Hệ thống an toàn thụ động trong thiết kế SMR của Westinghouse

Wednesday, 03/08/2016, 00:00

Giới thiệu

       Thiết kế SMR Westinghouse kết hợp nhiều tính năng để giảm thiểu ảnh hưởng của các tai nạn hạt nhân giả định. Kích thước nhỏ gọn của lò và mật độ công suất thấp hạn chế tiềm năng hậu quả của một tai nạn xảy ra tại một nhà máy lớn. Thiết kế trọn vẹn loại trừ được nhiều ống tải nhiệt làm giảm đáng kể sự kiện LOCA. Thùng lò có kết cấu nhỏ gọn chịu được áp suất lớn và thường vận hành trong môi trường chân không không hoàn toàn. Điều này làm cho việc khử nhiệt dễ dàng trong quá trình sự kiện LOCA xảy ra. Thùng lò được đặt chìm trong nước nhằm khử nhiệt và cũng cung cấp thêm một chức năng lọc các nuclit.

       Bài viết này sẽ khái quát về khía cạnh an toàn trong các lò mô đun SMR của Westinghouse điển hình là một lò nước nén trọn vẹn công suất nhiệt 800 MWt (>225 MWe). Thiết kế SMR Westinghouse tạo ra khả năng sự vận hành an toàn từ nội tại trong khi cũng cho phép một sự chuyển tiếp an toàn từ điều kiện vận hành bình thường sang một điều kiện dừng lò thụ động. Thiết kế gồm 3 mức bảo vệ chủ yếu của các lò nước nén PWR truyền thống (vỏ thanh nhiên liệu, hệ thống tải nhiệt lò phản ứng-RCS và các kết cấu che chắn) cùng với lợi ích được thêm vào là một bể chứa nước bên ngoài để lọc các nuclit có thể thoát ra khỏi thùng lò. Ngoài ra việc bố trí nhà máy ngầm dưới mặt đất làm giảm xác suất các ảnh hưởng từ bên ngoài đến nhà máy. Thiết kế RCS của SMR Wwestinghouse không chứa nhiều các ống dẫn làm giảm đáng kể sự kiện tai nạn mất chất tải nhiệt LOCA giả định do bị vỡ ống hoặc rò rỉ. Việc sử dụng cơ chế truyền động thanh điều kiển (CRDM) bên trong để giới hạn áp suất sẽ loại trừ khả năng một thanh điều khiển phụt ra ngoài. RCS trong quá trình vận hành tạo ra biên năng lượng lớn an toàn mà được dự đoán có độ tin cậy cao. Việc bố trí nhà máy theo chiều đứng cho phép sự chuyển tiếp an toàn đến trạng thái tuần hoàn tự nhiên trong sự kiện mất chất tải nhiệt lò phản ứng. Hơn nữa, sự sắp xếp thẳng đứng của nhà máy vốn đã đặt phần lớn nước của RCS trực tiếp bên trên vùng hoạt để làm mát lò phản ứng. Các tính năng thiết kế này làm thuận lợi và làm tăng lên các đặc trưng bảo vệ thụ động của nhà máy. Thiết kế hệ thống an toàn thụ động của SMR Westinghouse phần lớn được dựa trên các hệ thống an toàn thụ động sử dụng trong AP1000. Cụ thể, hệ thống này được thiết kế để ngắt phản ứng hạt nhân một cách an toàn, khử nhiệt rã theo sau dừng lò, bảo đảm vùng hoạt lò phản ứng tiếp tục đầy nước để duy trì làm mát hiệu quả, và cung cấp việc làm mát cũng như dừng lò dài hạn. Các thành phần chìa khóa của hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động gồm bốn thùng bù nước vùng hoạt (CMTs): một bể chứa trong nhà lò (ICP) và các thùng được liên quan, một hệ thống hạ áp tự động (ADS), một bể chứa bên ngoài nhà lò  (OCP) và hai thùng tản nhiệt cuối cùng (UHS). Ở đây còn có các thiết bị trao đổi nhiệt để khử nhiệt dư thụ động được hợp nhất vào các CMT. Các thành phần này kết hợp với nhau cung cấp việc bảo vệ cần thiết để làm giảm nhẹ các lỗi khởi đầu khác nhau đã được kiểm chứng đối với PWR. Trong số đó, hai tai nạn: sự kiện mất điện tại trạm bị kéo dài, và sự kiện mất nước tải nhiệt LOCA đã được đánh giá để chứng minh nhà máy sẽ tiếp tục an toàn như thế nào nếu hoặc cần xảy ra. Hình 1 là mô hình của RCS và các CMT. Dưới đây sẽ trình bày các tính năng của hệ thống an toàn thụ động trong SMR Westinghouse để đảm bảo an toàn nhà máy với các sự kiện tai nạn giả định.

