Xu hướng phát triển điện hạt nhân: Lò phản ứng hạt nhân công suất nhỏ không thay nhiên liệu tại chỗ

Vận hành an toàn

Cứ sau một số sự cố nhà máy điện hạt nhân, IAEA và các nhà khoa học lại phải nghiên cứu cải tiến công nghệ để đạt được một sự an toàn hạt nhân cao hơn. Thế hệ tiếp theo của công nghệ điện hạt nhân phải đảm bảo an toàn, giảm nhiên liệu đã cháy, không phổ biến vũ khí hạt nhân, tiết kiệm nguồn tài nguyên Urani, đủ khả năng cạnh tranh về giá thành và được sự chấp nhận của công chúng.

Để đáp ứng những yêu cầu trên và nhằm nâng cao hơn nữa mức độ an toàn của các nhà máy điện hạt nhân, IAEA đã chủ trì Dự án quốc tế “Lò nhỏ không phải thay thế nhiên liệu tại chỗ” (Small Reactors Without On-Site Refueling – SRWOSF).

Theo IAEA, lò nhỏ là lò có công suất nhỏ hơn 300 MW. Từ những năm 50 thế kỷ trước, lò phản ứng hạt nhân công suất nhỏ từ vài chục đến  nhỏ hơn 300 MW đã được nghiên cứu chế tạo tại Mỹ và Liên Xô nhằm phục vụ cho quân sự như: Tàu ngầm nguyên tử,  tàu phá băng, tàu sân bay, trạm cấp nhiệt… Những nhà máy điện hạt nhân trên thế giới cũng bắt đầu được xây dựng từ những lò công suất nhỏ từ vài chục MWe cho tới hơn 1600 MWe như hiện nay. Không thể phủ nhận về lợi ích kinh tế mà những lò phản ứng công suất lớn mang lại, tuy nhiên với vốn đầu tư ban đầu lớn, đòi hỏi kết cấu hạ tầng hoàn chỉnh… là một thách thức đối với các nước đang phát triển muốn sử dụng điện hạt nhân.

Lò “Fixed Bed Nuclear Reactor - FBNR” (còn gọi là lò phản ứng hạt nhân đệm cuội) có thiết kế modun dựa trên công nghệ lò nước áp lực (PWR) và sử dụng chỉ một vòng nước thường tải nhiệt và nhiên liệu hình cầu là một trong số lò nhỏ không phải thay nhiên liệu tại chỗ đã đáp ứng được các tiêu chí an toàn và kinh tế do IAEA đề ra.

Cấu tạo của lò FBNR gồm hai khối độc lập được gắn kết với nhau bằng một khớp nối (miệng ống - trong Hình 1) và có thể tách rời hai khối một cách dễ dàng. Khối thứ nhất là phần thùng lò bao gồm vùng hoạt động của lò phản ứng, bình sinh hơi, bình điều áp và các phụ kiện hỗ trợ cho quá trình vận hành lò. Khối thứ hai là buồng nhiên liệu có các ống xoắn chứa các viên nhiên liệu khi tắt lò.      
            
Buồng chứa nhiên liệu và nhiên liệu tươi được chế tạo và lắp ráp thành modun tại nhà máy, sau đó vận chuyển đến nhà máy điện hạt nhân dưới sự niêm phong và giám sát quốc tế (IAEA) để lắp ráp hoàn chỉnh cho lò phản ứng. Khi sử dụng xong, thùng chứa nhiên liệu và nhiên liệu đã cháy được vận chuyển trở lại nhà máy chế tạo cũng dưới dạng niêm phong và giám sát quốc tế. Như vậy, tại địa điểm nhà máy điện hạt nhân sẽ không có bể cất giữ nhiên liệu đã cháy, nên không có khả năng tái chế nhiên liệu để chế tạo vũ khí hạt nhân và không cần địa điểm chôn cất nhiên liệu đã cháy tại chỗ.

