Phân tích sự cố mất điện bể chứa nhiên liệu thải lò PWR 2 vòng bằng phần mềm PCTRAN SFP

Phân tích sự cố mất điện bể chứa nhiên liệu thải từ lò PWR 2 vòng bằng phần mềm PCTRANS SFP, đánh giá tác động và đưa ra giải pháp tối ưu.

• Tác giả: Phạm Gia Khánh
• Người hướng dẫn: TS. Võ Hồng Hải
• Trường học: Đại học Sư Phạm Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật lí nguyên tử
• Đề tài: Phân tích sự cố mất điện bể chứa nhiên liệu thải lò PWR 2 vòng bằng phần mềm PCTRAN SFP
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CHU TRÌNH NHIÊN LIỆU VÀ BỂ CHỨA NHIÊN LIỆU THẢI CHO NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
• 1.1. Chu trình nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân
• 1.1.1. Tổng quan chu trình nhiên liệu
• 1.2. Xử lý nhiên liệu thải
• 1.2.1. Lưu trữ nhiên liệu thải
• 1.2.1.1. Lưu trữ ướt
• 1.2.1.2. Lưu trữ khô
• 1.2.2. Tái chế nhiên liệu
• 1.2.3. Xử lý chất thải phóng xạ
• 1.3. Các quy tắc và biện pháp bảo vệ an toàn hạt nhân
• 2. GIỚI THIỆU VỀ PHẦN MỀM PCTRAN/ SFP CỦA MICRO- SIMULATION TECHNOLOGY
• 2.1. Giới thiệu phần mềm PCTRAN/ SFP phiên bản 1
• 2.2. Hướng dẫn sử dụng phần mềm PCTRAN/ SFP
• 2.3. Giới thiệu giao diện phần mềm PCTRAN/ SFP
• 2.4. Cài đặt và thiết lập chung
• 2.5. Theo dõi quá trình mô phỏng và xử lý kết quả
• 3. KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA BỂ NHIÊN LIỆU THẢI THEO LƯU LƯỢNG NƯỚC LÀM MÁT VÀ PHÂN TÍCH SỰ CỐ MẤT ĐIỆN (LOSS OF AC POWER) BẰNG PHẦN MỀM PCTRAN/ SFP
• 3.1. Khảo sát hoạt động của bể nhiên liệu thải theo lưu lượng nước trao đổi nhiệt vòng tuần hoàn thứ cấp
• 3.2. Thiết lập và chạy mô phỏng
• 3.3. Kết quả mô phỏng và phân tích
• 3.4. Khảo sát và phân tích sự cố mất điện (loss of AC power)
• 3.4.1. Mô tả sự cố mất điện bể chứa nhiên liệu thải
• 3.4.2. Thiết lập sự cố và chạy mô phỏng
• 3.4.3. Kết quả và phân tích sự cố
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về phân tích sự cố mất điện bể chứa nhiên liệu thải lò PWR

Phân tích sự cố mất điện bể chứa nhiên liệu thải lò PWR là một chủ đề quan trọng trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân. Sự cố này có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng nếu không được xử lý kịp thời. Việc sử dụng phần mềm PCTRAN SFP giúp mô phỏng và phân tích các tình huống khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp an toàn và hiệu quả.

1.1. Giới thiệu về bể chứa nhiên liệu thải và vai trò của nó

Bể chứa nhiên liệu thải (SFP) là nơi lưu trữ các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng. Nó đóng vai trò quan trọng trong việc che chắn phóng xạ và làm mát nhiên liệu thải. Việc hiểu rõ cấu trúc và hoạt động của bể chứa là cần thiết để đảm bảo an toàn cho nhà máy điện hạt nhân.

1.2. Tầm quan trọng của phần mềm PCTRAN trong phân tích sự cố

Phần mềm PCTRAN SFP được thiết kế để mô phỏng các tình huống khác nhau trong bể chứa nhiên liệu thải. Nó giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu phân tích các sự cố có thể xảy ra, từ đó đưa ra các biện pháp khắc phục hiệu quả.

II. Vấn đề và thách thức trong quản lý bể chứa nhiên liệu thải

Quản lý bể chứa nhiên liệu thải đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là trong trường hợp mất điện. Sự cố này có thể dẫn đến việc mất khả năng làm mát, gây ra nguy cơ nghiêm trọng cho an toàn hạt nhân. Việc phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến sự cố là rất cần thiết.

