Sự cố Fukushima qua phân tích của Hội hạt nhân Hoa Kỳ

Vào ngày thứ Sáu, 11/3/2011, một trận động đất lớn nhất trong lịch sử thế giới được ghi nhận đã xảy ra tại vùng biển đông bắc Nhật Bản. Trận động đất này cũng gây ra một cơn sóng thần nghiêm trọng là nguyên nhân làm gần 20.000 người chết. Thảm họa kép ngay sau đó đã ảnh hưởng trầm trọng đến nhà máy điện hạt nhân Fukushima Daiichi, gây ra sự mất điện bên trong và bên ngoài nhà máy và làm thất thoát một lượng lớn chất phóng xạ từ nhà máy ra môi trường.

 Sau sự cố trầm trọng Fukushima, Hội hạt nhân Hoa kỳ (American Nuclear Society –ANS), một tổ chức gồm 11.600 chuyên gia công nghệ và khoa học hạt nhân, đã thành lập một Ủy ban đặc biệt Hội hạt nhân Hoa Kỳ về Fukushima nhằm cung cấp một giải thích súc tích và rõ ràng điều gì đã xảy ra trong sự cố hạt nhân Fukushima Daiichi, và đưa ra các khuyến cáo dựa trên các bài học đã được nghiên cứu về sự kiện này.

Dưới đây là tóm tắt Báo cáo phân tích chi tiết sự cố Fukushima Daiichi của Ủy ban đặc biệt/ANS được chính thức công bố trong Hội nghị báo chí vào ngày 8/3/2012 tại Washington, DC.  

1. Sự tác động đến Fukushima Daiichi do thảm họa kép 

Một chuỗi các nhà máy điện hạt nhân (ĐHN) trên vùng biển Đông Bắc Nhật Bản đã phải chịu sự tác động do thảm họa kép động đất-sóng thần trải dài từ Bắc xuống Nam gồm Higashidori, Onagawa,  Fukushima Daiichi, Fukushima Daini, Tokai Daini. Trong đó, 4 trong tổng số 6 lò phản ứng nước sôi (BWR) của nhà máy ĐHN Fukushima Daiichi (sau đây gọi tắt là Fukushima Daiichi) bị tác động trầm trọng nhất.

Vào thời điểm động đất xảy ra, các lò số 1, 2, 3 đang được vận hành ở mức công suất cao. Lò số 4 đang dừng để thanh tra định kỳ và sửa chữa lớn. Toàn bộ nhiên liệu của lò số 4 được di chuyển tới bể chứa nhiên liệu đã sử dụng (SFP) trong tòa nhà lò. Lò số 5 và 6 cũng ở trạng thái dừng để thanh tra định kỳ, nhưng nhiên liệu vẫn còn lại trong vùng hoạt và lò đang trong điều kiện dừng nguội. Do sự gia tốc địa chấn của động đất lớn nên các lò số 1, 2, 3 đã tự động dập lò. Sự mất điện lưới ngoài nhà máy đã khiến cho các hệ phát diezel khẩn cấp (EDG) phải khởi động để duy trì  làm mát lò phản ứng và các SFP.

Khoảng 45 phút sau cơn động đất, sóng thần với cột sóng cao xấp xỉ 15 m ập đến và dập tắt tất cả các EDG của nhà máy (ngoại trừ  một EDG của lò 6). Đặc biệt là sóng thần cũng nhấn chìm các hệ thống cấp nước biển làm mát EDG và cơ cấu đóng mạch điện. Kết quả là toàn bộ sự cung cấp điện đã bị mất tại các lò từ số 1 đến số 5.

Các lò từ số 1 đến số 4 bị hư hỏng nặng nề do sóng thần và các diễn biến tiếp theo sẽ được mô tả chi tiết trong mục 2 dưới đây.

