Nghiên cứu công nghệ và an toàn trạm năng lượng hạt nhân nổi sử dụng lò mô đun nhỏ

Hiện nay, các công nghệ lò mô đun nhỏ (SMR) và trạm năng lượng hạt nhân nổi (FNPP) đang được nhiều quốc gia đầu tư nghiên cứu và phát triển. Ưu điểm của các công nghệ này là chi phí đầu tư ban đầu thấp, độ an toàn cao, tính linh hoạt trong xậy dựng, vận hành cũng như ứng dụng. Bên cạnh đó, nước láng giềng Trung Quốc cũng đang phát triển nhiều công nghệ SMR cho cả trên đất liền lẫn trên biển như ACP100, ACPR50S, DHR400, HTR-PM…, và dự kiến sẽ đưa các FNPP ra các vùng biển tranh chấp như biển Đông. Do đó, việc tìm hiểu các công nghệ SMR và FNPP có ý nghĩa cả về kinh tế lẫn chính trị đối với nước ta. Điều này góp phần đề ra các giải pháp cho vấn đề an ninh năng lượng ở nước ta cũng như cung cấp điện năng cho kinh tế biển và hải đảo. Ngoài ra, việc hiểu biết các công nghệ SMR và FNPP cũng giúp cho chúng ta có cơ sở để chuẩn bị cho các biến động có thể xảy ra trên biển Đông. Đây chính là nguyên nhân mà nhóm nghiên cứu của Trung tâm Năng lượng hạt nhân đặt ra đề tài: “Nghiên cứu công nghệ và an toàn trạm năng lượng hạt nhân nổi sử dụng lò mô đun nhỏ” (2019 – 2020), một trong những đề tài đầu tiên ở Việt Nam thực hiện các nghiên cứu về công nghệ SMR và FNPP.

       Trong đề tài này, việc tìm hiểu tổng quan của các công nghệ lò phản ứng SMR sử dụng trên đất liền cũng như trên biển đã được thực hiện. Các xu thế trong việc phát triển các lò phản ứng hạt nhân cho các trạm năng lượng nổi hiện nay chủ yếu là dựa trên nền tảng của các phiên bản lò phản ứng đã có trên đất liền (ACPR50S của Trung Quốc) hay các phiên bản dùng trong hải quân hoặc các tàu phá băng (KLT-40S và RITM-200 của Liên Bang Nga) nhằm tiết kiệm thời gian xin cấp phép do những lò phản ứng kể trên có thể sử dụng những công nghệ đã qua kiểm chứng. Ngoài ra, cũng có loại lò mô đun nhỏ đang được đẩy mạnh nghiên cứu và đang trong quá trình cấp phép của Mỹ là lò NuScale và OFNP-300. Có thể thấy đây là các công nghệ được cải tiến từ lò PWR truyền thống với nhiều công nghệ đã qua kiểm chứng, đồng thời cập nhật thêm các công nghệ an toàn tiên tiến nhất. Do đó, xu hướng phát triển có thể đẩy nhanh quá trình nghiên cứu, cấp phép, đưa vào xây dựng và vận hành các lò phản ứng hạt nhân SMR.

       Đối với FNPP, vấn đề an toàn, an ninh cũng cần quan tâm thêm nhiều khía cạnh do tính chất của nó là vận hành trên biển, có thể di chuyển được và ảnh hưởng nhiều đến vấn đề chủ quyền biển đảo. Đối với thiết kế an toàn của FNPP, sẽ cần phải xét đến các yếu tố ảnh hưởng của sóng biển lên các đặc trưng thủy nhiệt khi vận hành bình thường cũng như trong trường hợp sự cố. Bên cạnh đó, nhờ vào đặc trưng thiết kế tích hợp vòng sơ cấp vào thùng lò hay việc vận hành trên biển của FNPP sẽ giúp cho công nghệ này không xảy ra các sự cố như vỡ ống lớn (Large break LOCA) hay nóng chảy vùng hoạt. Đối với vấn đề an ninh của FNPP, việc phối hợp đảm bảo an ninh và an toàn của FNPP trên vùng biển quốc tế đôi khi cần sự phối hợp của nhiều quốc gia. Đồng thời, những nguy cơ về an toàn và an ninh có thể gây ra những hậu quả ảnh hưởng tới môi trường biển quốc tế, cho nên vấn đề an ninh cần được khảo sát chi tiết hơn.