Nhiên liệu hình cầu với vỏ bọc SiC dày 0,1 cm và đường kính 15 mm bao gồm các hạt nhiên liệu (đường kính 2mm) kết dính trong một chất nền bằng graphite (Hình 2). Với cấu trúc nhiên liệu hình cầu và vỏ bọc đa tầng bằng pyrolitic graphit và silitic cacbid như vậy, các kết quả nghiên cứu ra cho thấy, FBNR có khả năng tự điều chỉnh cao hơn các loại lò khác (an toàn nội tại cao hơn và thời gian truyền nhiệt từ nhiên liệu sang chất tải nhiệt cũng ngắn hơn); đồng thời các viên nhiên liệu rất bền vững và không bị nóng chảy đến nhiệt độ 1600 độ C. Đây là một đặc điểm nổi trội hơn hẳn so với các thế hệ lò phản ứng sử dụng vỏ bọc nhiên liệu có chứa zirconi bị nóng chảy ở nhiệt độ khoảng 1000 độ C.

Khi hoạt động, lưu lượng nước từ máy bơm đưa các viên nhiên liệu từ thùng nhiên liệu vào trong vùng hoạt động qua buồng dự trữ nhiên liệu. Trong suốt thời gian hoạt động của lò, các viên nhiên liệu được giữ cố định nhờ vào lưu lượng của nước tải nhiệt.

Nước tải nhiệt từ vùng hoạt sẽ đi qua bình sinh hơi và quay trở về máy bơm rồi trở lại vùng hoạt. Hơi sinh ra từ bình sinh hơi được sử dụng để quay tuabin và chạy máy phát điện.

Trong quá trình vận hành lò, bất kỳ một sự cố nào xảy ra đều dẫn đến cắt nguồn điện máy bơm. Máy bơm buộc phải ngừng hoạt động  và như vậy, không còn lưu lượng nước tải nhiệt, các viên nhiên liệu sẽ thoát ra khỏi vùng hoạt bằng lực hút trọng trường và rơi vào thùng nhiên liệu. Ở đó, nhiên liệu được làm nguội theo chế độ thụ động (đối lưu tự nhiên). Vì vậy, trong bất kỳ trường hợp nào, sự cố nóng chảy vùng hoạt cũng không bao giờ xảy ra và lò phản ứng được bảo vệ an toàn tuyệt đối.

Phù hợp với Việt Nam

Lò FBNR là lò nhỏ  được thiết kế theo modun đơn giản nên thời gian xây dựng cũng rút ngắn hơn nhiều so với lắp ráp một lò lớn. Do đó, vốn đầu tư của lò FBNR sẽ thấp hơn so với lò lớn, rất phù hợp với các nước nghèo.

Bên cạnh đó, lò FBNR có công suất nhỏ hơn 300 MW nên không gây ra hiện tượng quá tải đối với những nước có hệ thống lưới điện chưa được hoàn chỉnh; bởi vì khi hệ thống lưới điện chưa đủ đáp ứng với sự tăng công suất lớn sẽ gây ra hiện tượng quá tải, cháy đường dây. Để tránh hiện tượng này, phải cải tạo đường dây và phải làm nhiều trạm biến áp với hiệu điện thế khác nhau, như vậy sẽ gặp khó khăn khi chuẩn bị xây dựng và tăng chi phí cải tạo đường dây khi xây dựng lò lớn.

Lò FBNR đặc biệt thích hợp với điều kiện địa lý và kết cấu hạ tầng ở các nước đang phát triển (không cần hệ thống giao thông hiện đại để chuyên trở những thiết bị siêu trọng và siêu trường cho nhà máy), không cần xây dựng gần biển nên tránh được rủi ro từ thiên tai.

Cũng như nhiều nước đang phát triển khác, Việt Nam có nhiều hải đảo và nhiều vùng xa xôi hẻo lánh không tiếp giáp với biển mà chỉ gần sông hay hồ lớn; đường giao thông chưa hoàn chỉnh. Vì vậy, lò phản ứng hạt nhân công suất nhỏ trở nên hấp dẫn hơn. Lò nhỏ không những sẽ là nguồn cung cấp điện tại chỗ cho địa phương mà còn được sử dụng khử mặn nước biển nhằm cung cấp nước ngọt cho các hải đảo và các vùng thường xuyên thiếu nước.

Lò công suất nhỏ không phải thay nhiên liệu tại chỗ có kết cấu thiết kế modun, đơn giản trong vận hành và bảo dưỡng thiết bị nhưng hoạt động rất an toàn, không phải xử lý và chôn cất nhiên liệu đã cháy,... là một thuận lợi lớn đối với những nước chưa có kinh nghiệm sử dụng nhà máy điện hạt nhân như Việt Nam.