Giáo trình An toàn điện hạt nhân

Nội dung text: Giáo trình An toàn điện hạt nhân

1. Giáo trình An toàn điện hạt nhân 1
2. Chương 1. MỞ ĐẦU An toàn hạt nhân bao gồm các hành động, tác động, hành vi hay công việc nhằm ngăn ngừa các sự cố phóng xạ và hạt nhân hoặc giới hạn hậu quả của chúng. An toàn hạt nhân là để bảo đảm an toàn cho các nhà máy điện hạt nhân, cũng như các thiết bị hạt nhân khác; bảo đảm an toàn khi vận chuyển vật liệu hạt nhân, cũng như khi sử dụng và cất giữ các vật liệu hạt nhân dùng trong y tế, công nghiệp, và cả trong quân sự. An toàn vũ khí hạt nhân, cũng như các nghiên cứu hạt nhân trong quân sự phải được sự quản lý hay giám sát bởi các tổ chức khác với các tổ chức quản lý an toàn hạt nhân dân sự vì nhiều lý do, trong đó có lý do bí mật. 1.1 Các cơ quan hay tổ chức quản lý an toàn hạt nhân. - Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) hoạt động vì sự sử dụng hòa bình, an ninh và an toàn của khoa học và công nghệ hạt nhân. Nhiều nước trên thế giới sử dụng điện hạt nhân đều có cơ quan giám sát và tư vấn an toàn hạt nhân. - Ở Mỹ, an toàn hạt nhân dân sự được giám sát bởi Ủy ban pháp quy hạt nhân (Nuclear Regulatory Commission, NRC). An toàn các nhà máy điện hạt nhân và các vật liệu hạt nhân do Chính phủ Hoa kỳ quản lý để phục vụ cho nghiên cứu, sản xuất vũ khí và tàu thủy chạy bằng lò hạt nhân, mà không bị ràng buộc chi phối bởi NRC. - Ở Nga, Rosatom (cơ quan liên bang về năng lượng nguyên tử, Federal Agency on Atomic Energy) quản lý điện hạt nhân, các công ty vũ khí hạt nhân, các viện nghiên cứu và các cơ quan an toàn bức xạ và hạt nhân. Đối với thế giới, Rosatom là đại diện cho Liên bang Nga trong lĩnh vực sử dụng hòa bình năng lượng hạt nhân và chống phổ biến vũ khí hạt nhân. - Ở Việt nam, Cục Năng lượng nguyên tử của Bộ Khoa học công nghệ và môi trường là cơ quan quản lý Nhà nước trong vấn đề sử dụng năng lượng vì mục đích hòa bình. 1.2 Tính phức tạp của nhà máy điện hạt nhân. Các nhà máy điện hạt nhân nằm trong số các hệ thống năng lượng phức tạp và tinh vi nhất, đặc biệt về thiết kế. Nữ nhà báo người Mỹ, Stephanie Cooke, bắt đầu sự nghiệp báo chí từ năm 1977. Năm 1980 bà là tổng biên tập tờ báo Nucleonics Weeks, Nuclear Fuel của NRC. Năm 1984 bà chuyển sang làm việc ở Luân đôn và năm 2004 bà trở lại Mỹ để hoàn thành quyển sách của mình: Những cánh tay chết và Lịch sử báo trước của thời đại hạt nhân. Hiện nay bà làm biên tập viên cho tờ báo Uranium Intelligence Weekly. Bà Cooke viết báo cáo rằng: “Bản thân các lò phản ứng hạt nhân là những máy móc cực kỳ phức tạp với muôn vàn sự kiện có thể dẫn đến sự cố. Những gì đã xảy ra ở nhà máy điện hạt 2
3. nhân Three Mile Island, những cái lỗi khác trong thế giới hạt nhân lại được bộc lộ. Một hỏng hóc này sẽ dẫn đến hỏng hóc khác và khi đó sẽ dẫn đến một loạt hỏng hóc khác cho đến khi chính cái lò phản ứng hạt nhân sẽ bị nóng chảy và lúc đó ngay cả những nhà kỹ sư được huấn luyện thành thạo nhất của thế giới cũng không biết trả lời làm sao. Sự cố liên quan đến những khiếm khuyết trong một hệ thống lẽ ra nó phải bảo vệ an toàn vì sức khỏe cộng đồng.” Vấn đề cơ bản liên quan đến sự phức tạp là ở chỗ các nhà máy điện hạt nhân có tuổi thọ rất dài. Thời gian sống của nó bao gồm từ lúc xây dựng lò phản ứng thương mại cho đến khi chôn cất chất thải phóng xạ cuối cùng kéo dài từ 100 đến 150 năm. 1.3 Các kiểu sai hỏng của nhà máy điện hạt nhân. Có những mối lo lắng rằng sự kết hợp lỗi của con người và hỏng hóc cơ khí của nhà máy điện hạt nhân sẽ dẫn đến những tổn hại to lớn đối với con người và môi trường. Lò phản ứng hạt nhân hoạt động chứa đựng một lượng lớn các sản phẩm phân hạch phóng xạ, nếu vương vãi ra chúng có thể gây nguy hiểm phóng xạ trực tiếp, làm nhiễm xạ đất, nước và rau, như vậy chúng có thể đi vào cơ thể con người và các động vật. Người bị chiếu xạ ở mức độ cao có thể ốm và chết trong thời gian ngắn hoặc trong thời gian dài do bị ung thư hay bệnh nan y khác. Lò phản ứng hạt nhân có thể bị hỏng theo nhiều cách khác nhau. Sự không ổn định trong trạng thái hoạt động của lò phản ứng hạt nhân có thể tạo ra tình trạng không mong muốn, nó có thể dẫn đến sự tăng công suất không kiểm soát được. Thông thường, hệ thống tải nhiệt trong lò phản ứng được thiết kế để có khả năng tải nhiệt dư đi; tuy nhiên lò phản ứng cũng có thể mất chất tải nhiệt, khi đó nhiên liệu có thể bị nóng chảy hoặc thùng lò cũng nóng chảy. Sự kiện này được gọi là nóng chảy hạt nhân và chất phóng xạ thoát ra ngoài. Lượng nhiệt sinh ra có thể rất lớn, áp suất rất cao được tích tụ lại trong thùng lò, dẫn đến nổ hơi – điều đã từng xảy ra ở Trecnobưl. Tuy nhiên, thiết kế lò phản ứng ở Trecnobưl là duy nhất; nó đã sử dụng hệ số rỗng dương, nghĩa là khi hỏng tải nhiệt sẽ gây ra áp suất trong lò tăng nhanh. Tất cả các lò phản ứng không phải của Liên xô (cũ) đều có hệ số rỗng âm, được gọi là thiết kế an toàn thụ động. Điều quan trong nữa là lò phản ứng Trecnobưl không co cấu trúc bảo vệ. Các lò phản ứng phương tây có cấu trúc bảo vệ, nghĩa là có thể giữ các chất phóng xạ khi có sự cố hạt nhân. Cấu trúc bảo vệ là một trong các cấu trúc bền vững nhất, nó có thể đương đầu với bão táp mạnh và va đập trực tiếp của máy bay rơi. 1.4 Nguy hiểm của vật liệu hạt nhân. 3
4. Vật liệu hạt nhân có thể nguy hiểm nếu vận chuyển và chôn cất nó không đúng. Các thí nghiệm về kích thước - khối lượng tới hạn có thể gây ra mối nguy hiểm sự cố tới hạn. Sự cố hạt nhân xảy ra kèm theo nhiễm bẩn phóng xạ. Khi nhiễm bẩn phóng xạ, các sản phẩm phân hạch là những chất thải phóng xạ cần được chôn cất đúng quy phạm an toàn. Thêm vào đó, các vật liệu bị nơtron chiếu xạ trong lò cũng trở thành các chất phóng xạ hoặc các chất nhiễm bẩn phóng xạ. Hơn nữa, các chất hóa học độc hại được sử dụng khi nhà máy điện hạt nhân hoạt động cũng cần được chôn cất theo quy phạm. 1.5 Nhà máy điện hạt nhân là đối tượng dễ bị tấn công. Nhà máy điện hạt nhân nói chung là những mục tiêu cần bảo vệ nghiêm ngặt. Ở Mỹ, nhà máy điện hạt nhân được bao quanh bởi hai hàng rào cao được theo dõi bằng điện tử. Khu vực nhà máy có lực lượng quân đội tuần tra. Các tiêu chí của Ủy ban pháp quy hạt nhân đối với nhà máy là hoàn toàn bí mật. Quy mô của lực lượng bảo vệ nhà máy cũng không được phổ biến. Tuy nhiên, dập lò khẩn cấp chỉ mất không quá 5 giây, trong khi đó khởi động lò nếu không có trục trặc gì phải mất vài giờ. Tấn công bằng máy bay là một biện pháp mà bọn khủng bố thực hiện, điển hình là vụ 11- 9 ở Mỹ. Năm 1972, 3 tên không tặc đã kiểm soát chuyến bay nội địa dọc bờ biển phía đông ở Mỹ và đe dọa cho máy bay lao xuống nhà máy vũ khí hạt nhân ở Oak Ridge, bang Tennessee. Khi máy bay cách nhà máy khoảng 2.500 m, các yêu sách của bọn không tặc đã được thỏa mãn. Một hàng rào quan trọng nhất để ngăn thoát phóng xạ ra ngoài khi có sự cố va đập máy bay vào nhà máy điện hạt nhân là tòa nhà bảo vệ và vách bảo vệ phóng xạ. Chủ tịch Ủy ban pháp quy hạt nhân của Mỹ Dale Klein đã nói :”Các nhà máy điện hạt nhân có cấu trúc bền vững vốn có mà nghiên cứu của chúng ta cho thấy rằng có sự bảo vệ hợp lý trong trường hợp bị tấn công giả định bằng máy bay”. Ủy ban pháp quy hạt nhân cũng yêu cầu các vận hành viên phải có đầy đủ khả năng quan lý để không xảy ra các đám cháy và những vụ nổ tác động vào nhà máy. Các nhà ủng hộ hạt nhân lưu ý đến sự nghiên cứu do Viện nghiên cứu điện lực Mỹ thực hiện rằng cần thử nghiệm độ bền vững của cả lò phản ứng và kho chứa nhiên liệu đã cháy sao cho chúng có thể chống đỡ được vụ tấn công khủng bố tương tự như vụ khủng bố 11- 9 ở Mỹ. Nhiên liệu đã cháy phải được lưu giữ trong vùng có bảo vệ an toàn trong nhà máy, việc lấy trộm nó để sử dụng làm bom bẩn là cực kỳ khó khăn và nhiễm với phóng xạ mạnh là hoàn toàn không có khả năng. 1.6 Các công nghệ hạt nhân mới. Các nhà máy điện hạt nhân tiếp theo được xây dựng có khả năng thuộc thế hệ III hoặc III+ và số ít nhà máy như vậy đã được vận hành ở Nhật Bản. Các lò phản 4
5. ứng thế hệ IV sẽ được cải tiến hơn nữa về mặt an toàn. Thiết kế thế hệ mới này mong muốn có sự an toàn thụ động cao. Một vài cải tiến được trang bị ba bộ máy phát diesen khẩn cấp phụ trợ cho các hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp hơn là chỉ có một cặp, có những bể lớn chứa đầy chất tải nhiệt ở bên trên vùng hoạt có thể mở tự động cho nước chảy vào vùng hoạt, có hai tòa nhà bảo vệ (cái này ở trong cái kia). 1.7 Văn hóa an toàn và sai sót của con người. Một khái niệm phổ biến khi thảo luận về an toàn hạt nhân là ở chỗ văn hóa an toàn. Nhóm cố vấn an toàn hạt nhân quốc tế định nghĩa một thuật ngữ rằng “sự cống hiến cá nhân và trách nhiệm của tất cả các cá nhân tham gia vào bất kỳ hành động nào đều có mối quan hệ với an toàn nhà máy điện hạt nhân”. Mục đích phải thiết kế các hệ thống để chúng sử dụng các khả năng của con người theo cách thích hợp, để bảo vệ các hệ thống khỏi bị ảnh hưởng bới những nhược điểm của con người, và để bảo vệ con người tránh được những rủi ro liên quan đến hệ thống. Đồng thời, có một điều hiển nhiên rằng thực tế vận hành là không dễ gì thay đổi. Các cán bộ vận hành hầu như không bao giờ theo chính xác các hướng dẫn và các thủ tục được ban hành, việc “vi phạm nguyên tắc xuất hiện trong một chừng mực nào đó cũng khá phổ biến, và sự hạn hẹp của thời gian làm khó cho những người vận hành thực hiện các thao tác của họ”. Nhiều cuộc thử nghiệm để nâng cao văn hóa an toàn hạt nhân cần phải được bổ sung bằng những biện pháp không dự đoán trước được. Vì lý do đó, việc huấn luyện mô phỏng cần được thực hiện. Không có sự cải tiến kỹ thuật nào có thể loại bỏ được những rủi ro do những lỗi của người vận hành nhà máy điện hạt nhân gây ra. Có hai loại lỗi được cho là nghiêm trọng nhất: những lỗi phạm phải trong quá trình vận hành, như là khi bảo dưỡng và thử nghiệm, có thể gây ra sự cố; và những sai sót của con người từ chỗ có sự cố nhỏ thành sự cố nguy hiểm. 1.8 Liệt kê các sự cố hạt nhân dân sự. Các sự cố hạt nhân dân sự được liệt kê dưới đây đều có sự liên quan đến vật liệu hạt nhân hoặc lò phản ứng hạt nhân. Những sự trục trặc xảy ra chưa đủ để trở thành sự cố hạt nhân thì được liệt kê vào vào danh sách trục trặc hạt nhân dân sự. Các tiêu chí sau đây được xem xét khi kể đến các sự cố hạt nhân dân sự: (1) Nhất thiết phải có sự hủy hoại sức khỏe con người đáng kể, có sự hủy hoại tài sản hoặc nhiễm bẩn phóng xạ. (2) Sự hủy hoại đó có liên quan trực tiếp đến các vật liệu phóng xạ, ví dụ ở nhà máy điện hạt nhân. 5
6. (3) Điều kiện được xem xét là sự cố hạt nhân dân sự khi hoạt động hạt nhân hay vật liệu hạt nhân về nguyên tắc không liên quan gì đến mục đích quân sự. (4) Sự kiện xảy ra có liên quan đến vật liệu hạt nhân phân hạch hoặc lò phản ứng hạt nhân. a. Trong những năm 1950. Ngày 12 tháng 12 năm 1950 vùng hoạt lò phản ứng hạt nhân ở sông Chalk, Ontario, Canada bị phá hủy. Do hỏng các thanh dập lò (an toàn) kết hợp với một vài sai sót của nhân viên vận hành dẫn đến vùng hoạt bị hỏng . Ngày 25 tháng 10 năm 1958 ở Nam Tư (cũ) xảy ra sự trệch khỏi tới hạn và con người bị chiếu xạ. Sự việc xảy ra là công suất lò tăng nhưng không phát hiện được trong khi đang tiến hành thí nghiệm lò phản ứng nước nặng không sử dụng nhiên liệu urani tự nhiên. Sự bão hòa của các buồng đo chất phóng xạ đã làm cho các nghiên cứu viên bị nhầm lẫn khi đọc số liệu và mức nước trong lò nâng lên và gây ra sự tăng công suất lò phản ứng. Sự việc chỉ phát hiện khi cán bộ nghiên cứu ngửi thấy mùi khí ôzon. Kết quả là 6 nhà khoa học bị một liều chiếu phóng xạ 300 – 400 rem. Ngày 26 tháng 7 năm 1959, ở phòng thí nghiệm Santa Susana, California, Mỹ một phần vùng hoạt đã bị nóng chảy. Sự việc xảy ra khi đang thực hiện một thí nghiệm tăng công suất và đã gây ra hiện tượng quá nhiệt nghiêm trọng cho vùng hoạt lò phản ứng. Kết quả là một phần ba nhiên liệu hạt nhân bị nóng chảy và khí phóng xạ đã thoát ra ngoài. b. Trong những năm 60. Ngày 5 tháng 10 năm 1966 ở Monroe, Michigan , Mỹ, một phần vùng hoạt lò phản ứng bị nóng chảy. Hỏng hệ thống tải nhiệt bằng natri đã gây ra nóng chảy một phần vùng hoạt đối với lò tái sinh nhanh Enrico Fermi 1.Sự cố xảy ra do một mảnh kẽm làm tắc nghẽn dòng chảy của hệ thống tải nhiệt natri. Kết quả là hai thanh nhiên liệu bị nóng chảy nhưng không có sự nhiễm bẩn phóng xạ ở ngoài thùng bảo vệ lò. Mùa Đông năm 1966 – 1967, ở Liên xô (cũ) xảy ra sự cố mất chất tải nhiệt lò phản ứng. Con tàu thủy chạy bằng điện hạt nhân của Liên xô (cũ) đã bị một sự cố rất nghiêm trọng (có thể nó bị nóng chảy – nhưng nguyên nhân chính xác của nó vẫn là điều phải bàn cãi đối với phương Tây) xảy ra ở một trong 3 lò phản ứng hạt nhân. Để tìm ra lối thoát, toàn bộ thủy thủ đã đập vỡ bức che chắn phóng xạ bằng bêton và cốt thép bằng búa gây ra hư hỏng không thể sửa chữa lại được. Theo tin đồn rằng khoảng 30 thủy thủ đã chết trong vụ này. Con tàu đã bị bỏ rơi một năm để mức độ phóng xạ giảm đi trước khi tháo gỡ. Ngày 21 tháng 1 năm 1969, ở Lucens, Canton Vaud, Niuzuylan đã xảy ra vụ nổ lò phản ứng hạt nhân. Việc mất toàn bộ chất tải nhiệt dẫn đến tăng công suất lò và nổ lò phản ứng hạt nhân thí nghiệm trong một hang động ở Lucens. 6
