Tiêu chuẩn an toàn LOCA trong lò phản ứng hạt nhân

An toàn hạt nhân: Việt Nam không ngoài thông lệ quốc tế
Hệ thống an toàn trong lò phản ứng hạt nhân
Công nghệ xử lí nhiên liệu hạt nhân vượt trội của Nga

Vấn đề tiêu chuẩn an toàn của nhiên liệu hạt nhân được nhóm nghiên cứu của Cục Năng lượng Nguyên tử - Bộ Khoa học & Công nghệ nhận diện khá rõ nét trong nghiên cứu “Ảnh hưởng của quá trình vận hành đến tính chất của nhiên liệu và vỏ thanh nhiên liệu trong lò phản ứng VVER-1000”.

Theo nhóm nghiên cứu, khi mất nước tải nhiệt của hệ thống sơ cấp lò phản ứng hạt nhân, nhiệt tích trữ trong các thanh nhiên liệu được phân bố lại. Nhiệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu tăng, trong khi nhiệt độ tại đường xuyên tâm của các viên nhiên liệu giảm xuống. Mặc dù nhiệt sinh ra do phân rã phóng xạ (nhiệt phân rã) sau khi dập lò chỉ vào khoảng vài phần trăm so với nhiệt khi lò ở mức công suất vận hành, nhưng do không được tải đi nên lượng nhiệt này có thể làm nóng chảy vỏ thanh nhiên liệu, thường làm bằng hợp kim zirconi.

Khi vỏ thanh nhiên liệu bị nóng quá mức sẽ bị oxi hóa bởi nước và hơi nước. Tốc độ của phản ứng kim loại - nước là không đáng kể ở nhiệt độ thấp, nhưng tăng nhanh ở nhiệt độ khoảng 1000 ⁰C. Phản ứng oxi hóa làm sinh nhiệt, đóng góp thêm vào sự tăng nhiệt độ của vỏ thanh nhiên liệu.

Theo nghiên cứu này, hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp (ECCS) được thiết kế nhằm duy trì việc tải nhiệt vùng hoạt trong trường hợp sự cố LOCA, cung cấp nước vào tiếp xúc với nhiên liệu, ngăn việc tăng nhiệt độ quá mức của vỏ thanh nhiên liệu.

An toàn phải tính hết các yếu tố ảnh hưởng

Nhóm nghiên cứu cho rằng, việc đảm bảo an toàn nhiên liệu hạt nhân trong quá trình vận hành của nhà máy là hết sức quan trọng. Do đó hệ thống tiêu chuẩn an toàn nhiên liệu hạt nhân phải tính hết các yếu tố ảnh hưởng đến hai chức năng: Một là, đảm bảo sự toàn vẹn tối đa của vỏ bọc thanh nhiên liệu (không nóng chảy, rò rỉ, thủng vỡ), không để phát tán phóng xạ (nhiên liệu và các sản phẩm phân hạch) vào môi trường làm mát. Hai là, đảm bảo sự toàn vẹn về cấu trúc hình học (hình dạng và kích thước) và độ bền vững của các thanh và bó thanh nhiên liệu, không gây cản trở về mặt thủy nhiệt (ảnh hưởng dòng chảy và khả năng tải nhiệt chất làm mát); không gây cản trở sự dịch chuyển các thanh điều khiển khi cần dừng lò và làm nguội trong các điều kiện vận hành bình thường, quá độ và giải quyết sự cố nằm trong cơ sở thiết kế, sự cố cơ sở thiết kế DBA.

Thanh nhiên liệu và bó thanh nhiên liệu được thiết kế theo nguyên tắc bảo toàn các chỉ tiêu thiết kế đã xác định trong các điều kiện kể trên. Ví dụ: Tính nguyên vẹn của thanh nhiên liệu và cấu trúc của bó thanh nhiên liệu có thể được bảo đảm bằng việc tuân thủ các giới hạn ứng suất và biến dạng ở các điều kiện chịu tải khác nhau.

Từ tiêu chuẩn của các quốc gia trên thế giới...

Để đảm bảo an toàn nhiên liệu hạt nhân, các quốc gia trên thế giới đã đưa ra nhiều tiêu chí đối với nhiên liệu hạt nhân trong điều kiện nhà máy vận hành bình thường cũng như khi có sự cố.

Một số lò phản ứng của Mỹ, Pháp, Đức, Bỉ và các nước châu Âu duy trì tiêu chí 17%; Nhật Bản đã hạ thấp tiêu chí ECR (độ phản ứng tương ứng của lớp vỏ) ở giá trị 15% thay cho 17%; Cộng hòa Séc và Nga giữ ở mức 18%.