Lò số 5 và số 6 ở vị trí tách riêng với các lò trên và nằm cao hơn. Mặc dù sóng thần đã gây ra sự mất điện các hệ EDG của lò số 5 và số 6 nhưng một EDG của lò số 6 do được làm mát bằng không khí, không phụ thuộc vào hệ thống nước biển làm mát và lại nằm ở vị trí cao hơn nên đã cung cấp được điện cho cả hai lò số 5 và số 6. Với sự duy trì cung cấp điện, hai lò số 5 và số 6 đã được bổ sung nước đến thùng lò (RPV). Hệ thống bơm khử nhiệt dư (RHR) cũng không bị tổn thất. Vì vậy các lò số 5 và số 6 đã đạt được điều kiện dừng lò nguội một lần nữa vào ngày 20/3/2011.

2. Diễn biến chi tiết sự cố Fukushima Daiichi

2.1. Diễn biến của lò số 1

- Sau khi dập lò và bị mất điện do động đất, cả hai nhánh của hệ thống bình ngưng cô lập được khởi động bởi các van cô lập hơi chính (MSIV) bị đóng và áp lực lên thùng lò tăng. Nhưng do nghĩ rằng với việc cả hai nhánh hoạt động, tốc độ làm nguội lò vượt quá tốc độ chỉ tiêu kỹ thuật (55^oC/giờ), những người vận hành đã dừng các bình ngưng cô lập. Rồi sau đó họ cho khởi động lại một nhánh của hệ thống bình ngưng cô lập và cho ngừng vài lần để kiểm tra áp suất và sự làm mát lò. Trong thời gian này, hệ phun chất tải nhiệt cao áp (HPCI) không làm việc vì mức nước trong thùng lò đã thích hợp.

- Sau khi sóng thần ập đến tất cả nhà máy đã chìm trong biển nước. Chức năng khử nhiệt bị mất tác dụng, các hệ EDG và pin ắc qui dự phòng đặt dưới tầng hầm của tòa nhà tuốc bin bị vô hiệu hóa. Tất cả các thiết bị đo đạc cần thiết để quan trắc và kiểm soát năng lượng trở thành vô dụng. Hệ HPCI cũng không thể vận hành do mất điện và cũng chưa cần thiết do hệ bình ngưng cô lập vừa mới được dừng. Mọi cố gắng đã tập trung vào việc mở lại các van của hệ thống bình ngưng cô lập đang vận hành trước đó. Một vài bằng chứng, như hơi được phát hiện bên ngoài vỏ thiết bị trao đổi nhiệt, cho thấy rằng bình ngưng cô lập này ít nhất cũng làm việc được phần nào. Tuy nhiên, đến 10 giờ tối ngày 11/3 mức độ phóng xạ quan sát được trong lò phản ứng và tòa nhà tuốc bin tăng lên. Điều này cho thấy sự hư hại vùng hoạt đang diễn ra.

- Đến 12 giờ 49 trưa ngày 12/3 các đo đạc cục bộ đã khẳng định áp suất của nhà lò đã vượt quá áp suất thiết kế. Đây là bằng chứng nữa cho thấy sự hư hại vùng hoạt và sản sinh ra hydro từ phản ứng của nước với kim loại ziconi, vỏ thanh nhiên liệu. Những người vận hành bắt đầu chuẩn bị thông hơi nhà lò sơ cấp nhưng công việc này trục trặc bởi mức phóng xạ trong nhà lò đã cao. Vào lúc 2 giờ 30 phút chiều cùng ngày, áp suất trong nhà lò sơ cấp giảm nhẹ do chủ động làm thoát hơi trong nhà lò ra ngoài. Nhưng đến 3giờ 36 phút vụ nổ hydro đã xảy ra tại phần trên của nhà lò phản ứng số 1. 