7. Vị trí ở dưới đất của lò giống như tòa nhà bảo vệ đã ngăn chất phóng xạ thoát ra môi trường. c. Trong những năm 1970. Ngày 22 tháng 2 năm 1977, Tiệp khắc có một sự cố lò phản ứng là nhiên liệu bị hỏng. Cán bộ vận hành bỏ qua không lau các vật liệu hút ẩm ở trên mặt các bó nhiên liệu. Sự việc dẫn đến toàn bộ thanh nhiên liệu bị hỏng. Hư hỏng do ăn mòn trên diện rộng của vỏ bọc nhiên liệu. Các chất phóng xạ thoát ra ngoài và lò phản ứng không được sử dụng nữa sau sự cố này. Ngày 28 tháng 3 năm 1979, ở Mỹ nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island đã bị nóng chảy một phần vùng hoạt lò phản ứng. Trong khi lò phản ứng bị hỏng nặng, các chất phóng xạ với suất liều hàng 100 milirem đã thoát ra ở địa điểm nhà máy. Cư dân trong vùng nhận một liều cỡ 1 milirem. Không có việc chết bất hạnh do sự cố hạt nhân này. d. Những năm 80. Ngày 13 tháng 3 năm 1980, tại Pháp có sự rò rỉ phóng xạ. Ở nhà máy điện hạt nhân Saint Laurent, sự tăng nhanh công suất của lò phản ứng đã dẫn đến gãy bó nhiên liệu và một ít các chất phóng xạ thoát ra ngoài. Lò phản ứng được sửa chữa và tiếp tục hoạt động cho đến khi được tháo gỡ vào năm 1992. Tháng 3 năm 1981, ở Tsuruga, Nhật bản xảy ra sự phơi nhiễm phóng xạ đối với các nhân viên. Hơn 100 nhân viên bị phơi nhiễm phóng xạ với liều chiếu đến 155 milirem/ngày trong thời gian sửa chữa nhà máy điện hạt nhân, vi phạm giới hạn của công ty hàng 100 milirem/ngày. Ngày 23 tháng 9 năm 1983 tại Buenos Aires, Arhentina, xảy ra sự cố tới hạn. Một sai sót của người vận hành trong khi sắp xếp lại nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân thí nghiệm đã dẫn đến tăng quá công suất danh định. Một nhân viên vận hành bị chiếu 2000 rad (20Gy) bức xạ gamma và 1700 rad (17 Gy) bức xạ nơtron và ông ta bị chết 2 ngày sau đó. 17 người khác ở ngoài phòng lò phản ứng bị chiếu xạ từ 35 đến 1 rad. Ngày 26 tháng 4 năm 1986, ở Ukraina (Liên xô cũ) xảy ra sự cố tăng công suất, nổ lò và vùng hoạt bị phá hủy hoàn toàn. Việc thử nghiệm an toàn lò phản ứng sai quy tắc dẫn đến tăng công suất không kiểm soát được, gây ra vụ nổ hơi nghiêm trọng, vùng hoạt bị phá hủy và chất phóng xạ phát ra. Nhà máy điện hạt nhân Trecnobưl ở cách xa khoảng 100 km về phía tây – bắc Kiev. Gần 50 người chết (đa số là nhân viên vệ sinh) ngay sau thảm họa này. Sau đó, thêm 9 trẻ em chết do ung thư tuyến giáp vì sự cố hạt nhân này. Vụ nổ và cháy vùng hoạt có chất làm chậm bằng graphit đã vung vãi chất phóng xạ ra khắp châu Âu. 100 nghìn người đã phải sơ tán khỏi vùng sát xung quanh Trecnobưl cộng với 300 nghìn người ra khỏi vùng nhiễm xạ nặng ở Ukraina, Belarut và Nga. Một vùng cấm được thiết lập xung quanh vùng khoảng 3.000 km2 và cấm cư trú trong thời gian không hạn định. Một số nghiên cứu của các chính phủ đã 7
8. ước lượng hậu quả và số người bị nạn. Sự phát hiện của họ cũng là đề tài gây trang cãi. Ngày 24 tháng 11 năm 1989, ở Tây Đức đã xảy ra sự cố hư hỏng nhiên liệu. Nhân viên vận hành đã làm cho không hoạt động 3 trong số 6 máy bơm tải nhiệt để kiểm tra sự dừng khẩn cấp. Thay vì dừng lò tự động như mong muốn thì một máy bơm thứ 4 bị hỏng gây ra nóng quá mức làm hỏng những thanh nhiên liệu. e. Những năm 90. Ngày 6 tháng 4 năm 1993 ở Nga đã xảy ra vụ nổ hạt nhân. Sự tích tụ áp suất dẫn đến nổ thùng phản ứng bằng thép không gỉ thể tích 30 m3 đặt trong một boongke bêton dưới một tòa nhà (là nơi làm việc của bộ phân hóa phóng xạ) ở thiết bị tái chế plutoni thuộc nhà máy hóa chất Tomsk, Siberi. Thùng chứa hợp chất axit nitơric đậm đặc, urani (8757 kg), plutoni (449 g) cùng với một hợp chất thải phóng xạ và hữu cơ từ một chu trình chiết suất trước đó. Vụ nổ làm bật nắp bêton của boongke thổi bung mái tòa nhà thành một lỗ hổng rất rộng, thải nhiều chất phóng xạ ra ngoài. Tháng 6 năm 1999 ở Nhật bản đã xảy ra sự cố hỏng thanh điều khiển. Các nhân viên vận hành thử nghiệm đưa vào một thanh điều khiển thay cho 3 thanh được rút ra ngoài đã gây ra cho phản ứng tự duy trì không kiểm soát được trong vòng 15 phút ở lò phản ứng số 1 của nhà máy điện hạt nhân Shika. Công ty điện Hokuriku đã không thông báo sự cố này và đã làm sai lệch hồ sơ và che giấu sự kiện cho đến tháng 3 năm 2007. Ngày 30 tháng 9 năm 1999 ơ Lbaraki prefecture, Nhật bản đã xảy ra sự cố tới hạn. Công nhân đã cho dung dịch nitrat urani chứa 16,6 kg urani, vượt khối lượng tới hạn vào trong bể kết tủa của thiết bị tái chế urani ở Tukai-mura, phía đông bắc Tokio. Bể đó đã không được thiết kế để hòa tan dung dịch như vậy và không được định hình để ngăn cản trạng thái tới hạn. 3 công nhân đã bị chiếu phóng xạ nơtron vượt quá liều cho phép. Một trong số 3 người đó đã bị chết. 116 người khác đã bị chiếu liều phóng xạ trên dưới 1 mSv những không vượt quá liều cho phép (giới hạn liều phóng xạ cho phép 1 mSv/năm đối với dân chúng và 20 mSv/năm đối với nhân viên bức xạ.) f. Những năm 2000. Ngày 19 tháng 4 năm 2005, tại Anh Quốc đã xảy ra vụ rò rỉ vật liệu hạt nhân. 20 tấn urani và 160 kg plutoni được hòa tan trong 83.000 lit axit nitơric đã bị rò rỉ trong một vài tháng từ một ống rạn nứt vào trong một buồng của bể thép không rỉ ở nhà máy tái chế nhiên liệu Thorp. Một phần nhiên liệu đã cháy được xử lý và đưa vào bể chứa ở ngoài nhà máy. Ngày 6 tháng 3 năm 2006 ở Mỹ cũng xảy ra sự cố rò rỉ vật liệu hạt nhân. 35 lit dung dịch urani được làm giàu cao đã bị rò rỉ trong khi chuyển vào trong phòng thí nghiệm ở một nhà máy chế biến nhiên liệu hạt nhân Erwin. Sự cố xảy ra đã làm cho nhà máy ngừng hoạt động trong 7 tháng. 8
9. Chương 2. SỰ CỐ HẠT NHÂN 2.1 Phân loại sự cố 2.1.1 Khái niệm chung về sự cố hạt nhân. Sự cố là kết quả tổng hợp của các quá trình quá độ không được xử lý. Hiện tượng quá độ sự cố là hiện tượng mà ở đó có sự lệch khỏi giá trị bình thường cho phép của bất cứ thông số nào như: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng chất tải nhiệt, Các hiện tượng sự cố này nếu diễn ra liên tục trong một khoảng thời gian quy định nào đó thì tạo thành quá trình quá độ sự cố. Chúng ta có thể coi tất cả các trường hợp dẫn đến phá vỡ sự cân đối giữa năng lượng được sinh ra trong nhiên liệu và việc tải nhiệt đi trong lò phản ứng là một hiện tượng quá độ sự cố. Ví dụ 1: Việc kẹt van (van bị đóng) dẫn hơi ra tuabin dẫn đến nhiệt trong lò phản ứng không được tải đi trong khi lượng nhiệt do phân hạch hạt nhân ở đó vẫn sinh ra. Kết quả là áp suất trong lò và nhiệt độ thanh nhiên liệu nóng lên quá mức và có thể dẫn đến nóng chảy thanh nhiên liệu. Ví dụ 2: Nước trong vòng tải nhiệt lò phản ứng bị chảy ra ngoài do đường ống bị vỡ dẫn đến mực nước trong lò giảm xuống quá mức cho phép và lượng nhiệt do phản ứng phân hạch tạo ra không được tải đi theo yêu cầu, tức là có sự mất cân đối giữa lượng nhiệt sinh ra và lượng nhiệt mất đi. Nếu mất nhiều chất tải nhiệt, thanh nhiên liệu sẽ nóng lên quá mức và sự kiện nóng chảy thanh nhiên liệu là không thể tránh khỏi. Quá trình từ khi kẹt van dẫn hơi và vỡ ống tải nhiệt cho đến khi thanh nhiên liệu nóng lên nhưng chưa đến mức nóng chảy là những quá trình quá độ sự cố và hiên tượng nóng lên của nước tải nhiệt hay thanh nhiên liệu là những hiện tương quá độ. Khi có hiện tượng quá độ thì các thiết bị bảo vệ an toàn sẽ hoạt động (thông thường là tự động) để đưa các thông số trở lại giá trị cho phép. Đây chính là mức 1 của sự bảo vệ theo chiều sâu trong an toàn nhà máy điện hạt nhân. Thí dụ: Trong trường hợp ví dụ 1, máy điều áp suất tự động làm việc để giảm áp suất trong lò (đối với lò PWR); Van an toàn (safety/relief valve) trên đường dẫn hơi chính có thể mở cho hơi thoát xuống buồng triệt áp trong nhà bảo vệ (đối với lò BWR). (Hình 1 - Phụ lục) Trong trường hợp ví dụ 2, hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt tự động làm việc để đưa nước tải nhiệt vào vùng hoạt (hệ phun tải nhiệt áp suất cao, hệ phun tải nhiệt áp suất thấp, ). (Hình 2 – Phụ lục) Nếu các thiết bị bảo vệ lò phản ứng không hoạt động hoặc hoạt động không tương ứng thì quá trình quá độ sự cố sẽ gây ra hỏng hóc và sự cố sẽ xảy ra là điều tất yếu. Vì vậy, khi nghiên cứu sự cố thường phải bắt đầu từ những hiện tượng quá độ sự cố. Sự cố kỹ thuật có thể xảy ra ở mọi nơi trong sơ đồ công nghệ nhà máy điện hạt nhân: lò phản ứng, thiết bị cơ nhiệt, trạm điện, và đều gây ra các hậu quả tai hại cho nhà máy. Các sự cố ở lò phản ứng là nghiêm trọng và đáng chú ý hơn cả vì 9
10. lò phản ứng chứa đựng rất nhiều các vật liệu có tính phóng xạ cao, nếu để thoát ra ngoài, sẽ gây ra thảm họa hạt nhân ảnh hưởng đến dân chúng và môi trường sống. Vì vậy, khi nói đến sự cố nhà máy điện hạt nhân người ta thường nghĩ ngay tới sự cố lò phản ứng. Để phân tích sự cố, cần phải có tất cả các giá trị tới hạn cho phép của các thông số đặc trưng cho tình trạng của lò và các thiết bị của hệ thống tải nhiệt, đặc biệt là hệ thống tải nhiệt vòng 1. Đối với thanh nhiên liệu, các thông số kỹ thuật của nó là nhiệt độ nhiên liệu, nhiệt độ vỏ thanh nhiên liệu, nhiệt độ của các quá trình hóa lý, lưu lượng nhiệt, Đối với vòng tải nhiệt lò phản ứng (vòng 1), các thông số kỹ thuật cần lưu ý là áp suất, nhiệt độ, độ chênh áp giữa lối vào và lối ra của chất tải nhiệt, 2.1.2 Phân loại sự cố theo hậu quả (mức sự cố) Theo thang sự kiện hạt nhân quốc tế (INES – International Nuclear Event Scale), người ta chia ra thành 3 mức trục trặc hạt nhân (nuclear incident) và 4 mức sự cố hạt nhân (nuclear accident). Mức 7 Sự cố rất nghiêm trọng Mức 6 Sự cố nghiêm trọng Sự cố Mức 5 Sự cố gây hậu quả ra ngoài Mức 4 Sự cố không gây hậu quả đáng kể ra ngoài Mức 3 Trục trặc nghiêm trọng Trục trặc Mức 2 Trục trặc Mức 1 Sự kiện không thường Mức 0 Không đáng kể về an toàn 10
11. Đầu tiên, thang phân loại được áp dụng để phân loại các sự kiện ở các nhà máy điện hạt nhân, sau đó được mở rộng và điều chỉnh để áp dụng cho các sự kiện có liên quan đến vật liệu phóng xạ, các sự kiện xảy ra trong quá trình vận chuyển vật liệu phóng xạ. Đến nay thang phân loại đã được sử dụng hiệu quả trên thế giới. (1) Cấu trúc cơ sở của thang phân loại theo tiêu chí an toàn. Các sự kiện được phân loại theo Thang phân loại ở 7 mức: các mức cao (4- 7) được gọi là sự cố, các mức thấp (1-3) là trục trặc. Các sự kiện không đáng kể về mặt an toàn được phân loại ở mức 0 và được gọi là “lỗi”. Các sự kiện không ảnh hưởng gì đến an toàn gọi là “ngoài thang phân loại”. Cấu trúc của thang được biểu diễn dưới dạng một ma trận các từ khóa. Các sự kiện được xem xét trên phương diện 3 tiêu chí an toàn trong các cột tương ứng: ảnh hưởng phóng xạ ra bên ngoài, ảnh hưởng phóng xạ tại chỗ và khả năng bảo vệ hư hại theo chiều sâu. Tiêu chí an toàn Mức Ảnh hưởng ngoài Ảnh hưởng tại chỗ Sự suy giảm bảo vệ cơ sở theo chiều sâu 7. Thoát phóng xạ nhiều Sự cố rất nghiêm ảnh hưởng sức khỏe trọng và môi trường ở phạm vi rộng 6. Thoát phóng xạ đáng Sự cố nghiêm trọng kể; cần thực hiện đầy đủ các biện pháp khắc phục đã dự kiến 5. Thoát phóng xạ hạn Vùng hoạt lò phản Sự cố gây hậu quả chế; cần thực hiện ứng/Các lớp bảo vệ ra ngoài một phần các biện phóng xạ bị hư hại pháp khắc phục đã dự nghiêm trọng kiến 4. Vùng hoạt lò phản Sựu cố không gây Thoát phóng xạ ít: dân ứng/Các lớp bảo vệ hậu quả đáng kể ra chúng bị nhiễm xạ ở phóng xạ bị hư hại bên ngoài mức giới hạn quy định đáng kể/Công nhân bị nhiễm xạ nguy kịch 3. Thoát phóng xạ rất ít: Nhiễm xạ lan truyền Gần mức sự cố; Các Trục trặc nghiêm dân chúng bị nhiễm xạ nặng/Ảnh hưởng nặng lớp bảo vệ bị phá hủy chỉ ở mức một phần giới trọng đến sức khỏe người hạn quy định công nhân 2. Nhiễm xạ lan truyền Hư hại đáng kể hệ Trục trặc đáng kể/Công nhân bị thống bảo vệ dự nhiễm xạ quá liều phòng 1. Sự kiện bất thường Sựu kiện bất thường vượt quá chế độ vận hành được phép 0. Không An toàn Đáng kể Lỗi Sự kiện ngoài thang Không đáng kể về an toàn 11
