Vòng tuần hoàn 1 lò năng lượng nước-nước VVER-1000
Nên tham khảo bài viết này trước: "Lò VVER công nghệ Nga và xu hướng phát triển điện hạt nhân trên thế giới"
Giới thiệu
Phần đơn giản nhất, trực quan nhất chính là phần cấu tạo lò hạt nhân. Chúng ta sẽ nghiên cứu mẫu lò VVER-1000 thay vì mẫu VVER-1200 (loại lò sẽ có ở VN), về cơ bản 2 mẫu lò này giống nhau, chỉ có một vài thay đổi nhỏ. Vì sách, tài liệu và số liệu về VVER-1000 được viết đầy đủ, chính xác, lò đã được nghiên cứu kỹ bởi những chuyên gia trong quá trình thiết kế và vận hành.
Vòng tuần hoàn 1 đơn giản hơn rất nhiều so với vòng tuần hoàn 2, chúng ta sẽ lần lượt có cái nhìn khái quát, cụ thể từng bộ phận, rồi lại khái quát một lần nữa.
Lò năng lượng nước-nước VVER-1000 (Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reaktor | Water-Water Power Reactor) có công suất 1000 MW do Nga phát triển, các nước âu mỹ còn gọi là lò phản ứng nước áp lực (PWR).
"nước - nước" - nhắc đến vai trò của nước ở 2 vòng tuần hoàn, cụ thể là nước nhẹ H2O.
"áp lực" - ám chỉ nước ở vòng tuần hoàn 1 luôn được giữ ở áp suất cao để tránh sự sôi, giữ nước luôn luôn ở thể lỏng.
"1000" là công suất điện hiệu dụng cho tổ máy.
Những thế hệ lò đầu tiên của Nga là lò phản ứng nước sôi ( RBMK - РБМК | Boiling water reactor (BWR)) dùng graphit làm chất làm chậm, nước giữ vai trò chất sinh công và không có chất tải nhiệt, duy nhất một vòng tuần hoàn khép kín. Mẫu lò này có những ưu và nhược điểm riêng so với những mẫu lò khác.
Vấn đề là trong nước có chất phóng xạ, vì nước chảy qua vùng hoạt (vùng phản ứng) tiếp xúc trực tiếp với nguồn phóng xạ (thanh nhiên liệu), rồi qua hệ thống ống, dẫn đến tuabin, bình ngưng...được xem là không an toàn.
Ưu (+) và nhược điểm (-) của 2 vòng tuần hoàn:
+ Nước ở vòng tuần hoàn 2 hoàn toàn sạch, không có chất phóng xạ, nâng cao hiệu suất chuyển hóa, độ an toàn và tin cậy của nhà máy điện.
- Nước ở vòng tuần hoàn 1 phải luôn giữ ở áp suất cao (15,8-16 MPa | khoảng 157 lần áp suất khí quyển). Cần phải có thiết bị bù trừ áp suất. Lò phải thiết kế chắc chắn, chịu được áp suất cao.
- Phải có bộ phận trao đổi nhiệt giữa 2 vòng tuần hoàn (lò hơi), làm giảm đi một phần hiệu suất.
Bố cục bộ phận trong vòng tuần hoàn 1:
Vòng tuần hoàn 1 bao gồm:
1 lò hạt nhân/lò phản ứng hạt nhân có công suất nhiệt 3000MW (lò VVER-1200 có công suất nhiệt 3200MW).
4 lò hơi, có công suất định mức 750MW.
4 máy bơm tuần hoàn cưỡng bức (ứng với mỗi nhánh).
Ngoài ra còn có:
1 hệ thống bù trừ áp suất
4 bình làm mát khẩn cấp bị động
Chia vòng tuần hoàn 1 ra làm 4 nhánh song song nhằm mục đích:
Tạo mạch song song, dù hỏng một nhánh nào đó cũng không ảnh hưởng gì đến những nhánh còn lại, lò vẫn hoạt động được ở một số hư hỏng nhất định.
Giảm kích thước lò hơi, lò hơi là một thiết bị phức tạp, khó chế tạo, yêu cầu sự chính xác và đồng bộ cao (mỗi cái có 11.000 ống trao đổi nhiệt). Không thể làm một lò hơi có công suất 3000MW.
Chất tải nhiệt chảy ra/vào từ 4 hướng đảm bảo tính đồng đều.
Đảm bảo tính đối xứng và cân bằng.
Lò hơi cũng như ống "nóng" (ống màu hồng) ở phía trên để tận dụng vòng tuần hoàn "tự nhiên". Nước nóng > giãn nở > khối lượng riêng giảm > có xu hướng nổi lên trên. Dù tắt hết máy bơm thì lò vẫn có thể hoạt động ở mức công suất 10%.
