Hệ Thống an toàn thụ động vĩnh cửu cho Nhà máy Điện hạt nhân

Thảm họa hạt nhân Fukushima Daiichi năm 2011 đã tạo ra bước ngoặt căn bản trong tư duy thiết kế an toàn cho các nhà máy điện hạt nhân hiện nay. Sự cố mất toàn bộ nguồn điện xoay chiều (Station Blackout – SBO) kết hợp với tổn thất nguồn điện một chiều dự phòng đã làm vô hiệu hóa các hệ thống an toàn chủ động vốn phụ thuộc vào máy bơm, van điện tử và hệ thống điều khiển tự động. Điều này dẫn đến sự gián đoạn quá trình tản nhiệt của vùng hoạt lò phản ứng, gây nóng chảy vùng hoạt và giải phóng chất phóng xạ ra môi trường. Để giải quyết triệt để rủi ro này, các thiết kế lò phản ứng hạt nhân thế hệ III+ và thế hệ IV đã chuyển dịch mạnh mẽ sang tích hợp các hệ thống an toàn thụ động (Passive Safety Systems), trong đó trọng tâm là Hệ thống tản nhiệt thụ động (Passive Heat Removal System – PHRS).

PHRS được định nghĩa là hệ thống có khả năng loại bỏ nhiệt lượng phân rã dư thừa từ vùng hoạt lò phản ứng hoặc tòa nhà lò (Containment Building) ra môi trường bên ngoài mà không cần sự can thiệp của con người, không đòi hỏi nguồn điện bên ngoài hay nguồn điện khẩn cấp từ máy phát diesel. Triết lý “an toàn vĩnh cửu” hay thời gian ứng phó kéo dài (Grace Period) của PHRS dựa trên việc khai thác các quy luật vật lý tự nhiên: lực đẩy nổi do chênh lệch khối lượng riêng (Buoyancy/Natural Circulation), trọng lực (Gravity), sự truyền nhiệt dẫn bức xạ/đối lưu, và hiện tượng chuyển pha chất lưu. Khi sự cố xảy ra, PHRS tự động vận hành để duy trì nhiệt độ nhiên liệu hạt nhân dưới ngưỡng giới hạn an toàn, ngăn chặn sự oxy hóa vỏ bọc hợp kim Zirconium và bảo vệ tính vẹn toàn của các hàng rào giữ chất phóng xạ.

Cơ quan Năng lượng nguyên tử Quốc tế (IAEA) trong tài liệu TECDOC-626 đã thiết lập khung phân loại chi tiết cho các hệ thống an toàn thụ động nhằm đánh giá mức độ phụ thuộc vào các yếu tố tác động bên ngoài. Khung phân loại này bao gồm 4 cấp độ giảm dần về tính thụ động thuần túy:

Cấp Độ Phụ Thuộc (IAEA TECDOC-626)	Tín Hiệu Điều Khiển / Trí Tuệ (Signal/Intelligence)	Nguồn Năng Lượng Bên Ngoài (External Power)	Bộ Phận Cơ Khí Chuyển Động (Moving Mechanical Parts)	Chất Lưu Chuyển Động (Moving Working Fluid)	Ví Dụ Điển Hình Trong Lò Phản Ứng Hạt Nhân
Cấp A	Không	Không	Không	Không	Vỏ bọc nhiên liệu, cấu trúc bê tông và lớp lót thép tòa nhà lò.
Cấp B	Không	Không	Không	Có	Đường ống tuần hoàn tự nhiên đơn pha/hai pha, đường ống gia áp.
Cấp C	Không	Không	Có	Có / Không	Bình tích áp hydro-accumulator tự động xả bằng van một chiều khi áp suất giảm
Cấp D	Có (Khởi động)	Có (Lưu trữ/Tự rơi)	Có	Có	Hệ thống PHRS kích hoạt bằng van Fail-Safe (mở khi mất điện) truyền động năng lượng lưu trữ

Sự phân loại này chỉ ra rằng hầu hết các hệ thống PHRS hiện đại hoạt động theo nguyên lý “Kích hoạt chủ động / Thực thi thụ động” (Cấp D) hoặc “Thực thi thụ động thuần túy” (Cấp B/C). Việc loại bỏ sự phụ thuộc vào máy bơm cơ khí giúp giảm đáng kể chi phí lắp đặt, bảo trì, tăng độ tin cậy và tối ưu hóa chi phí đầu tư xây dựng nhà máy điện hạt nhân.

