); (4) không còn nước với nhiều mảnh nhiên liệu rắn đã tập trung từ trước (trạng thái D – hình 2.7) Tùy vào từng trạng thái của khu vực đáy thùng lò mà sẽ có các hiện tượng khác nhau diễn ra và diễn biến của sự cố sẽ theo các chiều hướng khác nhau, các tương tác trực tiếp của nhiên vật liệu với các cấu trúc dưới đáy thùng lò và lớp vỏ đáy

Hỗn hợp nóng chảy phía trên tấm đỡ vùng hoạt

Tấm đỡ vùng hoạt bị hỏng

thùng lò sẽ dẫn đến đáy thùng lò bị hỏng, bảng 2.2 tổng kết các tương tác của nhiên vật liệu với các cấu trúc khu vực đáy lò

Hình 2.7: Các mô hình di chuyển xuống khu vực đáy thùng lò của nhiên vật liệu

nóng chảy và các trạng thái có thể của khu vực đáy thùng lò [7]

Bảng 2.2: Kết hợp các kiểu di chuyển của nhiên vật liệu xuống đáy lò và các trạng

thái ở khu vực đáy lò [7]

Trạng thái khu

vực đáy lò

Kiểu di chuyển 1 (Hình 2.7)

Kiểu di chuyển 2 (Hình 2.7)

Kiểu di chuyển 3 (Hình 2.7)

trạng thái B, D

- Dẫn đến đáy lò ở trạng thái B, D

- IGTs bị hỏng

- Nhiên vật liệu vỡ nhỏ ra

- Nhiên vật liệu tương tác trực tiếp với IGTs

- IGTs bị hỏng

trạng thái B, D

- Nhiên vật liệu vỡ nhỏ ra

- Nhiên vật liệu tương tác trực

- Tạo ra lớp mảnh vụn

- Tạo ra khối nhiên vật liệu

tiếp với IGTs

- IGT bị hỏng

kết khối

- Nhiên vật liệu tương tác trực tiếp với IGTs

- IGT bị hỏng

C - Tạo ra lớp nhiên vật

liệu kết khối hoặc hình thành bể nhiên vật liệu nóng chảy

- Tương tác trực tiếp với IGTs hoặc

vỏ đáy lò

- Tạo ra khối nhiên vật liệu cứng hoặc hình thành bể nhiên vật liệu nóng chảy

- Tương tác trực tiếp với IGTs hoặc

vỏ đáy lò và đáy thùng lò bị thủng ngay

D - Tạo ra lớp nhiên vật

liệu cứng kết khối

- IGT bị hỏng

- Tạo ra lớp nhiên vật liệu cứng kết khối

- Tương tác trực tiếp với IGTs

- IGTs bị hỏng

- Tạo ra lớp nhiên vật liệu cứng kết khối

- Tương tác trực tiếp với IGTs

- IGTs bị hỏng

Quá trình di chuyển của nhiên vật liệu xuống đáy lò có thể gây ra các hiện tượng dẫn đến khả năng phá hỏng vỏ đáy lò, dưới đây là 2 hiện tương quan trọng có thể dẫn đến khả năng phá hủy lò phản ứng

 Hiện tượng nổ hơi

Hiện tượng này xảy ra khi khu vực đáy lò có nhiều nước, tuy nhiên xác suất để hiện tượng này xảy ra ở bên trong lò phản ứng là rất thấp, hiện tượng này chỉ được quan tâm khi vỏ đáy thùng lò bị hỏng dẫn đến nhiên vật liệu nóng chảy được phóng xuống bể nước ở phía dưới thùng lò phản ứng