Bình luận: Các ghi chép không cho thấy bất kỳ sự cố gắng thận trọng nào để làm giảm áp suất thùng lò. Điều này đáng ra phải cần thiết sử dụng các bơm khẩn cấp như bơm cứu hỏa để bổ sung nước. Mặc dù đến 5 giờ 46 phút sáng ngày 12/3 những người vận hành đã bắt đầu sử dụng bơm cứu hỏa để bơm nước ngọt vào và áp suất thùng lò được phát hiện là đã hạ xuống. Không biết rõ liệu sự giảm áp thùng lò có xảy ra không vì có sự hư hại thùng lò do nóng chảy vùng hoạt, do vỡ một ống nâng được gắn ở phía dưới thùng lò hoặc các van xả an toàn (SRV) đã không mở được. Lúc này nhiên liệu đã bị hư hại nghiêm trọng. Một khoảng thời gian dài mức nước trong thùng lò đã không khôi phục lại ở mức cao hơn vùng hoạt.    

2.2. Diễn biến của lò số 2

- Giống như lò 1, đã có sự dập lò và các MSIV được đóng sau khi động đất xảy ra. Hệ thống tải nhiệt cô lập vùng hoạt lò phản ứng (RCIC) được khởi động bằng tay và tự động ngắt vì mức nước trong thùng lò cao

- Sau khi sóng thần xảy ra, điện bị mất và cũng giống như lò số 1 hệ thống HPCI cũng bị tổn thất. Tuy nhiên hệ thống RCIC đã hoạt động khoảng 70 giờ, lớn hơn  nhiều mức qui định khi nhà máy bị mất điện.

- Đến 1giờ 25 chiều ngày 14/3, hệ thống RCIC của lò số 2 đã dừng bởi mức nước của lò phản ứng đang giảm xuống và những người vận hành bắt đầu làm giảm áp suất thùng lò để có thể bơm nước biển vào bằng các tuyến hệ thống cứu hỏa. Ở đây có các vấn đề của việc hạ áp do thiếu điện cho các van điện, thiếu sự cung cấp ni tơ nén để mở các SRV. Những vấn đề này đã làm chậm rất nhiều việc đạt được áp suất đủ thấp của lò phản ứng để cho phép các bơm khẩn cấp áp lực thấp bổ sung nước vào thùng lò. Do đó nhiên liệu đã bị hở nước khi thùng lò không có chút nước nào trong khoảng thời gian 6,5 giờ. Nhiên liệu nóng lên kèm theo sự hư hại nghiêm trọng và sản sinh hydro. Một khoảng thời gian dài mức nước trong thùng lò đã không bù lại ở mức cao hơn vùng hoạt.   

Bình luận: Sự tăng áp suất của nhà lò lúc đầu chậm hơn nhiều cần được cho rằng có sự rò rỉ vào nhà lò nếu toàn bộ nhiệt phân rã được phân bổ vào bể triệt áp. Cấu hình đường thông hơi của bể ướt đã được hoàn thành vào lúc 11 giờ sáng ngày 13/3 nhưng áp suất của nhà lò không đạt được đến điểm để xả an toàn , vì vậy sự thông hơi đã không xảy ra. Sau khi vùng hoạt bị hư hại, áp suất trong nhà lò tăng lên rất nhanh có khả năng do sự sản sinh hydro. Vào 6 giờ sáng ngày 15/3, vụ nổ hydro đã xảy ra tại lò số 2. Vụ nổ này được khẳng định xảy ra gần khoang triệt áp của nhà lò.

2.3. Diễn biến của lò số 3   

- Tình trạng tại lò số 3 cũng giống như lò số 2 ngoại trừ hệ thống RCIC đã chạy hơn 20 giờ. Tuy nhiên việc cung cấp điện một chiều cho hệ thống HPCI không bị hư hại nên hệ thống HPCI đã khởi động lại và chạy thêm 15 giờ. Điều này đã hỗ trợ làm giảm áp suất trong thùng lò do sự tiêu hao hơi vào sự làm việc của tuốc bin HPCI (lớn gấp 7 lần so với sự làm việc của hệ thống RCIC).