Nguyên lý và cấu tạo cơ bản của PHRS

Nguyên lý cốt lõi của hệ thống PHRS dựa trên cơ chế tuần hoàn tự nhiên được thúc đẩy bởi sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh giữa hai nhánh chất lưu có nhiệt độ và khối lượng riêng khác nhau trong một vòng tuần hoàn. Khi lò phản ứng dừng khẩn cấp, vùng hoạt tiếp tục sinh ra nhiệt phân rã do sự phân rã phóng xạ của các sản phẩm phân hạch. Nhiệt lượng này làm nóng chất tải nhiệt ở nhánh nóng (Riser leg), làm giảm khối lượng riêng của chất lưu. Ngược lại, tại thiết bị trao đổi nhiệt của PHRS (ngâm trong bể nước hoặc làm mát bằng không khí), chất lưu nhả nhiệt cho khối tản nhiệt cuối cùng (Ultimate Heat Sink – UHS), hạ nhiệt độ, ngưng tụ và tăng khối lượng riêng ở nhánh lạnh (Downcomer leg). Lực đẩy nổi tổng cộng hình thành trong vòng tuần hoàn được tính theo tích phân đường của trường khối lượng riêng dọc theo chiều cao trọng trường.

Trạng thái dòng chảy cân bằng ổn định đạt được khi lực đẩy nổi cân bằng hoàn toàn với tổng tổn thất áp suất do ma sát đường ống và tổn thất cục bộ. Trong các hệ thống PHRS hai pha (sôi và ngưng tụ), hiệu ứng chuyển pha tạo ra sự chênh lệch khối lượng riêng lớn giữa hơi và nước, tạo ra lực đẩy nổi mạnh hơn so với hệ thống tuần hoàn đơn pha.

Dù có sự đa dạng trong cách sắp xếp hình học giữa các thiết kế lò phản ứng, một hệ thống PHRS tiêu chuẩn được cấu thành từ bốn cụm thành phần chính:

• Cụm thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò là bộ thu nhiệt chính, bao gồm các chùm ống trao đổi nhiệt dạng ống chữ C (C-tube bundle), dạng ống thẳng đứng hoặc dạng cuộn xoắn ốc (Helical coil) chế tạo từ hợp kim chống ăn mòn cao cấp như Inconel hoặc thép không gỉ gia cường. Các thiết bị này luôn được bố trí ở độ cao vượt trội so với vùng hoạt lò phản ứng nhằm tối đa hóa chiều cao hiệu dụng, từ đó tối ưu lực đẩy nổi.
• Đường ống dẫn chất lưu và hệ thống van kích hoạt thụ động bao gồm đường ống dẫn hơi/chất lưu nóng lên thiết bị ngưng tụ và đường ống thu nước ngưng quay về. Hệ thống van được thiết kế theo nguyên lý “Fail-Safe” (tự động chuyển về trạng thái an toàn khi mất điện). Các van cách ly duy trì trạng thái bằng nguồn điện hoặc khí nén; khi mất điện toàn nhà máy, van tự động mở bằng trọng lực hoặc lò xo để kích hoạt dòng tuần hoàn tự nhiên.
• Khối tản nhiệt cuối cùng (UHS) tiếp nhận toàn bộ nhiệt lượng phân rã. Khối này có thể là các bể chứa nước dung tích lớn đặt trong hoặc ngoài tòa nhà lò (như bể IRWST của AP1000, bể IC/PCC của ESBWR, hay bể lò phản ứng của NuScale). Ngoài ra, UHS cũng có thể là khí quyển tự nhiên thông qua các tháp làm mát hoặc bộ trao đổi nhiệt ngoài trời (như trong lò VVER-1200). Đối lưu không khí tự nhiên qua dàn ống tản nhiệt cung cấp khả năng làm mát không giới hạn thời gian mà không lo cạn kiệt nguồn nước.
• Hệ thống quản lý khí không ngưng được tích hợp để giải quyết hiện tượng tích tụ các khí không ngưng như N₂, không khí, hoặc H₂ do phân hủy xạ nhiệt trong các ống ngưng tụ. Việc tích tụ này có thể làm suy giảm nghiêm trọng hệ số truyền nhiệt đối lưu và cản trở dòng tuần hoàn, do đó hệ thống sử dụng các đường xả khí tự động hoặc bình tích khí để duy trì hiệu suất ngưng tụ ổn định lâu dài.

