Ebook an toàn các cụm thiết bị năng lượng hạt nhân

O.B. Xamoilov
G.B.Uxưnhin
A.M. Bakhmenchep

AN TOÀN
CÁC CỤM THIẾT BỊ
NĂNG LƯỢNG
HẠT NHÂN
Sách dùng cho sinh viên đại học

(Dịch từ nguyên bản tiếng Nga)

Người dịch: TS Nguyễn Đức Kim

Moskva 1989
1


О.Б. Самойлов
Г.Б. Усынин
А.М. Бахметьев

БЕЗОПАСНОСТЬ
ЯДЕРНЫХ
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ
УСТАНОВОК

Для студентов вузов

Đã xem xét các nguyên tắc bảo đảm an toàn, các điểm đặc biệt của
thiết bị năng lượng hạt nhân, như những công trình kỹ thuật có độ

nguy hiểm cao. Đã mô tả các tình huống sự cố chủ yếu, trình bày
các phương pháp phân tích xác suất và tất định. Đã giới thiệu các
hệ thống an toàn, các phương pháp bảo đảm độ tin cậy của chúng.
Đã xem xét các vấn đề thuộc yếu tố con người, các dạng hỏng hóc
thiết bị khác nhau, kinh nghiệm sự cố ở các nhà máy điện hạt nhân.
Dùng cho các sinh viên đại học. Có thể có ích cho nhân viên vận
hành nhà máy điện hạt nhân.

Москва 1989

2


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
АЗ
АПТ
АС
АСТ
АЭС
(NMĐNH)
БН
БРУ (А)
ВОБ
ВВЭР
ВТГР
ГЦН
ДГ
ЕЦ
ЗО
ИРГ

КГО
КС
МПА
ПГ
РБН
РО
РУ
САОЗ
СУЗ
СЛА
твэл
ТМА
ТВС
(BNL)
УСБ
ЯЭУ
ВWR
PWR

– bảo vệ sự cố
– sự cố kèm theo mất chất tải nhiệt
– cơ sở nguyên tử (hạt nhân)
– cơ sở hạt nhân cung cấp nhiệt
– nhà máy điện hạt nhân
– ЯЭУ sử dụng lò phản ứng nơtron nhanh hoặc dạng lò phản ứng tương ứng
– cụm thiết bị cảm ứng tác động nhanh (kèm theo phun khí vào khí quyển)
– đánh giá xác suất của độ an toàn
– lò phản ứng năng lượng nước-nước
– lò phản ứng grafit-khí nhiệt độ cao
– máy bơm tuần hoàn chính của vòng sơ cấp

– máy phát diezen
– tuần hoàn tự nhiên
– nhà lò (tường bảo vệ)
– các khí trơ, phóng xạ
– hệ thống kiểm tra độ kín vỏ bọc thanh nhiên liệu
– vỏ bảo hiểm
– sự cố thiết kế cực đại
– bình sinh hơi
– lò phản ứng nơtron nhanh
– bộ phận công tác
– cụm thiết bị lò phản ứng
– hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt
– hệ thống điều khiển và bảo vệ lò phản ứng
– hệ thống ngăn chặn sự cố
– thanh nhiên liệu (với một số lò - viên nhiên liệu)
– NMĐNH “Three Mile Island”
– bó nhiên liệu
– hệ thống an toàn điều khiển
– cụm thiết bị năng lượng hạt nhân
– lò phản ứng áp lực nước sôi
– lò phản ứng áp lực

