Tài liệu Báo cáo các vấn đề liên quan đến lò điện hạt nhân & công nghệ an toàn cho nhà máy điện hạt nhân

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CỤC NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ Phòng Quản lý khoa học & Công nghệ hạt nhân ---------- Báo cáo Các vấn đề liên quan đến lò điện hạt nhân & công nghệ an toàn cho nhà máy điện hạt nhân Kính gửi : Dr. Hoàng Anh Tuấn Hà Nội, 8 - 2011 MỤC LỤC Mục lục......................................................................................................... 1 Danh mục hình ảnh và bảng biểu ............................................................... 2 Phần 1: Giới thiệu........................................................................................ 3 1.1. Nhà máy điện hạt nhân ........................................................................... 3 1.1.1. Định nghĩa ....................................................................................... 3 1.1.2. Các thành phần cơ bản của một nhà máy điện hạt nhân ................... 4 1.2. Sự phát triển của công nghệ hạt nhân...................................................... 5 1.2.1. Nhà máy điện hạt nhân thế hệ I........................................................ 6 1.2.2. Nhà máy điện hạt nhân thế hệ II ..................................................... 6 1.2.3. Nhà máy điện hạt nhân thế hệ III và III+ ......................................... 6 1.2.4. Nhà máy điện hạt nhân thế hệ IV .................................................... 7 Phần 2: Xây dựng nhà máy điện ở Việt Nam............................................. 8 2.1. Đặt vấn đề ............................................................................................ 8 2.2. Lò phản ứng nước sôi (BWR) ................................................................ 8 2.3. Lò phản ứng nước áp lực (PWR) ........................................................... 9 Phần 3 : Các biện pháp đảm bảo an toàn cho nhà máy điện hạt nhân....11 3.1. Các biện pháp kỹ thuật ..........................................................................11 3.1.1. Quy hoạch nhà máy điện hạt nhân ..................................................11 3.1.2. An toàn trong vận hành của nhà máy ..............................................12 3.1.3. An toàn khhi xử lý sự cố .................................................................13 3.2. Các biện pháp phi kỹ thuật ....................................................................16 Phần 4 : Kết luận ........................................................................................17 Tài liệu tham khảo......................................................................................18 Bùi Từ Thi Hoàng Trang 1 Danh mục hình ảnh H.1.1. Nguyên lý tạo ra dòng điện từ dòng hơi nước ..................................... 3 H.1.2. Các thùng chứa chất thải phóng xạ...................................................... 4 H.1.3. Các thế hệ nhà máy điện hạt nhân ....................................................... 5 H.2.1. Nguyên lý của lò phản ứng nước sôi ................................................... 8 H.2.2. Nguyên lý của lò phản ứng nước áp lực .............................................10 H.3.1. Các nguy cơ có thể xảy ra với lò phản ứng ........................................13 Bùi Từ Thi Hoàng Trang 2 Phần 1 : Giới thiệu 1.1. Nhà máy điện hạt nhân 1.1.1. Định nghĩa “Nhà máy điện nguyên tử (nhà máy điện hạt nhân) là một nhà máy tạo ra điện năng ở quy mô công nghiệp, sử dụng năng lượng thu được từ phản ứng hạt nhân.” (Nguồn: Wikipedia) Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện hạt nhân: giống như các nhà máy nhiệt điệt là sử dụng năng lượng nhiệt để đun nóng nước, sinh ra luồng hơi nước có áp suất cao và lợi dụng công của luồng hơi nước này để làm quay turbine của các máy phát điện để tạo ra dòng điện cung cấp cho các phụ tải. Hình 1.1 – Nguyên lý tạo ra điện từ dòng hơi nước Khác biệt cơ bản nhất của điện hạt nhân với nhiệt điện là: năng lượng nhiệt được tạo ra để đun sôi nước chính là năng lượng