Hệ thông gió trong lò phản ứng hạt nhân

Hệ thông gió có ba chức năng đặc biệt, đảm bảo an toàn bức xạ gồm:

- Ngăn chặn sự lan tỏa các chất phóng xạ bên trong lò phản ứng.

- Duy trì nồng độ của các chất phóng xạ tại mức độ có thể chấp nhận được trong giới hạn phơi nhiễm bức xạ đối với con người.

- Duy trì lượng chất phóng xạ bị tung ra môi trường qua hệ thống hút khí tại mức độ có thể chấp nhận được trong giới hạn phơi nhiễm bức xạ đối với môi trường.

Trong trường hợp sự cố hệ thông gió sẽ được vận hành theo thiết kế kịch bản sự cố và sau sự cố. Các bộ phận cấu thành hệ thông gió sẽ được bảo vệ khỏi các hiệu ứng của sự cố. 

Dưới đây sẽ mô tả các bộ phận cấu thành và nguyên lý hoạt động của hệ thông gió:

Mô tả hệ thông gió

Hệ thông gió gồm các bộ phận chủ yếu sau: quạt, các bộ chặn (damper) cùng van khí, hệ lọc khí (purging unit), thiết bị làm lạnh (chiller) và đường ống dẫn.

- Thiết bị quạt là bộ phận trung tâm trong hệ thông gió của lò phản ứng. Hầu hết quạt được sử dụng trong thiết bị hạt nhân là quạt ly tâm, quạt chân vịt và quạt trục. Quạt thông gió được yêu cầu có các thông số vận hành về lưu lượng, áp lực đáp ứng chức năng tuần hoàn dòng khí tại các khu vực. Quạt ly tâm truyền động thẳng (H.1) thường được lựa chọn do có ưu điểm chịu được nhiệt độ, độ ẩm cao mà không bị hỏng hóc hoặc giảm hiệu suất. Quạt thông gió không yêu cầu tạo ra áp lực cao mà cần tạo ra vận tốc lớn để vận chuyển một lượng lớn khí trong đường ống. 

- Bộ chặn và van khí: Bộ chặn được sử dụng để kiểm soát dòng khí trong quạt hút và đường ống. Bộ chặn có thể làm dừng/khởi động dòng khí hoặc được sử dụng để hòa trộn các dòng khí với nhau. Bộ chặn được sử dụng nhiều nhất là loại có phiến song song (H.2) làm bằng nhôm, thép hoặc kim loại khác. Tuy nhiên, bộ chặn được sử dụng chủ yếu vào chức năng hòa trộn các dòng khí trong khi van khí có chức năng điều chỉnh, dừng/khởi động dòng khí. Trong hệ thông gió hạt nhân, van khí thường dùng là loại van bướm. Van bướm làm bằng thép và chịu được áp suất cao (lên đến 60psi), nhiệt độ dòng khí lên đến hàng trăm độ C. Cả bộ chặn và van khí đều được điều khiển bằng mô tơ điện hoặc khí nén.   

- Hệ lọc khí (H.3) gồm phin lọc, thiết bị hấp thụ có chức năng là làm sạch khí cấp vào và khí thải ra. Trong hệ cấp khí các phin lọc được bố trí để cung cấp khí sạch cho các khu vực cần thông gió. Trong hệ hút khí thải ra, các thiết bị bị làm sạch khí gồm phin lọc, thiết bị hấp thụ để xử lý các thành phần phóng xạ trong khí thải như son khí, khí trơ và i ốt nhằm làm giảm nồng độ phóng xạ thải ra khí quyển bên ngoài. 

- Các thiết bị làm lạnh (H.4) là một hệ máy gồm các bộ phận chính như bộ nén khí, bộ bay hơi trao đổi nhiệt và bộ ngưng tụ trao đổi nhiệt. Mục đích của thiết bị làm lạnh là cung cấp nước lạnh để làm mát không khí trong các phòng theo yêu cầu. 

