Công nghệ bẫy vùng hoạt trong lò phản ứng hạt nhân

Wednesday, 10/07/2013, 11:10

 1/ Giới thiệu

     Thuật ngữ China Syndrome được sử dụng ở  Hollywood có nghĩa là một hiện tượng “Bom tấn” trong điện ảnh. Trong lĩnh vực hạt nhân, người ta mượn thuật ngữ này để ám chỉ đến một sự cố hạt nhân đặc biệt nghiêm trọng, đó là lõi lò phản ứng bị nóng chảy dẫn đến các chất phóng xạ thoát ra môi trường (nuclear meltdown). Sự kiện tan chảy vùng hoạt toàn bộ hay từng phần dẫn đến làm thoát ra các chất phóng xạ từ thanh nhiên liệu có tiềm năng thấm qua thùng lò và lớp sàn bê tông gây ra sự ô nhiễm môi trường đất và nước ngầm trong khu vực xung quanh.

     Một phương sách để khắc phục chất phóng xạ từ thanh nhiên liệu tan chảy có tiềm năng thấm vào đất đã được đề xuất, nghiên cứu và phát triển. Đó là một hệ thống hầm chứa được bố trí ngay dưới vùng hoạt với mục đích hứng toàn bộ dòng vật liệut nóng chảy từ vùng hoạt (hay còn gọi là corium) và phân tán chúng, làm lạnh chúng để dừng phản ứng chuỗi phân hạch, nhằm ngăn chặn sự thoát phóng xạ ra môi trường. Công nghệ này được gọi là bẫy vùng hoạt (core catching).

2/ Mô tả công nghệ bẫy vùng hoạt

2.1/ Các mô hình bẫy vùng hoạt được đề xuất và nghiên cứu ở Mỹ.

      Một trong những sự cố tồi tệ nhất trong lịch sử hạt nhân Hoa Kỳ đã xảy ra vào năm 1979 tại Three Mile Island (TMI) thuộc Pennsylvania. Do lỗi của người vận hành và máy móc, vùng hoạt trong lò phản ứng này đã bị mất điều kiện làm mát và trước khi nước làm mát được phục hồi khoảng một nửa thanh nhiên liệu đã bị nóng chảy. Mặc dù nửa số thanh nhiên liệu trong vùng hoạt đã bị biến thành một khối kim loại tan chảy nhưng may mắn là đã không có sự thoát chất phóng xạ vào thùng lò hay tòa nhà lò và như vậy đã tránh được một thảm họa trầm trọng hơn nhiều.

     Một thời gian dài trước khi sự cố TMI xảy ra, các nhà thiết kế thiết bị hạt nhân đã đặt sẵn các hệ thống dưới thùng lò dự phòng cho trường hợp tan chảy vùng hoạt hạt nhân. Các hệ thống này được gọi là bẫy vùng hoạt do chúng được thiết kế để giữ lại dòng vật liệu nóng chảy từ vùng hoạt xuyên qua thùng lò kim loại.

     Bẫy vùng hoạt tiếp tục được phát triển và dần trở thành phức tạp hơn với các vật liệu mới được khám phá và nghiên cứu. Dưới đây sẽ mô tả sáu mô hình sáng chế về bẫy vùng hoạt được phát triển qua nhiều năm tại Hoa Kỳ.