- Sau khi HPCI dừng, áp lực trong thùng lò lại tăng. Sự giảm áp thùng lò để cho phép các bơm áp suất thấp bổ sung nước vào đã không được khởi động khoảng 7 giờ và do đó thùng lò đã không nhận được nước trong thời gian đó. Như lò số 2, ở đây cũng có vấn đề về điện cung cấp cho van điện và ni tơ cần thiết để hệ thống SRV hoạt động. Mức nước đã giảm xuống dưới đỉnh vùng hoạt và sự hư hại vùng hoạt nghiêm trọng và sản sinh hydro đã xảy ra. Hệ thống cứu hỏa đã bắt đầu phun nước có chứa Bo vào lò lúc 9 giờ 25 sáng ngày 13/3. Sau đó việc phun này được đổi sang phun nước biển; nhưng mức nước trong thùng lò không hề khôi phục lại như mong đợi. Điều này cho thấy có sự rò rỉ trong thùng lò hoặc trong các ống dẫn ở đáy thùng lò.

Bình luận: Như lò số 2, ở đây cũng cho thấy có sự rò rỉ do sự tăng áp suất trong nhà lò từ nhiệt phân rã chậm hơn suy đoán. Cùng với việc giảm áp thùng lò, sự thông hơi nhà lò để làm giảm áp suất của nhà lò sơ cấp đã bắt đầu Do trục trặc của van điện và cung cấp ni tơ nén nên việc thông hơi phải làm nhiều lần. Cuối cùng vào 11 giờ 01 sáng 14/3 vụ nổ hydro đã xảy ra tại phần mái của tòa nhà lò. Nguồn hydro được cho là từ sự rò rỉ tại ranh giới nhà lò. Áp suất nhà lò đã giữ ở mức thấp trong thời gian dài.

2.4. Diễn biến của lò số 4

Toàn bộ sự cung cấp điện xoay chiều cho lò số 4 cũng bị mất do thảm họa kép. Vì vậy chức năng cung cấp nước và làm mát cho SFP mất tác dụng. Nhiệt độ của SFP tăng lên đến 84^oCvào lúc 4 giờ sáng ngày 14/3. Đến 6 giờ sáng ngày 15/3, một vụ nổ được cho là vụ nổ hydro đã xảy ra làm hư hại nặng nề một phần của tòa nhà lò. Lúc đầu người ta nghĩ rằng nguyên nhân vụ nổ là nhiên liệu trong SFP bị hở nước, nhiệt tăng, sản sinh hydro. Vì lẽ đó trong nhiều ngày sau họ đã sử dụng nhiều cách để bổ sung nước vào SFP. Sau này các bức ảnh chụp được cho thấy không có sự hủy hoại nhiên liệu trong SFP do quá nhiệt, và nguồn hydro đã được tìm thấy dấu vết ở đường ống sau hệ thống xử lý khí thải dự phòng; đường ống này được nối vào đường ống khói chung với lò số 3, nơi nhà lò đã được thông hơi.       

3. Tình trạng nhiên liệu đã sử dụng tại Fukushima Daiichi

 Sự hư hại nhiên liệu đã sử dụng được cất giữ gây ra sự thất thoát chất phóng xạ có thể do các cơ chế sau: (1) Mất sự duy trì liên tục hoặc sự giảm hiệu quả của việc làm mát chủ động SFP; (2) Không đủ nước làm mát SFP; (3) Tác động vật lý của một vật nặng bị rơi xuống; (4) Tổng hợp của tất cả các cơ chế trên. Báo cáo của ANS đánh giá tình trạng nhiên liệu đã sử dụng tại Fukushima Daiichi dựa vào các phân tích như sau:

- Các bằng chứng cho thấy không có sự hư hại xảy ra đối với các SFP của lò số 5 và số 6 hoặc SFP chung. Chính phủ Nhật cũng có báo cáo bổ sung đến IAEA với kết luận rằng nhiều khả năng nước đã được khôi phục lại trong các SFP của các lò từ số 1 đến số 4 trước khi bất kỳ nhiên liệu đã sử dụng bị phơi và hư hại. Mặc dù mất điện lưới bên ngoài và các EDG của các lò từ số 1 đến số 5 bị tổn thất, nhưng một EDG của lò 6 đã cho phép sự làm mát được duy trì đối với các SFP của lò số 5, số 6 và SFP chung trước khi nhiệt độ ở đây tăng lên đáng kể.

