"Cải tiến chủ động" và "Cách mạng thụ động" trong thiết kế lò phàn ứng hạt nhân (11/08/2014)
 
Hiện tại ở Việt Nam, các cơ quan liên quan đến việc lựa chọn công nghê thích ứng cho nhà máy điện hạt nhân (NMDHN) Ninh Thuận 2, đang băn khoăn đối với những ưu điểm và khuyết điểm giữa 2 thiết kế «Cải tiến chủ động» và «Cách mạng hoàn toàn thụ động» mà Chính phủ Nhật Bản sẽ chào cho EVN. Bài này sẽ nêu lên vài chi tiết kỹ thuât và hiện tượng liên quan đến nguyên nhân và tỷ lệ sai hỏng của 2 thiết kế nêu trên.

Để đảm bảo những yêu cầu nâng cao an toàn trong thiết kế lò phản ứng hạt nhân (LPƯHN) hiện nay đã dẫn đến việc ứng dụng  và su phát triển gia tăng  các hệ thống « thụ động ». Đặc trưng của những hệ thống thụ động  là sự phụ thuộc hoàn toàn của chúng vào các hiện tượng tự nhiên (ví dụ như trọng lực, lực hấp dẫn, đối lưu tự nhiên, dẫn nhiệt,....) để đảm bảo các chức năng an toàn đã được chỉ định theo thiết kế. Theo định nghĩa của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), một thành phần thụ động không yêu cầu bất kỳ tác động bên ngoài hoặc năng lượng để hoạt động, và chỉ dựa vào các định luật vật lý tự nhiên.

Thiết kế của những LPƯHN « tiên tiến » được phân loại thế hệ III hoặc III+  như : AP1000, ATMEA1, EPR, AES-2006,.. đều sử dụng các tính năng an toàn thụ động đến một mức độ lớn (AP-1000, 100 % hệ thống thụ động), kết hợp với hệ thống an toàn « chủ  động » (ATMEA1 và EPR) và các hệ thống điều khiển vận hành trong qúa trình có tai nạn.

Hệ thống thụ động dựa trên những hiện tượng tự nhiên, chúng không phải phụ thuộc vào nguồn điện xoay chiều (AC) khẩn cấp hoặc nguồn điện ngoại vi, do đó thiết kế có thể đơn giản hơn thông qua việc giảm các cơ sở hạ tầng sử dụng trong trường hợp khẩn cấp. Phương pháp tiếp cận hệ thống thụ động có thể dẫn đến việc đơn giản hóa đáng kể cũng như lợi ích tổng thể về mặt kinh tế cho hệ thống, và hệ thống « thụ động » có thể ít bị tai nạn gây ra do lỗi của con người so  với các hệ thống « chủ động » ? Quan điểm thiết kế hệ thống thụ động là đáng tin cậy hơn và kinh tế hơn so với hệ thống chủ động đã được chấp nhận  rộng rãi của quần chúng trong công nghệ điện hạt nhân !

2./ So sánh giữa thiết kế “thụ động” và “chủ động”

Thiết kế của các hệ thống “thụ động” phần lớn  dựa trên những kết qủa tính tóan và thử nghiệm trên cơ sở “mô phỏng” 1/8 hoặc 1/5, không được kiểm chứng và không dựa trên kết qủa phản hồi từ vận hành thực tế. Trái lại thiết kế của các trang thiết bị của hệ thống “chủ động” đều dựa trên phản hồi kinh nghiệm vận hành, đã được kiểm chứng  ít nhất 3 hoặc 4 thập niên trên cả hơn 300 NMĐHN trên thế giới, các trang thiết bị dùng trong hệ thống “chủ động” phần lớn là các thiết bị đã được “tiêu chuẩn hóa”.        

Sự khác biệt lớn giữa LPƯHN “cách mạng”và LPƯHN-PWR thông thường là sử dụng  các hệ thống  thụ động an toàn để đảm bảo an toàn  trong trường hợp tai nạn, trong khi đó LPƯHN-PWR thông thường dựa vào sự  kích hoạt các hệ thống chủ động  khác nhau như bơm , quạt, động cơ diesel, thiết bị làm lạnh, máy móc quay khác.

        LPƯHN “cách mạng”, có số lượng: van ( giảm  60%), đường ống (giảm 75%), cáp điều khiển (giảm 80%), máy bơm (giảm 30%), và  địa chấn (giảm 50 %) xây dựng, tất cả  ít hơn  so với một LPƯHN thông thường. Tuy nhiên, sự diễn biến theo thời gian của các hiện tượng tự nhiên hay các nguyên tắc vật lý khi mà hệ thống thụ động dựa vào để đảm bảo chức năng của chúng, có thể làm giảm hiệu năng của hệ thống thụ động dự kiến ​​cho công tác phòng chống diễn biến và hậu qủa của tai nạn.

3/ Đánh giá độ tin cậy của hệ thống “Thụ động”

Đánh giá độ tin cậy của hệ thống an toàn thụ động của nhà máy điện hạt nhân tiên tiến sẽ là một vấn đề quan trọng.