thu từ phản ứng phân rã hạt nhân của các chất phóng xạ. Khi quá trình sản xuất đảm bảo “kín” và xử lý chất thải được bảo đảm an toàn cao, nhà máy điện nguyên tử sẽ có thể sản xuất năng lượng điện tương đối rẻ và sạch so với các nhà máy sản xuất điện khác, đặc biệt nó có thể Bùi Từ Thi Hoàng Trang 3 ít gây ô nhiễm môi trường hơn các nhà máy nhiệt điện đốt than hay khí thiên nhiên. Do sử dụng nhiên liệu là các chất có tính phóng xạ mạnh, trong quá trình hoạt động sẽ sản sinh ra một lượng chất thải hạt nhân khá lớn. phần lớn trong đó có độ nhiễm xạ thấp (các vật dụng bảo hộ như găng tay, giấy lót, các tấm che chắn…) sẽ được cho vào các thùng chứa đặc biệt và được tiến hành chôn lấp. Một số lượng ít hơn các chất phóng xạ nguy hiểm (ban đầu sẽ được lưu trữ trong phạm vi nhà máy trong vài chục năm để giảm hoạt độ phóng xạ) sau đó còn lại các chất phóng xạ có thời gian phân hủy lâu (có thể tới hàng ngàn năm) sẽ được bê tông hóa (trộn lẫn với thủy tinh đặc biệt), sau đó được chôn lấp ở các vùng có địa chất đặc biệt (các mỏ quặng muối lớn không thấm nước hoặc các vùng núi đá không có mạch nước ngầm chảy qua). Hình 1.2 – Các thùng chứa chất thải phóng xạ. Đến nay việc xử lý hoàn toàn các chất thải phóng xạ sinh ra từ quá trình hoạt động của các nhà máy điện hạt nhân vẫn chưa có. Biện pháp duy nhất vẫn là sử dụng các thùng chứa đặc biệt để chứa các chất thải này, sau đó tiến hành chông lấp chờ cho tính phóng xạ của chúng giảm đi. Tuy nhiên, các chất phóng xạ nguy hiểm có thời gian phân rã lớn sẽ từ từ “tấn công” vỏ các thùng chứa, quá trình này diễn ra trong một thời gian dài có thể sẽ làm cho vỏ các thùng chứa bị ăn mòn dẫn đến việc rò rỉ các chất phóng xạ ra ngoài. 1.1.2. Các thành phần cơ bản của một nhà máy điện hạt nhân Bùi Từ Thi Hoàng Trang 4 Lò phản ứng: Là nơi diễn ra các phản ứng phân rã hạt nhân để tạo ra năng lượng nhiệt lớn. Bộ phận sinh điện: Gồm máy phát điện, các turbine (sử dụng cơ năng của dòng hơi nước làm quay máy phát điện, từ đó sinh ra dòng điện). Bộ phận trao đổi nhiệt: Gồm hệ thống các ống dẫn, bộ tạo hơi, bộ ngưng tụ… có tác dụng trao đổi nhiệt giữa các pha với nhau, đồng thời chuyển hơi nước trở lại dạng lỏng. Bộ phận truyền tải điện năng: Gồm các máy biến áp, hệ thống lưới truyền tải điện có tác dụng truyền tải dòng điện được sinh ra đến các hộ phụ tải. 1.2. Sự phát triển của công nghệ điện hạt nhân Những nhà máy điện hạt nhân thuộc thế hệ đầu tiền ra đời từ những năm 50 của thế kỷ trước (Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên được xây dựng tại thành phố Obninsk - Liên xô cũ vào năm 1954, công suất 5.000 KW. Năm 1956, các nước Anh, Pháp cũng đưa vào vận hành nhà máy điện hạt nhân thương mại đầu tiên của minh) đánh dấu sự ra đời của hàng loạt các nhà máy điện hạt nhân tiếp theo. Trong quá trình phát triển, các mẫu thiết kế của nhà máy điện hạt nhân đã có nhiều cải tiến hướng đến việc nâng cao công suất của nhà máy đồng thời phát triển các thế hệ mới có chỉ số an toàn và tính tự động hóa cao hơn. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã phân loại thành bốn thế hệ như sau: Hình 1.3 – Các thế hệ nhà máy điện hạt nhân Mặc dù sự khác biệt giữa các thế hệ lò điện hạt nhân không rõ ràng cho lắm: Nguyên lý vận hành vẫn giống nhau nhưng có sự nâng cấp về cả thiết kế cũng như các thiết bị phụ trợ để tăng tính an toàn cao hơn. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 5 Hiện nay, các lò đang vận hành trên thế giới chủ yếu thuộc loại thế hệ thứ II. Một số nước đã xây dựng hoặc đang có kế hoạch thay thế các lò hết hạn sử dụng bằng loại lò thế hệ thứ III (hoặc III+). Ngoài ra, các nước đang hợp tác nghiên cứu để cho ra đời loại lò thế hệ thứ IV với nhiều ưu việt (an toàn hơn, lượng chất thải phóng xạ ít hơn, kinh tế hơn, giảm thiểu nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân). 