- Đường ống dẫn có nhiệm vụ dẫn dòng khí từ bên ngoài qua quạt đến các khu vực cần thông gió, hoặc từ các khu vực cần thông gió qua quạt đến ống khói ra ngoài. Đường ống dẫn khí thường có tiết diện hình chữ nhật và thành ống có thể chịu được áp lực bên ngoài do sự cố gây ra đến 414 kPa (60 psi). Ống dẫn khí hàn kín sẽ ít rò rỉ hơn là ống ghép bằng kim loại tấm. Vật liệu chế tạo ống thường được lựa chọn là thép không gỉ hoặc thép cacbon.

Các bộ phận nói trên được lắp đặt trong hệ thông gió với mục đích đảm bảo các chức năng an toàn bức xạ như sau:

Thông gió làm mát khẩn cấp nhà lò:

Trong bất kỳ sự cố nào xảy ra, hệ thông gió làm mát khẩn cấp nhà lò có chức năng khử nhiệt ra khỏi nhà lò để ngăn chặn sự tăng lên của nhiệt độ bên trong nhà lò.   

Hệ thông gió làm mát khẩn cấp nhà lò thường gồm một quạt hút có thể hút khí ẩm nóng phát sinh do sự cố, bộ làm lạnh có dạng các ống xoắn tản nhiệt để hạ nhiệt của khí nóng dẫn qua, một đường ống để dẫn khí được làm lạnh, một quạt thổi đặt trên đỉnh nhà lò (còn gọi là quạt tuần hoàn khí vòm nhà lò) để thổi trực tiếp khí mát xuống từ vòm nhà lò.

Xử lý khí thải phóng xạ

Hệ lọc khí trong hệ thống thông gió gồm các quạt có thể hút khí từ các khu vực có tiềm năng nhiễm xạ, các phin lọc son khí và thiết bị hấp thụ i ốt để khử các chất phóng xạ trong khí được dẫn qua, đường ống để dẫn khí sạch đến ống khói thải ra môi trường bên ngoài.

Các hệ lọc khí thường được phát động bởi các sensor quan trắc phóng xạ được gắn trong ống hút. Chúng được khởi động một cách tự động tại bất kỳ thời điểm nào các hệ thống làm lạnh vùng hoạt khẩn cấp khởi  động, hoặc sự cô lập nhà lò được yêu cầu.

Trong trường hợp sự cố, hệ thông gió bình thường sẽ ngừng hoạt động bằng cách dừng các quạt, và các van điều chỉnh lưu lượng trong đường ống sẽ đóng hoặc mở thích hợp để cho hệ lọc khí chỉ hoạt động một mình. Hệ lọc khí trong trường hợp sự cố còn được gọi là hệ xử lý khí thải dự phòng (standby gas treatment system). 

Đảm bảo độ chênh áp

Mục đích việc đảm bảo độ chênh áp là để duy trì áp suất bên ngoài nhà lò cao hơn, ngăn chặn sự rò rỉ phóng xạ từ nhà lò ra bên ngoài. Ngoài ra cũng cần thiết đảm bảo độ chênh áp giữa các vùng có tiềm năng nhiễm xạ khác nhau để ngăn chặn sự lan tỏa phóng xạ bên trong lò phản ứng.    

Hệ đảm bảo độ chênh áp gồm các quạt cấp khí và quạt hút khí có các lưu lượng thiết kế khác nhau dựa trên nguyên tắc khí cấp vào ít hơn khí hút ra để tạo áp suất âm trong khu vực thông gió so với khu vực bao ngoài. Các quạt cấp khí và hút khí cũng được lựa chọn về độ lớn để tạo ra độ chênh áp giữa các khu vực trong lò phản ứng ví dụ như trong hệ thống BWR thì áp suất trong tòa nhà tuốc bin phải lớn hơn áp suất trong tòa nhà lò.

Đảm bảo làm mát

Hệ thông gió còn có hệ các thiết bị đảm bảo làm mát khẩn cấp các thiết bị đang vận hành như máy phát diezzen, mô tơ điện và các thiết bị điện khác.

Hệ làm mát gồm:

- Các thiết bị làm lạnh: được đặt cục bộ tại khu vực có thiết bị cần làm mát. Thiết bị làm lạnh có quạt hút bên trong để hút khí nóng từ môi trường vào dẫn qua các cuộn lạnh sau đó thổi khí mát đến các thiết bị cần làm mát

- Các thiết bị điều hòa không khí được sử dụng trong phòng điều khiển hoặc gắn cục bộ để làm mát các bảng điện tử  hoặc thiết bị điện.

