Các đặc trưng an toàn trong thiết kế lò mô đun SMART Hàn Quốc

Tuesday, 09/08/2016, 00:00

 Mở đầu

Mô hình của Dự án SMART bắt đầu từ năm 1997do KAERI thực hiện

SMART, tên viết tắt của hệ thống lò tiên tiến mô đun trọn vẹn, là một lò nước nén đầy đủ với công suất nhiệt tối đa 330 MWt do Viện nghiên cứu năng lượng  Hàn Quốc (KAERI) thiết kế cho mục đích khử muối nước biển (40.000 m3/ngày) và sản xuất điện mức độ nhỏ (90 MWe). Bản phê chuẩn thiết kế chuẩn (SDA) cho SMART đã có hiệu lực từ 4/6/2012.

Do SMART được thiết kế để vận hành trong một môi trường khác với các lò thương mại dạng lặp đầu tư lớn nên việc tối thiểu hóa lượng phóng xạ thoát ra môi trường là tiêu chí của vấn đề an toàn. Vì vậy thiết kế đòi hỏi tăng tính an toàn bằng kế tục các đặc tính thiết kế an toàn nội tại và các đặc trưng thiết kế thụ động tiên tiến.  

Khác với các lò thương mại lớn, hệ thống SMART chấp nhận lý thuyết thiết kế trọn vẹn là hầu hết các thành phần của vòng sơ cấp được chứa trong thùng lò cao áp kín (PRV). Do sự sắp xếp này, SMART có thể loại trừ căn bản khả năng xảy ra các tai nạn mất chất tải nhiệt do vỡ lớn (LBLOCAs). Các đặc tính của thiết kế gồm bộ điều áp khí (PZR) tự chủ lớn và hệ số nhiệt độ chất làm chậm (MTC) âm lớn  do không có Bo (chất làm chậm) hòa tan tại vùng hoạt cũng là đặc trưng an toàn nội tại để tăng cường sự ngăn chặn một dải rộng các trạng thái chuyển tiếp bất thường và tai nạn.

Ngoài ra, mục tiêu an toàn của SMART được tăng cường qua hệ thống an toàn thụ động như các hệ thống khử nhiệt dư thụ động (PRHRs), hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp (ECCS), thùng bảo vệ, hệ thống ngăn chặn quá áp của lò phản ứng (ROPS), hệ thống ngăn chặn quá áp của nhà lò (COPS).  

PRHRS làm mát hệ thống lò phản ứng bằng tuần hoàn tự nhiên đối với tình trạng khẩn cấp khi xảy ra hơi nước chiết ra hoặc nước cấp không có sẵn. ECCS và hệ thống bù nước cung cấp chất tải nhiệt để bổ sung lượng tồn trữ chất tải nhiệt bị mất trong trường hợp tai nạn mất chất tải nhiệt do vỡ nhỏ (SBLOCA). Thùng bảo vệ bao kín hoàn toàn thùng lò phản ứng cao áp (PRV) và có khả năng giữ lại toàn bộ sự rò rỉ chất tải nhiệt sơ cấp từ thùng lò. Việc ngăn chặn trạng thái quá áp của thùng lò và nhà lò đạt được bởi các van xả an toàn được điều khiển bằng điện tử (POSRVs) và sự khử nhiệt thụ động bởi cơ chế dẫn nhiệt qua tường nhà lò và túi nước bao quanh thùng bảo vệ.

Các mục dưới đây sẽ điểm lại các đặc tính an toàn nội tại và các hệ thống an toàn thụ động trong thiết kế SMART để đánh giá tính an toàn của hệ thống hạn chế các tai nạn trong thiết kế.

 Các đặc tính an toàn nội tại

Tổ hợp lò phản ứng của SMART (Hình 1) chứa các thành phần sơ cấp chủ yếu như vùng hoạt, 12 bình sinh hơi (SG), 1 bộ điều áp (PZR), 4 bơm chất tải nhiệt chính (MCP) và 49 cơ cấu truyền động thành phần điều khiển (CEDM) trong một thùng lò cao áp (PRV) riêng lẻ. Với cách bố trí như vậy, hệ thống sơ cấp loại bỏ được nhiều mối nối các ống kích thước lớn giữa các thành phần chủ yếu và do đó loại trừ căn bản khả năng LBLOCA.