1.2.1. Nhà máy điện hạt nhân thế hệ I Các lò phản ứng thương mại nguyên mẫu, đưa vào vận hành từ những năm 1950-1960. Các lò điện hạt nhân thế hệ I thường đơn chiếc, không đại diện cho một mẫu thiết kế chung nào. Sử dụng công nghệ an toàn chủ động và che chắn bằng các tòa nhà bảo vệ. Lò phản ứng làm lạnh bằng khí - GCR (Gas cooled reactor). Nhiên liệu dùng là urani tự nhiên, chất làm chậm nơtron là graphit, chất làm tải nhiệt là khí CO2. Một số nhà máy điện hạt nhân thuộc thế hệ này như: Shippingport (Hoa Kỳ), Magnox (Anh) hay UNGG (Pháp). Phần lớn các lò này đã hoặc đang được tháo dỡ. 1.2.2. Nhà máy điện hạt nhân thế hệ II Gồm các kiểu lò phản ứng nước áp lực PWR (Pressrized Water Reactor) hoặc kiểu nước sôi (BWR), thường được gọi là lò phản ứng nước nhẹ (LWGR). VVER và RBMK (lò năng lượng nước nhẹ của Nga) sử dụng nhiên liệu urani làm giàu 3%, chất làm chậm nơtron và chất tải nhiệt đều là nước nhẹ (H2O). Các nhà máy điện hạt nhân thế hệ thứ hai còn các lò Candu nước nặng (D2O) của Canada, Ấn Độ. Năm 1957, Mỹ khánh thành nhà máy điện hạt nhân thế hệ thứ hai đầu tiên, công suất 60 MW. So với các nhà máy thế hệ thứ nhất, các nhà máy thế hệ thứ hai cung cấp điện năng với giá rẻ hơn 20 - 30%, chiếm diện tích ít, thể tích gọn nhẹ hơn. Trong đó, có một số thiết kế được phát triển từ các lò phản ứng thế hệ I, một số được thiết kế mới hoàn toàn. Sử dụng công nghệ an toàn chủ động cải tiến (bơm diesel + đặt bẫy core catcher + hệ thống quản lý sự cố) và che chắn bằng tòa nhà bảo vệ. 1.2.3. Nhà máy điện hạt nhân thế hệ III và III+ Gồm các kiểu lò phản ứng nước áp lực Châu Âu- EPWR (European Pressuried Water Reator) được khởi công xây dựng đầu tiên năm 2005 tại Phần Lan dự kiến hoàn thành 2009, có công suất lớn nhất thế giới 1600 MW, do Pháp và Đức hợp tác nghiên cứu. và với nước sôi, như SWR 1000-1250 MW được Pháp và Đức chung sức nghiên cứu hơn 15 năm nay, hoặc lò AP 1000 của Hoa Kỳ chế tạo có hiệu suất và mức độ an toàn cao. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 6 Các lò phản ứng thế hệ III+: về cơ bản vẫn dựa chủ yếu trên thiết kế của thế hệ thứ III, tuy nhiên có nhiều cải tiến chủ yếu hướng đến mục đích nâng công suất, độ an toàn và giảm thời gian xây dựng. Sử dụng công nghệ an toàn chủ động cải tiến (bơm diesel + đặt bẫy core catcher + hệ thống quản lý sự cố) + công nghệ an toàn thụ động + che chắn bằng tòa nhà bảo vệ (thường sử dụng nhà lò có hai lớp bảo vệ) + tích hợp thêm các hệ thống điện tử và công nghệ xử lý tín hiệu số được đưa vào hệ điều khiển. Ưu điểm là độ an toàn cao, phòng được sự cố nóng chảy tâm lò, chịu được biến cố từ bên ngoài: máy bay rơi, động đất. Giá điện năng rẻ, vận hành dễ dàng. Hiện nay, các lò điện hạt nhân thế hệ thứ III và III+ là các lò có chỉ số an toàn cao nhất nhưng cũng là các lò đòi hỏi giá thành đầu tư xây dựng lớn nhất. Các đặc điểm của các nhà máy điện hạt nhân thế hệ III và III+:  Tiêu chuẩn hóa thiết kế nhằm rút ngắn thời gian xin cấp phép, giảm thời gian chi phí đầu tư va thời gian xây dựng.  Tích hợp thêm các hệ thống an toàn thụ động.  Kết cấu vững chắc, vận hành ổn định, dễ dàng.  Tuổi thọ của nhà máy cao, tới 60 năm (hoặc lâu hơn).  Giảm xác suất xảy ra sự cố đến mức thấp nhất (đặc biệt là sự cố nóng chảy lõi lò phản ứng)  Giảm thiểu tác động tới môi trường.  Nâng cao hiệu suất sử dụng nhiên liệu, làm tăng thời gian sử dụng nhiên liệu, giảm lượng thải phát sinh. 1.2.4. Nhà máy điện hạt nhân thế hệ IV Các thế hệ lò này hiện tại vẫn đang trong quá trình dự án. Hiện đang được 10 nước chung sức nghiên cứu trong khuôn khổ Hiệp định Forum International Generation (FIG), do Mỹ đề xướng từ năm 2000 với 6 kiểu lò (3 lò neutron nhanh, 3 lò nhiệt) đã được lựa chọn. Các lò tương lai này có khuynh hướng tiến tới chu kỳ kín, nghĩa là các lò phải có khả năng đốt cháy phần lớn chất thải (lò nhanh) để đáp ứng 4 tiêu chuẩn chính là tiết kiệm tài nguyên, tiết kiệm về chu kỳ nhiên liệu, hạn chế chất thải phóng xạ, hạn chế sự lan rộng vũ khí nguyên tử. Về lý thuyết, các lò này sẽ có độ an toàn gần như tuyệt đối nhưng sẽ chỉ có mặt trên thị trường sau những năm 2030. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 7 Phần 2 : Xây dựng nhà máy điện hạt nhân ở Việt Nam 2.1. Đặt vấn đề Theo Nghị quyết số 41/2009/QH12 ngày 25/11/2009 của Quốc hội về chủ trương đầu tư dự án điện hạt nhân Ninh Thuận có ghi rõ: “Công nghệ chính: công nghệ lò nước nhẹ cải tiến, thế hệ lò hiện đại nhất, đã được kiểm chứng, bảo đảm tuyệt đối an toàn và hiệu quả kinh tế tại thời điểm lập dự án đầu tư.” Các loại lò nước nhẹ cải tiến hiện nay gồm 2 loại: Kiểu lò phản ứng nước áp lực (PWR – Pressrized Water Reactor) hoặc kiểu nước sôi (BWR – Boiling Water Reactor). Do đó, ta sẽ xem xét 2 kiểu lò này. 2.2. Lò phản ứng nước sôi (BWR) Lò phản ứng hạt nhân nước sôi (BWR) hay còn gọi tắt là lò phản ứng nước sôi là lò phản ứng hạt nhân thuộc nhóm nước nhẹ, được sử dụng để sản xuất điện. Đây là kiểu lò phản ứng hạt nhân sản xuất điện phổ biến thứ 2 sau kiểu lò phản ứng nước áp lực (PWR), cũng thuộc nhóm lò phản ứng nước nhẹ. BWR đã được phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ Idaho và công ty General Electric phát triển vào giữa thập niên 1950. Nhà sản xuất chính hiện sản xuất kiểu lò này là GE Hitachi Nuclear Energy, đặc biệt công đoạn thiết kế và xây dựng. Thiết kế BWR được ứng dụng ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima I, hiện nhà máy này đang bị hư hỏng trong trận động đất và sóng thần Tohoku vào tháng 3 năm 2011. Hình 2.1 – Nguyên lý của lò phản ứng nước sôi Bùi Từ Thi Hoàng Trang 8 a. Ưu điểm: Công nghệ sử dụng hai vòng lưu chuyển của chất lỏng, trong đó vòng thứ nhất làm nhiệm vụ tải nhiệt của lõi và tạo hơi làm quay turbine, vòng thứ hai làm nhiệm vụ ngưng tụ hơi nước (lấy bớt nhiệt từ hơi nước). Làm cho thiết kế của các lò BWR đơn giản hơn các kiểu lò khác (lò PWR). b. Nhược điểm: Sử dụng trực tiếp luồng hơi nước từ lò phản ứng (có tính phóng xạ mạnh) để trực tiếp làm quay turbine nên công nghệ lò này sẽ làm cho mức độ phổ biến phóng xạ rộng hơn, phát sinh ra lượng rác thải phóng xạ lớn (kể cả các turbine) và nguy cơ rò rỉ phóng xạ (hơi nước chứa phóng xạ) là rất cao. 2.3. Lò phản ứng nước áp lực (PWR) Lò phản ứng nước áp lực (PWR) là một trong hai loại lò phản ứng hạt nhân thuộc nhóm lò phản ứng nước nhẹ, loại lò này được sử dụng rất phổ biến ở các nước phương tây. Trong lò PWR, bộ phận làm lạnh sơ cấp (nước) được bơm vào lõi lò phản ứng dưới áp suất cao, tại đây, nước được đun nóng bằng nhiệt tạo ra từ các phản ứng hạt nhân. Nước nóng sau đó chảy đến một bộ phận thứ cấp để truyền nhiệt mà nó mang theo, lượng nhiệt này sẽ làm nước sôi và tạo ra hơi nước để quay turbine, và phát ra điện. Khác với lò phản ứng nước nhẹ ở chỗ áp suất trong bộ phận sơ cấp được tuần hoàn mà không có quá trình sôi trong lò phản ứng. Tất cả các lò phản ứng nước nhẹ ban đầu dùng nước nhẹ trong bộ phân làm lạnh và điều hòa nơtrong. Các PWR ban đầu được thiết kế cho các lò phản ứng của tàu ngầm nguyên tử. Các PWR hiện đang được vận hành ở Hoa Kỳ là loại lò phản ứng thế hệ II. Các lò VVER của Nga cũng tương tự như của Hoa Kỳ (là các lò theo công nghệ PWR). Pháp vận hành một số lò PWR để tạo đa số lượng điện của họ. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 9 Hình 2.2 – Nguyên lý của lò phản ứng nước áp lực. a. Ưu điểm: Mức độ phổ biến phóng xạ hẹp (chỉ trong vòng lưu chuyển thứ nhất), turbine của máy phát điện và các bộ phận khác không hề bị nhiễm xạ, đồng thời giảm thiểu nguy cơ rò rỉ phóng xạ (dưới dạng hơi nước) ra bên ngoài. b. Nhược điểm: Thiết kế phức tạp hơn (so với công nghệ lò BWR), do có thêm một vòng lưu chuyển của chất lỏng. Trong vòng lưu chuyển thứ nhất, chỉ làm nhiệm vụ truyền tải nhiệt năng nên nước phải được giữ cho không sôi dưới một áp suất rất và nhiệt độ rất cao. Điều này yêu cầu các bộ phận lưu chuyển (đường ống dẫn, các van…) phải thật chắc chắn, và hạn chế số lượng các mối hàn để tránh hiện tượng rò rỉ nước chứa phóng xạ ra bên ngoài. Tuy vậy, nguy cơ rò rỉ chất phóng xạ (nước nhiễm xạ) là hoàn toàn có thể xảy ra. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 10 Phần 3 : Các biện pháp đảm bảo an toàn cho nhà máy điện hạt nhân 3.1. Các biện pháp kỹ thuật Ví dụ: Khi chọn mua ô tô, nếu đủ điều kiện về mặt kinh tế, ta hoàn toàn có thể chọn lựa một chiếc Mercedes-Benz có trang bị đầy đủ hệ thống túi khí an toàn, hệ thống chống trượt ABS, khả năng tăng tốc nhanh, nội thất sang trọng… có giá hàng tỷ đồng. Nhưng nếu khả năng về kinh tế hạn hẹp, ta có thể chỉ lựa chọn mua một chiếc Hyundai-Kia Morning với giá thành vài trăm triệu đồng cũng đã đáp ứng rất tốt các nhu cầu về phương tiện đi lại cho chúng ta. Quay trở lại việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân, các vấn đề về kỹ thuật (đặc biệt là vấn đề về quy hoạch, thiết kế và các biện pháp dự phòng, xử lý sự cố) luôn là vấn đề đầu tiên được xem xét vì nó là điều kiện tiên quyết trong việc cho ra đời một “sản phẩm” nhà máy điện có an toàn hay là không. Tuy nhiên, các biện pháp kỹ thuật về cơ bản sẽ làm tăng giá thành xây dựng các nhà máy điện hạt nhân lên rất cao. 3.1.1. Quy hoạch nhà máy điện hạt nhân Ưu điểm của một nhà máy điện hạt nhân là không đòi hỏi một diện tích quá lớn để xây dựng (giảm thiểu được tối đa diện tích của khu vực chứa nhiên liệu). Đảm bảo tính an toàn cho nhà máy điện hạt nhân bước đầu tiên phải lưu ý đến: i. Vị trí đặt nhà máy điện hạt nhân có thể không đặt nặng yêu cầu ở gần các nguồn nhiên liệu, gần đường giao thông, bến tàu, cảng biển (giống như các nhà máy nhiệt điện). Do đó, dễ dàng tiến hành quy hoạch các nhà máy này ở các khu vực có lịch sử địa chất ổn định (trong quá khứ chưa từng xảy ra động đất), đặt cách xa khu dân cư hoặc gần các phụ tải tiêu thụ điện lớn để giảm tổn thất điện năng khi truyền tải. ii. Không chỉ quy hoạch về vị trí xây dựng nhà máy điện hạt nhân mà đồng thời phải xây dựng quy hoạch chi tiết về các khu vực sẽ cần sử dụng để chôn lấp các chất thải phóng xạ (sản sinh ra trong quá trình hoạt động của nhà máy điện hạt nhân). iii. Một yêu cầu quan trọng là các nhà máy điện hạt nhân phải cách ly được tối đa sự có mặt của “những người không phận sự” trong phạm vi nhà máy. Vì thế trong thiết kế xây dựng bất kỳ một nhà máy điện hạt nhân, nhất thiết phải có tường bao kiên cố cho cả nhà máy, đồng thời có thể quy định thêm cả vùng cấm xâm phạm trong bán kính hợp lý tính từ tường bao của nhà máy. Cuối cùng là phải lắp đặt các hệ thống giám sát Bùi Từ Thi Hoàng Trang 11 liên tục ngày đêm cả trong lẫn ngoài nhà máy để tránh các sự xâm nhập trái phép. iv. Có thể đề xuất thiết lập một khu vực hạn chế bay trong phạm vi cỡ vài chục km xung quanh khu vực nhà máy điện hạt nhân để loại trừ nguy cơ khủng bố, phá hoại, đánh bom…(tuy rằng nguy cơ này ở Việt Nam là không lớn). 3.1.2. An toàn trong vận hành của nhà máy 1. Đảm bảo giám sát thông tin liên tục, với tính tự động hóa cao: Yêu cầu giám sát về trạng thái lò phản ứng (nhiệt độ, áp suất, độ tới hạn…), cùng các thông số về phóng xạ trong khu vực nhà máy là những thông tin cần được liên tục theo dõi, cập nhật với độ chính xác tuyệt đối. Thực hiện yêu cầu này, các nhà máy điện hạt nhân phải được bố trí dày đặc hệ thống các thiết bị cảm biến, máy đo các thông số (đặc biệt là thông số về phóng xạ), và liên tục truyền tin về trung tâm điều khiển (truyền hữu tuyến hoặc vô tuyến). Trung tâm điều khiển phải có hệ thống mô phỏng trực quan các thông số này, đồng thời có các chức năng tự động điều chỉnh phù hợp. 2. Cách ly hoàn toàn khu vực phóng xạ với khu vực bên ngoài: Nhà máy điện hạt có chu trình hoạt động mà trong đó các chất phóng xạ được lưu chuyển trong các vòng kín. Yêu cầu vô cùng quan trọng là giữ được các chất phóng xạ không thoát ra ngoài vòng lưu chuyển của nó. Ngoài ra, các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng SNF (Spent Nuclear Fuel) cũng cần phải được lưu trữ an toàn trong các bể làm mát. Do đó, phải thiết kế các nhà lò phản ứng ngoài việc chứa lò phản ứng còn là nơi lưu trữ tạm thời các sản phẩm có hoạt tính phóng xạ cao trước khi xử lý ở giai đoạn tiếp theo. Để thực hiện yêu cầu này, toàn bộ hệ thống lò phản ứng, các đường ống dẫn trong vòng lưu chuyển của chất trao đổi nhiệt (có phóng xạ) cùng với bể chứa các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng đều được đặt toàn bộ trong nhà lò phản ứng. Toà nhà lò phản ứng là một cấu trúc vô cùng kiên cố bằng bê tông cốt thép, bên trong lát tôn dày bằng thép. Phòng trường hợp lò phản ứng nổ, toà nhà được thiết kế để chịu đựng áp suất cao và giam hãm những chất phóng xạ. Cấu trúc cũng có thể chịu được một máy bay B 747 đâm xuống. Người ta cũng gọi vỏ tòa nhà này là tường giam hãm. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 12 Hình 3.1 – Các nguy cơ có thể xảy ra với nhà lò phản ứng. 3. Khoá an toàn tại chỗ: Yêu cầu này có nghĩa là, lò phản ứng trong trường hợp gặp phải các thao tác vận hành sai lầm từ phía người vận hành (do sai sót hoặc cố ý phá hoại) mà có thể dẫn đến những hậu quả to lớn (ví dụ như hành động rút quá nhiều các thanh điều khiển ra khỏi lò phản ứng dẫn tới tình trạng tới hạn trong lõi lò phản ứng sẽ không thể thực hiện được dưới các thao tác vận hành của con người). 3.1.3. An toàn khi xảy ra sự cố 1. Yêu cầu về dừng khẩn cấp khi có sự cố: Trong trường hợp xảy ra sự cố thì cần phải đảm bảo dừng hoàn toàn các phản ứng phân rã hạt nhân của nhiên liệu. Khi nhà máy điện hạt nhân gặp sự cố (động đất mạnh, sóng thần, phá hoại bằng vũ khí hạng nặng…) thì không cần xét đến việc các sự cố đó có gây ảnh hưởng gì tới hoạt động của nhà máy hay không mà ngay lập tức phải dừng tất cả các hoạt động của nhà máy điện hạt nhân. Thực hiện yêu cầu dừng lò phản ứng khẩn cấp, khóa hãm thường sử dụng các công cụ là: thanh dừng khẩn cấp và các dung dịch hấp thụ neutron, để bổ sung các tính chất an toàn cho nhau. Yêu cầu là có thể được đưa vào lò phản ứng một cách nhanh nhất có thể và có tác dụng hấp thụ toàn bộ lượng neutron có trong lò phản ứng nhằm dập tắt được chuỗi phản ứng của nhiên liệu. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 13 Thanh dừng khẩn cấp: Tùy theo các công nghệ chế tạo lò điện hạt nhân khác nhau mà các thanh dùng cho việc dừng khẩn cấp có thể cũng chính là các thanh điều khiển công suất (các lò theo công nghệ của Nhật, Mỹ) hoặc tách rời chức năng giữa thanh dùng cho việc dừng khẩn cấp với các thanh điều khiển công suất (các lò theo công nghệ của Nga, Pháp, Đức, Canada).  Việc tách rời các thanh dùng cho việc dừng khẩn cấp lò hạt nhân và các thanh điều khiển công suất sẽ làm cho thiết kế của hệ thống phức tạp hơn. Tuy nhiên ta có thể tối ưu hóa được việc chế tạo của các thanh này do đặc yêu cầu về kỹ thuật của chúng là khác nhau.  Các thanh làm nhiệm vụ dừng khẩn cấp cần có kích thước nhỏ gọn, lực đâm mạnh và tốc độ nhanh (để có thể đâm sâu vào lõi lò phản ứng với tốc độ nhanh nhất, kể cả trong các sự cố như động đất làm cong, hỏng lõi lò, cản đường đi của thanh), dùng các vật liệu đắt tiền, tinh khiết và có khả năng hấp thụ mạnh neutron (nên giá thành cao).  Các thanh điều khiển công suất lò phản ứng (điều khiển tốc độ các phản ứng phân hạch) thường có thể được chế tạo với kích thước lớn, vật liệu chế tạo rẻ tiền (do thanh bị hao mòn nhanh trong quá trình hoạt động), tốc độ di chuyển của các thanh này không cần quá nhanh. Có thể thực hiện một phần của chức năng dừng khẩn cấp. Dung dịch hấp thụ: Là các loại dung dịch đặc biệt có khả năng hấp thụ mạnh các neutron và độ ăn mòn thấp. Sử dụng với van tự nóng chảy khi nhiệt độ lò phản ứng tăng cao. Ưu điểm của việc sử dụng dung dịch hấp thụ trong yêu cầu dừng khẩn cấp lò phản ứng hạt nhân là có thể chảy đến tất cả các vị trí của lò phản ứng (kể cả trường hợp lò bị sự cố cong, méo làm các thanh dừng khẩn bị vô hiệu hóa). Tuy nhiên, do ở dạng lỏng nên có thể thoát ra bên ngoài nếu lò phản ứng bị thủng hoặc rò rỉ. Các loại dung dịch hấp thụ được sử dụng chủ yếu là acid boric hay dung dịch boron-lithi (khả năng chống ăn mòn cao). 