- Mô hình bẫy vùng hoạt năm 1977: Một sáng chế bẫy vùng hoạt số 4. 036.688 đã được ban hành vào 19/7/1977 và thuộc quyền sở hữu của Chính phủ Hoa Kỳ. Thiết kế này (H.1) là một hệ thống được mô tả như sau: Dòng vật liệu từ vùng hoạt bị nóng chảy xuyên qua đáy thùng lò (10) và chảy đến một cái phễu (14) được làm bằng thép cacbon. Từ phễu (14) dòng chảy đến thùng (16) chứa các mảnh vật liệu vùng hoạt (core debris) với mục đích chủ yếu là ngăn chặn các vật liệu vùng hoạt bị nóng chảy hình thành khối hình học tới hạn có thể gây ra phản ứng chuỗi phân hạch không mong nuốn. Trong thùng chứa (16) có một vòm (24) đặt ở trung tâm được tạo thành bằng các khối Nhôm và các thanh Tantali.(26).  Cả hai vật liệu này có điểm nóng chảy cao và là các chất hấp thụ nơtron rất tốt. Mục đích của vòm (24) là phân tán dòng vật liệu vùng hoạt bị nóng chảy trải rộng trên một bề mặt lớn để ngăn chặn sự hình thành khối hình học tới hạn. Mặc dù thùng chứa (16) có tác dụng sẽ làm giảm phản ứng phân hạch hạt nhân trong các mảnh vùng hoạt bị nóng chảy nhưng cuối cùng các mảnh vùng hoạt vẫn sẽ tan chảy và kết hợp với các mảnh bị nóng chảy khi đi vào vùng đệm (18). Trong vùng đệm (18) bố trí các khối gạch cacbonnat ma giê nhằm pha loãng thêm nữa lượng nhiên liệu hạt nhân trong các mảnh vùng hoạt bị nóng chảy. Tường bao quanh vùng đệm (18) được lát gạch graphit (30) và có ống chứa chất lỏng làm mát (không được trông thấy trên hình) chìm bên trong lớp tường. Khi dòng vật liệu vùng hoạt bị nóng chảy tràn tới các bức tướng sẽ bị làm lạnh và hóa rắn.   

                         

                   H.1: Mô hình bẫy vùng hoạt năm 1977                                  H.2: Mô hình bẫy vùng hoạt năm 1978 

 

- Mô hình bẫy vùng hoạt năm 1978: Sáng chế bẫy vùng hoạt số 4.113.560 do Viện Công nghệ Massachusetts sở hữa đã được ban hành vào 12/9/1978. Như được nhìn thấy trên H.2, phía dưới thùng lò (1) một thùng (7) được đặt và chứa một lớp các hạt graphit (6). Do graphit có khả năng làm tỏa nhiệt nhanh nên vật liệu vùng hoạt bị nóng chảy ngay từ đầu đã được làm lạnh vì đã truyền nhiệt sang lớp graphit. Khi bắt đầu lạnh đi dòng vật liệu vùng hoạt bị nóng chảy sẽ đông lại và chảy chậm dần xuyên qua lớp (6) với tốc độ khoảng 0,3m/giờ. Tuy nhiên vì không có sự can thiệp nên vật liệu nóng chảy cuối cùng vẫn chảy qua đáy thùng (7) và nóng chảy ngay khi xuyên qua thùng. Vì lý do này, hệ thống đã được bố trí vòi phun (9) phía trên đỉnh và ống xả (10) dưới đáy thùng để tuần hoàn nước làm mát có chứa Bo xuyên qua lớp hạt graphit (6). Với biện pháp này bất kỳ phản ứng chuỗi phân hạch nào trong vật liệu vùng hoạt bị nóng chảy sẽ bị cản trở khi trở nên lạnh đi và rắn hơn.

- Mô hình bẫy vùng hoạt năm 1984: Một thiết kế bẫy vùng hoạt khác được mô tả trong sáng chế số 4464.333 do Viện Kỹ thuật Combustion sở hữu được ban hành vào 7/8/1984. Sơ đồ của thiết kế (H.3) cho thấy đáy của thùng lò (14) được bao bọc bên trong các bức tường bê tông (12) của tòa nhà lò (16). Phía dưới thùng lò là một dãy các ống thẳng đứng chứa nước lạnh. Nước có áp qua ống vào (18) chảy qua các ống đứng sau đó ra ngoài bằng ống ra (30). Bọc bên ngoài các ống đứng là vật liệu cách nhiệt như ceramic hoặc graphit. Bên trong ống dứng có lót vật liệu hấp thụ nơtron để ngăn chặn phản ứng chuỗi phân hạch. Nước ra ngoài qua ống ra (30) có nhiệt độ cao được dẫn đến thiết bị trao đổi nhiệt đặt ngoài hệ thống.