Hiện tượng nổ hơi xảy ra khi có sự tiếp xúc giữa 2 dòng chất lỏng, một dòng chất lỏng có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ sôi của chất lỏng kia, cụ thể ở đây là dòng corium nóng chảy có nhiệt độ rất cao và nước Hiện tượng này liên quan đến 2 cơ chế không ổn định: (1) quá trình truyền năng lượng từ chất lỏng nóng hơn vào chất lỏng lạnh hơn thông qua quá trình vỡ thành từng mảnh; (2) áp lực và vận tốc tương đối giữa 2 dòng Quá trình nổ hơi diễn ra theo 4 giai đoạn (hình 2.8) như sau [5]:

 Giai đoạn 1: Hòa trộn (mixing)

Ở giai đoạn này khi dòng corium tiếp xúc với nước, corium trải qua hai quá trình hòa trộn: (1) ban đầu chúng vỡ thành các giọt có kích thước lớn cỡ centimet được gọi là quá trình hòa trộn thô; (2) sau đó các giọt này tiếp tục vỡ ra thành các giọt nhỏ hơn Do nhiệt độ của các giọt corium này cao hơn nhiều so với nhiệt độ sôi của nước vì vậy mà khu vực nước xung quanh các giọt này bị quá nhiệt tạo thành một màng hơi bao xung quanh các giọt (hình 2.8), các giọt này nằm cân bằng nhiệt động với màng hơi bao quanh Giai đoạn hòa trộn trước mang ý nghĩa quan trọng như là điều kiện ban đầu cho hiện tượng nổ hơi

 Giai đoạn 2: Kích hoạt (triggering)

Khi quá trình hòa trộn đang diễn ra thì tại một vị trí và do một nguyên nhân nào

đó phá vỡ sự cân bằng đang tồn tại giữa giọt corium với màng hơi, màng hơi bị vỡ giọt corium tiếp xúc trở lại với nước và vỡ ra thành các mảnh nhỏ hơn, trong quá trình vỡ các giọt corium truyền một lượng nhiệt rất lớn vào trong nước

 Giai đoạn 3: Lan truyền (propagation)

Các giọt bị vỡ tạo ra một sóng xung kích truyền tới các giọt xung quanh, làm các giọt xung quanh này mất đi sự cân bằng với màng hơi và bị vỡ ra, quá trình lan truyền cứ thế xảy ra

 Giai đoạn 4: Nổ hơi (exploision)

Quá trình vỡ liên tục của các giọt corium đã sinh ra một lượng nhiệt lớn truyền vào nước, lượng nhiệt này sinh ra một lượng hơi rất lớn tạo một xung áp suất cao (cỡ hàng trăm bar) đủ sức để phá tan lớp vỏ phần đáy lò

Tuy nhiên không phải cứ có sự tiếp xúc giữa 2 dòng chất lỏng, khi một dòng có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ sôi của dòng kia là sẽ xảy ra hiện tượng nổ hơi, nó còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như quá trình hòa trộn, rồi nguyên nhân gây ra sự mất cân bằng của các giọt chất lỏng nhiệt độ cao với màng hơi bao quanh v.v Đặc biệt

là trong quá trình hòa trộn nếu chỉ xảy ra quá trình hòa trộn thô tức là kích thước mảnh vỡ cỡ centimet hoặc milimet, với quá trình trao đổi năng lượng tương đối chậm, áp lực thấp sẽ không gây ra hiện tượng nổ hơi như trong tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Three Miles

Hình 2.8: Các giai đoạn của quá trình nổ hơi [9]

