An toàn các cụm thiết bị năng lượng hạt nhân

Nội dung text: An toàn các cụm thiết bị năng lượng hạt nhân

1. O.B. Xamoilov G.B.Uxưnhin A.M. Bakhmenchep AN TOÀN CÁC CỤM THIẾT BỊ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN Sách dùng cho sinh viên đại học (Dịch từ nguyên bản tiếng Nga) Người dịch: TS Nguyễn Đức Kim Moskva 1989 1
2. О.Б. Самойлов Г.Б. Усынин А.М. Бахметьев БЕЗОПАСНОСТЬ ЯДЕРНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК Для студентов вузов Đã xem xét các nguyên tắc bảo đảm an toàn, các điểm đặc biệt của thiết bị năng lượng hạt nhân, như những công trình kỹ thuật có độ nguy hiểm cao. Đã mô tả các tình huống sự cố chủ yếu, trình bày các phương pháp phân tích xác suất và tất định. Đã giới thiệu các hệ thống an toàn, các phương pháp bảo đảm độ tin cậy của chúng. Đã xem xét các vấn đề thuộc yếu tố con người, các dạng hỏng hóc thiết bị khác nhau, kinh nghiệm sự cố ở các nhà máy điện hạt nhân. Dùng cho các sinh viên đại học. Có thể có ích cho nhân viên vận hành nhà máy điện hạt nhân. Москва 1989 2
3. DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT АЗ – bảo vệ sự cố АПТ – sự cố kèm theo mất chất tải nhiệt АС – cơ sở nguyên tử (hạt nhân) АСТ – cơ sở hạt nhân cung cấp nhiệt АЭС (NMĐNH) – nhà máy điện hạt nhân БН – ЯЭУ sử dụng lò phản ứng nơtron nhanh hoặc dạng lò phản ứng tương ứng БРУ (А) – cụm thiết bị cảm ứng tác động nhanh (kèm theo phun khí vào khí quyển) ВОБ – đánh giá xác suất của độ an toàn ВВЭР – lò phản ứng năng lượng nước-nước ВТГР – lò phản ứng grafit-khí nhiệt độ cao ГЦН – máy bơm tuần hoàn chính của vòng sơ cấp ДГ – máy phát diezen ЕЦ – tuần hoàn tự nhiên ЗО – nhà lò (tường bảo vệ) ИРГ – các khí trơ, phóng xạ КГО – hệ thống kiểm tra độ kín vỏ bọc thanh nhiên liệu КС – vỏ bảo hiểm МПА – sự cố thiết kế cực đại ПГ – bình sinh hơi РБН – lò phản ứng nơtron nhanh РО – bộ phận công tác РУ – cụm thiết bị lò phản ứng САОЗ – hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt СУЗ – hệ thống điều khiển và bảo vệ lò phản ứng СЛА – hệ thống ngăn chặn sự cố твэл – thanh nhiên liệu (với một số lò - viên nhiên liệu) ТМА – NMĐNH “Three Mile Island” ТВС (BNL) – bó nhiên liệu УСБ – hệ thống an toàn điều khiển ЯЭУ – cụm thiết bị năng lượng hạt nhân ВWR – lò phản ứng áp lực nước sôi PWR – lò phản ứng áp lực 3
4. LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, không thể đào tạo được cán bộ chuyên môn tốt, làm việc trong lĩnh vực thiết kế, xây dựng và vận hành các cụm thiết bị năng lượng hạt nhân (ЯЭУ), nếu không trang bị cho họ đầy đủ kiến thức về những yêu cầu hiện đại, các giải pháp bảo đảm an toàn và phương pháp phân tích an toàn lò phản ứng. Những vấn đề an toàn được tách riêng theo truyền thống hiện đang phân tán trong các tài liệu khác nhau hoặc có ở dạng các mục nhỏ thuộc các môn học như “Điều khiển ЯЭУ”, “Kết cấu các lò phản ứng hạt nhân” Việc sử dụng trên quy mô lớn các lò phản ứng hạt nhân để phát điện, cung cấp nhiệt năng, trên các phương tiện vận tải hàng hải, đã đưa vấn đề an toàn lên hàng đầu. Cần phải nghiên cứu và soạn thảo chương trình đào tạo đặc biệt, trong đó trình bày một cách có hệ thống các vấn đề có liên quan đến khả năng gây phát thải các chất phóng xạ quá mức được phép ra ngoài vùng ЯЭУ, vốn rất hiếm khi xảy ra. Điểm đặc biệt của vấn đề an toàn ЯЭУ được quyết định chủ yếu do hai yếu tố. Thứ nhất, thiết bị hạt nhân là một tổ hợp kỹ thuật công nghệ cao và cần có cách tiếp cận tiên tiến, có hệ thống khi phân tích các điều kiện làm việc bình thường và các chế độ khẩn cấp. Thứ hai, vì nó có liên quan đến những nguy hiểm tiềm ẩn đối với cư dân, nguy cơ gây thiệt hại cho xã hội và môi trường xung quanh, nên cần phải xem xét những kết hợp bất lợi nhất của các yếu tố vận hành và các tác động từ bên ngoài. Hậu quả của mọi sự cố cần phải được hạn chế. Khi biên soạn sách này, đã sử dụng kinh nghiệm của chính các tác giả trong nhiều năm giảng dạy về an toàn ЯЭУ ở Trường Đại học Bách khoa Gorki. Ở đây, môn học này được phân ra trong các chương trình chuyên ngành tương ứng, ở dạng chương trình tự học, ngoài các bài giảng còn có các bài tập lớn. Ngoài ra, mục phân tích an toàn là phần bắt buộc trong thiết kế môn học. Mục đích của chương trình này – rèn luyện cho cán bộ chuyên môn về văn hoá an toàn, định hướng cho họ về các vấn đề chủ yếu, giúp họ thực hiện một cách có nhận thức các yêu cầu của các văn bản pháp quy và giải quyết một cách có hiểu biết các vấn đề thực tế khác nhau, theo quan điểm an toàn. Các tác giả hy vọng rằng, cuốn sách có lợi không chỉ cho các sinh viên đại học, mà còn cho các nhân viên kỹ thuật, muốn bổ sung và hệ thống hoá kiến thức của mình trong lĩnh vực này. Cấu trúc giáo trình mà các tác giả đã đưa ra không phải là cấu trúc duy nhất có thể, nhưng nó phù hợp với quan điểm đã hình thành và phát triển của họ về mức độ quan trọng của các vấn đề an toàn khác nhau đối với các kỹ sư thiết kế và các kỹ sư vận hành. Do dung lượng hạn chế của cuốn sách mà một loạt các vấn đề quan trọng được trình bày một cách 4
5. ngắn gọn, và một số vấn đề không được xem xét. Để bổ sung những thiếu sót đó có thể dùng các tài liệu được trình bày trong phần phụ lục, mà các tác giả cho rằng chúng làm tăng chất lượng của cuốn sách. Các tác giả 5
6. Chương 1 NHỮNG LUẬN ĐIỂM CHUNG VỀ AN TOÀN 1.1. NHỮNG NGUYÊN TẮC VÀ TIÊU CHÍ AN TOÀN Nhiệm vụ chủ yếu bảo đảm an toàn cơ sở hạt nhân (AC) là tránh cho cư dân, nhân viên vận hành và môi trường xung quanh khỏi mức tác động phóng xạ không thể chấp nhận được, nhờ các phương tiện kỹ thuật và các giải pháp tổ chức. Ngoài ra, như kinh nghiệm thế giới cho thấy, chủ yếu là ngăn ngừa các tình huống khẩn cấp tiềm ẩn có thể có. Các hệ thống kỹ thuật có độ phức tạp, công suất cao là các tổ hợp kỹ thuật hoàn toàn có thể tạo nên nguy cơ xuất hiện sự cố nhất định, nguy hiểm cho con người và môi trường xung quanh. “Cái giá” thậm chí của một sự cố đơn lẻ cũng tăng dữ dội. Ở đây, cả ngành năng lượng hạt nhân cũng không có ngoại lệ. Xuất phát từ việc xác suất các sự cố nghiêm trọng ở ЯЭУ rõ ràng là không bao giờ có thể giảm xuống bằng không, nên cần phải áp dụng các biện pháp bảo đảm hạn chế được các hậu quả của mọi sự cố nguy hiểm phóng xạ. An toàn ЯЭУ chủ yếu được bảo đảm bằng việc thực hiện các biện pháp và các nguyên tắc sau đây (hình 1.1): Hình 1.1. Các hướng chủ yếu bảo đảm an toàn ЯЭУ 1) xây dựng hệ thống bảo vệ đa tuyến tránh phát thải các chất phóng xạ nguy hiểm tiềm tàng có trong nhiên liệu hạt nhân, tại khu vực AC và ra bên ngoài, với việc sử 6
7. dụng các giải pháp thiết kế để giảm rủi ro hư hại các rào cản bảo vệ đến mức tối thiểu chấp nhận được; 2) chất lượng cao và luận cứ vững chắc của kết cấu thiết bị lò phản ứng, thiết kế các hệ thống quan trọng đối với an toàn của toàn bộ AC nói chung, nghiên cứu kỹ càng mọi quá trình xảy ra trong đó; 3) chất lượng cao trong quá trình chế tạo, lắp đặt, sửa chữa thiết bị; thiết bị AC hoạt động với chất lượng cao – vấn đề mấu chốt của an toàn; 4) sử dụng các phương tiện tin cậy để ngăn ngừa và khắc phục các quá trình khẩn cấp; trang bị cho AC các hệ thống an toàn – các hệ thống có nhiệm vụ ngăn ngừa các sự cố và hạn chế các hậu quả của chúng; 5) vận hành một cách chuyên nghiệp AC, phù hợp với tài liệu kỹ thuật định mức hiện hành, các hướng dẫn và tuân thủ nghiêm ngặt quy trình thao tác; bảo đảm nguyên tắc “văn hoá an toàn” nói chung; 6) áp dụng các biện pháp để giữ ổn định khi có các tác động và các tình huống phát sinh từ bên ngoài có liên quan đến “yếu tố con người”; 7) duy trì độ bền thiết bị của các hệ thống quan trọng đối với an toàn nhờ bảo dưỡng kỹ thuật, kiểm tra và khám nghiệm bằng các phương tiện kiểm soát và chẩn đoán hiệu quả; 8) chọn mặt bằng thuận lợi để xây dựng AC và vùng bảo vệ-vệ sinh cần thiết. Yêu cầu cơ bản của quan điểm an toàn – loại trừ các hư hại dẫn đến thảm hoạ AC – được thực hiện bằng việc tạo ra các cấp an toàn liên tiếp (“bảo vệ theo chiều sâu”). Nhiệm vụ của cấp an toàn thứ nhất – ngăn ngừa các sự cố và các rắc rối, duy trì các điều kiện vận hành AC trong các giới hạn, loại trừ xuất hiện sự cố. Cấp này được bảo đảm bằng quy trình bảo đảm chất lượng, tính hoàn chỉnh của kết cấu ЯЭУ, sự tin cậy của các hệ thống, trình độ chuyên môn của nhân viên. Nhiệm vụ của cấp an toàn thứ hai – ngăn ngừa các sự cố thiết kế – chuyển thiết bị lò phản ứng vào trạng thái an toàn và ngăn ngừa phát triển sự cố, vốn cần được khắc phục sớm, bằng các biện pháp trên cơ sở nguyên tắc được gọi là hỏng hóc đơn lẻ (xem dưới đây). Cấp này được bảo đảm bằng các hệ thống an toàn. Nhiệm vụ của cấp an toàn thứ ba – ngăn ngừa các sự cố xác suất thấp, hạn chế hậu quả của sự cố giả định. Các biện pháp của cấp này hướng đến làm giảm nhẹ hậu quả của các hỏng hóc nhiều lần. Ở đây giả định rằng, việc trùng hợp hai hoặc nhiều hỏng hóc trong các hệ thống an toàn là có thể về nguyên tắc, có tính đến nhiều sai lầm của nhân viên vận hành. Cũng xem xét các sự cố không kiểm soát được trong các điều kiện hỏng hóc toàn bộ hệ thống an toàn (ví dụ mất toàn bộ nước làm nguội sau khi dừng lò). Khi tạo ra các hệ thống của cấp an toàn thứ ba người ta sử dụng các nguyên tắc cơ bản mà giá trị của 7
8. các nguyên tắc đó đã được chứng minh: dự phòng, tách biệt thực thể, tính đa dạng, tính độc lập của các kênh và các hệ thống an toàn, cũng tính đến tính tự bảo vệ. Các biện pháp của cấp thứ ba bao trùm cả những sự cố ngoài thiết kế. Kết cục là hình thành cái gọi là tháp an toàn mà việc bảo đảm chất lượng nằm trên đáy của tháp đó, và rủi ro còn lại của sự cố toàn cầu phá huỷ tất cả các rào cản là đỉnh. Khi giải quyết bài toán an toàn cần tính đến khía cạnh tâm lý của vấn đề, điều thuộc về nhận thức, rằng không có một mức phát tán các sản phẩm phóng xạ nào là được phép, thậm chí cả khi nó không dẫn đến các hậu quả đáng kể cũng không được dư luận xã hội coi là mức có thể chấp nhận. Chỉ có quan điểm ngăn chặn tất cả các phát tán khi có sự cố là có khả năng chiếm được lòng tin. Kinh nghiệm trong mọi phạm vi hoạt động của con người chứng tỏ rằng, yếu tố con người là rất lớn trong việc bảo đảm an toàn. Trong công nghiệp hoá học, từ 80 đến 90% các sự cố, bằng cách nào đó, đều có liên quan đến các sai lầm của nhân viên; theo thống kê các sự cố hàng không trong vòng ba mươi năm trở lại đây, có đến 60 – 80% sự cố xảy ra do lỗi của con người; trong ngành năng lượng hạt nhân, phần đóng góp của các sai lầm của nhân viên trong tần suất sự cố nóng chảy vùng hoạt cũng chiếm khoảng 60 – 80%. Tất cả điều đó chứng tỏ rằng, ít ra cũng cần chú ý đến việc phân tích mối quan hệ giữa con người và thiết bị, vấn đề “con người – máy móc”, giống như việc phân tích động thái của chính thiết bị. Việc ngăn ngừa tính chủ quan trong quá trình làm việc bình thường, việc nhân viên thấu hiểu ý nghĩa tiềm ẩn của mọi sai lệch so với quy trình thao tác thông thường theo quan điểm an toàn, việc ưu tiên cho an toàn trong lúc áp dụng các giải pháp, tinh thần trách nhiệm của những người thiết kế, cách tiếp cận có hệ thống trong mọi giai đoạn, việc không bỏ qua những tiểu tiết (sức mạnh của các tiểu tiết là ở chỗ chúng có nhiều), việc quan tâm một cách thực chất đến kinh nghiệm – tất cả những điều đó là cần thiết cho cách tiếp cận, bảo đảm “văn hoá an toàn”. 1.2. AN TOÀN TRONG CÁC TÌNH HUỐNG KHẨN CẤP Kinh nghiệm vận hành ЯЭУ trên thế giới, vào khoảng 5000 lò-năm, cho thấy, vấn đề an toàn – đó là vấn đề của các sự cố có thể có, ở mức tiềm tàng, xác suất thấp do nguyên nhân hỏng hóc các hệ thống kỹ thuật, những sai lầm của nhân viên và các tác động từ bên ngoài. Các sự cố ở các nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) khác với các sự cố ở các nhà máy điện khác ở chỗ chúng có thể gây ra phát tán một lượng đáng kể các chất phóng xạ vào không gian xung quanh. 8
