CÁC SỰ CỐ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

• Tiến trình của tai nạn phụ thuộc vào vị trí, kích thước bị phá vỡ, loại lò phản ứng, tính khả dụng của ECCSHệ làm mát vùng hoạt khẩn cấp , trạng thái máy bơm • Hình ảnh của kích thước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN KỸ THUẬT HẠT NHÂN & VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG

====o0o====

ĐỀ TÀI:

GVDH: ThS Lê Anh Đức Nhóm thực hiện: Nhóm 8:

BÁO CÁO HỌC PHẦN NE4115

1 Các sự cố thiết kế cơ bản Design Basis Accidents (DBA)

Các sự cố thiết kế cơ bản

• Phân tích về các sự cố thiết kế cơ bản (DBA)

• Mục tiêu: Để chứng minh rằng các nhà máy điện hạt nhân có thể đối phó với 1 danh sách được nhận định là khác thường hoặc bất ngờ với điều kiện không gây hậu quả hoặc thiệt hại với môi trường và con người

• Tiêu chí lỗi đơn: Các hệ thống an toàn phải có khả năng hoàn thành chức năng của chúng một cách đầy đủ ngay cả trong trường hợp không có bất kì 1 thành phần nào của chúng:

• Các quá trình tương tự trong trường hợp các vị trí vỡ khác (kênh nóng), nhưng thấp hơn nhiệt độ tối đa lớp vỏ.

• Các giai đoạn chính tương tự trong trường hợp kích thước vỡ trung bình

Phản hồi trong phân tích DBA

Nhà máy điện Thông lượng notron

Phân loại sự cố mất nước làm mát

(LOCA) PWR

• LOCA: Sự cố mất nước làm mát do lỗi cơ học của RCS (hệ thống làm mát lò

phản ứng) hoặc hoạt động điều hành cẩu thả

• Tiến trình của tai nạn phụ thuộc vào vị trí, kích thước bị phá vỡ, loại lò phản ứng, tính khả dụng của ECCS(Hệ làm mát vùng hoạt khẩn cấp) , trạng thái máy bơm

• Hình ảnh của kích thước phá vỡ: Từ 1 lỗ nhỏ trong mạch chính  phả vỡ cả 2 mặt 200%

• Điều quan trọng nhất là kích thước phá vỡ và vị trí

• VD: - Phá vỡ đường ống dẫn chính

- Sự tổn thương bình áp suất lò phản ứng (RPV)

- Tắc nghẽn van giảm áp

Phân loại sự cố mất nước làm mát (LOCA) PWR

Mặt thứ cấp

Tiến trình của tai nạn LOCA - PWR

• Các đặc trưng tiêu biểu của tai nạn LOCA

- Giảm áp suất cơ bản ban đầu

- Lò phản ứng tắt và đường ống làm mát chính nhả ngắt do tín hiệu bảo vệ

- ECCS(Hệ làm mát vùng hoạt khẩn cấp) hoạt động

Sự cố mất nước tải nhiệt kích

thước lớn

LB LOCA (large break LOCA)

Sự cố mất nước tải nhiệt kích thước lớn PWR (200%)

• Sự giảm áp suất rất nhanh, dòng chảy hỗn loạn và đồng nhất trong quá trình xả xuống

• Hệ thống sơ cấp gần như bị làm trống trong vài giây

• Các quá trình vật lý và xác định trên dòng thổi xuống qua vết vỡ

• Dừng khẩn cấp ngay lập tức sau khi có sự cố vỡ

• Departure from nucleate boiling (DNB) Khởi hành từ hạt nhân sôi tại giây đầu tiên (*Note: DNB Điểm mà tại đó sự truyền nhiệt từ một thanh nhiên liệu nhanh chóng giảm do hiệu ứng cách nhiệt của một tấm chăn hơi nước hình thành trên bề mặt que khi nhiệt độ tiếp tục tăng)

• Phát hiện vùng hoạt nhanh

Sự cố mất nước tải nhiệt kích thước lớn PWR (200%)

