Bẫy nhiên vật liệu nóng chảy (‘lá chắn đặc biệt’ của nhà máy điện hạt nhân) - Chi phí điển hình và lợi ích kinh tế

Những thuận lợi và khuyết thiếu cần bổ sung cho dự án điện hạt nhân đầu tiên của Việt Nam Như chúng ta đều biết, Chỉ thị đầu tiên của năm 2025 (số 1/CT-TTg, ngày 3/1) Thủ tướng Chính phủ Phạm Minh Chính yêu cầu Bộ trưởng Công Thương chỉ đạo triển khai, hoàn thành công tác đầu tư dự án Nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận trong 5 năm. Sau chỉ đạo của Thủ tướng, câu hỏi được dư luận quan tâm là: Trong khoảng thời gian này, chúng ta có thể hoàn thành được không? Để giải đáp phần nào cho nội dung này, bước đầu, Hội đồng Khoa học Tạp chí Năng lượng Việt Nam có một số trao đổi, nhận định, đề xuất dưới đây.

Bẫy nhiên vật liệu nóng chảy là kết quả của hàng thập kỷ nghiên cứu và phát triển, đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo an toàn vận hành. Là một thành phần quan trọng của hệ thống an toàn nhà máy điện hạt nhân, không chỉ là một thiết bị an toàn kỹ thuật, bẫy nhiên vật liệu nóng chảy còn được ví như “lá chắn đặc biệt” bảo vệ con người và môi trường khỏi nguy cơ phát tán phóng xạ - một mối đe dọa có thể kéo dài hàng thế kỷ nếu không được kiểm soát.

Bẫy nhiên vật liệu nóng chảy (core catcher). Nguồn: Internet.

Bẫy nhiên vật liệu nóng chảy là gì?

Bẫy nhiên vật liệu nóng chảy là một thiết bị an toàn được thiết kế đặc biệt, đặt ngay dưới thùng lò phản ứng hạt nhân, với nhiệm vụ “hứng” và “giữ chặt” nhiên vật liệu nóng chảy của vùng hoạt trong trường hợp xảy ra sự cố nghiêm trọng, ngăn không cho nó xuyên qua sàn tòa nhà lò (Containment), phá vỡ tính toàn vẹn của tòa nhà lò và gây phát tán và ô nhiễm phóng xạ ra môi trường bên ngoài [1].

Thiết kế của bẫy nhiên vật liệu nóng chảy (gọi tắt là bẫy):

Thiết kế điển hình: Bẫy được chế tạo bao gồm thùng thép bên ngoài từ các vật liệu chịu nhiệt và chống ăn mòn cao cấp, hình nón, nặng hàng trăm tấn, với cấu trúc nhiều lớp để đảm bảo hiệu quả tối đa. Bên trong là vật liệu hiến sinh (sacrificial materials) [1]:

Thiết kế của bẫy. Nguồn: Technical Report on Core Catcher [2].

Vật liệu chịu nhiệt: Vật liệu chính để chế tạo thùng bẫy là thép. Vật liệu tấm chắn nhiệt bên trong bẫy (còn gọi là vật liệu hiến sinh của bẫy), theo như thiết kế của Nga cho lò VVER là bê tông có chứa oxit sắt (Fe₂O₃) và oxit nhôm (Al₂O₃) có khả năng chịu nhiệt cao để hấp thụ và làm nguội nhiên vật liệu nóng chảy [2].

Hệ thống làm mát: Một số bẫy có các đường ống làm mát tự nhiên, hoặc kênh chứa nước để giảm nhiệt độ nhiên vật liệu nóng chảy sau khi chảy vào bẫy.

Lớp phủ chống ăn mòn: Giúp bảo vệ ngăn ngừa xảy ra phản ứng hóa học giữa corium (hỗn hợp nhiên vật liệu nóng chảy) và vật liệu chứa.

Các vật liệu hiến sinh trong bẫy được lựa chọn để đáp ứng các yêu cầu sau [2]:

1. Mật độ thấp của pha oxit nóng chảy để đảm bảo sự đảo ngược của lớp nóng chảy.

2. Hiệu ứng nhiệt tổng hợp thu nhiệt từ các phản ứng hóa học trong bẫy.

3. Quá trình oxy hóa zirconium mà không giải phóng hydro.

4. Đảm bảo trạng thái dưới tới hạn (subcriticality).

Dựa trên các yêu cầu này và kết quả từ nhiều thí nghiệm khác nhau, vật liệu hiến sinh được sử dụng là hỗn hợp oxit sắt (Fe₂O₃), oxit nhôm (Al₂O₃) theo tỷ lệ 70/30, cùng với chất kết dính và gadolinium để đảm bảo trạng thái dưới tới hạn. Nhờ đặc tính của vật liệu hiến sinh, quá trình oxy hóa zirconium diễn ra với oxy được giải phóng từ oxit, thay vì quá trình oxy hóa bằng hơi nước, do đó không có hydro được giải phóng trong quá trình oxy hóa [2].