9. Trong ЯЭУ công suất 1000 MWe tích tụ các sản phẩm phân hạch mà độ phóng xạ của chúng có thể đạt đến mức 3.10 20 Bq. Việc các chất phóng xạ đã tích tụ lọt ra môi trường xung quanh đem lại hậu quả vô cùng nghiêm trọng. Phần lớn các chất phóng xạ nằm trong các thanh nhiên liệu. Việc chúng phát thải là có thể khi vỏ bọc thanh nhiên liệu bị hư hại nặng và khi nhiên liệu bị nóng chảy. Sự quá nhiệt của nhiên liệu chỉ diễn ra khi cường độ toả nhiệt của các thanh nhiên liệu vượt quá cường độ dẫn thoát nhiệt. Mất cân bằng nhiệt như vậy trong vùng hoạt lò phản ứng có thể xuất hiện trong các tình huống sau đây: 1. Sự cố kèm theo mất chất tải nhiệt vòng sơ cấp do nó bị hở hoặc bị phá huỷ. Khi đó cân bằng bị mất, bởi vì quá trình toả nhiệt dư trong vùng hoạt là đáng kể, còn quá trình lấy nhiệt bị xấu đi nhiều hoặc là mất hẳn, cho đến khi chưa đưa được chất tải nhiệt từ hệ thống làm nguội khẩn cấp vào vùng hoạt. Đó là một trong số những sự cố nghiêm trọng nhất, khi mà rào cản an toàn thứ hai (rào cản của hệ thống vòng sơ cấp) bị phá huỷ, còn rào cản thứ nhất – vỏ bọc các thanh nhiên liệu – dường như trong hoàn cảnh nặng nề ví dụ như nóng chảy một phần vùng hoạt, vốn phụ thuộc vào hoạt động của các hệ thống an toàn. Chất tải nhiệt chủ động được cấp vào cụm thiết bị lò phản ứng, làm tăng áp suất trong đó, tạo ra nguy cơ hỏng hóc về cơ khí và sai phạm về nhiệt của một rào cản nữa – lớp tường bảo vệ (nhà lò) của AC hoặc khu vực kín, nghĩa là có nguy cơ hư hại tất cả ba rào cản. 2. Những quá trình chuyển tiếp khẩn cấp. Trong số đó có thể chia ra thành các quá trình kèm theo gia tăng độ phản ứng, khi mà cường độ toả nhiệt trong vùng hoạt tăng lên so với cường độ dẫn thoát nhiệt, và các quá trình kèm theo sai phạm dẫn thoát nhiệt, khi mà cường độ dẫn thoát nhiệt giảm xuống so với cường độ toả nhiệt trong vùng hoạt. Khi phân tích các tình huống khẩn cấp, mối quan tâm chủ yếu là sự gia tăng không điều khiển được của công suất vùng hoạt (sự sinh nhiệt), sự suy giảm lưu lượng chất tải nhiệt (suy giảm dẫn thoát nhiệt) và việc tăng cao áp suất trong lò phản ứng. Các sự cố kèm theo gia tăng độ phản ứng có thể kích thích một trong những tình huống nghiêm trọng nhất – sự cố kèm theo phá huỷ vùng hoạt và phá huỷ đồng thời tất cả các rào cản an toàn. Trong các quá trình chuyển tiếp khẩn cấp, các thông số chủ yếu của lò phản ứng bị sai lệch đáng kể so với các giá trị bình thường. Nhiều tình huống khẩn cấp loại này được khắc phục nhờ hệ thống điều khiển, hệ thống này đưa lò phản ứng trở lại trạng thái vận hành bình thường. Nhưng một số tình huống dường như là hệ thống điều khiển “không với tới được”, và khi đó cần phải dừng lò phản ứng nhờ hệ thống bảo vệ sự cố để tránh hư hại các thanh nhiên liệu hoặc hệ thống vòng sơ cấp – hai rào cản trên đường lan truyền các sản phẩm phân hạch. 9
10. Lưu ý rằng, có thể bảo vệ lò phản ứng một cách tin cậy nhất khi sử dụng các thuộc tính nội tại vốn có của lò phản ứng và các phương tiện thụ động, nghĩa là nhờ mọi khả năng tự bảo vệ, vốn do các đặc tính kỹ thuật-vật lý của lò phản ứng quyết định, và nhờ các hệ thống thụ động. Việc tìm kiếm các giải pháp, hướng tới khả năng tự bảo vệ cao nhất có thể của cụm thiết bị lò phản ứng, được quyết định do cố gắng giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của yếu tố con người đến tính an toàn, và điều đó đặc biệt quan trọng khi tăng quy mô và mở rộng phạm vi sử dụng năng lượng hạt nhân. Khả năng tự bảo vệ của cụm thiết bị lò phản ứng tạo điều kiện đơn giản hoá cấu trúc và giảm khối lượng các phương tiện bảo vệ chủ động, vốn không tránh khỏi liên quan đến việc phức tạp hoá, và sự phức tạp này lại giảm độ tin cậy của thiết bị. Nguyên tắc đa dạng các rào cản và bảo vệ theo chiều sâu là phần quan trọng của triết lý bảo đảm an toàn các lò phản ứng hạt nhân. Theo triết lý đó, khi xảy ra bất kỳ biến cố nào cũng cần còn lại ít nhất hai rào cản để bảo vệ môi trường xung quanh khỏi phát tán các chất phóng xạ từ vùng hoạt lò phản ứng. Vì vậy, về nguyên tắc, quan trọng là làm sao bảo đảm được tính độc lập về chức năng của mỗi rào cản trong trường hợp sự cố. Phân tích các sự cố đã từng xảy ra cho thấy, các biến cố chủ yếu kích thích các sự cố – mất chất tải nhiệt, các quá trình chuyển tiếp, sự tương tác của các hệ thống. Các sai lầm của nhân viên, cũng như những hỏng hóc kỹ thuật của thiết bị là nguyên nhân chủ yếu của các sai phạm chức năng hoạt động bình thường. Các hệ thống an toàn. Nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ Việc bảo đảm an toàn khi xuất hiện các chế độ khẩn cấp (sự cố) được thực hiện nhờ các hệ thống đặc biệt được đưa vào trong AC, chúng có nhiệm vụ ngăn ngừa sự cố và hạn chế các hậu quả của chúng. Các hệ thống an toàn “kiểm soát” sự cố trong lúc thực hiện các chức năng chủ yếu sau đây: dừng lò phản ứng; dẫn thoát nhiệt dư; hạn chế lan truyền các sản phẩm phóng xạ. Các hệ thống an toàn được chia thành các hệ thống bảo vệ, ngăn chặn, điều khiển và bảo đảm. Trạng thái bình thường của các hệ thống an toàn – đó là chế độ chờ sự cố, còn yêu cầu chủ yếu đối với chúng – khởi động tin cậy và bảo đảm các đặc tính thiết kế khi hoạt động. Khi tính đến cấp độ tin cậy cuối cùng của bất kỳ hệ thống nào, thì việc phân tích toàn diện biện pháp và các cách thức dự phòng, cũng như việc kiểm tra khả năng hoạt động của các bộ phận, vốn cho phép giảm thiểu xác suất hỏng hóc hệ thống, đều có ý nghĩa về 10
11. nguyên tắc. Đối với tất cả các hệ thống an toàn đều cần phải áp dụng nguyên tắc được gọi là nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ. Theo nguyên tắc này, khi phân tích an toàn AC, giả định đồng thời với biến cố khởi nguồn, rằng một hỏng hóc đơn lẻ, độc lập với biến cố khởi nguồn đó, đã xảy ra trong các hệ thống an toàn đã khởi động trong biến cố đã cho. Độ bội dự phòng cần phải ở mức sao cho, dù là có hỏng hóc đơn lẻ thì chức năng an toàn vẫn được thực hiện. Hỏng hóc đơn lẻ được giả định ở bất kỳ đầu mối nào của hệ thống an toàn, nhưng hỏng hóc đồng thời thì chỉ có một. Việc lựa chọn nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ làm nguyên tắc chủ đạo cho độ bội dự phòng của các hệ thống an toàn được ước định bởi việc, bản thân các hỏng hóc là những biến cố ngẫu nhiên, mà việc chúng xuất hiện có đặc điểm của một xác suất nhất định nào đó. Bởi vì độ tin cậy của các hệ thống và thiết bị, vốn có ảnh hưởng đến độ an toàn, được duy trì nhờ các biện pháp bảo đảm chất lượng trong các giai đoạn thiết kế, chế tạo, lắp ráp và vận hành ở mức đủ cao, nên xác suất xuất hiện hỏng hóc đơn lẻ của thiết bị là nhỏ. Xác suất xuất hiện đồng thời hai hỏng hóc độc lập như vậy có đặc điểm của tích số của các xác suất của từng hỏng hóc đó. Giá trị của nó nhỏ đến mức có thể bỏ qua biến cố như vậy trong quá trình tiếp cận này. Phân biệt các nguyên tắc hoạt động chủ động và thụ động của các hệ thống an toàn. Nguyên tắc hoạt động chủ động của hệ thống hoặc của cơ cấu – là nguyên tắc, trong đó để thực hiện chức năng đã cho cần bảo đảm một số điều kiện (ví dụ, ra lệnh đóng, bảo đảm cung cấp năng lượng, môi trường, ). Các hệ thống và các cơ cấu, có đặc điểm của nguyên tắc tác động chủ động, được gọi là các hệ thống và các cơ cấu chủ động. Thông thường, chúng phức tạp về kết cấu và có nhiều mối liên hệ với các cơ cấu khác, mà khả năng làm việc của chúng phụ thuộc vào các cơ cấu này. Nguyên tắc hoạt động thụ động của hệ thống hoặc của cơ cấu – là nguyên tắc, trong đó để thực hiện chức năng đã cho không cần các hệ thống và cơ cấu khác hoạt động. Các hệ thống thụ động thực hiện chức năng dưới ảnh hưởng của các tác động xuất hiện trực tiếp do biến cố khởi nguồn. Thông thường, các hệ thống như vậy có đặc điểm là độ tin cậy cao hơn so với các hệ thống chủ động, do vậy mà nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ thường chỉ được áp dụng cho các hệ thống và cơ cấu chủ động. Nếu hỏng hóc đơn lẻ của một bộ phận nào đó dẫn đến hỏng hóc các bộ phận khác, thì tất cả các hỏng hóc đều là các hỏng hóc độc lập và được xem như một hỏng hóc. Biến cố khởi nguồn có thể là nguyên nhân xuất hiện các hỏng hóc lệ thuộc trong các hệ thống an toàn. Trong các trường hợp đó, ngoài các hỏng hóc lệ thuộc như vậy, khi phân tích an toàn theo nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ cần phải tính thêm một hỏng hóc độc lập. 11
12. Các hỏng hóc do nguyên nhân chung – các hỏng hóc của một số hệ thống quan trọng đối với an toàn, xuất hiện do một trong số các tác động từ bên trong hoặc từ bên ngoài, do hỏng hóc cơ cấu hoặc do sai lầm của con người. Nguyên nhân chung của các hỏng hóc có thể chỉ là cái chung đối với một loạt các hệ thống hoặc cơ cấu an toàn: vị trí xây dựng, các điều kiện bên trong hoặc bên ngoài, các nguồn cung cấp, điều kiện bảo quản, kết cấu, công nghệ chế tạo, các vật liệu, Bởi vì các hỏng hóc do nguyên nhân chung không phải là đơn lẻ, nên việc bảo vệ nó không chỉ bằng các phương pháp dự phòng. Các nguyên tắc xây dựng các hệ thống an toàn Để đáp ứng tiêu chí hỏng hóc đơn lẻ và giảm xác suất hỏng các hệ thống quan trọng đối với an toàn do nguyên nhân chung cần phải áp dụng bốn nguyên tắc (riêng biệt hoặc kết hợp): 1) dự phòng – sử dụng một lượng dư các hệ thống hoặc các bộ phận để bảo đảm dư khả năng thực hiện chức năng được giao; 2) độc lập – việc thực hiện chức năng của một hệ thống không phụ thuộc vào hoạt động của hệ thống khác; 3) tách biệt – tách riêng, bằng rào cản, các hệ thống, vốn thực hiện cùng một chức năng, hoặc tách xa chúng ra một khoảng cách nhất định để giảm xác suất hỏng hóc đồng thời do nguyên nhân chung; 4) khác biệt (đa dạng, khác kiểu) – việc tránh cho các hệ thống và các bộ phận, vốn thực hiện một nhiệm vụ, khỏi hỏng hóc cùng một kiểu, bằng cách chế tạo chúng theo kết cấu, nguyên tắc hoạt động khác nhau Như đã biết, sự đa dạng luôn che chở cho cuộc đời tránh khỏi những cảnh ngang trái. Sự cần thiết phải ngăn ngừa những hỏng hóc do nguyên nhân chung đã dẫn đến nhu cầu xây dựng các hệ thống an toàn theo cấu trúc dạng kênh. Với cấu trúc như vậy, tập trung thực hiện toàn bộ các chức năng an toàn trong một kênh an toàn. Số lượng các kênh an toàn được chọn theo độ dư cần thiết khi thực hiện các chức năng an toàn, nghĩa là, theo nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ có tính đến khả năng có các hỏng hóc lệ thuộc. Các kênh an toàn hoàn toàn tách khỏi nhau và khỏi các hệ thống khác, sao cho không thể hỏng thêm một kênh nào nữa do cùng một nguyên nhân. Khó hơn cả là tránh được tính giống nhau về kết cấu, về vật liệu và công nghệ chế tạo các bộ phận riêng biệt. Khi nghiên cứu chế tạo các hệ thống an toàn cần lưu ý rằng, một số lượng lớn các bộ phận, vốn làm tăng số lượng các mối tương quan, sẽ làm tăng ảnh hưởng của các yếu tố rối loạn. Các hệ thống phức tạp chịu ảnh hưởng của các rối loạn và sai sót lớn hơn nhiều 12
13. so với các hệ thống đơn giản, nghĩa là, những biện pháp an toàn dư thừa có thể gây ảnh hưởng xấu đến chính an toàn. Có thể coi việc tạo ra các hệ thống, được gọi là hệ thống tổng thể, nhờ áp dụng các ý tưởng mới, để cùng một lúc thực hiện được một số chức năng, là hướng nhiều triển vọng nhằm khắc phục tính phức tạp, nhiều về số lượng và to về quy mô của các hệ thống an toàn. Điều đó cho phép làm giảm số lượng các bộ phận, làm tăng độ tin cậy và tính hiệu quả của toàn bộ AC nói chung. Trên đây đã nhấn mạnh ý nghĩa có tính nguyên tắc của việc hiểu đúng các quá trình trong các chế độ vận hành bình thường và khẩn cấp. Điều đó làm tăng cao, ví dụ, độ ổn định của ЯЭУ trước những sai lầm của nhân viên. Từ quan điểm đó, tốt hơn cả là những ЯЭУ có khả năng tích hợp lớn và có các hệ thống an toàn thụ động với tổ hợp các tính chất, quyết định độ an toàn nội tại và tính tự bảo vệ của cụm thiết bị lò phản ứng. 1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ LUẬN GIẢI AN TOÀN Cách tiếp cận tất định Những yêu cầu định mức hiện hành đang đòi hỏi cách xem xét tất định đối với các vấn đề an toàn trong khuôn khổ quan điểm về các sự cố thiết kế và trong khuôn khổ nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ. Trong đó lưu ý rằng, mỗi hệ thống an toàn đều thực hiện được các chức năng đã định đòi hỏi nó hoạt động, trong mọi biến cố khởi nguồn được tính đến trong thiết kế, có tính đến một hỏng hóc (độc lập với biến cố khởi nguồn) của một bộ phận nào đó. Theo kinh nghiệm đã được tích luỹ và theo trực quan kỹ thuật, người ta xác lập các biến cố khởi nguồn thiết kế, các hiệu ứng thứ cấp, các giới hạn an toàn mà các giải pháp bảo vệ phải tuân thủ. Cách tiếp cận tất định được hiểu là phương pháp phân tích trình tự các giai đoạn của quá trình khẩn cấp, từ biến cố khởi nguồn, qua tất cả các thời kỳ biến thái và phá huỷ có thể có, đến trạng thái cuối cùng đã được xác lập. Trong cách tiếp cận tất định không sử dụng các số liệu xác suất định lượng để mô tả các biến cố hoặc tổ hợp các biến cố. Ở kịch bản này hay kịch bản khác, đặc điểm của cách tiếp cận này đều được nhận ra một cách định tính trong các thuật ngữ như “thường xuyên”, ‘xác suất thấp”, có thể”, “không thể về mặt kỹ thuật”, Trong khi đó có thể áp dụng phương pháp tất định trong các trường hợp riêng biệt, ví dụ, hỏng hóc kép trong hệ thống, Cách tiếp cận xác suất 13
14. Quan điểm về cụm thiết bị được cho là an toàn khi có các sự cố thiết kế (nghĩa là, trong khuôn khổ tuân thủ nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ) không giải đáp mọi vấn đề thiết kế và vận hành. Vì vậy cách tiếp cận ngày càng được áp dụng rộng rãi hơn là cách tiếp cận xác suất, theo nó, khi phân tích an toàn, người ta xem xét tất cả các sự cố có thể có, cũng như bất kỳ số lượng các hỏng hóc đồng thời nào. Khi áp dụng phương pháp “cây biến cố” thì kết quả phân tích an toàn ЯЭУ ở đây dẫn “đến một con số”, đến cái gọi là giá trị xác suất an toàn (ВОБ). Cơ sở của cách tiếp cận xác suất chính là phân tích một cách có hệ thống các kịch bản có ý nghĩa của các sự cố, cũng như nghiên cứu một cách trình tự các sự cố, kể cả các biến cố khởi nguồn, các đường hướng phát triển của các quá trình khẩn cấp, có tính đến khả năng trùng hợp hỏng hóc của các hệ thống. Khi đó, phần quan trọng là việc phân tích định lượng độ tin cậy của thiết bị và các hệ thống quan trọng đối với an toàn. Sử dụng phân tích xác suất dễ xác lập những vấn đề ưu tiên và dễ chọn hướng nghiên cứu các vấn đề an toàn của các lò phản ứng hạt nhân. Phân tích bằng cách so sánh các giải pháp kỹ thuật và các giá trị xác suất sẽ cho phép lựa chọn một cách có cơ sở các giải pháp kỹ thuật cạnh tranh khác nhau, cũng như nghiên cứu độ nhạy cảm của các kết quả khi thay đổi các thông số. Cũng có thể đánh giá được phần đóng góp của các yếu tố và các hệ thống khác nhau vào các chỉ số an toàn AC và trên cơ sở đó xác định được phương hướng cải thiện các chỉ số này. Một trong những kết quả quan trọng nhất của ВОБ là phân định được các kịch bản sự cố có phần đóng góp lớn nhất vào các hậu quả, nghĩa là, phân định được các trình tự phổ biến nhất của các biến cố. Khi biết các trình tự phổ biến nhất của các biến cố trong các sự cố, có thể phân định được các hệ thống và các bộ phận quan trọng nhất, điều này rất có lợi để hoàn thiện các thiết kế. Và cuối cùng, chính các phương pháp ВОБ có thể cho phép đặt nền móng cho ranh giới của rủi ro có thể chấp nhận được, và tương ứng với điều đó, cho tiêu chí của một thiết kế ЯЭУ cụ thể. Những hạn chế trong việc sử dụng các phương pháp xác suất có liên quan đến sự thiếu hụt số liệu để tiến hành các phân tích thích hợp, cũng như thiếu hiểu biết về nguy cơ hỏng hóc tiềm ẩn do các nguyên nhân chung, và về động thái của nhân viên vận hành. Động thái của con người – nguồn bất định trong ВОБ, bởi vì người ta có thể coi những hành vi khác nhau là đúng, và các sai lầm có thể diễn ra cả khi thực hiện các hành vi, cả khi không làm gì. Những phương pháp ВОБ đóng góp vào các phương pháp tất định những nghiên cứu về an toàn, nghĩa là, cả hai phương pháp cùng được áp dụng. Trong khoa học đã được biết 14
15. những quá trình phức tạp, “một lời khôn tả”. Rõ ràng, các nhiệm vụ nghiên cứu và luận giải an toàn thuộc loại này. Khi đó cần đến việc phân tích có hệ thống. Đối với mỗi tình huống khẩn cấp (biến cố khởi nguồn) cần xem xét những mắt xích có thể có, từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng, phản ánh những tác động có thể của nhân viên vận hành và đánh giá hậu quả. Cần làm rõ các đường hướng phát triển của tình huống khẩn cấp, có tính đến tương tác của các hệ thống và các quy luật diễn biến của các quá trình vật lý, cũng như các xác suất hỏng hóc của các hệ thống an toàn. Khi đó cần đặc biệt chú ý đến sự xuất hiện các hỏng hóc thiết bị, dẫn đến các hỏng hóc lệ thuộc, hoặc đến sự suy giảm tính hiệu quả của các hệ thống, cũng như các tác động sai lầm của nhân viên, có tính đến cả ảnh hưởng của các hành động đó đến sự xuất hiện, đặc tính diễn biến và hậu quả của các sự cố. Về mối nguy hiểm từ cơ sở hạt nhân Không thể bảo đảm an toàn tuyệt đối trong bất kỳ một dạng hoạt động nào của con người. Cả nhân viên, cả cư dân luôn luôn chịu nguy hiểm – các xác suất chịu thiệt mạng hoặc chịu thiệt hại vật chất do các nguyên nhân tự nhiên (động đất, bão lốc, rơi thiên thạnh, ) hoặc do các hoạt động của chính mình (tác động độc hại của các ngành sản xuất khác nhau và các dạng hoạt động của con người, những trường hợp không may, ). Cụm thiết bị lò phản ứng, nguồn các sản phẩm phóng xạ, cũng là mối nguy hiểm nhất định cho nhân viên, cư dân và môi trường xung quanh. Mối nguy hiểm này có liên quan không chỉ với việc vận hành ЯЭУ, mà còn với các khâu còn lại của chu trình nhiên liệu hạt nhân. Mức nguy hiểm là mức tính đến xác suất các sự cố và hậu quả phóng xạ của chúng: đối với cư dân sống gần AC, mức rủi ro chết người do các sai phạm vận hành AC, không được vượt quá 0,001 tổng mức rủi ro chết người xuất hiện do các nguyên nhân khác. Để đánh giá rủi ro người ta sử dụng các phương pháp ВОБ và chú ý đến cả các sự cố xác suất thấp (giả định) với kịch bản giả định có trùng hợp một số lượng bất kỳ các hỏng hóc và sai lầm có thể xảy ra kèm theo những hậu quả nghiêm trọng. Ở đây sử dụng tất cả các kết quả đánh giá xác suất an toàn và có thể xác định giá trị của mức rủi ro chấp nhận được. Rủi ro từ các sai lệch có thể có khi vận hành ЯЭУ được coi là chấp nhận được nếu nó không vượt nhiều quá so với rủi ro từ các phương pháp sản xuất năng lượng khác. Khi tính đến nhịp độ phát triển kỳ vọng của ngành năng lượng hạt nhân trong những thập kỷ gần đây thì những yêu cầu đối với xác suất tổng của các sự cố nghiêm trọng được diễn đạt như sau: các sự cố kèm theo phá huỷ vùng hoạt, nhưng không vượt quá mức phát 15
16. tán phóng xạ được phép đã định (bằng cách ngăn chặn các sản phẩm phóng xạ) cần có xác suất tổng theo toàn bộ trình tự các biến cố ρ ≤ 10-5 một lò-năm. Đối với các sự cố kèm theo phá huỷ vùng hoạt và phát tán các sản phẩm phóng xạ cao hơn mức cho phép, yêu cầu đã được xác lập là ρ ≤ 10-7 một lò-năm. Từ đó suy ra, cần loại trừ phát tán các sản phẩm phóng xạ không được phép trong mọi biến cố khởi nguồn và trên đường phát triển các sự cố, mà xác suất tổng của các sự cố đó vượt quá 10-7 một lò-năm. Chương 2 CÁC RÀO CẢN AN TOÀN 2.1. NGUYÊN TẮC BẢO VỆ THEO CHIỀU SÂU Khi thiết kế ЯЭУ, một trong những nguyên tắc an toàn cơ bản là nguyên tắc bảo vệ theo chiều sâu, theo nó, một số cấp bảo vệ được tính trước để ngăn ngừa hoặc hạn chế các hậu quả bất lợi của những hỏng hóc thiết bị và các sai lầm của nhân viên AC. Yêu cầu quan trọng nhất của nguyên tắc bảo vệ theo chiều sâu là tổ chức các hàng rào an toàn thực thể. Trên đường lan truyền các mảnh vỡ phân hạch, trong trường hợp chúng có khả năng tiềm ẩn phát thải từ kết cấu nhiên liệu vào môi trường xung quanh, thông thường, trong các lò phản ứng hiện đại có ba rào cản, xét chức năng và ý nghĩa của chúng, có thể coi chúng là các rào cản an toàn (hình 2.1). Tạo nên rào cản thứ nhất là kết cấu nhiên liệu và vỏ bọc các thanh nhiên liệu. Trong trường hợp lọt các sản phẩm phóng xạ của quá trình phân hạch vào chất tải nhiệt thì hệ thống vòng sơ cấp, các đường ống, các kết cấu dạng vỏ của vòng sơ cấp (rào cản an toàn thứ hai) sẽ cản trở quá trình lan truyền tiếp theo của chúng. Và cuối cùng, khi rò rỉ vòng sơ cấp, các sản phẩm phóng xạ của quá trình phân hạch được giữ lại hoặc nhờ hệ thống khu vực kín, hoặc nhà lò (rào cản thứ ba) (hình 2.2). Khi phân tích an toàn cần tin chắc vào độ hiệu dụng của các rào cản đó cả trong điều kiện bình thường, cả trong điều kiện khẩn cấp, theo dõi liên tục tính độc lập trong việc thực hiện chức năng của chúng, sự có mặt của “dự trữ” độ hiệu dụng, các phương tiện chẩn đoán và kiểm tra. Mọi sự cố thiết kế đều không được dẫn đến sai phạm tiếp theo của các hệ thống, ví dụ, các hệ thống vòng sơ cấp và các hệ thống ЗО, vốn cần thiết để ngăn chặn tình huống đã xuất hiện, khi chúng thực hiện chức năng. 16
17. Việc thực hiện chức năng của các rào cản an toàn trong các chế độ khẩn cấp cần thoả mãn hoàn toàn các yêu cầu nhất định. Các điều kiện hoạt động của các rào cản khi có sự cố, kể cả những sự cố giả định rất ít có khả năng xảy ra, cần được phân tích kỹ càng, khi đó cần chứng minh độ hiệu dụng của các rào cản với mức dự trữ cần thiết cho độ bất định có thể có. Hình 2.1. Sơ đồ các rào cản trên đường lan truyền các nuclit phóng xạ sinh ra trong quá trình hoạt động của ЯЭУ 17
18. Hình 2.2. Các rào cản an toàn AC có nhà lò: 1 – nhiên liệu; 2 – vỏ bọc thanh nhiên liệu; 3 – hệ thống vòng sơ cấp kín; 4 – nhà lò 2.2. THANH NHIÊN LIỆU – RÀO CẢN AN TOÀN THỨ NHẤT Thanh nhiên liệu cần giữ được nguyên vẹn trong suốt thời gian tồn tại trong lò phản ứng, khi lưu giữ và vận chuyển. Sự giãn nở hoặc phồng rộp không được vượt quá các giới hạn, khi đó các điều kiện làm nguội bình thường được bảo đảm. Thanh nhiên liệu bị coi là hư hại, nếu do vỏ bọc không còn nguyên vẹn mà các sản phẩm phân hạch lọt vào chất tải nhiệt. Trong các lò phản ứng năng lượng hiện đại, thông thường, sử dụng các thanh nhiên liệu có nhiên liệu ở dạng viên urani dioxit, nằm trong vỏ bọc bằng thép hoặc hợp kim zirconi. Kết cấu nhiên liệu và vỏ bọc kín của thanh nhiên liệu tạo ra rào cản thứ nhất trên đường lan truyền các sản phẩm phân hạch. Nhiên liệu Các sản phẩm phóng xạ tích tụ do quá trình phân hạch và bắt nơtron trong nhiên liệu, khi đó thành phần, các tính chất cơ học và hoá lý của kết cấu nhiên liệu thay đổi. 18
19. Đặc trưng hoạt động của các thanh nhiên liệu là mức tải nhiệt cao (khoảng 450 W/cm) và chênh lệch nhiệt độ theo mặt cắt ngang nhiên liệu đáng kể, có thể đến vài trăm độ. Mặc dù một lượng lớn các sản phẩm phóng xạ được tạo ra trong quá trình phân hạch, nhưng ở nhiệt độ làm việc bình thường urani dioxit giữ lại hơn 98% sản phẩm. Gần 1 – 2% sản phẩm, chủ yếu ở dạng khí và dạng bay hơi – kripton, xenon và iốt, khuếch tán vào khoảng khí giữa khối nhiên liệu và vỏ bọc, khi đó vỏ bọc kín ngăn cản chúng thoát vào chất tải nhiệt. Động thái của nhiên liệu giống như của rào cản, là giữ sản phẩm phân hạch lại, tùy thuộc vào nhiệt độ và độ cháy. Khi nhiệt độ dưới 10000C, urani dioxit giữ lại tất cả, thậm chí cả các sản phẩm phân hạch dạng khí. Khi nhiệt độ và độ cháy tăng lên, tình hình thay đổi nhiều. Các sản phẩm phân hạch trở nên linh động hơn (hình 2.3). Quá trình này có bản chất khuếch tán, và tốc độ thoát sản phẩm phân hạch từ nhiên liệu được xác định bằng quy luật hàm mũ exp (–E/kT), ở đây E – năng lượng kích hoạt; T – nhiệt độ; k – hằng số Bolsman. Khi nhiệt độ cao hơn 1600 0C, một phần lớn các khí thoát ra khỏi nhiên liệu và nằm trong lớp vỏ bọc, việc thoát iốt và các nuclit bay hơi cũng tăng lên đáng kể. Để nhiên liệu hoàn thành chức năng “rào cản” của mình, quan trọng là sao cho tương tác của nhiên liệu với chất tải nhiệt là tối thiểu. Hình 2.3. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của quá trình thoát các sản phẩm phân hạch dạng khí từ nhiên liệu Một trong những tiêu chí quan trọng nhất, đặc trưng cho các điều kiện hoạt động của kết cấu nhiên liệu, – đạt đến nhiệt độ nóng chảy. Thông số này đặc biệt quan trọng khi tăng nhanh công suất, khi mà nhiệt độ của vỏ bọc tăng lên còn chưa đáng kể. Việc nóng chảy nhiên liệu cần được xem như mất chức năng rào cản không chỉ của nhiên liệu mà còn của thanh nhiên liệu nói chung. 19
20. Vỏ bọc Vỏ bọc thanh nhiên liệu bảo đảm tính nguyên vẹn của nó, bảo đảm độ bền cơ khí, cản trở thoát sản phẩm phân hạch vào vòng sơ cấp. Yêu cầu cơ bản đối với vỏ bọc – bảo đảm độ bền và độ kín dưới mọi tác động bình thường và khẩn cấp trong suốt “chu trình sống” nhiều năm và độ bền phóng xạ khi chiếu xạ dài ngày. Độ kín của vỏ bọc cần được bảo toàn trong suốt thời hạn hoạt động của thanh nhiên liệu và thời gian lưu giữ sau này của nhiên liệu đã cháy. Trong suốt “chu trình sống”, vỏ bọc thanh nhiên liệu chịu tác động của nhiều yếu tố, tạo ra những điều kiện hoạt động phức tạp của vỏ bọc. Đó là các tác động của lực và quá trình ăn mòn cả từ phía chất tải nhiệt, cả từ phía nhiên liệu, là dao động nhiệt khi thay đổi các chế độ làm việc (khởi động, dừng, điều chỉnh), là hoá ròn phóng xạ khi bị tác động của các dòng nơtron nhanh, và cuối cùng, là quá nhiệt trong các tình huống khẩn cấp (hình 2.4). Khi “phồng rộp” nhiên liệu, cũng như dưới tác động của các sản phẩm phân hạch dạng khí và dạng bay hơi, thoát ra dưới lớp vỏ bọc thì các tải trọng, tác động từ bên trong lên vỏ bọc thanh nhiên liệu, tăng lên. Đối với các vật liệu vỏ bọc, các tính chất sau đây có ý nghĩa hàng đầu: bền phóng xạ, hoá ròn, phồng rộp, rão phóng xạ, bền ăn mòn. Hình 2.4. Các yếu tố có ảnh hưởng đến khả năng làm việc của vỏ bọc thanh nhiên liệu – rào cản an toàn đầu tiên 20