- Các quạt để cấp không khí từ ngoài hoặc các vùng đặc biệt để làm mát mô tơ, diezzel... Khí mát có thể được cung cấp bởi đưa khí nóng qua các bộ tản nhiệt đã được làm lạnh bởi các hệ thống khác.     

Nguyên tắc hoạt động của hệ thông gió để đảm bảo an toàn bức xạ

Hệ thông gió không phải là một hệ thống hỗ trợ tầm thường. Hệ thông gió là một rào cản quan trọng đối với các mối nguy hiểm về chất độc, sinh học và phóng xạ tác động đến môi trường.    

Để thực hiện chức năng ngăn chặn sự lan tỏa chất phóng xạ bên trong lò phản ứng, hệ thông gió được phân ra sự phục vụ khác nhau trong các khu vực có mức độ phóng xạ khác nhau gọi là các khu vực thông gió (H.5). Sự phục vụ trong các khu vực thông gió dựa trên nguyên tắc: sự chênh áp được xác định trước giữa các khu vực thông gió cần được kiểm soát để dòng khí chỉ lan truyền theo một đường là từ các khu vực ít nhiễm xạ đến các khu vực nhiễm xạ cao hơn trong giới hạn đảm bảo an toàn bức xạ. Điều đó có nghĩa là áp suất trong các vùng nhiễm xạ phải thấp hơn trong các vùng sạch. Ví dụ phải đảm bảo về áp suất tại các khu vực thông gió như sau: đối với các vùng nhiễm xạ (ngăn chặn cấp I - primary confinement) áp suất là từ -174 Pa đến - 248,6 Pa; vùng có khả năng nhiễm xạ (ngăn chặn cấp II - secondary confinement) áp suất từ -24,8 Pa đến - 37 Pa; vùng sạch (ngăn chặn cấp III - tertiary confinement), áp suất từ -24,8 Pa đến - 37 Pa.

Lưu lượng thông gió được tính trên cơ sở hệ số trao đổi không khí. Hệ số trao đổi không khí là số lần thay đổi toàn bộ thể tích không khí trong vùng cần thông gió trong thời gian một giờ (số lần/giờ). Trong các cơ sở hạt nhân mới, yêu cầu tốc độ trao đổi không khí trong các vùng bị nhiễm xạ đã tăng lên như: các vùng ngăn chặn cấp I có hệ số trao đổi lên đến 30 lần/giờ; vùng ngăn chặn cấp II có hệ số trao đổi là từ 4-8 lần/giờ và vùng ngăn chặn cấp III có hệ số trao đổi là 0,5 đến 2 lần/giờ.

Mô hình thông gió trong khu vực bị nhiễm xạ theo nguyên lý: cấp khí sạch từ phía trên và hút khí nhiễm bẩn từ phía dưới. Với nguyên lý này không khí sạch bên ngoài thổi vào sẽ ép không khí có khả năng bị nhiễm bẩn bên trong không thể bốc lên làm ảnh hưởng đến vùng không gian hít thở của người vận hành.

Một nguyên tắc để đảm bảo an toàn bức xạ trong trường hợp sự cố của nhà lò phản ứng là: khi sự cố xảy ra hệ thông gió cho điều kiện vận hành bình thường sẽ dừng hoạt động chỉ để hệ xử lý khí thải dự phòng hoạt động cùng hệ làm mát khẩn cấp nhà lò (nếu được yêu cầu). Hệ xử lý khí thải dự phòng, chỉ hoạt động với quạt hút và các hệ lọc khí, xử lý khí bị nhiễm xạ trước khi thải ra ngoài môi trường qua ống khói.

Hệ thông gió luôn làm việc trên nguyên tắc phải có hai hệ song song để dự phòng trường hợp hỏng hóc hoặc bảo dưỡng thiết bị.

TRẦN THU HÀ

Tổng hợp từ “Normal and Emergency Ventilation Systems”,

“Air Conditioning and Ventilation Systems and Component of Nuclear Facilities”,

Ventilation Systems Operating Experience Review for Fusion Application”