12. Cột thứ hai trong bảng có liên quan đến các sự kiện làm thoát chất phóng xạ ra ngoài cơ sở hạt nhân. Chất phóng xạ thoát ra ngoài là nguyên nhân của những ảnh hưởng trực tiếp đến dân chúng. Điểm thấp nhất trong cột này thể hiện mức thoát chất phóng xạ làm nhiễm xạ nhóm người nguy kịch tương đương một phần mười giới hạn liều hàng năm đối với người dân; điểm này được phân loại ở mức 3. Liều lượng ở đây cũng tương đương một phần mười liều bức xạ hàng năm từ phông tự nhiên. Mức cao nhất trong cột này là mức tai nạn rất nghiêm trọng, gây hậu quả lan rộng về sức khỏe và môi trường. Cột thứ 3 đánh giá ảnh hưởng tại chỗ của sự kiện. Nó có từ mức 2 (nhiễm xạ lan truyền và người công nhân bị chiếu xạ quá liều) đến mức 5 (vùng hoạt lò phản ứng hoặc các lớp che chắn phóng xạ bị hư hại nghiêm trọng). Các cơ sở hạt nhân được thiết kế sao cho các lớp bảo vệ ngăn chặn được các ảnh hưởng nghiêm trọng tại chỗ hoặc ngăn chặn ảnh hưởng ra bên ngoài, còn các lớp bảo vệ tăng cường có tác dụng tương xứng với các ảnh hưởng tiềm năng tại chỗ hoặc ảnh hưởng ra bên ngoài. Tính dự phòng của các lớp bảo vệ này được gọi là “bảo vệ theo chiều sâu”. Cột thứ 4 của bảng liên quan đến các trục trặc ở các cơ sở hạt nhân hoặc trong khi vận chuyển vật liệu hạt nhân có xảy ra hư hại dự phòng bảo vệ theo chiều sâu. Cột này gồm các mức sự cố từ 1 đến 3. Một sự kiện có các đặc trưng của hai tiêu chí hoặc nhiều hơn, thường được phân loại ở mức cao hơn sự kiện chỉ tương ứng một tiêu chí. Các sự kiện không tới ngưỡng của một tiêu chí nào, được xếp vào mức 0. (2) Cấu trúc thang phân loại theo bản chất của sự kiện. Thang phân loại sự kiện hạt nhân quốc tế Mức/Mô tả Bản chất của sự kiện Ví dụ Thoát ra ngoài nhiều vật liệu phóng xạ (ví dụ 7 vùng hoạt của lò phản ứng công suất bị pha Sự cố rất hủy). Vật liệu thoát ra bao gồm các sản phẩm nghiêm trọng phân hạch có thời gian sống ngắn và sống dài Đơn vị: với liều chiếu tương đương tại chỗ lớn hơn Nhà máy điện hạt exa "E" hàng chục nghìn Tera Bec-cơ-ren của I-131. nhân Chernobyl ở peta "P" Việc thoát các chất phóng xạ như vậy có thể làm cho nhiều người bị chết và gây ảnh Liên xô (nay thộc tera "T" Ukraina), 1986 giga "G" hưởng xấu lâu dài cho môi trường. Tử vong mega "M" do phóng xạ sẽ còn tiếp diễn đối với các thế kilo "k" hệ sau trong một phạm vi rộng lớn (có thể ở nhiều quốc gia xung quanh) Sự thoát chất phóng xạ gây ra liều chiếu 6 tương đương từ hàng nghìn đến chục nghìn Nhà máy tái chế Sự cố nghiêm Tera Bec-cơ-ren của I-131. Sự thoát phóng xạ Kyshtum ở Liên trọng như vậy dẫn đến việc phải thực hiện toàn bộ xô (nay thuộc các biện pháp đối phó trong kế hoạch khẩn Nga), 1957 cấp để hạn chế ảnh hưởng nghiêm trọng đối với sức khỏe con người. 12
13. Thoát ra ngoài một lượng phóng xạ đáng kể, từ vài trăm đến hàng nghìn Tera Bec- 5 cơ-ren của I-131 tương đương. Cần thực Nhà máy điện hạt Sự cố gây hậu hiện một phần các biện pháp khắc phục nhân Three Mile quả ra ngoài nhà dự kiến trong kế hoạch khẩn cấp để giảm Island ở Mỹ, máy thiểu khả năng ảnh hưởng sức khỏe con 1979. người. Cơ sở có hư hại nặng. Có thể có hư hại phần lớn vùng hoạt lò phản ứng và phần lớn các chất phóng xạ thoát ra trong phạm vi nhà máy. Thoát phóng xạ ít. Việc thoát ra các chất phóng xạ làm cho nhiều người bị chiếu xạ 4 nhiều nhất ở ngoài địa phận nhà máy cỡ Nhà máy Sự cố không gây vài milisivơ. Với liều phóng xạ như vậy, Windscale (nay là hậu quả đáng kể hoạt động bảo vệ phóng xạ ở bên ngoài Sellafied) ở Anh, ra ngoài nhà máy là không cần thiết trừ việc kiểm 1973 tra thức ăn. Nhà máy Saint- 1 Bq =2,7.10-11Ci; Việc hư hỏng đáng kể nhà máy điện hạt Laurent ở Pháp, 1 Ci = 3,7.1010 nhân xảy ra. Có thể dẫn đến các vấn đề 1980. phân rã/sec. lớn có liên quan đến việc khôi phục, ví dụ Tổ hợp tới hạn như một phần vùng hoạt lò công suất bị Buenos Aires ở nóng chảy. Achentina, 1983 Công nhân bị nhiễm xạ nguy kịch có thể nguy hiểm đến tính mạng. Thoát phóng xạ ít. Nhóm công nhân bị 3 nhiễm xạ nặng nhất chỉ ở mức vài phần Trục trặc nghiêm mười milisivơ. Với liều phóng xạ như trọng vậy, người ta không cần đến các biện pháp Nhà máy bảo vệ phóng xạ ở bên ngoài nhà máy. Vandellos ở Tây Liều cho phép: Sự kiện tại nhà máy có thể làm ảnh hưởng Ban Nha, 1989. Nhân viên: <20 sức khỏe nghiêm trọng hoặc làm nhiễm xạ mSV/năm; diện rộng, khoảng vài nghìn Tera Bec-cơ- Dân thường: < 1 ren chất phóng xạ thoát ra trong tòa nhà mSv/năm lò, ở đó chúng được đưa trở lại kho chứa tạm thời. Sự kiện gây hư hại đáng kể cho hệ thống thiết bị an toàn, nhưng hệ thống bảo vệ 2 theo chiều sâu còn lại đủ đương đầu với Trục trặc các hư hại tiếp theo. Sự kiện dẫn đến công nhân bị chiếu xạ quá liều giới hạn hàng năm hoặc làm thoát ra một lượng đáng kể các chất phóng xạ tại nhà máy, đòi hỏi phải có biện pháp điều chỉnh. 13
14. Sự kiện bất thường là sự kiện mà ở đó giá trị của một hay vài thông số lò phản ứng 1 vượt quá giới hạn cho phép, nhưng hệ Bất thường thống bảo vệ theo chiều sâu vẫn còn. Bất thường xảy ra do lỗi thiết bị, con người hoặc quy trình; xảy ra ở các khu vực vận hành nhà máy, vận chuyển vật liệu phóng xạ, quản lý nhiên liệu, kho chứa chất thải. (3) Phân loại theo bản chất. Các sự cố hạt nhân được chia làm hai loại chính theo bản chất của chúng: Sự cố thiết kế cơ bản (Design Basis Accident). Sự cố thiết kế cơ bản là sự cố được giả định từ trước để xem xét và định hướng cho tính toán thiết kế lò phản ứng hạt nhân và các hệ thống an toàn nhằm đưa lò phản ứng đang ở tình trạng sự cố trở về trạng thái không nguy hiểm. Ví dụ: (1) Vấn đề an toàn đối với độ phản ứng dương: Với giả thiết khi có sự cố độ phản ứng dương, người ta phải thiết kế vùng hoạt lò phản ứng sao cho nó có hệ số an toàn nội tại cao nhất có thể (các hệ số nhiệt độ và áp suất âm) và hệ thống dập lò khẩn cấp phải làm việc có hiệu quả và ngay tức thì khi sự kiện suất hiện. (2) Vấn đề an toàn đối với sự cố mất lưu lượng chất tải nhiệt: Với giả thiết mất lưu lượng nước tải nhiệt trong lò nước sôi (BWR), ví dụ trong trường hợp mất nguồn điện tự dùng cho các máy bơm, đồng nghĩa với bơm tuần hoàn tải nhiệt và bơm sau bình ngưng bị dừng, bơm tuần hoàn vùng hoạt dừng và bơm cấp nước bình ngưng cũng bị dừng, người ta phải thiết kế sao cho van an toàn giảm hơi trong thùng lò phải tự động mở/đóng hợp lý và hệ thống dập lò khẩn cấp phải tự động làm việc có hiệu quả. Sự cố vượt khỏi thiết kế cơ bản (Beyond Design Basis Accident). Sự cố vượt khỏi thiết kế cơ bản xảy ra khi các hệ thống an toàn (hệ tự động dập lò khẩn cấp, hệ làm nguội vùng hoạt khẩn cấp, ) không thực hiện được chức năng bảo vệ khiến cho hàng rào che chắn thứ nhất (nhiên liệu và vỏ bọc nhiên liệu) bị phá hủy. Theo cách phân loại này thì các sự cố xảy ra ở nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island (một phần vùng hoạt bị phá hủy) và nhà máy điện hạt nhân Chernobyl (vùng hoạt bị phá hủy hoàn toàn) đều thuộc loại sự cố vượt thiết kế vơ bản hay là những tai nạn. 2.1.3 Một số sự cố lớn đã xảy ra. (1) Sự cố nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island. Nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island thuộc loại lò phản ứng nước áp lực, có hai lò phản ứng với công suất 905 MW, bị xảy ra sự cố vào năm 1979. Do trục trặc kỹ thuật, việc cung cấp nước cho hai bình sinh hơi bị ngừng hoạt động. Vì vậy, mực nước trong các bình sinh hơi giảm nên ngay lập tức hệ dập lò khẩn 14
15. cấp hoạt động để đưa lò phản ứng về trạng thía dưới tới hạn theo điều kiện dập tắt lò sự cố và hệ thống cấp nước sự cố cho bình sinh hơi cũng làm việc. Mặc dù vậy, mực nước trong bình sinh hơi vẫn giảm, quá trình trao đổi nhiệt từ hệ thống tải nhiệt vòng 1 sang hệ thống tải nhiệt vòng 2 cũng giảm theo và áp suất trong lò tăng lên nhanh chóng. Sở dĩ như vậy là vì các van sau máy bơm của hệ thống cấp nước sự cố cho bình sinh hơi bị đóng trong thời gian sửa chữa định kỳ trước đó 2 tuần lễ mà vận hành viên không biết. Do đó, chỉ trong vài giây, áp suất trong lò đã vượt quá giới hạn cho phép và van xả áp của bình điều áp mở ra để giảm bớt áp suất vòng 1. Điều không may mắn thứ nhất là van xả áp không tự động đóng lại khi áp suất trong lò đạt đến giới hạn thấp nhất của điều kiện vận hành nhưng trên bàn điều khiển tín hiệu lại vẫn chỉ ra rằng van xả áp đã đóng kín. Vì vậy, áp suất trong lò tiếp tục giảm và hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt (ECCS) hoạt động. Điều không may mắn thứ hai là dụng cụ đo mức nước trong bình điều áp chỉ thị sai. Theo chỉ thị của dụng cụ đo, người vận hành hiểu rằng ECCS đã đưa nước vào lò phản ứng quá nhiều làm mức nước trong bình điều áp tăng lên quá giới hạn quy định. Chính vì vậy, để ngăn chặn nước tràn đầy bình điều áp làm khó khăn cho việc điều tiết áp suất vòng 1 và gây hỏng các bơm cao áp, cán bộ vận hành đã tắt 2 trong 3 máy bơm cao áp. Trong khi đó, van xả áp vẫn không đóng lại, hơi nước vẫn xả ra, áp suất trong vòng 1 vẫn tiếp tục giảm đến điểm bão hòa của nước và trong vùng hoạt đã xảy ra hiện tượng sôi nước. Hơi lẫn trong nước tràn vào bình điều áp và lưu thông trong hệ thống tải nhiệt vòng 1. Nửa giờ sau khi bắt đầu xảy ra sự cố, 4 máy bơm tuần hoàn vòng 1 rung dữ dội do tác động của hơi lẫn trong nước tải nhiệt vòng 1. Việc tải nhiệt vùng hoạt lúc này hoàn toàn phụ thuộc vào chế độ đối lưu tự nhiên. Trong khi đó, 2/3 vùng hoạt bị lộ trần do van xả áp không đóng lại và nước-hơi trong lò vẫn tiếp tục thoát ra. Nhiệt độ trong lò tăng rất cao (2200oC) và phản ứng ô-xy hóa vỏ thanh nhiên liệu đã tạo ra một lượng lớn khí hydro. Một phần lượng khí này ở lại trong lò, phần khác rò rỉ ra không gian trong nhà bảo vệ lò phản ứng. Sau 2,5 giờ kể từ lúc bắt đầu xảy ra sự cố, nhân viên vận hành đã phát hiện ra hiện tượng mất chất tải nhiệt và đã đóng van cách ly của bình điều áp ở ngay trước van xả áp, đồng thời hệ tải nhiệt lò phản ứng được khôi phục hoạt động trở lại bình thường nhưng toàn bộ các thanh nhiên liệu đã bị nóng chảy và khí hydro đã cháy nổ trong phòng bảo vệ nhà lò. Lượng phóng xạ thoát ra môi trường vào cỡ 1,1x107 Bq, chỉ bằng 1/100 lượng phóng xạ thoát ra từ sự cố nhà máy điện hạt nhân Chernobyl. Sự cố này gây tác hại tới đời sống của dân chúng không nhiều vì các chất phóng xạ thoát ra phần lớn bị giam giữ lại bởi lớp vỏ bảo vệ nhà lò. Qua sự việc trên, người ta có thể rút ra rằng nguyên nhân chính của sự cố nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island là do lỗi thao tác của vận hành viên (quên không mở van phía sau máy bơm cấp nước cho bình sinh hơi, cắt hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt và các máy bơm tuần hoàn vòng 1) và hỏng hóc thiết bị (hỏng van xả áp và dụng cụ đo mức nước ở bình điều áp). Diễn biến sự cố này được tóm tắt trên hình 1. 15
16. Hình 1. Diễn biến sự cố nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island. Bơm cấp nước chính cho bình sinh hơi bị hỏng Nước cấp không vào bình sinh hơi Hệ cung cấp nước cấp sự cố cho bình sinh hơi làm việc Mất khả năng truyền nhiệt từ vòng 1 Van sau bơm nước cấp sự cố bị đóng sang vòng 2; Áp suất lò tăng Tín hiệu dập lò sự cố xuất hiện; Hệ Van xả áp của bình điều áp tự động mở tự động dập lò sự cố làm việc Áp suất trong lò hạ xuống ECCS tự động làm việc Van xả áp của bình điều áp vẫn mở do kẹt Áp suất của lò tăng chậm Nhân viên vận hành tắt ECCS do tín hiệu báo mức nước ở bình điều áp sai Áp suất trong lò giảm nhanh đến mức bão hòa Nước trong lò sôi Bơm tuần hoàn vòng 1 rung mạnh Vùng hoạt hở 2/3 Nhân viên vận hành tắt bơm tuần hoàn vòng 1 Nhiệt độ vùng hoạt tăng rất nhanh; H2 sinh ra do ô-xy hóa vỏ thanh nhiên liệu Các thanh nhiên liệu nóng chảy; và thoát ra gian bảo vệ lò một phần Nổ gian bảo vệ lò do cháy H2 16
17. Lò phản ứng Three Mile Island (2) Sự cố nhà máy điện hạt nhân Chernobyl. Sự cố nhà máy điện hạt nhân RBMK-1000 xảy ra năm 1986 ở Chernobyl (Liên xô cũ). Lò RBMK-1000 công suất 32000 MWth được làm chậm bằng graphit và tải nhiệt bằng các kênh nước sôi. Nguyên nhân chính của sự cố nhà máy điện hạt nhân Chernobyl thuộc loại sự cố độ phản ứng dương. Tiến trình phát triển của sự cố được tóm lược như sau: Trước khi dừng lò để sửa chữa theo kế hoạch, người ta thiết lập một chương trình thử nghiệm tuabin – máy phát điện trong chế độ chạy tải tự dùng lúc hạ công suất lò, với mục đích kiểm tra khả năng sử dụng cơ năng còn lại của rotor máy phát sau khi đã tắt hơi vào tuabin để duy trì đường điện tự dùng trong điều kiện mất điện toàn bộ. Đầu tiên, công suất lò phản ứng được hạ xuống mức bằng nửa công suất danh định và theo chương trình thử nghiệm: hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt lúc đó được ngắt khỏi lò. Việc không cho hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt sẵn sàng hoạt động như vậy là vi phạm quy chế vận hành an toàn lò phản ứng. Cũng theo kế hoạch thử nghiệm, thí nghiệm sẽ được tiến hành ở công suất 700 – 1000 MWth nhưng cán bộ vận hành đã không giữ được công suất lò ở mức này mà nó bị tụt xuống 30 – 40 MWth. Hiện tượng này xảy ra phù hợp với quy luật vật lý và nhiệt thủy động lò phản ứng vì khi lò đang hoạt động ở mức công 17
