Xu hướng tăng độ cháy của nhiên liệu 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

Theo đó, vật liệu chế tạo lớp vỏ được lựa chọn phải có khả năng chống ăn mòn cao khi độ cháy nhiên liệu tăng mà vẫn duy trì tính an toàn của nhiên liệu. Hợp kim zirconi chứa Nb được sử dụng bởi một số nhà cung cấp nhiên liệu lò phản ứng nước áp lực (PWR) đã cho thấy khả năng chống ăn mòn thỏa mãn nhiên liệu có độ cháy trung bình (tính trên bó thanh nhiên liệu hạt nhân) hơn 60 GWd/tU. Các vật liệu chế tạo lớp vỏ nhiên liệu mới này (hợp kim với hàm lượng thiếc (Sn) thấp, M5, PCA-2b và ZIRLO) cũng đã thể hiện sự ổn định về kích thước tốt hơn và khả năng chống lại các hiện tượng cơ - nhiệt và thủy động học cao hơn.

Xu hướng tăng độ cháy của nhiên liệu hạt nhân cũng được TS. Trần Đại Phúc - Cục Năng lượng Nguyên tử - Bộ Khoa học & Công nghệ và các cộng sự đề cập 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 nghiên cứu này, quá trình sử dụng lò nước nhẹ thời gian qua cho thấy, việc cải tiến thiết kế nhiên liệu có xu hướng đạt đến độ cháy cao.

Đối với các loại lò phản ứng PWR, VVER và BWR (lò phản ứng nước sôi), độ cháy tháo liệu đã tăng gần gấp đôi so với cách đây 30 năm (khoảng 50 GWd/tU). Khả năng các lò phản ứng có thể đạt được độ cháy cao hơn là nhờ sự kết hợp của kinh nghiệm vận hành tích lũy được, nhờ sự cải tiến trong thiết kế nhiên liệu và nhờ quá trình phát triển vật liệu dùng làm nhiên liệu được thực hiện bởi các nhà cung cấp nhiên liệu với những kiến thức tốt hơn về những biến đổi tính chất của nhiên liệu trong quá trình vận hành.

Tại Hoa Kỳ, các lò nước nhẹ bắt đầu vận hành thương mại trong cuối thập niên 1950 và đầu những năm 1960 đã trở thành hình mẫu cho các thế hệ lò nước nhẹ sử dụng trên toàn thế giới hiện nay. Các lò phản ứng hạt nhân này không chỉ được sử dụng rộng rãi nhất, mà còn là công nghệ tiên tiến nhất với các phiên bản được cải tiến trên hai loại lò phản ứng BWR và lò phản ứng PWR đang vận hành trong thập kỷ qua. Các lò nước áp lực do Nga thiết kế (VVER-440 và VVER1000), mặc dù khác nhau về chi tiết kỹ thuật, có nhiều điểm chung với lò phản ứng PWR phương Tây. Cả ba loại lò phản ứng trên hiện nay đã được phát triển đến một mức độ rất cao về công nghệ và thương mại, đảm bảo an toàn và độ tin cậy lớn.

Trong những năm 1980 và 1990, thời kỳ sử dụng hợp kim Zircaloỵ -2 và Zircaloy-4 cho các thanh nhiên liệu hạt nhân, sự ăn mòn bên trong lớp vỏ do quá trình hydrua hóa và những gãy vỡ do mỏi là những vấn đề được quan tâm nhất. Quá trình hydrua hóa gây ra do hiện tượng ăn mòn hóa học của lớp vỏ thanh dù nồng độ hydro đã được giảm nhẹ trong quá trình chế tạo (nồng độ H2 < 1ppm). Hiện tượng gãy vỡ hoăc gia tăng sự ăn mòn và rão của lớp vỏ xảy ra do ứng suất mỏi bên trong của thanh nhiên liệu hạt nhân khi biến đổi tỷ trọng nhiên liệu quá mức dẫn đến hiện tượng gia tăng khoảng cách giữa các viên gốm. Hiện tượng này được gọi là “lift-off”, có ảnh hưởng rất lớn đến tính toàn vẹn của các thanh nhiên liệu hạt nhân ở đô ̣cháy cao trong giai đoạn xả nước của tai nạn LOCA (sự cố mất dòng chất tải nhiệt).

Trong giai đoạn này, áp suất bên trong thanh nhiên liệu hạt nhân có thể lớn hơn áp suất của hệ thống sơ cấp và dẫn đến: Các đặc tính cơ học của lớp vỏ sẽ bị suy giảm (một phần do phóng xạ trong vùng hoạt và độ cháy gia tăng) dẫn đến hiện tượng nổ vỡ; gia tăng thể tích oxi hóa do sự nở phồng của lớp vỏ dẫn đến khả năng vượt quá tiêu chí an toàn trong giai đoạn làm ngập nước trở lại của tai nạn LOCA từ hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp (ECCS).