2. Khi xảy ra sự cố (đặc biệt là sự cố hỏng hệ thống làm mát của nhà máy) thì cần phải giữ cho lò phản ứng được an toàn trước khi khôi phục lại được hệ thống an toàn: Thực hiện yêu cầu này có nghĩa phải thực hiện việc giải nhiệt tức thời cho lõi lò phản ứng. Trong quá trình hoạt động, lò điện hạt nhân đốt cháy nhiên liệu và sản sinh ra một năng lượng nhiệt rất lớn. Nếu gặp sự cố, và chức năng dừng khẩn cấp của lò phản ứng đã được thực hiện tốt thì các thanh nhiên liệu vẫn còn rất nóng, hơn nữa các sản phẩm phân rã nhiên liệu hạt nhân vẫn tiếp tục tự phân rã nên nhiệt lượng vẫn tiếp tục được sinh ra. Nếu nhiệt lượng này không được liên tục lưu chuyển ra ngoài thì nó sẽ làm nhiệt độ của lò phản ứng tăng rất cao (có thể tới hàng ngìn °C) Bùi Từ Thi Hoàng Trang 14 và làm cho các thanh nhiên liệu bị nóng chảy, hoặc nguy hiểm hơn là các lò phản ứng cũng có thể bị nóng chảy, dẫn tới rò rỉ các chất phóng xạ nguy hiểm ra bên ngoài. Do đó, các nhà máy điện hạt nhân phải được trang bị các thiết bị có độ tin cậy rất cao nhằm đảm bảo sự liên tục vận hành, đặc biệt là các bơm phục vụ việc lưu chuyển chất làm mát cho lõi lò phản ứng. Trong điều kiện hoạt động bình thường, các bơm này có xác suất hỏng hóc gần như bằng 0. Ngoài ra, phải có nhiều phương án dự phòng cho việc làm mát lõi lò phản ứng khi gặp sự cố (thông thường sử dụng các máy phát điện diesel chạy bơm dự phòng, ngoài ra còn có hệ thống lưu điện hoặc pin dự phòng trong trường hợp các máy điện diesel cũng gặp phải sự cố). 3. Nếu xảy ra sự cố nổ vòng một thì phải đảm bảo giữ được các chất phóng xạ nguy hại không thoát ra ngoài: Các thế hệ nhà máy điện hạt nhân trước kia, chỉ có thiết kế nhà lò phản ứng với 1 lớp bảo vệ duy nhất. Đối với các công nghệ mới hơn, do đòi hỏi cao về tính an toàn nên các thiết kế nhà lò hiện nay đều sử dụng hai lớp, giữa hai lớp vỏ bảo vệ có hệ thống các cảm biến đo nồng độ phóng xạ, khi có sự rò rỉ chất phóng xạ qua lớp thứ nhất thì chất phóng xạ sẽ bị phát hiện và được thu hồi ở khoảng trống giữa hai lớp chứ không thể thoát ra bên ngoài. Chưa dừng lại ở đó, giữa hai lớp vỏ nhà lò còn được bố trí các bể nước trên cao có tác dụng chống các tác động mạnh từ bên ngoài, đồng thời dùng làm mát lò phản ứng khi cần thiết. Theo công nghệ mới hiện nay, trên nóc nhà lò có thiết kế các dàn truyền nhiệt, dự trữ nước trên nóc và có thể cấp thêm bằng cứu hỏa. Khi có sự cố, lò phản ứng nóng lên làm nhiệt độ trong nhà lò theo đó tăng lên. Các van bị nóng chảy sẽ làm phun nước làm mát xuống lò phản ứng, giữ cho vỏ ngoài của lò phản ứng không vượt quá 100°C và không bị nóng chảy. Hơi nước bốc lên, gặp giàn ngưng tạo thành nước rơi trở lại làm mát lò phản ứng. Trong thiết kế, các nóc nhà lò thường bằng kim loại (thép) để có thể đẩy mạnh quá trình trao đổi nhiệt từ trong nhà lò ra ngoài môi trường đồng thời vẫn đảm bảo giam được các chất phóng xạ nguy hiểm không bị thoát ra. 4. Dự phòng an toàn trong thiết kế. Một điều bắt buộc khi xây dựng các nhà máy điện hạt nhân là luôn phải tính toán trước các sự cố có khả năng xảy ra (động đất, sóng thần, bão lụt, sét đánh…) để có sẵn các biện pháp ứng phó kịp thời (thực hiện dự phòng cho nhà máy điện hạt nhân). Tuy nhiên, việc tính toán này phải dựa vào các cơ sở khoa học và lịch sử địa chất của vùng quy hoạch nhà máy để đảm bảo các tính toán đưa ra là thực sự hợp lý. Nếu mức độ dự phòng cho nhà máy điện hạt nhân quá thấp thì khi gặp các sự cố Bùi Từ Thi Hoàng Trang 15 lớn hơn chắc chắn không tránh khỏi nguy hiểm cho nhà máy. Nhưng, dự phòng quá nhiều sẽ làm tăng chi phí đầu tư xây dựng nhà máy, gây lãng phí không cần thiết. Ví dụ: dự phòng về động đất, nếu khu vực chọn xây dựng nhà máy trong lịch sử chưa từng ghi nhận các trận động đất mạnh quá 5° richter thì chỉ cần thiết kế nhà máy chống được động đất đến 7° richter là chấp nhận được. 3.2. Các biện pháp phi kỹ thuật Ngoài các biện pháp kỹ thuật (như đã nêu trên). Một câu hỏi đặt ra là: “nếu chỉ đơn giản là đầu tư thật nhiều tiền, từ đó lựa chọn xây dựng nhà máy điện hạt nhân theo công nghệ mới nhất, có đầy đủ các biện pháp kỹ thuật đảm bảo an toàn cho nhà máy điện, và tăng mức độ dự phòng sự cố lên thật cao (tới mức không xảy ra)... Như vậy chúng ta đã có một nhà máy điện hạt nhân thực sự an toàn hay chưa?” Ví dụ (đã nói ở trên): Một chiếc mercedes-Benz cực kỳ đắt tiền, trang bị đầy đủ các công nghệ an toàn với một chiếc Hyundai-Kia Morning. Nếu để một người không biết lái xe điều khiển, thì dù người đó có lái chiếc xe nào đi chăng nữa cũng đều sẽ gây ra tai nạn. Qua ví dụ này, ta có thể khẳng định. Các biện pháp về kỹ thuật chỉ là