18. suất cao được hạ xuống mức công suất thấp như vậy, quá trình ngộ độc Xenon diễn ra rất phức tạp (đầu tiên tăng, sau giảm) bên cạnh các hiệu ứng khác (thăng giáng nhiệt độ và áp suất, ) Trong quy phạm vận hành, sau khi dừng lò (hoặc hạ thấp công suất như vậy) khoảng một ngày, người ta mới khởi động lò trở lại để tránh hiệu ứng hố Iốt do Xenon tạo ra. Nhưng do yêu cầu của thí nghiệm về mức công suất 700 – 1000 MWth, nhân viên vận hành đã rút các thanh điều khiển ra khỏi vùng hoạt nhiều hơn số lượng quy phạm vận hành quy định. Việc bổ sụng thêm hai máy bơm tuần hoàn hoạt động khi công suất lò còn ở 200 MWth ( theo kế hoạch thí nghiệm, công suất lò phải là 700 – 1000 MWth) gây ra lưu lượng nước qua vùng hoạt vượt quá giới hạn cho phép. Điều đó dẫn đến giảm sự hóa hơi, tụt áp suất và thay đổi các thông số kỹ thuật khác của lò phản ứng. Trong điều kiện đó, để lò phản ứng không bị tắt bởi tác dụng của hệ thống dập lò khẩn cấp, nhân viên vận hành đã khóa các tín hiệu bảo vệ sự cố. Lò phản ứng nằm trong tình trạng không bình thường vì quy chế vận hành bị vi phạm nghiêm trọng. Chính vì vậy khi độ phản ứng dương xuất hiện do rút các thanh điều khiển ra khỏi vùng hoạt nhiều hơn quy định, công suất lò tăng lên rất nhanh với chu kỳ tăng công suất rất bé, bé hơn quy định và khi đó hệ thống dập lò khẩn cấp không thể làm việc kịp thời để đưa lò phản ứng về trạng thái an toàn (do nhân viên vận hành đã khóa tín hiệu bảo vệ sự cố). Công suất lò tăng nhanh dẫn đến sự hóa hơi dữ dội của nước tải nhiệt và khủng hoảng trao đối nhiệt. Các thanh nhiên liệu bị nóng quá mức và bị phá hủy. Nước tải nhiệt bị sôi quá mức làm áp suất trong các kênh tải nhiệt tăng nhanh. Hậu quả là một vụ nổ lớn đã xảy ra, phá vỡ toàn bộ lò phản ứng và một phần gian nhà lò. Quá trình phát triển của sự cố nhà máy điện hạt nhân Chernobyl được trình bày trên hình 2. Tổng cộng chất phóng xạ đã thoát ra môi trường là 12 x 1010 Bq. Một vùng cấm được thiết lập với bán kính 30 km và khoảng 116.000 người đã phải sơ tán tránh phóng xạ. Nguyên nhân cơ bản của sự cố nhà máy điện hạt nhân Chernobyl chủ yếu là do lỗi của con người (thiếu hiểu biết về văn hóa an toàn và thực hiện sai với quy phạm vận hành nhà máy), một phần do đặc điểm thiết kế của loại lò này, như: hệ số rỗng dương và lớn (+2,0 10-4/%) trong khi hiệu ứng Doppler chỉ bằng -1,210-5/oC. Hậu quả của sự cố nhà máy điện hạt nhân Chernobyl là rất năng nề, gây ô nhiễm phóng xạ môi trường trên các phần lãnh thổ rộng lớn của Ukraina, Belarut và Nga. Sở dĩ có hậu quả như vậy là vì nhà máy kiểu lò phản ứng Chernobyl không có vỏ bảo vệ nhà lò nên tất cả các chất phóng xạ đều có thể thoát trực tiếp vào môi trường. 18
19. Hình 2. Quá trình diễn biến sự cố nhà máy điện hạt nhân Chernobyl. Công suất tụt xuống 30-40MWt mà thí nghiệm cần để lò ở công suất 700-1000 MWth Tăng lưu lượng tải nhiệt qua Rút các thanh điều khiển ra vùng hoạt ngoài không bình thường Giảm hóa hơi của nước Số phản ứng phân hạch tăng Áp suất trong lò giảm Số nơtron tăng nhanh Tín hiệu báo động sự cố không Hiệu ứng Doppler xuất hiện do bị cắt làm cho hệ dập lò sự cố không hoạt động Công suất lò và nhiệt độ nhiên liệu tăng nhanh Hóa hơi của nước tăng, khủng hoảng trao đổi nhiệt, áp suất và nhiệt độ lò tăng Vùng hoạt, hệ thống tải nhiệt và gian nhà lò bị phá hủy Các chất phóng xạ thoát ra ngoài (12x 1010 Bq) 19
20. Lò phản ứng RBMK-1000 1. Graphit (moderator); 2. Thanh điều khiển; 3. Thanh nhiên liệu; 4. Nước tải nhiệt lò lối ra; 5. Nước tải nhiệt lò lối vào; 6. Máy tách hơi 7. Ống dẫn hơi; 8. Tuabin áp suất cao; 9. Tuabin áp suất thấp; 10. Máy phát điện; 11. Máy bơm; 12. Lối ra của nước sau khi hơi ngưng tụ lại; 13. Nước tải nhiệt bình ngưng. 20
21. Chương 3. BẢO VỆ AN TOÀN HẠT NHÂN THEO CHIỀU SÂU 3.1 Nguyên tắc bảo vệ an toàn hạt nhân theo chiều sâu, các barie (rào chắn) và hệ thống an toàn 3.1.1 Nguyên tắc bảo vệ an toàn hạt nhân theo chiều sâu Bảo vệ an toàn hạt nhân theo chiều sâu bao gồm việc triển khai có thứ tự với các mức độ khác nhau đối với thiết bị máy móc và các thủ tục để duy trì hiệu quả của các barie vật lý ngăn cách giữa các vật liệu phóng xạ và nhân viên làm việc, dân cư hay môi trường trong khi vận hành bình thường hoặc khi có các sự cố hạt nhân đối với một vài barie cho phép. Để hạn chế hậu quả của sự cố hạt nhân, bảo vệ theo chiều sâu được thực hiện với nhiều mức che chắn nhằm bảo đảm 3 chức năng cơ bản của hệ thống an toàn: điều khiển công suất, làm mát vùng hoạt và giam giữ phóng xạ. Điều quan trọng hơn cả là phải ngăn ngừa sự cố, đặc biệt là sự cố có thể làm thoát phóng xạ ra môi trường. Ngăn ngừa sự cố được thực hiện trên ba phương diện: thứ nhất, đảm bảo chất lượng trong các giai đoạn như lựa chọn địa điểm, thiết kế, chế tạo và xây dựng; thứ hai, các hệ thống an toàn (hệ điều khiển, hệ chỉ thị số, ) phải hoạt động chính xác để điều chỉnh mọi sai lệch về trạng thái bình thường; thứ ba, các nhân viên vận hành được đào tạo tới trình độ có thể chuẩn đoán các nguy cơ sự cố và sử dụng các biện pháp cần thiết để dập tắt các nguy cơ đó. Hơn nữa, các hệ thống an toàn của nhà máy điện hạt nhân được thiết kế theo những nguyên tắc nhất định nhằm giảm bớt việc hỏng hóc của thiết bị máy móc vì những nguyên nhân chung. Các nguyên tắc đó là: Nguyên tắc dự phòng: Trang bị số lượng dư thừa các hệ thống an toàn thực hiện cùng một chức năng. Nguyên tắc độc lập: Sự thực hiện chức năng của một hệ thống không phụ thuộc vào hoạt động của các hệ thống khác. Nguyên tắc tách rời: Sự phân chia vật lý của các hệ thống thực hiện cùng một chức năng bằng barie (rào) ngăn cách hoặc phân bố các hệ thống đó xa nhau một khoảng nhất định để giảm bớt xác suất hỏng hóc cùng một lúc. Nguyên tắc khác biệt: Các hệ thống hoặc thiết bị máy móc có cấu trúc và nguyên tắc làm việc khác nhau nhưng cùng có chung một nhiệm vụ. Do có những nguyên tắc thiết kế như vậy nên chức năng bảo đảm an toàn và hạn chế hậu quả sự cố hạt nhân của các hệ thống thiết bị máy móc luôn được thực hiện trong quá trình vận hành nhà máy. 21
22. Khi nói đến bảo vệ an toàn hạt nhân tức là nói đến các biện pháp bảo vệ an toàn nhà máy điện hạt nhân trong các trường hợp thiết bị hoạt động bình thường và không bình thường. Trong trường hợp thiết bị hoạt động bình thường, an toàn hạt nhân dược thực hiện trên nguyên lý “tốt nhất có thể được”. Trong trường hợp thiết bị hoạt động không bình thường, an toàn hạt nhân được thực hiện trên nguyên lý “bảo vệ theo chiều sâu” theo 4 mức như sau (xem hình 3): Ngăn ngừa sự xuất hiện của các sự kiện bất thường. Ngăn ngừa sự phát triển của các sự khiện bất thường thành sự cố. Hạn chế hậu quả của sự cố hạt nhân. Loại trừ hậu quả của sự cố hạt nhân đối với môi trường. Hình 3. Sơ đồ bảo vệ theo chiều sâu về an toàn nhà máy điện hạt nhân. Sơ đồ bảo vệ theo chiều sâu Các biện pháp bảo vệ theo chiều sâu: Loại - Biện pháp lựa chọn địa điểm trừ hậu - Kế hoạch khắc phục sự cố quả đối với môi trường - Các hệ làm nguôi vùng hoạt Hạn chế hậu quả của - Hệ thống giam giữ chất phóng xạ sự cố hạt nhân - Lựa chọn địa điểm Ngăn ngừa sự phát triển các sự - Đặc trưng an toàn nội tại sự kiện bất thường thành sự cố - Hệ tự động tắt lò sự cố - Văn hóa an toàn Ngăn ngừa sự xuất hiện của -Chất lượng thiết bị các sự kiện bất thường - Vận hành - Hệ thống điều khiển 3.1.2 Các barie (rào chắn) an toàn Yêu cầu quan trọng nhất của nguyên lý bảo vệ an toàn hạt nhân theo chiều sâu là thiết lập các barie an toàn (các rào chắn). Một số các rào chắn kế tiếp nhau để giam giữ các vật liệu phóng xạ được thiết kế cho lò phản ứng hạt nhân. Thiết kế các rào chắn này có thể thay đổi tùy thuộc vào tác dụng của vật liệu và vào sự sai lệch có thể khỏi trạng thái vận hành bình thường mà sự sai lệch đó có khả năng dẫn đến sự hỏng hóc của một số rào chắn. Đối với lò sử dụng nước làm chậm, có 3 rào chắn như theo sơ đồ sau (hình 4). 22
23. Rào chắn an toàn thứ nhất được tạo thành từ tổ hợp nhiên liệu và vỏ bọc nhiên liệu. Trong trường hợp sản phẩm phân hạch thoát vào chất tải nhiệt, sự lan truyền tiếp theo của chúng bị giam giữ lại bởi hệ thống tải nhiệt vòng 1: các ống dẫn và các kết cấu thùng lò phản ứng. Đó cũng chính là rào chắn an toàn thứ hai. Khi có rò rỉ hoặc vỡ rào chắn an toàn thứ hai, sản phẩm phân hạch phóng xạ sẽ bị giữ lại trong hệ thống che chắn của nhà bảo vệ lò phản ứng (Hình 3-Phụ lục) Hình 4. Sơ đồ các rào chắn trong bảo vệ an toàn theo chiều sâu. Vật liệu phóng xạ Rào chắn thứ nhất: nhiên liệu và vỏ bọc nhiên liệu Rào chắn thứ hai: các đường ống của hệ tải nhiệt lò Rào chắn thứ ba: nhà bảo vệ lò phản ứng (1) Rào chắn an toàn thứ nhất – thành phần tỏa nhiệt Các thành phần tỏa nhiệt (tổ hợp nhiên liệu hạt nhân và vỏ bọc nhiên liệu) phải giữ được sự toàn vẹn cơ học trong suốt quá trình ở trong lò phản ứng, trong giai đoạn bảo quản và cả khi vận chuyển. Sự giãn nở của chúng về độ dài và thể tích không được vượt quá giới hạn cho phép làm hư hại đến rào chắn. Thành phần tỏa nhiệt bị coi là hỏng khi có sự phá vỡ tính nguyên vẹn của vỏ bọc nhiên liệu và sản phẩm phân hạch có thể thoát ra chất tải nhiệt lò phản ứng. Phần lớn các lò phản ứng năng lượng hiện nay sử dụng thành phần tỏa nhiệt dưới dạng thanh với nhiên liệu là các viên dioxit urani ở trong vỏ thanh nhiên liệu bằng thép không gỉ hoặc hợp kim Zr. Tổ hợp nhiên liệu hạt nhân và vỏ bọc của thanh nhiên liệu tạo thành rào chắn an toàn thứ nhất. a. Nhiên liệu hạt nhân Trong lò phản ứng hạt nhân phần nhiều hạt nhân nhiên liệu hấp thụ nơtron và trở thành hạt nhân phân hạch, tạo ra các sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ. Vì vậy, các tính chất cơ học, hóa lý và thành phần nhiên liệu hạt nhân cũng thay đổi. Nhiên liệu hạt nhân trong lò phản ứng chịu một tải trọng nhiệt rất cao, khoảng 450 W/cm2, và trong điều kiện chênh lệch nhiệt độ theo tiết diện nhiên 23
24. liệu cũng rất lớn, khoảng vài trăm độ C. Nhiên liệu dioxit urani trong điều kiện làm việc bình thường của lò phản ứng chứa khoảng 98% sản phẩm phân hạch phóng xạ; chỉ 1 -2% sản phẩm phóng xạ này ở dạng khí và dễ bốc hơi (Kr, Xe, I, ) sẽ khuếch tán vào vùng thể tích giữa nhiên liệu và vỏ bọc thanh nhiên liệu. Nếu vỏ bọc thanh nhiên liệu kín thì các sản phẩm phân hạch khí phóng xạ không thoát ra ngoài vào chất tải nhiệt được. 8 4,2 m 14 Hợp kim ziriconi Khí He Phía dưới Viên nhiên liệu UO2 Thanh nhiên liệu Khả năng giữ lại các sản phẩm phân hạch trong thanh nhiên liệu phụ thuộc vào nhiệt độ và chế độ cháy nhiên liệu. Khi nhiệt độ dưới 1000oC thì dioxit urani giữ lại hầu hết các sản phẩm phân hạch, kể cả sản phẩm phân hạch dưới dạng khí. Nhiệt độ nhiên liệu càng tăng và chế độ cháy càng tăng thì khả năng giữ các sản phẩm phân hạch lại trong vỏ bọc thanh nhiên liệu càng ít. Quá trình khuếch tán và vận tốc thoát từ nhiên liệu ra ngoài của các sản phẩm phân hạch được xác định theo hàm số mũ, exp(-E/kT), ở đây E là năng lượng nơtron, T – nhiệt độ nhiên liệu và k – hằng số Boltzman. Khi nhiệt độ đạt tới 1600oC, một tỷ lệ lớn các sản phẩm khí sẽ thoát rất nhiều ra khỏi nhiên liệu. Để tổ hợp nhiên liệu hạt nhân và vỏ bọc thanh nhiên liệu làm tròn chức năng rào chắn an toàn thứ nhất cần phải làm sao cho tác động về nhiệt độ của nhiên liệu với chất tải nhiệt ở mức tối thiểu nhất. Một trong những tiêu chuẩn quan trọng nhất xác định điều kiện làm việc của nhiên o liệu hạt nhân là nhiệt độ nóng chảy (UO2 nóng chảy ở nhiệt độ 2865 C). Sự nóng chảy của nhiên liệu phải được xem xét như sự phá hủy chức năng rào chắn an toàn không chỉ riêng nhiên liệu mà của toàn bộ thanh nhiên liệu. b. Vỏ bọc thanh nhiên liệu Vỏ thanh nhiên liệu có nhiệm vụ đảm bảo tính nguyên vẹn, độ bền vững cơ học và ngăn cản sự thoát vật liệu phóng xạ vào nước tải nhiệt vòng 1 lò phản ứng. Yêu cầu chính đối với vỏ thanh nhiên liệu là đảm bảo độ bền và độ kín trong điều kiện hoạt động bình thường và trong điều kiện sự cố có thể suốt thời gian của chu trình nhiên liệu, cũng như độ chịu đựng bức xạ trong điều kiện bị chiếu xạ lâu dài. Riêng độ kín của vỏ thanh nhiên liệu phải được duy trì trong suốt thời gian làm việc và thời gian lưu giữ nhiên liệu đã sử dụng sau đó. 24