21. Khi tăng chậm công suất hoặc giảm lưu lượng chất tải nhiệt qua lò phản ứng thì nhiệt độ vỏ bọc sẽ là thông số cơ bản, đặc trưng cho tính nguyên vẹn của thanh nhiên liệu. Việc phá huỷ vỏ bọc bắt đầu khi ứng suất vượt quá giới hạn bền, vốn được xác định theo nhiệt độ. Các giá trị nhiệt độ, được dùng làm các tiêu chuẩn của trạng thái khẩn cấp, cần được xác định cho các điều kiện cụ thể của dạng lò phản ứng đã cho. Ví dụ, xét các điều kiện nhiệt độ “ngoài khủng hoảng” khi có sự cố mất chất tải nhiệt trong các lò công suất nước-nước (ВВЭР). Các giới hạn hư hại thanh nhiên liệu Khi xác định các giá trị cực đại được phép của các thông số đặc trưng cho trạng thái vùng hoạt, trước hết cần xem xét các vỏ bọc thanh nhiên liệu, mà sự phát triển các quá trình khẩn cấp phụ thuộc nhiều vào chúng. Các giá trị giới hạn cho phép của các thông số được xác lập trên cơ sở các số liệu thực nghiệm về động thái của vỏ bọc và của thanh nhiên liệu nói chung trong các chế độ ổn định và chuyển tiếp. Những nghiên cứu bằng thực nghiệm về các đặc tính khả năng làm việc của vỏ bọc thanh nhiên liệu cho phép đưa ra các tiêu chuẩn an toàn khi có sự cố. Khi phân tích các quá trình khẩn cấp và xác định các giá trị cho phép của các thông số cần xem xét toàn diện và tính đến các tương tác hoá lý có thể xảy ra giữa nhiên liệu, vỏ bọc và chất tải nhiệt, cũng như các môi trường khác, vốn có thể lọt vào vùng hoạt khi làm việc bình thường hoặc trong thời gian có sự cố. Vùng hoạt và các hệ thống khác, vốn quyết định điều kiện hoạt động của vùng hoạt, cần được thiết kế sao cho loại trừ được khả năng vượt các giới hạn hư hại đã định trong suốt thời hạn sử dụng dự kiến, ở các điều kiện vận hành bình thường. Cũng không được phép vượt các giới hạn nói trên, khi có những sai phạm vận hành bình thường sau đây (có tính đến tác động của các hệ thống bảo vệ): hư hỏng hệ thống điều khiển và kiểm soát lò phản ứng; mất điện các máy bơm tuần hoàn chính; ngắt máy phát tuabin và các tải tiêu thụ nhiệt; mất hoàn toàn nguồn cấp điện bên ngoài; rò rỉ vòng sơ cấp, vốn được bù nhờ các hệ thống bù bình thường. Các giới hạn hư hại được phép của thanh nhiên liệu khi vận hành bình thường đối với các lò phản ứng được làm nguội bằng nước như sau: số lượng các thanh nhiên liệu có các khuyết tật nhỏ không được vượt quá 0,1 – 1%, còn có tiếp xúc trực tiếp nhiên liệu với chất tải nhiệt 0,01 – 0,1% tổng số lượng các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt, tuỳ thuộc vào dạng lò phản ứng. Các giá trị thực dường như nhỏ hơn. Tuỳ thuộc vào các đặc tính 21
22. của các thanh nhiên liệu và lò phản ứng mà đôi khi các giới hạn hư hại được quy định theo các thông số khác (hoạt độ thể tích của chất tải nhiệt, ). Trong các điều kiện khẩn cấp phức tạp, cho phép vượt giới hạn hư hại thiết kế của thanh nhiên liệu khi vận hành bình thường (giới hạn hư hại thiết kế đầu tiên). Trong khi đó, có đặt ra các yêu cầu, dành riêng cho các dạng lò phản ứng khác nhau và cho nhiên liệu được sử dụng, về việc bảo đảm giới hạn hư hại thiết kế thứ hai của các thanh nhiên liệu nhờ hệ thống làm nguội khẩn cấp khi có các sự cố thiết kế ít khả năng xảy ra, kể cả sự cố thiết kế cực đại (МПА). Đối với các lò phản ứng nước-nước, giới hạn hư hại thứ hai của các thanh nhiên liệu được quy định bằng việc hạn chế sự phát triển phản ứng zirconi-hơi nước. Trong quá trình vận hành, tình trạng vỏ bọc các thanh nhiên liệu, mà tính nguyên vẹn của chúng là điều kiện quan trọng nhất bảo đảm an toàn, được kiểm soát liên tục. Tình trạng vỏ bọc được đánh giá nhờ hệ thống kiểm tra độ kín vỏ bọc (hệ thống КГО), nó đo ghi các nơtron trễ của các sản phẩm phân hạch hoặc bức xạ γ. Các điều kiện làm việc của các thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu và vùng hoạt Bó nhiên liệu (BNL) định vị các thanh nhiên liệu, tạo ra dòng chất tải nhiệt quanh các thanh, bảo đảm làm nguội cần thiết. BNL bảo đảm cho độ nguyên vẹn cơ khí của các thanh, ngăn cản sự xuất hiện và lan truyền sự cố cục bộ, vốn có liên quan đến suy giảm lưu lượng chất tải nhiệt trong những ô riêng và hư hại một phần thanh nhiên liệu. Các điều kiện làm việc của các thanh nhiên liệu phần lớn được quyết định bởi kết cấu vùng hoạt, mà một trong số các chức năng của nó là giữ nguyên được vị trí nhiên liệu theo thiết kế và sự phân bố chất tải nhiệt cần thiết theo quan điểm các điều kiện về nhiệt độ. Đối với tất cả các điều kiện vận hành bình thường, cần ngăn ngừa tính không ổn định lưu lượng chất tải nhiệt qua vùng hoạt. Vùng hoạt được trang bị những cảm biến đặc biệt để kiểm soát bên trong lò phản ứng, bảo đảm cung cấp thông tin về phân bố công suất dưới các tác động khác nhau (dịch chuyển các thanh, tái phân bố xenon, ), về các điều kiện nhiệt độ trong BNL và các đặc tính của dòng chất tải nhiệt. Các sự cố thiết kế, kể cả МПА, không được dẫn đến các thay đổi tới mức cản trở quá trình làm nguội các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt, hoặc dẫn đến quá trình tháo dỡ vùng hoạt sau sự cố. 22
23. Các tiêu chí về tính nguyên vẹn của rào cản các thanh nhiên liệu Để bảo đảm độ nguyên vẹn của rào cản an toàn cơ bản thứ nhất cần duy trì được chế độ nhiệt độ định trước của các thanh nhiên liệu khi chúng hoạt động và ngăn ngừa các tác động cơ học và ăn mòn lên vỏ bọc, vượt quá các giới hạn cho phép về độ bền. Các giới hạn thiết kế được quy định như sau: 1) dự trữ trước khủng hoảng dẫn thoát nhiệt không dưới 1,1 – 1,3; 2) nhiệt độ ở trung tâm lõi nhiên liệu thấp hơn nhiệt độ nóng chảy urani dioxit (nghĩa là, không cao hơn 27000C); 3) áp suất khí bên trong vỏ bọc thanh nhiên liệu ở cuối thời hạn hoạt động của vùng hoạt nhỏ hơn áp suất định mức bên ngoài; 4) các ứng suất trong vỏ bọc nhỏ hơn giới hạn chảy; 5) biến dạng vỏ bọc dưới 0,7 – 1%; 6) mức hư hại do mỏi, tích luỹ theo chu kỳ, nhỏ hơn 80% giá trị thiết kế. Sự phá huỷ rào cản, sự hư hại các thanh nhiên liệu được xác định như là sự nóng chảy (một phần hoặc toàn bộ), việc vỡ hoặc hở vỏ bọc thanh nhiên liệu lúc đầu không có khuyết tật quá các giới hạn đã định, vốn diễn ra, ví dụ do sự kết hợp bất lợi của mật độ toả năng lượng và các điều kiện làm nguội. 2.3. HỆ THỐNG VÒNG SƠ CẤP – RÀO CẢN AN TOÀN THỨ HAI Những khái niệm chung Vỏ lò phản ứng, các kết cấu dạng vỏ khác của vòng sơ cấp và các đường ống là rào cản thứ hai trên đường lan truyền các sản phẩm phân hạch. Hệ thống vòng sơ cấp tạo ra ranh giới, mà trong giới hạn của nó có chứa chất tải nhiệt ở nhiệt độ và áp suất làm việc, và giúp giữ các sản phẩm phóng xạ phân hạch thoát ra từ các thanh nhiên liệu, hạn chế lượng phát tán không kiểm soát được. Chức năng của vòng sơ cấp là dẫn thoát nhiệt được sinh ra trong vùng hoạt trong thời gian làm việc bình thường. Ngoài ra, hệ thống vòng sơ cấp còn thực hiện nhiệm vụ như một phần của hệ thống dẫn thoát nhiệt dư sau khi dừng lò phản ứng và như một phần của hệ thống làm nguội khẩn cấp cho vùng hoạt trong thời gian sự cố mất chất tải nhiệt. Vỏ lò phản ứng cần bảo đảm kín trong suốt thời gian vận hành (trên 30 năm). Cho nên đối với vật liệu vỏ lò, các yêu cầu về độ bền phóng xạ và chống ăn mòn cao và độ bền lâu dài trong các điều kiện của tất cả các tác động khi vận hành (áp suất, nhiệt độ, thông lượng nơtron, biến động nhiệt, ) được đặt ra. 23
24. Tất cả thiết bị và các đường ống của vòng sơ cấp cần chịu được, mà không bị hư hại, các tải trọng động và tĩnh, các tác động nhiệt độ, xuất hiện trong các bộ phận bất kỳ nào đó, có tính đến tác động của các hệ thống bảo vệ khi có tỏa năng lượng không định trước. Ví dụ, phân tích các hậu quả của quá trình khẩn cấp do đưa độ phản ứng dương vào khi hỏng bộ phận có độ hiệu dụng cực đại tác động lên độ phản ứng, hậu quả của việc xả chất tải nhiệt “lạnh” vào vùng hoạt, cũng như các biến cố khởi nguồn dẫn đến sai phạm dẫn thoát nhiệt từ vòng sơ cấp. Yêu cầu đối với các hệ thống vòng sơ cấp Sơ đồ vòng sơ cấp phải bảo đảm chắc chắn để tuần hoàn tự nhiên (ЕЦ) bảo đảm dẫn thoát nhiệt dư và ngăn ngừa tăng quá các giới hạn nhiệt độ của các thanh nhiên liệu, các giới hạn nhiệt độ và áp suất trong hệ thống vòng sơ cấp. Các máy bơm tuần hoàn chính (ГЦН) phải có đủ quán tính, sao cho lưu lượng dư đủ để không làm hư hại các thanh nhiên liệu. Các yêu cầu đó đặc biệt quan trọng trong trường hợp có sự cố mất điện. Để bảo đảm khả năng làm việc lâu dài của vòng sơ cấp và ngăn ngừa các tác động ăn mòn, cơ học và nhiệt độ không được phép lên các kết cấu và thiết bị, thì chế độ hoá học của nước, áp suất và nhiệt độ chất tải nhiệt trong vòng sơ cấp, tốc độ chất tải nhiệt và đặc tính dòng chảy cần luôn luôn nằm trong các giới hạn nghiêm ngặt. Việc khởi động các hệ thống bảo vệ không được dẫn đến hư hại thiết bị và các hệ thống vòng sơ cấp. Khi thiết kế, phải có luận chứng để xác định số lần được phép khởi động các hệ thống bảo vệ an toàn trong suốt thời gian hoạt động của AC (trong đó có cả các lần khởi động giả) theo quan điểm tác động lên tuổi thọ của thiết bị, và xác định phần đóng góp của chúng vào việc làm hư hại thiết bị. Các hệ thống vòng sơ cấp cần có các cơ cấu đặc biệt và có các dụng cụ, thiết bị để kiểm tra, thử nghiệm và theo dõi độ bền và độ nguyên vẹn của chúng trong suốt thời hạn vận hành ЯЭУ, cũng như để kiểm soát các vật liệu vỏ lò và tình trạng các mối hàn. Cần tính trước đến các phương tiện theo dõi và đo mức độ rò rỉ các sản phẩm phóng xạ từ vòng sơ cấp. Phá huỷ ròn Cần tính đến khả năng hiện hữu về nguyên tắc của hiện tượng phá huỷ ròn, dẫn đến hỏng hoàn toàn vỏ lò phản ứng khi có các ứng suất tác động ở mức tương đối thấp, thường nhỏ hơn các giá trị cho phép được chọn theo các tiêu chuẩn về độ bền. Điểm khác biệt của nó là sự xuất hiện mầm mống phá huỷ khi có biến dạng nhỏ và nhanh chóng lan truyền vết nứt. 24
25. Thông thường, việc phá huỷ có tính thảm họa tương tự diễn ra khi nhiệt độ xuống thấp, do vậy, nhiệt độ có ý nghĩa quan trọng là nhiệt độ chuyển kim loại vào trạng thái ròn (T k – nhiệt độ hoá ròn tới hạn hoặc ngưỡng ròn nguội), vốn được hiểu là nhiệt độ cao nhất làm lan truyền vết nứt khi không có biến dạng dẻo. Trong mọi trường hợp, khả năng chống phá huỷ ròn của loại thép bất kỳ nào đó càng cao, khi nhiệt độ dẫn (T – T k) càng cao, hoặc khi Tk – nhiệt độ hoá ròn tới hạn, càng thấp. Liên quan đến những thay đổi tính chất vật liệu vỏ lò phản ứng hạt nhân trong suốt thời hạn hoạt động của nó, là những tính toán mức độ dịch chuyển nhiệt độ tới hạn ròn do các tác động khác nhau trong quá trình vận hành. Ví dụ, Tk được tính theo công thức T T T T T , k k 0 T N F ở đây, T k0 – nhiệt độ hoá ròn tới hạn của vật liệu trong trạng thái ban đầu; ΔT T – mức dịch chuyển nhiệt độ tới hạn ròn do hoá già theo nhiệt độ; ΔT N – mức dịch chuyển nhiệt độ tới hạn ròn do hư hại có chu kỳ; ΔT F – mức dịch chuyển nhiệt độ tới hạn ròn do ảnh hưởng của chiếu xạ nơtron. Giá trị ΔT T được xác định trên cơ sở các số liệu thực nghiệm và thường nằm trong khoảng 0 – 300C: m Ni F 1/3 TN 20 ; TF AF ( ) . i 1 Ni F0 ở đây, N i – số chu kỳ chịu tải ở chế độ vận hành thứ i; [N i ] – số chu kỳ chịu tải được 0 phép ở chế độ vận hành thứ i; m – số các chế độ; A F – hệ số hoá ròn do phóng xạ, C; F – 2 22 24 22 2 thông lượng nơtron với E ≥ 0,5 MeV, nơtron/m ; 10 ≤ F ≤ 3.10 ; F0 = 10 nơtron/m . Nhiệt độ tới hạn ròn càng cao khi độ hư hại (N i/[Ni ]) của vật liệu và dòng nơtron (F) càng lớn. Biết được nhiệt độ dẫn (T – T k) là cần thiết để tính toán sức bền phá huỷ ròn của thiết bị và các đường ống ЯЭУ khi thiết kế theo các tiêu chuẩn hiện hành về độ bền. Trong khi đó giả định rằng, trong mọi chi tiết được xem xét đều có khuyết tật ban đầu giống như vết nứt dạng nửa elip với tỷ lệ các bán trục 2/3 và kích thước của nửa trục nhỏ, bằng 25% độ dày thành vỏ bình hoặc thành đường ống. Trong các tính toán, sử dụng các biểu đồ phá huỷ vật liệu (hoặc loại vật liệu) trên trục toạ độ: ứng lực cho phép (hoặc đặc tính bền nứt) – nhiệt độ, được dựng theo kết quả các nghiên cứu thực nghiệm. Nhờ các biểu đồ đó, đánh giá khả năng phá huỷ ròn của vỏ lò phản ứng tuỳ thuộc vào mức ứng lực tác động và nhiệt độ dẫn (T – Tk). 25