Sự giống nhau của tiêu chuẩn an toàn LOCA giữa các quốc gia khác nhau đã được chứng minh trong tiêu chuẩn an toàn ở các nước thành viên NEA thực hiện bởi NEA/CSNI gần đây. Với vài trường hợp ngoại lệ các quốc gia khác nhau đã áp dụng các tiêu chuẩn NRC. Trong các trường hợp khi có trường hợp ngoại lệ, chúng phải ở hầu hết các trường hợp được coi là khá nhỏ. Chẳng hạn, Nhật Bản đã thông qua một giá trị ECR 15% thay vì thông thường 17%, trong khi Cộng hòa Séc sử dụng một giá trị của 18% cho VVER 440 lò phản ứng nhưng vẫn giữ được giá trị 17% cho lò phản ứng VVER 1000. Điều này có liên quan đến vật liệu vỏ bọc khác nhau trong hai loại lò phản ứng, Zr1Nb và Zircaloy-4 tương ứng. ECR18% cũng áp dụng ở Nga.

Tuy nhiên giá trị này được dựa trên kết quả thử nghiệm làm nguội nhanh chứ không phải là thử nghiệm nén vòng như các tiêu chuẩn của Mỹ. Như được thảo luận trong các phần sau, một tiêu chí E110 dựa trên các thí nghiệm nén vòng có lẽ sẽ nhiều hạn chế hơn so với tiêu chí ECR 17%. Liên quan đến nhiệt độ vỏ bọc đỉnh (PCT) với hầu hết các quốc gia đã chọn để làm tròn xuống giới hạn NRC 1204 °C đến 1200 °C. Trong việc áp dụng tiêu chí ECR một số quốc gia bao gồm quá trình oxi hóa trước LOCA và một số nước thì không áp dụng.

Các tiêu chí về sự cố LOCA của Nhật Bản về độ giòn vỏ bọc là 15% ECR và đỉnh nhiệt độ vỏ bọc là 1200 °C, được thiết lập vào năm 1975 và dựa trên khái niệm về độ dẻo zero của vỏ bọc như ở Mỹ. Tiêu chuẩn quá trình oxi hóa đã giảm 2% đã tính đến sự không chắc chắn về hiệu quả của tốc độ làm mát đến sự giòn của vỏ bọc, được chỉ ra sau khi thành lập các tiêu chí ở Mỹ.

Sau khi thành lập, Uetsuka và các cộng sự thấy rằng quá trình oxi hóa bề mặt bên trong sau khi thanh có hiện tượng nổ vỡ là đi kèm với hấp thụ hydro đáng kể. Thử nghiệm nén vòng được thực hiện bởi Uetsuka và đồng nghiệp trên mẫu vỏ bọc trải qua bùng nổ thanh và oxi hóa hai phía để kiểm tra tính giòn của vỏ bọc do quá trình oxi hóa và hấp thụ hydro. Độ dẻo của các mẫu vòng giảm xuống vùng độ dẻo zero vỏ bọc được oxi hóa tới vài phần trăm ECR, chỉ ra rằng sự hấp thụ hydro đáng kể làm tăng độ giòn vỏ bọc. Theo đó, họ tiến hành thử nghiệm sốc nhiệt không thể thiếu để đánh giá về khả năng hư hỏng của vỏ bọc oxi hóa trong điều kiện mô phỏng LOCA.

Trong thử nghiệm, một thanh kiểm tra ngắn được làm nóng lên, vỡ, bị oxi hóa trong hơi nước và làm nguội nhanh bởi ngập nước. Kết quả thu được khẳng định tiêu chí 15% ECR vẫn có dự trữ an toàn khi tương quan Baker-Just được sử dụng và kết quả được giới thiệu khi các tiêu chuẩn LOCA được đánh giá lại vào năm 1981. Vì vậy, tiêu chí LOCA hiện tại của Nhật về an toàn nhiên liệu không dựa trên khái niệm về độ dẻo zero của vỏ bọc, mà dựa trên giá trị ngưỡng hư hỏng được xác định trong các thử nghiệm sốc nhiệt không thể thiếu trong điều kiện hạn chế.

Ngoại trừ quy tắc sử dụng tiêu chuẩn nhiệt độ và oxi hóa đặc biệt ở Canada, những phân tích an toàn lò phản ứng Canada dựa trên việc đảm bảo rằng liều bức xạ cho công chúng từ một sự cố trong cơ sở thiết kế vẫn ở dưới một mức nhất định.

Cơ quan quản lý không quy định mức cụ thể nhưng đưa ra các trách nhiệm cho ngành công nghiệp để kiểm chứng mức độ tuân thủ quy định. Để thực hiện điều đó, Canada sử dụng một số chương trình máy tính đủ điều kiện để phân tích các hậu quả từ các tai nạn cơ sở được công nhận nhằm xác định lượng chất phóng xạ sinh ra trong nhiên liệu, số lượng sai hỏng lớp vỏ nhiên liệu, quá trình dịch chuyển sản phẩm phóng xạ (FP) thông qua hệ thống truyền nhiệt tới tòa nhà lò, sự phát tán sản phẩm phóng xạ từ tòa nhà lò, phát tán FP vào khí quyển và liều công chúng. Như vậy, không có giới hạn PCT và ECR chính thức ở Canada.