- Vụ nổ hydro vào ngày 12/3 đã làm hư hại phần mái của kết cấu bao quanh gian nhà đảo thanh nhiên liệu của lò số 1. Trong khi vụ nổ  này có thể làm cho vật liệu rơi vào SFP thì ở đây lại không có bằng chứng về sự hư hại nhiên liệu xảy ra. Bằng các cách để cung cấp đủ nước đến SFP của lò số 1 từ ngày 31/3, đến tháng 9 nhiệt độ nước của SFP ở đây đã được duy trì ở mức dưới 35^oC.

- Nước được bổ sung vào SFP của lò số 2 bằng ống hiện có bắt đầu vào ngày 20/3. Các phân tích mẫu nước được lấy ở lò số 2 vào ngày 16/4 cho thấy nhiên liệu không bị hư hại   

Từ 31/3 bằng cách sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt và hệ thống làm mát thay thế, nước trong SFP của lò số 2 đã được duy trì ở nhiệt độ dưới 35^oC vào tháng 9.

- Vào ngày 14/3 vụ nổ hydro đã hủy hoại kết cấu mái nhà đảo thanh nhiên liệu của lò số 3. Từ ngày 17-27/3 các biện pháp cấp nước vào lò được sử dụng bằng súng bắn nước hoặc phun từ trực thăng xuống và cuối cùng bằng một bơm bê tông, nước của bể đã đạt mức yêu cầu. Sau tháng 4, lượng nước trong SFP của lò số 3 được khôi phục bằng các ống hiện có. Đến tháng 9 nhiệt độ của SFP ở đây đã được duy trì ở mức dưới 35^oC.

-  Bởi vì toàn bộ nhiên liệu của lò số 4 đã được đưa vào SFP nên có sự quan tâm đặc biệt đối với SFP này khi kết cấu bao che tầng đảo thanh nhiên liệu bị hư hại nặng nề do vụ nổ hydro ngày 15/3. Nhiệt độ của SFP trong các ngày 14 và 15/3 đã tăng lên 84^oC. Các biện pháp cấp nước được tiến hành từ ngày 20/3 nhưng đến ngày 24/3 nhiệt độ ở đây đã tăng lên 100 ^oC. Chỉ đến 25/3 nước mới được đưa vào SFP bằng bơm bê tông, một biện pháp hiệu quả hơn. Đến tháng 9 nước trong SFP của lò số 4 đã <40 ^oC.

4. Điều gì xảy ra khi thảm họa kép tấn công

Khi nhà máy bị mất điện, việc giải quyết sự mất nước cung cấp cho thùng lò dựa vào các hệ thống hiện có trong nhà máy như sau: (1) Các hệ thống bình ngưng cô lập trong BWR-3 như lò số 1; (2) Các hệ thống RCIC trong BWR-4 như lò số 2, 3, 4, 5 và trong BWR- 5 như lò số 6; (3)  Hệ thống HPCI trong BWR-3và trong BWR-4 như các lò từ số 1 đến 5. Ngoài ra, cần có điện một chiều và ni tơ nén (hoặc không khí) để mở các van của các hệ thống này cũng như cung cấp điện cho các dụng cụ đo đạc kiểm tra tình trạng lò.

Bình ngưng cô lập có khả năng duy trì làm mát vùng hoạt, nhưng nếu có sự rò rỉ ở đây thì cần thiết phải bổ sung nước cho hệ thống lò. Các hệ thống RCIC và HPCI có khả năng bổ sung nước nhiều hơn và có thể xử lý sự rò rỉ nhỏ. Trong khi các hệ RCIC và HPCI làm việc, áp suất lò được kiểm soát bằng van xả an toàn nhưng hơi đã rút hết vào bể triệt áp bên trong nhà lò nên cuối cùng việc khử nhiệt rã phải được khôi phục lại hoặc nhà lò phải được thông hơi.