 Hình thành bể vật liệu nóng chảy và hiệu ứng tập trung nhiệt

Khi nhiên vật liệu nóng chảy rơi xuống khu vực đáy thùng lò, chúng sẽ tạo thành lớp nhiên vật liệu cứng hoặc các khối kết dính, tuy nhiên nhiệt dư vẫn tiếp tục được sinh ra trong các lớp này (do có chứa các hạt nhân sản phẩm phân hạch) nếu không làm mát thích hợp thì lớp nhiên vật liệu này sẽ lại nóng lên và tan chảy ra, dẫn đến hình thành một bể nhiên vật liệu nóng chảy ở khu vực đáy thùng lò Bể nhiên vật liệu này có thể là đồng nhất, tức là các thành phần được hòa trộn đều (hình 2.9) hoặc có thể là một bể được phân thành 2 lớp do sự khác nhau giữu trọng lượng riêng của các thành phần, thành phần ôxit nặng hơn sẽ chìm xuống dưới và thành phần kim loại nhẹ hơn sẽ nổi lên trên (hình 2.10); hoặc cũng có thể một bể được phân thành 3 lớp do hỗn hợp vật liệu đóng bánh không bị nóng chảy tạo thành một khối ở dưới đáy bể (hình 2.11)

Hòa trộn Kích hoạt Lan truyền Nổ hơi

Hình 2.9: Bể nóng chảy đồng nhất ở đáy lò phản ứng [7]

Việc hình thành bể nhiên vật liệu nóng chảy trong khu vực đáy lò là rất nguy hiểm, gây ra nguy cơ hỏng đáy thùng lò rất cao (nếu không có biện pháp làm mát thích hợp) khi mà nhiệt được truyền trực tiếp chủ yếu vào lớp vỏ đáy lò thông qua một lớp vỏ cứng (crust) và đặc biệt nguy hiểm tại vị trí của các ống thâm nhập – khi

mà nhiên vật liệu nóng chảy tiếp xúc trực tiếp với các vị trí này (hình 2.12)

Đặc biệt đối với bể phân lớp, một hiện tượng có thể gây ra hỏng vỏ thùng lò được gọi là “hiệu ứng tập trung nhiệt (focusing effect)”, khi lớp ôxit có nhiệt độ rất cao (ZrO2 có nhiệt độ nóng chảy trên 2100oC, UO2 nhiệt độ nóng chảy gần 2727oC), còn lớp kim loại bên trên có nhiệt độ thấp hơn hẳn nhưng có độ dẫn nhiệt cao gấp nhiều lần so với lớp ôxit Nhiệt sinh ra từ lớp ôxit được truyền tới lớp kim loại và truyền vào vỏ đáy thùng lò thông qua một lớp vỏ cứng Đối với lớp kim loại, nhiệt

sẽ được trao đổi một phần thông qua quá trình bức xạ nhiệt lên phía trên nhưng không đáng kể, nhiệt chủ yếu nhiệt được truyền tập trung sang hai bên của lớp vào thành vỏ đáy lò Do thông lượng nhiệt lớn được truyền vào vị trí tiếp xúc giữa vỏ đáy lò và lớp kim loại dẫn đến nhiệt độ của vỏ thùng lò tại các vị trí này tăng lên nhanh, lượng nhiệt này như “mũi khoan” ăn mòn dần vỏ thùng lò Quá trình tập trung nhiệt gây ra hiện tượng nóng chảy vỏ thùng lò tại vị trí lớp kim loại sớm hay muộn phụ thuộc vào độ dày của lớp kim loại, nếu độ dày của lớp kim loại nhỏ thì nhiệt tập trung vào một diện tích nhỏ sẽ dẫn đến quá trình hỏng vỏ thùng lò nhanh hơn, hiện tượng này cũng giống như việc ta đóng một chiếc đinh vào tường có đầu nhọn là dễ hơn một chiếc đinh có đầu dẹt

Hiện nay quá trình nghiên cứu về các tính chất của bể nhiên vật liệu nóng chảy ở đáy thùng lò phản ứng vẫn còn là chủ đề thu hút nhiều sự quan tâm khi mà ở đó vẫn còn nhiều vấn đề phức tạp chƣa đƣợc hiểu rõ, và các quá trình nghiên cứu với mục đích tìm ra các biện pháp bảo vệ vỏ thùng lò phản ứng khỏi bị vỡ khi chịu tác động

cơ nhiệt bởi bể nhiên vật liệu nóng chảy

Hình 2.12: Minh họa hỏng đáy lò tại vị trí ống thâm nhập [9]

