Tuy nhiên, trên thế giới không chỉ có các loại công nghệ LPƯ trên mà còn nhiều công nghệ khác nữa như: CANDU, FBR, APR1400, v.v... Trong bài viết này, sẽ giới thiệu và có so sánh công nghệ LPƯ cải tiến APR1400 do Hàn Quốc phát triển. Thực chất đây cũng là lò thuộc công nghệ LPƯ nước áp lực, song có những đặc tính an toàn ưu việt riêng.
Công nghệ LPƯ APR1400 cũng có thể là một lựa chọn tốt cho Việt Nam khi muốn sử dụng ĐHN. Tuy nhiên, mặt hạn chế của lựa chọn này là song song với việc đa dạng hóa công nghệ hạt nhân chúng ta có thể gặp các khó khăn trong quản lý công nghệ, trong đó có quản lý tiêu chuẩn, an toàn, v.v... đặc biệt trong bối cảnh nền công nghệ hạt nhân của Việt Nam còn non trẻ. Sau đây là một số điểm chính về công nghệ APR1400.
1) Về kinh tế
Công nghệ APR1400 được nghiên cứu nhằm tăng khả năng cạnh tranh với nhiệt điện chạy than và cũng là để củng cố tính an toàn của LPƯ. Giá thành sản xuất điện của một lò đôi dùng công nghệ APR1400 chỉ bằng 80% - 75% giá thành sản xuất điện của một nhà máy nhiệt điện chạy than có công suất 1000 MWe tương ứng.. Trong một thập kỷ qua, hệ số vận hành của các LPƯ của Hàn Quốc đều đạt 90%, thậm chí là hơn. Công nghệ APR1400 được yêu cầu thiết kế hệ số vận hành lớn hơn các LPƯ hiện tại, nên nhà máy ĐHN loại này sẽ có thể được vận hành với hệ số cao hơn.
|
Mô hình lò đôi APR1400 của một nhà ĐHN (Nguồn: internet)
|
2) Hiện trạng công nghệ APR1400
Cục quản lý hạt nhân (Nuclear Regulatory Body) thuộc Viện An toàn hạt nhân Hàn Quốc (Korean Institute of Nuclear Safety) đã cấp chứng chỉ thiết kế (Design Certification) cho công nghệ APR1400 vào tháng 5 năm 2002. Nhà máy ĐHN đầu tiên áp dụng công nghệ APR1400 gồm hai LPƯ số 3 và 4 được đặt tại Shin-Kori đang trong quá trình xây dựng và dự kiến sẽ đưa vào vận hành thương mại vào năm 2013 và 2014. Cũng theo kế hoạch một nhà máy thứ hai gồm hai LPƯ số 1 và 2 được đặt tại Shin-Ulchin sẽ được hòa lưới điện vào năm 2015 và 2016.
Liên đoàn các nước Ảrập (UAE) cũng đã chọn công nghệ APR1400 cho các nhà máy ĐHN đầu tiên của họ vào cuối năm 2009. Hai nhà máy gồm 4 LPƯ sẽ được xây dựng ở Braka, UAE và dự kiến LPƯ số 1 sẽ đi vào hoạt động năm 2017.
Công ty KHNP đã bắt đầu các hoạt động xin cấp phép chứng chỉ thiết kế của ủy ban quản lý hạt nhân, Mỹ (US. NRC) cho công nghệ APR1400 từ tháng 4 năm 2010. Công ty KHNP cũng đã có một số cuộc họp với NRC để đàm phán về việc cấp chứng chỉ thiết kế. KHNP sẽ chính thức trình đơn xin cấp phép vào cuối năm 2012.
