Các hệ thống an toàn trong lò phản ứng hạt nhân

 Theo Ủy ban Pháp qui hạt nhân (NRC) của Hoa Kỳ, các hệ thống an toàn cho lò phản ứng hạt nhân trong một nhà máy điện hạt nhân (H.1) nhằm ba mục tiêu chính là: trong các trường hợp khẩn cấp và sự cố thực hiện dập lò, duy trì tình trạng an toàn của lò khi dập lò và ngăn chặn sự phát thải các chất phóng xạ. Điển hình các hệ thống thiết bị an toàn cho lò phản ứng hạt nhân lò nước sôi (BWR) gồm 7 hệ, thiết bị có các chức năng riêng biệt đảm bảo an toàn hạt nhân trong các trường hợp sự cố, khẩn cấp xảy ra.

H.1: Nhà máy ĐHN Isar 2, Đức  

      Dưới đây sẽ trình bày một cách khái quát chức năng của từng hệ, thiết bị trong hệ thống an toàn hạt nhân (H.2)  

H.2: Sơ đồ một số hệ thống an toàn trong lò phản ứng hạt nhân BWR

1/ Hệ thống bảo vệ lò phản ứng (reactor protection system- RPS)  

     Một hệ thống bảo vệ lò phản ứng (RPS) được thiết kế để chấm dứt ngay lập tức phản ứng hạt nhân Trong quá trình lò đang vận hành, phản ứng hạt nhân liên tục sinh ra nhiệt và sự bức xạ. Bằng cách bẻ gẫy phản ứng chuỗi này nguồn nhiệt có thể được loại trừ và các hệ thống khác có thể được sử dụng để liên tục trừ khử nhiệt rã ra khỏi nguồn nhiệt. Hệ thổng RPS gồm các bộ phận sau:

- Các thanh điều khiển (Control rods): Các thanh điều khiểncó thểđược lập tức chèn vào vùng hoạt để hấp thụ nơtron và chấm dứt nhanh chóng phản ứng hạt nhânPhản ứng hạt nhân cũng có thể được dừng lại bằng cách phun trực tiếp một loại chất lỏng như dung dịch chứa Bo có khả năng hấp thụ nơtron thay cho nước vào vùng hoạt.

-  Hệ điều khiển chất lỏng dự phòng (Standby liquid control system): Phản ứng hạt nhân cũng có thể được dừng lại bằng cách phun trực tiếp một loại chất lỏng như dung dịch chứa Bo có khả năng hấp thụ nơtron thay cho nước vào vùng hoạt.

2/ Hệ thống nước dịch vụ cần thiết (Essential servise water system- ESWS)

     Chức năng của ESWS là tuần hoàn nước làm mát từ các thiết bị trao đổi nhiệt và các thành phần khác. Do hệ thống nàycó thể trừ khử nhiệt từ cả hai hệ thống sơ cấp và các bể làm mát thanh nhiên liệu đã sử dụng nên ESWS là một hệ thống an toàn then chốt.

3/ Hệ thống làm lạnh vùng hoạt khẩn cấp (Emergency core cooling system-ECCS)

     ECCS được thiết kế để dập lò an toàn trong điều kiện sự cố xảy ra. Trong điều kiện bình thường, nhiệt được loại bỏ khỏi lò phản ứng hạt nhân bằng cách ngưng tụ hơi sau khi đi qua tuốc bin và bằng sự chuyển đổi thành công cơ học. Trong điều kiện sự cố, thiết bị ngưng tụ không được sử dụng vì vậy biện pháp làm lạnh thay thế được yêu cầu để ngăn chặn sự sai hỏng đối với nhiên liệu hạt nhân. Trong nhiều nhà máy điện hạt nhân, ECCS gồm các hệ thiết bị sau:

- Hệ phun chất tải nhiệt cao áp (High pressure coolant injection system-HPCI) gồm một hay nhiều bơm có áp lực cần thiết và được thiết kế để quan sát mức độ làm lạnh trong thùng lò và tự động phun chất làm lạnh khi nhiệt độ không đảm bảo theo đúng yêu cầu. Hệ thống này thường là tuyến phòng vệ đầu tiên đối với một lò phản ứng.

- Hệ giảm áp tự động (Automatic Depressurization system-ADS) được yêu cầu để đáp ứng sự giảm áp lò phản ứng trong các sự cố mất chất tải nhiệt (LOCA) trung bình và nhỏ khi hệ HPCI không có sẵn hoặc không thể đảm bảo chức năng của nó.   

- Hệ phun chất tải nhiệt thấp áp (Low pressure coolant injection system-LPCI): gồm một hay nhiều bơm để bổ sung chất làm lạnh vào thùng lò khi bị giảm áp.

- Hệ phun tâm lò (Corespray system) sử dụng các mũi phun rất nhỏ có thể là kiểu áp suất thấp và áp suất cao trong các thùng lò để tia trực tiếp nước vào các thanh nhiên liệu nhằm ngăn chặn sự sinh hơi.

- Hệ phun nước trong nhà lò (Containment spray system)gồm nhiều bơm và các mũi phun rất nhỏ để tia chất làm lạnh vào không gian trong nhà lò, làm ngưng tụ hơi nhằm ngăn chặn sự quá áp, điều này có thể dẫn đến sự hạ áp không chủ ý.

- Hệ làm lạnh cô lập (Isolation cooling system) được điều khiển bởi tuốc bin hơi và được sử dụng để cung cấp nước đủ làm mát an toàn cho lò phản ứng nếu nhà lò được cách ly với hệ điều khiển và tòa nhà tuốc bin.