Các biện pháp kiểm soát mật độ nhiên liệu (khi công suất tuyến tính của thanh nhiên liệu hạt nhân thấp) và khả năng của lớp vỏ hợp kim tiên tiến (ZIRLO, M5, E635, ..) chống lại cơ chế biến dạng mỏi đã loại bỏ được hiện tượng gãy vỡ do mỏi trên lớp vỏ ở độ ̣cháy < 50 GWd/tU. Tuy nhiên, ở độ cháy trung bình 60-70 GWd/tU, hiện tượng này vẫn tác động rất lớn đến nhiên liệu trong quá trình vận hành khi có sự cố LOCA.

Bên cạnh đó, tồn tại một loại cơ chế sai hỏng sớm khác do hiện tượng phun ngang và chắn dòng tải nhiệt chảy ngang vùng hoạt tại các điểm nối của màn chắn vùng hoạt, trong đó dòng tia phun ngang của nước va đập vào các thanh nhiên liệu nằm lân cận ngoại vi vùng hoạt lò phản ứng. Kết quả là thanh nhiên liệu bị rung động, tao rạ ứng lực rung động cộng̣ hưởng và cuối cùng sẽ dẫn đến hiện tượng vỡ thanh nhiên liệu hạt nhân. Việc sửa đổi cấu trúc bên trong thùng lò đã được thực hiện làm giảm đáng kể dòng chảy ngang tại các điểm nối trên vách ngăn, loại bỏ được một cách hiệu quả cơ chế sai hỏng này.

Theo các chuyên gia, sai hỏng nhiên liệu do hiện tượng phun dòng chất làm mát đã xảy ra trong các lò phản ứng PWR với thiết kế có sử dụng đến các tấm chắn dòng chất làm mát đi xuống. Trong thiết kế đó, hai tấm chắn vùng hoạt có thể bị mở ra và dẫn đến xuất hiện hiện tượng phun ngang dòng áp suất cao tác động đến các thanh nhiên liệu. Các tia phun ngang trực tiếp sẽ tác động theo phương ngang lên các thanh nhiên liệu và gây ra dòng chảy rối trong cấu trúc của bó thanh nhiên liệu hạt nhân, có thể dẫn đến hiện tượng rung động cộng hưởng phá hủy thanh nhiên liệu hạt nhân. Trong một khoảng thời gian ngắn, các tác động cộng hưởng có thể được khắc phục bằng các lá chắn trên tấm đỡ bên lưới vùng hoạt. Các lá chắn này làm giảm khoảng cách giữa các kênh và do đó, làm giảm ảnh hưởng của dòng gây rung động thanh nhiên liệu hạt nhân.

Một số bộ phận khác trong thiết kế cũng được cải tiến về mặt vật liệu như các ống thép không gỉ có sức chống chịu rung động cao hơn. Ngoài ra, một giải pháp khác được áp dụng trong cải tiến thiết kế là việc chuyển từ thiết kế dòng-đi xuống đến thiết kế dòng-đi lên. Một số cải tiến liên quan đến lưới giữ các thanh nhiên liệu hạt nhân (hình dạng và vị trí lắp đăt) đã được đưa vào trong thiết kế.

Theo kinh nghiệm của các chuyên gia, mục đích của thiết kế như trên là giảm ăn mòn cơ hoc ở phần dưới các thanh nhiên liệu hạt nhân tao ra bởi lưc tác động từ dòng nước chảy qua tấm đỡ bó thanh nhiên liệu hạt nhân bên dưới vùng hoạt.

Các chuyên gia cũng đưa ra cấu trúc của lưới đỡ trong bó thanh nhiên liệu hạt nhân đã được cải tiến về lò xo, vách chắn, cột đỡ,… với mục đích làm giảm diện tích tiếp xúc với các thanh nhiên liệu nhằm giảm hiện tượng ăn mòn cơ học do rung động và va đập của thanh nhiên liệu hạt nhân lên các kênh của màn lưới giữ các thanh nhiên liệu hạt nhân.

Sự ăn mòn cơ học do các mảnh vụn vật liệu tạo ra trong quá trình vân hành của lò phản ứng là một trong những nguyên nhân chính gây hư hỏng nhiên liệu trong những năm 1980 và 1990 của thế kỷ trước. Việc loại trừ ảnh hưởng của vật liệu lạ đã được khắc phục bằng cách trang bị các bộ lọc mảnh vỡ tại đầu dưới bó thanh nhiên liệu hạt nhân làm cơ chế hư hỏng nhiên liệu này trở nên ít phổ biến hơn. Các bộ lọc này sẽ làm gia tăng hệ số ΔP (do ma sát) của bó thanh nhiên liệu hạt nhân. Do đó, về mặt cơ học sẽ ảnh hưởng đến khả năng đè nén của các bộ lò xo ở đầu trên bó thanh nhiên liệu hạt nhân và ảnh hưởng đến hệ số DNB (về mặt thủy nhiệt). 

