Lò VVER: nguồn năng lượng sạch và tin cậy trong quá khứ cùng tương lai

Wednesday, 02/04/2014, 00:00

Trong lộ trình phát triển điện nguyên tử, công nghệ lò phản ứng VVER do Nga (trước đây là Liên Xô) xây dựng và phát triển đã được lựa chọn cho nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của Việt Nam.

Để những người quan tâm hiểu thêm về công nghệ VVER, bắt đầu từ bài viết này sẽ cung cấp các thông tin cơ bản, các đặc trưng/nét riêng biệt và ưu điểm của VVER, đặc biệt là thế hệ VVER-1000, và VVER-1200, được phân tích, đánh giá qua các báo cáo khoa học, tài liệu đăng tải trên internet. Trong bài thứ nhất giới thiệu tổng quát về công nghệ VVER gồm ba phần: lịch sử phát triển, kinh nghiệm vận hành và các chỉ số đã đạt được, cuối cùng là mục tiêu phát triển VVER.

1/ Lịch sử phát triển các thế hệ VVER   

Nói về công nghệ VVER, nhà vật lý Liên Xô I.V.Kurchatov đã phát biểu trong Hội nghị khoa học tại Harwell, Anh vào tháng tháng 4 năm 1956 “Trong ý niệm của chúng tôi, chúng là các lò phản ứng hứa hẹn cho một công nghệ năng lượng hạt nhân mức độ lớn của tương lai gần nhất”  

VVER hay WWER (dịch từ tiếng Nga là Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor hay tiếng Anh là Water-Water Power Reactor) là loại thiết kế lò áp lực (PWR) được phát triển khởi đầu bởi công ty OKB Gidropress, trực thuộc Rosatom. Các thế hệ sớm nhất của VVER được xây dựng từ trước 1970. Thế hệ đầu tiên là VVER-440 trong đó kiểu V230 được thiết kế thông dụng nhất cung cấp 440 MW điện, sử dụng 6 vòng và một bình sinh hơi nằm ngang. Tiếp tục sửa đổi VVER-440, kiểu V213 thuộc thế hệ II ra đời đã là sản phẩm của các tiêu chuẩn an toàn hạt nhân đầu tiên được thông qua tại Liên Xô. Kiểu lò này được bổ sung các hệ thống cấp nước phụ trợ và làm mát khẩn cấp vùng hoạt cũng như các hệ thống định vị sự cố được nâng cấp. Lò VVER kiểu V213 đã hoạt động từ năm 1971 (có giấy phép hoạt động đến 2016) mà chưa có sự thay thế bình sinh hơi, bộ phận lắp ráp trên đỉnh lò và các bộ phận chủ yếu khác. H.1 là lò VVER-440 cổ nhất tại nhà máy Novovoronezh.  

VVER-1000 lớn hơn thuộc thế hệ thứ III được phát triển sau 1975. Năm 1980 VVER-1000 đầu tiên đã được đưa vào hoạt động. Loại  lò này có một hệ thống 4 vòng được bao trong một kết cấu dạng nhà lò với một hệ thống triệt áp hơi bằng tia. Các thiết kế VVER được làm công phu để kết hợp với các hệ thống nhà lò, an toàn thụ động và kiểm soát tự động của thế hệ lò phản ứng thứ III phương Tây. H.2 là nhà máy Balakavo VVER-100.

 

 

H.1: VVER-440 tại Novovoronez

 

 

H.2: VVER-1000 tại Balakovo

 

 

H.3: VVER-1200 đang xây dựng

 

VVER-1200 là kiểu thiết kế mới nhất hiện nay đã được đề xuất xây dựng. VVER-1200 là tiến hóa của VVER-1000 với công suất tăng lên đến 1200 MW điện và có các đặc trưng an toàn thụ động thêm vào. VVER-1200 thuộc thế hệ III+ trong giai đoạn từ năm 2006-2017. Các giai đoạn xây dựng thế hệ VVER-1200 gồm kiểu V392M, V491 và V501. Cùng thế hệ VVER-1200 của Nga, các lò của phương Tây có ESBWR và APWR đang trong giai đoạn thiết kế, các lò EP, AP1000 và SFR (BN-800) đang trong các giai đoạn xây dựng. Trong H.3 là VVER-1200 đang xây dựng tại Novovoronezh

VVER vẫn đang được lên kế hoạch cải tiến và nâng cấp. Hiện nay lò VVER-SCWR (SCWR- supercritical water reactor, loại lò nước nhẹ-LWR, sử dụng nước có các thông số nhiệt độ, áp suất trên điểm tới hạn của nó) đang trong giai đoạn thiết kế. Loại lò SCWR là hệ thống hạt nhân tiên tiến hứa hẹn trong tương lai do có hiệu suất nhiệt cao (45% so với 33% đối với các LWR hiện nay) và thiết kế đơn giản hơn. Dự kiến từ năm 2017 trở đi, thế  hệ lò thứ IV sẽ có sự hiện diện của VVER-SCWR cùng với các lò phương Tây khác như GFR, LFR, MSR, SFR, SCWR và VHTR, đây cũng là các lò đang trong giai đoạn thiết kế.  