25. Trong suốt thời gian sử dụng và lưu giữ thanh nhiên liệu, vỏ thanh phải chịu đựng tác động của nhiều yếu tố khác nhau. Đó là tác động ăn mòn (gỉ) và tác động áp lực từ cả hai phía: chất tải nhiệt và nhiên liệu, là tác động của sự thay đổi nhiệt độ lặp đi lặp lại khi thay đổi chế độ làm việc của lò phản ứng (khởi động, dừng, công suất, ), là sự giãn nở thể tích vì bức xạ, và là sự quá nhiệt trong các trường hợp sự cố. Đối với nguyên liệu được sử dụng làm vỏ thanh nhiên liệu, các tính chất sau đây phải được đặt lên hàng đầu: độ bền khi chiếu xạ, tính chống giòn, tính giãn nở thể tích, tính chống rão khi chiếu xạ và thính chống ăn mòn. Khi lên công suất lò hoặc giảm lưu lượng chất tải nhiệt qua lò từ từ thì nhiệt độ của vỏ thanh nhiên liệu sẽ là thông số quyết định tính nguyên vẹn của thanh nhiên liệu. Vỏ sẽ bị phá hủy khi sức căng vượt quá giới hạn độ bền, mà giới hạn này lại phụ thuộc vào nhiệt độ. Giá trị nhiệt độ này được xác định như là tiêu chuẩn của tình trạng sự cố và phải được xác định cho các điều kiện cụ thể của mỗi loại lò. c. Các giới hạn của sự phá hỏng thanh nhiên liệu. Giới hạn cho phép đối với thanh nhiên liệu của lò nước nhẹ như sau: - Số lượng thanh nhiên liệu có vi khuyết tật không được vượt quá 0,1 – 1%. - Số lượng thanh nhiên liệu có tiếp xúc trực tiếp giữa nhiên liệu với chất tải nhiệt (độ hở của vỏ bọc) không được vượt quá 0,01 – 0,1% tổng số thanh nhiên liệu có trong vùng hoạt. Thực tế vận hành cho thấy rằng chỉ số trên đây thường là nhỏ hơn ở các lò đang hoạt động. d. Các tiêu chuẩn tính nguyên vẹn của rào chắn thứ nhất. Để bào đảm sự nguyên vẹn của rào chắn thứ nhất, các giới hạn thiết kế sau đây được thiết lập: - Bảo đảm sự truyền nhiệt nằm trong giới hạn. - Nhiệt độ ở trung tâm viên nhiên liệu thấp hơn nhiệt độ nóng chảy dioxit urani (không vượt quá 2700oC). - Áp suất chất khí trong khoảng không giữa nhiên liệu và vỏ thanh nhiên nhiên liệu ở cuối chu kỳ nhiên liệu phải nhỏ hơn áp suất tiêu chuẩn bên ngoài. - Sự phá hủy vỏ thanh nhiên liệu nhỏ hơn 0,7 – 1%. - Sự phá hủy do tính mỏi tích lũy theo chu kỳ nhỏ hơn 80% lượng thiết kế. (2) Hệ thống vòng 1 - Rào chắn thứ hai a. Những nét chung Rào chắn thứ hai để chặn vật liệu phóng xạ đang trên đường thoát ra ngoài là thùng lò phản ứng, các đường ống dẫn và các kết cấu vỏ của các thiết bị 25
26. khác như bình sinh hơi, bình trao đổi nhiệt, Hệ thống vòng 1 đảm bảo giam giữ chất tải nhiệt trong điều kiện áp suất, nhiệt độ khi làm việc và đảm bảo việc giữ lại các sản phẩm phân hạch phóng xạ thoát ra từ thanh nhiên liệu. (Hình 3- Phụ lục) Chức năng của hệ thống vòng 1 là tải được nhiệt sinh ra trong vùng hoạt trong thời gian lò phản ứng làm việc bình thường. Ngoài ra, hệ thống vòng 1 còn phải có chức năng như là một phần của hệ thống tải nhiệt dư còn lại sau khi dừng lò và như là một phần của hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp khi sự cố mất chất tải nhiệt xảy ra. Thùng lò phải đảm bảo độ kín trong suốt thời gian vận hành lò phản ứng (khoảng 40 – 60 năm). Vì vậy, vật liệu cấu trúc của thùng lò phải thỏa mãn yêu cầu độ chống ăn mòn và độ bền vững chống lại bức xạ cao. Thêm nữa, thùng lò còn phải đạt yêu cầu bền vững khi làm việc lâu dài trong các điều kiện vận hành (áp suất, nhiệt độ, phổ nơtron, sự thay đổi nhiệt độ, ) Tất cả các thiết bị và ống dẫn vòng 1 phải chịu đựng được và không có hư hỏng khi thử tải trọng tĩnh và động, với tác động của nhiệt độ cao trong các điều kiện của sự cố khác nhau. b. Yêu cầu đối với các hệ thống thuộc vòng 1. Cấu trúc của hệ thống vòng 1 phải bảo đảm sự tuần hoàn tự nhiên của chất tải nhiệt lò phản ứng, đảm bảo tải nhiệt dư và ngăn ngừa tăng giới hạn nhiệt độ của thanh nhiên liệu và các giới hạn về nhiệt độ và áp suất trong hệ thống vòng 1. Các máy bơm tuần hoàn chính phải có đủ độ ỳ sao cho các đặc tính về lưu lượng còn lại đảm bảo các thanh nhiên liệu không bị hư hỏng. Yêu cầu này đặc biệt quan trong khi sự cố mất điện tự dùng xảy ra. Để đảm bảo khả năng làm việc lâu dài của hệ thống tải nhiệt vòng 1 và ngăn ngừa các tác động nhiệt độ, ăn mòn, cơ học, lên kết cấu của thiết bị, chế độ hóa – nước, áp suất, nhiệt độ, của chất tải nhiệt trong hệ thốn vòng 1, vận tốc chất tải nhiệt và đặc tính dòng chảy phải luôn luôn trong giới hạn cho phép. Các hệ thống bảo vệ an toàn khi làm việc phải không làm hư hại thiết bị và hệ thống tải nhiệt vòng 1. Hệ thống vòng 1 cần phải có thiết bị chuyên dụng có khả năng kiểm tra, thử nghiệm và quan sát tổng thể và nguyên vẹn của hệ thống trong suốt thời gian vận hành lò, song song với việc kiểm tra vật liệu thùng lò và tình trạng các mối hàn. Các thiết bị để phát hiện và đo đếm sự rò rỉ phóng xạ từ vòng 1 cũng cần được trang bị. c. Tiêu chuẩn nguyên vẹn của rào chắn an toàn thứ hai. 26
27. Rào chắn thứ hai (hệ thống chứa chất tải nhiệt lò phản ứng) phải đảm bảo giam giữ và lưu thông chất tải nhiệt trong điều kiện vận hành mà không hề có sự hỏng hóc và thoát phóng xạ ra ngoài. Bảo đảm không xảy ra hỏng hóc đối với tất cả các sự cố thiết kế cơ bản, kể cả sự cố thiết kế cực đại. (3) Hệ thống bảo vệ lò phản ứng – rào chắn an toàn thứ ba. Trong tình trạng sự cố liên quan đến mất chất tải nhiệt (LOCA), rào chắn thứ ba - nhà bảo vệ lò phản ứng có vai trò rất quan trọng để giam giữ các vật liệu phóng xạ, không để chúng thoát ra ngoài môi trường. Nhà bảo vệ lò là một hệ thống an toàn nhằm cô lập sự cố. Nhà bảo vệ lò được trang bị hàng loạt các hệ thống phụ trợ để thực hiện tốt chức năng giam giữ các chất phóng xạ. Rào chắn an toàn thứ ba có các chức năng như sau: - Giữ được áp suất tăng cao ở bên trong nhà bảo vệ trong tất cả các trường hợp vòng 1 bị phá hủy, ví dụ sự cố mất chất tải nhiệt lò phản ứng (LOCA). - Hạn chế sự tỏa năng lượng khi có sự cố LOCA để ngăn ngừa sự gia tăng áp suất bên trong nhà bảo vệ lò cao hơn giới hạn thiết kế bằng cách phối với với hoạt động của hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp khi có sự cố. - Hạn chế sự thoát ra môi trường của các chất phóng xạ trong và sau thời gian xảy ra sự cố LOCA. - Giảm áp suất và nhiệt độ bên trong nhà bảo vệ lò sau khi sự cố LOCA xảy ra. Hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp nhằm làm vùng hoạt khi có sự cố, còn các hệ thống chuyên dụng khác (hệ thống quạt, hệ thống phun nước nhà lò, ) sẽ giảm áp suất và nhiệt độ trong nhà bảo vệ lò. Trong nhà bảo vệ lò còn có khí hydro do các phản ứng nhiệt hóa và điện ly nước. Vì vậy, cần phải trang bị một hệ thống kiểm tra thành phần các khí có ở trong không gian nhà bảo vệ lò để ngăn ngừa sự tích tụ các khí dễ gây nổ. Rào chắn chứ ba cần phải thực hiện được chức năng của mình trong tình trạng xảy ra sự cố kèm theo các tác động cơ học, nhiệt, hóa học từ hỗn hợp các chất có trong vùng hoạt thoát ra. Áp suất trong nhà bảo vệ lò cần được duy trì ở mức vài kPa (1at = 1kG/cm2 = 9,18.104 Pa), phụ thuộc vào năng lượng tỏa ra khi có sự cố và thể tích của nhà bảo vệ lò. Độ hở cho phép theo thiết kế của nhà bảo vệ lò không được vượt quá 0,1 – 1% thể tích của nhà bảo vệ lò trong một ngày đêm. Áp suất tăng sau khi chất tải nhiệt chảy ra ngoài hệ thống tải nhiệt vòng 1 là một trong các nguyên nhân chính khiến sản phẩm phân hạch phóng xạ thoát ra ngoài nhà bảo vệ lò. Vì vậy, việc giảm áp suất nhờ hệ thống làm ngưng tụ hơi nước sinh ra trong quá trình sự cố hoặc nhờ hệ thống quạt sẽ giữ lại lượng chất 27
28. thải phóng xạ trong nhà bảo vệ lò phản ứng một cách hữu hiệu. Trong nhà bảo vệ cũng được lắp đặt các phin lọc đặc biệt nhằm giữ lại các sản phẩm phóng xạ như I, Cs. Các thiết bị của nhà bảo vệ lò (van, hệ thống tải nhiệt, hệ thống giảm áp suất, ) phải có đủ năng lượng, sức tải và phải có dự phòng để thực hiện tốt chức năng của mình khi hỏng hóc hoặc không làm việc của bất kỳ thành phần thiết bị nào của hệ thống. Hệ thống bảo vệ phải được kiểm tra theo định kỳ trong suốt thời gian vận hành. 3.1.3 Các hệ thống an toàn. (1) Khái niệm chung về các hệ thống an toàn. Sự đảm bảo an toàn nhà máy điện hạt nhân khi có triệu chứng sinh ra sự cố được thực hiện bằng cách trang bị cho nhà máy các hệ thống đặc biệt có tác dụng dự báo, ngăn ngừa và hạn chế hậu quả sự cố. Các hệ thống có tính năng như vậy được gọi là chung là hệ thống an toàn. Hệ thống an toàn có nhiệm vụ chính như: dừng lò an toàn, tải nhiệt dư và hạn chế sự thải phóng xạ ra môi trường. Các hệ thống an toàn hoạt động theo nguyên tắc chủ động (active) và thụ động (passive): - Nguyên tắc chủ động trong hoạt động của hệ thống hay thiết bị là nguyên tắc mà ở đó để thực hiện một chức năng đã dự định cần phải đảm bảo một vài điều kiện nào đó như: ra lệnh bật hay cung cấp năng lượng, Các hệ thống và thiết bị hoạt động tuân theo nguyên tắc chủ động được gọi là các hệ thống và thiết bị chủ động. - Nguyên tắc thụ động trong hoạt động của hệ thống hay thiết bị là nguyên tắc mà theo đó để thực hiện chức năng cho trước không cần đến sự làm việc của các hệ thống và thiết bị khác. Các hệ thống thụ động hoạt động dưới ảnh hưởng của các tác động trực tiếp từ hiện tượng ban đầu. Hệ thống an toàn được chia ra thành các nhóm chính như: bảo vệ, cô lập, điều khiển, và đảm bảo: - Hệ thống bảo vệ ngăn ngừa hoặc hạn chế gây ra hư hại nhiên liệu hạt nhân, vỏ thanh nhiên liệu và hệ thống vòng 1. Hệ thống bảo vệ cơ bản là hệ thống dừng lò khẩn cấp và hệ thống tải nhiệt khẩn cấp khi có sự cố (hay người ta thường gọi là hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp (ECCS) khi có sự cố. - Hệ thống cô lập có công dụng để ngăn ngừa hoặc hạn chế sự thoát các chất phóng xạ ra bên trong và bên ngoài nhà máy khi sự cố xảy ra (hệ làm giảm áp suất và nhà bảo vệ lò phản ứng). - Hệ thống điều khiển có nhiệm vụ đưa các hệ thống an toàn vào hoạt động; kiểm soát và điều khiển các hệ thống đó trong việc thực hiện chức năng đã quy định. 28
29. - Hệ thống đảm bảo cung cấp năng lượng, môi trường làm việc cho các hệ thống an toàn và tạo điều kiện cho việc thực hiện chức năng của các hệ thống an toàn. Tất cả các hệ thống và thiết bị an toàn phải thỏa mãn yêu cầu cao về chất lượng tương ứng với các quy định và tiêu chuẩn thiết kế, chế tạo, lắp đặt và vận hành thiết bị hạt nhân. Các hệ thống an toàn phải thực hiện đầy đủ chức năng của mình trong các điều kiện cơ học, hóa học, nhiệt học nảy sinh trong điều kiện sự cố. Các hệ thống an toàn cần phải được đưa vào hoạt động một cách tự động khi có triệu chứng phát sinh sự cố. Các hệ thống và thiết bị an toàn cần phải được kiểm tra trực tiếp và đầy đủ so với các đặc tính thiết kế ngay sau khi được đưa vào vận hành, sửa chữa, lắp đặt và cải tạo; đồng thời cũng phải được kiểm tra định kỳ trong toàn bộ thời gian vận hành. Cần phải thiết lập các thiết bị và phương pháp để: - Kiểm tra khả năng làm việc của thiết bị và hệ thống, kể cả các thiết bị nằm trong thùng lò phản ứng, và thay thế các thiết bị quá thời hạn sử dụng. - Thử nghiệm hệ thống xem có tương ứng với các thông số thiết kế hay không. - Kiểm tra trình tự xuất hiện của các tín hiệu liên quan đến hoạt động của nhà máy điện hạt nhân. (2) Nguyên tắc xây dựng các hệ thống an toàn. Để thỏa mãn tiêu chuẩn hỏng đơn và giảm bớt xác suất hỏng các hệ thống quan trọng theo những nguyên nhân chung, các nguyên tắc sau đây cần được thực hiện: - Dự phòng (Dư thừa): Trang bị một số hệ thống dư thừa để đảm bảo có thừa khả năng thực hiện chức năng đã quy định. - Độc lập: Sự thực hiện chức năng của một hệ thống không được phụ thuộc vào hoạt động của hệ thống khác. - Tách bạch: Sự phân chia vật lý của các hệ thống thực hiện cùng một chức năng bằng rào ngăn cách hoặc phân bố các hệ thống đó cách nhau một khoảng cách nhất định để giảm bớt xác suất hỏng cùng một lúc theo nguyên nhân chung. - Khác biệt (đa dạng, đa chủng): Để bảo đảm một hệ thống hoặc một bộ phận nào đó thực hiện một nhiệm vụ không bị cùng một dạng lỗi, cần trang bị cho hệ thống đó theo kết cấu và nguyên tắc làm việc khác nhau. a. Dự phòng: Dự phòng là một biện pháp quan trọng nhằm đảm bảo độ tin cậy của hệ thống an toàn. Trong trường hợp một trong các hệ thống hoặc bộ phận nào đó 29