             

                          H.3: Mô hình bẫy vùng hoạt năm 1984                                            H.4: Mô hình bẫy vùng hoạt năm 1987

 

 

- Mô hình bẫy vùng hoạt năm 1987:  Sáng chế bẫy vùng hoạt được ban hành tiếp theo vào 17/2/1987 do DOE sở hữu thể hiện trên H.4. Trong thiết kế này, các mảnh vùng hoạt bị nóng chảy (46) sẽ chảy qua một lỗ (44) dưới đáy của thùng lò (34). Các mảnh vật liệu nóng chảy đến một hầm bằng kim loại (28) dày khoảng 0,91 m (3 ft) và trải rộng từ thành thùng lò (34) hướng ra ngoài với chiều dài khoảng 60,96 m. (200 ft)  Chiều dài lớn của hầm (28) sẽ giúp các mảnh vùng hoạt bị nóng chảy tỏa nhiệt nhanh. Dưới đáy (28) là các lớp cát và sỏi từ mịn đến thô với tổng chiều dày khoảng 3,6 m (12 ft). Hai bộ ống được đục thủng (50, 52) chạy qua các lớp vật liệu cát và sỏi. Ống (52) mang nước làm lạnh đến vùng nhiệt và nhanh chóng biến nước thành hơi khi thu nhiệt từ vùng này. Sau đó hơi được đưa ra ngoài qua ống (50). Các cọc chống bằng kim loại (30) trải dài từ đáy lò phản ứng xuống phía dưới sẽ chống đỡ cho thùng lò khi bị tan chảy. Các cọc (30) cũng hấp thụ một lượng nhiệt đáng kể và sau đó nhiệt theo chiều dài của cọc truyền ra ngoài thùng lò. 

- Mô hình bẫy vùng hoạt năm 2003: Trên H.5 cho thấy sơ đồ của mô hình bẫy vùng hoạt được ban hành vào 2/12/2003. Trong mô hình này, một bể (9) chứa nước có áp được đặt trong hệ thống bẫy vùng hoạt phía dưới thùng lò (8). Nếu vùng hoạt bị tan chảy, nước có áp trong bể (9) lập tức được bơm qua một tuyến ống tải nhiệt (5) và được phun ra qua các ống (4) và sau đó lấp đầy lớp (3) được làm bằng bê tông xốp hoặc ceramic và cũng có thể chứa các hạt thép hoặc sắt. Lớp xốp (3) được bọc kín bằng lớp nhựa/kim loại (7) để giữ nguyên áp suất của nước ngay khi toàn bộ các hốc của lớp xốp (3) được lấp đầy. Một lớp bê tông (6) có điểm nóng chảy thấp đặt trên đỉnh của lớp làm kín (7) với mục đích sẽ bị tan chảy và hòa trộn vào vật liệu vùng hoạt bị nóng chảy. Hỗn hợp nóng chảy này sau đó sẽ chảy xuyên qua lớp (7) đến tương tác với nước trong lớp (3) và ngay lập tức được đông cứng, phân đoạn và làm lạnh.    

                        

                         H.5: Mô hình bẫy vùng hoạt năm 2003                                         H.6: Mô hình bẫy vùng hoạt năm 2009

