MỞ ĐẦU Do nhu cầu điện năng tăng cao, năm 2009, Quốc hội đã phê duyệt chủ trƣơng xây dựng hai nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở nƣớc ta, ở Ninh Thuận, theo công nghệ do Liên bang Nga (gọi là Ninh Thuận 1) và Nhật Bản (gọi là Ninh Thuận 2) đề xuất. Dự kiến công nghệ đề xuất cho Ninh Thuận 2 có thể là AP1000. Vì vậy, Luận văn này đã chọn một nội dung nghiên cứu liên quan đến AP1000. AP1000 là lò phản ứng hạt nhân thuộc loại PWR (lò nƣớc áp lực) của Tập đoàn Westinghouse.Đây là loại lò có nhiều cải tiến theo hƣớng an toàn thụ động (Advanced Passive)có mức độ an toàn cao.
AP1000 có bình điều áp với thể tích gần gấp đôi các loại lò cùng công suất. Nhà máy điện hạt nhân là loại hình sử dụng năng lƣợng với hiệu suất cao, nhƣng khi tai nạn xảy ra thì thiệt hại vô cùng lớn, nên vấn đề an toàn luôn đƣợc đặt lên hàng đầu. Bất cứ cải tiến nào cũng yêu cầu phải có sự chú ý nghiên cứu phù hợp. Vì vậy, Luận văn này đề xuất nghiên cứu về bình điều áp và sự cố bình điều áp có thể xảy ra đối với lò phản ứng AP1000.
Sự cố đƣợc mô phỏng tính toán bằng phần mềm RELAP5 – một phần mềm đƣợc sử dụng tƣơng đối phổ cập hiện nay trong tính toán an toàn nhà máy điện hạt nhân nói chung, cũng nhƣ đƣợc sử dụng để mô phỏng các sự cố giả định đối với các bộ phận, hệ thống của nhà máy điện hạt nhân nói riêng. Do vấn đề an toàn của nhà máy điện hạt nhân đƣợc xem xét chủ yếu trên cơ sở phân tích các sự cố giả định của lò phản ứng hạt nhân. Vì vậy, dƣới đây, trong luận văn này, tác giả sẽ dùng cụm từ “nhà máy điện hạt nhân AP1000” với cùng ý nghĩa nhƣ cụm từ “lò phản ứng hạt nhân AP1000”. 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
LÒ PHẢN ỨNG AP1000, BÌNH ĐIỀU ÁP 1. Giới thiệu về lò phản ứng AP1000 1. Giới thiệu chung Lò phản ứng hạt nhân AP1000 có công suất 1117 MWe, trong luận văn này, tác giả thống nhất gọi tắt là AP1000. Dựa trên 20 năm nghiên cứu và phát triển, AP1000 đƣợc xây dựng và cải tiến dựa trên các công nghệ đã có từ các bộ phận đang đƣợc sử dụng trong các thiết kế của Westinghouse.
Bao gồm bình sinh hơi, bình điều áp, thiết bị điều khiển – đo đạc, nhiên liệu và thùng lò đƣợc sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và đƣợc kiểm chứng qua nhiều năm với độ tin cậy cao khi vận hành. Các thành phần chính của AP1000 đƣợc giới thiệu ở Hình 1.1 AP1000 thiết kế hƣớng tới sự an toàn cao và hiệu suất tối ƣu. Hệ thống an toàn đƣợc thụ động hóa bằng việc sử dụng các lực tự nhiên: Áp suất, trọng lực và đối lƣu. Bên cạnh đó các tác động điều hành phức tạp để điều khiển sự an toàn đƣợc giảm thiểu.