Điều khiển lò phản ứng

    Trong một sự kiện, SMR Westinghouse trông cậy vào sự đối lưu và trọng lực tự nhiên để dừng lò và duy trì nhà máy tại một điều kiện an toàn. Hệ thống bảo vệ của SMR Westinghouse sẽ chẩn đoán việc bảo vệ lò là cần thiết và gửi một tín hiệu ngắt dòng điện đến các chốt đang giữ các thanh điều khiển bên ngoài vùng hoạt. Các chốt giữ bị ngắt điện dẫn đến các thanh điều khiển rơi tự do xuống do trọng lực và nhanh chóng dập tắt phản ứng hạt nhân. Nếu thanh điều khiển không rơi vào vùng hoạt hoặc một sự kiện xảy ra trong khi đang ở điều kiện dừng lò, thì việc dừng lò khác sẽ được thực hiện qua tiêm nước có chưa Bo từ các CMT. Nước chứa Bo cũng cung cấp kiểm soát độ phản ứng dài hạn. Cả hai chiến lược kiểm soát độ phản ứng ngắn hạn và dài hạn này đối với Westinghouse SMR tương tự như trong AP1000.  

 

 

 

                                   Hình 1. Bố trí RCS và CMTs trong SMR          Hình 2. Điều kiện vận hành bình thường của SMR

Khử nhiệt rã

       Như AP1000, nguồn được ưa thích hơn của việc khử nhiệt rã là thông qua bình sinh hơi. Các ống trong bình sinh hơi của  Westinghouse SMR với trống hơi nước bên ngoài sẽ cho phép khối lượng lớn nước của trống hơi sẵn có tự động khử nhiệt rã trong hầu hết kịch bản tai nạn và cũng để cô lập các ống bình sinh hơi và nhà lò khỏi trống trong sự kiện bị vỡ. Sự tuần hoàn tự nhiên từ trống hơi đến ống bình sinh hơi và ngược lại sẽ cung cấp khử nhiệt rã qua trống hơi. Khả năng bổ sung cho trống hơi và khả năng bơm nước đến các ống bình sinh hơi cũng cần nguồn điện AC có sẵn. Tuy nhiên điều này không yêu cầu cần chứng minh khi điều kiện dừng lò an toàn đã đạt được cho tất cả kịch bản trong thiết kế. SMR Westinghouse sử dụng một thiết bị trao đổi nhiệt để cung cấp việc khử nhiệt rã thụ động ở mức độ an toàn. Thiết bị trao đổi nhiệt được hợp nhất vào mỗi của bốn CMT. Đỉnh của mỗi CMT được gắn liền với hệ thống tải nhiệt lò phản ứng qua một ống cân bằng nối với vùng bên trên trong thùng lò. Đáy của mỗi CMT được nối với thùng lò nhờ các ống tiêm nước vào thùng lò trực tiếp (DVI) tới ống rót xuống thùng lò. Trong điều kiện vận hành bình thường, các van của các ống này ngăn dòng nước tuần hoàn qua các CMT. Một thiết bị trao đổi nhiệt bên trong các CMT cho phép truyền nhiệt đến vòng nước làm mát thứ cấp. Nhờ thiết bị trao đổi nhiệt này, nước làm mát của CMT ban đầu nhiều hơn nước của RCS. Khi mở các van, nước lạnh rót vào RCS và bắt đầu một vòng tuần hoàn tự nhiên. Bên thứ cấp của mỗi CMT được nối qua một vòng ống khép kín đến một thiết bị trao đổi nhiệt đặt trong một của hai thùng tản nhiệt cuối cùng UHS. Nước trong ống thứ cấp CMT được tăng áp suất để đảm bảo nước lỏng luôn sẵn có cho việc khử nhiệt. Mỗi thùng UHS được sắp xếp theo cỡ để thích ứng với khử nhiệt rã ra khỏi vùng hoạt và bể chứa nhiên liệu đã sử dụng ít nhất trong 72 giờ. Khi được kết hợp với nước trong OCP khả năng khử nhiệt rã qua 7 ngày là có thể. Hai thùng UHS được tách biệt với nhau để kiềm chế một sự kiện ngoài làm tổn thương cả hai thùng. Mỗi UHS có các kết nối bổ sung nước để kéo dài khử nhiệt rã vô hạn.                 Nhà lò của SMR Westinghouse không được tăng áp trong nhiều kịch bản lỗi thường xuyên (đưa vào độ phản ứng hay mất điện).