30. bị hỏng thì hệ thống khác hoặc bộ phận khác có cùng chức năng và nhiệm vụ lập tức hoạt động thay thế ngay. Dự phòng được phân chia ra thành: dự phòng cấu trúc, dự phòng chức năng, dự phòng thời gian: - Dự phòng cấu trúc bao gồm các bộ phận dự phòng hoặc các kênh dự phòng trong cấu trúc của hệ thống. Độ dư các bộ phận được đưa thêm vào sẽ nâng cao độ tin cậy của việc thực hiện chức năng an toàn, tức là nâng cao sự bảo đảm khỏi bị mắc lỗi về chức năng và tránh được nguy hiểm do các lỗi về tín hiệu giả. Để bảo đảm an toàn vận hành và tránh được các báo động tín hiệu giả, các sơ đồ dạng “2 trên 3” hoặc “2 trên 4” được sử dụng trong vận hành, nghĩa là tín hiệu phát hiện sự cố được ghi nhận và xử lý khi tín hiệu này được hình thành ít nhất từ 2 trên 3 hoặc 4 kênh thông tin. - Dự phòng chức năng trong hệ thống an toàn được hiểu như là khả năng của các bộ phận riêng lẻ thực hiện các chức năng bổ sung ngoài các chức năng chính vốn có của hệ thống. Ví dụ, trong một vài hệ thống đã sử dụng các máy bơm tưới vảy để làm nguội bổ sung chất tải nhiệt cho vùng hoạt khi các máy bơm hạ áp bị lỗi. - Dự phòng thời gian được thực hiện trong các hệ thống an toàn nhờ tính ỳ của các quá trình diễn ra trong lò phản ứng. Dự phòng thời gian cho phép đảm bảo an toàn nhà máy khi thay thế hệ thống hay bộ phận thiết bị, ví dụ khi nhân viên vận hành nối thêm các thiết bị an toàn hoặc thực hiện việc phục hồi hệ thống hay thiết bị có lỗi. b. Tách bạch: Để bảo đảm hệ thống khỏi bị lỗi vì những nguyên nhân chung, cần có sự tách bạch thể chất cũng như tách bạch cấu trúc chức năng của các kênh: - Tách bạch cấu trúc bao gồm chức năng của các kênh loại bỏ các thành phần chung và các mối liên hệ chung trong các sơ đồ, các hệ thống điều khiển chung và các hệ thống đảm bảo (ví dụ: cung cấp năng lượng). Khi có sự liên hệ trong sơ đồ, sự độc lập có thể đạt được bằng cách đưa vào các thiết bị tách bạch đặc biệt không truyền các xung nguy hiểm từ một kênh này sang kênh khác. - Tách bạch thể chất: Để loại trừ các lỗi vì những nguyên nhân chung của các kênh do hậu quả cháy, lụt, tác động của vật thể bay và nổ ga, , cần phải có sự tách bạch về thể chất. Sự tách bạch thể chất đạt được bằng cách bố trí các kênh cấu trúc không phụ thuộc của hệ thống vào không gian được ngăn cách bởi các rào chắn thể chất hoặc bố trí các kênh vào các diện tích biệt lập, đặt cáp của các kênh dự phòng theo những máng cáp khác nhau. 30
31. c. Đa dạng: Để loại trừ các lỗi phụ thuộc được tạo thành bởi toàn bộ kết cấu, trong đó gồm các lỗi khi thiết kế, cần phải có sự đa dạng các kênh của hệ thống. Sự đa dạng đạt được nhờ sử dụng các hệ thống bảo vệ hoạt động theo các nguyên tắc khác nhau. Ví dụ, các hệ thống dừng lò bằng hệ thống cơ điện hoặc bằng hóa chất (dung dịch bo). 3.2 Các biện pháp ngăn ngừa sự xuất hiện các sự kiện bất thường 3.2.1 Văn hóa an toàn Một trong những yếu tố hay gây ra sự xuất hiện của các sự kiện bất thường là sai sót của con người. Để hạn chế những sai sót này, mọi tổ chức và cá nhân liên quan tới lĩnh vực điện hạt nhân cần không chỉ nắm vững kiến thức kỹ thuật mà còn phải có ý thức tố chức và trách nhiệm đối với vấn đề an toàn nhà máy, nói cách khác, “phải có văn hóa an toàn”. Văn hóa an toàn là tất cả các đặc điểm, tính chất của tổ chức và cá nhân mà đối với họ những vấn đề an toàn nhà máy điện hạt nhân được chú trọng trước tiên. Văn hóa an toàn gắn liền với với các tổ chức và cá nhân cả về thái độ và hành vi, và nó liên quan tới các yêu cầu về an toàn bằng cả nhận thức và hành động đúng đắn. Văn hóa an toàn có hai thành phần chính: Thành phần thứ nhất là cơ cấu trong một tổ chức và trách nhiệm của cấp quản lý. Thành phần thứ hai là thái độ đáp ứng của mỗi cá nhân cả khi làm việc và khi thu được lợi ích trong cơ cấu tổ chức đó. Văn hóa an toàn chi phối toàn bộ hành động và các mối quan hệ giữa cá nhân với cá nhân, tổ chức với tổ chức và cá nhân với tổ chức trong các hoạt động liên quan tới an toàn nhà máy điện hạt nhân. Đầu tiên, lãnh đạo cao cấp của các tổ chức liên quan cần quan tâm đầy đủ tới các vấn đề an toàn, cụ thể: Ban hành chính sách về an toàn mà chính sách này phải tạo ra được môi trường và điều kiện làm việc thuận lợi cho mọi người. Thực hiện chính sách an toàn kể cả việc hoạch định ranh giới trách nhiệm rõ ràng, và phái bảo đảm cho mọi người thực hiện tốt chính sách đó. Tăng cường đào tạo bồi dưỡng nhân lực và nâng cao trình độ chuyên môn. Trong vấn đề này, lý do phải bảo đảm an toàn hạt nhân, cũng như hậu quả đối với an toàn do những thiếu sót của cá nhân dẫn đến, cần được nhấn mạnh để mọi người hiểu rõ và tự giác hành động đảm bảo an toàn. 31
32. Trong cơ cấu tổ chức, văn hóa an toàn thực chất được thực hiện bởi tất cả các cá nhân ở mọi cấp. Vì vậy, trách nhiệm của cá nhân đối với văn hóa an toàn được biểu hiện như sau: Mọi người không chỉ tuân theo những quy định một cách cơ học mà phải có thái độ suy nghĩ và học hỏi. Với thái độ này, phương pháp tiếp cận với văn hóa an toàn phải nghiêm túc, đồng thời mối quan hệ và sự phối hợp với mọi người trong tổ chức phải được coi trọng. Văn hóa an toàn phải được sinh ra trong nền văn hóa hiện có của mỗi nước, mỗi xã hội và ở mỗi vị trí làm việc, đồng thời nó phải trở thành một bộ phận không thể thiếu của nền văn hóa dân tộc. Vì vậy, để xây dựng văn hóa an toàn cho mỗi cá nhân, cần chú ý tới nền văn hóa chung hiện có, và ngược lại, văn hóa an toàn của mỗi người được tạo nên và được pha trộn với văn hóa chung của tổ chức cũng như của đất nước. 3.2.2 Chất lượng thiết bị công nghệ hạt nhân. Để đảm bảo sự hoạt động an toàn của nhà máy điện hạt nhân, bên cạnh yếu tố con người như đã đề cập ở trên, các hệ thống thiết bị máy móc phải có chất lượng và độ tin cậy cao. Các chỉ tiêu về độ tin cậy của thiết bị máy móc phải dựa trên việc phân tích và thử nghiệm an toàn một cách chặt chẽ. Bộ phận quan trong nhất của lò phản ứng hạt nhân (vùng hoạt) được thiết kế sao cho độ vững chắc và ổn định về cơ học của nó được đảm bảo kỹ thuật, đồng thời nó không nhạy cảm với những thay đổi cho phép của các thông số vận hành (nhiệt độ, áp suất lò, ) trong phạm vi xác định. Thiết kế có nhiệm vụ không để cho hiện tượng bất đồng đều lớn về tỏa nhiệt xảy ra trong vùng hoạt. Nếu hiện tượng này xảy ra, nó có thể dẫn đến sự biến dạng của vùng hoạt, kích thích sự thay đổi độ phản ứng, cản trở việc đưa các thanh điều khiển và hệ thống dập lò khẩn cấp vào vùng hoạt và ảnh hưởng tới việc tải nhiệt lò phản ứng. Một trong những biện pháp quan trọng cho việc phòng ngừa sự cố nhà máy điện hạt nhân là lựa chọn các nhà chế tạo thiết bị máy móc đã chứng tỏ được khả năng của mình trong việc thực hiện các yêu cầu an toàn đối với nền công nghiệp điện hạt nhân. Mặc dù trách nhiệm trực tiếp về chất lượng của thiết bị máy móc và nhà máy thuộc về nhà chế tạo và xây dựng, song cơ quan vận hành phải chịu trách nhiệm chung về an toàn nhà máy. Nhờ vào các biện pháp riêng, cơ quan vận hành cũng có trách nhiệm xem xét và kiểm tra thực tế nhà máy và các tài liệu của nhà chế tạo. Đối với các vấn đề quan trong liên quan đến an toàn, các cơ quan có thẩm quyền cũng phải xem xét các biện pháp kiểm tra này. 3.2.3 Khởi động hiệu chỉnh Trước khi nhà máy điện hạt nhân được chính thức đưa vào hoạt động, cần phải chứng minh rằng nhà máy đã được hoàn tất và sẵn sàng làm việc. Vì vậy, giai 32
33. đoạn khởi động hiệu chỉnh nhằm kiểm tra chất lượng thiết bị máy móc, đặc trưng hoạt động của chúng và xem xét các biện pháp bảo vệ phóng xạ là không thể thiếu. Trong giai đoạn này, người chịu trách nhiệm chính là các nhà thiết kế và chế tạo thiết bị công nghệ nhà máy, những cơ quan vận hành và tổ chức vận hành chịu trách nhiệm hoàn toàn với hoạt động lâu dài của nhà máy cũng tham gia thực hiện các công việc khởi động hiệu chỉnh. Các tài liệu hướng dẫn vận hành cần được soạn thảo ngay trong quá trình thiết kế và được bổ sung hoàn chỉnh trong thời gian tiến hành các công việc khởi động hiệu chỉnh trên cơ sở các thông tin do nhà thiết kế chế tạo chuyển đến và các số liệu thu được trong quá trình thử nghiệm. Hướng dẫn vận hành phải đầy đủ chi tiết để các nhân viên vận hành có thể thực hiện đầy đủ chức năng của mình mà không cần có sự giải thích gì thêm. Theo quan điểm an toàn, nếu hướng dẫn vận hành được thực hiện đúng, nhà máy sẽ ở trong phạm vi giới hạn và điều kiện vận hành cho phép, đồng thời các hệ thống thiết bị máy móc cần thiết cho an toàn sẽ thực hiện tốt chức năng của mình. Trong tài liệu hướng dẫn, cần chú ý đặc biệt tới các trạng thái chuyển tiếp (transient), sự hoạt động ở công suất thấp của lò phản ứng, các thông số và tiêu chuẩn thử nghiệm, nạp và tháo dỡ nhiên liệu. Trong giai đoạn này, các trường hợp mà trong đó phải thực hiện một cách có chủ định những sai lệch so với quy định theo quan điểm an toàn nhà máy cũng cần được khảo sát. Chương trình khởi động hiệu chỉnh và kết quả của nó là mục tiêu giám sát và xem xét của các cơ quan có thẩm quyền. Giai đoạn khởi động hiệu chỉnh chính là quá trình chuyển giao nhà máy điện hạt nhân cho cơ quan vận hành và cũng là một dịp huấn luyện các nhân viên vận hành nhà máy một cách tốt nhất. Trong giai đoạn này, các đặc trưng thực tế của các hệ thống an toàn và hệ thống công nghệ được xác định và lưu giữ làm tài liệu chuẩn để theo dõi tình trạng của các hệ thống sau này. 3.2.4 Vận hành (1) Cơ quan vận hành: Sau giai đoạn khởi động hiệu chỉnh, cơ quan vận hành chính thức có trách nhiệm quản lý hoàn toàn nhà máy. Trách nhiệm đối với an toàn của nhà máy thuộc về cơ quan vận hành, đứng đầu là giám đốc nhà máy, người bảo đảm đầy đủ số lượng và chất lượng cán bộ khoa học kỹ thuật cần thiết cho an toàn và điều khiển mọi hoạt động của nhà máy. Các nhân viên vận hành phải được đào tạo qua các kỳ thi kiểm tra, nếu đạt kết quả và có chứng chỉ mới được vận hành nhà máy. Ngoài ra, cơ quan vận hành thường xuyên tổ chức các khóa đào tạo, đào tạo lại và bồi dưỡng nhân viên vận 33
34. hành với nội dung chuyên môn ở những mức độ cần thiết cho việc thực hiện các nhiệm vụ của họ. Thông thường nhà máy được vận hành theo chế dộ các ca vận hành. Trong ca trực, người trưởng ca có trách nhiệm cao nhất trong việc vận hành an toàn nhà máy. Trưởng ca luôn theo dõi và kiểm tra hoạt động của vận hành viên và tình trạng làm việc của các hệ thống thiết bị. Mọi chi tiết diễn biến về tình trạng của các hệ thống thiết bị nhà máy được ghi vào sổ vận hành, được báo cáo lên lãnh đạo nhà máy và được bàn giao cho ca trực tiếp theo. (2) Chế độ vận hành nhà máy Khi vận hành nhà máy, nhân viên vận hành thực hiện các động tác theo đúng quy trình vận hành. Thí dụ, để chuẩn bị khởi động lò phản ứng, người ta phải: Xác định rằng các hệ thống bảo đảm an toàn (hệ điều khiển, hệ tự động dập lò khẩn cấp, hệ làm nguội vùng hoạt và các hệ thống công nghệ khác, ) đang ở trạng thái tốt theo quy định. Kiểm tra sự sẵn sàng thực hiện chức năng của các hệ thống trên, như đưa ra các tín hiệu báo động sự cố giả về chu kỳ, nhiệt độ và áp suất lò, để xem xét sự đáp ứng kịp thời của chúng. Khi khởi động lò, nhân viên điều khiển thực hiện việc nâng dần công suất lò với tốc độ quy định và dừng lại ở các mức công suất trong thời gian đã cho theo quy phạm vận hành lò phản ứng. Những sai lệch so với thủ tục quy định phải được phép của các cấp quản lý thích hợp tùy theo tầm quan trọng của chúng đối với an toàn. Nhiệm vụ quan trọng đối với nhân viên vận hành là phải duy trì nhà máy trong phạm vi các giới hạn và điều kiện vận hành thông thường (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng chất tải nhiệt, ). Các giới hạn và điều kiện vận hành của nhà máy được xác định nghiêm ngặt cho một loạt các thông số lò phản ứng và thiết bị công nghệ trên cơ sở của những phân tích tin cậy về an toàn hạt nhân. Để có những phân tích tin cậy, cơ quan vận hành phải thường xuyên có kế hoạch thí nghiệm và tính toán nhằm xác định chính xác các thông số kỹ thuật của nhà máy. Ví dụ, đối với các thông số vật lý và thủy nhiệt quan trọng hay thay đổi, người ta thiết lập các phạm vi làm việc, các vi phạm sự cố và các giới hạn an toàn. Giới hạn an toàn là các giá trị cực trị của các thông số hay thay đổi. Ở các giá trị cực trị này, nhà máy có thể bắt đầu bị hư hỏng. Phạm vị sự cố là các giá trị của các thông số mà ở đó trạng thái gần nguy hiểm có thể xảy ra đối với nhà máy. Phạm vi làm việc là phạm vi các giá trị của các thông số mà ở đó nhà máy hoạt động bình thường. Giá trị của các thông số trong phạm vi làm việc bao giờ cũng bị giới hạn bởi các giá trị của các thông số tương ứng trong phạm vi sự cố. 34