Mặc dù có độ tin cậy cao về mặt nguyên lý, việc vận hành PHRS gặp phải các thách thức nhiệt thủy lực phi tuyến do lực đẩy nổi có cường độ nhỏ hơn nhiều so với lực bơm cơ khí:

• Hiện tượng chớp cháy hóa hơi (Flashing) và dao động mật độ dòng (Density Wave Oscillations) xảy ra trong các vòng tuần hoàn tự nhiên hai pha khi chất lưu di chuyển lên đỉnh đường ống Riser. Áp suất tĩnh giảm dần do giảm áp suất thủy tĩnh khiến nước cận sôi bị hóa hơi đột ngột. Hiện tượng này làm tăng đột ngột vận tốc chất lưu và lực đẩy nổi, gây ra sự mất ổn định dòng chảy dạng chu kỳ (Flow Instability), làm biến đổi biên độ lưu lượng và có thể gây khô vùng hoạt cục bộ nếu không được dập tắt.
• Sự tích tụ khí không ngưng bao phủ bề mặt bên trong ống trao đổi nhiệt trong sự cố mất chất tải nhiệt (LOCA) hoặc khi có sự phân hủy xạ nhiệt của nước tạo ra một lớp trở nhiệt lớn, giảm hệ số truyền nhiệt ngưng tụ xuống nhiều lần.
• Hiện tượng phân tầng nhiệt độ (Thermal Stratification) xuất hiện trong các bể chứa nước lớn khi nước nóng có xu hướng dồn lên trên còn nước lạnh lắng xuống dưới. Nếu không có cơ chế trộn đối lưu tốt, nhiệt độ bề mặt bể tăng nhanh làm giảm chênh lệch nhiệt độ truyền nhiệt, khiến công suất tản nhiệt của PHRS giảm trước khi toàn bộ khối lượng nước trong bể đạt điểm sôi.

Thiết kế lò phản ứng AP1000 (Westinghouse)

Lò phản ứng AP1000 là thiết kế lò nước áp lực (PWR) thế hệ III+ loại bỏ hoàn toàn các hệ thống an toàn chủ động truyền thống để thay thế bằng hệ thống thụ động tích hợp. Hệ thống PRHR của AP1000 sử dụng một bộ trao đổi nhiệt dạng ống chữ C ngâm trực tiếp bên trong bể chứa nước thay nhiên liệu trong tòa nhà lò (IRWST) chứa hơn 2000m³ nước borat. Đầu vào của PRHR nối với nhánh nóng của vòng sơ cấp (RCS) và đầu ra nối với bình tích áp hoặc nhánh lạnh. Khi xảy ra sự cố, van kích hoạt tự động mở. Chênh lệch khối lượng riêng giữa nước nóng trong vế sơ cấp và nước lạnh trong PRHR thúc đẩy dòng tuần hoàn tự nhiên qua chùm ống chữ C, truyền nhiệt sang bể IRWST. Bể IRWST hấp thụ nhiệt và sôi sau vài giờ; hơi nước bốc lên từ bể thoát vào không gian tòa nhà lò và ngưng tụ trên thành thép.

Hệ thống PCS (Passive Containment Cooling System) bổ trợ cho PRHR bằng cách sử dụng chính vỏ thép tòa nhà lò làm bề mặt truyền nhiệt. Bên trên mái tòa nhà lò là bể chứa nước PCCWST. Khi áp suất tòa nhà lò tăng, nước từ bể PCCWST tự chảy xịt nhờ trọng lực xuống bề mặt ngoài vỏ thép tòa nhà lò để gia tăng hiệu quả làm mát bằng cách hóa hơi. Đồng thời, các khe lấy gió ngoài vỏ bê tông bảo vệ tạo ra dòng đối lưu không khí tự nhiên ôm sát vỏ thép. Hệ thống này đảm bảo khả năng làm mát liên tục tối thiểu 72 giờ mà không cần nguồn điện ngoài.

Thiết kế lò phản ứng VVER-1200 (Rosatom)