3


LỜI NÓI ĐẦU
Ngày nay, không thể đào tạo được cán bộ chuyên môn tốt, làm việc trong lĩnh vực thiết
kế, xây dựng và vận hành các cụm thiết bị năng lượng hạt nhân (ЯЭУ), nếu không trang
bị cho họ đầy đủ kiến thức về những yêu cầu hiện đại, các giải pháp bảo đảm an toàn và
phương pháp phân tích an toàn lò phản ứng. Những vấn đề an toàn được tách riêng theo

truyền thống hiện đang phân tán trong các tài liệu khác nhau hoặc có ở dạng các mục nhỏ
thuộc các môn học như “Điều khiển ЯЭУ”, “Kết cấu các lò phản ứng hạt nhân”…
Việc sử dụng trên quy mô lớn các lò phản ứng hạt nhân để phát điện, cung cấp nhiệt
năng, trên các phương tiện vận tải hàng hải, đã đưa vấn đề an toàn lên hàng đầu. Cần phải
nghiên cứu và soạn thảo chương trình đào tạo đặc biệt, trong đó trình bày một cách có hệ
thống các vấn đề có liên quan đến khả năng gây phát thải các chất phóng xạ quá mức
được phép ra ngoài vùng ЯЭУ, vốn rất hiếm khi xảy ra.
Điểm đặc biệt của vấn đề an toàn ЯЭУ được quyết định chủ yếu do hai yếu tố. Thứ nhất,
thiết bị hạt nhân là một tổ hợp kỹ thuật công nghệ cao và cần có cách tiếp cận tiên tiến,
có hệ thống khi phân tích các điều kiện làm việc bình thường và các chế độ khẩn cấp.
Thứ hai, vì nó có liên quan đến những nguy hiểm tiềm ẩn đối với cư dân, nguy cơ gây
thiệt hại cho xã hội và môi trường xung quanh, nên cần phải xem xét những kết hợp bất
lợi nhất của các yếu tố vận hành và các tác động từ bên ngoài. Hậu quả của mọi sự cố cần
phải được hạn chế.
Khi biên soạn sách này, đã sử dụng kinh nghiệm của chính các tác giả trong nhiều năm
giảng dạy về an toàn ЯЭУ ở Trường Đại học Bách khoa Gorki. Ở đây, môn học này được
phân ra trong các chương trình chuyên ngành tương ứng, ở dạng chương trình tự học,
ngoài các bài giảng còn có các bài tập lớn. Ngoài ra, mục phân tích an toàn là phần bắt
buộc trong thiết kế môn học. Mục đích của chương trình này – rèn luyện cho cán bộ
chuyên môn về văn hoá an toàn, định hướng cho họ về các vấn đề chủ yếu, giúp họ thực
hiện một cách có nhận thức các yêu cầu của các văn bản pháp quy và giải quyết một cách
có hiểu biết các vấn đề thực tế khác nhau, theo quan điểm an toàn.
Các tác giả hy vọng rằng, cuốn sách có lợi không chỉ cho các sinh viên đại học, mà còn
cho các nhân viên kỹ thuật, muốn bổ sung và hệ thống hoá kiến thức của mình trong lĩnh
vực này.
Cấu trúc giáo trình mà các tác giả đã đưa ra không phải là cấu trúc duy nhất có thể,
nhưng nó phù hợp với quan điểm đã hình thành và phát triển của họ về mức độ quan
trọng của các vấn đề an toàn khác nhau đối với các kỹ sư thiết kế và các kỹ sư vận hành.
Do dung lượng hạn chế của cuốn sách mà một loạt các vấn đề quan trọng được trình bày
4

một cách ngắn gọn, và một số vấn đề không được xem xét. Để bổ sung những thiếu sót
đó có thể dùng các tài liệu được trình bày trong phần phụ lục, mà các tác giả cho rằng
chúng làm tăng chất lượng của cuốn sách.
Các tác giả