• Nhiệt độ bề mặt tăng rất nhanh

• Do sự giảm áp nhanh hệ thống làm mát lò khẩn cấp có thể cung cấp nước với axit bonic vài trong hệ thống sơ cấp

• Vùng hoạt được đổ tràn đầy liên tục phụ thuộc vào phần có thể làm mát trong bình áp suất lò phản ứng (RPV) (vd: vị trí phun Hệ làm mát vùng hoạt khẩn cấp và vị trí vỡ)

• Vùng hoạt làm đầy lại trong vài phút

• Sau khi được làm đầy lại, hệ thống phun áp suất thấp-LPIS có thể làm mát vùng hoạt

• Do quá trình xảy ra rất nhanh nên ko có đủ thời gian cho người điều khiển hành động

• Sự kiện mất nước tải nhiệt nghiêm trọng nhất có thể xảy ra là kết thúc kép 200% (chém)

vỡ ở chân lạnh, giữa MCP ống làm mát chính và bình áp suất lò phản ứng RPV

LB LOCA - Sự cố mất nước tải nhiệt kích

thước lớn

Các giai đoạn của LB LOCA

1 Blowdown - Giai đoạn giảm mực nước (xả xuống)-

pha 1 và 2 xả xuống qua chỗ vỡ

2 Refill - Giai đoạn làm đầy lại- Bơm lại áp lực của bình

(Đầu dưới) với chất làm mát hệ làm mất vùng hoạt khẩn cấp ECCS

3 Reflood - Giai đoạn làm ngập lại- Làm ngập vùng hoạt

với chất làm mát ECCS

4 Recirculation - Tuần hoàn- giới hạn nhiệt dài được

loại bỏ khỏi vùng hoạt với hệ thống ECC (LPIS)

LB LOCA – blowdown (Sự cố mất nước tải nhiệt kích thước lớn)

• Ngay khi bắt đầu hoạt động, hệ thống sơ cấp rơi vào áp suất bão hòa (khoảng 100ms)

• Khoảng trống hình thành trên vùng hoạt -> giảm năng lượng của vùng hoạt qua hồi tiếp

LB LOCA – blowdown

• Tốc độ xả dòng chảy trong quá trình giảm áp suất ban đầu là rất cao do nước bị làm lạnh gần chỗ bị phá vỡ

• Trong vòng lặp bị phá vỡ, dòng chảy đảo ngược từ bình tới chỗ vỡ

• Dòng chảy vùng hoạt có thể đảo ngược hoặc trì trệ

• Hạt nhân sôi xuất hiện giây đầu tiên tại thanh nhiên liệu nóng nhất

• Nhiệt độ vỏ bọc tăng nhanh

• Lò phản ứng tắt ngay lập tức

LB LOCA- blowdown

• Sau khi đạt đến áp suất bão hòa hỗn hợp hơi nước 2 pha được thải ra

•  Tốc độ xả giảm, nên tỉ lệ giảm áp cũng giảm

• Truyền hơi: vùng hoạt, khoang trên vùng hoạt(upper plenum), kênh nóng

• Trong pha này chất làm mát chảy lên vào trong vùng hoạt, sau đó dòng chảy xuống vùng hoạt đến cuối giai đoạn xả

• Lò sinh hơi của kênh trống bị hỏng

• Áp suất làm trống trong khoảng 10 giây

• HP ECCS bắt đầu phun vào kênh lạnh

• Áp lực chính và nhiệt độ giảm, truyền nhiệt trong

các lò sinh hơi bị đảo ngược: mạch thứ cấp làm

nóng mạch chính

Khoang dưới vùng hoạt của

khoang lưu hồi

Nhánh phun bình

dự trữ

LB LOCA

Tóm tắt trạng thái LB LOCA trong sự phun kết hợp (PWR) giai đoạn cuối của giai đoạn xả/ nạp lại

khoang dưới vùng hoạt, đầu tiên giảm rồi tăng

Kênh nóng

Kênh lạnh

LB LOCA – Làm đầy lại

• Cuối cùng của giai đoạn giảm mực nước, dòng hơi trong khoang lưu hồi giảm

• Việc làm đầy lại bình áp suất trong lò bắt đầu khi chất làm mát ECCS( hệ làm mát vùng hoạt khẩn cấp) tiếp xúc với khoảng chứa thấp hơn