Bẫy được đổ đầy vật liệu hiến sinh, trong trường hợp sự cố nặng, vật liệu này sẽ giữ nhiên vật liệu nóng chảy rơi từ thùng lò xuống, ngăn không cho phóng xạ trong nhiên vật liệu nóng chảy của vùng hoạt lò phản ứng thoát ra môi trường.

Nguyên lý hoạt động:

Khi nhiên vật liệu vùng hoạt lò phản ứng nóng chảy (nhiệt độ có thể vượt 2500°C) phá vỡ cấu trúc thùng lò phản ứng và rơi xuống bẫy, bẫy “giữ chặt” lấy nó, vật liệu hiến sinh tương tác với nhiên vật liệu nóng chảy, tạo thành một hỗn hợp với nhiệt độ nóng chảy không quá cao, do đó có thể làm mát, tải nhiệt ra ngoài bằng các hệ thống riêng và ngăn không cho hỗn hợp này thoát ra ngoài, xuyên qua sàn nhà lò. Nhờ các lớp vật liệu chuyên dụng và các hệ thống làm mát bên ngoài, nhiệt độ của nhiên vật liệu nóng chảy được tiếp tục được giảm dần, hạn chế nguy cơ phát tán phóng xạ.

Nguyên lý hoạt động của bẫy nhiên vật liệu nóng chảy.

Tại đây, bẫy thực hiện ba chức năng chính [1]:

1. Giữ chặt nhiên vật liệu nóng chảy: Ngăn không cho nhiên vật liệu nóng chảy thoát ra, xuyên qua sàn nhà lò phản ứng và tiếp xúc với đất, hoặc nước ngầm.

2. Hấp thụ nhiệt: Các lớp vật liệu đặc biệt làm giảm nhiệt độ nhiên vật liệu nóng chảy từ hàng nghìn độ xuống mức an toàn trong vài giờ đến vài ngày.

3. Ngăn phát tán phóng xạ: Hệ thống làm mát tích hợp của hệ thống này đảm bảo vật liệu phóng xạ không thoát ra ngoài.

Quá trình lắp đặt bẫy:

Quy trình lắp đặt bẫy đòi hỏi độ chính xác cao và tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn an toàn quốc tế:

Quá trình lắp đặt bẫy của Nhà máy điện hạt nhân. Nguồn: Internet.

Vị trí: Bẫy được đặt trong một hầm bê tông đặc biệt ngay dưới thùng lò phản ứng, với lớp bê tông dày được gia cố để chống phóng xạ và chịu áp suất lớn.

Quy trình lắp đặt:

1. Thi công hầm chứa bằng bê tông chống phóng xạ, thường dày từ 1-2 mét.

2. Sử dụng cần trục công suất lớn để hạ bẫy (nặng hàng trăm tấn) xuống đúng vị trí.

3. Kết nối hệ thống làm mát bằng nước, hoặc khí, đồng thời kiểm tra độ kín của thiết bị.

4. Lắp đặt lò phản ứng phía trên, đảm bảo sự đồng bộ giữa các bộ phận.

Thời gian và nhân lực: Quá trình này thường kéo dài trong nhiều tháng, với sự tham gia của hàng trăm kỹ sư và công nhân lành nghề. Chẳng hạn, tại Nhà máy điện hạt nhân El-Dabaa (Ai Cập), 2 bẫy đã được lắp đặt thành công cho 2 tổ máy số 1 và 2 trong năm 2023 (Rosatom tổng thầu) [3].

Thách thức kỹ thuật: Việc lắp đặt đòi hỏi độ chính xác tuyệt đối để đảm bảo bẫy không bị rò rỉ và có thể hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt. Ngoài ra, hệ thống làm mát phải luôn sẵn sàng để duy trì nhiệt độ an toàn, tránh hiện tượng quá nhiệt.

Chi phí đầu tư và hiệu quả kinh tế:

Chi phí điển hình:

Sau thảm họa Fukushima, các tiêu chuẩn an toàn hạt nhân toàn cầu đã được cải thiện đáng kể, dẫn đến chi phí xây dựng các nhà máy điện hạt nhân mới tăng lên.

Điều chỉnh thiết kế: Kết hợp các tính năng như bẫy nhiên vật liệu nóng chảy, cấu trúc bảo vệ nâng cao và hệ thống làm mát dự phòng. Những thiết kế này chịu được các tai nạn nghiêm trọng, hay còn gọi là sự cố nặng (xảy ra do các nguyên nhân như động đất, sóng thần), đòi hỏi thêm kỹ thuật và vật liệu, tác động đến chi phí đầu tư của chúng.