2.2.2 Diễn biến sự cố xảy ra bên ngoài thùng lò phản ứng

Mặc dù trọng tâm chính của bản luận văn là nghiên cứu về diễn biến sự cố bên trong lò phản ứng, tuy nhiên để mô tả đầy đủ diễn biễn của một sự cố phần nội dung

Lớp ôxit

Tập trung nhiệt ở lớp kim loại

Lớp kết khối

Hình 2.10: Bể nóng chảy 2 lớp [9] Hình 2.11: Bể nóng chảy 3 lớp [9]

tiếp đây sẽ giới thiệu một số hiện tượng quan trọng xảy ra trong diễn biến sự cố ở bên ngoài thùng lò phản ứng, đây là các hiện tượng có ảnh hưởng trực tiếp tới sự an toàn của tòa nhà lò – lớp bảo vệ phóng xạ cuối cùng Ba hiện tượng sẽ được trình bày dưới đây là: (1) hiện tượng đốt nóng tòa nhà lò trực tiếp; (2) hiện tượng cháy nổ

H2; (3) hiện tượng tương tác giữa nhiên vật liệu nóng chảy với bê – tông ở hầm lò

2.2.2.1 Hiện tượng đốt nóng tòa nhà lò trực tiếp

Khi xảy ra hiện tượng đáy thùng lò bị vỡ dưới điều kiện áp suất bên trong thùng

lò cao (do không giảm áp), nhiên vật liệu nóng chảy và hơi nóng đầu tiên sẽ được phóng vào trong hầm lò, và sau đó là sang các phòng lân cận kết với hầm lò, vận tốc phóng phụ thuộc vào độ chênh áp suất giữa lò phản ứng và hầm lò, diện tích của vết

vỡ, và vị trí vỡ

Hình 2.13: Hầm lò có nước khi vật liệu nóng chảy được phóng xuống [3].Nếu trong hầm lò lúc này có nước (hình 2.13) thì quá trình phóng nhiên vật liệu nóng chảy có thể gây ra hiện tượng nổ hơi như đã trình bày ở trên (Mục 2.2.1.6), nếu hầm lò khô thì nhiên vật liệu nóng chảy sẽ tương tác trực tiếp với các cấu trúc bên trong tòa nhà sơ cấp, nhiên vật liệu nóng chảy có thể phát tán rộng và lan sang

cả tòa nhà lò, tương tác tác trực tiếp với thành tòa nhà lò, hiện tượng này gọi là đốt nóng tòa nhà lò trực tiếp (hình 2.14)

Nước

Vật liệu nóng chảy được phóng xuống hầm lò

Hình 2.14: Quá trình phóng vật liệu nóng chảy vào trong tòa nhà lò [3]

2.2.2.2 Hiện tượng cháy nổ H 2

Hiện tượng cháy nổ H2 (rủi ro H2) được hiểu như là khả năng mất toàn bộ nhà lò hoặc các hệ thống an toàn của nhà lò như là kết quả của quá trình cháy nổ hydro [6] Quá trình cháy nổ H2 xảy ra khi mà nồng độ của H2 trong một hỗn hợp có mặt H2 và

O2 vượt quá giới hạn tự bốc cháy của hỗn hợp, quá trình cháy nổ H2 thực chất là phản ứng giữa H2 và O2, phản ứng này tỏa ra một lượng nhiệt rất lớn và gây ra tiếng nổ:

2H2 + O2 2H2O + Q Không khí ở bên trong tòa nhà lò vốn dĩ đã có H2 nhưng lượng H2 này chưa đủ

để gây ra phản ứng cháy nổ, lượng khí H2 đóng góp chính vào quá trình cháy nổ được sinh ra từ quá trình ôxi hóa lớp vỏ Zr, cấu trúc thép và B4C thoát vào tòa nhà

sơ cấp thông qua hệ thống giảm áp cho lò phản ứng, hoặc thông qua vị trí vỡ của vỏ thùng lò và sau đó đi vào trong tòa nhà lò thông qua hệ thống thống lưu thông Do

H2 là một khí nhẹ, không bị ngưng tụ vì vậy mà nó sẽ di chuyển lên phía trần nhà do quá trình tuần hoàn tự nhiên, hòa trộn với lớp không khí ở đây làm cho mật độ khí

H2 ở khu vực này tăng cao (nếu không có các biện pháp làm giảm mật độ H2 như tái kết hợp hoặc thải ra ngoài v.v.)