26. Nếu kết quả tính toán cho thấy sự phá huỷ ròn không được loại trừ thì cần hạn chế các điều kiện vận hành (tăng nhiệt độ làm việc T, giảm các ứng suất tác động, giảm độ hư hại Ni/[Ni ] trong từng chế độ i, ). Tiêu chí nguyên vẹn rào cản Rào cản của hệ thống chất tải nhiệt vòng sơ cấp cần chịu được tất cả các điều kiện vận hành bình thường, mà không có bất kỳ hư hại và rò rỉ các sản phẩm phóng xạ nào thêm. Các sự cố thiết kế mọi loại, kể cả МПА, không được dẫn đến những hư hại thứ cấp lớn. 2.4. HỆ THỐNG NHÀ LÒ – RÀO CẢN AN TOÀN THỨ BA Trong các tình huống khẩn cấp liên quan đến mất chất tải nhiệt vòng sơ cấp, rào cản an toàn thứ ba – nhà lò, đóng vai trò cực kỳ quan trọng, nó là hệ thống an toàn ngăn chặn (đối với AC không có ЗО thì nhà kín là hệ thống như vậy). ЗО được trang bị một loạt các hệ thống phụ trợ. Các chức năng chủ yếu của các hệ thống ЗО như sau: a) chịu được áp suất cao bên trong ЗО trong mọi điều kiện phá huỷ hệ thống vòng sơ cấp khi có sự cố mất chất tải nhiệt (АПТ); b) kết hợp với hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt (САОЗ) hạn chế năng lượng thoát ra khi có АПТ để ngăn ngừa tăng áp suất trong khu vực nhà lò vượt quá các giới hạn thiết kế; c) hạn chế phát thải các chất phóng xạ trong và sau АПТ trong các giới hạn được phép; d) giảm áp suất và nhiệt độ trong khu vực nhà lò sau АПТ. САОЗ làm nguội vùng hoạt, còn các hệ thống đặc biệt (thông gió, phun, sủi bọt) dẫn thoát năng lượng ra khỏi khu vực nhà lò (hoặc tích tụ chúng), làm giảm áp suất và nhiệt độ trong đó. Trong vùng này hydro cũng được tạo ra do các phản ứng hoá-nhiệt và phân tách phóng xạ, vì vậy cần tính trước hệ thống kiểm soát thành phần khí quyển vùng ЗО để ngăn ngừa tích tụ hỗn hợp gây nổ trong khu vực nhà lò. Hệ thống ЗО, giống như rào cản an toàn, cần thực hiện các chức năng của mình trong các điều kiện khẩn cấp có tính đến những tác động hoá học, nhiệt và cơ học có thể có, vốn là hậu quả chảy tràn chất tải nhiệt và nóng chảy vùng hoạt. Áp suất dư, mà nhà lò phải ứng phó, vào khoảng vài trăm kPa và tuỳ thuộc vào năng lượng thoát ra khi có sự cố và thể tích khép kín của nhà lò. Mức độ kín của ЗО theo thiết kế, thông thường, không vượt quá 0,1 – 1% thể tích/ngày. 26
27. Áp suất trong ЗО, xuất hiện sau khi chảy chất tải nhiệt, là một trong những nguyên nhân chính phát tán các sản phẩm phóng xạ ra ngoài rào cản cuối cùng này. Vì vậy, việc giảm áp suất nhờ các hệ thống bảo đảm ngưng tụ hơi nước đã thoát ra trong quá trình sự cố, hoặc thông gió, sẽ tạo điều kiện thuận lợi để giữ các sản phẩm phóng xạ trong rào cản cuối cùng. ЗО được trang bị các phin lọc đặc biệt làm sạch iốt, cesi và các sản phẩm phân hạch khác khỏi bầu khí quyển bên trong. Các cơ cấu ngăn chặn của ЗО (các van, các hệ thống dẫn thoát nhiệt, các hệ thống làm giảm áp suất) cần có đủ công suất, năng suất và có đủ dự phòng để hoàn thành các chức năng của mình khi không khởi động hoặc hỏng hoàn toàn một thiết bị chủ động nào đó. Các hệ thống ЗО cần cho phép kiểm tra định kỳ độ kín ЗО, độ tin cậy thực hiện chức năng của tất cả các hệ thống, trong suốt thời hạn vận hành. Chương 3 NGĂN NGỪA SỰ CỐ 3.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG Nguyên tắc bảo đảm an toàn cơ bản là ngăn ngừa sự cố, thực hiện chính xác hệ thống các biện pháp chống sự cố. Mối nguy hiểm phóng xạ trong các điều kiện khẩn cấp – đó là mối nguy hiểm tiềm ẩn, nó có thể xuất hiện khi có hư hại nghiêm trọng trong các hệ thống và thiết bị AC và khi có các sai lầm của nhân viên. Độ hiệu dụng của các biện pháp an toàn chống sự cố được bảo đảm bằng độ tin cậy của thiết bị, vốn được xác định bởi logic và cấu trúc của các hệ thống, đặc biệt là các hệ thống điều khiển, cũng như bằng các quy trình vận hành tương ứng, bao gồm các biện pháp phòng ngừa, kiểm tra khả năng hoạt động của các hệ thống quan trọng đối với an toàn, (hình 3.1). Để bảo đảm cho ЯЭУ hoạt động bình thường cần hiểu rõ tất cả các quá trình diễn ra trong đó, luận giải bằng những phương pháp mô hình toán học và vật lý có tính đại diện, các giải pháp kết cấu và thiết kế, chế tạo tất cả các bộ phận một cách có chất lượng, tuân thủ quy trình thao tác vận hành. Cốt lõi của các biện pháp chống sự cố là chất lượng của việc chế tạo và lắp ráp thiết bị. 27
28. Các thử nghiệm khởi động thiết bị, kiểm tra các đặc tính khi hoạt động, thể hiện sự phối hợp theo thiết kế của tất cả các bộ phận và hệ thống, kiểm tra tình trạng thiết bị và phòng ngừa sai phạm – một trong những nhiệm vụ then chốt ngăn ngừa các rắc rối dẫn đến sự cố. Phát hiện những sai lệch so với tiêu chuẩn càng sớm, hậu quả của chúng càng bớt đáng tiếc. Mục đích cơ bản – không để các hỏng hóc và sai phạm trở thành sự cố. Vì vậy cần phải xác lập các giới hạn vận hành an toàn đối với mọi trạng thái ЯЭУ (khởi động, gia nhiệt, phát công suất, các chế độ chuyển tiếp, làm nguội, thay đảo nhiên liệu, sửa chữa, ). Những cấu thành của vấn đề đó: đưa ra các tiêu chí về khả năng hoạt động của thiết bị chính, nghiên cứu áp dụng các phương pháp chẩn đoán sớm các hư hại; bảo đảm thiết bị và phụ kiện để kiểm tra và chẩn đoán. Hình 3.1. Các biện pháp ngăn ngừa sự cố 3.2. CẢNH BÁO CÁC TÌNH HUỐNG KHẨN CẤP TRONG QUÁ TRÌNH VẬN HÀNH Hệ thống tin cậy kiểm soát hoạt động của lò phản ứng hạt nhân và các bộ phận riêng biệt của nó – một trong những yếu tố quan trọng nhất, không chỉ bảo đảm cảnh báo những sai lệch so với chế độ bình thường, mà còn cho phép thực hiện quá trình với những chỉ số tối ưu theo quan điểm hư hại. Để thực hiện các yêu cầu cảnh báo các rối loạn gây sự cố, nghĩa là, ví dụ như để loại trừ khả năng quá nhiệt của các thanh nhiên liệu và mất độ kín của hệ thống vòng sơ cấp (các rào cản an toàn thứ nhất và thứ hai), cần xác lập một bộ các giới hạn thiết kế và các giới hạn vận hành an toàn. 28
29. Các giới hạn thiết kế – các giá trị định lượng của các thông số và các đặc tính trạng thái thiết bị, được xác lập cho vận hành bình thường, cho các sai phạm vận hành bình thường và cho các biến cố khởi nguồn tương ứng, được tính theo thiết kế. Các giới hạn vận hành an toàn – các giá trị của các thông số và các đặc tính, mà sai lệch so với chúng có thể dẫn đến tăng chiếu xạ nhân viên AC, tăng nhiễm bẩn môi trường xung quanh bởi các chất phóng xạ vượt quá các giá trị đã định khi vận hành bình thường, dẫn đến hư hại các thanh nhiên liệu. Các giới hạn vận hành an toàn Trong trường hợp đạt đến và vượt quá một hoặc một số thông số giới hạn vận hành an toàn cần phải áp dụng các biện pháp hạn chế các quá trình khẩn cấp phát triển tiếp. Khi đó ЯЭУ cần được chuyển vào một trong số các trạng thái vận hành bình thường, kể cả dừng lò nếu cần thiết. Việc lựa chọn và quy định giới hạn các thông số vận hành được tiến hành có tính đến các đặc tính bền và tuổi thọ sau đây của thiết bị và các hệ thống: 1) khi các thông số đạt đến các giá trị giới hạn không được dẫn đến vi phạm vận hành an toàn; 2) giới hạn của các thông số vận hành đã định cần đủ để bảo đảm diễn biến bình thường của các chế độ chuyển tiếp, không được làm xấu đi các đặc tính kỹ thuật của thiết bị và các hệ thống và không được dẫn đến tự động khởi động giả và đưa các phương tiện kỹ thuật và các hệ thống an toàn vào hoạt động. Giá trị cụ thể của các giới hạn được xác định cho các thông số vận hành sau đây (ví dụ): nhiệt độ chất tải nhiệt vòng sơ cấp; áp suất trong hệ thống vòng sơ cấp; công suất lò phản ứng; tốc độ thay đổi dòng nơtron; tốc độ tăng nhiệt độ chất tải nhiệt vòng sơ cấp; mực nước trong thiết bị điều áp; lưu lượng nước cấp; số vòng quay của ГЦН; hoạt độ phóng xạ của chất tải nhiệt các vòng sơ cấp và thứ cấp; áp suất trong ЗО. 29
30. Các phương tiện cảnh báo và ngăn ngừa sự cố Nhiệm vụ của các phương tiện cảnh báo chống sự cố – ngăn ngừa triệt để sự cố hoặc là ngăn ngừa sự cố phát triển. Các tín hiệu ngắt khẩn cấp lò phản ứng được chọn theo kết quả phân tích các tình huống khẩn cấp có thể có, sự phát triển và các hậu quả của chúng. Những sự cố đặc trưng nhất mà khi đó lò phản ứng cần hoặc là ngắt hoàn toàn, hoặc là giảm công suất đến mức an toàn là các sự cố sau: tăng dòng nơtron quá mức cho phép, vượt quá tốc độ tăng công suất lò phản ứng, hỏng các bộ phận điều chỉnh, ngắt đột ngột các máy bơm tuần hoàn, giảm đột ngột áp suất trong vòng sơ cấp, tăng không ngừng hoạt độ chất tải nhiệt. Tuỳ thuộc vào dạng lò phản ứng và các điều kiện vận hành cụ thể mà danh mục các tín hiệu khẩn cấp có thể được bổ sung và thay đổi. Trong ЯЭУ thiết lập hệ thống tín hiệu cảnh báo, cho phép nhân viên và các hệ thống điều khiển ngăn chặn sự phát triển không thuận lợi của quá trình khẩn cấp này hay quá trình khẩn cấp khác. Thật vậy, khởi động hệ thống bảo vệ sự cố (АЗ) theo giá trị giới hạn mật độ dòng nơtron được thiết lập ở mức, ví dụ, 110% giá trị định mức, còn tín hiệu cảnh báo – ở mức 105%. Trong khi đó, nếu quá trình diễn ra với tốc độ tương đối nhỏ, mà nguyên nhân của nó có thể được khắc phục, thì nhờ tín hiệu cảnh báo và áp dụng các biện pháp thích hợp mà việc ngắt khẩn cấp lò phản ứng có thể không diễn ra. Chu kỳ lò phản ứng là đại lượng cực kỳ quan trọng và nhất thiết phải kiểm soát được, nó có một giá trị giới hạn cho phép. Tín hiệu khẩn cấp về chu kỳ lò phản ứng đặc biệt quan trọng trong các chế độ khởi động lò phản ứng, khi mà trên thực tế không có bảo vệ theo mức mật độ dòng nơtron. Lò phản ứng hạt nhân không thể không được điều khiển thậm chí trong một thời gian ngắn. Vì vậy, hỏng hóc các bộ phận điều khiển do bất kỳ nguyên nhân nào (ngắt dẫn động, kẹt các bộ phận điều khiển di động, ) đều là tình huống khẩn cấp nghiêm trọng, và lò phản ứng cần được ngắt lập tức nhờ АЗ. Việc ngắt các máy bơm tuần hoàn không tránh khỏi dẫn đến giảm lưu lượng chất tải nhiệt tới mức gần như tuần hoàn tự nhiên. Giảm đột ngột áp suất trong vòng sơ cấp chứng tỏ vòng tuần hoàn bị hở và chất tải nhiệt bị mất. Tình huống tương tự là rất nguy hiểm đối với mọi dạng lò phản ứng, bởi vì nó dẫn đến giảm trực tiếp lưu lượng chất tải nhiệt qua vùng hoạt, làm xấu quá trình dẫn thoát nhiệt và làm tăng nhiệt độ các thanh nhiên liệu. Trong quá trình vận hành, an toàn ЯЭУ được quyết định bởi độ tin cậy và độ hiệu dụng của các hệ thống và thiết bị, bởi chất lượng điều khiển cụm thiết bị và duy trì cụm thiết bị 30
31. trong trạng thái kỹ thuật chấp nhận được. Khi phân tích các trạng thái ЯЭУ người ta sử dụng các khái niệm trạng thái kỹ thuật và trạng thái có khả năng hoạt động. Trạng thái kỹ thuật – tập hợp các dấu hiệu hoặc các điều kiện, xác lập các mối tương quan giữa các giá trị hiện tại của các thông số và các đặc tính trạng thái thiết bị và các hệ thống ЯЭУ, với các giới hạn thiết kế, mà việc tuân thủ chúng là cần thiết để vận hành an toàn. Các chỉ số trạng thái kỹ thuật được quy định trước cho đặc tính thiết bị và các hệ thống, giống như các sản phẩm với chức năng kỹ thuật-công nghiệp, có những đặc tính kỹ thuật nhất định. Trong khi đó, giá trị của các thông số được dùng để tiến hành phân tích so sánh chúng với các thông số danh định trong các tài liệu thiết kế. Trạng thái có khả năng hoạt động (khả năng hoạt động) – trạng thái của công trình, trong đó giá trị của các thông số, vốn đặc trưng cho khả năng thực hiện các chức năng đã định, tương ứng với các yêu cầu của các tài liệu định mức-kỹ thuật và (hoặc) thiết kế. Khi đánh giá trạng thái kỹ thuật của thiết bị và hệ thống ЯЭУ có thể tính đến các yếu tố sau đây: 1) không có các hư hại cơ khí và ăn mòn; 2) không có các tiếng động lạ, các tiếng gõ và rung khi hoạt động; 3) sự tương thích của giá trị các thông số và các đặc tính được kiểm soát với các giá trị cho phép (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, vòng quay, cột áp, hoạt độ, cách điện, mức độ hư hại, mòn, khe hở, các mức bức xạ, ); 4) độ bền và tỷ trọng trong các thử nghiệm thuỷ lực và khí nén. Việc kiểm tra trạng thái kỹ thuật và khả năng hoạt động cần được tiến hành thường xuyên trong thời gian vận hành ЯЭУ theo trạng thái thực của thiết bị. Dưới đây đưa ra ví dụ các phương pháp kiểm tra được sử dụng. Kiểm tra công nghệ: bảo dưỡng kỹ thuật; kiểm tra thông số; kiểm tra chức năng; kiểm tra kỹ thuật nhiệt; kiểm tra quy trình thao tác các hệ thống an toàn; kiểm tra tại chỗ các đặc tính của thiết bị riêng biệt trong giai đoạn thay đảo nhiên liệu vùng hoạt, khi sửa chữa và khiểm nghiệm; các thử nghiệm thuỷ lực; kiểm tra độ kín vỏ bọc thanh nhiên liệu, các hệ thống vòng sơ cấp, nhà lò và khu vực kín; 31
32. kiểm tra chế độ hoá học nước của các môi trường làm việc trong các vòng sơ cấp và thứ cấp. Kiểm tra chẩn đoán: kiểm tra trong lòng lò phản ứng; kiểm tra rung-âm thanh; chẩn đoán tiếng ồn âm thanh-nơtron; kiểm tra ăn mòn; kiểm tra bằng mắt thường; kiểm tra không phá huỷ kim loại: kiểm tra gamma và rơngen; kiểm tra phát xạ-âm thanh; dò khuyết tật màu; kiểm tra siêu âm; kiểm tra truyền hình-quang; so sánh với các mẫu chuẩn và mẫu chứng. 3.3. PHÉP CHẨN ĐOÁN VÀ KIỂM TRA CÁC HƯ HẠI Mục đích của hệ thống chẩn đoán – xác định những bất thường trong sai lệch của các thông số. Việc tạo ra một hệ thống kiểm tra và chẩn đoán có hiệu quả làm tăng đáng kể độ tin cậy và tính kinh tế của ЯЭУ. Nhiệm vụ chủ yếu của hệ thống kiểm tra – kiểm tra thường xuyên sự tương thích của các thông số với các điều kiện cho trước. Các thông số chẩn đoán – đó là các thông số, dành riêng để làm rõ các hư hại, các hỏng hóc thiết bị cụ thể và nguyên nhân của chúng (tiếng ồn và rung âm thanh, đo biến dạng ở các mối khác nhau của vỏ lò, ). Kiểm tra chẩn đoán hệ thống vòng sơ cấp Kiểm tra độ rung. Ngày nay đã nghiên cứu và đưa ra các phương pháp rất nhạy để kiểm tra độ rung thuỷ động của hầu hết các bộ phận của vòng sơ cấp. Để đo đạc, người ta sử dụng các bộ khuếch đại, các cảm biến độ dịch chuyển, các detector nơtron, được lắp đặt ở mặt ngoài thiết bị. Việc sử dụng các cảm biến khác nhau cho phép nhận được thông tin đầy đủ và đáng tin cậy về trạng thái của thiết bị đang hoạt động, trong số đó, người ta sử dụng các cảm biến đã tỏ ra có hiệu quả trong việc dò tìm những chi tiết bị mòn và bị lỏng. Thông tin được lấy thường kỳ và được cung cấp để giải thích đúng các kết quả những lần đo “khởi động” các đặc tính rung. 32
