Bài viết giới thiệu một số đặc điểm về nhiệt của lò phản ứng nước chịu áp lực trong nhà máy điện hạt nhân.
1. Đặt vấn đề

      Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên được đưa vào hoạt động năm 1954 tại nhà máy Obninsco thuộc Liên Xô. Đến năm 1998 đã có 434 nhà máy điện hạt nhân hoạt động với tổng công suất 348.981 MW chiếm 17% sản lượng điện trên thế giới. Dự báo của các nhà khoa học đến năm 2020 sản lượng điện do nhà máy điện hạt nhân tạo ra sẽ chiếm khoảng 50% sản lượng điện của toàn thế giới. Việt Nam đang được định hướng đến năm 2020 sẽ đưa nhà máy điện hạt nhân công suất 2000 MW vào hoạt động (Nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận).

       Phát triển nhà máy điện hạt nhân là một xu hướng cơ bản để đảm bảo an ninh năng lượng và giảm phát thải khí ô nhiễm môi trường, tuy vậy tiềm ẩn mối nguy hiểm lớn ở lò phản ứng hạt nhân. Lò phản ứng hạt nhân chứa đựng lượng nhiên liệu uran đủ lớn khi làm việc xảy ra phản ứng hạt nhân phát nhiệt với công suất lớn tiềm ẩn tai nạn nổ áp lực và nổ hydro làm phát tán phóng xạ vào môi trường.

       Lò phản ứng hạt nhân là nguồn nhiệt tạo hơi nước cho tuabin trong nhà máy điện hạt nhân, vì vậy xác định đặc tính của nguồn nhiệt này có thể đề ra những giải pháp thiết kế, xây dựng và vận hành nhà máy điện hạt nhân đảm bảo an toàn, tin cậy.

2. Nguồn nhiệt tạo hơi nước trong nhà máy điện hạt nhân

       Nguồn nhiệt để tạo hơi nước trong nhà máy điện hạt nhân thực hiện những quá trình tương tự như nguồn nhiệt tạo hơi nước trong nhà máy nhiệt điện thông thường,các quá trình được thể hiện ở hình 1.


        Từ sơ đồ hình 1b, uran có vai trò như than hoặc dầu trong nhà máy nhiệt điện nên được gọi là nhiên liệu uran. Nhiên liệu uran trong nhà máy điện hạt nhân gần với uran tự nhiên và được làm giàu dưới 5%. Nhiên liệu uran được làm giàu ở mức độ như vậy không đủ điều kiện xảy ra vụ nổ hạt nhân bởi vì để có vụ nổ hạt nhân xảy ra uran phải được làm giàu đến giá trị lớn hơn 96%. Mặt khác tương tự như nhà máy nhiệt điện thông thường, than hoặc dầu được đưa vào lò hơi từ từ nên nhiên liệu uran tham gia quá trình phân hạch cũng rất từ từ không đủ khổi lượng giới hạn để xảy ra vụ nổ hạt nhân.


         Khác biệt với nhiên liệu thông thường như than hoặc dầu, nhiên liệu hạt nhân có khả năng phát nhiệt rất lớn. Một gram uran có khả năng phát nhiệt tương đương 3,5 tấn than hoặc 2 tấn dầu, nếu tốc độ phân rã tăng nhanh công suất nhiệt tăng quá nhanh làm cho nhiệt độ trong lò tăng cao hơn 2500oC dẫn đến kim loại của các đường ống khử oxy của nước giải phóng khí hydro làm tăng áp suất trong lò và gây ra nổ áp lực phá hủy lò. Khí hydro thoát ra ngoài kết hợp với oxy trong khí tạo ra vụ nổ hydro. Để tránh sự cố này phải đảm bảo kỹ thuật điều khiển phản ứng hạt nhân uran trong lò và đảm bảo kỹ thuật truyền nhiệt cho nước làm mát không vượt quá giá trị giới hạn cho phép. Những giải pháp điều khiển tốc độ tiêu thụ nhiên liệu uran và những giải pháp duy trì nhiệt độ nước làm mát trong lò nhỏ hơn giá trị nhiệt độ cho phép là những giải pháp bảo vệ phòng thủ theo chiều sâu.