Nhà máy còn có các bơm vận hành bằng diezen trong hệ thống cứu hỏa hoặc có thể linh động nối đường ống hiện có với các xe cứu hỏa để bổ sung nước cho lò. Để sử dụng các bơm áp lực thấp phun nước vào, thùng lò phải được giảm áp đủ thấp. Điều này cẩn đến sự vận hành SRV bằng tay vì vậy phải yêu cầu điện một chiều và ni tơ nén.

Khi nước không thể vào được thùng lò thì ở đây có thời gian từ 1-2 giờ trước khi nhiên liệu bị phơi và khoảng 30 phút sau đó nhiên liệu sẽ giải phóng hydro cùng với nhiệt do phản ứng giữa nước với vỏ nhiên liệu, tiếp theo nhiên liệu bị nóng chảy. Mặt khác, kích thước của bể triệt áp lớn có nghĩa là nhà lò sẽ không đạt tới áp suất thiết kế trong khoảng 15 giờ. Như vậy sự ưu tiên hơn cần được đưa ra là đảm bảo lượng nước đền bù trong thùng lò, đảm bảo khả năng giảm áp nếu cần thiết phải sử dụng các bơm khẩn cấp.

5. Phân tích sự cố Fukushima Daiichi      

Trong lò số 1, sự mất điện một chiều và hư hỏng các thiết bị đo đạc càng làm tăng khó khăn cho công tác kiểm soát sự cố. Thêm vào đó, hệ thống phòng chống ngập lụt cho hệ pin dự phòng cũng không có. Chỉ có duy nhất hệ thống bình ngưng cô lập có thể dùng được như một hệ thống bù đắp nhưng do không có các thiết bị đo đạc nên cũng không chắc chắn sự làm việc của hệ thống này có tốt hay không. Sự ưu tiên cho thông hơi nhà lò được quyết định khi lẽ ra phải đảm bảo về sự làm mát vùng hoạt như bằng sự hồi phục bình ngưng cô lập tại áp suất lò hoặc bằng sự thiết lập các nguồn nước thay thế vào thùng lò và sự giảm áp hệ thống lò bằng các bơm áp suất thấp. Không có ghi chép cho thấy ở đây đã có bất kỳ sự cố gắng nào để làm giảm áp thùng lò suốt quá trình sự kiện xảy ra.

Việc thiết kế thông hơi nhà lò bằng các van cần điện một chiều và không khí hoặc ni tơ nén để mở, cộng với van xả an toàn (với điểm để xả lớn hơn áp suất thiết kế của nhà lò) trên cùng một tuyến mà không thể được bỏ qua dẫn đến sự chậm trễ, làm áp suất nhà lò vượt quá áp suất thiết kế. Nhiều khả năng nguyên nhân hydro hiện diện trong nhà lò là sự rò rỉ vào nhà lò từ các vị trí hàn kín chủ chốt bị hư hại do áp suất, nhiệt độ nhà lò cao hoặc cũng có thể do rò rỉ từ các van cô lập nhà lò.

Trong lò số 2 và 3, những người vận hành cần được khen ngợi vì việc giữ cho các hệ thống RCIC và HPCI vận hành lâu như họ đã làm. Nhiều nghiên cứu Đánh giá nguy hiểm theo xác suất được thực hiện trên các lò nước sôi cho thấy kịch bản nóng chảy vùng hoạt hầu như sẽ xảy ra trong tình trạng mất điện nhà máy (SBO) cùng với sự thất bại cuối cùng của các hệ RCIC/HPCI sau thời gian làm việc tối đa được cho là 8 giờ. Tuy nhiên tại Fukushima Daiichi, trong khoảng thời gian này đã không có sự cố gắng nào để chuẩn bị cho sự giảm áp thùng lò cho đến khi các hệ thống này hư hỏng và do đó sự giảm áp để cho phép các nguồn nước thay thế đã bị chậm trễ.

Trần Thu Hà

Nguồn: FUKUSHIMA DAIICHI: ANS Committee Report