- Mô hình bẫy vùng hoạt năm 2009: Một sáng chế hệ thống bẫy vùng hoạt phức tạp số 20090116670 đã được ban hành vào 7/5/2009 và được sở hữu bởi Viện Nghiên cứu năng lượng nguyên tử Hàn Quốc. Hệ thống bao gồm một bể (20) để chặn vùng hoạt bị nóng chảy và được đặt dưới thùng lò (10). Một bể chứa nước làm mát (40) và bình khí nén (30) được nối với bể (20) nhờ một phần của ống dẫn được gọi là bộ hòa trộn (50). Trong sự kiện tan chảy vùng hoạt, một van (41) mở và nước bắt đầu chảy xuống bể chứa nước (40). Cùng lúc đó, một van (31) mở xả ra ngoài khí trơ từ  bình khí (30), khí này sau đó hòa trộn với nước trong bộ hòa trộn (50) của ống dẫn. Nước sẽ làm mát vật liệu tan chảy trong bể (20) cùng lúc khí trơ ngăn chặn một khả năng nổ hơi bị gây ra do sự tương tác đột ngột giữa nước và vật liệu nóng chảy. Hơi được sinh ra sẽ ngưng tụ trên các bề mặt lạnh hơn ví dụ bề mặt bên ngoài (1). Khi nước ngưng tụ sẽ chảy qua một phin lọc (61) và đi vảo bể chứa trung gian (60). Bể (60) sẽ cung cấp lại nước đã bị tháo hết trong bể (40) nhờ một ống nối (62). Điều này đảm bảo sự cung cấp nước làm mát một cách thỏa đáng để khử nhiệt ra khỏi vật liệu vùng hoạt tan chảy trong bể chứa (20).

     Mặc dù sáu mô hình công nghệ bẫy vùng hoạt nói trên đã được ban hành nhưng cho đến nay không có mô hình nào được sử dụng trong các thiết bị lò phản ứng đang vận hành. Nhiều nhà máy ĐHN đã đặt các hệ thống bảo vệ tại vị trí có thể xác định nhanh chóng nếu một điều kiện nguy hiểm đang đến gần và ngăn chặn nó. Cơ chế bẫy vùng hoạt được dành cho tuyến phòng vệ cuối cùng nếu các hệ thống nói trên sai hỏng.

Như vậy, công nghệ bẫy vùng hoạt vẫn chưa được kiểm nghiệm vật lý thực tế tại Hoa Kỳ.  

 2.2/ Công nghệ bẫy vùng hoạt được phát triển và tiêu chuẩn hóa ở Nga

     Trong bài báo của Eve Conant, một nhà báo Mỹ, về sự kiện “Triển lãm nguyên tử” tại Nga vào tháng 6/2012 do Rosatom tổ chức đã nhấn mạnh rằng bài học an toàn lớn nhất về sự kiện Chernobyl năm 1986 là một kết cấu được gọi là bẫy vùng hoạt. Bài báo cũng đã viết:  công nghệ này đã được khảo sát tỉ mỉ một cách tổng thể trong nhiều năm nhưng chưa được cân nhắc để tiêu chuẩn hóa cho đến khi Nga bắt đầu chấp nhận nó sau sự kiện Cherbobyl xảy ra.

     Công nghệ bẫy vùng hoạt được chú ý đến tại Nga từ sự kiện Cherbobyl khi mà lò phản ứng đã bị tan chảy trong 5 ngày. Một thách thức được đưa ra là phải ngăn chặn vùng hoạt nóng chảy có tiềm năng rỉ ra, thấm vào đất hoặc tồi tệ nhất là thấm vào tầng nước ngầm sâu dưới 30 m và từ đó chất phóng xạ sẽ lan tới Kiep và Biển đen. 

     Trong hai tuần các công nhân trong nhà máy đã làm một việc mạo hiểm nhưng không mấy thành công là phun ni tơ lỏng vào đất để đóng băng chúng. Vào lúc đó nhà vật lý lý thuyết Leonid Bolshov, đã được mời đến sau 5 ngày tan chảy vùng hoạt, cùng với các cộng sự đã tính toán về tốc độ tan chảy thanh nhiên liệu chứa dioxyt uran so với tốc độ khử nhiệt bởi một vài loại chất tải nhiệt được mang vào trong đường ống. Nhưng còn có các vấn đề được đặt ra là: làm cách nào để đặt các ống dưới một lò phản ứng đang cháy âm ỉ, việc lắp đặt ống làm sao cho thích hợp, và cần có một loại vật liệu có độ dẫn nhiệt cao để hạ thấp nhiệt độ tại thời điểm ban đầu nhiên liệu tan chảy chạm vào ống. Các vấn đề này đã được nhóm Bolshov tìm ra cách giải quyết.