5


Chương 1

NHỮNG LUẬN ĐIỂM CHUNG VỀ AN TOÀN
1.1. NHỮNG NGUYÊN TẮC VÀ TIÊU CHÍ AN TOÀN
Nhiệm vụ chủ yếu bảo đảm an toàn cơ sở hạt nhân (AC) là tránh cho cư dân, nhân viên
vận hành và môi trường xung quanh khỏi mức tác động phóng xạ không thể chấp nhận
được, nhờ các phương tiện kỹ thuật và các giải pháp tổ chức. Ngoài ra, như kinh nghiệm
thế giới cho thấy, chủ yếu là ngăn ngừa các tình huống khẩn cấp tiềm ẩn có thể có.
Các hệ thống kỹ thuật có độ phức tạp, công suất cao là các tổ hợp kỹ thuật hoàn toàn có
thể tạo nên nguy cơ xuất hiện sự cố nhất định, nguy hiểm cho con người và môi trường
xung quanh. “Cái giá” thậm chí của một sự cố đơn lẻ cũng tăng dữ dội. Ở đây, cả ngành
năng lượng hạt nhân cũng không có ngoại lệ. Xuất phát từ việc xác suất các sự cố nghiêm
trọng ở ЯЭУ rõ ràng là không bao giờ có thể giảm xuống bằng không, nên cần phải áp
dụng các biện pháp bảo đảm hạn chế được các hậu quả của mọi sự cố nguy hiểm phóng
xạ.
An toàn ЯЭУ chủ yếu được bảo đảm bằng việc thực hiện các biện pháp và các nguyên
tắc sau đây (hình 1.1):

Hình 1.1. Các hướng chủ yếu bảo đảm an toàn ЯЭУ

1) xây dựng hệ thống bảo vệ đa tuyến tránh phát thải các chất phóng xạ nguy hiểm
tiềm tàng có trong nhiên liệu hạt nhân, tại khu vực AC và ra bên ngoài, với việc sử

6


dụng các giải pháp thiết kế để giảm rủi ro hư hại các rào cản bảo vệ đến mức tối
thiểu chấp nhận được;
2) chất lượng cao và luận cứ vững chắc của kết cấu thiết bị lò phản ứng, thiết kế các
hệ thống quan trọng đối với an toàn của toàn bộ AC nói chung, nghiên cứu kỹ
càng mọi quá trình xảy ra trong đó;
3) chất lượng cao trong quá trình chế tạo, lắp đặt, sửa chữa thiết bị; thiết bị AC hoạt
động với chất lượng cao – vấn đề mấu chốt của an toàn;
4) sử dụng các phương tiện tin cậy để ngăn ngừa và khắc phục các quá trình khẩn
cấp; trang bị cho AC các hệ thống an toàn – các hệ thống có nhiệm vụ ngăn ngừa
các sự cố và hạn chế các hậu quả của chúng;
5) vận hành một cách chuyên nghiệp AC, phù hợp với tài liệu kỹ thuật định mức hiện
hành, các hướng dẫn và tuân thủ nghiêm ngặt quy trình thao tác; bảo đảm nguyên
tắc “văn hoá an toàn” nói chung;
6) áp dụng các biện pháp để giữ ổn định khi có các tác động và các tình huống phát
sinh từ bên ngoài có liên quan đến “yếu tố con người”;
7) duy trì độ bền thiết bị của các hệ thống quan trọng đối với an toàn nhờ bảo dưỡng
kỹ thuật, kiểm tra và khám nghiệm bằng các phương tiện kiểm soát và chẩn đoán
hiệu quả;
8) chọn mặt bằng thuận lợi để xây dựng AC và vùng bảo vệ-vệ sinh cần thiết.
Yêu cầu cơ bản của quan điểm an toàn – loại trừ các hư hại dẫn đến thảm hoạ AC – được
thực hiện bằng việc tạo ra các cấp an toàn liên tiếp (“bảo vệ theo chiều sâu”).
Nhiệm vụ của cấp an toàn thứ nhất – ngăn ngừa các sự cố và các rắc rối, duy trì các điều
kiện vận hành AC trong các giới hạn, loại trừ xuất hiện sự cố. Cấp này được bảo đảm
bằng quy trình bảo đảm chất lượng, tính hoàn chỉnh của kết cấu ЯЭУ, sự tin cậy của các