(gia công ống trao đổi nhiệt của lò hơi)
Bình chứa nước hệ thống làm mát "bị động", gọi là bị động vì không thể điều khiển (bằng tay) được những bình chứa này. Giả sử xảy ra sự cố ống vỡ > nước ở vòng tuần hoàn 1 chảy ra ngoài > áp suất giảm > chênh lệch áp suất > van màu tím sẽ vỡ> dập lò. Ngoài ra còn nhiều hệ thống an toàn khác - cả chủ động lẫn bị động.
Trong quá trình khởi động lò, nhiệt độ của nước được nâng từ 25 độ lên đến 290-320 độ C, thể tích nước tăng đến 30%, sự tăng áp suất là không thể tránh khỏi. Và cả trong quá trình vận hành, nước phải luôn được giữ ở mức áp suất 15,8 MPa. Áp suất cao vượt định mức > vỡ ống. Áp suất quá thấp > nước sẽ sôi > giảm sự trao đổi nhiệt > nhiệt sinh ra nhưng không được mang đi, lò càng ngày càng nóng lên > nóng chảy một số bộ phận. Lò dùng nước áp lực bắt buộc phải có thiết bị bù trừ áp suất (một thiết bị tiêu thụ điện).
Máy bơm có công suất lớn đảm bảo sự tuần hoàn của nước - chât tải nhiệt. Máy bơm có công suất tương đối lớn, là một thiết bị tiêu thụ điện.
## Ngoài lề: động đất và sóng thần làm hỏng đường dây cấp điện (chính lẫn dự phòng) cho máy bơm tuần hoàn chính ở nhà máy Fukushima là nguyên nhân chính dẫn đến nổ nhà máy.
Chất tải nhiệt có nhiệm vụ tải nhiệt từ trong lò ra ngoài để sử dụng, nói một cách khác chính là làm mát những thanh nhiên liệu. Máy bơm nếu bị hỏng > nước không thể tải nhiệt ra ngoài, trong khi đó nhiên liệu vẫn tiếp tục cháy, không được làm mát > nhiệt độ trong lò ngày càng tăng > nếu không có biện pháp khống chế sẽ xảy ra sự cố.
Tòa nhà chứa (Герметичная оболочка | Containment building)
Vòng tuần hoàn 1 có áp suất 15,8-16 MPa (khoảng 157 lần áp suất khí quyển), nên cần được bảo vệ chắc chắn. Toàn bộ "vòng tuần hoàn 1" được đặt trong một tòa nhà bê tông cốt thép, có 2 lớp, ở giữa có lớp kim loại chống phóng xạ, đường kính lên đến 50m.
(Những tác động từ bên ngoài không thể làm hư hại vòng tuần hoàn 1)
Lớp bên trong tòa nhà chứa được thiết kế có sức chịu lực (từ bên trong) lớn hơn nhiều, đến 0,5 MPa - bên trong mới nguy hiểm :).
## Ngoài lề:
Các vụ nổ nhà máy điện hạt nhân là do toà nhà chứa "quá chắc chắn", trường hợp xảy ra hưng hỏng > không thể tải nhiệt > nhiệt độ ngày càng tăng > nước bốc hơi > tăng thể tích > tăng áp suất bên trong toàn nhà chứa quá mức > nổ nhà máy hạt nhân.
Nổ là nổ tòa nhà chứa, do nó "quá kín", "quá chắc chắn". Làm càng chắc thì áp suất tích tụ càng nhiều, vụ nổ sẽ càng lớn. Trong khi đó lò hạt nhân không hề hấn gì.
Nói đi cũng phải nói lại, nếu không làm kín, chắc chắn thì lại không thể bảo bệ vòng tuần hoàn 1, rò rỉ phóng xạ v.v...
Tòa nhà chứa này chỉ bảo vệ vòng tuần hoàn 1, nơi có phóng xạ. Vòng tuần hoàn 2 và những bộ phận còn lại được bảo vệ trong những tòa nhà "bình thường", không được thiết kế đặc biệt như tòa nhà này. ## Câu hỏi:
Để tăng cường tính tương tác mình sẽ đưa ra một số câu hỏi, trả lời ở phần cmt bên dưới, đáp án sẽ có trong bài viết tiếp theo:
1/ Áp suất trong vòng tuần hoàn 1 là gần 16MPa, vì sao tòa nhà chứa chỉ có thể chịu được 0,5 MPa ?
2/ Có nên tắt máy bơm sau khi dập lò không ?
3/ Áp suất sẽ thay đổi như thế nào khi ống vỡ? tăng/giảm đến mức nào ?
Đáp án - mời anh em đọc bài viết này "Khái quát cấu tạo lò phản ứng hạt nhân VVER-1000"