Do động cơ của các MCP được đóng hộp nên không cần một mối hàn kín và như vậy loại trừ phần lớn tiềm năng SBLOCA xảy ra bởi sự hư hỏng của mối hàn.

     

                      Hình 1. Cấu hình của SMART                                  Hình 2. Sơ đồ hệ thống an toàn của SMART

 Các bình SG đơn lẻ dạng mô đun được bố trí phía trên cao vùng hoạt để tạo ra động lực cho luồng chảy tuần hoàn tự nhiên. Tính năng thiết kế này cùng với sức cản của luồng phía dưới tạo cơ hội cho hệ thống có khả năng hoạt động tuần hoàn tự nhiên với công suất tối đa 25%. Áp suất của hệ thống là tự chủ nhờ vào áp suất riêng của hơi nước và khí Ni tơ trong PZR phù hợp với sự thay đổi áp suất và nhiệt độ trong hệ thống chất tải nhiệt lò phản ứng. Thể tích lớn của PZR thụ động có thể thích ứng với dải rộng các chuyển tiếp bất thường về áp suất trong sự kiện chuyển tiếp và tai nạn của hệ thống. Hoạt động không có Bo hòa tan là một đặc tính thiết kế tiên tiến vùng hoạt của SMART cùng với mật độ công suất vùng hoạt thấp. Độ phản ứng được cân bằng bởi sự truyền động chính xác của CEDM. Một hệ số nhiệt độ chất làm chậm có giá trị âm lớn đáng kể do vùng hoạt có không có Bo hòa tan đem đến các lợi ích cho một công suất nội tại ổn định và chống lại các chuyển tiếp bất thường. 

 Các hệ thống an toàn thụ động  

Ngoài các đặc trưng an toàn nội tại của SMART, tính an toàn còn được tăng hơn nữa bởi các hệ thống an toàn ứng dụng rất đáng tin cậy. Các hệ thống an toàn ứng dụng (Hình 2) được thiết kế để hoạt động một cách thụ động theo yêu cầu bao gồm hệ thống dừng lò phản ứng, PRHRS, ECCS, thùng bảo vệ, ROPS, và COPS.

Chức năng dừng lò của SMART có thể đạt được bởi một hoặc hai hệ thống độc lập. Hệ thống dừng lò sơ cấp là các thanh điều khiển có chứa một vật liệu hấp thụ Ag-In-Cd. Tín hiệu dừng lò ngắt điện CEDM và sau đó các thanh điều khiển rơi vào vùng hoạt bởi trọng lực để ngay lập tức dập tắt các phản ứng chuỗi nơtron. Trong trường hợp hệ thống dừng lò sơ cấp bị lỗi, hệ thống tiêm Bo khẩn cấp được cung cấp như sự hậu thuẫn tích cực bởi bơm nước bù. Một cơ cấu đồng bộ hệ thống bù nước là đủ để đưa lò phản ứng đến điều kiện dưới tới hạn. PRHRS sẽ loại bỏ nhiệt rã và nhiệt vật lý bằng tuần hoàn tự nhiên trong trường hợp khẩn cấp như mất điện hoặc không có nước cung cấp. Ngoài ra PRHRS còn có thể được sử dụng trong trường hợp làm mát dài hạn lò phản ứng cho công tác sửa chữa và thay đảo nhiên liệu. PRHRS chứa 4 bộ cơ cấu độc lập với công suất mỗi cái chiếm 50%. Hai bộ dùng cho khử nhiệt rã. Mỗi bộ được nối với các đường ống cấp nước, dẫn hơi và bao gồm một thiết bị trao đổi nhiệt đặt chìm trong một bể làm mát khẩn cấp (ECT), một thùng bù nước, các van kiểm tra và cô lập. ECT được đặt đủ cao phía trên thùng lò để khử nhiệt rã bằng tuần hoàn tự nhiên khi hệ thống thứ cấp mất khả năng khử nhiệt. Thùng bù nước sẽ bù lại lượng tồn trữ nước bị mất ngay từ đầu trong PRHRS. Thiết bị trao đổi nhiệt khử nhiệt rã của vùng hoạt và nhiệt vật lý của hệ thống tải nhiệt được chuyển sang PRHRS qua bình sinh hơi sau khi dừng lò. Thiết bị trao đổi nhiệt là dạng ống lồng thẳng với nước của hệ thứ cấp chảy bên trong và nước của ECT chảy bên ngoài. Nước của ECT được gia nhiệt đến điểm sôi và cuối cùng bay hơi vào khí quyển. Lượng tồn trữ nước trong ECT có thể khử nhiệt rã trong vòng 72 giờ mà không cần người vận hành.

