Hiện nay, trên thế giới vẫn tồn tại quan niệm sai lầm rằng các nhà máy hạt nhân chỉ có thể hoạt động như những nguồn năng lượng sản sinh điện và điều đó đang làm ảnh hưởng lớn đến triển vọng phát triển hạt nhân trong cơ cấu năng lượng của thế giới. Các nhà máy hạt nhân hiện tại và các thiết kế mới về mặt kỹ thuật có thể thực hiện cả hoạt động kiểm soát và vận hành theo các mức nhu cầu, mặc dù phần lớn việc vận hành hết công suất các nhà máy điện hạt là lựa chọn tốt nhất.
Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) đã đưa ra trong báo cáo tháng 4 năm 2018 về kết quả khảo sát trình độ, tính khả thi và thách thức liên quan đến vận hành không tải của các nhà máy điện hạt nhân trên toàn thế giới. Lý do chính được viện dẫn cho xu hướng này là: “công suất phát điện hạt nhân lớn so với tổng công suất, sự tăng trưởng trong sản xuất năng lượng tái tạo và việc bãi bỏ quy định hoặc thay đổi cơ cấu của hệ thống cung cấp điện và thị trường điện trong suốt thời gian hoạt động lâu dài của điện hạt nhân”. Những điều này đòi hỏi những thay đổi về kỹ thuật và quy định cũng như sắp xếp lại hoạt động, kinh tế và tài chính để duy trì hiệu quả đầu tư vốn”.
IAEA lưu ý rằng quyết định tăng cường tính linh hoạt trong vận hành tại các nhà máy hạt nhân thường phức tạp. “Về mặt kỹ thuật, các nhà máy điện hạt nhân mới xây dựng có lợi thế là việc quy hoạch và thiết kế nhà máy nhìn chung có tính đến vận hành linh hoạt. Tuy nhiên, các hệ thống này cần được xác thực trong quá trình chạy thử nghiệm ban đầu và mọi hạn chế phải được xác định khi bắt đầu vận hành thương mại. Ngoài ra, giấy phép hoạt động có thể bao gồm các điều khoản để hỗ trợ vận hành linh hoạt.” Mặt khác, các nhà máy điện hạt nhân hiện tại chỉ vận hành ở chế độ tải cơ sở có thể cần xem xét sửa đổi để hỗ trợ kiểm soát tần suất và vận hành theo tải phụ thuộc vào thiết kế của nhà máy và mức độ yêu cầu linh hoạt. “Những thay đổi về cấp phép cũng có thể được yêu cầu và quy trình vận hành, bảo trì hiện tại có thể cần điều chỉnh để hỗ trợ hoạt động linh hoạt. Về mặt thương mại, độ lệch so với vận hành tải cơ sở phải được xem xét trong khuôn khổ thị trường điện để giảm thiểu, loại bỏ hoặc bù đắp những tác động của vận hành linh hoạt đến việc sử dụng hiệu quả vốn đầu tư đồng thời phục vụ nhu cầu cơ cấu năng lượng tổng thể.”.
So sánh năm 2010 về khả năng xử lý thay đổi phụ tải của các nhà máy điện hạt nhân, than mới xây dựng và chu trình khí hỗn hợp (CCGT) của Đức cho thấy các nhà máy điện hạt nhân có thể tăng tốc sản sinh điện với tốc độ ± 63 MW/phút, than ( ± 26 MW/phút) và CCGT (± 38 MW/phút) (Nguồn: Sustainable Nuclear Energy Technology Platform, Nuclear Energy Factsheets—Load Following Capabilities of Nuclear Power Plants, 2017)
Theo FORATOM, hiệp hội thương mại ngành năng lượng hạt nhân ở châu Âu có trụ sở tại Brussels, khả năng ứng dụng linh hoạt của các nhà máy điện hạt nhân không phải là không thể. Ở các quốc gia như Pháp, Đức, Slovakia, Cộng hòa Séc, Bỉ, Phần Lan, Thụy Sĩ và Hungary, các nhà máy điện hạt nhân (NPP) đã liên tục chứng minh rằng có khả năng vận hành linh hoạt và tuân theo tải thực tế. “Khi kết hợp các khả năng khác nhau, các nhà máy điện hạt nhân của Đức có thể hấp thụ các biến thể công suất lên tới 10.000 MW năm 2010. Ở Pháp, với trung bình 2 trong số 3 lò phản ứng có sẵn để thay đổi tải, khả năng điều chỉnh công suất tổng thể tương đương với 21.000 MW (tương đương công suất của 21 lò phản ứng) trong vòng chưa đầy 30 phút. Ngoài ra, cũng có thể ngắt kết nối tạm thời các thiết bị khỏi lưới điện, sau đó khởi động lại sau. Nếu được giữ ở chế độ “chờ nóng”, toàn bộ tải có thể được tiếp tục trong vòng vài giờ. “Trên thực tế, năng lượng hạt nhân dường như là công nghệ carbon thấp duy nhất có quy mô lớn, không phụ thuộc vào thời tiết và có khả năng” góp phần vào sự ổn định của hệ thống điện bằng cách thích ứng với những thay đổi về nhu cầu và cân bằng năng lượng, thay thế sự không liên tục của các nguồn năng lượng tái tạo.
Theo IAEA, lý do khiến hạt nhân của Pháp – cung cấp 75% năng lượng – linh hoạt rõ rệt là vì vào những năm 1970, nước này đã “dự đoán chính xác” rằng năng lượng hạt nhân sẽ phải tham gia rộng rãi vào việc cân bằng nguồn điện và nhu cầu năng lượng.. Vào thời điểm đó, cơ quan này lưu ý rằng những thay đổi về nhu cầu được đặc trưng bởi sự thay đổi theo mùa và sự khác biệt hàng tuần và hàng ngày. “Do các đặc điểm cụ thể về hỗn hợp năng lượng của Pháp, Công ty điện lực Pháp Électricité de France (EDF) thiết kế để cung cấp các dịch vụ phụ trợ đầy đủ và phụ tải (dự trữ sơ cấp và thứ cấp), chủ yếu là do nhu cầu tiêu thụ lớn với sự thay đổi theo mùa cao.” Nhưng khi chương trình hạt nhân của Pháp đã lớn mạnh và cơ cấu năng lượng của nước này thay đổi, Pháp cũng đã bắt tay vào các chương trình cải tiến để đạt được phụ tải nhanh – từ 100% nhiệt điện (RTP) đến 30% RTP – kiểm soát tần số (±7% RTP), và lên tới 5% RTP/phút trở lại công suất tối đa, tất cả đều có các lần ngắt lò phản ứng tối thiểu trong khi vẫn duy trì nguồn điện ổn định ở nhiều mức công suất khác nhau. Điều đó đòi hỏi phải nâng cấp các nhà máy điện hạt nhân với những sửa đổi bổ sung về thiết kế.
Những điều đó bao gồm các sửa đổi đối với thiết kế cơ khí (liên quan đến đường tăng áp, đường phun và đường sạc); vòng điều khiển máy điều áp; cơ chế thanh điều khiển; và giới thiệu một chế độ điều khiển lõi mới. Trong số những thách thức mà EDF phải đối mặt là việc liên tục kết hợp công suất do lõi lò phản ứng tạo ra với công suất lấy từ máy tạo hơi nước hoặc ngược lại, cũng như quản lý các ứng suất mới lên các bộ phận, chẳng hạn như cơ cấu truyền động thanh điều khiển, thanh điều khiển và cấu trúc cơ khí của lò phản ứng. ranh giới áp suất chất làm mát. Tuy nhiên, EDF cho biết việc chuyển đổi sang vận hành linh hoạt ít tác động đến chi phí bảo trì và tác động thấp đến các hệ số tải công suất ngoài kế hoạch, đồng thời nhấn mạnh rằng thành công của nó phụ thuộc vào thiết kế phù hợp và người vận hành được đào tạo bài bản. Khả năng theo dõi tải cũng là một tính năng “tích hợp sẵn” cho các nhà máy hạt nhân mới được xây dựng ở Đức ngay từ những năm 1970 và các thiết kế nhà máy của Đức – bao gồm các lò phản ứng nước áp lực (PWR) và lò phản ứng nước sôi (BWR) – các tính năng được xem xét và kết hợp để bù cho những thay đổi của tải trong dải công suất lớn và độ dốc nhanh (công suất điện định mức lên tới 5% [REO]/phút hoặc, đối với một số thiết kế, 10% REO/phút).
Ở Bỉ, các nhà máy điện hạt nhân hiện tham gia điều khiển tần số sơ cấp tự động trong phạm vi 2,5% RTP (trừ khi kết thúc chu trình nhiên liệu và trong trường hợp rò rỉ nhiên liệu), các nghiên cứu khả thi đang được tiến hành để cho phép giảm tải nhiều hơn và cuối cùng là tăng giảm công suất tối đa cho phép từ giới hạn hiện tại là 25% xuống 50% RTP. Trong khi đó, Ontario, Canada, gần đây đã đưa ra yêu cầu cho phép các nhà máy điện hạt nhân giảm sản lượng trong thời kỳ phát điện cao và nhu cầu thấp. Để đáp ứng những yêu cầu này, các tổ máy phát điện hạt nhân được chọn sẽ duy trì công suất lò phản ứng (nhiệt) ở mức 100% RTP, trong khi các nhà vận hành nhà máy giảm công suất máy phát điện (điện) tới 300 MW(e) trong thời gian ngắn. Hơi dư thừa được dẫn (đổ) đến hệ thống bỏ qua hơi nước ngưng tụ (SBS) để cung cấp khả năng vận hành linh hoạt đáp ứng yêu cầu của nhà vận hành hệ thống điện độc lập trong thời gian phát điện dư thừa.
Cuối cùng, ngay cả ở Hoa Kỳ, nơi các yếu tố kinh tế trước đây đã định hướng hoạt động phụ tải cơ sở, chu kỳ phụ tải (giảm tải và kéo dài thời gian vận hành ở mức công suất giảm) được sử dụng, ngay cả khi không thường xuyên, để ứng phó với các vấn đề của nhà máy, kéo dài chu kỳ hoặc theo nhu cầu theo mùa. Ví dụ, nhà máy hạt nhân Columbia, BWR ở Washington, thường xuyên lập kế hoạch sản lượng điện dựa trên thời tiết, dòng chảy của sông và nhu cầu phụ tải dự báo. Tuy nhiên, hiện nay, bị tấn công bởi những thay đổi của thị trường, bao gồm cả sự phát triển của năng lượng gió và mặt trời ngày càng cạnh tranh cũng như năng lượng khí đốt tự nhiên rẻ hơn và hiệu quả hơn, nhiều nhà máy hạt nhân của Hoa Kỳ đang bắt đầu gặp phải những giai đoạn giá điện bằng 0 hoặc âm nếu họ không thể giảm giá theo yêu cầu của các nhà khai thác lưới điện. Tuy nhiên, theo các chuyên gia, trước khi các máy phát điện hạt nhân vận hành linh hoạt, nền kinh tế phải ổn định.
Từ khóa: hạt nhân; điện;
– CMD&DND –