Bổ sung nước

       Ngoài các vai trò điều khiển lò phản ứng và khử nhiệt rã, bốn CMT của SMR Westinghouse còn cung cấp sự bổ sung nước một cách an toàn cho hệ thống tải nhiệt lò phản ứng RCS. Các CMT chứa một lượng nước lớn có thể tự động phân phối đến RCS khi mức nước trong thùng lò thấp dưới ống cân bằng của CMT. Nước bổ sung có chứa Bo và tương đối lạnh luôn sẵn có trong các thùng ICP để tiêm vào RCS. Hai nguồn bổ sung nước này cùng với lượng nước của RCS đảm bảo cho việc duy trì làm mát vùng hoạt hiệu quả và cung cấp đủ áp suất nước để chuyển đến quá trình làm mát tái tuần hoàn dài hạn.

Làm mát dài hạn

       Một đường xả năng lượng trong RCS ra nhà lò được thiết lập bởi hệ thống hạ áp tự động ADS. Khi nhiệt độ trong nhà lò tăng lên do năng lượng tồn tại trong RCS qua ADS, hơi sẽ ngưng tụ trên tường phía trong nhà lò. Nhiệt sẽ truyền đến tường, qua tường đến OCP và hiện tượng ngưng tụ xảy ra. Nước ngưng tụ sẽ rơi vào hố thu của nhà lò. Với áp suất thích hợp, nước trong hố thu sẽ vượt qua độ chênh áp bên trong thùng lò và tạo ra dòng chảy. Dòng nước này sẽ đi từ hố thu qua các van kiểm tra khi vào ICP. Mỗi lần vào ICP dòng nước sẽ qua một màng để lọc các mảnh vụn và qua van kiểm tra khác trước khi vào thùng lò. Nhiệt được truyền từ bề mặt ngoài nhà lò qua cách sôi và đối lưu tự do. Quá trình này sẽ tiếp tục vô hạn chừng nào còn nước trong OCP. Khi nước sôi, mức trong bể sẽ hạ xuống. Các van nổi trong ống nối OCP đến các thùng UHS sẽ tự động mở và nước từ UHS rót đầy lại OCP. Điều này sẽ cho phép bổ sung nước để duy trì trong bể lâu dài.  

Các kịch bản tai nạn

       Các chức năng an toàn thụ động được mô tả ở trên kết hợp với nhau trong sự kiện các lỗi khởi xướng để dừng lò một cách an toàn. Sự đáp ứng của thiết bị đối với sự kiện mất điện và sự kiện LOCA đã được đánh giá và tóm tắt dưới đây. Lỗi của cả hai kịch bản đều xuất hiện trong quá trình vận hành bình thường đủ công suất như Hình 2. - Trong sự kiện không mong đợi mất điện cả bên trong và ngoài nhà máy, thanh điều khiển rơi xuống làm ngừng sản xuất điện. Các bơm chất tải nhiệt, bơm cấp nước chính và bơm tái tuần hoàn cũng mất điện theo. Sự tuần hoàn tự nhiên được thiết lập trong RCS và bên thứ cấp (chân nóng) bình sinh hơi. Do không có lượng nước bổ sung đưa vào trống hơi nên mức trong trống hơi bắt đầu tụt xuống như Hình 3.  