• Bình tích thủy lực(nếu có) bắt đầu phun với tốc độ dòng chảy lớn hơn nhiều so với ECCS hoạt động

• Kết thúc trạng thái làm đầy lại,

chất làm mát chạm đến đáy

vùng hoạt

LB LOCA- Làm đầy lại

• Làm nguội – chất làm mát của ECCS tới vùng hoạt, làm nguội mặt trước dọc theo bề mặt nhiệt độ cao của lớp vỏ nhiên liệu, với hơi nước đáng kể sản xuất ra

• Áp lực của hơi nước tạo ra làm chậm (hoặc dừng) sự gia tăng mức độ trong vùng hoạt (hơi nước ràng buộc)

• Mực nước giao động vì máy sinh hơi có

cường độ lớn

LB LOCA- làm tràn đầy lại

Làm đầy lại khoang dưới vùng hoạt

LB LOCA- làm tràn đầy lại

• Chất làm mát tiếp xúc với toàn bộ vùng hoạt

• Trong khu vực nóng nhất vỏ phồng lên có thể gây cản trở dòng chảy nước làm mát

• Cuối cùng của giai đoạn

LB LOCA

Tính toán nhiệt độ vỏ ở 6 thang chia trên thanh nhiên liệu năng lượng cáo- các giai đoạn làm

đầy và làm tràn

Kênh nóng (Hot leg) LB LOCA

• Hiện tượng giống như trường hợp vỡ kênh lạnh ( giảm mực nước, làm đầy, làm tràn) nhưng:

- Không có dòng chảy ngược trong giai đoạn giảm mực nước, dòng tiếp tục chảy lên vào vùng hoạt

- Hơi sinh ra trong vùng hoạt có thể dể dàng vượt qua chỗ vỡ -> không có dòng tắt qua khoang lưu hồi

2 TAI NẠN VƯỢT RA

NGOÀI THIẾT KẾ CƠ BẢN

Tai nạn nghiêm trọng

• Hậu quả là xuống cấp lõi / tan chảy lõi

và giải phóng phóng xạ vào môi trường

Trong giai đoạn tàu - suy thoái cốt lõi

• Lõi được làm nóng bằng nhiệt phân rã sau khi tắt máy

• Nhiệt độ tiêu biểu

- 1130 oC điểm nóng chảy kim loại urani, hình thành tan chảy U

trong thời gian UO2 / Zr eaction

- 1200 oC tăng tốc quá trình oxy hóa Zr

- 1300 oC hình thành Zr / thép eutectic

- 1450 oC điểm nóng chảy thép

- 1845 oC điểm nóng chảy Zr

- 1970 oC - điểm nóng chảy α-Zr(O)

