Các nhà nghiên cứu đưa ra cảnh báo về an toàn hạt nhân khi lò phản ứng hạt nhân với quy mô thương mại có tên là HTR-PM (High Temperature Reactor Pebble-bed Modules) chuẩn bị được vận hành ở Trung Quốc. Đây là công nghệ lò phản ứng được làm mát bằng khí nhiệt độ cao, sử dụng nhiên liệu ở dạng viên cầu thay cho dạng thỏi. So với các lò phản ứng nước nhẹ, thiết kế mới của lò phản ứng nhiên liệu xếp tầng (Pepple-bed Modules Reactor– PBMR) vốn dĩ ít chịu rủi ro hơn nhưng các nhà nghiên cứu an toàn hạt nhân ở Mỹ và Đức, bao gồm TS. Rainer Moormann, PGS. Scott Kemp, GS. Ju Li (*) cảnh báo, không loại bỏ xác suất xảy ra sự cố nghiêm trọng.Những bình luận này đã được đăng trên Tạp chí Joule số ra ngày 23 tháng 8, kèm với đề xuất tiếp tục nghiên cứu các biện pháp an toàn bổ sung và kéo dài giai đoạn khởi công, nhằm giám sát hiệu quả hơn các vấn đề an toàn.
Mặt cắt ngang của nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò HTR-PM: (a) Nhìn từ phía trước; (b) Nhìn từ trên xuống
(Nguồn ảnh: www.sciencedirect.com)
Công suất thiết kế của một PBMR là 110MW điện,có khả năng duy trì cấp điện cho trung bình 30.000 hộ gia đình. Người ta có thể đặt một hay nhiều PBMR trong cùng một nhà máy điện, từ đó tạo ra các “công viên năng lượng”, bao gồm tối đa 10 mô-đun cùng một trung tâm kiểm soát chung. Hệ thống này cho phép việc xây dựng các mô-đun một cách tuần tự để phù hợp với nhu cầu điện ngày càng gia tăng của người dùng. Khi nhu cầu về điện tại một khu vực tăng lên, nhiều mô-đun có thể được bổ sung để đáp ứng nhu cầu dân dụng và công nghiệp của chính khu vực đó.
Cách thức hoạt động của PBMR
Khí heli được đẩy vào bên trong lò phản ứng và di chuyển qua các viên nhiên liệu hình cầu trong đó đang diễn ra phản ứng dây chuyền.Heli được đốt nóng đến nhiệt độ 900ºC và áp suất tăng lên 69 bar bên trong lò phản ứng. Sau đó dòng khí heli có nhiệt độ cao được dẫn tới khu vực tuabin, từ đó dẫn động làm quay máy phát điện. Sau khi đi qau tuabin dòng khí heli đi qua một bộ thu hồi nhiệt hoạt động hiệu quả, tại đây dòng khí heli nhận được một lượng nhiệt nhiều nhất có thể để chuẩn bị được đưa trở lại lò phản ứng. Tiếp đó dòng khí heli được truyền qua thiết bị làm nguội trung gian, máy nén áp suất thấp và máy nén áp suất cao trước khi quay trở lại vùng hoạt ở mức nhiệt độ 540ºC.Lúc này nước chỉ được sử dụng trên các hệ thống làm mát.