hệ thống, trình độ chuyên môn của nhân viên.
Nhiệm vụ của cấp an toàn thứ hai – ngăn ngừa các sự cố thiết kế – chuyển thiết bị lò phản
ứng vào trạng thái an toàn và ngăn ngừa phát triển sự cố, vốn cần được khắc phục sớm,
bằng các biện pháp trên cơ sở nguyên tắc được gọi là hỏng hóc đơn lẻ (xem dưới đây).
Cấp này được bảo đảm bằng các hệ thống an toàn.
Nhiệm vụ của cấp an toàn thứ ba – ngăn ngừa các sự cố xác suất thấp, hạn chế hậu quả
của sự cố giả định. Các biện pháp của cấp này hướng đến làm giảm nhẹ hậu quả của các
hỏng hóc nhiều lần. Ở đây giả định rằng, việc trùng hợp hai hoặc nhiều hỏng hóc trong
các hệ thống an toàn là có thể về nguyên tắc, có tính đến nhiều sai lầm của nhân viên vận
hành. Cũng xem xét các sự cố không kiểm soát được trong các điều kiện hỏng hóc toàn
7


bộ hệ thống an toàn (ví dụ mất toàn bộ nước làm nguội sau khi dừng lò). Khi tạo ra các
hệ thống của cấp an toàn thứ ba người ta sử dụng các nguyên tắc cơ bản mà giá trị của
các nguyên tắc đó đã được chứng minh: dự phòng, tách biệt thực thể, tính đa dạng, tính
độc lập của các kênh và các hệ thống an toàn, cũng tính đến tính tự bảo vệ.
Các biện pháp của cấp thứ ba bao trùm cả những sự cố ngoài thiết kế.
Kết cục là hình thành cái gọi là tháp an toàn mà việc bảo đảm chất lượng nằm trên đáy
của tháp đó, và rủi ro còn lại của sự cố toàn cầu phá huỷ tất cả các rào cản là đỉnh.
Khi giải quyết bài toán an toàn cần tính đến khía cạnh tâm lý của vấn đề, điều thuộc về
nhận thức, rằng không có một mức phát tán các sản phẩm phóng xạ nào là được phép,
thậm chí cả khi nó không dẫn đến các hậu quả đáng kể cũng không được dư luận xã hội
coi là mức có thể chấp nhận. Chỉ có quan điểm ngăn chặn tất cả các phát tán khi có sự cố
là có khả năng chiếm được lòng tin.
Kinh nghiệm trong mọi phạm vi hoạt động của con người chứng tỏ rằng, yếu tố con
người là rất lớn trong việc bảo đảm an toàn. Trong công nghiệp hoá học, từ 80 đến 90%
các sự cố, bằng cách nào đó, đều có liên quan đến các sai lầm của nhân viên; theo thống
kê các sự cố hàng không trong vòng ba mươi năm trở lại đây, có đến 60 – 80% sự cố xảy
ra do lỗi của con người; trong ngành năng lượng hạt nhân, phần đóng góp của các sai lầm

của nhân viên trong tần suất sự cố nóng chảy vùng hoạt cũng chiếm khoảng 60 – 80%.
Tất cả điều đó chứng tỏ rằng, ít ra cũng cần chú ý đến việc phân tích mối quan hệ giữa
con người và thiết bị, vấn đề “con người – máy móc”, giống như việc phân tích động thái
của chính thiết bị.
Việc ngăn ngừa tính chủ quan trong quá trình làm việc bình thường, việc nhân viên thấu
hiểu ý nghĩa tiềm ẩn của mọi sai lệch so với quy trình thao tác thông thường theo quan
điểm an toàn, việc ưu tiên cho an toàn trong lúc áp dụng các giải pháp, tinh thần trách
nhiệm của những người thiết kế, cách tiếp cận có hệ thống trong mọi giai đoạn, việc
không bỏ qua những tiểu tiết (sức mạnh của các tiểu tiết là ở chỗ chúng có nhiều), việc
quan tâm một cách thực chất đến kinh nghiệm – tất cả những điều đó là cần thiết cho
cách tiếp cận, bảo đảm “văn hoá an toàn”.
1.2. AN TOÀN TRONG CÁC TÌNH HUỐNG KHẨN CẤP
Kinh nghiệm vận hành ЯЭУ trên thế giới, vào khoảng 5000 lò-năm, cho thấy, vấn đề an
toàn – đó là vấn đề của các sự cố có thể có, ở mức tiềm tàng, xác suất thấp do nguyên
nhân hỏng hóc các hệ thống kỹ thuật, những sai lầm của nhân viên và các tác động từ bên
ngoài. Các sự cố ở các nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) khác với các sự cố ở các nhà