 

                            Hình 3. Sự đáp ứng ban đầu với lỗi mất điện         Hình 4. CMT khử nhiệt trong sự kiện mất điện  

       Cuối cùng lượng nước bên thứ cấp bình sinh hơi bay hơi hoàn toàn. Trước khi điều này xảy ra một tín hiệu của hệ thống bảo vệ sẽ khởi động các van phía dưới các CMT. Sau đó quá trình truyền nhiệt đến bên thứ cấp xảy ra: nước lạnh từ CMT chảy tự do vào RCS, nước nóng từ RCS đi vào CMT và được làm lạnh. Thiết bị trao đổi nhiệt của CMT nhận được nước lạnh qua tuần hoàn tự nhiên từ các thùng UHS trên mặt đất. Khi nhiệt được đưa vào UHS, nhiệt độ bắt đầu tăng đến điểm sôi. Các kết nối đến mỗi UHS cho phép khử nhiệt dài hạn (xem Hình 4). - Trong sự kiện tai nạn mất chất tải nhiệt (ví du vỡ tuyến DVI), lượng nước trong RCS giảm và gây ra áp suất và mức nước có áp giảm. Khi áp suất hạ, các thiết bị sấy của bình điều áp khởi động để duy trì áp suất. Mức nước và áp suất tiếp tục hạ cho đến khi hệ thống bảo vệ đạt đến điểm làm việc. Sau một thời gian nhất định, các thanh điều khiển đi vào vùng hoạt làm giảm đáng kể lượng nhiệt được phát ra. Sau khi dừng lò một thời gian ngắn, các van ngăn cách giữa các ống bình sinh hơi và trống hơi được đóng lại và một tín hiệu của hệ thống bảo vệ sẽ được phát ra để mở van phía dưới các CMT. Khi các van mở bắt đầu quá trình truyền nhiệt đến bên thứ cấp như mô tả ở trên.

  

                        Hình 5. Cân bằng áp suất trong LOCA              Hình 6. Tuần hoàn tự nhiên và xả nước của CMT

       Một ít nước của RCS đến nhà lò sẽ ngưng tụ; lượng ngưng tụ này sẽ tập trung tại đáy nhà lò. Khi áp suất trong nhà lò tăng, một đĩa trong thùng ICP sẽ vỡ ra để làm cân bằng áp suất giữa nhà lò và ICP (Hình 5). Với nước bổ sung được tung vào nhà lò và quá trình truyền nhiệt của CMT xảy ra, nước trong UHS và OCP bắt đầu sôi. Khi mức nước RCS đạt đến độ cao của các ống cân bằng CMT, hơi nước đi vào các ống này và làm gián đoạn tuần hoàn tự nhiên của nước lỏng. CMT sẽ xả nước lạnh xuống thùng lò (Hình 6).  Vào thời điểm CMT xả nước, một tín hiệu của hệ thống bảo vệ được phát ra để mở các van của ADS, các van này được gắn với đường ra của CMT. Đồng thời  các van tại đỉnh của ICP và trong thùng lò cũng mở. Các van của ADS mở để cân bằng áp suất giữa RCS với nhà lò. Khi áp suất đạt đến cân bằng, áp suất cột nước trong ICP đủ cao để cho phép tiêm qua các van kiểm tra vào thùng lò (xem Hình 7). ạt làm giảm đáng kể lượng nhiệt được phát ra. Sau khi dừng lò một thời gian ngắn, các van ngăn cách giữa các ống bình sinh hơi và trống hơi được đóng lại và một tín hiệu của hệ thống bảo vệ sẽ được phát ra để mở van phía dưới các CMT. Khi các van mở bắt đầu quá trình truyền nhiệt đến bên thứ cấp như mô tả ở trên.

   

                        Hình 7 Khởi động ADS và ICP tiêm nước                       Hình 8. Làm mát dài hạn  

       Do ICP và các CMT xả nước, mức nước trong hố thu của nhà lò sẽ đủ lớn để vượt qua độ chênh áp trong nhà lò và tạo thành dòng chảy. Nước này biến thành hơi do nhiệt vùng hoạt sẽ ra khỏi thùng lò qua đường xả áp bởi các van của ADS. Một số hơi sẽ ngưng tụ trong các ống trao đổi nhiệt của CMT và quay lại thùng lò. Hơi bên ngoài thùng lò sẽ tiếp tục ngưng tụ trên tường nhà lò và tập trung vào hố thu. Quá trình này sẽ tiếp diễn vô hạn chừng nào còn nước trong OCP. Quá trình bổ sung nước cho OCP thông qua UHS đã trình bày ở mục Làm mát dài hạn (Hình 8).    

Trần Thu Hà

Nguồn: “Westinghouse Small Modular Reactor Passive Safety System Response to Postulated Events”, trên internet 

Lượt xem: 687