Giản đồ về dòng khí Heli trong PBMR (Nguồn ảnh: Nuclearstreet.com)
Chu trình nhiên liệu của PBMR
Nhiên liệu được sử dụng trong PBMR được thiết kế ở dạng “viên cầu” cho phép giam giữ chất phóng xạ ở bên trong. Mỗi viên cầu có kích thước của một quả bóng tennis với lớp vỏ bọc bằng graphit bên ngoài bao bọc vùng nhiên liệu bên trong. Vùng nhiên liệu của một viên cầu đơn lẻ có thể chứa tới 15.000 viên nhiên liệu nhỏ. Mỗi viên nhiên liệu nhỏ được phủ một lớp bảo vệ đặc biệt, đảm bảo rằng phóng xạ được giữ bên trong. Một trong những lớp bảo vệ này chính là lớp bọc làm bằng cacbua silic, dày đặc đến mức không có các sản phẩm phóng xạ dạng khí hoặc kim loại nào có thể thoát ra được (loại vật liệu này có khả năng duy trì mật độ dày đặc như vậy ở nhiệt độ cao lên tới trên 1.700ºC). Lò phản ứng được nạp với hơn 440.000 viên cầu – 3/4 trong số đó là các viên cầu nhiên liệu và 1/4 hình cầu graphit cho lần nạp đầu tiên.Các viên cầu nhiên liệu liên tục được thêm vào vùng hoạt từ bên trên và được lấy ra ở phía đáy lò phản ứng.Các viên nhiên liệu được lấy ra sẽ được kiểm tra xem liệu rằng tất cả uranium trong đó đã được sử dụng hết chưa. Nếu đã sử dụng hết, chúng sẽ được gửi đến khu vực lưu trữ nhiên liệu đã qua sử dụng. Trong trường hợp ngược lại, viên nhiên liệu sẽ được nạp trở lại vào trong vùng hoạt. Một viên nhiên liệu trung bình sẽ đi qua vùng hoạt khoảng 10 lần trước khi được thải ra. Các viên cầu graphit luôn được tái sử dụng. Chúng có vai trò như là chất làm chậm, chúng hấp thu và giảm năng lượng của các neutron để các neutron có thể đạt tới mức năng lượng thích hợp cần thiết và duy trì phản ứng dây chuyền.
Mô hình viên nhiên liệu dạng cầu trong PBMR (Nguồn ảnh: Nuclearstreet.com)
Tính năng an toàn của PBMR
Nhiệt độ cao nhất có thể đạt tới trong lõi lò phản ứng (1.600ºC) trong điều kiện sự cố nghiêm trọng nhất) thấp hơn nhiều so với mức nhiệt độ (2.000ºC) dẫn tới phá hủy nhiên liệu.Đặc tính này là do các vật liệu dạng gốm trong nhiên liệu như than chì và cacbua silic còn bền hơn cả kim cương.
Ngay cả khi các phản ứng phân hạch trong vùng hoạt không thể dừng lại bởi các khối graphite nhỏ được làm mát bằng heli, thì lò sẽ tự động hạ nhiệt một cách tự nhiên trong một thời gian rất ngắn. Điều này là do sự gia tăng nhiệt độ làm cho phản ứng dây chuyền kém hiệu quả hơn và do đó không còn tạo ra năng lượng nữa. Kích thước của vùng hoạt có tỉ số giữa diện tích bề mặt xung quanh với thể tích là lớn hay nói cách khác lượng nhiệt mất đi lớn hơn lượng nhiệt sinh ra bởi các sản phẩm phân hạch phân rã trong vùng hoạt. Do đó lò phản ứng không bao giờ có thể (do tính ì nhiệt của nó) đạt đến nhiệt độ mà làm nóng chảy vùng hoạt. Nhà máy không bao giờ có thể nóng tới mức gây thiệt hại cho nhiên liệu.
Xác suất rò rỉ bức xạ
Khí heli được sử dụng để làm mát các phản ứng, là một loại khí trơ về mặt hóa học và bức xạ.Nó không thể kết hợp với các hóa chất khác, không cháy, và không chứa phóng xạ.
Do oxy không thể xâm nhập vào helium, nên oxy trong không khí không thể đi vào lõi nhiệt độ cao để ăn mòn than chì được sử dụng trong phản ứng hoặc để dẫn cháy. Tại một số sự cố, nếu ống dẫn khí heli (đầu vào và đầu ra) bị vỡ, phải mất 09 giờ để không khí tự nhiên lưu thông qua lõi. Ngay cả khi điều này xảy ra, chỉ dưới10-6 (một phần triệu) lượng phóng xạ trong lõi được thải ra mỗi ngày. Điều đó nghĩa là lượng phóng xạ thải ra trong 24 giờ sự cố nghiêm trọng (và có thể phục hồi) này sẽ thấp hơn khoảng 10.000 lần so với lượng phóng xạ thải ra cần các hành động ứng phó khẩn cấp. Để tránh cho ống dẫn khí chính bị vỡ hoàn toàn, triết lý thiết kế cho các ống này là “rò rỉ trước khi vỡ (leak before break), do đó, áp suất sẽ giảm dần dần và không thể dẫn đến vỡ như vậy.