3) Đặc tính an toàn chủ yếu của công nghệ APR1400
Về cơ bản công nghệ APR1400 được dựa trên thiết kế của công nghệ LPƯ OPR1000 bao gồm, các khái niệm “bảo vệ an toàn từ bên trong” (defense-in-depth). Các đặc tính an toàn tiên tiến đã giúp APR1400 tăng cường mức an toàn cao hơn so với các LPƯ thông thường khác. Hệ thống an toàn của APR1400 bao gồm: Hệ thống bơm an toàn (Safety Injection System – SIS), Bể nước làm mát được đặt bên trong vỏ chứa LPƯ (In-containment Refueling Water Storage Tank – IRWST), Hệ thống an toàn thông hơi và giảm áp (Safety Depressurization and Vent System – SDVS), Hệ thống làm mát vỏ chứa LPƯ (Containment Spray System – CSS), và Hệ thống cung cấp nước phụ trợ (Auxiliary Feed Water System – ASWS).
|
Sơ đồ hệ thống phun an toàn (Nguồn: internet)
|
Khái niệm chính của thiết kế hệ thống SIS đó chính là sự đơn giản hóa để đạt được hiệu suất và độ tín cậy cao. Hệ thống SIS gồm 4 hệ truyền động cơ khí độc lập được liên kết với 2 vùng điều khiển điện, cho phép nước từ bể IRWST được bơm trực tiếp vào bên trong LPƯ. Mỗi hệ truyền động gồm 1 máy bơm an toàn chủ động (Active Safety Injection Pump – SIP) và 1 bình phun bị động (Passive Injection Tank) được trang bị bộ điều khiển dòng (Fluidic Device – FD). Trong trường hợp xảy ra sự cố mất nguồn làm mát cho LPƯ, bộ FD được kích hoạt và có thể tạo ra một lưu lượng nước lớn. Khi yêu cầu làm mát khẩn cấp giảm, bộ FD vẫn duy trì lưu lượng nước đủ lớn để loại bỏ tất cả nhiệt lượng sinh ra từ LPƯ.
Bể IRWST được đặt bên trong vỏ chứa LPƯ và được bố trí sao cho nước sau khi được bơm đi để làm mát LPƯ lại trở về bể. Đây là một bước cải tiến khác của APR1400 so với các LPƯ thông thường. Ngoài ra bể chứa IRWST này còn có chức năng chứa nước thay thế, đây cũng là nguồn nước dùng cho SIS, hệ thống làm mát khi LPƯ ngưng hoạt động (Shutdown Cooling System – SCS), hệ thống CSS, và là môi trường để làm ngưng tụ hơi nước sinh ra từ bộ điều áp khi cần phải giảm áp suất đột ngột, cũng như một số chức năng khác.
Hệ thống SDVS được thiết kế để làm giảm áp suất cho hệ thống làm mát LPƯ (Reactor Coolant System – RCS) khi bình điều áp không hoạt động trong quá trình làm mát. Lúc đó, van trên ống nối từ bình điều áp tới bể IRWST sẽ được kích hoạt tạo ra dòng thông lưu giữa chúng (xem hình vẽ trên).
Hệ thống CSS gồm 2 hệ truyền động dùng bơm hút nước từ bể IRWST để làm mát và giảm áp suất cho vỏ chứa LPƯ khi sự cố xảy ra. Hệ thống CSS và SCS được kết nối với nhau, do đó với thiết kế này, hệ thống CSS có độ khả tín cao hơn so với các LPƯ thông thường khác.
|
Hệ thống an toàn của APR1400 (Nguồn: internet)
|
Hệ thống AFWS bao gồm 2 khu vực và 4 hệ truyền động, cung cấp nước tới bình sinh hơi cho hệ thống làm mát LPƯ (RCS) trong trường hợp xảy ra sự cố mất nguồn cung cấp nước hay sự cố mất nguồn làm mát (LOCA). Khác với LPƯ thông thường có thùng chứa nước sau khi hơi nước đã được ngưng tụ, APR1400 có hai thùng chứa nguồn nước để cung cấp trong trường hợp khẩn cấp đặt độc lập với nhau bên trong tòa nhà phụ trợ.
Ngoài ra, APR1400 còn có hệ thống quản lý để ngăn chặn và làm giảm hậu quả của các tai nạn nghiêm trọng, duy trì nguyên vẹn kết cấu của vỏ chứa LPƯ.