      Cuối cùng một thiết kế đối phó đã được đưa ra: một hệ thống ống, giống như con rắn, bên trong chứa nước lạnh và đầu ống phủ một lớp graphit mỏng, toàn bộ được kẹp giữa hai lớp bê tông mà mỗi lới dày 1m. Về hệ thống này, Bolshov đã nói rằng “nó được làm như một cái bánh sandwich”   

     Chiếc bánh sandwich “bê tông-graphit” của Bolshov tương tự như “bẫy vùng hoạt” được sử dụng trong nhiều thiết kế lò phản ứng hạt nhân và đã mở đường cho công nghệ này để Nga sử dụng ngày nay. Đó là các thùng thép được lấp đầy hợp kim kim loại hấp thụ nơtron, được làm lạnh bằng dòng nước và được xây trực tiếp dưới lò phản ứng nhằm giữ lại các vật liệu vùng hoạt tan chảy, được biết như là corium, trong trường hợp tan chảy vùng hoạt.

     Thiết kế bẫy vùng hoạt như Rosatom gọi là “Những kẻ mới đến làng hạt nhân” (nuclear newcomers) được lựa chọn đưa vào lò VVER – loại lò áp lực. Lò VVER đang được sử dụng ở Nga và hiện nay được xây dựng ở Ấn Độ, Iran, Trung Quốc và Việt Nam cũng đang trở thành khách hàng mua công nghệ lò này.  

     Bẫy vùng hoạt của Nga đầu tiên được lắp đặt dưới lò phản ứng VVER-1200 trong nhà máy ĐHN Tianwan của Trung Quốc vào năm 2007 (H.7). Bẫy vùng hoạt được chôn dưới đất ở độ sâu 4,45 m.  Trong H.7: (1) là thùng lò, (2) là hốc bê tông, (3) là đĩa dưới, (4) là thiết bị trao đổi nhiệt, (5) là thùng chứa, (6) là các hợp chất hấp thụ nơtron được lấp đầy. 

                        

                            H.7: Bẫy vùng hoạt trong lò VVER-1200                                     H.8: Bẫy vùng hoạt trong lò EPR

2.3/ Thiết kế bẫy vùng hoạt tại châu Âu

     Theo Hiệp hội Hạt nhân thế giới, ở châu Âu ngày càng gia tăng yêu cầu về phát triển lò phản ứng lớn để trang bị vài loại bẫy vùng hoạt hay công cụ tương tự nhằm giữ lại vùng hoạt lò phản ứng tan chảy. Nhưng một số công ty thương mại hạt nhân lại có phương pháp khác để bảo vệ các lớp đáy của thiết bị hạt nhân. Ví dụ lò AP1000 của Westinghouse không có bẫy vùng hoạt mà thay vào đó là bức tường chặn được xây chính bên trong thùng lò để làm giảm nhẹ sự tan chảy vùng hoạt. Ngoài ra, họ cũng có thể sử dụng nước trong các bể chứa phục vụ đảo thanh nhiên liệu chôn dưới thùng lò để làm ngập khu vực xung quanh thùng lò.

     Tất nhiên, vẫn có nhà sản xuất thiết bị hạt nhân muốn cạnh tranh với lò VVER của Nga. Công ty Avera của Pháp đã làm lò EPR (lò áp lực châu Âu hoặc lò áp lực tiến hóa) có trang bị bẫy vùng hoạt (H.8).Trong thiết kế này, ý tưởng cạnh tranh được tập trung vào là corium tan chảy sẽ lan rộng dọc theo một bề mặt lớn thích hợp và bề mặt này được trang bị một hệ thống ống đặc biệt để làm lạnh hầm chứa. Nhưng Nga cho rằng thiết kế bẫy vùng hoạt của họ gọn hơn và giá thành thấp hơn so với các thiết kế của châu Âu.

                                                                       Trần Thu Hà

                         Tổng hợp từ “Core Catching”, Under the Hood with Ducan William;

   “To Catching a Falling Core: Lesson of Chernobyl for Russian Nuclear Industry”, Eve Conant

 

 

Lượt xem: 2707