Theo các nghiên cứu mới đây, hiện tượng ăn mòn tại vị trí tiếp xúc giữa lưới giữ và thanh nhiên liệu gây nên hư hỏng nhiên liệu chiếm ưu thế có thể do sự giãn lực giữ lò xo và lưới giữ dưới tác dụng phóng xạ xảy ra ở độ cháy nhiên liệu cao hơn. Thông qua những nghiên cứu đó, độ cháy cực đại (trên trung bình bó thanh nhiên liệu hạt nhân) được cấp phép tại một số quốc gia trên thế giới đã tăng từ khoảng 37 GWd/tU trong những năm 1970 và đến nay đã đạt khoảng 55 GWd/tU, thậm chí lên tới 60 GWd/tU.

Mẫu thiết kế bó thanh nhiên liệu cho lò phản ứng VVER-1000 vẫn giữ nguyên mạng lưới tam giác và dạng tổng thể hình lục lăng, nhưng đã gần giống nhiều hơn với bó thanh của lò phản ứng PWR của phương Tây. Kinh nghiệm vận hành, dữ liệu từ những nghiên cứu sau chiếu xạ và dự đoán từ việc chạy các chương trình máy tính cho thấy, nhiên liệu VVER có khả năng hoạt động tới độ cháy trung bình lên đến 55-60 GWd/tU với độ tin cậy cao.

Dữ liệu từ những nghiên cứu sau chiếu xạ đã chỉ ra, tại độ cháy cao: Các tính chất cơ học của lớp vỏ không thay đổi đáng kể và duy trì ở mức đủ cao đảm bảo sự toàn vẹn của nhiên liệu trong quá trình vận hành; Sự biến dạng lớp vỏ (theo hướng tâm và dọc trục), bao gồm cả tương tác nhiên liệu - lớp vỏ, không làm mất khả năng hoạt động của bó thanh nhiên liệu; Sự phát triển các vết nứt nhỏ trên lớp vỏ không làm tích tụ nguy cơ hư hỏng, hạn chế khả năng hoạt động của bó thanh nhiên liệu; Quá trình ăn mòn và hydrua hóa lớp vỏ không làm suy giảm đáng kể khả năng hoạt động của các bó thanh nhiên liệu; Sự thoát khí từ nhiên liệu và giảm thể tích không gian trống trong TNLHN không dẫn đến tình trạng áp lực bên trong lớp vỏ nhiên liệu vượt quá áp suất nước làm mát bên ngoài.

Thực ra, bó thanh nhiên liệu VVER - 1000 không có tấm phủ đặc trưng như đối với bó thanh nhiên liệu của VVER - 440. Các bó thanh nhiên liệu VVER-1000 sử dụng bó thanh điều khiển tương tự như lò PWR phương Tây, được chèn vào theo các kênh dẫn, do đó được phân bố một cách cơ động. Mặc dù tỷ lệ chất làm chậm/nhiên liệu hơi khác với các lò PWR phương Tây và mạng tam giác làm thay đổi nhẹ tác động nơtronic, bó thanh nhiên liệu VVER-1000 vẫn hoạt động rất giống với bó thanh nhiên liệu trong lò PWR phương Tây. Tuy nhiên, các chi tiết thiết kế cụ thể, như thiết kế thanh nhiên liệu, vật liệu, các mối tương quan thủy nhiệt, thiết kế cơ khí…. đã được nghiên cứu, phân tích một cách độc lập và được kiểm chứng ở độ cháy cao khác nhau.

Theo nhóm nghiên cứu, những tính toán trên được phân tích, dựa trên các nghiên cứu phức tạp về các hiện tượng vật lý xảy ra trên viên nhiên liệu hạt nhân trong quá trình vận hành, dưới tác động của bức xạ.

SONG ANH

Bên cạnh việc phát triển các vật liệu mới chế tạo lớp vỏ thanh nhiên liệu, đáp ứng được yêu cầu về khả năng chống chịu các tác động cơ - nhiệt - bức xạ, các nhà thiết kế đã tính toán, thử nghiệm, tăng mức độ làm giàu đồng vị cho viên nhiên liệu hạt nhân. Điều này đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo nhiên liệu có thể đạt được độ cháy cao như mong muốn khi đưa vào vận hành.