         Nhà máy nhiệt điện thông thường được cấp nhiên liệu từ từ cho quá trình cháy. Quá trình cháy tạo ra tro bụi và các khí ô nhiễm môi trường. Nhà máy nhiệt điện hạt nhân chứa khối lượng nhiên liệu uran đủ để làm việc trong trong một chu trình vận hành một đến hai năm khi xảy ra phản ứng hạt nhân xuất hiện sản phẩm phân rã là những chất phóng xạ nhẹ hơn uran và những phóng xạ γ, β kèm theo hai neutron và hiếm khi có ba neutron. Các chất phóng xạ nhẹ chiếm khoảng 3% khối lượng nhiên liệu uran đã phân rã. Sản phẩm của phân rã hạt nhân phải được cất giữ như cất giữ chất phóng xạ hoạt độ cao chu kỳ bán hủy dài. Đó là vấn đề phải được giải quyết khi đưa nhà máy điện hạt nhân vào hoạt động.

         Phóng xạ xuất hiện khi phân rã hạt nhân uran được tích tụ trong lò phản ứng, khi lò hoạt động trong thời gian dài, lượng phóng xạ trong một lò có thể gấp hàng ngàn lần phóng xạ của một quả bom nguyên tử nhưng chúng đã bị chặn lại không cho thoát ra ngoài.

         Để lò phản ứng hạt nhân làm việc an toàn, năng lượng nhiệt do phân rã hạt nhân uran trong lò phải được truyền cho nước làm mát. Loại lò phản ứng hạt nhân có nước làm mát bốc hơi và hơi nước được quá nhiệt ngay trong lò là loại lò nước sôi BWR (Boilling water reactor). Loại lò phản ứng hạt nhân có nước làm mát đóng vai trò chất tải nhiệt mang nhiệt từ vùng phản ứng đến thiết bị sinh hơi bên ngoài là loại lò nước áp lực PWR (pressuzed water reactor). Lò nước sôi BWR có hơi nước cung cấp cho tuabin bị nhiễm phóng xạ nên ít được sử dụng hơn. Lò nước áp lực PWR chỉ có nước làm mát ở vòng tuần hoàn thứ nhất bị nhiễm phóng xạ, hơi nước được sinh ra trong bình sinh hơi ở vòng tuần hoàn thứ hai không bị nhiễm xạ được sử dụng phổ biến trong thực tế.

        Lò nước áp lực PWR có sơ đồ nguyên lý như hình 2.

        Lò nước áp lực PWR có ba bộ phận cơ bản là lò phản ứng hạt nhân, bơm nước tuần hoàn với hệ thống đường ống, van và thiết bị sinh hơi nước. Tùy theo công suất nhiệt tỏa ra trong lò có thể có hai, ba hoặc bốn vòng nước tuần hoàn song song để làm mát vùng phản ứng (hình 3).

        Lò nước áp lực Bp P – 300 của Nga có công suất nhiệt 850 MW để tạo ra công suất điện 350 MW có hiệu suất 41% với bốn vòng nước tuần hoàn song song có đặc điểm cấu tạo được giới thiệu ở hình 4. Những thông số nhiệt cơ bản của lò này được giới thiệu ở bảng 1.