8


máy điện khác ở chỗ chúng có thể gây ra phát tán một lượng đáng kể các chất phóng xạ
vào không gian xung quanh.
Trong ЯЭУ công suất 1000 MWe tích tụ các sản phẩm phân hạch mà độ phóng xạ của
chúng có thể đạt đến mức 3.1020 Bq. Việc các chất phóng xạ đã tích tụ lọt ra môi trường
xung quanh đem lại hậu quả vô cùng nghiêm trọng. Phần lớn các chất phóng xạ nằm
trong các thanh nhiên liệu. Việc chúng phát thải là có thể khi vỏ bọc thanh nhiên liệu bị
hư hại nặng và khi nhiên liệu bị nóng chảy.
Sự quá nhiệt của nhiên liệu chỉ diễn ra khi cường độ toả nhiệt của các thanh nhiên liệu
vượt quá cường độ dẫn thoát nhiệt. Mất cân bằng nhiệt như vậy trong vùng hoạt lò phản
ứng có thể xuất hiện trong các tình huống sau đây:

1. Sự cố kèm theo mất chất tải nhiệt vòng sơ cấp do nó bị hở hoặc bị phá huỷ. Khi đó
cân bằng bị mất, bởi vì quá trình toả nhiệt dư trong vùng hoạt là đáng kể, còn quá
trình lấy nhiệt bị xấu đi nhiều hoặc là mất hẳn, cho đến khi chưa đưa được chất tải
nhiệt từ hệ thống làm nguội khẩn cấp vào vùng hoạt. Đó là một trong số những sự
cố nghiêm trọng nhất, khi mà rào cản an toàn thứ hai (rào cản của hệ thống vòng
sơ cấp) bị phá huỷ, còn rào cản thứ nhất – vỏ bọc các thanh nhiên liệu – dường
như trong hoàn cảnh nặng nề ví dụ như nóng chảy một phần vùng hoạt, vốn phụ
thuộc vào hoạt động của các hệ thống an toàn. Chất tải nhiệt chủ động được cấp
vào cụm thiết bị lò phản ứng, làm tăng áp suất trong đó, tạo ra nguy cơ hỏng hóc
về cơ khí và sai phạm về nhiệt của một rào cản nữa – lớp tường bảo vệ (nhà lò)
của AC hoặc khu vực kín, nghĩa là có nguy cơ hư hại tất cả ba rào cản.
2. Những quá trình chuyển tiếp khẩn cấp. Trong số đó có thể chia ra thành các quá
trình kèm theo gia tăng độ phản ứng, khi mà cường độ toả nhiệt trong vùng hoạt
tăng lên so với cường độ dẫn thoát nhiệt, và các quá trình kèm theo sai phạm dẫn
thoát nhiệt, khi mà cường độ dẫn thoát nhiệt giảm xuống so với cường độ toả nhiệt
trong vùng hoạt.
Khi phân tích các tình huống khẩn cấp, mối quan tâm chủ yếu là sự gia tăng không điều
khiển được của công suất vùng hoạt (sự sinh nhiệt), sự suy giảm lưu lượng chất tải nhiệt
(suy giảm dẫn thoát nhiệt) và việc tăng cao áp suất trong lò phản ứng. Các sự cố kèm
theo gia tăng độ phản ứng có thể kích thích một trong những tình huống nghiêm trọng
nhất – sự cố kèm theo phá huỷ vùng hoạt và phá huỷ đồng thời tất cả các rào cản an toàn.
Trong các quá trình chuyển tiếp khẩn cấp, các thông số chủ yếu của lò phản ứng bị sai
lệch đáng kể so với các giá trị bình thường. Nhiều tình huống khẩn cấp loại này được
khắc phục nhờ hệ thống điều khiển, hệ thống này đưa lò phản ứng trở lại trạng thái vận
hành bình thường. Nhưng một số tình huống dường như là hệ thống điều khiển “không