Vùng hoạt AP1000 bao gồm 157 bó nhiên liệu, chiều dài 4.3 m, sắp xếp theo mảng 1717. Vùng hoạt AP1000 gồm ba lớp xuyên tâm có độ giàu khác nhau; độ giàu của nhiên liệu theo dải từ 2. Thiết kế một chu kỳ nhiên liệu của vùng hoạt là 18 tháng với yếu tố công suất là 93%, tốc độ trung bình lớp phát ra cao cỡ 60000 MWD/t, các thông số chính của AP1000 đƣợc chỉ ra ở Bảng 1.1 Các thông số chính của lò AP1000 Thông số AP1000 Công suất điện, MWe 1117 Công suất nhiệt, MWt 3400 Áp suất vận hành lò phản ứng, MPa 15.5 Nhiệt độ chân nóng, °C (°F) 321 (610) Số bó nhiên liệu 157 Kiểu bó nhiên liệu 17x17 Chiều dài hoạt động thanh nhiên liệu, m (ft) 4.3 (14) 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Hệ số tuyến tính nhiệt, kw / ft 5.71 Lƣu lƣợng nhiệt thùng lò 10m3/h(103gpm) 68,1 (300) Diện tích bề mặt máy tạo hơi nƣớc, m2(Ft2) 11.000) Thể tích bình điều áp, m 3 (Ft 3) 59,5 (2100) Hình 1.1Nhà máy điện hạt nhân AP1000 Thùng lò: Thùng lò hình trụ, đầu trên và dƣới hình bán cầu, có mặt bích và có thể tháo rời phục vụ cho việc sửa chữa bên trong hoặc thay đảo nhiên liệu. Thùng lò chứa vùng hoạt, kết cấu đỡ vùng hoạt, thanh điều khiển và các bộ phận khác trực tiếp liên quan đến vùng hoạt.
Thùng lò còn có các chi tiết bên trong lò phản ứng, cụm đầu tích hợp (head packager), đƣờng ống và đƣợc đỡ trên cấu trúc bê tông tòa nhà lò. 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Thùng lò có lối vào (chân lạnh) và lối ra (chân nóng) đặt tại 2 bề mặt ngang giữa mặt bích và đỉnh của vùng hoạt. Chân lạnh đƣợc đặt trong thùng lò nhằm cung cấp vận tốc dòng ngang đủ lớn cho lối ra và tạo điều kiện tối ƣu cho thiết bị hệ thống tải nhiệt lò phản ứng. Chân nóng và chân lạnh đƣợc sắp xếp lệch nhau, chất tải nhiệt vào thùng thông qua chân lạnh và chảy xuống phía dƣới vùng hoạt (downcomer), rẽ ở đáy và chảy lên qua vùng hoạt đến chân nóng.
Bình sinh hơi: Có hai cái bình sinh hơi kiểu Delta-125 đƣợc sử dụng trong AP1000. Dựa trên thiết kế đã đƣợc chứng minh và qua sự cải tiến, bình sinh hơi có thiết kế đáng tin cậy cao, hoạt động trên cả quá trình xử lý bay hơi hóa học của vùng nƣớc thứ cấp. Thiết kế cải tiến của bình sinh hơi bao gồm sự mở rộng của các đƣờng ống, đƣờng ống đƣợc làm từ hợp kim nhiệt 690 niken, cờ rôm, sắt chứa trong các tấm bảng đục lỗ, cải thiện thanh chống rung, nâng cấp máy chia độ ẩm sơ cấp và thứ cấp, nâng cao tính năng bảo trì và thiết kế một đầu kênh sơ cấp để truy cập dễ dàng và bảo trì bởi công cụ máy móc. Tất cả các đƣờng ống trong bình sinh hơi có thể sử dụng ống lót trong khi cần thiết.
Bơm nƣớc làm mát: Có sự quán tính cao, đáng tin cậy, hoạt động ổn định, động cơ máy bơm đƣợc bao kín do đó chu trình nƣớc làm mát chỉ xuyên qua vùng hoạt, đƣờng ống và bình sinh hơi. Kích thƣớc động cơ giảm thiểu qua việc dùng biến điều khiển tốc độ để làm giảm yêu cầu động cơ nguồn. Hai máy bơm gắn trực tiếp vào đầu kênh của mỗi bình sinh hơi. Cấu hình này nhằm tối thiểu sự giảm áp; đơn giản hoá các nền tảng và hỗ trợ của hệ thống cho bình sinh hơi, máy bơm và đƣờng ống; và giảm các khả năng rò rì vùng hoạt trong sự cố mất nƣớc làm mát nhỏ LOCA (SmallLoss Of Coolant Accident).
Máy bơm nƣớc làm mát không có hệ thống dự báo, loại bỏ các khả năng dự báo LOCA sai, điều đó có ý nghĩa nâng cao sự an toàn và giảm bảo trì máy bơm. Máy bơm dùng một loại bánh xe (flywheel) làm tăng quán tính quay để đảm bảo khi mất điện máy hơm vẫn có thể tự quay thêm một thời gian nữa. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đƣờng ống nƣớc làm mát chính: Đƣờng ống của hệ thống nƣớc làm mát lò phản ứng RCS đƣợc cấu hình từ hai hệ thống đơn giống hệt nhau, mỗi cái sử dụng một chân nóng có đƣờng kính trong 790 mm (31-inch) để vận chuyển nƣớc làm mát lò phản ứng đến bình sinh hơi. Cả hai vòi của máy bơm nƣớc làm mát lò phản ứng đƣợc hàn trực tiếp đến các kênh lối ra ở đáy của bình sinh hơi.