2.1. Nguyên nhân gây ra sự cố mất điện bể chứa

Sự cố mất điện có thể xảy ra do nhiều nguyên nhân, bao gồm sự cố kỹ thuật, thiên tai hoặc lỗi con người. Việc xác định nguyên nhân là bước đầu tiên trong việc tìm kiếm giải pháp khắc phục.

2.2. Hệ quả của sự cố mất điện đối với an toàn lò PWR

Khi bể chứa nhiên liệu thải mất điện, nhiệt độ trong bể có thể tăng cao, dẫn đến nguy cơ xảy ra tai nạn. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến an toàn của nhà máy mà còn có thể gây ra tác động tiêu cực đến môi trường xung quanh.

III. Phương pháp mô phỏng sự cố mất điện bằng phần mềm PCTRAN

Phần mềm PCTRAN SFP cung cấp các công cụ mạnh mẽ để mô phỏng sự cố mất điện trong bể chứa nhiên liệu thải. Việc sử dụng phần mềm này giúp các nhà nghiên cứu có thể dự đoán và phân tích các tình huống khác nhau, từ đó đưa ra các biện pháp ứng phó hiệu quả.

3.1. Thiết lập mô hình mô phỏng trong PCTRAN

Thiết lập mô hình trong phần mềm PCTRAN bao gồm việc nhập các thông số kỹ thuật của bể chứa và các điều kiện hoạt động. Điều này giúp tạo ra một mô hình chính xác để phân tích sự cố.

3.2. Chạy mô phỏng và phân tích kết quả

Sau khi thiết lập mô hình, việc chạy mô phỏng sẽ cho ra các kết quả về nhiệt độ, áp suất và các yếu tố khác trong bể chứa. Phân tích các kết quả này giúp xác định mức độ nghiêm trọng của sự cố và các biện pháp khắc phục cần thiết.

IV. Ứng dụng thực tiễn của phân tích sự cố mất điện bể chứa

Phân tích sự cố mất điện bể chứa nhiên liệu thải không chỉ có giá trị trong lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn quan trọng. Các kết quả từ mô phỏng có thể được áp dụng để cải thiện quy trình quản lý và an toàn cho các nhà máy điện hạt nhân.

4.1. Cải thiện quy trình quản lý bể chứa

Dựa trên các kết quả phân tích, các nhà quản lý có thể điều chỉnh quy trình làm mát và bảo trì bể chứa để đảm bảo an toàn tối đa. Việc này giúp giảm thiểu rủi ro trong trường hợp xảy ra sự cố.

4.2. Đào tạo nhân lực và nâng cao nhận thức

Kết quả từ phân tích sự cố cũng có thể được sử dụng trong đào tạo nhân lực. Việc nâng cao nhận thức về các nguy cơ và biện pháp ứng phó sẽ giúp tăng cường an toàn cho nhà máy điện hạt nhân.

V. Kết luận và triển vọng tương lai trong nghiên cứu

Phân tích sự cố mất điện bể chứa nhiên liệu thải lò PWR bằng phần mềm PCTRAN SFP là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Kết quả từ nghiên cứu này không chỉ giúp cải thiện an toàn cho các nhà máy điện hạt nhân mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo.

5.1. Tóm tắt kết quả nghiên cứu

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng phần mềm PCTRAN SFP là công cụ hữu ích trong việc phân tích sự cố mất điện. Các kết quả mô phỏng cho thấy mức độ nghiêm trọng của sự cố và các biện pháp khắc phục cần thiết.

5.2. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai

Trong tương lai, việc phát triển các phần mềm mô phỏng tiên tiến hơn sẽ giúp cải thiện khả năng dự đoán và ứng phó với các sự cố trong bể chứa nhiên liệu thải. Điều này sẽ góp phần nâng cao an toàn cho ngành năng lượng hạt nhân.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng ngày càng tăng đã thúc đẩy sự phát triển của nhiên liệu hạt nhân như một nguồn năng lượng quan trọng, với ưu điểm lượng nhiên liệu tiêu hao ít và khả năng đáp ứng nhu cầu trong hàng trăm đến hàng ngàn năm. Theo ước tính, các lò phản ứng hạt nhân thế hệ III và III+ kiểu nước nhẹ áp lực (PWR) có cơ chế an toàn cao, đảm bảo dập tắt kịp thời phản ứng phân hạch khi xảy ra sự cố. Tuy nhiên, nhiên liệu thải sau phân hạch vẫn tiếp tục phân rã phóng xạ, sinh nhiệt và có nguy cơ gây tai nạn nếu không được xử lý và bảo quản đúng cách.