Độ tin cậy của hệ thống an toàn thụ động, khả năng sai hỏng do sự diễn biến của hiện tượng tự nhiên thụ động khác nhau như trọng lực, tuần hoàn và đối lưu tự nhiên , lão hóa,.. và các hệ thống phụ thuộc, có thể được dự đoán từ hai khía cạnh chính:

 -  Độ tin cậy của hệ thống / các thành phần (ví dụ như đường ống, van , và máy bơm ) ,  và;

-  Độ tin cậy của việc thực hiện và duy trì các hiện tượng vật lý tự nhiên yêu cầu ( ổn định lưu thông tự nhiên , ngưng tụ , loại bỏ nhiệt từ điều kiện biên , lão hóa,..).

      Khía cạnh thứ nhất, không khác biệt gì đối với hệ thống an toàn chủ động. Khía cạnh thứ hai, phụ thuộc vào các điều kiện vung lân cân và các thông số thủy lực-nhiệt ( hấp dẫn, mật độ, nhiệt độ / áp suất, tốc độ dòng chảy và truyền nhiệt,..). Vì vậy, đánh giá độ tin cậy của các thành phần an toàn thụ động phụ thuộc vào hai loại chế độ sai hỏng (A và B):

-         Sai hỏng loại A  là sai hỏng (hoặc hư hỏng) về cấu trúc và suy thoái của những hiện tượng vật lý tự nhiên,

-         Sai hỏng loại B  là hạn chế các hiện tượng tự nhiên, để đảm bảo hoặc  làm suy giảm các chức năng và hiệu ứng an toàn của hệ thống thụ động của một trong hai quy luật tự nhiên hoặc các đặc tính vốn có .

    Sự  phân biệt giữa hai loại sai hỏng A và B của chế độ hư hỏng liên quan đến cả hai thành phần cơ khí (van, đường ống, hệ thống trao đổi nhiệt) và các hiện tượng đối lưu tự nhiên (chủ yếu là phát triển bền vững của lưu thông tự nhiên trong việc thông qua dòng chảy ), như là thành phần " ảo " ( hiện tượng ).

        Các yếu tố dẫn đến sự xáo trộn của các hệ thống an toàn thụ động được cho là gây ra bởi:

-         Trọng tải tải cơ khí và nhiệt không dự tính có thể có ảnh hưởng đến giới hạn sơ cấp  an toàn;

-          Hiện tượng chắp nối,

-          Sai hỏng phần cơ khí (van xả ),

-          Khí không ngưng gia tăng,

-         Quá trình trao đổi nhiệt, suy giảm hiện tượng truyền nhiệt bởi quá trình oxy hóa bề mặt, phân tầng nhiệt, bố trí đường ống, suy thoái các thiết bị cách nhiệt,..

   Ngoài ra, cơ chế sai hỏng hoặc các thông số quan trọng mà có thể làm giảm hoặc cản trở hiện tượng đối lưu tự nhiên được coi như sau:

-  sự tồn tại của khí không ngưng tụ (phần khí không ngưng tụ),

-  rò rỉ không được phát hiện (kích thước vết nứt hay tỷ lệ rò rỉ),

-  van mở một phần trong dòng thải,

-  sự mất nhiệt,

-  đường ống nghiêng, và,

-  đường chắp nối ở những đường ống.

 Mỗi thông số trên cần phải được thẩm định để xác định xác suất sai hỏng dự kiến ​​của các hệ thống an toàn thụ động bằng cách xác định phạm vi và chức năng phân phối xác suất liên quan đến tham số của những hiện tượng trên.

Ảnh hưởng của sự suy giảm chức năng của hệ thống thụ động là lớn hơn nhiều so với các hệ thống chủ động. Tuy nhiên, để so sánh hai thiết kế này ở cấp độ hệ thống đáng tin cậy, một phương pháp đánh giá toàn diện là cần thiết bao gồm các sai hỏng của các thiết bị, lỗi của con người và nguyên nhân sai hỏng chung của hệ thống.

Sự sai hỏng của trang thiết bị  được phân tích bằng phương pháp phân tích “cây lỗi” thông thường với độ tin cậy dữ liệu thành phần qua thẩm định xác suất “PRA” (Probabilistic Risk Assessment”. Xác suất của các sự kiện cơ bản của các thành phần sai hỏng được mô hình hoá bằng phương tiện của phân phối lognormal.

Sai hỏng hoặc lầm lẫn do con người có thể xẩy ra trong mọi qúa trình của thiêt kế, lắp ráp, xây dựng và vận hành. Do đo, đối với sai hỏng do nguyên nhân con người, hai loại khác nhau của lỗi của con người phải được xem xét. Đầu tiên là lỗi của con người trước tai nạn và thứ hai là lỗi sau tai nạn. Phân tích nhạy cảm được thực hiện dựa trên giả định lognormal theo cách tương tự như với các lỗi của các thiết bị.