9


với tới được”, và khi đó cần phải dừng lò phản ứng nhờ hệ thống bảo vệ sự cố để tránh

hư hại các thanh nhiên liệu hoặc hệ thống vòng sơ cấp – hai rào cản trên đường lan
truyền các sản phẩm phân hạch.
Lưu ý rằng, có thể bảo vệ lò phản ứng một cách tin cậy nhất khi sử dụng các thuộc tính
nội tại vốn có của lò phản ứng và các phương tiện thụ động, nghĩa là nhờ mọi khả năng tự
bảo vệ, vốn do các đặc tính kỹ thuật-vật lý của lò phản ứng quyết định, và nhờ các hệ
thống thụ động.
Việc tìm kiếm các giải pháp, hướng tới khả năng tự bảo vệ cao nhất có thể của cụm thiết
bị lò phản ứng, được quyết định do cố gắng giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của yếu tố con
người đến tính an toàn, và điều đó đặc biệt quan trọng khi tăng quy mô và mở rộng phạm
vi sử dụng năng lượng hạt nhân. Khả năng tự bảo vệ của cụm thiết bị lò phản ứng tạo
điều kiện đơn giản hoá cấu trúc và giảm khối lượng các phương tiện bảo vệ chủ động,
vốn không tránh khỏi liên quan đến việc phức tạp hoá, và sự phức tạp này lại giảm độ tin
cậy của thiết bị.
Nguyên tắc đa dạng các rào cản và bảo vệ theo chiều sâu là phần quan trọng của triết lý
bảo đảm an toàn các lò phản ứng hạt nhân. Theo triết lý đó, khi xảy ra bất kỳ biến cố nào
cũng cần còn lại ít nhất hai rào cản để bảo vệ môi trường xung quanh khỏi phát tán các
chất phóng xạ từ vùng hoạt lò phản ứng. Vì vậy, về nguyên tắc, quan trọng là làm sao bảo
đảm được tính độc lập về chức năng của mỗi rào cản trong trường hợp sự cố.
Phân tích các sự cố đã từng xảy ra cho thấy, các biến cố chủ yếu kích thích các sự cố –
mất chất tải nhiệt, các quá trình chuyển tiếp, sự tương tác của các hệ thống. Các sai lầm
của nhân viên, cũng như những hỏng hóc kỹ thuật của thiết bị là nguyên nhân chủ yếu
của các sai phạm chức năng hoạt động bình thường.
Các hệ thống an toàn. Nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ
Việc bảo đảm an toàn khi xuất hiện các chế độ khẩn cấp (sự cố) được thực hiện nhờ các
hệ thống đặc biệt được đưa vào trong AC, chúng có nhiệm vụ ngăn ngừa sự cố và hạn
chế các hậu quả của chúng. Các hệ thống an toàn “kiểm soát” sự cố trong lúc thực hiện
các chức năng chủ yếu sau đây: dừng lò phản ứng; dẫn thoát nhiệt dư; hạn chế lan truyền
các sản phẩm phóng xạ. Các hệ thống an toàn được chia thành các hệ thống bảo vệ, ngăn
chặn, điều khiển và bảo đảm.
Trạng thái bình thường của các hệ thống an toàn – đó là chế độ chờ sự cố, còn yêu cầu

chủ yếu đối với chúng – khởi động tin cậy và bảo đảm các đặc tính thiết kế khi hoạt
động.