Vật liệu nóng chảy được phát tán sang phòng khác

Tương tác trực

tiếp với tường

và đáy hầm lò

Hình 2.15: Sơ đồ Shapori cho hỗn hợp hydro – khí – hơi [3]

Khả năng tự cháy của hỗn hợp giàu H2 còn phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và thành phần của hỗn hợp, cũng như cách thức cháy nổ, sơ đồ Shapiro (hình 2.15) được sử dụng để xác định với nồng độ các thành phần như nào thì hỗn hợp có thể bắt lửa, trong sơ đồ trên các vùng giới hạn gây cháy và gây nổ được phân định ranh giới bởi các đường cong ở phía trong và ở phía ngoài, các vùng giới hạn này phụ thuộc vào nhiệt độ và áp suất

Đường cong giới hạn

vị trí lân cận, gây ra hiện tượng đốt cháy H2 dây chuyền sinh ra một lượng nhiệt và

áp lực lớn phá hủy nhà lò phản ứng như đã xảy ra tại nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi số 1 và số 3 (hình 2.16)

2.2.2.3 Tương tác giữa nhiên vật liệu nóng chảy với bê-tông ở hầm lò

Trong sự kiện hỏng vỏ đáy thùng lò phản ứng, nhiên vật liệu nóng chảy được phóng xuống hầm lò, khả năng sẽ hình thành một bể vật liệu nóng chảy ở đáy hầm

lò (hình 2.17) Lúc này nhiệt độ của nhiên vật liệu nóng chảy rất cao (xấp xỉ

2500oC), nhiệt độ này tiếp tục được duy trì nhờ nhiệt dư vẫn tiếp tục được sinh ra trong hỗn hợp nóng chảy, sự tiếp xúc trực tiếp này sẽ dẫn đến hiện tượng nền bêtông và thành tường của hầm lò bị ăn mòn Quá trình ăn mòn này có thể phá hủy nền và các bức tường của hầm lò, sau đó nhiên vật liệu nóng chảy lan sang các phòng khác trong nhà lò và sau này có thể phát thải ra ngoài môi trường

Hình 2.17: Cấu hình của bể vật liệu nóng chảy trong hầm lò [5]

Thành phần của bêtông gồm có SiO2, CaCO3 và nước, trong quá trình tương tác của nhiên vật liệu nóng chảy với bêtông sẽ giải phóng SiO2, CaCO3, hơi nước, CO2,

CO Các chất SiO2, CaCO3 được hòa trộn lẫn vào với thành phần của vật liệu nóng chảy nhờ vào quá chuyển động lên trên của hơi nước, CO và CO2 (hình 2.17) Vì trong thành phần của vật liệu nóng chảy có chứa các thành phần kim loại như Fe,

Quá trình hòa trộn do sự chuyển động của pha khí

Cr, Ni, Zr mà chưa bị ôxi hóa và trong quá trình di chuyển lên trên của các chất khí

đã tạo điều kiện cho các kim loại tiếp xúc trực tiếp với hơi nước dẫn đến xảy ra các phản ứng ôxi hóa tỏa nhiệt và sinh ra khí H2, lượng H2 cùng với chất khí khác như

CO2 và CO là những chất khí không bị ngưng tụ do đó sự xuất hiện của chúng sẽ làm tăng áp suất bên trong tòa nhà lò