Luận văn tập trung nghiên cứu chu trình nhiên liệu hạt nhân, đặc biệt là bể chứa nhiên liệu thải (SFP) của nhà máy điện hạt nhân PWR, sử dụng phần mềm mô phỏng PCTRAN/SFP để khảo sát hoạt động bể nhiên liệu thải theo lưu lượng nước làm mát và phân tích sự cố mất điện (Loss of AC Power). Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích thành phần nhiên liệu thải, cơ chế nhiệt thủy động lực học trong bể, cấu tạo và hoạt động của bể nhiên liệu thải, cùng với mô phỏng và đánh giá các sự cố có thể xảy ra.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao an toàn vận hành nhà máy điện hạt nhân, đồng thời hỗ trợ đào tạo nhân lực điện hạt nhân tại Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh hai nhà máy điện hạt nhân PWR đang được xây dựng tại Ninh Thuận. Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng giúp bù đắp hạn chế về điều kiện thực tiễn và không thể thực hiện thí nghiệm sự cố thực tế, góp phần nâng cao hiệu quả giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

• Chu trình nhiên liệu hạt nhân: Bao gồm chu trình nhiên liệu mở và khép kín, với các giai đoạn front-end (khai thác, chế biến, làm giàu, chế tạo nhiên liệu) và back-end (lưu trữ, tái chế, xử lý nhiên liệu thải). Chu trình nhiên liệu mở không tái chế nhiên liệu, trong khi chu trình khép kín tái sử dụng Urani và Plutoni từ nhiên liệu thải.

• Nhiệt thủy động lực học trong bể nhiên liệu thải: Mô hình tính toán nhiệt phân rã (decay heat), truyền nhiệt, và sự gia tăng nhiệt độ nước trong bể dựa trên các phương trình cân bằng nhiệt và công suất trao đổi nhiệt. Các khái niệm chính gồm nhiệt phân rã, hệ số truyền nhiệt, lưu lượng nước làm mát, và thời gian nước sôi trong bể.

• An toàn bể nhiên liệu thải: Các tiêu chuẩn an toàn về nhiệt độ nước, áp suất, và khả năng lưu trữ nhiên liệu thải. Các biện pháp bảo vệ chống ăn mòn, kiểm soát chất lượng nước, và phòng ngừa sự cố mất chất làm mát (LOCA) và mất điện (Loss of AC Power).

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Thu thập từ tài liệu chuyên ngành, báo cáo kỹ thuật, tiêu chuẩn an toàn hạt nhân, và các nghiên cứu trước đây về chu trình nhiên liệu, bể nhiên liệu thải, và phần mềm mô phỏng PCTRAN/SFP.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm mô phỏng PCTRAN/SFP phiên bản 1.1 để mô phỏng hoạt động bể nhiên liệu thải của lò phản ứng nước nhẹ áp lực 2 vòng (PWR – 2 loops) với công suất 1800 MWt. Phân tích ảnh hưởng của lưu lượng nước làm mát vòng tuần hoàn thứ cấp và mô phỏng sự cố mất điện.

• Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng các điều kiện vận hành và sự cố trong khoảng thời gian từ vài giờ đến vài tuần, tương ứng với các kịch bản mất khả năng làm mát chủ động. Các thông số đầu vào được thiết lập dựa trên dữ liệu thực tế và tiêu chuẩn kỹ thuật của bể nhiên liệu thải.

• Đánh giá kết quả: Phân tích nhiệt độ nước, nhiệt độ thanh nhiên liệu, hoạt độ phóng xạ, và các chỉ số an toàn khác. So sánh kết quả mô phỏng với các sự cố thực tế như sự cố mất điện tại nhà máy Fukushima năm 2011 để đánh giá mức độ ảnh hưởng và hiệu quả các biện pháp phòng ngừa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của lưu lượng nước làm mát đến nhiệt độ bể nhiên liệu thải: Khi lưu lượng nước vòng tuần hoàn thứ cấp giảm từ mức tối ưu, nhiệt độ nước trong bể tăng nhanh, có thể vượt quá 60°C nếu không được điều chỉnh kịp thời. Mức nhiệt độ này gần với giới hạn an toàn theo tiêu chuẩn, làm tăng nguy cơ sự cố.

2. Thời gian sôi của nước trong bể khi mất điện: Mô phỏng cho thấy thời gian để nước trong bể sôi dao động từ vài giờ đến vài ngày tùy thuộc vào công suất nhiệt phân rã và điều kiện ban đầu. Ví dụ, với công suất nhiệt phân rã khoảng 5% công suất lò, nước có thể sôi sau khoảng 10 giờ mất khả năng làm mát chủ động.

3. Phân tích sự cố mất điện (Loss of AC Power): Khi mất điện, hệ thống trao đổi nhiệt ngưng hoạt động, nhiệt phân rã làm nước nóng lên và bay hơi, dẫn đến lộ nhiên liệu ra ngoài không khí. Nhiệt độ thanh nhiên liệu có thể tăng lên trên 1000°C, gây phản ứng oxy hóa Zircaloy và sinh ra khí hydro, làm tăng nguy cơ cháy và phát tán phóng xạ.

4. So sánh với sự cố Fukushima 2011: Kết quả mô phỏng tương đồng với diễn biến thực tế tại Fukushima, nơi sự cố mất điện kéo dài dẫn đến nước bể nhiên liệu thải sôi, cháy vỏ nhiên liệu và phát tán phóng xạ ra môi trường. Điều này khẳng định tính thực tiễn và độ tin cậy của phần mềm PCTRAN/SFP trong mô phỏng sự cố.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng nhiệt độ trong bể nhiên liệu thải là do nhiệt phân rã liên tục từ các sản phẩm phân hạch, chiếm khoảng 7% năng lượng phản ứng ban đầu. Việc giảm lưu lượng nước làm mát hoặc mất điện làm ngưng trệ quá trình trao đổi nhiệt, khiến nhiệt độ nước và thanh nhiên liệu tăng nhanh.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn quốc tế và các báo cáo sự cố thực tế. Việc mô phỏng chi tiết giúp nhận diện các điểm yếu trong hệ thống làm mát và đề xuất các biện pháp phòng ngừa hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ nước theo thời gian, biểu đồ nhiệt độ thanh nhiên liệu, và bảng so sánh các kịch bản lưu lượng nước khác nhau. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự thay đổi nhiệt độ và thời gian tới điểm sôi, hỗ trợ đánh giá rủi ro và lập kế hoạch ứng phó.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tăng cường hệ thống làm mát dự phòng: Lắp đặt và bảo trì các bơm dự phòng (bao gồm bơm điện và bơm diesel) để đảm bảo khả năng làm mát liên tục trong trường hợp mất điện, nhằm duy trì nhiệt độ nước dưới 60°C trong bể nhiên liệu thải. Thời gian thực hiện: trong vòng 1 năm; chủ thể: Ban quản lý nhà máy điện hạt nhân.

2. Cải tiến hệ thống giám sát và cảnh báo sớm: Triển khai hệ thống cảm biến nhiệt độ và mức nước tự động, kết hợp phần mềm phân tích để cảnh báo kịp thời khi lưu lượng nước giảm hoặc nhiệt độ tăng bất thường. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: Bộ phận kỹ thuật vận hành.

3. Đào tạo nhân lực sử dụng phần mềm mô phỏng PCTRAN/SFP: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ sư và nhân viên vận hành về mô phỏng sự cố và xử lý tình huống, nâng cao năng lực ứng phó sự cố mất điện và mất chất làm mát. Thời gian thực hiện: liên tục; chủ thể: Trường đại học và nhà máy điện hạt nhân.

4. Nâng cao chất lượng nước và kiểm soát ăn mòn: Duy trì các tiêu chuẩn nghiêm ngặt về thành phần hóa học nước trong bể, sử dụng các chất ức chế ăn mòn và hệ thống lọc ion hiệu quả để kéo dài tuổi thọ vỏ bọc nhiên liệu và giảm nguy cơ rò rỉ phóng xạ. Thời gian thực hiện: liên tục; chủ thể: Bộ phận bảo trì và an toàn môi trường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư và nhân viên vận hành nhà máy điện hạt nhân: Nâng cao hiểu biết về cấu tạo, hoạt động và an toàn bể nhiên liệu thải, cũng như kỹ năng sử dụng phần mềm mô phỏng để phòng ngừa và xử lý sự cố.

2. Giảng viên và sinh viên chuyên ngành điện hạt nhân: Tài liệu tham khảo quan trọng cho giảng dạy và nghiên cứu về chu trình nhiên liệu, an toàn bể nhiên liệu thải và ứng dụng phần mềm mô phỏng trong đào tạo.

3. Cơ quan quản lý và giám sát an toàn hạt nhân: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn an toàn và đánh giá rủi ro liên quan đến bể nhiên liệu thải.

4. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng hạt nhân: Tham khảo các mô hình mô phỏng, phân tích sự cố và đề xuất giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn trong lưu trữ nhiên liệu thải.

Câu hỏi thường gặp

1. Phần mềm PCTRAN/SFP có độ chính xác như thế nào trong mô phỏng sự cố?
   Phần mềm được phát triển bởi IAEA và MST, đã được sử dụng rộng rãi và kiểm chứng qua các sự cố thực tế như Fukushima 2011. Mặc dù không thể thử nghiệm sự cố thực tế, kết quả mô phỏng tương đồng với dữ liệu thực tế, đảm bảo độ tin cậy cao.

2. Tại sao việc làm mát bể nhiên liệu thải lại quan trọng?
   Nhiệt phân rã từ nhiên liệu thải sinh ra nhiệt liên tục. Nếu không làm mát kịp thời, nước trong bể sẽ sôi, làm lộ nhiên liệu, gây cháy vỏ Zircaloy và phát tán phóng xạ, đe dọa sức khỏe con người và môi trường.

3. Chu trình nhiên liệu hạt nhân mở và khép kín khác nhau thế nào?
   Chu trình mở không tái chế nhiên liệu thải, chỉ lưu trữ và xử lý. Chu trình khép kín tái chế Urani và Plutoni từ nhiên liệu thải để tái sử dụng, giúp tiết kiệm tài nguyên và giảm lượng chất thải phóng xạ.

4. Làm thế nào để kiểm soát chất lượng nước trong bể nhiên liệu thải?
   Thông qua kiểm tra định kỳ các chỉ số pH, độ dẫn điện, nồng độ ion, hoạt độ phóng xạ và sử dụng hệ thống lọc ion, xử lý cơ học và hóa học để duy trì nước ở trạng thái tinh khiết, hạn chế ăn mòn và phát triển vi sinh vật.

5. Các biện pháp phòng ngừa sự cố mất điện trong bể nhiên liệu thải là gì?
   Bao gồm hệ thống bơm dự phòng điện và diesel, hệ thống cảnh báo sớm, đào tạo nhân lực, và quy trình vận hành khẩn cấp nhằm duy trì làm mát liên tục và ngăn ngừa nhiệt độ vượt ngưỡng an toàn.

Kết luận

• Nhiên liệu thải sau phân hạch tiếp tục sinh nhiệt và phóng xạ, đòi hỏi phải được lưu trữ và làm mát an toàn trong bể nhiên liệu thải.
• Phần mềm PCTRAN/SFP là công cụ mô phỏng hiệu quả, giúp phân tích hoạt động bể nhiên liệu thải và các sự cố như mất điện, hỗ trợ đào tạo và vận hành an toàn.
• Kết quả mô phỏng cho thấy lưu lượng nước làm mát và khả năng cung cấp điện liên tục là yếu tố quyết định an toàn bể nhiên liệu thải.
• Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và đào tạo nhằm nâng cao an toàn, giảm thiểu rủi ro sự cố và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.
• Tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô phỏng các kịch bản sự cố khác và ứng dụng kết quả vào thực tiễn vận hành nhà máy điện hạt nhân tại Việt Nam.

Hành động tiếp theo: Triển khai các giải pháp đề xuất, đào tạo nhân lực sử dụng phần mềm mô phỏng, và cập nhật thường xuyên các tiêu chuẩn an toàn theo tiến bộ công nghệ. Đề nghị các cơ quan và nhà máy điện hạt nhân phối hợp chặt chẽ để nâng cao hiệu quả quản lý và vận hành bể nhiên liệu thải.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Hiện nay, do tính cấp thiết về nhu cầu năng lượng nên nhiên liệu hạt nhân đang ngày càng trở nên quan trọng vì những ưu điểm: lượng nhiên liệu tiêu hao ít, có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng của con người trong vài trăm đến hàng ngàn năm tùy theo công nghệ và nhiên liệu sử dụng. Với kỹ thuật an toàn hiện nay của các lò phản ứng hạt nhân thế hệ III và III+ kiểu nước nhẹ áp lực (PWR – Pressurized Water Reactor), cơ chế an toàn luôn đảm bảo lò được dập kịp thời khi sự cố xảy ra. Tuy nhiên, khi phản ứng phân hạch dây chuyền được dập thì sản phẩm sau phân hạch vẫn tiếp tục phân rã theo phóng xạ chuỗi, tỏa năng lượng làm cho lò phản ứng tiếp tục bị nóng lên và gây tai nạn nếu lò không liên tục được làm mát kịp thời. Điều này cho thấy rằng nhiên liệu sau phân hạch (nhiên liệu thải) chứa đựng nguy cơ gây tai nạn nếu nó không được xử lý và bảo quản đúng cách, đặc biệt là các thanh nhiên liệu vừa được lấy ra từ lò sau mỗi chu kì hoạt động (có chứa các chất phóng xạ hoạt độ cao).

Các thanh nhiên liệu lấy ra khỏi lò phản ứng được đưa vào bể chứa nhiên liệu thải (SFP – Spent Fuel Pool) để che chắn phóng xạ và làm mát trong một thời gian dài trước khi được đưa đi lưu trữ, xử lý trong các giai đoạn tiếp theo. Phần mềm PCTRAN/ SFP (Personal Computer Transient Analyzer/ Spent Fuel Pool) phiên bản 1.1 mô phỏng bể chứa nhiên liệu thải của lò phản ứng nước nhẹ áp lực. Phần mềm này được cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA – International Atomic Energy Agency) đặt hãng Micro Simulation Technology viết nhằm mục đích mô phỏng hoạt động và các sự cố có thể xảy ra đối với bể chứa nhiên liệu thải của các nhà máy điện hạt nhân nước nhẹ áp lực (PWR). Trong phạm vi luận văn này chúng tôi tập trung giải quyết các vấn đề sau: - Tìm hiểu về chu trình nhiên liệu hạt nhân và phân tích thành phần, thuộc tính của nhiên liệu đã qua sử dụng (nhiên liệu thải).

- Tìm hiểu cấu trúc và cơ chế hoạt động của bể chứa nhiên liệu thải (SFP) - Tìm hiểu cách sử dụng phần mềm PCTRAN/ SFP, theo dõi hoạt động của bể khi thay đổi lưu lượng nước vòng tuần hoàn thứ cấp của bộ trao đổi nhiệt và mô phỏng sự cố bể chứa nhiên liệu thải mất điện (Loss of AC Power). - Vẽ đồ thị và phân tích kết quả mô phỏng thu được. 5 - Vận dụng lý thuyết để giải thích kết quả mô phỏng sự cố mất điện bể chứa nhiên liệu thải. Nhận xét mức độ ảnh hưởng của sự cố mất điện bể chứa nhiên liệu thải đến sức khỏe con người và môi trường, liên hệ với sự cố mất điện tại bể chứa nhiên liệu thải số 4, nhà máy điện hạt nhân Fukushima – Nhật Bản năm 2011.

Hai nhà máy điện hạt nhân loại PWR đang được xây dựng ở Ninh Thuận. Do đó, việc đào tạo nhân lực điện hạt nhân là vấn đề cấp thiết. Một số trường (trong đó có đại học Khoa Học Tự Nhiên) chuẩn bị mở chuyên ngành đào tạo về điện hạt nhân. Trong bối cảnh đào tạo nhân lực cho điện hạt nhân còn thiếu điều kiện thực tiễn (chỉ có 1 lò nghiên cứu ở Đà Lạt) và các sự cố trong điện hạt nhân không thể thí nghiệm thực tế nên việc tìm hiểu, sử dụng các phần mềm mô phỏng điện hạt nhân có độ tin cậy cao để đưa vào giảng dạy là hết sức cần thiết.

Đề tài này bước đầu tìm hiểu về việc xử lý nhiên liệu qua sử dụng và sử dụng phần mềm PCTRAN/ SFP mô phỏng sự cố SFP nhằm góp phần làm tài liệu cho công tác tìm hiểu, giảng dạy và đào tạo nhân lực điện hạt nhân ở Việt Nam. TỔNG QUAN VỀ CHU TRÌNH NHIÊN LIỆU VÀ BỂ CHỨA NHIÊN LIỆU THẢI CHO NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 1. Chu trình nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân 1. Tổng quan chu trình nhiên liệu 1.

Nhiên liệu hạt nhân: Hầu như toàn bộ nhiên liệu được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân thương mại được sử dụng đều ở dạng rắn. Nhiên liệu hạt nhân sử dụng trong các lò phản ứng nước nhẹ là bột UO2 được đóng thành viên hình trụ (pellet). Các viên nhiên liệu này cao khoảng 0,4 đến 0,65 inch (từ 1 đến 1,65 cm) và có đường kính khoảng 0,3 đến 0,5 inch (0,8 đến 1,25 cm) được nạp vào các ống làm bằng Zicaloy (hợp kim Zirconi) tạo thành các thanh nhiên liệu. Các thanh nhiên liệu được đóng gói chung với nhau tạo thành bó nhiên liệu.

Các bó nhiên liệu có cạnh khoảng 6 đến 9 inch (15 – 23 cm). Giữa các thanh nhiên liệu cách nhau 0,12 đến 0,18 inch (0,3 đến 0,45 cm) để nước làm mát có thể chảy qua. Các bó nhiên liệu của lò phản ứng nước sôi (PWR) chứa từ 49 đến 63 thanh nhiên liệu. Còn đối với lò nước áp lực (PWR), số thanh nhiên liệu được sử dụng trong một bó từ 164 đến 264.

Tùy thuộc vào thiết kế của mỗi lò phản ứng, các lò thường sử dụng khoảng 190 đến 750 bó nhiên liệu, mỗi bó nặng khoảng 275 đến 685 kg được đặt trong lõi lò phản ứng. Các thanh nhiên liệu lúc này rất an toàn, chúng không cần được làm mát hoặc che chắn phóng xạ mà có thể được vận chuyển dễ dàng. Lựa chọn chu trình nhiên liệu hạt nhân Theo Hệ thống thông tin về chu trình nhiên liệu hạt nhân (NFCIS – Nuclear Fuel Cycle Information System): chu trình nhiên liệu hạt nhân là tập hợp các quy trình và các hoạt động cần thiết để sản xuất nhiên liệu hạt nhân, phân hạch trong lò phản ứng, lưu trữ, tái chế và xử lý nhiên liệu thải. Chu trình nhiên liệu hạt nhân được sử dụng tùy thuộc vào loại lò phản ứng, nhiên liệu sử dụng và có tái chế nhiên liệu hay không.

Sơ đồ đơn giản về các loại chu trình nhiên liệu [10] Hình 1. Lưu đồ chu trình nhiên liệu hạt nhân điển hình [10] Có hai loại chu trình nhiên liệu: Chu trình nhiên liệu hạt nhân mở (nhiên liệu hạt nhân không được tái chế) và chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín (tái sử dụng các vật liệu hạt nhân chiết suất từ các bó nhiên liệu thải). 8 Việc lựa chọn chu trình nhiên liệu hạt nhân mở hay khép kín phụ thuộc vào chính sách của mỗi quốc gia.1 trình bày sơ đồ đơn giản chu trình nhiên liệu hạt nhân và hình 1.2 trình bày chi tiết chu trình nhiên liệu mở và khép kín. Ngoài những dạng chu trình điển hình trên cũng đã và đang có những nghiên cứu về các chu trình nhiên liệu khác: GNEP, DUPIC, ADS, P&T… [10].

Tất cả các nghiên cứu này đều nhằm mục tiêu sử dụng hiệu quả nguồn tài nguyên và giảm lượng chất thải phóng xạ.  Chu trình nhiên liệu mở (opened fuel cycle) Nguyên tắc của chu trình nhiên liệu mở là các vật liệu hạt nhân đi qua lò phản ứng chỉ một lần. Sau khi phân hạch, nhiên liệu được giữ tại bể nhiên liệu thải trong lò phản ứng, sau đó được đưa đi lưu trữ lâu dài khi nhiên liệu thải đạt các tiêu chuẩn về phóng xạ. Tuy nhiên, hiện nay vẫn chưa có giải pháp thống nhất nào cho việc lưu trữ vĩnh viễn các loại nhiên liệu thải này.

Dựa vào hình 1.2, chúng tôi thấy hiện nay lò nước nặng áp lực (PHWR – Pressurized Heavy Water Reactor) và lò dùng than làm chất làm chậm, nước nhẹ là chất làm mát (RBMK - Reaktor Bolshoy Moshchnosti Kanalniy) sử dụng chu trình nhiên liệu mở.  Chu trình nhiên liệu khép kín (closed fuel cycle) Trong chu trình nhiên liệu khép kín, các bó nhiên liệu thải sau khi được lưu trữ trong các bể nhiên liệu thải một thời gian sẽ được đưa đi tái chế để trích xuất Plutoni và Urani còn lại. Urani và Plutoni tái chế này tiếp tục được sử dụng sản xuất nhiên liệu cho các lò phản ứng. Chu trình nhiên liệu khép kín thường được sử dụng trong các lò phản ứng nước nhẹ (LWR – Light Water Reactor) dưới dạng nhiên liệu hỗn hợp ôxít (MOX – Mixed Oxide Fuel).

Ngoài việc tái chế nhiên liệu cho các lò phản ứng nước nhẹ như trên, một chu trình nhiên liệu khép kín khác tái chế Urani và Plutoni từ nhiên liệu thải của lò phản ứng dùng nơtron nhanh (FR – Fast Reactors) sẽ đem lại lượng Plutoni lớn hơn. Các giai đoạn của chu trình nhiên liệu hạt nhân Các giai đoạn của chu trình nhiên liệu được hệ thống trong phụ lục 5. Chu trình nhiên liệu hạt nhân bắt đầu với việc khai thác quặng Urani và kết thúc với việc xử lý các vật liệu tạo ra trong chu trình. Vì nguyên nhân thực tế chu trình được chia thành hai giai đoạn chính: sản xuất nhiên liệu – trước khi phân hạch (front-end) và xử lý nhiên liệu – sau khi phân hạch (back-end).

Giai đoạn trước khi phân hạch (front-end) bao gồm các bước: 9 - Thăm dò quặng Urani: các hoạt động liên quan đến việc phát hiện và phân tích các nguồn quặng Urani để sản xuất nhiên liệu hạt nhân. - Khai thác quặng Urani: các hoạt động liên quan đến việc khai thác quặng Urani từ mỏ. - Chế biến quặng Urani: các hoạt động liên quan đến quá trình nghiền và tinh chế quặng Urani để tạo thành bánh vàng chứa 80% đến 90% U3O8. - Chuyển đổi: các hoạt động liên quan đến việc tinh chế và chuyển đổi sang dạng phù hợp với từng loại nhiên liệu cho mỗi kiểu lò phản ứng.

- Làm giàu: các hoạt động liên quan đến việc làm giàu UF6 đồng vị để có được U-235 với tỉ lệ làm giàu (so với U-238) thích hợp. - Dùng Urani để chế tạo nhiên liệu: các hoạt động liên quan đến việc sản xuất nhiên liệu hạt nhân dùng trong các lò phản ứng. Các bó nhiên liệu hạt nhân được đưa vào lò phản ứng và được kích hoạt bởi một chùm nơtron nhiệt. Phản ứng phân hạch dây chuyền xảy ra cùng với năng lượng được tỏa ra.

Các bó nhiên liệu của lò phản ứng nước nhẹ sử dụng được 3 đến 5 năm trước khi được thay mới. Và đối với các lò làm mát bằng khí thế hệ I của Anh (GCR – Gas Cooled Reactor) và lò áp lực nước nặng thì nhiên liệu cần được thay mới sau 1 năm. Giai đoạn sau khi phân hạch (back-end) bao gồm các bước: Lưu trữ nhiên liệu thải tại nhà máy điện hạt nhân (AR – At Reactor): các hoạt động liên quan đến việc lưu trữ nhiên liệu thải trong lò phản ứng (lưu trữ trong các bể nhiên liệu thải).