Áp suất heli bên trong tuabin khí có chu trình khép kín cao hơn áp suất không khí bên ngoài tuabin, vì vậy không có tạp chất nào có thểthâm nhập vào bên trong và gây nhiễm bẩn vòng tuần hoàn.
Cảnh báo về quá trình vận hành PBMR
Rainer Moormann, một nhà nghiên cứu an toàn hạt nhân đã từng làm việc tại Trung tâm Nghiên cứu Juelich (FZJ) tại Đức cho biết: “Đối với công nghệ hạt nhân, không có lý do để sợ hãi nhưng cần thiết phải chuẩn bị tinh thần cho các nguy cơ trong mọi trường hợp”. “Việc am hiểu thực tiễn về rủi ro là điều sống còn, nhất là đối với các nhà vận hành. Vì vậy chúng tôi kêu gọi sự thận trọng và tinh thần sẵn sàng đối mặt với các chất vấn khoa học một khi lò HTR-PM được đưa vào hoạt động.”
Ngoài việc phát điện hiệu quả hơn, HTR-PM tránh được một số thách thức về an toàn mà các thiết kế lò phản ứng trước đó phải đối mặt. Như trên đã nói, loại lò này sử dụng các hạt nhiên liệu uranium bọc trong graphite và vật liệu dạng gốm có thể chịu được nhiệt độ rất cao. Ngoài ra, các hệ thống làm mát có các tính năng an toàn thụ động, nghĩa là nó có thể ngừng một cách an toàn trong một trường hợp khẩn cấp mà không gây ra nóng chảy vùng hoạt. Những người ủng hộ HTR-PM đã ưu ái sử dụng cụm từ tạm dịch là “miễn nhiễm với thảm họa”(free from catastrophes) và rằngngười ta có thể rời khỏi lò phản ứng trong khi lò sẽ tự động đóng lại một cách tự nhiên, an toàn (walk away safe) để mô tả điểm mạnh của thiết kế lò.
Tuy nhiên, điều này đồng nghĩa với một thực tế là, HTR-PM sẽ sớm được xây dựng mà không có các biện pháp đảm bảo an toàn như các lò phản ứng hạt nhân đang vận hành ngày nay thường được trang bị. Chẳng hạn như sẽ không có cấu trúc boongke lò áp suất cao, ngăn chặn rò rỉ, đề phòng trường hợp sự cố làm vật liệu phóng xạ thoát ra ngoài, và cũng không có hệ thống làm mát hoạt động dự phòng.
“Không có bất cứ loại lò phản ứng nào lại miễn nhiễm với tai nạn. Tránh được sự cố gây tan chảy vùng hoạt không có nghĩa là không thể xảy ra sự cố nghiêm trọng khác,” TS.Moormann khẳng định. Ông và các đồng tác giả, như PGS.Kemp và GS.Ju Li thuộc Viện Công nghệ Massachusetts, Hoa Kỳ cho rằng với công nghệ mới, luôn có nguy cơ cao hơn để xảy ra lỗi do người vận hành. Trước đây, các lò phản ứng khí nhiệt độ cao nguyên mẫu (HTGRs) đã gây kinh ngạc cho các nhà vận hành bằng việc tạo các điểm nóng đã được định vị trong vùng hoạt và mức độ bụi phóng xạ cao đến bất ngờ. Thiết kế nhiên liệu xếp tầng tạo ra một lượng chất thải phóng xạ lớn hơn, rất khó để lưu trữ hoặc xử lý.