        Khi lò nước áp lực hoạt động nhiệt của vùng phản ứng hạt nhân truyền cho nước làm mát làm tăng nhiệt độ nước làm mát từ nhiệt độ đầu vào thấp đến nhiệt độ đầu ra cao hơn. Giá trị nhiệt độ nước làm mát ở đầu vào và đầu ra vùng phản ứng hạt nhân được khống chế nghiêm ngặt và là thông số nhiệt đặc trưng đảm bảo an toàn cho lò phản ứng. Các lò nước áp lực của Mỹ có nhiệt độ nước làm mát vào/ ra thường là 285/321 oC. Nước làm mát lò phản ứng có khoảng nhiệt độ như vậy sẽ cấp nhiệt cho bình sinh hơi để nung nóng nước cấp là nước ngưng tụ từ tuabin làm bốc hơi nước và tạo hơi quá nhiệt cung cấp cho tuabin. Nước vào bình sinh hơi để tạo hơi nước quá nhiệt có khoảng nhiệt độ thấp hơn khoảng nhiệt độ của nước làm mát. Đặc tính nhiệt của nguồn nhiệt tạo ra hơi nước trong nhà máy điện hạt nhân được thể hiện ở hình 5 và các giá trị nhiệt độ của lò Bp P – 300 được giới thiệu trong bảng 1, các lò nước áp lực khác cũng có đặc tính nhiệt dạng như vậy nhưng giá trị cụ thể của các nhiệt độ sẽ khác nhau đôi chút.

        Từ đặc tính nhiệt độ của lò nhận thấy vùng nhiệt độ làm việc của lò nước áp lực không cao hơn vùng nhiệt độ làm việc của lò hơi trong nhà máy nhiệt điện thông thường. Có thể xuất hiện sự cố nổ áp suất của đường ống dẫn nước làm mát lò phản ứng khi nhiệt độ nước làm mát tăng lên quá cao do không đảm bảo đủ lưu lượng vì sự cố ở bơm tuần hoàn, sự cố trên đường ống dẫn hoặc do sự cố ở bộ điều khiển để cho phân rã hạt nhân phát nhiệt quá lớn phá hủy cân bằng nhiệt đã được xác định theo phân bố nhiệt độ ở đặc tính nhiệt là cơ sở của những giải pháp bảo vệ phòng thủ theo chiều sâu ở nhà máy nhiệt điện hạt nhân.

         Cũng như nhà máy nhiệt điện thông thường, nhà máy điện hạt nhân có thể thay đổi công suất bằng cách thay đổi công suất nhiệt hay thay đổi lượng tiêu hao nhiên liệu uran nhờ hệ thống điều khiển của lò. Vì giá thành đầu tư ở nhà máy điện hạt nhân rất lớn nên chế độ làm việc tối ưu cho lò phản ứng hạt nhân là chế độ công suất cực đại. Ở chế độ này lò phản ứng hạt nhân đạt hiệu quả kinh tế cao nhất.

Kết luận

        Nhà máy điện hạt nhân là một loại nhà máy nhiệt điện cần được phát triển để đảm bảo an ninh năng lượng và giảm phát thải khí độc hại vào môi trường.

        Khi phát triển nhà máy điện hạt nhân tiềm ẩn mối nguy hiểm ở lò phản ứng hạt nhân là một nguồn nhiệt tạo ra hơi nước cho tuabin. Nhiệt sinh ra trong quá trình phân hủy hạt nhân uran được truyền cho nước làm mát và được dùng để tạo hơi nước quá nhiệt cho tuabin. Sự cân bằng nhiệt giữa năng lượng nhiệt dinh ra của phản ứng phân hủy hạt nhân uran và năng lượng nhiệt tạo hơi nước quá nhiệt cho tuabin là điều kiện làm việc an toàn của lò phản ứng hạt nhân.

        Sự cân bằng nhiệt trong lò nước áp lực được đặc trưng bởi sự thay đổi nhiệt độ nước làm mát và sự thay đổi nhiệt độ nước bay hơi cung cấp cho tuabin. Đặc tính truyền nhiệt này của lò là cơ sở của mọi giải phóng cơ bản bảo vệ phòng thủ theo chiều sâu và cũng là cơ sở để thiết kế xây dựng và vận hành nhà máy điện hạt nhanan toàn, tin cậy với hiệu quả kinh tế cao.

NGUỒN: (Tạp chí KH&CNN 86*3/2009 - PGS.TS Lê Công Cát)