       Về các quy định pháp lý cho FNPP, do đây là một công nghệ chưa được phổ biến nên các văn bản pháp quy quốc tế mà cụ thể là của IAEA vẫn chưa được xây dựng một cách đầy đủ và hệ thống. Ở Việt Nam, hiện tại vẫn chưa ban hành các văn bản liên quan đến vấn đề an toàn và an ninh của SMR cũng như FNPP. Tuy nhiên, trong tình hình diễn biến phức tạp ở khu vực biển Đông và các nước láng giềng, việc xây dựng các văn bản pháp lý liên quan là rất cần thiết. Việc xây dựng và ban hành các văn bản này cần có sự tham khảo từ các quốc gia đang phát triển công nghệ SMR và FNPP như Nga, Mỹ, Trung Quốc. Đồng thời, các quy định pháp lý cũng cần dựa trên các văn bản hiện có của IAEA và IMO, cũng như cần sự giúp đỡ của các chuyên gia IAEA và các quốc gia kể trên.

       Bên cạnh việc tìm hiểu tổng quan về SMR và FNPP, đề tài cũng thực hiện nghiên cứu và tính toán một số đặc trưng vật lý và an toàn thủy nhiệt của các công nghệ này nhằm xây dựng tiềm lực nghiên cứu công nghệ, tính toán và thiết kế lò SMR. Việc thiết kế vùng hoạt và tính toán các đặc trưng vật lý được dựa trên các thông số của lò phản ứng ACPR50S, loại lò sẽ được triển khai trên một nhà máy điện hạt nhân nổi của Trung Quốc. Phương pháp mô phỏng tôi kim tiến hóa (ESA) được sử dụng để tìm kiếm cấu hình nạp tải dựa trên các thông số chính của công nghệ ACPR50S.  Hình 1 và Hình 2 biểu diễn cấu hình nạp tải cũng như sự thay đổi của hệ số nhân hiệu dụng (Keff) và đỉnh công suất (PPF) trong quá trình lò hoạt động. Có thể thấy lò phản ứng có thể vận hành được khoảng 900 ngày với công suất 200MW nhiệt và đảm bảo độ an toàn về đỉnh công suất (PPF < 1.5). Cấu hình nạp tải này có thể được áp dụng để thực hiện phân tích an toàn và tính toán các số hạng nguồn nguồn cho FNPP sử dụng SMR trong các nghiên cứu trong tương lai.

       Các tính toán thủy nhiệt được thực hiện cho lò NuScale vì đây là công nghệ đã có báo cáo phân tích an toàn FSAR và có đầy đủ số liệu nhất để có thể thực hiện mô phỏng. Đồng thời, việc lần đầu tiên thực hiện mô phỏng cho lò năng lượng sử dụng đối lưu tự nhiên cũng là rất tốt để nâng cao năng lực cho cán bộ nghiên cứu. Kết quả mô phỏng trạng thái tĩnh cho thấy sự phù hợp với báo cáo phân tích an toàn FSAR, sai khác của các thông số quan trọng nằm trong khoảng từ 0,0 đến 5,9%. Sau khi kiểm chứng với các tính toán tĩnh, chương trình tính toán RELAP5 được sử dụng để mô phỏng sự cố bật thanh điều khiển trong thiết kế NuScale. Hình 3 và Hình 4 cho thấy về mặt định tính, RELAP5 đã mô phỏng được diễn biến xảy ra sự cố, phản hồi của lò phản ứng và hoạt động hệ thống an toàn thụ động, các thông số thủy nhiệt diễn tiến theo đúng quy luật. Về mặt định lượng, kết quả mô phỏng phù hợp với báo cáo phân tích an toàn FSAR ở giai đoạn đầu của sự cố. Các thông số tốc độ dòng khối của chất làm mát trong vòng sơ cấp, nhiệt độ trung bình của chất làm mát đi qua vùng hoạt có sai khác dưới 10%. Tuy nhiên, ở giai đoạn sau của sự cố, kết quả mô phỏng có sai khác lớn hơn. Nguyên nhân có thể xuất phát từ công cụ tính toán khác nhau (NRELAP và RELAP5); đồng thời, hạn chế về thông tin của hệ thống tải nhiệt dư thụ động cũng gây ra một phần sai khác. Vì vậy, cần có thêm các nghiên cứu chuyên sâu hơn cho bài toán này.

       Như vậy, đề tài này đã thực hiện tìm hiểu tổng quan các công nghệ SMR và FNPP trên thế giới cũng như các khía cạnh đảm bảo an toàn, an ninh của cho FNPP. Bên cạnh đó, đề tài cũng thực hiện các nghiên cứu tính toán bước đầu về các đặc trưng vật lý và an toàn thủy nhiệt của một số công nghệ SMR dùng cho FNPP. Các kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần xây dựng tiềm lực nghiên cứu công nghệ, phân tích an toàn, tính toán và thiết kế lò SMR sử dụng trong FNPP.

Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân