Công nghệ điện hạt nhân mới - kinh tế, nhỏ gọn, đơn giản và an toàn tại Mỹ

Thursday, 10/12/2015, 00:00

Giới thiệu

Năng lượng là một chủ đề dẫn đầu trong các thảo luận trên toàn cầu.

Cơ quan Thông tin năng lượng của Mỹ dự báo đến năm 2040 nước Mỹ sẽ cần bổ sung công suất phát điện 340 GW. Trên toàn cầu nhu cầu về điện được dự đoán tăng hơn 3000 GW vào cùng thời kỳ đó.

Thêm vào vấn đề năng lượng là các vấn đề về tuổi của cơ sở hạ tầng đang tồn tại, các qui phạm mới về môi trường, giá nhiên liệu không ổn định, và chi phí đáng kể để thay thế phụ tải điện cơ bản đã “nghỉ hưu”. Trong 70 năm qua, điện hạt nhân đã chứng tỏ là một nguồn năng lượng kinh tế, đáng tin cậy và sạch. Các nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) cần thiết để làm giảm hơn nữa sự phụ thuộc của thế giới vào nhiên liệu hóa thạch, để đáp ứng cả hai nhu cầu kinh tế đang mở rộng và được phát triển, để hạ thấp tổng số phát thải CO2 vào môi trường của chúng ta.

Nghiên cứu và đầu tư phát triển một thế hệ mới của năng lượng hạt nhân hứa hẹn sự cải thiện ấn tượng về hình thành các lò phản ứng tự chế tạo, có thể nâng cấp, xây dựng theo mô đun và an toàn. Công ty LLC NuScale Power tại Porlant, Orce, Mỹ đã phát triển một công nghệ đảm bảo kinh tế, đáng tin cậy và sạch. Điều này sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu trong tương lai ở Mỹ và các quốc gia khác.

H.1: Mô hình thiết kế đầu tiên SMR của NuScale từ năm 2013 (Các lò phản ứng của NuScale được bao bọc trong lớp vỏ thép cường độ cao và được nhúng vào một bể thép chứa nước xây dưới lòng đất trong nhà lò. Nhà lò được thiết kế có khả năng chịu được động đất, sóng thần lốc xoáy, tác động của lực do gió xoáy và máy bay rơi. Bể nhiên liệu và phòng điều khiển cũng được xây kín dưới lòng đất)

Mô tả công nghệ điện hạt nhân mới - SMR của NuScale

Khái quát chung về công nghệ SMR

Bắt đầu từ năm 2013 NuScale Power đã thiết kế một lò nước nén trọn vẹn (IPWR) an toàn phi thường (H.1) dựa trên công nghệ lò nước nhẹ (LWR) đã vận hành hơn 70 năm. NuScale dự định thị trường hóa các NMĐHN thành các mô đun, có thể nâng cấp (viết tắt là SMR- small module reactor) với công suất 50 MWe và có thể được liên kết để tạo ra công suất điện lên đến 600 MWe trong một trạm phát điện hạt nhân (H.2).

Với mô đun của NuScale kích thước nhỏ gọn và thiết kế đơn giản cho phép xây dựng nhà máy chế tạo ngay bên cạnh và điều này làm cho các NMĐHN được xây dựng nhanh hơn, giảm chi phí đầu tư và vận hành.

Sử dụng công nghệ an toàn thụ động, thiết kế của NuScale làm giảm độ phức tạp, cải thiện tính an toàn, tăng khả năng vận hành và giảm các hiểm họa hạt nhân.

Mỗi mô đun là một đơn nguyên độc lập (H.3) vận hành riêng biệt với các mô đun khác trong một hệ cấu thành từ nhiều mô đun. Tất cả các mô đun được quản lý từ một phòng điều khiển riêng lẻ.

H.2; Mô hình NMĐHN NuScale gồm nhiều mô đun

H.3: Thiết kế SMR NuScale

Nguyên lý vân hành trong SMR NuScale

(1) Lò phản ứng kích thước nhỏ gọn với khoảng 19,8 m (65 ft) chiều cao và 2,74 m (9 ft) đường kính được đặt trong một thùng lò

(2) Lò phản ứng và thùng lò vận hành bên trong một bể đầy nước được xây dựng bên dưới. Lò phản ứng vận hành sử dụng nguyên tắc tuần hoàn tự nhiên nên không cần có bơm tuần hoàn nước.

(3) Hệ thống sử dụng qui trình đối lưu. Nước sẽ được hâm nóng khi đi qua phía trên vùng hoạt. Khi nóng lên, nước dâng lên trong lòng thùng lò. Mỗi khi nước được hâm nóng đạt tới đỉnh sẽ lại bị kéo xuống dưới bởi nước được làm mát từ các bộ sinh hơi. Nước lạnh hơn có mật độ lớn hơn được đẩy quay trở xuống đáy của lò phản ứng bằng trọng lực và chảy qua phía trên vùng hoạt.

(4) Nước trong hệ thống lò phản ứng được giữ tách biệt với nước trong hệ thống bình sinh hơi để ngăn chặn sự nhiễm xạ. Khi nước nóng đi qua hàng trăm ống trong bình sinh hơi thì nhiệt được truyền qua thành ống và nước trong các ống chuyển thành hơi. Hơi làm quay tuốc bin được gắn một trục nối với máy phát điện. Sau khi đi qua tuốc bin, hơi mất năng lượng và được làm lạnh trở lại thành dạng lỏng trong các bình ngưng tụ. Sau đó nước trong bình ngưng tụ được bơm trở lại bình sinh hơi để bắt đầu lại chu trình.

Đặc trưng kỹ thuật của SMR NuScale

(1) Công suất nhiệt: 160 MWt

(2) Công suất điện: >50MWe (tổng)

(3) Hệ số công suất: >95%

(4) Kích thước bao của mô đun chứa lò phản ứng và bình sinh hơi: khoảng 23,16 m (76 ft) x 4,57 m (15 ft)

(5) Trọng lượng: 700 tấn

(6) Khả năng các phương tiện vận chuyển: xà lan, ô tô tải, tàu hỏa

(7) Giá thành sản xuất điện rất ấn tượng: < 5000$/KW

(8) Sử dụng nhiên liệu của LWR tiêu chuẩn; chu trình thay nhiên liệu là 24 tháng với nhiên liệu được làm giàu <4,95%.

Những đổi mới trong công nghệ SMR NuScale

- NuScale Power đang tạo ra một loại NMĐHN mới đảm bảo về an toàn, đáng tin cậy và kinh tế. Đổi mới ở đây là kết hợp toàn bộ các thành phần bình sinh hơi và thiết bị trao đổi nhiệt vào trong một tổ hợp riêng lẻ tạo thành các mô đun (gọi là Mô đun NuScale Power -NPM). Thiết kế gọn gàng của NPM cho phép nó được xây dựng và lắp ráp trong một nhà máy ở Mỹ sau đó được vận chuyển đến một nơi đã chuẩn bị sẵn để dễ dàng triển khai. Thiết kế này loại trừ được nhiều chi phí, loại bỏ các hệ thống phức tạp khi cắt giảm việc phải chế tạo nhiều chi tiết, cắt giảm thời gian và chi phí sản xuất. Kết quả công nghệ sẽ là một nguồn năng lượng đảm bảo an toàn, đáng tin cậy, có thể nâng cấp, không có cacbon và kinh tế. Sự cải tiến liên tục là một triết lý sống còn của NuScale trong quá trình thiết kế toàn vẹn.

- Hiện nay có vài quyết định cải tiến thiết kế SMR như sau:

• Các yêu cầu cách ly thứ cấp được đưa vào để giảm sự rủi ro cho nhà máy trong sự kiện một ống của bình sinh hơi bị nứt. Sự thay đổi cũng làm tăng tính linh hoạt vận hành trong nhiệm vụ khởi động và bảo dưỡng.

• Sự thay đổi đã buộc đơn giản hóa thiết kế thông gió cấp vào bình sinh hơi. Nhờ những ưu thế này NuScale có thể giảm giá thành mô đun và cải thiện được khả năng chế tạo các bộ phận và lắp ráp mô đun.

• Một thiết kế lại đã được triển khai nhằm đơn giản hóa hệ thống điện DC thiết yếu và chú trọng vào độ tin cậy của thiết bị. Sự thay đổi này đã loại bỏ một vài thiết bị, cải thiện tính mô đun, tính khả năng nâng cấp và làm giảm không gian.

• Đặc tính kỹ thuật của vật liệu chế tạo đã được thay đổi để loại bỏ khả năng bị mất đi tính bền của vật liệu do chiếu xạ từ nơtron (embrittlement neutron). Mặc dù chi phí đầu tư có tiềm năng càng tăng nhưng sự thay đổi này đã loại trừ được một rủi ro pháp qui và chương trình giám sát lâu dài.

Trần Thu Hà

Công nghệ điện hạt nhân mới - kinh tế, nhỏ gọn, đơn giản và an toàn tại Mỹ

Các tin khác