4/ Hệ cung cấp điện khẩn cấp (Emergnecy electrical system)

- Máy phát điêzen được dùng để cung cấp điện trong tình trạng khẩn cấp.  

- Máy phát mô tơ: Để ngăn chặn các thiết bị có thể bị hư hỏng hoặc suy yếu khi mất điện đột ngột.máy phát mô tơ có thể được gắn với bánh đà cho phép cung cấp điện liên tục trong một thời gian ngắn cho đến khi việc cung cấp điện được chuyển sang các máy phát điêzen hoặc pin.

- Pin ắc qui thường tạo ra hệ thống điện dự phòng cuối cùng và cũng có khả năng cung cấp điện thích hợp để dập lò.

5/ Các hệ ngăn chặn bức xạ/nhà lò (Containment systems)

     Các hệ ngăn chặn bảo vệ bức xạ hay gọi đơn giản là nhà lò được thiết kế để ngăn chặn sự phát thải các chất phóng xạ ra môi trường. Các hệ ngăn chặn bảo vệ gồm:

- Vỏ nhiên liệu (fuel cladding) là lớp phủ bên ngoài thanh nhiên liệu, đây là lớp đầu tiên bảo vệ vùng xung quanh thanh nhiên liệu hạt nhân và được thiết kế để giữ cho nhiên liệu không bị ăn mòn. Vỏ nhiên liệu cần được hiểu rằng không phải tạo ra sự che chắn mà được thiết kế để hấp thụ một lượng bức xạ nhỏ có thể là các sản phẩm phân hạch, đặc biệt là các khí như kripton, xênon, i ốt

- Thùng lò phản ứng (reactor vessel):là lớp che chắn đầu tiênxung quanh thanh nhiên liệuvà thường được thiết kế để chặn lại nhiều bức xạ phát ra trong quá trình phản ứng hạt nhân.

- Cấu trúc ngăn chặn sơ cấp (primary containment) hay còn gọi là nhà lòsơ cấp thường có kết cấu là kim loại và bê tông có dạng hình trụ hoặc hình quả bầu chứa thùng lò phản ứng. Nhà lò sơ cấpđược thiết kế để chịu được áp suất bên trong bị gây ra do dò rỉ hoặc khi có sự chủ ý hạ áp của thùng lò phản ứng. Trong lò nước áp lực chỉ có nhà lò sơ cấp.

- Cấu trúc ngăn chặn thứ cấp (second containment): trong các nhà máy điện hạt nhân lò nước sôi, do có nhiều hệ thống hơi gồm cả tuốc bin chứa các chất phóng xạ nên thường có hai hệ ngăn chặn bảo vệ gồm hệ sơ cấpcòn gọi là nhà lò sơ cấpvà thứ cấp còn gọi là nhà lò thứ cấp. Nhà lò thứ cấp được thiết kế bao quanh cấu trúc của nhà lò sơ cấp.

- Hệ bắt giữ/bẫy vùng hoạt (Core catching): Trong trường hợp bị nóng chảy toàn bộ, thanh nhiên liệu hầu như đổ sập xuống sàn bê tông của nhà lò sơ cấp. Do quan tâm đến việc vùng hoạt sẽ bị nóng chảy và có thể xuyên qua lớp bê tông sàn, một phương sách bắt giữ/bẫy vùng hoạt (core catching) đã được phát minh. Đó là một hầm đào dưới lò phản ứng có khả năng chứa một lượng lớn kim loại nóng chảy, làm loãng corium (vật liệu vùng hoạt nóng chảy) và làm tăng độ dẫn nhiệt của nó; khối kim loại pha loãng sau đó được làm lạnh bởi nước tuần hoàn bên trong sàn lò.  

6/ Hệ xử lý khí thải dự phòng (Standby gas treatment-SBGT)

      Hệ thống SBGT là hệ xử lý khí thải ở trạng thái sẵn sàng, được sử dụng khi có sự cố hoặc trường hợp khẩn cấp trong một nhà máy điện hạt nhân. Chức năng của hệ SBGT gồm: xử lý khí chứa chất phóng xạ sau đó bơm khí sạch từ bên trong nhà lò ra môi trường; và duy trì áp suất âm bên trong nhà lò để hạn chế sự phát thải chất phóng xạ ra ngoài môi trường.

7/ Hệ thông gió và ngăn chặn bức xạ (Ventilation and radiation protection)

     Trong trường hợp chất phóng xạ tung ra ngoài khí quyển, một hệ thống được thiết kế để khử phóng xạ ra khỏi không khí môi trường làm giảm hiệu ứng phát thải phóng xạ đến người làm việc và dân chúng. Hệ thống này bao gồm:

- Hệ thông gió cho nhà lò (Containment ventilation) có chức năng khử chất phóng xạ và hơi trong điều kiện hệ thống giảm áp được sử dụng để thoát hơi vào không gian nhà lò.  được thiết kế để đảm bảo rằng người làm việc trong nhà lò được bảo vệ không bị ảnh hưởng của chất phóng xạ phát ra.

- Hệ thông gió cho phòng điều khiển (Control room ventilation)

     Trên đây là giới thiệu khái quát các hệ thống an toàn trong nhà máy điện hạt nhân. Chức năng và cấu trúc chi tiết của từng hệ, thiết bị riêng biệt sẽ được giới thiệu rõ hơn trong các bài sau.

Tổng hợp từ “Nuclear reactor safetysystems”, wikipedia 

                                                         Trần Thu Hà