Khác với AP1000 tập trung hệ thống tản nhiệt thụ động vào bể nước trong tòa nhà lò, công nghệ VVER-1200 của Nga áp dụng triết lý an toàn kết hợp chủ động và thụ động, trong đó PHRS được chia thành hai hệ thống độc lập có khả năng tản nhiệt trực tiếp ra khí quyển ngoài trời. Hệ thống tản nhiệt thụ động qua bộ phát hơi (PHRS-SG) gồm 4 vòng tuần hoàn tự nhiên độc lập kết nối với vế thứ cấp của Bộ phát hơi (SG). Mỗi vòng bao gồm các dàn trao đổi nhiệt làm mát bằng không khí (EHRT) đặt trên mái tòa nhà lò. Khi van cách ly mở trong sự cố, hơi nước từ bộ phát hơi bốc lên dàn trao đổi nhiệt ngoài trời, ngưng tụ do không khí lạnh thổi qua, và chảy ngược về SG bằng trọng lực. Quá trình này duy trì vòng tuần hoàn sơ cấp tản nhiệt cho vùng hoạt mà không làm mất chất tải nhiệt sơ cấp. Nhờ sử dụng khí quyển làm khối tản nhiệt cuối cùng, PHRS-SG cung cấp khả năng làm mát kéo dài gần như vô hạn. Hệ thống tản nhiệt tòa nhà lò thụ động (PHRS-C) bao gồm các bộ trao đổi nhiệt đặt bên trong tòa nhà lò để hấp thụ nhiệt hơi nước trong sự cố LOCA hoặc xả áp. Hệ thống này kết nối với dàn tản nhiệt bên ngoài để hạ áp suất và nhiệt độ tòa nhà lò, bảo vệ tính vẹn toàn của cấu trúc bê tông.

Thiết kế lò phản ứng ESBWR và BWRX-300 (GE Hitachi)

Lò phản ứng nước sôi đơn giản hóa (ESBWR) và phiên bản mô-đun nhỏ BWRX-300 loại bỏ hoàn toàn máy bơm tuần hoàn sơ cấp, hoàn toàn dựa vào tuần hoàn tự nhiên.

Hệ thống ngưng cách ly (ICS – Isolation Condenser System) gồm các bộ trao đổi nhiệt ngâm trong bể nước IC/PCC nằm ở tầng trên cùng bên ngoài tòa nhà lò. Khi nhà máy bị cách ly, hơi nước áp suất cao từ thùng áp lực lò phản ứng (RPV) tự động dẫn lên các bộ ngưng tụ ICS. Hơi nước ngưng tụ thành nước và tự chảy trở lại RPV nhờ chênh lệch độ cao trọng lực. ICS hoạt động ở áp suất toàn phần của lò phản ứng mà không cần xả áp, bảo toàn chất tải nhiệt bên trong vùng hoạt.

Hệ thống làm mát tòa nhà lò thụ động (PCCS) hoạt động tương tự ICS nhưng kết nối trực tiếp với không gian tòa nhà lò khô (Drywell) để ngưng tụ hỗn hợp hơi nước – không khí xả ra từ sự cố LOCA và trả nước ngưng về RPV. Bể nước IC/PCC cung cấp khả năng làm mát thụ động từ 24 giờ cho mỗi chuỗi và kéo dài tới 120 giờ khi kết hợp các chuỗi, sau đó chỉ cần bổ sung nước thông thường vào bể hở mà không cần máy bơm áp lực cao.

Thiết kế lò phản ứng mô-đun nhỏ NuScale (NuScale Power)

NuScale đại diện cho bước tiến trong công nghệ lò phản ứng PWR tích hợp mô-đun nhỏ (i-PWR) với mức độ an toàn thụ động cao. Toàn bộ mô-đun NuScale (bao gồm RPV và vỏ tòa nhà lò CNV) được ngâm hoàn toàn trong một bể nước ngầm dưới mặt đất chứa tới  15.141m³ nước, đóng vai trò là Khối tản nhiệt cuối cùng (UHS) chung.

Hệ thống tản nhiệt dư (DHRS) gồm 2 chuỗi độc lập nối vế thứ cấp của Bộ phát hơi ống xoắn ốc (Helical Coil SG) với các bộ trao đổi nhiệt ngâm trong bể nước UHS. Khi van DHRS mở, hơi nước từ SG đi lên bộ ngưng tụ DHRS, ngưng tụ nhả nhiệt ra bể chứa nước và chảy ngược về SG. Trong sự cố LOCA, Hệ thống khẩn cấp vùng hoạt (ECCS) kích hoạt các van xả áp RPV (RVV) và van tái tuần hoàn (RRV) để xả hơi vào vỏ CNV. Hơi nước ngưng tụ trên thành CNV ngâm trong bể và tự chảy qua van RRV quay trở lại RPV, tạo thành vòng tuần hoàn kín bảo vệ vùng hoạt.

Đặc biệt, sau khi nước trong bể bị hóa hơi hoàn toàn qua nhiều ngày, mô-đun NuScale với mật độ công suất thấp có khả năng duy trì tản nhiệt dư qua đối lưu không khí tự nhiên xung quanh thành vỏ CNV mà không bị hư hỏng nhiên liệu, đạt mốc an toàn vô hạn thời gian.