33. Kiểm tra rò rỉ. Quan trọng là phát hiện các rò rỉ nhỏ ở thiết bị đang hoạt động. Độ nhạy cần thiết để kiểm tra rò rỉ là 5 – 10% rò rỉ, tương ứng với khuyết tật của kích thước tới hạn. Phương pháp phát xạ-âm thanh (АЭ) cho phép giải quyết cả ba nhiệm vụ kiểm tra: dò tìm rò rỉ nhỏ, xác định vị trí và mức độ rò rỉ. Kiểm tra tiếng ồn âm thanh và nơtron. Phương pháp này cho phép xác định một cách tin cậy các đặc tính sau đây của cụm thiết bị: các sai lệch về động thái của các kết cấu; các giá trị nhỏ (bất thường) của hàm lượng hơi trong vùng hoạt của các lò phản ứng không sôi; sự dịch chuyển của các thanh điều chỉnh và các bộ phận kết cấu khác của vùng hoạt. Kiểm tra độ mỏi chu kỳ. Mục đích kiểm tra – bảo đảm hoạt động tin cậy của thiết bị trong suốt thời hạn làm việc bằng cách kiểm tra lai lịch chịu tải thực tế của thiết bị, đo biến dạng và đo nhiệt trong giai đoạn khởi động. Hệ thống này xác định số chu trình trong một giai đoạn, từ lúc đầu vận hành thiết bị, đến số chu trình chịu tải được phép theo tính toán chung của thiết bị và cho phép đánh giá tuổi thọ làm việc còn lại. Các phương pháp kiểm tra không phá huỷ kim loại (НК) Việc nắm rõ những bất thường ngay từ sớm, việc chẩn đoán trạng thái các kết cấu và các đường ống dạng vỏ của vòng sơ cấp, việc cảnh báo kịp thời các hiện tượng không mong muốn được bảo đảm bằng các phương pháp kiểm tra không phá huỷ kim loại. Sử dụng các phương pháp НК khác nhau: Nhờ các thiết bị nội soi trên cơ sở quang học sợi (kiểm tra bằng mắt thường) có thể kiểm tra từ xa kim loại của thiết bị, cả lúc đang sửa chữa, cả khi đang vận hành. Phương pháp kiểm tra này cho phép có được thông tin về trạng thái kim loại, ví dụ, của các ống nối trong lò phản ứng, của các bề mặt khó tiếp cận của các đường ống, các bộ phận của lò phản ứng và thiết bị khác. Phương pháp kiểm tra phóng xạ được sử dụng rộng rãi để chẩn đoán kỹ thuật và kiểm tra không phá huỷ thiết bị, các liên kết hàn các ống nối và các đường ống. Tuỳ thuộc vào những điều kiện cụ thể mà lựa chọn nguồn phóng xạ kiểm tra. Sử dụng phương pháp rơngen chủ yếu để kiểm tra các liên kết hàn của các đường ống có thành dày dưới 20 mm, ở đây cần có yêu cầu cao về chất lượng liên kết hàn. 33
34. Sử dụng phương pháp gamma khi kiểm tra chất lượng kim loại nền và kim loại các mối hàn độ dày lớn, cũng như các bộ phận của các kết cấu nằm trong các vị trí khó tiếp cận. Trong một thời gian dài, người ta sử dụng các phương pháp kiểm tra bằng siêu âm trong ngành năng lượng. Cơ sở của các phương pháp siêu âm kiểm tra vật liệu là các định luật lan truyền các dao động đàn hồi và các sóng trong môi trường đàn hồi. Chúng được chia thành hai nhóm: 1) các phương pháp chủ động, sử dụng bức xạ và tiếp nhận các dao động và sóng âm thanh; 2) các phương pháp thụ động, chỉ trên cơ sở tiếp nhận các dao động và sóng. Phương pháp phát xạ âm thanh để kiểm tra kim loại. Phương pháp phát xạ âm thanh là một trong những phương pháp kiểm tra không phá huỷ mới và hấp dẫn. Phát xạ âm thanh – hiện tượng giải phóng năng lượng do xuất hiện và lan truyền các biến dạng dẻo và các vết nứt khi vật liệu biến dạng, năng lượng này ở dạng sóng âm thanh, được lan truyền trong vật liệu và và được ghi lại nhờ các cảm biến áp điện nằm trên bề mặt của chi tiết. Biên độ (A), cường độ (N ), năng lượng (E), số lượng xung АЭ ( )N của các tín hiệu là các thông số cơ bản của chúng. Phương pháp АЭ hấp dẫn ở điểm nào và tại sao người ta bắt đầu sử dụng nó nhiều bên cạnh các phương pháp kiểm tra không phá huỷ truyền thống đã được thử thách? Phương pháp АЭ chỉ dành cho các khuyết tật đang phát triển, vốn là mối nguy hiểm thực sự đối với khả năng hoạt động của các kết cấu. Theo các quan điểm của cơ học phá huỷ hiện đại, mọi vật liệu, mọi kết cấu đều có các khuyết tật trong cấu trúc của mình. Để duy trì khả năng hoạt động của các kết cấu đó trong suốt thời hạn vận hành, cần sao cho, thời gian phát triển đến kích thước tới hạn nguy hiểm của các khuyết tật đó dài hơn so với thời hạn sử dụng kết cấu đó. Như vậy, chỉ có các khuyết tật đang phát triển là cần phải phát hiện. Trên thực tế, không một phương pháp НК truyền thống nào có được tính chất nói trên. Phương pháp АЭ cho phép kiểm tra từ xa, trong khoảng thời gian thực tế rộng, kiểm tra đồng thời toàn bộ kết cấu đang được theo dõi mà không phải quét trên bề mặt nó. 34
35. Hình 3.2. Biểu đồ kéo mẫu (đường cong 1) và cường độ АЭ (đường cong 2):  N – cường độ các xung АЭ; P – tải trọng, Δt – độ dãn dài của mẫu Trên hình 3.2 trình bày quy luật tiêu biểu thay đổi của một trong những thông số АЭ (cường độ) khi phá huỷ mẫu thép kết cấu mác 12X18H10T (đường cong 2). Trên hình này (đường cong 1) cũng trình bày biểu đồ kéo của thép đó. Rõ ràng, giá trị cực đại của thông số trùng với giới hạn chảy ước lệ của vật liệu. Ở giai đoạn chịu tải tiếp sau, các tín hiệu АЭ phản ánh động lực học hình thành và phát triển khuyết tật trong mẫu. Khả năng của phương pháp АЭ rộng hơn rất nhiều so với việc sử dụng nó như là một trong số các phương pháp dò khuyết tật, nghĩa là, các phương tiện xác nhận sự tồn tại của các khuyết tật trong kim loại. Theo quan điểm về độ bền, không phải chính sự có mặt hoặc kích thước nào đó của khuyết tật, mà là khả năng phát triển khuyết tật dưới tác động của những tải trọng cơ-nhiệt khi vận hành, mới thể hiện sự nguy hiểm. Do vậy, quan điểm áp dụng phương pháp АЭ chính là ở việc lý giải thông tin АЭ nhận được từ quan điểm cơ học phá huỷ. Ngày nay đã nghiên cứu và đưa ra phương pháp đánh giá các khuyết tật được phát hiện theo mức độ nguy hiểm của chúng đối với khả năng hoạt động của kết cấu. Kiểm tra chẩn đoán kim loại của vòng sơ cấp ở những ЯЭУ đang hoạt động Việc kiểm tra định kỳ và liên tục kim loại của thiết bị ЯЭУ là vấn đề phức hợp và là có thể, khi bảo đảm tiếp cận được các bề mặt kiểm tra của thiết bị, khi tự động hoá các phương pháp quét trong vùng bề mặt được nghiên cứu và khi lựa chọn được những phương tiện kiểm tra cần thiết. Phông bức xạ ion hoá cao trong vùng vỏ lò phản ứng hạt nhân loại trừ khả năng sử dụng các phương pháp kiểm tra không phá huỷ, vốn yêu cầu sự tham gia trực tiếp của nhân 35
36. viên vận hành trong vùng kiểm tra. Các phương pháp dò khuyết tật hiện nay đang có, thuận tiện để kiểm tra vỏ lò phản ứng trong quá trình vận hành, chung quy là kiểm tra bằng mắt từ xa nhờ các đường cáp quang liên kết thị tần, các hệ thống kiểm tra bằng siêu âm và các dụng cụ có sử dụng các nguồn bức xạ ion hoá điều khiển từ xa. Đã nghiên cứu và áp dụng hệ thống kiểm tra trạng thái kim loại (kim loại nền và các mối hàn) vỏ lò ВВЭР, bao gồm các thiết bị siêu âm và truyền hình. Việc kiểm tra được tiến hành từ phía mặt ngoài vỏ lò phản ứng. Trong vùng không gian dưới lò đã xây dựng sàn đỡ kèm theo thanh thẳng đứng, chịu tải trọng của thiết bị quét có các cảm biến siêu âm hoặc máy quay truyền hình. Nhờ dịch chuyển sàn đỡ dọc khe hở hình tròn giữa vỏ lò phản ứng và vùng bảo vệ sinh học và nhờ chuyển dịch thẳng đứng, dọc thanh của thiết bị quét, việc kiểm tra toàn bộ bề mặt lò phản ứng được bảo đảm (hình 3.3). Máy tính điện tử sẽ điều khiển và ghi kết quả kiểm tra. Song song với việc kiểm tra mặt ngoài, có tính trước việc kiểm tra bên trong vỏ lò phản ứng (hình 3.4, 3.5). Để khảo sát và sửa chữa các lò phản ứng ВВЭР, đã nghiên cứu và áp dụng contenơ bảo vệ cho phép tiến hành khám xét và sửa chữa bề mặt lò phản ứng hạt nhân dạng có vỏ trong các điều kiện phóng xạ cao, bảo đảm cho nhân viên lưu lại lâu trong lòng lò phản ứng, giảm thời gian khám xét mặt trong của lò phản ứng. Những cơ cấu đặc biệt giúp dịch chuyển contenơ lên trên và xuống dưới và quay chúng quanh trục đứng. Hình 3.3. Phân hệ để kiểm tra bên ngoài vỏ Hình 3.4. Phân hệ để kiểm tra bên trong vỏ lò phản ứng: lò phản ứng: 1 – các dụng cụ kiểm tra; 2 – thanh viễn 1 – máy quay TV; 2 – thanh viễn kính; kính; 3 – bảo vệ quay; 4 – sàn đỡ quay 3 – tấm đỡ; 4 – cơ cấu dịch chuyển thanh; 5 – thiết bị điều khiển; 6 – màn hình TV 36
37. Hình 3.5. Phân hệ để kiểm tra vùng các ống nối: a – thiết bị ДКР-1; b – cơ cấu đầu dò vào; 1 – đầu dò vào; 2 – ống nối; 3 – bàn điều khiển; 4 – thanh; 5 – sàn đỡ quay; 6 – khoan lỗ giếng lò; 7 – tấm phản xạ; 8 – đèn chiếu sáng; 9 – lăng kính; 10 – các cửa sổ; 11 – hệ thống thấu kính; 12 – ống dẫn ánh sáng Chương 4 CÁC QUÁ TRÌNH KHẨN CẤP TRONG LÒ PHẢN ỨNG 37
38. 4.1. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG Thuật ngữ quá trình chuyển tiếp khẩn cấp được sử dụng cho trạng thái lò phản ứng khi có sai lệch đáng kể của một thông số cơ bản nào đó so với các giá trị bình thường. Có thể coi cả các tình huống dẫn đến sai phạm cân bằng giữa toả nhiệt trong nhiên liệu và dẫn thoát nhiệt khỏi nhiên liệu là các quá trình chuyển tiếp khẩn cấp. Các quá trình chuyển tiếp khẩn cấp xuất hiện do sai lầm của nhân viên vận hành hoặc do hỏng hóc thiết bị. Nhiều quá trình chuyển tiếp khẩn cấp được khắc phục nhờ hệ thống điều khiển lò phản ứng, hệ thống này đưa lò phản ứng trở về trạng thái vận hành bình thường. Các quá trình khác có thể nằm ngoài phạm vi tác động của hệ thống điều khiển, và khi đó cần phải dừng lò nhờ hệ thống bảo vệ sự cố để tránh hư hại các thanh nhiên liệu hoặc hệ thống vòng sơ cấp. Khi phân tích an toàn cần đặc biệt chú ý đến hiện tượng gia tăng công suất không điều khiển được trong vùng hoạt lò phản ứng (sinh nhiệt), suy giảm lưu lượng chất tải nhiệt (dẫn thoát nhiệt) và tăng áp suất trong hệ thống vòng sơ cấp. Bất kỳ tình huống nào trong số đó cũng có thể là do hỏng hóc thiết bị hoặc sai lầm của nhân viên, và tất cả đều là những mối nguy hiểm tiềm ẩn đối với vùng hoạt lò phản ứng và hệ thống vòng sơ cấp. Riêng đối với các sự cố mất chất tải nhiệt, nghĩa là trong trường hợp đã có sai phạm trong hệ thống vòng sơ cấp, thì nhiệm vụ chủ yếu vẫn là bảo đảm dẫn thoát nhiệt trong các điều kiện mất chất tải nhiệt tạm thời, sao cho giữ được hoặc chí ít cũng chỉ làm hỏng thanh nhiên liệu ít nhất, và như vậy, bảo đảm kiểm soát được phần lớn các sản phẩm phóng xạ đã sinh ra trong vùng hoạt. Trong chương này sẽ nghiên cứu các quá trình kiểm soát được, nghĩa là các quá trình diễn ra trong các điều kiện tác động của các tính chất tự hạn chế và tự điều chỉnh nội tại, và tác động của các hệ thống bảo vệ. Khi phân tích các quá trình khẩn cấp, khi đặt ra các yêu cầu đối với các hệ thống bảo vệ và xác định các mức đặt khởi động, cần phải có các số liệu về giá trị được phép của các thông số đặc trưng cho tình trạng của các bộ phận trong vùng hoạt và của thiết bị thuộc các hệ thống các vòng trao đổi nhiệt ЯЭУ, trước hết là các hệ thống của vòng sơ cấp. Đối với các thanh nhiên liệu – đó là nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ vỏ bọc, dự trữ trước khủng hoảng trao đổi nhiệt, nhiệt độ của các quá trình hoá lý, dòng nhiệt. Đối với vòng tuần hoàn – đó là áp suất, nhiệt độ, dự trữ trước phá huỷ ròn, sụt giảm áp suất, Giá trị giới hạn cho phép của các thông số được xác định trên cơ sở các số liệu thực nghiệm về động thái của các vật liệu, các bộ phận, thiết bị và các hệ thống. 38
39. 4.2. CÁC BIẾN CỐ KHỞI NGUỒN CỦA CÁC QUÁ TRÌNH KHẨN CẤP Việc xem xét các biến cố khởi nguồn cần: 1) tính đến các trạng thái có thể có của ЯЭУ trong quá trình vận hành; 2) phân tích những sai phạm có thể có về mặt kỹ thuật khi ЯЭУ hoạt động, trong đó có các sai phạm do sai lầm của nhân viên; 3) nghiên cứu các hỏng hóc thiết bị và các hệ thống, độc lập với các biến cố khởi nguồn; 4) tần suất xuất hiện các biến cố khởi nguồn. Khi xem xét các trạng thái có thể có của ЯЭУ cần tách riêng: việc đưa cụm thiết bị vào hoạt động; hoạt động phát công suất; ngừng hoạt động; tiến hành thay đảo nhiên liệu, bảo dưỡng kỹ thuật, kiểm tra khả năng hoạt động và sửa chữa thiết bị. Các trạng thái nói trên có thể được chi tiết hoá để tìm ra các điểm đặc biệt trong việc giải quyết các vấn đề an toàn. Ví dụ, khi phát công suất có thể tách riêng: 1) các thời điểm của thời hạn sử dụng vùng hoạt, bởi vì phụ thuộc vào điều đó là các hiệu ứng độ phản ứng của vùng hoạt, độ hiệu dụng của các bộ phận công tác thuộc hệ thống điều khiển và bảo vệ (СУЗ), độ cháy của nhiên liệu; 2) các mức công suất đặc trưng, mà ở các mức đó lò phản ứng hoạt động, bởi vì công suất toả nhiệt dư và tương ứng với nó là độ hiệu dụng của các hệ thống dẫn thoát nhiệt khẩn cấp phụ thuộc vào mức công suất ban đầu. Đặc tính diễn biến của các sự cố khi không cố ý đưa độ phản ứng vào (ví dụ, rút các bộ phận công tác СУЗ ra) có thể rất khác nhau, tuỳ thuộc vào mức công suất ban đầu (và là do vị trí của các bộ phận công tác). Dưới đây đưa ra danh mục các biến cố khởi nguồn tiêu biểu cho lò phản ứng dạng ВВЭР. Tên gọi các biến cố khởi nguồn Các nguyên nhân xuất hiện Các sự cố kèm theo thay đổi độ phản ứng Rút không cố ý nhóm các bộ phận công Các sai lầm của nhân viên vận hành; việc tác ra khỏi vùng hoạt trong các trạng thái tự rút các bộ phận công tác ra do hỏng khác nhau của lò phản ứng (khởi động, hóc thiết bị hoạt động phát công suất) Tự rút bộ phận công tác ra Vỡ thùng chứa dẫn động СУЗ Rơi bộ phận công tác 39