2/ Kinh nghiệm vận hành và các chỉ số đạt được của VVER

- Tính đến năm 2009 đã có 51 nhà máy điện hạt nhân (ĐHN) sử dụng công nghệ VVER. Thời gian vận hành tích lũy của VVER lớn hơn 1290 lò-năm. Đáng nói là, cả thế giới có 39 nhà máy ĐHN đưa vào hoạt động từ năm 1999 trong đó có 8 nhà máy sử dụng VVER. Ngoài 51 nhà máy ĐHN đang hoạt động sử dụng công nghệ VVER nói trên, cũng tính đến năm 2009 tiếp tục có 14 trong tổng số 52 nhà máy ĐHN đang xây dựng sử dụng VVER. Theo thống kê cho đến năm 2013, ngoài Nga còn có một số nước sử dụng công nghệ VVER chủ yếu là thế hệ VVER-1000 và VVER-440, như Thổ Nhĩ Kỳ, Bungari, Slovakia, Iran, Cộng hòa Séc, Đức, Ucraina, Ấn Độ, Phần Lan, Acmeni, Hungary, Trung Quốc. Trong đó số lượng sử dụng VVER-1000 chiếm đa số (55 lò trong tổng số 105 VVER đã và đang xây dựng). Riêng thế hệ VVER-1200 tiên tiến nhất hiện nay đã có 10 lò đang trong giai đoạn xây dựng tại Thổ Nhĩ Kỳ và Nga.  

Như vậy có thể nói kinh nghiệm vận hành công nghệ VVER rất đáng kể.

- Mức độ hoạt động của một nhà máy ĐHN được đánh giá thông qua các chỉ số đạt được như hiệu quả nhiệt (thermal efficiency), hệ số công suất (capacity factor), hệ số phụ tải (load factor), hiệu quả kinh tế (economic efficiency) và hiệu quả vận hành hay hệ số vận hành (operation efficiency/operation factor). Trong đó hệ số công suất và hệ số phụ tải có cùng ý nghĩa là đánh giá về tỉ số năng lượng trung bình cung cấp cho nhà máy ĐHN với năng lượng được định ước (hay cao nhất) cho nhà máy đó trong một khoảng thời gian vận hành. Vì vậy hệ số phụ tải là một trong những yếu tố quan trọng để dự đoán giá điện bình quân quy dẫn (levelized cost) tại một nhà máy ĐHN hay nói cách khác là một yếu tố rất ý nghĩa trong việc xác định chi phí thực của năng lượng hạt nhân. Một chỉ số nữa cũng rất quan trọng là hiệu quả vận hành. Hiệu quả vận hành được định nghĩa là tỉ số giữa tổng điện được sản xuất ra thực tế trong một khoảng thời gian so với tổng điện tiềm năng (định ước) của nhà máy được sản xuất nếu hoạt động ở công suất cao nhất (100%) cùng thời gian.    

Trong báo cáo tại Hội nghị quốc tế về “Các cơ hội và thách thức đối với các lò phản ứng làm lạnh bằng nước trong thế kỷ 21” được tổ chức năm 2009, các nhà khoa học Nga đã cung cấp hai chỉ số quan trọng nói trên đạt được của công nghệ VVER qua các năm vận hành. Các thông tin này có thể tóm tắt như sau:  

+ Hệ số phụ tải (load factor) của VVER nói chung thống kê từ năm 1970 đến 2008 so với các lò PWR khác trên thế giới cũng ở mức tương đương và có cùng xu hướng giữ mức cao (70 – 80%) ổn định từ năm 2000 trở về sau. Tuy  nhiên hệ số phụ tải của PWR có xu hướng tăng dần theo thời gian một cách ổn định trong khi đối với VVER tại Nga có sự thăng giáng hơi lớn trước năm 2001. Yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hệ số phụ tải là “tuổi” của lò phản ứng. Hệ số phụ tải của các nhà máy ĐHN trên thế giới khác nhau còn do yếu tố đất nước ví dụ các nhà máy ĐHN tại Phần Lan, Bỉ hay Thụy Sĩ có cùng thời gian vận hành với các nhà máy ở Ấn Độ nhưng hệ số phụ tải lên đến trên 80-90% trong khi Ấn Độ chỉ trên 50%.