Moormann thừa nhận tiềm năng của HTGRs và ủng hộ các nghiên cứu sâu hơn. “Thiết kế HTGR với vùng hoạt và nhiên liệu được nạp vào trong khối graphit hình lăng trụ dường như gây ít vấn đề hơn so với dạng hình cầu, vì vậy công việc phát triển lò nên tập trung vào đó.”
Nhưng để giảm thiểu rủi ro, ông và các đồng nghiệp tán thành một số biện pháp phòng ngừa, bao gồm giám sát chặt chẽ, liên tục, lắp đặt hệ thống ngăn chặn và làm mát, và giai đoạn khởi công được mở rộng để lò phản ứng được quan sát và theo dõi khi phát nhiệt. Họ cũng khuyến cáo, nên tiến hành điều tra các phương án lưu trữ chất thải nhiên liệu lâu dài và an toàn hơn, thay vì như hiện nay, chất thải sẽ được lưu trữ trong kho trên mặt đất, nhiều khả năng dễ bị tác động của môi trường và khủng bố.
Moormann cho biết thêm: “Đã có một số tranh cãi về HTGRs nhiên liệu xếp tầng, nhưng ấn tượng trong tôi đó là, nhiều vấn đề liên quan đến thiết kế lò này không được công bố đầy đủ và do đó, một số đồng nghiệp của tôi không hề hay biết các vấn đề đó“. “Tôi hy vọng rằng những ưu và khuyết điểm của HTGRs sẽ được thảo luận rộng rãi.“
——————————————
*Ghi chú
Rainer Moormann nghiên cứu hóa lý ở Braunschweig, Đức, lấy bằng tiến sĩ vào năm 1976. Từ năm 1976 đến năm 2013, ông làm việc tại Trung tâm nghiên cứu Juelich (FZJ) về sự an toàn của lò phản ứng xếp tầng, lò phản ứng nhiệt hạch và các nguồn va chạm. Năm 2011, ông đã nhận được giải thưởng Whistleblower của Đức cho các ấn phẩm về các vấn đề và sự cố chưa được biết rộng rãi trong các lò phản ứng xếp tầng của Đức.
R. Scott Kemp là Phó Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân thứ 43 của Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), Hoa Kỳ và Giám đốc Phòng thí nghiệm MIT về An ninh và Chính sách Hạt nhân (http://lnsp.mit.edu). Nghiên cứu của ông kết hợp với kỹ thuật, chính trị và lịch sử trong việc tìm kiếm nguồn năng lượng bền vững và đảm bảo an ninh quốc tế. Ông có bằng Tiến sĩ về Quan hệ công chúng và quốc tế của Đại học Princeton và bằng Cử nhân Vật lý của Đại học California, Santa Barbara. Ông là người nhận học bổng nghiên cứu Sloan về Vật lý và được bầu là Uỷ viên của Hội vật lý Hoa Kỳ vào năm 2017.
Ju Li là Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân và Giáo sư Khoa học và Kỹ thuật Vật liệu tại MIT. Ông cũng giữ chức giáo sư phụ trợ tại Đại học Giao thông Tây An, Trung Quốc. Nhóm của ông (http://Li.mit.edu) thực hiện nghiên cứu tính toán và thực nghiệm về tính chất cơ học của vật liệu, lưu trữ và chuyển đổi năng lượng. Ju có bằng tiến sĩ về kỹ thuật hạt nhân của MIT năm 2000, và bằng Cử nhân Vật lý của Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc năm 1994. Năm 2016, Ju Li đồng sáng lập một trong những Trung tâm Năng lượng Chuyển hóa Carbon Thấp thuộc MIT, Trung tâm Vật liệu Năng lượng và Môi trường Cực đoan. Ju được bầu là Uỷ viên của Hội vật lý Hoa Kỳ năm 2014 và là thành viên của Hiệp hội nghiên cứu vật liệu năm 2017.
Phạm Thị Thu Trang, Phòng Giáo vụ và Đào tạo
Nguồn dịch:https://www.sciencedaily.com/releases/2018/08/180823113558.htm
và https://nuclearstreet.com/nuclear-power-plants/w/nuclear_power_plants/pebble-bed-modular-reactor