điều kiện cần trong việc đảm bảo an toàn cho một nhà máy điện hạt nhân nói riêng (hoặc nói chung đối với bất kỳ lĩnh vực nào khác). Để đảm bảo an toàn cho nhà máy điện hạt nhân, và với những đặc điểm riêng biệt của nó, ta còn cần đặc biệt quan tâm tới các biện pháp (không mang tính kỹ thuật) đó là: “Đào tạo nguồn nhân lực cho nhà máy điện hạt nhân”. Các nhà máy điện hạt nhân hiện nay, với việc áp dụng thêm các thiết bị điều khiển và giám sát tự động nhưng vẫn không thể thay thế được con người trong những công việc nhất định, đặc biệt khi xảy ra sự cố. Trong lịch sử, các tai nạn hạt nhân đã xảy ra chủ yếu cũng do sự vận hàn, điều khiển sai sót của con người. Vì thế, đảm bảo tính an toàn cho nhà máy điện hạt nhân chính là việc phải có một đội ngũ cán bộ quản lý và vận hành có trình độ chuyên môn cao. Nếu thực hiện được điều này, chúng ta hoàn toàn có thể tự tin về tính an toàn của các nhà máy điện hạt nhân được xây dựng. Ngoài ra tránh được sự phụ thuộc quá nhiều vào các chuyên gia nước ngoài và còn có thể giảm được mức đầu tư khi xây dựng do không phải nâng mức dự phòng sự cố an toàn lên cao quá mức cần thiết. Hiện nay, yêu cầu xây dựng ngay lập tức được nguồn nhân lực chất lượng cao phục vụ cho ngành công nghiệp điện hạt nhân đối với một nước đang phát triển và đang từng bước tiến vào “ngành công nghiệp điện hạt nhân” của thế giới như Việt Nam là một điều bất khả thi, không thể sớm thành hiện thực trong thời gian ngắn. Cần thực hiện theo từng bước vững chắc (Do tính đặc thù của điện hạt nhân là các Bùi Từ Thi Hoàng Trang 16 quy định nghiêm ngặt về an toàn, ngay cả các cán bộ sau khi được đào tạo về điện hạt nhân cũng không thể ngay lập tức tham gia vào vận hành một nhà máy điện hạt nhân thực tế được mà phải trải qua một thời gian dài tích lũy kinh nghiệm bản thân). Các nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của Việt Nam sau khi được xây dựng, và đưa vào vận hành thương mại, gần như chắc chắn sẽ phải thuê các chuyên gia của nước ngoài đảm nhận các công việc chính về vận hành, điều khiển, giám sát. Song song với đó, chúng ta cần đẩy mạnh công tác đào tạo cán bộ (cả trong và ngoài nước), thực hiện tốt việc chuyển giao công nghệ nhằm chuẩn bị sẵn một nguồn lực có chất lượng cao phục vụ cho việc phát triển các nhà máy điện hạt nhân tiếp theo trong tương lai. Phần 4 : Kết luận Trong lịch sử, đã có nhiều sự cố lớn về điện hạt nhân. Trong đó, có những sự cố đã trở thành thảm họa hạt nhân thực sự làm thất thoát những chất phóng xạ nguy hiểm trên một phạm vi rộng lớn, gây ra những nỗi khiếp sợ cho người dân ở những nước xảy ra sự cố nói riêng và người dân trên toàn thế giới nói chung. Đối với vấn đề điện hạt nhân khi nói đến vẫn làm nảy sinh nhiều ý kiến phản đối gay gắt. Xây dựng nhà máy điện hạt nhân ở Việt Nam là một bước đi đúng đắn nhằm giải quyết vấn đề về cung cấp năng lượng đang rất bức thiết hiện nay. Tuy nhiên, Việt Nam là một nước nước mà kinh nghiệm về điện hạt nhân gần như con số 0 nên việc xây dựng các lò điện hạt nhân cần có sự chuẩn bị chu đáo và kỹ lưỡng trong tất cả các khâu, từ khi lên kế hoạch cho đến vấn đề xử lý các chất phóng xạ sau khi tháo dỡ. Đây là một quãng thời gian dài và do đó chúng ta hoàn toàn hướng đến khả năng tự mình xây dựng các nhà máy điện hạt nhân khác của đất nước. Bùi Từ Thi Hoàng Trang 17 Tài liệu tham khảo 1. “Định hướng quy hoạch và phát triển điện hạt nhân ở Việt Nam giai đoạn đến năm 2030” 2. “Giáo trình xử lý bức xạ và cơ sở của công nghệ bức xạ” – GS. Trần Đại Nghiệp – NXB Đại học Quốc gia Hà Nội 3. “Hỏi & Đáp về năng lượng nguyên tử” – Y. Iwakoshi 4. “Nuclear power: A status report” – Burton Richter 5. “Reactor concept manual - Nuclear power for electrical generation” 6. “The new economics of nuclear power” – WNA report 7. “Tổng quan hệ thống công nghệ nhà máy điện hạt nhân” – Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam 8. Websites : http://www.khoahocphothong.com.vn http://varans.vn http://www.vaec.gov.vn http://vi.wikipedia.org http://www.eia.gov http://www.world-nuclear.org Bùi Từ Thi Hoàng Trang 18