Hai ống chân lạnh có đƣờng kính trong 560 mm (22-inch) trong mỗi hệ thống đơn vận chuyển nƣớc làm mát lò phản ứng trở lại thùng lò phản ứng để hoàn thiện một vòng kín. Máy bơm nƣớc làm mát gắn trực tiếp vào đầu kênh của mỗi bình sinh hơi cho phép máy bơm và bình sinh hơi có thể dùng cấu trúc hỗ trợ giống nhau, hệ thống hỗ trợ rất đơn giản và cung cấp nhiều không gian hơn cho quá trình bảo trì. Đầu kênh bình sinh hơi chỉ có một khối với sự chế tạo và kiểm tra lợi thế hơn hệ thống đa mảnh hợp thành mối hàn. Sự kết hợp của đầu hút máy bơm vào đáy dƣới của đầu kênh bình sinh hơi loại bỏ sự chéo ngang qua các chân lạnh, nhƣ vậy tránh các khả năng rò rỉ vùng hoạt trong sự cố mất nƣớc làm mát nhỏ.
Dễ thấy, cách sắp xếp tập trung của RCS cũng cung cấp những lợi ích khác: Hai dòng chân lạnh của hai hệ thống đơn giống hệt nhau (ngoại trừ thiết bị đo đạc và các dòng kết nối nhỏ) bao gồm các khúc uốn cong có độ dẻo để cung cấp một hƣớng dòng chảy có sự cản trở thấp để chịu đƣợc sự dãn nở khác nhau giữa các ống kênh nóng và lạnh; Các đƣờng ống đƣợc tôi luyện trƣớc sau đó uốn cong, điều đó sẽ làm giảm chi phí và các yêu cầu kiểm tra khi đang vận hành. Cấu hình hệ thống đơn và sự lựa chọn vật liệu đƣờng ống phải có sự uốn cong đủ thấp để cho chu trình sơ cấp và các đƣờng ống phụ lớn đáp ứng đƣợc yêu cầu rò rĩ trƣớc khi vỡ (leak-before- break). Hệ thống tải nhiệt Hệ thống tải nhiệt AP1000 bao gồm hai hệ thống đơn, mỗi hệ thống đơn có một chân nóng và hai chân lạnh, bình sinh hơi, hai máy hơm nƣớc đặt ở chân lạnh của bình sinh hơi và chỉ một bình điều áp cho cả hai hệ thống đơn. Hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động PXS đảm bảo quá trình làm mát vùng hoạt khi xảy ra những sự cố.
PXS tải nhiệt dƣ từ vùng hoạt, bơm nƣớc cấp cứu và 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com giảm áp suất mà không cần dùng một thiết bị tác động nào nhƣ máy bơm hay nguồn điện. PXS dùng 3 nguồn nƣớc để làm mát vùng hoạt là bể bù nƣớc vùng hoạt CMT, bể tích nƣớc cao áp ACC và bể tích nƣớc thay đảo nhiên liệu IRWST. Hệ thống CMT thay thế hệ thống phun an toàn áp suất cao HPSI (High Pressure Safety Injection) của những loại lò phản ứng hạt nhân PWR thông thƣờng. CMT cung cấp nƣớc trộn với axit boric dƣới áp suất cao và dẫn dung dịch axit boric theo hai đƣờng song song.
CMT đƣợc thiết kế để hoạt động dƣới mọi áp suất của hệ thống sơ cấp nhờ sự tác động của trọng lực do đƣợc đặt cao hơn những đƣờng ống của hệ thống làm mát lò phản ứng RCS. Một đƣờng điều chỉnh áp suất nối chân lạnh với đỉnh của CMT và đƣờng ống ra kết nối phần dƣới của CMT qua đƣờng dẫn nƣớc trực tiếp vào thùng lò DVI (Direct Vessel Injection). ACC của AP1000 giống nhƣ ACC của những lò phản ứng hạt nhân PWR thông thƣờng.