H.4 là biểu đồ hệ số phụ tải theo thời gian của VVER và PWR

 

H.4: Biểu đồ hệ số phụ tải theo thời gian của VVER và PWR

 

+ Hệ số vận hành (operation factor) của VVER nói chung so với PWR cũng ở mức cao tương đương (từ 80 đến trên 80%) từ năm 2001 trở về sau theo biểu đồ thống kê giai đoạn 1970-2008. Thậm chí trong các năm từ 1973 đến 1989 hệ số vận hành của VVER tại Nga còn cao hơn nhiều so với PWR. Nhưng biểu đồ thăng giáng của hệ số vận hành cũng giống như đối với hệ số phụ tải. H.5 là biểu đồ hệ số vận hành theo thời gian của VVER và PWR

 

H.5: Biểu đồ hệ số vận hành theo thời gian của VVER và PWR

 

+ Ngoài các chỉ số vừa nêu trên, trong báo cáo này các nhà khoa học Nga cũng đưa ra biểu đồ thống kê so sánh tần suất scrams của các lò phản ứng tại Nga với các lò trên thế giới nói chung. Sự thống kê cho thấy mức độ scrams của các lò Nga thấp hơn so với các lò trên thế giới ví dụ trong năm 1995 mức độ scrams (tính cho đơn vị vận hành là 7000 giờ) cao nhất của lò Nga là 0,72 thì của các lò khác trên thế giới là 1,11 hay thấp nhất trong năm 2008 của lò Nga là 0,25 thì trên thế giới là 0,49. Một chỉ số nữa cũng được đề cập là liều chiếu xạ dân chúng từ các lò phản ứng của Nga ngày càng giảm và ở mức tương đương với thế giới.

3/ Mục tiêu phát triển công nghệ VVER của Nga

Từ năm 2009 Nga đã đặt ra mục tiêu đến năm 2030 sản lượng điện hạt nhân tăng gấp đôi. Vì mục tiêu này Nga đã lên kế hoạch xây dựng 26 nhà máy ĐHN đồng thời giải quyết các vấn đề về chất lượng lò phản ứng trên cơ sở công nghệ VVER.

Mục tiêu phát triển công nghệ VVER cụ thể như sau:

- Các lò phản ứng của thiết kế VVER-1200 tiên tiến  được đề nghị xây dựng và đưa vào hoạt động từ năm 2012

- Thiết kế công nghệ VVER-1200 phải đạt được các tiêu chí:

 + Giảm chi phí đầu tư và thời gian xây dựng

 + Tăng hiệu quả vận hành và hệ số phụ tải

 + Kéo dài tuổi thọ (thời gian vận hành) của lò

 + Giảm chi phí vận hành

 + Giảm chất thải phóng xạ phát ra. 

- Công nghệ VVER phải đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn theo Qui chế của Nga, theo khuyến cáo của IAEA và các tiêu chuẩn của EU.

- Thiết kế VVER-1200 (H.6) cần đáp ứng các phương hướng được đề cập và vươn tới qui mô cao nhất. Cụ thể các chỉ số quan trọng cần đạt như sau: 

+ Công suất tăng đến 1200 MWt

+ Tuổi thọ kéo dài đến 60 năm

+ Hiệu quả được tăng đến 36%

+ Hệ số phụ tải được tăng đến 90%

- Nga cũng đặt ra mục tiêu phát triển thế hệ VVER-1200 trong tương lai là VVER-1200A (Kiểu V501) với mục đích giảm đến mức tối thiểu chi phí xây dựng, chế tạo, lắp ráp và bảo dưỡng do sự bố trí 2 vòng đồng thời mở rộng thiết bị chủ yếu. H.7 là mô hình của VVER-1200A

 

H.6: Mô hình VVER-1200

 

H.7: Mô hình VVER-1200A

 

Một số thiết kế cho phiên bản tương lai của VVER đã được làm như: MIR-1200 được thiết trong sự liên kết với Sec để thỏa mãn các tiêu chuẩn châu Âu; VVER-1500 nhằm nâng tổng sản phẩm điện lên đến 1500MWe nhưng đã được hoãn thiết kế để ưu tiên cho VVER-1200 tiến hóa; VVER-TOI được nhắm đến sự phát triển dự án về thế hệ III+ mới dựa trên công nghệ VVER để đáp ứng một số các thông số được định hướng đích tới khi sử dụng các công nghệ quản lý và thông tin hiện đại.    

 

Trần Thu Hà

Nguồn “VVER reactors: clean and reliable source of  energy in the past and in the future”,“VVER”-Wikipedia 

Lượt xem: 3317