- 2600 oC (U, Zr, O) gốm tan chảy

- 2690 oC ZrO2 điểm nóng chảy

- 2850 oC điểm nóng chảy UO2

Suy thoái lõi - quá trình oxy hóa

- Phản ứng hơi nước Zr trên 1200 oC

Suy thoái lõi – thí nghiệm PHEBUS

- Các thí nghiệm trên PHEBUS nghiên cứu lò phản ứng, tại Cadarache, Pháp

- Gói nhiên liệu thực trong kênh đóng

- Bị đốt cháy, ngay cả nhiên liệu NPP cũng có thể được

sử dụng

- Để xác định việc giải phóng sản phẩm phân hạch,

mô phỏng xác thực

Suy thoái lõi –thí nghiệm PHEBUS

Thay đổi nhiệt độ nhiên liệu và suy thoái lõi trong PHEBUS

Suy thoái lõi – thí nghiệm PHEBUS

Chụp X quang gói nhiên liệu suy thoái trong PHEBUS

Suy thoái lõi - di chuyển corium

• Corium xuất hiện trong nhiều

cụm nhiên liệu,sau đó nó nhận được

huy động

• Lớp vỏ bao quanh corium

không thể chịu được ảnh hưởng

của corium, lớp vỏ hỏng

• Corium chuyển đến đáy tàu trong vài

phút

• Corium có thể chảy ở bên ngoài

một phần của lõi, hoặc tại nơi đã

thiếu FAs Sự hỏng lớp vỏ và di chuyển corium trong RPV

Nổ hơi trong thùng lò

• Tương tác nước-corium giữa Corium chuyển dời

và nước còn lại ở dưới cùng của RPV

• Những hậu quả có thể xảy ra:

- Tăng áp lực trong bình và

trong mạch chính

- Tiếp tục quá trình oxy hóa Zr còn lại trong lõi

Vỡ đáy tàu, corium thoát ra

Corium phóng qua đầu tàu có thể làm hỏng

lớp ngăn chặn

Sự bùng nổ hơi nước trong tàu có thể dẫn

tới vỡ RCS

Hỏng thùng lò -truyền nhiệt trong corium

• Thí nghiệm TMI - corium ở

các lớp riêng biệt: ở các lớp thấp hơn

chủ yếu là UO2 và ZrO2, phía trên

pha kim loại nóng chảy

• Tan chảy U-Zr-O đóng băng, lớp vỏ được tạo

• Hầu hết nhiệt được truyền qua

thép nóng chảy, có thể dẫn đến

thiệt hại cục bộ (hiệu ứng trọng tâm)

• Kết quả thử nghiệm: vì

đối lưu tự nhiên của corium trong

tàu, dòng nhiệt tối đa có thể

được quan sát ở 70 °, lượng nhiệt tối thiểu

tại điểm thấp nhất của tàu

Hỏng thùng lò - truyền nhiệt trong corium

• Cơ sở RASPLAV, Nga

- Kiểm tra độ tan chảy UO2 / ZrO2 / Zr

- Một phần của pha kim loại nóng chảy chìm xuống đáy tàu

- Phân phối các sản phẩm phân hạch phụ thuộc vào dạng hóa học của chúng (oxit trong pha gốm, kim loại trong pha kim loại nóng chảy)

Hỏng thùng lò - Thí nghiệm TMI

• TMI: 20 tấn corium là

tìm thấy trong đầu đáy tàu

• Nước –Corium tập trung

phản ứng đã bị bỏ lỡ (nó có thể

dẫn đến 2 MPa quá áp trong tàu)

RPV của TMI-2 sau tai nạn Nguồn: Florian Fichot, IRSN

Hiện tượng hỏng thùng lò

• Vỡ đáy thùng lò:cơ chế khác nhau tùy thuộc vào

áp lực chính và nhiệt phân rã

- Áp suất thấp: nóng chảy

- Áp lực trung gian: gãy xương sườn

- Áp lực cao: gãy xương dễ uốn

• Gãy các đường tấm có mức xác suất

cao nhất

• Trên 800 oC thùng lò hợp kim có thể

vỡ ở áp suất 20-25 bar

• Hỏng tàu cần ít nhất một vài giờ

Hiệu ứng trọng tâm do lỗi tàu (phát hành corium ~ 40-60%)

Vụ nổ hydro

Hiện tượng phụ thuộc vào sự phân bố

nồng độ hydro:

- Sự bùng cháy : ở hydro thấp hơn tập trung

nó chỉ gây ra đỉnh áp lực trong ngăn chặn

- Tăng tốc lửa hoặc chuyển tiếp đến

nổ: ở hydro cao hơn tập trung, nó có thể gây nguy hiểm tính toàn vẹn của lớp ngăn chặn

- Nhiệt độ trên 85 ° C, hơi nước trong không khí nhiều hơn, không có sự cháy có thể xảy ra

Nóng chảy liên kết Corium-bê tông

• MCCI – Liên kết bê tông lõi nóng chảy:

- Tan chảy của bê tông basemat: conrete trở nên dẻo dưới corium

- Khí không ngưng tụ được tạo ra -> áp suất đỉnh trong ngăn chặn

- Quy trình phụ thuộc vào thành phần bê tông:

• Si-bê tông: xói mòn nhanh với sản lượng khí thấp

• Bê tông đá vôi: xói mòn chậm với sản lượng khí đáng kể

Xói mòn 400 kg corium trên bê tông khác nhau; A = 50cm * 50cm; Q = 150kW

Làm thế nào để tránh hỏng tàu? (VVER-440)

• Mục tiêu: giữ corium nóng chảy bên trong bình áp suất lò phản ứng

(lưu giữ corium trong tàu)

• Công cụ: Làm mát bên ngoài của RPV

• Các vấn đề:

- Phân tầng Corium và tập trung

- Có thể CHF trên bề mặt bên ngoài lò phản ứng

- Đường dẫn dòng chảy hẹp trong khoang lò phản ứng cho dòng hai pha

 CERES (Hiệu quả làm mát trên bề mặt bên ngoài lò phản ứng)

cơ sở ở MTA EK (AEKI)

Các công cụ khác nhau để giảm thiểu hydro

Giảm thiểu nóng chảy lõi- tương tác bê tông

Cơ sở kiểm tra VULCANO (Cadarache, Pháp)

- Tối đa 100 kg corium

- Làm nóng bằng plasma hồ quang (3200 oC)

• Chiều cao corium nhỏ hơn

• Làm mát nhanh hơn và kiên cố hóa

Giảm thiểu cốt lõi nóng chảy - tương tác bê tông Diện tích lan truyền của EPR

Lây lan của các corium trên một bề mặt khô sau khi hỏng tàu

và nóng chảy của „tan chảy cắm"

3 Các vụ tai nạn hạt nhân

Tai nạn TMI2

- Tại Harrisburg, Pennsylvania, USA

- Ngày 28/3/1979 ( 12 ngày sau ngày công chiếu bộ Phim “The China Syndrome”)

- Một phần lõi của 1 lò PWR bị nóng chảy

- Ảnh hưởng tới môi trường và sức khỏe đã được kiểm soát

- Tác động tới niềm tin của cộng đồng vào năng lượng hạt nhân

- Tác động không nhỏ tới an toàn Hạt Nhân

Sơ đồ hệ thống nhà máy điện TMI-2

- Tổng công suất điện của nhà máy 907MW

- Mỗi tổ máy gồm 1 lò phản ứng, 2 bình sinh hơi (SGs: Steam

Generators), 4 bơm làm mát chính

(MCPs: the main coolant pumps ), cùng với 3 bơm dự phòng và 1 turbine

- Tai nạn 28/3/1979 là xảy ra tại tổ máy số 2

Chuỗi sự kiện dẫn đến tai nạn

t=0 van nước cấp cho bình sinh hơi bị đóng, áp suất hơi vào turbin giảm làm phá vỡ vòng tuần hoàn nước

t=0-3s: bơm nước cấp khẩn khấp bắt đầu hoạt động, nhưng van đã bị kẹt dẫn đến không có

nước cấp

t=3-6s, nhiệt độ lò tăng, áp suất tăng dấn đến van

xả (PORV: pilot operated relief valve: van giảm áp)

t=8: tắt lò khẩn cấp diễn ra (SCRAM:safety

control rod axe man)

t=13s: điện áp được ngắt tự động, nhưng van xả khi mở ra đã không đóng làm áp suất giảm không ngừng gây mất chất làm mát (small-break loss-of-coolant accident :SB-LOCA) 2 giờ sau sự mất chất làm mát mới được phát hiện(Operators

recognize the coolant loss only two hours later)

t=41s: mức áp suất thấp của bình điều áp => máy bơm C được vận hành nhằm tăng áp suất

t=60s: SG bắt đầu khô hơn

t=2’2s: áp suất vòng sơ cấp giảm=> Hệ thống phun áp lực

cao (HPIS: high pressure injection system) 1B và 1C hoạt động tự động, nhưng 1B đã được dừng bằng tay.