35. (3) Bảo dưỡng thiết bị Ngay khi nhà máy được đưa vào hoạt động, cơ quan vận hành phải có kế hoạch theo dõi, bảo dưỡng và tu sửa các hệ thống thiết bị máy móc để đảm bảo rằng sự hoạt động của chúng luôn ổn định, không bị xấu đi do lão hóa và tác động của những yếu tố khác. Các nhân viên bảo dưỡng kỹ thuật cũng phải qua những lớp huấn luyện ngay trên thiết bị máy móc mà họ có trách nhiệm bảo dưỡng và khi thực hiện các công việc cụ thể nhất thiết phải tuân theo hướng dẫn đã được phê duyệt để giảm khả năng sai sót của con người. Trong thực tế, không hề có một hoạt động nào là an toàn tuyệt đối. Tất cả các mặt của cuộc sống cũng có những xác suất nguy hiểm cho dù là nhỏ bé. Trong quá trình hoạt động của nhà máy điện hạt nhân, sự hỏng hóc của một bộ phận thiết bị máy móc nào đó hay một động tác không hoàn toàn chính xác của người vận hành là không thể tránh khỏi. Vì vậy, nhà máy điện hạt nhân thường được trang bị các phương tiện kỹ thuật nhằm sớm phát hiện ra những trục trặc bất thường và điều khiển kịp thời lò phản ứng về trạng thái an toàn. 3.2.5 Hệ thống điều khiển lò phản ứng Hệ thống điều khiển lò phản ứng bao gồm hệ thống các thanh điều khiển và hệ thiết bị đo đạc – kiểm tra. (1) Hệ thống các thanh điều khiển Các thanh điều khiển được cấu tạo bởi các chất hấp thụ mạnh nơtron trong lò phản ứng nhằm điều chỉnh số lượng nơtron sinh ra và mất đi trong vùng hoạt. Như vậy, tác dụng của hệ thống các thanh điều khiển là: Điều chỉnh công suất lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân (tăng hoặc giảm số lượng nơtron trong lò). Duy trì lò phản ứng hoạt động ở trạng thái ổn định. Hệ thống các thanh điều khiển hoạt động dưới hai chế độ: chế độ điều khiển bằng tay và chế dộ điều khiển tự động. Tuy lò phản ứng hoạt động với chế độ dừng ở công suất nào đó, nhưng sự dao động về nhiệt độ và áp suất trong lò hay sự thay đổi lưu lượng của chất tải nhiệt, đều có thể xảy ra và gây nên sự không ổn định về độ phản ứng (làm mất đi sự cân bằng giữa sinh và mất nơtron). Trong những trường hợp như vậy, nếu không có hệ điều khiển kịp thời tự động điều chỉnh tăng hay giảm lượng nơtron bị hấp thụ trong lò thì những trục trặc trên có thể dẫn đến sự cố hạt nhân của nhà máy. Cùng với hệ tự động dấp lò khẩn cấp, các thanh điều khiển cũng có tác dụng tắt lò khi sự cố xảy ra. 35
36. (2) Dụng cụ đo lường và kiểm tra thông số lò phản ứng Để giúp cho hệ thống các thanh điều khiển hoạt động kịp thời và chính xác, nhà máy điện hạt nhân được trang bị một phương tiện đặc biệt bao gồm các dụng cụ máy móc rất nhạy cảm trong việc đo đạc và kiểm tra các thông số lò phản ứng như: mật độ thông lượng nơtron (hay công suất lò phản ứng), nhiệt độ lối vào và lối ra vùng hoạt, áp suất trong lò và trong hệ thống chất tải nhiệt, hoạt độ phóng xạ, Kết quả đo đạc và kiểm tra một mặt được thông báo kịp thời cho trung tâm xử lý thông tin của hệ thống điều khiển, mặt khác được hiển thị số trên bảng điều khiển để người điều khiển nhận biết tình trạng lò phản ứng và kịp thời điều chỉnh đúng lúc nếu hệ thống các thanh điều khiển có những rủi ro nào đó. Chính vì vậy, quy phạm vận hành nhà máy điện hạt nhân quy định người điều khiển thường xuyên phải có mặt tại vị trí làm việc và tập trung theo dõi bảng điều khiển. Nhà máy điện hạt nhân là một thiết bị rất hiện đại dùng để sản xuất ra điện năng, nhưng đồng thời nó cũng rất nhạy cảm với những trục trặc như: hệ thống đo đạc – kiểm tra các thông số lò phản ứng làm việc không chính xác hay người điều khiển sơ ý đưa vào vùng hoạt một độ phản ứng dương lớn hơn phần hiệu dụng của các nơtron trễ, Vì vậy, cần thiết phải có các biện pháp phòng ngừa những sự kiện bất thường có thể dẫn đến sự cố đối với nhà máy điện hạt nhân. 3.3 Các biện pháp ngăn ngừa sự cố nhà máy điện hạt nhân 3.3.1 Lựa chọn địa điểm Lựa chọn địa điểm là sự giải quyết cân bằng giữa các yếu tố: quyền lợi kinh tế, dân cư và an toàn. Khi lựa chọn dịa điểm cho nhà máy điện hạt nhân, cần phải xem xét những gì có thể xảy ra trên địa điểm đó trong toàn bộ thời gian sử dụng nhà máy. Các yếu tố bên ngoài ảnh hưởng đến an toàn nhà máy bao gồm các yếu tố tự nhiên (địa lý, địa chấn, khí hậu, thủy văn, ) và các yếu tố có thể nguy hiểm do con người gây ra (các cơ sở công nghiệp lớn và đường hằng không, ). Sở dĩ cần phải xem xét như vậy là vì: Các nhà máy điện hạt nhân (đặc biệt là vùng hoạt lò phản ứng) cần có độ vững chắc và ổn định cơ học cao, không nhạy cảm với những thay đổi cho phép của các thông số vận hành. Vì vậy, nhà máy cần được xây dựng trên một nền móng vững chắc, không bị ảnh hưởng bởi động đất và việc hư hỏng của các cơ sở công nghiệp khác cũng như máy bay bị rơi. Ví dụ: một trong số các nguy hiểm bên ngoài cần được ngăn ngừa là hiện tượng địa chấn do thảm họa động đất. Người ta phòng ngừa động đất cho nhà máy điện hạt nhân bằng hai phương pháp: (a) bố trí nhà máy ở xa vùng có các vết nứt động và các vấn đề khác như nhạy cảm đối với việc hóa lỏng thổ nhưỡng hay trượt giữa các lớp địa tầng; (b) thiết kế nhà máy trên trọng tải 36
37. rung do động đất được dự báo trước theo kinh nghiệm lịch sử và các số liệu về hoạt động kiến tạo. Trong quá trình nhà máy điện hạt nhân hoạt động, vấn đề lão hóa và điều kiện làm việc có thể ảnh hưởng đến đặc trưng của thiết bị máy móc. Vì vậy, người ta cần khảo sát điều kiện môi trường tại địa điểm nhà máy để lựa chọn hay thiết kế các hệ thống thiết bị máy móc phù hợp, không bị ăn mòn và hoen gỉ vì các yếu tố môi trường. Trong các điều kiện môi trường có cả các điều kiện của sự cố như: nhiệt độ, áp suất, bức xạ, độ ẩm, độ rung và lực va chạm của luồng không khí. 3.3.2 Một vài đặc trưng an toàn nội tại Ở mức công suất cao, nhiệt độ của nhiên liệu và của vật liệu bao quanh (chất làm chậm và chất tải nhiệt) có các hiệu ứng phản hồi tác động lên độ phản ứng của lò. Mức độ ảnh hưởng đó phụ thuộc vào thành phần nhiên liệu hạt nhân và chất làm chậm, vào mật độ và cách bố trí chúng trong vùng hoạt của lò phản ứng. Vì vậy, người ta thường thiết kế vùng hoạt lò phản ứng sao cho có lợi về mặt an toàn hạt nhân (hệ số nhiệt độ âm), nghĩa là, nhiệt độ của nhiên liệu và chất làm chậm tăng sẽ tạo nên một độ phản ứng âm trong vùng hoạt và ngược lại nhiệt độ của nhiên liệu và chất làm chậm giảm sẽ gây ra một độ phản ứng dương do tác động của hiệu ứng Doppler (đối với nhiên liệu) và hệ số rỗng (đối với chất làm chậm), nói cách khác, do ảnh hưởng của đặc điểm an toàn nội tại của lò phản ứng. Hình 5 trình bày tóm tắt các đặc điểm an toàn nội tại của lò phản ứng hạt nhân. Trong thực tế, khi lò phản ứng đang hoạt động, bất cứ một sự thay đổi về áp suất hay lưu lượng của chất tải nhiệt, v. v dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ của vùng hoạt đều có thể đưa lò vào trạng thái không ổn định. Vì vậy, để duy trì lò phản ứng hoạt động ổn định ở mức độ công suất, các thanh điều khiển luôn phải dao động trong chế độ điều khiển tự động để bù trừ độ phản ứng do sự thăng giáng nhiệt độ gây ra. Hình 5. Đặc điểm an toàn nội tại của lò phản ứng Phân hạch tăng lên Nhiệt độ tăng Việc tăng mật độ Việc giảm mật độ 238 Lượng nước sẽ làm chậm nước sẽ làm chậm U sẽ hấp nơtron bị nơtron tốt hơn và nơtron kém hơn và thụ nhiều hấp thụ bởi như vậy sẽ làm như vậy sẽ làm nơtron hơn U238 giảm tăng lượng nơtron giảm lượng nơtron bị hấp thụ bởi U235 bị hấp thụ bởi U235 Nhiệt độ giảm xuống Phân hạch giảm xuống 37
38. Hệ số nhiệt độ âm là yếu tố quan trọng trong việc vận hành an toàn lò phản ứng. Khi khởi động lò phản ứng, người ta phải nâng các mức công suất lò bằng việc đưa dần vào vùng hoạt những độ phản ứng dương thích hợp. Nếu không có hiệu ứng nhiệt độ âm, công suất lò sẽ tăng, tăng mãi với một độ phản ứng dương dù nhỏ đưa vào vùng hoạt và sự cố độ phản ứng có thể xảy ra. Nhờ có hệ số nhiệt độ âm, công suất lò chỉ tăng đến khi nào độ phản ứng dương đưa vào cân bằng với độ phản ứng âm do hiệu ứng nhiệt độ âm gây ra. Việc xác định các đặc trưng an toàn nội tại của lò phản ứng hạt nhân là rất cần thiết, nó không chỉ đánh giá mức độ an toàn nội tại của lò mà còn cung cấp số liệu tin cậy để tính toán chính xác các giới hạn vận hành an toàn lò phản ứng. Lò phản ứng của nhà máy điện hạt nhân có các giá trị của các thông số trong phạm vi sự cố là do hậu quả của những sự kiện vận hành không đúng, do sự hoạt động không chính xác hay hỏng hóc của các thiết bị. Ở các giá trị này của các thông số, hệ thống an toàn nhà máy sẽ báo hiệu bằng chuông reo và ánh sáng để người điều khiển dễ dàng nhận ra và kịp thời xử lý các sự kiện. Thông thường, các tín hiệu sự cố xảy ra đồng thời với việc thực hiện tắt lò tự động của hệ thống các thanh điều khiển và hệ thống dập lò khẩn cấp. 3.3.3 Hệ thống tự động dập lò khẩn cấp Hệ thống tự động dập lò khẩn cấp có chức năng độc lập với hệ thống điều khiển lò phản ứng. Chức năng của hệ thống tự động dập lò khẩn cấp là đưa vào vùng hoạt gần như tức thời những chất hấp thụ rất mạnh nơtron trong những trường hợp cần thiết. Hình 6 nêu lên các trường hợp dẫn đến dập lò khẩn cấp. Bất kỳ sự kiện được liệt kê trong hình 6 xuất hiện thì ngay lập tức có tín hiệu sự cố bằng chuông reo và ánh sáng trên bảng điều khiển và đồng thời hệ thống dập lò khẩn cấp thực thi nhiệm vụ của mình. Do việc đưa chất hấp thụ rất mạnh nơtron (độ phản ứng âm lớn) vào vùng hoạt, lò phản ứng bị dập tắt ngay. Mạch điện và mạch lôgic của hệ thống tự động dập lò khẩn cấp được tách rời với các mạch điện và lôgic của các hệ thống thiết bị máy móc vận hành nhà máy trong điều kiện bình thường. Vì vậy, các yêu cầu điều khiển thông thường và dập lò khẩn cấp không có khả năng ảnh hưởng lẫn nhau. 38
39. Một trong các sự kiện rất ít khi xảy ra nhưng cần được nêu lên là việc hư hỏng hệ thống tự động dập lò khẩn cấp. Hậu quả của sự kiện này có thể làm tăng độ phản ứng, dư thừa áp suất trong hệ thống tải nhiệt vòng 1, dư thừa nhiệt độ nhiên liệu hoặc có thể là những nguyên nhân của các hư hỏng khác đối với nhà máy. Vì vậy, yêu cầu được đặt ra cho việc thiết kế hệ tự động dập lò khẩn cấp là phải tuân thủ các nguyên tắc: dự phòng, tách rời và đa dạng. Tùy theo từng loại lò, người ta có thể sử dụng dung dịch chứa chất hấp thụ nơtron (axit bo), các thanh nhiên liệu với độ giàu cao đã cháy, nhưng thông dụng nhất vẫn là các thanh hấp thụ mạnh nơtron (Cadmi hoặc Cac-bua bo), để tạo thành hệ thóng tự động dập lò khẩn cấp. Hình 6. Các điều kiện tự động dập lò khẩn cấp Số nơtron trong lò (công suất) tăng Mực nước trong lò giảm (*) Tín hiệu dập lò xuất hiện Áp suất trong lò tăng (hoặc giảm) Hệ thống tự động dập lò sự Thiết bị ghi nhận nơtron không làm việc cố và hệ điều khiển làm việc Áp suất trong thùng lò tăng Công suất lò giảm nhanh Van cô lập hơi chính đóng Lò dưới tới hạn Van kiểm tra tuabin đóng Van ngừng cung cấp hơi cho tuabin đóng Hoạt độ phóng xạ trong ống dẫn hơi chính tăng (*) (*) Đối với lò BWR ( ) Đối với lò PWR Rung động địa chấn tăng Cán bộ điều khiển dập lò bằng tay Tăng lượng hóa hơi của chất tải nhiệt vòng 1 ( ) Công suất nhiệt lớn hơn khả năng làm ( ) nguội của chất tải nhiệt Lưu lượng chất tải nhiệt vòng 1 giảm ( ) Mực nước trong thiết bị sinh hơi giảm ( ) 39 Hệ làm mát khẩn cấp vùng hoạt làm việc
40. Nếu chỉ sử dụng các thanh hấp thụ nơtron thì không thể ít hơn 2 nhóm thanh như vậy được thiết kế độc lập về mặt lôgic để bảo đảm tốt chức năng dập lò khẩn cấp khi sự cố xảy ra. Riêng đối với lò Candu, bên cạnh hệ thống các thanh hấp thụ mạnh nơtron như trên, chất làm chậm có thể thoát nhanh từ bể Calandria (thùng lò phản ứng) vào bể chứa phía dưới và lò phản ứng sẽ bị dập tắt ngay. Mặc dù, nhà máy điện hạt nhân được thiết kế và xây dựng với chất lượng cao, độ tin cậy lớn, , nhưng một loạt các sự kiện xuất phát từ những nguyên nhân bên trong hay bên ngoài nhà máy đều có thể xảy ra và dẫn đến các sự cố hạt nhân như nóng cháy các thanh nhiên liệu, phá hủy vùng hoạt và thải chất phóng xạ thoát ra môi trường. Vì vậy, đối với nhà máy điện hạt nhân, cần phải có các biện pháp để hạn chế hậu quả của sự cố hạt nhân. 3.4 Các biện pháp hạn chế hậu quả sự cố hạt nhân 3.4.1 Các hệ thống làm nguội vùng hoạt (1) Hệ thống làm nguội vùng hoạt trong điều kiện bình thường Hệ thống tải nhiệt vòng 1 và vòng 2 (đối với lò PWR) là một phương tiện làm mát đáng tin cậy cho vùng hoạt trong thời gian vận hành bình thường và tải nhiệt dư sau khi dừng lò. Ngay cả trong điều kiện xảy ra sự cố như hỏng bơm tuần hoàn vùng hoạt hay vòng 1, trong một khoảng thời gian nào đó, cơ chế đối lưu tự nhiên của chất tải nhiệt là rất quan trọng đối với việc làm nguội vùng hoạt lò phản ứng nếu hệ thống tải nhiệt vòng 2 (đối với lò PWR) và hệ cung cấp nước cấp (đối với lò BWR) vẫn được duy trì. Hình 7 trình bày hệ thống tải nhiệt của một số lò. Hình 7. Hệ thống tải nhiệt đối với các lò phản ứng 40
41. Hình 7a. Lò PWR Hình 7b. Lò BWR 41
42. Hình 7c. Lò Candu (2) Hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt Hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt (ECCS) được dùng để làm nguội vùng hoạt ngay lập tức trong sự cố mất chất tải nhiệt do rò rỉ hay vỡ đường ống tải nhiệt vùng hoạt. Hệ ECCS có các hệ thống phun chủ động cao áp và hạ áp. Hệ phun cao áp để phòng chống sự cố mất ít chất tải nhiệt (hiện tượng rò rỉ) còn hệ thống phun hạ áp để dùng trong trường hợp mất nhiều chất tải nhiệt (vỡ đường ống ở gần thùng lò). Thành phần của các hệ thống này có thể gồm bể dự trữ nước sự cố (chứa axit boric), bơm, thiết bị trao đổi nhiệt và bể thu. Trong trường hợp cần thiết, chúng tạo thành một hệ thống tuần hoàn đối với nước để tải nhiệt khẩn cấp vùng hoạt lò phản rứng. Ngoài ra, lò PWR còn có hệ phun thụ động với bình tích nước và van một chiều tự động mở khi áp suất trong thùng lò hạ xuống (Hình 2-Phụ lục). Đối với lò BWR, do có nước sôi trong thùng lò nên ngoài van an toàn còn có hệ thống phun giảm áp tự động. Lò Candu có 25 vòi phun để tưới nước làm mát vùng hoạt. 3.4.2 Hệ thống giam giữ chất phóng xạ Đối với việc giam giữ các chất phóng xạ thoát ra từ lò phản ứng trong trường hợp bình thường và khi xảy ra sự cố, yêu cầu quan trọng nhất của nguyên lý bảo vệ theo chiều sâu là thiết lập các rào chắn an toàn. Thực tế, có ba rào chắn quan trọng theo chức năng của chúng: Hàng rào chắn thứ nhất bao gồm nhiên liệu hạt nhân và vỏ bọc thanh nhiên liệu. Tổ hợp nhiên liệu hạt nhân và vỏ bọc phải giữ được nguyên vẹn cơ 42