Nhà máy điện hạt nhân Akkuyu (Thổ Nhĩ Kỳ): Được khởi xướng vào năm 2010, dự án Akkuyu bao gồm 4 lò phản ứng, với tổng chi phí ước tính ít nhất là 20 tỷ đô la. Con số này phản ánh việc kết hợp các tính năng an toàn nâng cao theo các tiêu chuẩn mới. Theo dự kiến, lò phản ứng đầu tiên của dự án này sẽ được đưa vào hoạt động vào năm 2025 và tất cả các lò phản ứng sẽ đi vào hoạt động vào năm 2028 [4].

Nhà máy điện hạt nhân El Dabaa (Ai Cập): Việc xây dựng bắt đầu vào tháng 7 năm 2022 cho cơ sở 4 lò phản ứng, với tổng chi phí ước tính là 28,75 tỷ đô la. Nga đang tài trợ 85% số tiền này thông qua khoản vay nhà nước trị giá 25 tỷ đô la, trong khi Ai Cập chi trả 15% còn lại. Nhà máy được thiết kế với lò phản ứng VVER-1200 thế hệ III+, kết hợp các tính năng an toàn tiên tiến được phát triển để ứng phó với sự cố [5].

Số liệu cụ thể không được công bố chi tiết cho việc lắp đặt bẫy và phụ thuộc vào từng dự án (có thể dự đoán chiếm 3-10% tổng mức xây dựng nhà máy), thay đổi tùy theo quy mô và thiết kế của nhà máy.

Yếu tố ảnh hưởng đến chi phí:

1. Kích thước và loại lò phản ứng.

2. Vật liệu sử dụng (nếu sử dụng hợp kim đặc biệt, hoặc gốm cao cấp sẽ đắt hơn).

3. Công nghệ làm mát tích hợp.

4. Quy trình lắp đặt phức tạp, đòi hỏi thiết bị và nhân công chuyên dụng.

Lợi ích kinh tế:

Mặc dù chi phí ban đầu cao, bẫy nhiên vật liệu nóng chảy giúp giảm thiểu rủi ro do sự cố tan chảy vùng hoạt lò phản ứng, tiết kiệm chi phí khắc phục thảm họa (như vụ Fukushima, ước tính hàng chục tỷ USD). Nó cũng giúp nhà máy đáp ứng tiêu chuẩn an toàn quốc tế, giảm chi phí bảo hiểm và kéo dài tuổi thọ vận hành.

1. Giảm rủi ro: Bẫy giúp tránh các thiệt hại kinh tế khổng lồ từ sự cố nặng kèm theo thoát phóng xạ ra môi trường, vốn có thể lên tới hàng chục tỷ USD (như Fukushima).

2. Tiết kiệm dài hạn: Nhờ tăng cường an toàn, chi phí bảo hiểm và bảo trì nhà máy được giảm thiểu đáng kể.

3. Tăng uy tín: Các nhà máy có bẫy nhiên vật liệu nóng chảy đáp ứng tốt hơn các tiêu chuẩn quốc tế, nâng cao độ tin cậy của điện hạt nhân trên thị trường năng lượng toàn cầu.

4. Tác động vận hành: Dù chi phí ban đầu cao, bẫy nhiên vật liệu nóng chảy giúp giảm chi phí dự phòng khẩn cấp, kéo dài tuổi thọ nhà máy và giá điện cạnh tranh hơn so với các nguồn năng lượng khác.

Bẫy nhiên vật liệu nóng chảy không chỉ là một giải pháp kỹ thuật, mà còn là biểu tượng của sự tiến bộ trong ngành công nghiệp hạt nhân. Với khả năng ngăn chặn thảm họa và bảo vệ môi trường, công nghệ này đã trở thành một yếu tố không thể thiếu trong các nhà máy hạt nhân thế hệ mới. Đầu tư vào bẫy nhiên vật liệu nóng chảy không chỉ đảm bảo an toàn cho hôm nay, mà còn mở ra tương lai bền vững cho năng lượng hạt nhân - một nguồn lực quan trọng trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu./.

LÂM VĂN NĂM - PECC2

Nguồn tham khảo:

1. Rosatom. (2022). Nuclear Safety and Core Catcher Technology. https://www.rosatom.ru/upload/iblock/0be/0be1220af25741375138ecd1afb18743.pdf

2. Nuclear Energy Agency (NEA) - Technical Report on Core Catcher https://www.oecd-nea.org/mdep/documents/tr-vverwg-04_CoreCatcher_Final.pdf

3. Core catcher for Unit 4 delivered to El-Dabaa NPP construction site (Egypt) https://atommedia.online/en/2024/11/05/na-ploshhadku-sooruzheniya-aes-el-dabaa-2/

4. Turkish nuclear – https://www.reuters.com/business/energy/turkish-nuclear-plant-delayed-by-withheld-siemens-parts-china-supply-2024-09-11/

5. El Dabaa Nuclear Power Plant, https://en.wikipedia.org/wiki/El_Dabaa_Nuclear_Power_Plant