t=4’38: áp suất tăng lên đáng kể=> bơm 1C tắt, đồng hạ tốc độ dòng trong bơm 1A còn 10%.

t=6’: áp suất vòng sơ cấp là 93bar, nhiệt độ chân nóng (hot leg

temperature) khoảng 307 ℃, nước sôi trong chu trình sơ cấp , nước sôi trong chu trình sơ cấp (hot leg temperature 307 °C, water is boiling in primary circuit).

t=7’29: máy bơm của thùng lắng (the sump system ) đưa nước rò rỉ

từ thùng vòng sơ cấp về thùng chứa về bể chứa phụ để làm sạch

(Pump of the sump system transfers leaked primary water from

containment to the auxiliary building make-up water tank)

t=8’: điều hành viên nhận ra van cấp nước khẩn cấp bị khóa=>ngay sau đó vấn đề đã được giải quyết nước cấp khẩn khấp về được đưa vào vòng thứ cấp.

t=11’: áp suất trong bình điều áp giảm xuống thấp hơn mức cho

phép (Pressurizer level decreases into the measuring region)

t=14’48: đĩa an toàn áp suất của bình điều áp bị vỡ làm hơi nước tràn ra thùng lò.

t=22’: MCP rung mạnh=> hiện tượng sối xuất hiện trong hệ thống làm mát lò phản ứng (RCS)

t=1h14’: MCP-B dừng để ngắt kết nối với SG-B

t=1h41’: các kỹ sư vận hành đã dừng MCP-A, làm sự

chênh lệch nhiệt độ hai chân nóng lạnh tăng.

t=2h18’: kỹ thuật viên vận hành đã đóng độc lập van điều

áp, làm áp suất sơ cấp tăng.

t= 2 h 54 phút: Một MCP làm việc trong 15 phút, áp suất tăng lên 145 bar (tạo hơi và phản ứng hơi nước Zr).

t = 3 h 12 phút: bằng cách mở van giảm áp độc lập , áp suất giảm xuống 69 bar.

t=3h20: 2 bơm HPIS được sử dụng nhằm giảm áp suất sơ cấp nhưng đã thất bại, do xuất hiện hydro trong thùng lò phản ứng.

t=9h50: hydro bốc cháy trong lò.

t=15h50: 1 bơm MCP được sử dụng.

t=16h: lõi lò đã trở lại nhiệt độ phù hợp.

Hậu quả mà tai nạn để lại

+) Theo báo cáo của Ủy Ban Kemeny:

-90% lớp vỏ ngoài của thanh nhiên liệu đã bị hỏng, khoảng 50% Zr chuyển thành 0 => gây suy thoái lõi và cần thay viên nhiên liệu.

-Nhiệt độ thanh nhiên liệu lên tới 2200°C ở phần trên của lõi và 2800°C ở phần dưới.

-Thanh điều khiển bị tan chảy một phần.

-Thải ra môi trường lượng khí thải, tính từ 28/3 tới 27/4, iot(500-600 GBq) và khí

hiếm( 370PBq) Phần lớn các khí thải đều được giữ lại trong lò iot với khoảng 7 triệu Ci -Không phát hiện Cs và Sr trong không khí.

-Phần lớn khí thải phóng xạ thoát ra ngoài qua hệ thống làm mát, bộ lọc khí và hệ thống thông hơi (Largest release was in the form of fission gases transported through the

coolant let-down/ make- up system into the auxiliary building and through the building

filters and the vent header to the outside atmosphere).

-Sự phóng thích khí thải ra môi trường sáng ngày 30/3 chủ yếu là do lỗi bộ phận điều

khiển và bể lọc để thải phóng xạ đi vào lỗ thông hơi

-Trong bán kính 5km, mỗi người chịu liều khoảng 10% liều cho phép trong 1 năm ( tức là

cỡ

•