Ngoài giới hạn nhiệt độ cao nhất và oxi hóa, tiêu chí an toàn tại Đức có thêm một yêu cầu là yếu tố nổ, vỡ thanh nhiên liệu không được vượt quá 10% tổng số thanh trong vùng hoạt. Mục đích của yêu cầu này là giới hạn sự phát tán phóng xạ do lớp vỏ bị nổ vỡ.

… đến tiêu chuẩn của Mỹ

Các tiêu chuẩn an toàn cho loại sự cố LOCA thường xác định là nhiệt độ vỏ bọc và lượng ôxi hóa vỏ bọc. Ủy ban Pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ (NRC) đã đưa ra tiêu chuẩn áp dụng đối với nhiên liệu hạt nhân trong điều kiện xảy ra sự cố.

Tiêu chuẩn an toàn chấp nhận được đối với LOCA bao gồm: PCT không được vượt quá 1204 ^oC; Tỷ lệ oxi hóa tối đa của lớp vỏ thanh nhiên liệu trên tổng độ dày lớp vỏ trước oxi hóa không quá 17 %; Tổng độ dày lớp oxi hóa được xét là tổng độ dày lớp vỏ kim loại biến đổi thành oxit.

Nếu toàn bộ oxy được hấp thụ và phản ứng với lớp vỏ thì độ dày lớp vỏ biển đổi thành ZrO₂. Nếu các nứt gãy của lớp vỏ được xác định là tồn tại, thì bên trong bề mặt của lớp vỏ sẽ được xác định bao gồm trước khi bị oxi hóa, có nghĩa là khoảng cách từ bên trong ra bên mặt ngoài lớp vỏ sau khi nứt gãy hay nở phồng xuất hiện trước khi lớp vỏ bọc bị oxi hóa đáng kể.

Vị trí mà các điều kiện tính toán của quá trình biến đổi áp suất và nhiệt độ dẫn đến việc nở phồng lớp vỏ, dù có hoặc không có nứt gãy, độ dày lớp vỏ không bị oxi hóa sẽ được xác định như tiết diện bề mặt của lớp vỏ, tại vị trí nứt gãy trên bề mặt cắt ngang (nếu có) hoặc tại vị trí nhiệt độ lớp vỏ cao nhất (nếu nứt gãy không tồn tại), chia cho chu vi trung bình của lớp vỏ ở vị trí đó.

Đối với lớp vỏ bị nứt gãy, chu vi của lớp vỏ không được xét đến độ mở của vết nứt.

•  Hydro sinh ra lớn nhất: Khối lượng hydro sinh ra từ các phản ứng hóa học giữa nước và lớp vỏ hay hơi nước không được vượt quá 0,01 lần lượng hydro được sinh ra nếu toàn bộ kim loại lớp vỏ bao quanh nhiên liệu đều phản ứng.

•  Cấu trúc hình học làm mát: Những thay đổi được xác định trong hình dạng vùng hoạt cần phải giữ ở mức tối thiểu để vẫn đảm bảo khả năng làm mát.

•  Khả năng làm mát lâu dài: Sau bất kỳ quá trình vận hành nào của ECCS, nhiệt độ vùng hoạt (nhiệt dư) được xác định phải duy trì ở giá trị thấp. 

•  Phải đảm bảo phóng xạ sinh ra được duy trì lâu dài trong vùng hoạt.

Mục đích của hai tiêu chí đầu tiên, liên quan đến nhiệt độ tối đa vỏ bọc và tổng quá trình oxi hóa, là để đảm bảo rằng vỏ bọc vẫn đủ mềm dẻo để nó không bị phá vỡ thành từng mảnh trong và sau giai đoạn làm nguội nhanh của quá độ LOCA.

Một mục đích quan trọng khác của giới hạn (1204 °C) là để đảm bảo rằng vỏ bọc nhiên liệu không đi vào chế độ oxi hóa rất mạnh và sự tăng nhiệt vùng hoạt không kiểm soát được.

Trên thực tế, cả hai tiêu chí đã bị vi phạm trong trường hợp tai nạn Three Mile Island năm 1979. Các cuộc tranh luận hay tranh cãi liên quan đến việc sử dụng tương quan oxi hóa Baker-Just dẫn tới sự bảo thủ đáng kể so với mối tương quan quá trình oxi hóa gần đây các hợp kim zirconi áp dụng cho LOCA.

KỲ ANH