40. Đứt mạch cấp điện của bộ phận công tác; động, hoặc tự tách đứt thanh nối bộ phận công tác với dẫn Giảm nồng độ axit boric trong chất tải Các hỏng hóc trong hệ thống điều chỉnh nhiệt bor, các sai lầm của nhân viên Bù vòng sơ cấp bằng nước “lạnh” Các sai lầm của nhân viên Đưa nhánh không hoạt động vào, làm sai Sai lầm của nhân viên lệch quy trình công nghệ (xả nước “lạnh”) Rơi BNL quá tải trong lò phản ứng Hỏng mối kẹp giữ Rút sai bộ phận СУЗ khi thay đảo nhiên Sai lầm của nhân viên; hỏng hóc trong hệ liệu thống điều khiển Tăng dẫn thoát nhiệt từ lò phản ứng Đứt ống dẫn hơi; hỏng hóc trong hệ thống nước cấp, dẫn đến giảm nhiệt độ nước cấp, tăng lưu lượng nước cấp; hỏng hóc bộ phận điều chỉnh áp suất hơi; khởi động giả van bảo hiểm ở bình sinh hơi hoặc thiết bị xả (БРУ, ) Các sự cố kèm theo mất chất tải nhiệt (mất độ kín vòng sơ cấp) Hở các đường ống vòng sơ cấp ở mức độ Già hoá vật liệu đường ống, khuyết tật khác nhau chế tạo, có tải trọng cơ-nhiệt theo chu kỳ Vỡ thùng chứa dẫn động СУЗ Như trên Hở mối liên kết các vòng tuần hoàn của Như trên bình sinh hơi Mở không cố ý van bảo hiểm Khởi động giả hệ thống điều khiển; các sai lầm của nhân viên; ngập nước hoặc ẩm ướt khu vực lắp đặt hệ thống cấp điện Các sự cố kèm theo sai phạm dẫn thoát nhiệt từ lò phản ứng hoặc vùng hoạt Mất điện nội bộ khu vực AC Các hỏng hóc trong hệ thống cấp điện AC; các sai lầm của nhân viên; hoả hoạn trong khu vực lắp đặt hệ thống cấp điện Mất phụ tải điện Hư hại đường dây tải điện; hỏng hóc trong hệ thống cấp điện; hỏng hóc các tubin hoặc các hệ thống phụ trợ; tác động sai lầm của nhân viên 40
41. Ngừng cấp nước cấp Hỏng các máy bơm ngưng hoặc các máy bơm cấp; đóng không cố ý thiết bị điều dòng; tác động sai lầm của nhân viên; hỏng các hệ thống phụ trợ Giảm nhu cầu hơi Hỏng bộ phận điều chỉnh áp suất hơi, dẫn đến giảm lưu lượng hơi; ngắt tuabin (đóng van hãm); đóng sai các van hơi chính; mất chân không trong thiết bị ngưng Giảm lưu lượng chất tải nhiệt vòng sơ Mất điện một hoặc một số ГЦН; kẹt một cấp ГЦН; đóng không cố ý khoá chặn chính Dẫn thoát nhiệt từ BNL xấu đi Giảm tiết diện thông của BNL do phình, lọt tạp chất hoặc các vật lạ vào chất tải nhiệt Song song với những biến cố kể trên, người ta còn xem xét các tác động từ bên trong và bên ngoài: động đất, hoả hoạn trong khu vực АЭС, Đặc tính diễn biến của các tình huống khẩn cấp khi có các tác động nói trên cuối cùng đều quy về các loại đã được xem xét trên đây. Danh mục các biến cố khởi nguồn đối với các cụm thiết bị của các cơ sở hạt nhân cung cấp nhiệt (АСТ), sử dụng lò phản ứng nơtron nhanh (РБН) hoặc sử dụng lò phản ứng grafit nhiệt độ cao (ВТГР) cũng tương tự và có tính đến những điểm đặc biệt của ЯЭУ. 4.3. NHỮNG ĐẶC TÍNH AN TOÀN NỘI TẠI CỦA CÁC LÒ PHẢN ỨNG Mô hình lò phản ứng Độ phản ứng của hệ thống ρ(T) có thể biểu thị bằng tổng tác động từ bên ngoài lên độ phản ứng вн (Т ) , được ước định, ví dụ, bởi sự dịch chuyển các bộ phận điều chỉnh hoặc nhiên liệu, và hiệu ứng bên trong của quan hệ phản hồi theo độ phản ứng 0 (Т ,) có tính đến tất cả các thay đổi nhiệt độ trong vùng hoạt: (T ) вн (Т ) 0 (Т ). Sự dịch chuyển các chất hấp thụ nơtron gây ra sự thay đổi các tiết diện vĩ mô và mật độ dòng nơtron trong một vùng nhất định của vùng hoạt lò phản ứng. Do đó, sự phân bố nơtron và công suất lò phản ứng bắt đầu thay đổi, điều này dẫn đến thay đổi nhiệt độ 41
42. vùng hoạt. Sự thay đổi nhiệt độ tạo ra sự thay đổi mật độ vật liệu và các tiết diện vĩ mô. Song song với điều đó có thể thay đổi cả phổ nơtron, do thay đổi khả năng làm chậm của môi trường. Cuối cùng, các kích thước của vùng hoạt và của các bộ phận trong đó cũng thay đổi do dãn nở nhiệt. Tất cả các hiệu ứng độ phản ứng đó, vốn phụ thuộc vào sự thay đổi công suất và nhiệt độ, tạo ra trong lò phản ứng một hệ thống các quan hệ phản hồi. Hình 4.1. Sơ đồ mô hình lò phản ứng Biểu thức bằng số cho độ phản ứng 0 tính cả phần đóng góp của từng hiệu ứng nhiệt độ riêng biệt:  (T T ), 0 i i i0 ở đây, T T – sự thay đổi nhiệt độ trung bình của nhiên liệu, chất làm chậm, chất tải i i0 nhiệt hoặc của các vật liệu kết cấu; i  i / T – hệ số độ phản ứng của hiệu ứng tương ứng. Mô hình lò phản ứng có thể được mô tả bằng ba hệ phương trình (hình 4.1): các phương trình động học nơtron; hệ các phương trình chuyển nhiệt và thuỷ động lực học, liên kết công suất lò phản ứng và sự thay đổi nhiệt độ trong vùng hoạt; các phương trình, liên kết sự thay đổi nhiệt độ với độ phản ứng. Hệ số nhiệt độ của độ phản ứng Hệ số nhiệt độ của độ phản ứng ( / T ) , liên kết sự thay đổi nhiệt độ với độ phản ứng, có tính đến cả các hiệu ứng tức thời và hiệu ứng trễ (xem hình 4.1). Các hiệu ứng tức thời phụ thuộc vào trạng thái tức thời của nhiên liệu (được xác định bằng hiệu ứng Dopler, độ cong vênh của các thanh nhiên liệu, ), trong khi đó, các hiệu ứng trễ chủ yếu có liên quan đến chất làm chậm hoặc chất tải nhiệt (nhiệt độ của các nơtron, dãn nở nhiệt của vật liệu chất làm chậm, ). Khi thay đổi nhanh công suất thì ảnh hưởng của các hiệu ứng trễ có thể là không đáng kể, tuy nhiên nó có thể chiếm ưu thế trong các tình huống giả tĩnh. 42
43. Trong các lò phản ứng năng lượng, hệ số nhiệt độ của độ phản ứng liên quan với các hiệu -4 0 -1 ứng nhanh là αмгн ≈ –10 C . Hợp phần nhanh thuộc hiệu ứng của chất làm chậm là kết quả của quá trình toả nhiệt bên trong của chất làm chậm do quá trình làm chậm nơtron. Hệ số nhiệt độ của độ phản ứng, liên quan đến hiệu ứng Dopler Hiệu ứng này là kết quả của việc, các tiết diện tương tác với nơtron phụ thuộc vào nhiệt độ nhiên liệu và tốc độ của nơtron và tốc độ của hạt nhân nguyên tử. Khi tăng nhiệt độ nhiên liệu Tтопл thì việc mở rộng các pic cộng hưởng sẽ dẫn đến thay đổi cấu trúc vi mô của phổ nơtron trong vùng năng lượng cộng hưởng. Trong lò nơtron nhiệt, vốn có phổ nơtron đặc trưng cho nó, có thể tính hiệu ứng Dopler như sau: TP  1 D ~ T T   còn trong lò phản ứng nơtron nhanh với nhiên liệu oxit топл BP 1 D ~ T Trong các lò phản ứng năng lượng, hiệu ứng Dopler là âm, bởi vì khi độ làm giàu không lớn thì hấp thụ cộng hưởng trong 238U chiếm ưu thế. Hiệu ứng Dopler trong lò phản ứng – đó là hệ số nhiệt độ âm tức thời của độ phản ứng, hệ số này cản trở sự thay đổi công suất lò phản ứng và nhiệt độ của nhiên liệu. Các hiệu ứng trễ của quan hệ phản hồi theo độ phản ứng xuất hiện do những thay đổi nhiệt độ của các bộ phận trong vùng hoạt, các thay đổi này diễn ra do mất cân bằng giữa sinh nhiệt và dẫn thoát nhiệt. Bởi vì, nhiệt được chuyển có phần muộn hơn, nên phương trình liên kết công suất và các hiệu ứng phản hồi, trễ của độ phản ứng có tính đến mối phụ thuộc tạm thời của các quá trình đó. Các hệ số độ phản ứng của chất làm chậm và chất tải nhiệt Sự thay đổi tỷ trọng chất làm chậm và chất tải nhiệt trong lò phản ứng dùng nước làm chất làm chậm đóng góp phần cơ bản vào hệ số nhiệt độ của độ phản ứng của chúng. Tăng nhiệt độ làm thay đổi tỷ trọng chất tải nhiệt và như vậy, làm chậm các nơtron. Việc 43
44. tăng rò rỉ nơtron khỏi vùng hoạt và giảm hấp thụ nơtron là kết quả của việc suy giảm tỷ trọng chất làm chậm và gia tăng tương ứng của độ dài quãng chạy tự do trung bình và độ dài dịch chuyển nơtron. Trong các lò phản ứng nước áp lực hiện đại, ảnh hưởng của tất cả các hiệu ứng đó đưa đến hệ số nhiệt độ âm của độ phản ứng của chất làm chậm, mà giá trị của nó phụ thuộc vào nồng độ chất hấp thụ dạng lỏng trong chất làm chậm và vào độ cháy của nó trong vùng hoạt lò phản ứng. Cần chú ý đến những đặc điểm nhất định của các lò phản ứng ВВЭР sử dụng chất hấp thụ dạng lỏng trong dung dịch axit boric. Khi nồng độ chất hấp thụ cao, điều đặc trưng cho giai đoạn sau thay đảo nhiên liệu, thì hệ số nhiệt độ trong lò phản ứng ВВЭР có thể trở nên dương. Điều đó có ảnh hưởng không mong muốn đến các khả năng tự hạn chế của lò phản ứng và làm phức tạp thêm các quá trình khẩn cấp. Vì vậy cần giảm nồng độ axit boric trong chất tải nhiệt khi điều hoà dự trữ độ phản ứng bằng các thanh có chất hấp thụ cháy. Hệ số rỗng của độ phản ứng. Một trong những hiệu ứng tăng nhiệt độ là hiệu ứng có liên quan đến sự thay đổi độ phản ứng do hình thành những khoảng hổng (lỗ rỗng) trong chất tải nhiệt. Các lỗ rỗng như vậy có thể được hình thành trong các điều kiện làm việc bình thường trong lò phản ứng nước áp lực và trong các lò phản ứng nơtron nhanh. Ảnh hưởng của việc hình thành các lỗ rỗng tương tự như ảnh hưởng của việc suy giảm tỷ trọng chất tải nhiệt, điều đã từng được xem xét, ví dụ, giảm tốc độ làm chậm nơtron dẫn đến tăng rò rỉ và bắt cộng hưởng, còn giảm hấp thụ nơtron thì dẫn đến tăng hệ số sử dụng các nơtron nhiệt. Tuy nhiên, trong trường hợp đang xét, các hiệu ứng đó có thể tác động mạnh hơn đến sự thay đổi độ phản ứng do khả năng thay đổi tỷ trọng mạnh hơn. Hệ số rỗng được xác định như là sự thay đổi độ phản ứng một lượng 1% do thay đổi thể tích lỗ rỗng. Hệ số này âm và tương đối lớn về giá trị tuyệt đối trong các lò phản ứng nước áp lực. Hệ số rỗng cũng quan trọng đối với lò phản ứng nơtron nhanh có chất tải nhiệt là natri. Các lỗ rỗng, vốn được hình thành trong chất tải nhiệt natri lỏng, gây ra ba hiệu ứng chủ yếu. Hiệu ứng thứ nhất có liên quan với việc tăng năng lượng trung bình của các nơtron trong vùng hoạt do giảm tỷ trọng chất làm chậm. Điều đó có thể dẫn đến cả gia tăng độ phản ứng, cả suy giảm nó do thay đổi số lượng các phân hạch hạt nhân của các nuclit vốn có ngưỡng phân hạch cao, ví dụ như 238U. Hiệu ứng thứ hai, liên quan với việc tăng dòng chảy do giảm tỷ trọng chất tải nhiệt, là âm (dẫn đến giảm độ phản ứng). Cuối cùng, hiệu ứng thứ ba do việc hấp thụ nơtron trong natri, luôn luôn dương. Dấu của hệ số toàn phần phụ thuộc vào kết cấu và dạng hình học của vùng hoạt. Khi chọn dạng hình học vùng hoạt một cách thích hợp có thể luôn luôn tự tin bảo đảm hệ số rỗng là âm (ví dụ, sau khi 44
45. đã bảo đảm mức rò rỉ cao của các nơtron); cũng có thể áp đặt hệ số rỗng sau khi đã thiết kế lò phản ứng có hệ số dopler rất âm. Hệ số nhiệt độ toàn phần. Hệ số nhiệt độ toàn phần của độ phản ứng được xác định bằng việc phối hợp tất cả các hiệu ứng. Một số hiệu ứng trong số đó rất khó xác định chính xác. Ngoài ra, khi tăng mức công suất thì sự thay đổi nhiệt độ trong các phần khác nhau của lò phản ứng sẽ khác nhau. Ví dụ, khi chuyển lò phản ứng từ trạng thái tĩnh sang một trạng thái khác thì nhiệt độ nhiên liệu thường thay đổi nhiều hơn so với nhiệt độ của chất làm chậm. Để đoán trước sự thay đổi độ phản ứng của lò phản ứng khi thay đổi công suất đột ngột, cần tính đến tốc độ tăng nhiệt của các bộ phận trong đó. Trên thực tế, khi tính toán hệ số nhiệt độ thường phân tích bổ sung các số liệu đo đạc tương ứng, nhận được khi đo trên nguyên mẫu của lò phản ứng đó và trong quá trình thử nghiệm trước khởi động. Việc phân tích các giá trị tuyệt đối và dấu của mọi hợp phần thuộc hệ số nhiệt độ toàn phần cần được tiến hành cho mọi trạng thái vận hành của lò phản ứng (các mức công suất khác nhau, mức nhiễm độc khác nhau, ). Cũng cần tách riêng sự thay đổi các đặc tính nói trên của tính an toàn nội tại đối với các giai đoạn cháy nhiên liệu khác nhau, các thay đổi có thể có trong chu trình nhiên liệu, 4.4. CÁC SỰ CỐ KÈM THEO THAY ĐỔI ĐỘ PHẢN ỨNG Các khái niệm chung Để bảo đảm an toàn, cần phân tích kỹ các cơ chế khác nhau của việc đưa độ phản ứng vào. Khi nghiên cứu việc đưa độ phản ứng vào với tốc độ lớn, cần đặc biệt chú ý đến việc đánh giá các dịch chuyển có thể có của các vật liệu, vốn có ý nghĩa lớn về độ phản ứng: vật liệu của các thanh điều chỉnh, nhiên liệu và chất tải nhiệt (chất làm chậm). Để tăng độ phản ứng trong các điều kiện làm việc bình thường người ta rút các thanh điều chỉnh ra khỏi vùng hoạt. Vậy lò phản ứng sẽ ra sao khi các thanh hấp thụ được rút ra không đúng quy trình thao tác hoặc tự phát? Các cơ chế đưa độ phản ứng có nguồn gốc khác nhau vào có thể làm ảnh hưởng đến sự xuất hiện và diễn biến của quá trình khẩn cấp (kịch bản của sự cố). Nhưng tất cả chúng đều dẫn đến thay đổi các tính chất vật lý của chất tải nhiệt, chất làm chậm, nhiên liệu, các vật liệu kết cấu, chất hấp thụ và thông qua các hiệu ứng vật lý-nơtron quyết định giá trị và dấu của những thay đổi độ phản ứng ở các giai đoạn sự cố khác nhau. Dưới đây thống kê những cơ chế đưa độ phản ứng vào có thể có: rút một cách không kiểm soát được các thanh điều chỉnh ra khỏi vùng hoạt; 45