43. học trong quá trình nhà máy hoạt động và cả trong giai đoạn bảo quản và vận chuyển chúng. Để đảm bảo nhiên liệu hạt nhân không bị nóng chảy, tính toán thiết kế cho thấy enthalpy cực đại của nhiên liệu phải nhỏ hơn 230 cal/(g.UO2) Vỏ bọc thanh nhiên liệu thường được làm bằng hợp kim chứa kẽm. Ở nhiệt độ cao, khi tác dụng với nước, nó bị ôxy hóa và tạo thành hydro. Khi đã bị ôxy hóa, nó trở nên giòn, dễ vỡ, không giữ được các chất phóng xạ thoát ra ngoài vỏ thanh nhiên liệu. Qua tính toán, người ta nhận thấy rằng để bảo đảm độ chắc của vỏ thanh nhiên liệu, nhiệt độ của nó không được vượt quá 1200oC và độ dày của lớp màng bị ôxy hóa trên vỏ bọc thanh nhiên liệu phải nhỏ hơn 15% so với tổng độ dày của nó. Hơn nữa, nếu mất chất tải nhiệt trong thùng lò phản ứng, nhiệt độ thanh nhiên liệu trở nên rất cao, lượng hydro được tạo thành do ôxy hóa vỏ bọc thanh nhiên liệu có thể thoát ra, dễ cháy và gây nổ, làm hư hỏng thùng lò phản ứng. Qua tính toán, người ta cũng nhận thấy rằng số lượng vỏ bọc thanh nhiên liệu bị ôxy hóa cần phải nhỏ hơn 1% so với tổng số vỏ bọc thanh nhiên liệu trong vùng hoạt thì lượng hydro sinh ra mới không gây tác hại khi sự cố xuất hiện. Hàng rào thứ hai là thùng lò phản ứng và hệ thống tải nhiệt vòng 1. Thùng lò và hệ thống tải nhiệt vòng 1 ngoài việc chứa chất tải nhiệt với áp suất và nhiệt độ cao còn làm nhiệm vụ giam giữ chất phóng xạ đã thoát ra qua hàng rào chắn thức nhất. Đối với hàng rào chắn thứ hai, người ta cần phải có thiết bị chuyên dụng nhằm kiểm tra, thử nghiệm và quan sát tính toàn vẹn của chúng trong suốt thời gian nhà máy hoạt động. Rào chắn thứ ba là nhà bảo vệ lò phản ứng. Nhà bảo vệ lò dùng để cách ly sự cố và chống thoát xạ ra môi trường trong các trường hợp các rào chắn thứ nhất và thứ hai bị vi phạm. Nhà bảo vệ lò thường có dạng hình trụ và có thể có một hoặc hai lớp. Nếu hai lớp thì lớp bên trong bằng thép, lớp bên ngoài bằng beton cốt thép và mặt trong được lót bằng thép. Giữa hai lớp của nhà bảo vệ lò được thông gió và có áp suất thấp. Nhà bảo vệ lò có các chức năng sau: o Giữ được áp cao ở bên trong và hạn chế sự tỏa năng lượng khi sự cố mất chất tải nhiệt (LOCA) xảy ra. o Ngăn ngừa gia tăng vượt giới hạn cho phép của áp suất bên trong nhà bảo vệ lò và sự phát sinh hydro đạt đến nồng độ gây nổ. o Hạn chế sự thoát ra môi trường của các chất phóng xạ trong và sau sự cố LOCA o Bảo vệ lò phản ứng khỏi bị tác động từ bên ngoài. Điểm đặc biệt của nhà bảo vệ lò nước nhẹ là biện pháp giảm áp suất bên trong nó nhờ vào hệ thống phun nước làm mát vào khoảng không gian chứa hỗn 43
44. hợp hơi nước và không khí bên trong nhà bảo vệ lò khi có sự cố. Bên cạnh chức năng giảm áp suất, hệ thống phun nước còn có nhiệm vụ làm lắng đọng các sản phẩm phân hạch thoát ra từ lò phản ứng. Ở những lò cải tiến hiện nay, sự hoạt động của hệ thống giảm áp suất này thường theo nguyên tắc thụ động. Trong nhà bảo vệ lò phản ứng, người ta cũng đặt thiết bị kiểm soát nồng độ hydro khi có sự cố. Để giảm lượng hydro này, người ta đã sử dụng những thiết bị có thể đốt cháy hydro. Độ bền (hay sức chịu lực) của nhà bảo vệ lò cũng được tính toán cẩn thận để lò phản ứng, hệ thống tải nhiệt vòng 1 và các hệ thống an toàn không bị tác động bởi địa chấn hoặc máy bay rơi. 3.5 Loại trừ ảnh hưởng hậu quả của sự cố hạt nhân 3.5.1 Biện pháp lựa chọn địa điểm Trong vấn đề lựa chọn địa điểm, người ta cần phải tính đến ảnh hưởng của phóng xạ lên dân chúng trong điều kiện nhà máy điện hạt nhân hoạt động bình thường và khi xảy ra sự cố hạt nhân. Chất phóng xạ xâm nhập vào con người có thể trực tiếp hoặc gián tiếp qua không khí, nước và các dây chuyền sản xuất thức ăn. Cho nên, ngoài việc loại trừ con đường mà phóng xạ có thể ảnh hưởng đến đời sống dân chúng, địa điểm xây dựng nhà máy cần được chọn ở những vùng: - Xa khu dân cư và không ở đầu luồng gió. - Không có mạch nước ngầm chảy qua. - Nước thải ra từ nhà máy không được chảy qua các vùng dân cư mặc dù đã qua xử lý. Trên địa phận có nhà máy điện hạt nhân, để đảm bảo an toàn bức xạ, ở Nga người ta đã quy định những vùng đặc biệt xung quanh nhà máy: - Vùng xây dựng nhà máy. - Vùng bảo vệ - vệ sinh, cách vùng nhà máy điện hạt nhân từ 3 đến 5 km, không có dân. - Vùng quan sát, cách vùng nhà máy điện hạt nhân 20 – 30 km, có dân sinh sống. Ở vùng này, vấn đề sức khỏe của dân chúng và suất liều phóng xạ luôn được theo dõi và kiểm tra. Để xây dựng nhà máy điện hạt nhân, cần phải có các phương án chuẩn bị đối phó với sự cố. Vì vậy, các đặc trưng về địa điểm và môi trường xung quanh cần được xem xét để không ảnh hưởng đến khả năng thực hiện các kế hoạch khắc phục sự cố. 3.5.2 Kế hoạch khắc phục sự cố. Để thực hiện các biện pháp an toàn nhằm khôi phục sự kiểm soát nhà máy điện hạt nhân trong trường hợp sự cố, các kế hoạch chống sự cố cần phải được 44
45. chuẩn bị rất cụ thể trước khi khởi động hiệu chỉnh nhằm đảm bảo các mối liên hệ thông tin, các nguồn vật chất kỹ thuật, giao thông và nhân lực. Các kế hoạch này phải được kiểm tra qua những buổi diễn tập thường xuyên. Trong kế hoạch, các biện pháp tổ chức phân công trách nhiệm cho các hoạt động khắc phục sự cố được quy định rõ ràng. Tùy theo mức độ, các hoạt động khắc phục sự cố có thể bao gồm: - Việc thông báo sớm. - Sơ tán dân và đảm bảo máy móc an toàn. - Kiểm tra liều phóng xạ. - Khử xạ. - Bảo vệ y tế. - Cung cấp thức ăn và nước uống. Để thực hiện các biện pháp khắc phục sự cố, các trung tâm khắc phục sự cố được thành lập ở trong và ngoài nhà máy điện hạt nhân. Trung tâm bên ngoài nhà máy được trang bị các phương tiện thông tin tin cậy để liên hệ với trung tâm bên trong nhà máy, với tất cả các đơn vị quan trọng của các tổ chức tham gia trong kế hoạch khắc phục sự cố như: công an, cứu hỏa, các cơ quan chính quyền và các hãng thông tin đại chúng nhằm thông báo về khí tượng và mức độ phóng xạ ở nhà máy. Trung tâm bên trong nhà máy điều hành mọi hoạt động khắc phục sự cố. Trung tâm bên ngoài nhà máy được trang bị các dụng cụ đo đạc – kiểm tra để thu thập các số liệu quan trọng về tình trạng nhà máy và liên hệ với trung tâm bên ngoài nhà máy. 45
46. Chương 4. PHÂN TÍCH AN TOÀN HẠT NHÂN 4.1 Vấn đề sự cố và an toàn nhà máy điện hạt nhân - phương pháp tất định Đối với nhà máy điện hạt nhân, sự cố kỹ thuật có thể xảy ra ở mọi nơi trong các hệ thống công nghệ nhà máy: lò phản ứng, thiết bị cơ nhiệt và trạm điện, Các sự cố xảy ra càng liên quan trực tiếp tới lò phản ứng bao nhiệu thì mức nguy hiểm càng tăng lên bấy nhiêu, vì lò phản ứng chứa đựng rất nhiều các chất phóng xạ và nguồn phát sinh chất dễ cháy nổ (Hydrogen). Trong phương pháp tất định, để phân tích sự cố lò phản ứng, người ta cần phải có các giá trị tới hạn cho phép của các thông số đặc trưng cho trạng thái của lò phản ứng, của hệ thống tải nhiệt và hệ thống bảo đảm an toàn, Ví dụ: nhiệt độ lối vào và lối ra vùng hoạt của nước tải nhiệt là bao nhiêu, nhiệt độ nhiên liệu tối đa là bao nhiệu, lưu lượng nước qua vùng hoạt là bao nhiêu, và bao nhiêu thời gian sau khi sự kiện xuất hiện thì hệ thống an toàn hoàn thành nhiệm vụ, Mục này chỉ đề cấp đến một số ví dụ điển hình về sự cố thiết kế cơ bản và cơ chế bảo đảm an toàn nhà máy đối với hai loại lò phản ứng thông dụng: Lò phản ứng nước áp lực (PWR) và lò phản ứng nước sôi (BWR). 4.1.1 Sự cố độ phản ứng dương (sự cố tăng công suất) Để khởi động công suất lò phản ứng, thông thường các thanh điều khiển được rút ra khỏi vùng hoạt từ từ và theo thứ tự quy định; ví dụ: trước tiên, tất cả các thanh an toàn được rút ra khỏi vùng hoạt, sau đó, rút dần từng bước một các thanh điều khiển “thô” và thanh điều khiển “tinh” theo thứ tự được quy định trong tài liệu hướng dẫn vận hành. Khi lò phản ứng đạt công suất danh định, tất cả các thanh điều khiển được đặt ở chế độ điều khiển tự động. Điều đó có nghĩa là các thanh điều khiển thô và điều khiển tinh có thể tự động điều chỉnh vị trí của mình trong vùng hoạt sao cho chúng có thể bù trừ được sự thăng giáng độ phản ứng trong lò do sự thăng giáng của áp suất hay nhiệt độ lò phản ứng, còn các thanh an toàn thì tự động rơi hoàn toàn vào vùng hoạt khi có tín hiệu sự cố theo quy định. Giả thiết rằng các thanh điều khiển bị rút ra một cách bất thường do trục trặc cơ khí hay sự hoạt động không đúng của bộ phận dẫn động thanh điều khiển. Sự kiện này, nếu có, được gọi là sự cố độ phản ứng dương và hậu quả của nó có thể làm nóng chảy vùng hoạt khi hệ thống các thanh an toàn không hoàn thành nhiệm vụ dập tắt lò phản ứng. Với sự cố độ phản ứng dương, diễn biến sự kiện và biện pháp xử lý an toàn được trình bày trên hình 4.1. 46
47. Các thanh điều khiển bị rút ra bất thường khi khởi động lò Số phản ứng phân hạch tăng nhanh Công suất lò và nhiệt độ nhiên liệu tăng Số nơtron trong lò tăng Các hệ số nhiệt độ âm hạn chế sự gia tăng của các Tín hiệu tắt lò sự cố xuất phản ứng phân hạch hiện và hệ tự động dập lò khẩn cấp làm việc Công suất lò giảm Công suất lò giảm nhanh Lò phản ứng được dập tắt và nhiệt độ nhiên liệu giảm Hình 4.1. Vấn đề an toàn đối với sự cố độ phản ứng dương 4.1.2 Sự cố mất lưu lượng chất tải nhiệt (LOFA) trong trường hợp lò nước sôi. Nếu hỏng hệ thống cung cấp điện tự dùng cho các máy bơm trong thời gian đang vận hành nhà máy, toàn bộ các máy bơm sẽ ngừng dần hoạt động trong giây lát do quán tính của chúng và việc tải nhiệt cũng sẽ bị ngưng theo (Hình 4 – Phụ lục). Các máy bơm ngừng hoạt động có nghĩa là nước tải nhiệt không còn chảy 47
48. qua vùng hoạt và nhiệt độ sinh ra từ nhiên liệu không được tải đi. Nhiệt độ thanh nhiên liệu khi đó sẽ tăng nhanh và chúng có thể bị nóng chảy nếu sự kiện này không được khắc phục kịp thời. Sự kiện xảy ra như vậy được gọi là sự cố mất lưu lượng chất tải nhiệt (LOFA). Đối với sự cố LOFA, diến biến sự kiện và biện pháp xử lý an toàn được trình bày trên hình 4.2. Mất nguồn điện tự dùng cho các máy bơm Bơm tuần hoàn tải nhiệt và Bơm tái tuần hoàn Bơm cấp nước bình bơm sau bình ngưng dừng vùng hoạt dừng ngưng dừng Mất dần độ chân không trong Mất khả năng làm nguội lò bình ngưng và sự sôi nước trong vùng hoạt tăng Van cung cấp hơi cho tuabin đóng lại Tín hiệu sự cố xuất hiện Phản ứng phân hạch bị và hệ thống dập lò khẩn hạn chế bởi hiệu ứng rỗng cấp làm việc Áp suất trong thùng lò tăng Lò bị dập tắt Van an toàn giảm hơi trong thùng lò mở/đóng Công suất lò giảm nhanh Áp suất lò được điều chỉnh Việc làm mát lò được đảm Việc tăng áp suất lò ngừng lại bảo Hình 4.2. Vấn đề an toàn đối với sự cố LOFA 48
49. 4.1.3 Sự cố mất chất tải nhiệt (LOCA) trong trường hợp lò nước áp lực Trong trường hợp lò nước áp lực (PWR), thùng lò phản ứng nối với nhiều đường ống tải nhiệt vòng 1. Nếu một trong các ống này bị vỡ (ví dụ, đoạn ống từ lối ra của máy bơm vòng 1 đến lối vào thùng lò bị vỡ) trong thời gian vận hành và đồng thời hệ cung cấp điện tự dùng cho hệ làm nguội khẩn cấp vùng hoạt (ECCS) cũng bị hỏng (Hình 5 – Phụ lục). Trong trường hợp này, nước trong thùng lò chảy ra ngoài, các thanh nhiên liệu bị phơi ra (không được ngâm trong nước) và có thể bị nóng chảy. Hiện tượng này được gọi là sự cố mất chất tải nhiệt (LOCA). Đối với sự cố LOCA trong trường hợp của lò PWR, diễn biến sự kiện và biện pháp xử lý an toàn được trình bày trên hình 4.3. Một đường ống tải nhiệt ở lối vào thùng lò bị vỡ và đồng thời hệ thống cung cấp điện tự dùng cho ECCS bị hỏng Nước vòng 1 chảy ra ngoài Mực nước trong thùng lò giảm Áp suất trong thùng lò giảm Tí hiệu tắt Số bọt hơi lò sự cố Lưu lượng tải nhiệt vòng 1 giảm trong lò tăng do xuất hiện và gm sự giảm áp suất hệ dập lò sự cố làm việc Khả năng làm mát giảm nên nhiệt độ vỏ bọc nhiên liệu tăng Vùng hoạt bị phơi ra vì nước trong thùng lò chảy ra ngoài Nhiệt độ vỏ bọc nhiên liệu tăng Nước từ bể chứa tự động chảy vào thùng lò. Do mất điện nên các hệ thống phun cao áp và hạ áp bơm nước vào lò bằng điện diezen bị trễ một thời gian Mực nước trong lò tăng và nhiệt độ vỏ bọc nhiên liệu giảm Hình 4.3. Vấn đề an toàn đối với sự cố LOCA của lò PWR 49