Nhược điểm và thách thức

Mặc dù mang lại độ an toàn cao trước sự cố mất điện, hệ thống PHRS cũng đặt ra một số thách thức. Do lực động lực học duy trì dòng chảy dựa hoàn toàn vào chênh lệch khối lượng riêng nhỏ, vận tốc dòng chảy trong PHRS tương đối thấp (v~0,5-2m/s). Do đó, hệ thống nhạy cảm với hình học đường ống, góc nghiêng lắp đặt, tổn thất trở lực cục bộ, và hiện tượng đóng cặn.

Việc đánh giá độ tin cậy xác xuất (PRA/PSA) gặp khó khăn do tính chất của dòng chảy tự nhiên. Đối với hệ thống chủ động, sự cố phụ thuộc vào hỏng hóc cơ khí của máy bơm hoặc van. Trong khi đó, với PHRS, dù van mở hoàn toàn nhưng hệ thống vẫn có thể giảm hiệu suất do các hiện tượng vật lý như phân tầng nhiệt, mất ổn định dòng chảy, hoặc tích tụ khí không ngưng. Để giải quyết vấn đề này, các phương pháp như RMPS+ (Reliability Evaluation of Passive Systems) kết hợp mã mô phỏng Best Estimate Plus Uncertainty (BEPU) đã được nghiên cứu và áp dụng.

Khả năng điều chỉnh của PHRS hạn chế do lực đẩy tự nhiên phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ lưu chất. Khi công suất tản nhiệt dư giảm dần theo thời gian, tốc độ tuần hoàn tự nhiên giảm theo, có thể tạo ra các vùng đọng chất lưu lạnh hoặc gây sốc nhiệt khi thay đổi chế độ vận hành.

Xu hướng phát triển công nghệ

Một trong những hướng nghiên cứu triển vọng là tích hợp Ống dẫn nhiệt nhiệt trở bằng 0 (Thermosyphon / Heat Pipe) vào cấu trúc vùng hoạt lò phản ứng SMR. Công nghệ này cho phép truyền nhiệt trực tiếp từ thanh nhiên liệu ra bề mặt bên ngoài mà không cần đường ống tuần hoàn nước phức tạp, giảm thiểu nguy cơ rò rỉ chất tải nhiệt.

Đối với các dòng lò phản ứng thế hệ IV (Lò kim loại lỏng LFR/SFR, Lò muối nóng chảy MSR), hệ thống PHRS được thiết kế để làm mát bằng kim loại lỏng hoặc muối nóng chảy. Khả năng dẫn nhiệt của kim loại lỏng kết hợp với điểm sôi cao giúp tăng biên độ an toàn nhiệt thủy lực mà không cần duy trì áp suất vận hành quá cao.

Bên cạnh đó, việc ứng dụng các lớp phủ bề mặt siêu biến nước (Superhydrophobic/Superhydrophilic) trên các ống ngưng tụ PHRS giúp thúc đẩy quá trình ngưng tụ dạng giọt thay vì ngưng tụ dạng màng. Kỹ thuật này giúp tăng hệ số truyền nhiệt ngưng tụ lên từ 3 đến 5 lần, cho phép thu gọn kích thước của thiết bị trao đổi nhiệt.

Hệ thống Tản nhiệt Thụ động (PHRS) khẳng định vai trò là trung tâm trong thiết kế an toàn hạt nhân hiện đại. Bằng cách khai thác các quy luật vật lý tự nhiên như lực đẩy nổi, tuần hoàn tự nhiên và sự chuyển pha chất lưu, PHRS giúp loại bỏ rủi ro từ kịch bản mất toàn bộ nguồn điện (SBO). Các triển khai thực tế trên các dòng lò thế hệ III+ và SMR—từ AP1000 với hệ thống PRHR và PCS, VVER-1200 với hệ thống PHRS-SG tản nhiệt ra khí quyển, ESBWR với hệ thống ngưng tụ cách ly ICS cho đến NuScale SMR với khả năng tản nhiệt không giới hạn thời gian đã chứng minh tính hiệu quả của triết lý an toàn thụ động. Thông qua việc tiếp tục hoàn thiện các phương pháp đánh giá độ tin cậy nhiệt thủy lực (như RMPS+) và ứng dụng công nghệ vật liệu mới, hệ thống PHRS sẽ tiếp tục nâng cao mức độ an toàn cho các nhà máy điện hạt nhân thế hệ mới.

Từ khóa: hạt nhân;

– CMD –