Trong điều kiện làm mát khẩn cấp các van cấp nước chính và van cô lập hơi được đóng lại và các van của PRHRS nối với bình trao đổi nhiệt được mở ra khi có tín hiệu được phát ra từ hệ thống kiểm soát. Trong trường hợp này hơi đi vào thiết bị trao đổi nhiệt từ bình sinh hơi được ngưng tụ và nước được làm lạnh dưới nhiệt độ ngưng tụ quay lại bình sinh hơi bằng trọng lực.   

ECCS cung cấp chất tải nhiệt cho RPV ngay khi giai đoạn đầu của sự kiện SBLOCA. ECCS gồm hai bộ độc lập với công suất 100% mỗi bộ. Mỗi bộ này chứa một thùng nước hình trụ được điều áp bởi khí ni tơ, các van kiểm tra và cô lập, một ống nối với RPV. Khi hệ thống sơ cấp giảm áp xuống dưới áp lực trong thùng làm mát vùng hoạt khẩn cấp thì chất tải nhiệt trong thùng sẽ được tiêm vào hốc hình vành khăn phía trên bởi áp suất khí. Bơm nước bù tích cực cũng được kích hoạt khi mức nước trong hốc vành phía trên đạt đến mức dưới của điểm hoạt động và sẽ bù lại lượng tồn trữ chất tải nhiệt bị mất để duy trì mức chất tải nhiệt ở phía trên đỉnh vùng hoạt trong một thời gian dài. 

Thùng bảo vệ là một thùng thép kín để giữ áp thích nghi với toàn bộ các hệ thống sơ cấp gồm tổ hợp lò phản ứng, các thùng khí và các van đường ống liên quan. Chức năng sơ cấp của thùng bảo vệ là để giam giữ các sản phẩm phóng xạ bên trong nó và như vậy để ngăn chặn bất kỳ chất tải nhiệt sơ cấp nào rò rỉ ra khỏi nhà lò. Thùng bảo vệ còn có chức năng hạn chế vỡ dòng chảy theo sau SBLOCA bằng cách cân bằng áp suất với thùng lò RPV và giữ cho vùng hoạt không bị hủy hoại nhờ hoạt động của PRHRS và ECCS. Trường hợp các tai nạn trong thiết kế được giả định, áp suất trong thùng bảo vệ được làm giảm bởi khử nhiệt qua bản thân kết cấu kim loại và các túi nước quanh thùng cùng với hoạt động của hệ thống điều hòa không khí.

Chức năng của ROPS là công cụ rảy nước. Nhà lò là một kết cấu kép gồm một lớp thép và một lớp bê tông bao ngoài thùng bảo vệ để hạn chế các chất phóng xạ thoát ra ngoài ở điều kiện các tai nạn ngoài thiết kế khi thùng bảo vệ bị hư hỏng. 

Trong bất kỳ tai nạn nào gây ra sự tăng nhiệt độ và dẫn đến tăng áp suất trong nhà lò việc làm mát nhà lò được tiến hành theo cách thức thụ động. Nhiệt được khử nhờ bản thân kết cấu thép và nhờ các thùng làm mát khẩn cấp bên trong nhà lò. Hệ thống cân bằng áp suất nhà lò và hệ thống lọc sẽ hoạt động để bảo vệ bên trong kết cấu thép không bị quá áp và giữ lại các chất phóng xạ không cho thoát ra khí quyển trong sự kiện các tai nạn ngoài thiết kế.      

 

Trần Thu Hà

Nguồn: “Safety Analysis of SMART”, trên internet

 

Lượt xem: 775