4) Làm gì khi tai nạn xảy ra?
Công nghệ APR1400 được thiết kế để giảm nhẹ thiệt hại khi tai nạn hạt nhân nghiệm trọng xảy ra. Ví dụ tai nạn do bị máy bay đâm, bị cô lập hoàn toàn với nguồn cung cấp điện từ bên trong cũng như từ bên ngoài, bị ngập lụt, hay thậm chí khi lõi LPƯ bị tan chảy, v.v... LPƯ này có hai hệ thống làm mát gồm hệ thống làm mát sơ cấp và hệ thống làm mát thứ cấp để đề phòng trường hợp lõi LPƯ hoặc vỏ LPƯ bị tan chảy.
|
Mô hình 3D của nhà máy ĐHN APR1400 (Nguồn: internet)
|
Trong trường hợp nếu còn nguồn nước cung cấp cho hệ thống RCS thì nhiệt sinh ra từ LPƯ sẽ được lấy đi thông qua cơ chế hoạt động là cung cấp nước lạnh và lấy đi hơi nước và nước nóng. Khi đó van phía trên bình điều áp sẽ được kích hoạt mở, hơi nước và nước nóng sẽ được chuyển về bể IRWST. Bể IRWST chứa 650.000 gallons (tương ứng 2.461 m3) nước làm mát, làm ngưng tụ hơi nước, làm nguội nguồn nước nóng.
Trong trường hợp không thể cung cấp nguồn nước làm mát vào hệ thống làm mát sơ cấp, ta có thể làm mát hệ thống sơ cấp bằng việc làm mát hệ thống thứ cấp. APR1400 cũng có hai bơm để cung cấp nguồn nước làm mát phụ trợ, có thể bơm nước làm mát vào bộ sinh hơi (SG). Hệ thống này chỉ cần dùng nguồn điện một chiều (sử dụng các nguồn ắc quy dự trữ). Hơn nữa đường truy xuất vào bể cung cấp nước dự trữ được thiết kế bên trên mặt đất và ở bên ngoài tòa nhà phụ trợ, do đó có thể dùng bơm bên ngoài để cung cấp nguồn làm mát khi nguồn ắc quy dự trữ không đủ công suất.
Hệ thống làm mát khẩn cấp dùng cho vỏ chứa LPƯ sẽ hoạt động để phun nước vào bên trong nhà chứa bằng việc dùng máy bơm bên ngoài, thậm chí có thể dùng xe cứu hỏa. Trong trường hợp nếu lõi LPƯ không được làm mát đầy đủ thì nó sẽ bị nóng chảy và có thể làm thủng vỏ LPƯ, khi đó nhiên liệu sẽ chảy xuống hầm chứa được thiết kế sẵn bằng lớp bê tông cực dày. Lúc đó, nước làm mát từ bể IRWST sẽ được xả xuống hầm chứa để làm mát nhiên liệu đã bị nóng chảy thông qua hệ thống chống ngập lụt.
5) Liên hệ với tai nạn hạt nhân Fukushima Daiichi
Trận động đất có cường độ mạnh 9.1 độ Reter làm cho Nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi ngừng hoạt động (phản ứng hạt nhân được dập tắt) và gây ra cơn sóng thần cao 15 m tràn vào Nhà máy sau đó một thời gian ngắn. Đây chính là nguyên nhân làm cho Nhà máy bị thiệt hại, ngập lụt trong nước, vô hiệu hóa các máy phát điện chạy dầu, dẫn tới cô lập Nhà máy với các nguồn phát điện cả bên trong lẫn bên ngoài. Do thiếu năng lượng để bơm nước làm mát LPƯ, nguồn nước trong lò bị cạn dần, dẫn tới việc các vỏ thanh nhiên liệu bị oxy hóa và sinh ra khí hydro. Nồng độ khí hydro này vượt quá giới hạn trong không gian “trật hẹp” của nhà LPƯ đã tác dụng hóa học với hơi nước có trong không khí bên trong lẫn bên ngoài vỏ chứa, và dẫn tới cháy nổ. Hậu quả là các chất phóng xạ bị thoát ra bên ngoài, theo gió phân tán đi khắp nơi, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và đời sống sinh hoạt của con người.