Chúng ta chỉ quan tâm đến độ tin cậy của con người trong quá trình vận hành hệ thống, nơi mà các nhà vận hành được coi là phải  duy trì, giám sát và kiểm soát môt hệ thống rât phức tạp.

Đối với sai hỏng chung của hệ thống, sự đánh giá độ tin cậy dựa trên kết qủa đánh giá của những ảnh hưởng của đặc trưng “độ dự trữ” của hệ thống.

Xác suất của những hỏng hóc có thể được giảm bằng cách bổ sung thêm các hệ thống dự phòng hoặc các hệ thống hỗ trợ. Bảng dưới đây cho thấy sự so sánh những xác suất của hiện tượng sai hỏng theo cấu hình thiết kế và những chế độ sai hỏng của hệ thống chủ động và thụ động. Nói chung, cấu hình chủ động cho thấy kết quả tốt hơn so với cấu hình thụ động do sự sai hỏng chức năng.

Nguyên nhân sai hỏng

Xác suất sai hỏng

Xác suất sai hỏng

Ghi chú

 

Chủ động

Thụ động

 

Thiết bị

9.09E-03

3.16E-03

Thụ động tốt hơn

Vận hành

6.67E-03

3.54E-02

Chủ động tốt hơn

Do con người

1.29E-02

9.54E-03

Thụ động tốt hơn

Tổng quát

2.86E-02

4.85E-02

Chủ động tốt hơn

Bảng sau đây cho ta thấy xác suất sai hỏng đối với sự diễn biến của đặc điểm vận hành. Trong hai trường hợp hệ thống chủ động bền vững hơn hệ thống thụ động.

Trường hợp

 

độ tin cậy biên

độ tin cậy biên

Độ bền vững

Độ bền vững

 

 

Chủ động

Thụ động

Chủ động

Thụ động

1

Q gia tăng 20%

2.3E-04

1.1E-01

4.347

9

2

HX gia tăng 20%

1.0E-04

6.6E-02

10.000

15

 

Bảng sau đây cho ta thấy hệ thống thụ động với “chiều cao tâm nhiệt” (TC: Thermal Center height) (gia tăng 50%) và diện tich truyền nhiêt (HXA: heat exchanger area) (gia tăng 60%); năng lực của hê thống thụ động có thể gia tăng, nhưng vẫn còn chưa bằng so với hệ thống chủ động. Do đó, để có một năng lượng tương tự như hệ thống chủ động, hệ thống thụ động phải có “chiều cao tâm nhiêt” hoặc diện tich truyền nhiệt lớn hơn.

Hệ thống

độ tin cậy biên

1 vong

2 vong

3 vong

Thụ động

TC 50% gia tang (1.19Q)

1.22E-01

1.32E-02

7.20E-04

Thụ động

HXA 60%gia tăng (1.08Q)

3.52E-01

2.11E-02

2.38E-03

Thụ động

Không thay đổi

7.23E-01

3.54E-02

9.20E-03

Chủ động

-

6.67E-03

3.20E-04

< 1.0E-05

4. Kết luận

So sánh các hệ thống an toàn thụ động đối với các hệ thống an toàn chủ động dùng trong các NMĐHN-PWR đã được thực hiện để làm rõ những yếu tố cần phải được đặc biệt được tính đến.

Kết qủa trên cho ta thấy những ưu điểm của hệ thống chủ động so với hệ thống thụ động. Nhưng tỷ lệ độ tin cây về sự sai hỏng trong mọi tình huống giữa hai thiết kế không qúa khác biệt nhau. Kết của thẩm định trên cho thấy một NMĐHN dùng hệ thống “thụ động” kết hợp với những hệ thống “chủ động” (trường hợp LPƯHN ATMEA1) sẽ an toàn hơn đối với NMĐHN dựa trên thiêt kê hoàn toàn “thụ động” (trường hợp LPƯHN AP-1000). Bởi vì hệ thống thụ động dựa trên những hiện tượng tự nhiên, độ tin cậy của hệ thống an toàn thụ động không được kiểm chứng và không dựa trên kết của phản hồi từ vận hành thực tế.  Hợn nữa, đối với sự diễn biến của các hiện tượng tự nhiên và các nguyên tắc vật lý khi mà hệ thống thụ động dựa vào để đảm bảo chức năng của chúng đối với hiện tượng lão hóa của các thiết bị do môi truong và đối với tuổi thọ dự trù trong thiết kế (60 năm) của hệ thống thụ động. Trong lịch sử của công nghệ hạt nhân, chưa có kết qủa phản hồi thử nghiệm thâu thập qua một hệ thống mô phỏng với kích thước thực sự. Những hiện tượng nêu trên có thể có ảnh hường đến tỷ lệ “độ tin cậy” và “hiệu năng” của hệ thống “thụ động”. Có thể làm giảm hiệu năng của hệ thống thụ động dự kiến ​​cho công tác phòng chống diễn biến và giảm hậu qủa của tai nạn.

***

( TS. Trần Đại Phúc - Giảng viên Bộ môn Điện hạt nhân )



Tin mới
Đăng ký môn học trực tuyến