46. nóng chảy hoặc hỏng bộ phận tác động đến độ phản ứng; nóng chảy BNL; nổi BNL trong dòng chất tải nhiệt; lọt các chất chứa hydro vào vùng hoạt; dịch chuyển BNL theo chiều hướng tâm; hình thành các lỗ rỗng bên trong chất tải nhiệt natri (hoặc mất các lỗ rỗng), kể cả sôi hoặc cạn; thay đổi nhiệt độ chất tải nhiệt hoặc chất làm chậm; dịch chuyển BNL và các thanh hấp thụ do các tác động bên ngoài; thay đổi một cách không kiểm soát được nồng độ chất hấp thụ dạng lỏng. Những sự cố khởi động Sự cố, vốn diễn ra trong lò phản ứng đã dừng khi bất ngờ tăng độ phản ứng, được gọi là sự cố khởi động. Sự cố dạng này có thể xảy ra khi đưa nhanh các thanh điều chỉnh (hoặc nhóm các thanh) ra khỏi lò phản ứng đã dừng (hoặc đang hoạt động ở mức công suất tối thiểu) do tác động sai lầm của nhân viên vận hành. Khi độ phản ứng được giải phóng đủ lớn sẽ tạo ra nguy cơ tăng tốc (công suất) không kiểm soát được của lò phản ứng. Để giảm xác suất vi phạm chế độ khởi động, thường đưa độ phản ứng vào với tốc độ cho trước và điều khiển được. Người ta kết nối các bộ phận điều khiển được thành những nhóm được chọn trước, dịch chuyển qua lại được theo một thứ tự nhất định. Bởi vì chỉ có một nhóm là hoạt động, còn các bộ phận СУЗ công tác khác thì không thể bị rút ra. Tính trước việc chặn đứng sự cố khởi động bằng cách dừng lò phản ứng nhờ hệ thống bảo vệ sự cố. Tốc độ đưa độ phản ứng âm vào khi khởi động hệ thống bảo vệ sự cố là khoảng 1 ÷ 2βэф trong một giây, điều này bảo đảm giảm nhanh chóng mật độ dòng nơtron. Nhưng nếu vì một nguyên nhân nào đó mà việc dừng lò khẩn cấp không thực hiện được và sự cố tiếp tục phát triển thì có thể có hậu quả nặng nề. Trong quá trình chế độ chuyển tiếp khẩn cấp, công suất lò phản ứng tăng lên, nhiệt độ chất tải nhiệt và nhiên liệu hạt nhân cũng tăng lên. Việc tăng công suất sẽ chấm dứt chỉ khi có được độ phản ứng âm đủ lớn nhờ hiệu ứng Dopler, trong trường hợp làm nóng nhiên liệu và do hiệu ứng nhiệt độ khi làm nóng nước. Kết cục là, khi độ phản ứng dư đủ lớn thì có thể nóng chảy vỏ bọc và lõi các thanh nhiên liệu. Nhưng nếu vòng sơ cấp vẫn còn kín thì sẽ không có việc phát thải các sản phẩm phóng xạ của quá trình phân hạch ra khu vực cụm thiết bị lò phản ứng. 46
47. Các hiệu ứng tự hạn chế. Xét một cách phỏng định quá trình diễn ra khi có sự cố khởi động. Nếu như không có một giải pháp bảo vệ nào đó thì công suất của lò phản ứng rõ ràng là sẽ tăng nhanh theo quy luật hàm mũ đến tận lúc phá huỷ lò phản ứng. Nếu lò phản ứng có hệ số nhiệt độ âm nào đó, dù không lớn, thì nó cũng vẫn được bảo vệ ở một mức độ nhất định, khỏi bị phá huỷ, bởi vì cuối cùng thì nhiệt độ lò phản ứng cũng sẽ tăng đến một giá trị, mà độ phản ứng âm, vốn liên quan với các quan hệ phản hồi nội tại, cũng điều hoà được độ phản ứng dương đang tăng do các tác động bên ngoài. Khi điều đó xảy ra thì công suất lò phản ứng sẽ bắt đầu giảm và sẽ xuất hiện xu hướng phục hồi cân bằng giữa độ phản ứng dương đang tăng và độ phản ứng âm, vốn liên quan với hệ số nhiệt độ. Khi tăng hệ số nhiệt độ thì giá trị pic của công suất trong thời gian sự cố khởi động giảm. Nếu ảnh hưởng của hệ số nhiệt độ của độ phản ứng không đủ mạnh để hạn chế gia tăng công suất và cảnh báo ngưỡng đạt mức nguy hiểm khi tăng tốc với chu kỳ bất kỳ có thể, thì cần phải áp dụng các biện pháp bảo vệ đặc biệt. Phương tiện bảo vệ cuối cùng chính là nhanh chóng dừng khẩn cấp, khi đó tất cả các thanh được đưa vào lò phản ứng bằng cách nhanh nhất có thể, chúng làm giảm độ phản ứng. Như thấy trên hình 4.2, khi có bảo vệ “nội tại”, công suất lò phản ứng tiếp tục duy trì ở một mức nào đó, ứng với cân bằng giữa độ phản ứng âm và dương, trong khi đó, trên các sơ đồ bảo vệ sự cố đặc biệt “bên ngoài”, tạo ra chuyển động của các thanh, cuối cùng thì lò phản ứng cũng được ngắt. Hình 4.2. Ảnh hưởng của các hiệu ứng tự hạn chế khi có sự cố khởi động: N – mức công suất nơtron; t – thời gian; 1 – tăng vụt công suất khi không có các phương tiện bảo vệ; 2 – giá trị nhỏ của hệ số âm của độ phản ứng; 3 – giá trị lớn của hệ số âm của độ phản ứng; 4 – mức đặt khởi động АЗ; 5 – mức công suất danh định; 6 – tác dụng kết hợp của các bộ phận điều chỉnh công tác và hệ số âm của độ phản ứng; 7 – thả các bộ phận công tác АЗ Các sự cố khi rút các chất hấp thụ của hệ thống tác động lên độ phản ứng 47
48. “Tự hành”của các thanh hấp thụ. Giá trị tương đối của độ phản ứng được đưa vào 1 d Δρ/βэф và tốc độ tương đối đưa nó vào có ảnh hưởng quyết định đến quy mô sự эф dt cố. Theo các yêu cầu an toàn hạt nhân, các bộ phận thừa hành СУЗ đưa độ phản ứng dương vào với tốc độ không được vượt quá 0,07 β эф/s. Các bộ phận “nặng” (có độ hiệu dụng lớn hơn 0,7β эф) cần dịch chuyển từng bước một với “trọng lượng” mỗi bước không quá 0,3βэф. Nhờ một loạt các phương tiện bảo vệ mà xác suất đưa không đúng chuẩn độ phản ứng dư vào khi rút các thanh điều chỉnh ra, là không lớn, thậm chí trong trường hợp trùng hợp bất lợi nhất của một số hỏng hóc.Tốc độ cực đại đưa độ phản ứng vào sẽ thấp hơn βэф/s nhiều. Các hậu quả của sự cố như vậy cần được xem xét một cách toàn diện. Sự cố có thể bắt đầu khi các chất hấp thụ của một hoặc của một số bộ phận tác động lên độ phản ứng bị rút ra một cách tự phát khỏi vùng hoạt lò phản ứng đang hoạt động ổn định. Sự cố tương tự như sự cố khởi động, nhưng các hậu quả của nó có thể nặng hơn nhiều, bởi vì trước khi có sự cố lò phản ứng hoạt động ở công suất định mức. Nếu hệ thống bảo vệ sự cố không giảm được công suất hoặc dừng lò khẩn cấp, thì có thể xảy ra quá nhiệt vùng hoạt và tăng áp suất tới mức không được phép. Tốc độ tăng công suất phụ thuộc vào độ phản ứng được đưa vào và tốc độ rút các chất hấp thụ ra. Ngoài việc tăng công suất, nhiệt độ, áp suất việc rút các chất hấp thụ ra còn làm xuất hiện sai lệch phân bố mật độ dòng nơtron, và như vậy, tạo ra những vùng quá nhiệt cục bộ của nhiên liệu. Tuy nhiên, trong các lò phản ứng dạng ВВЭР, nhờ hệ số âm lớn của độ phản ứng mà công suất trong vùng hoạt tăng từ từ, vì vậy nhân viên vận hành có thể kịp thời áp dụng các biện pháp hãm lò phản ứng. Cũng như trong trường hợp sự cố khởi động, sẽ không xảy ra phát thải các nguyên tố phóng xạ vào khu vực bố trí cụm thiết bị lò phản ứng, thậm chí cả trong trường hợp hư hại thanh nhiên liệu, nếu vòng sơ cấp vẫn không bị hở. Bật các bộ phận điều chỉnh ra khi vỡ thùng chứa СУЗ. Thuộc loại sự cố này có thể là sự cố bật thanh điều chỉnh ra khỏi vùng hoạt khi vỡ ống thùng chứa dẫn động bộ phận СУЗ. Các hậu quả của sự cố như vậy sẽ nguy hiểm hơn, vì nó kèm theo rò rỉ nước vòng sơ cấp qua ống thùng chứa đã được tạo khe hở. Để giảm xác suất sự cố như vậy, thường sử dụng các cơ cấu giữ đặc biệt, chúng ngăn cản bộ phận điều khiển bật ra do tác động của việc sụt giảm áp suất xuất hiện khi có sự cố. Ngoài ra người ta hạn chế độ hiệu dụng cực đại của bộ phận điều khiển. Thay đổi không kiểm soát được của nồng độ chất hấp thụ dạng lỏng. Chế độ chuyển tiếp khẩn cấp nguy hiểm có thể xuất hiện khi đưa nhanh chất hấp thụ dạng lỏng ra khi không 48
49. kiểm soát được nồng độ của nó. Quá trình tương tự có thể xuất hiện khi đấu nối các nhánh có nồng độ axit boric nhỏ hơn so với nồng độ trong lò phản ứng với lò phản ứng vốn đang hoạt động hoặc đã được hãm lại (ở gần trạng thái tới hạn). Các hậu quả sự cố cũng giống như các hậu quả khi rút các chất hấp thụ rắn ra khỏi vùng hoạt. Các sự cố liên quan đến giảm nhiệt độ chất tải nhiệt Hệ số âm của độ phản ứng theo nhiệt độ chất tải nhiệt, vốn là một trong số những yếu tố làm ổn định, trong khi đó cũng dẫn đến khả năng tăng vọt độ phản ứng khi tăng đột ngột lưu lượng và mức độ nguội của vùng hoạt. Hiệu ứng này đặc biệt lớn đối với ВВЭР. Việc làm giảm nhiệt độ nước trong vùng hoạt 70 0C tương đương đưa vào độ phản ứng bằng βэф. Trong khi đó, do tăng độ phản ứng trong vùng hoạt, mà có thể dẫn đến chế độ chuyển tiếp nguy hiểm. Mức độ nguy hiểm này phụ thuộc vào hệ số nhiệt độ, độ quá nguội của chất tải nhiệt ở đầu vào lò phản ứng và lưu lượng chất tải nhiệt. Quá trình đó có ý nghĩa hơn cả là khi khởi động ГЦН đã được dừng và khi đưa một nhánh vào hoạt động. Để loại trừ việc đưa không định trước nước “lạnh” vào vùng hoạt và ngăn ngừa hư hại các thanh nhiên liệu, thường cấm đưa máy bơm tuần hoàn chính vào hoạt động, nếu chênh lệch nhiệt độ nước trong vùng hoạt và trong nhánh lớn tới mức không được phép. Việc đưa nước “lạnh” vào vùng hoạt có thể xảy ra cả khi đưa các phương tiện bù khẩn cấp vào hoạt động. Tuy nhiên, trường hợp này trên thực tế không nguy hiểm, bởi vì lưu lượng nước “lạnh” thường nhỏ và nó chảy vào vùng hoạt chỉ khi đã vượt qua một quãng đường dài trong vòng sơ cấp, và đã được trộn với nước nóng. Sự thay đổi phân bố hình học của vùng hoạt Một loạt nguyên nhân có thể làm thay đổi phân bố nhiên vật liệu bên trong vùng hoạt. Việc mất cân bằng các ứng lực thủy động, tác động lên BNL, làm cho các bó chiếm vị trí cao hơn bình thường của mình (nổi lên) trong dòng chất tải nhiệt và sau đó rơi vào vùng hoạt, là một trong số những nguyên nhân đưa độ phản ứng vào. Hiện tượng rơi như vậy, về nguyên tắc là có thể, khi thay đảo nhiên liệu. Nếu điều đó xảy ra với một BNL, thì lò phản ứng chưa bị tới hạn ngay lập tức, bởi vì “trọng lượng” của một BNL, thông thường, nhỏ hơn β эф. Khi phân tích các biến cố dẫn đến dịch chuyển nhiên liệu, thì các điểm đặc thù của lò phản ứng đóng vai trò lớn. Thật vậy, trong các lò phản ứng nơtron nhanh, thậm chí một dịch chuyển không lớn cũng có thể làm thay đổi đáng kể độ phản ứng. Ở đây, việc các vật liệu phân hạch tập trung hơn sẽ làm tăng hệ số tái sinh hiệu dụng K эф. Điều đó có thể xảy ra, ví dụ, do BNLdịch chuyển theo chiều ngang khi thay đổi chế độ dòng chảy chất tải nhiệt hoặc khi có tác động va đập bên ngoài, cũng như do các nhiên liệu 49
50. nóng chảy hoặc khối nóng chảy chảy xuống, trong trường hợp sai phạm dẫn thoát nhiệt trong các bó nào đó, Nói chung, cần phân tích kỹ khả năng chuyển vùng hoạt vào dạng “có lợi” hơn về mặt bố trí nhiên liệu, hoặc thay đổi vị trí giữa nhiên liệu và các thanh hấp thụ. Lọt các chất làm chậm vào vùng hoạt Chế độ khẩn cấp có thể được kích thích do việc lọt các chất chứa hydro có khả năng làm chậm mạnh (dầu mỡ, hơi nước, nước) vào vùng hoạt, vốn có hiệu ứng dương đáng kể đối với việc “sớm làm chậm” nơtron. 4.5. CÁC SỰ CỐ KÈM THEO SAI PHẠM DẪN THOÁT NHIỆT Các khái niệm mở đầu Trong các sự cố sai phạm dẫn thoát nhiệt, tuỳ thuộc vào các đặc điểm của quá trình chuyển tiếp, mà sự gia tăng áp suất có thể là yếu tố quyết định và hậu quả là nguy cơ phá huỷ rào cản hệ thống vòng sơ cấp. Có thể có việc tăng nhiệt độ chất tải nhiệt, và khi đó rào cản an toàn thứ nhất – thanh nhiên liệu là yếu tố quyết định. Nhưng trong một loạt các sự cố, thấy có sự kết hợp của các rối loạn đó: các rối loạn nhiệt độ nguy hiểm của các thanh nhiên liệu và tăng áp suất trong vòng sơ cấp, vốn là kết quả của việc tăng nhiệt độ chung trong vòng tuần hoàn (“bơm đầy” nhiệt), hoặc tăng nhiệt độ của BNL mà không tăng đáng kể áp suất. Trường hợp thứ nhất là nguy hiểm hơn cả, bởi vì nó dẫn đến phá hỏng các điều kiện hoạt động của hai rào cản an toàn. Nếu giả sử khi đó không khởi động hệ thống dừng lò phản ứng (trong điều kiện không đủ các yếu tố tự điều chỉnh và tự hạn chế), thì sẽ xảy ra sự cố nghiêm trọng kèm theo phá hỏng hai rào cản an toàn và nóng chảy vùng hoạt. Mất phụ tải ngoài Mất phụ tải ngoài dẫn đến hiện tượng không tương thích tạm thời giữa lượng nhiệt sinh ra và lấy đi. Khoảng thời gian không tương thích giữa nhiệt sinh ra và lấy đi này, và cả sai lệch so với các giá trị định mức, đều phụ thuộc vào hoạt động của hệ thống điều chỉnh tự động. Các nguyên nhân, vốn dẫn đến mất phụ tải điện bên ngoài, có thể có liên quan đến những hỏng hóc trong mạng lưới điện của chính nhà máy, và bên ngoài nhà máy, trong phần cơ khí của máy phát tuabin và các hệ thống phụ trợ, trong hệ thống điều chỉnh tự động và bảo vệ các tuabin. Ngoài ra, mất phụ tải có thể xảy ra do các tác động sai lầm của nhân viên. 50