Tòa nhà chứa LPƯ, tòa nhà phụ trợ và hệ thống an toàn của APR1400 được thiết kế có tính đến yếu tố động đất cường độ mạnh. Vì vậy, APR1400 có hệ thống cửa có thể ngăn nước vào bên trong cũng như là có thiết kế không gian để chống ngập lụt. Nhà phụ trợ và hệ thống an toàn được chia ra làm 4 khu vực. Khi một khu vực nào đó bị ngập và chức năng hoạt động bị tê liệt thì sẽ có khu vực khác để thay thế và điều khiển. Phòng chứa máy phát điện chạy dầu dự trữ cũng được thiết kế để tránh ngập lụt và sóng thần. Do đó đã loại bỏ được khả năng nhà máy bị cô lập hoàn toàn với nguồn phát điện do sóng thần tràn qua.
Thậm chí nếu trong trường hợp nhà máy bị cô lập thì nguồn cung cấp nước phụ trợ được vận hành bằng nguồn điện một chiều sẽ bơm nước làm mát vào bộ sinh hơi để làm mát hệ thống làm mát sơ cấp. Do hiện tượng tuần hoàn tự nhiên bên trong hệ thống làm mát sơ cấp, lượng nhiệt sinh ra bên trong lò LPƯ sẽ bị triệt tiêu. Sau khi nguồn năng lượng ắc quy dự trữ cạn kiệt thì hệ thống làm mát phụ trợ bên ngoài vỏ LPƯ và vỏ chứa LPƯ lần lượt sẽ được kích hoạt.
Trong trường hợp tất cả các hệ thống trên vẫn không thể ngăn chặn sự tan chảy LPƯ thì nước từ bể IRWST sẽ được xả xuống hầm chứa nhiên liệu đã tan chảy, tiếp xúc trực tiếp với nhiên liệu để làm nguội và rắn hóa nhiên nhiệu tại hầm chứa.
Bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng được bố trí gần mặt đất và có thể dễ ràng tiếp cận nên có thể bơm nước làm mát vào trong bể bằng cách sử dụng bơm bên ngoài hay dùng xe cứu hỏa. Mặc dù bể chứa nhiên liệu này nằm bên trong tòa nhà phụ trợ nhưng đường dẫn nước ra vào bể có thể tiếp cận được từ bên ngoài.
Vỏ chứa LPƯ của APR1400 có thể tích đủ lớn để có thể chứa lượng khí hydro sinh ra do quá trình oxy hóa 100% vỏ thanh nhiên liệu mà nồng độ khí hydro không vượt quá mức tới hạn gây ra cháy nổ. Ngoài ra, APR1400 còn được trang bị hệ thống thoát khí hydro mà không cần dùng đến năng lượng điện cũng như tác động của con người và hệ thống “đốt cháy” khí hydro có thể giảm hàm lượng khí rất nhanh.
Như vậy có thể thấy rằng, APR1400 thuộc công nghệ lò phản ứng hạt nhân tiên tiến với những đặc tính thiết kế an toàn ưu việt riêng biệt. Thiết kế an toàn của APR1400 được nghiên cứu và xem xét một cách tổng thể các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động an toàn của lò phản ứng. Nó được phát triển để tăng cường đáng kể tính an toàn và sức chịu đựng động đất mạnh hơn (300 gal.). Các nguyên nhân dẫn đến tai nạn ở các nhà máy ĐHN trong quá khứ sẽ khó có thể gây ra tai nạn đối với công nghệ APR1400. Hiện tại, năng lượng ĐHN vẫn có đặc tính vượt trội so với các dạng năng lượng khác, song khi chúng ta đã quyết định sử dụng ĐHN thì vấn đề an toàn vẫn bắt buộc phải là ưu tiên hàng đầu.