10


Khi tính đến cấp độ tin cậy cuối cùng của bất kỳ hệ thống nào, thì việc phân tích toàn
diện biện pháp và các cách thức dự phòng, cũng như việc kiểm tra khả năng hoạt động
của các bộ phận, vốn cho phép giảm thiểu xác suất hỏng hóc hệ thống, đều có ý nghĩa về
nguyên tắc. Đối với tất cả các hệ thống an toàn đều cần phải áp dụng nguyên tắc được gọi
là nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ. Theo nguyên tắc này, khi phân tích an toàn AC, giả định
đồng thời với biến cố khởi nguồn, rằng một hỏng hóc đơn lẻ, độc lập với biến cố khởi
nguồn đó, đã xảy ra trong các hệ thống an toàn đã khởi động trong biến cố đã cho. Độ bội
dự phòng cần phải ở mức sao cho, dù là có hỏng hóc đơn lẻ thì chức năng an toàn vẫn
được thực hiện. Hỏng hóc đơn lẻ được giả định ở bất kỳ đầu mối nào của hệ thống an
toàn, nhưng hỏng hóc đồng thời thì chỉ có một.
Việc lựa chọn nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ làm nguyên tắc chủ đạo cho độ bội dự phòng
của các hệ thống an toàn được ước định bởi việc, bản thân các hỏng hóc là những biến cố
ngẫu nhiên, mà việc chúng xuất hiện có đặc điểm của một xác suất nhất định nào đó. Bởi
vì độ tin cậy của các hệ thống và thiết bị, vốn có ảnh hưởng đến độ an toàn, được duy trì
nhờ các biện pháp bảo đảm chất lượng trong các giai đoạn thiết kế, chế tạo, lắp ráp và
vận hành ở mức đủ cao, nên xác suất xuất hiện hỏng hóc đơn lẻ của thiết bị là nhỏ. Xác
suất xuất hiện đồng thời hai hỏng hóc độc lập như vậy có đặc điểm của tích số của các
xác suất của từng hỏng hóc đó. Giá trị của nó nhỏ đến mức có thể bỏ qua biến cố như vậy
trong quá trình tiếp cận này.
Phân biệt các nguyên tắc hoạt động chủ động và thụ động của các hệ thống an toàn.
Nguyên tắc hoạt động chủ động của hệ thống hoặc của cơ cấu – là nguyên tắc, trong đó
để thực hiện chức năng đã cho cần bảo đảm một số điều kiện (ví dụ, ra lệnh đóng, bảo
đảm cung cấp năng lượng, môi trường,…). Các hệ thống và các cơ cấu, có đặc điểm của
nguyên tắc tác động chủ động, được gọi là các hệ thống và các cơ cấu chủ động. Thông

thường, chúng phức tạp về kết cấu và có nhiều mối liên hệ với các cơ cấu khác, mà khả
năng làm việc của chúng phụ thuộc vào các cơ cấu này.
Nguyên tắc hoạt động thụ động của hệ thống hoặc của cơ cấu – là nguyên tắc, trong đó để
thực hiện chức năng đã cho không cần các hệ thống và cơ cấu khác hoạt động. Các hệ
thống thụ động thực hiện chức năng dưới ảnh hưởng của các tác động xuất hiện trực tiếp
do biến cố khởi nguồn. Thông thường, các hệ thống như vậy có đặc điểm là độ tin cậy
cao hơn so với các hệ thống chủ động, do vậy mà nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ thường chỉ
được áp dụng cho các hệ thống và cơ cấu chủ động.
Nếu hỏng hóc đơn lẻ của một bộ phận nào đó dẫn đến hỏng hóc các bộ phận khác, thì tất
cả các hỏng hóc đều là các hỏng hóc độc lập và được xem như một hỏng hóc. Biến cố

11


khởi nguồn có thể là nguyên nhân xuất hiện các hỏng hóc lệ thuộc trong các hệ thống an
toàn. Trong các trường hợp đó, ngoài các hỏng hóc lệ thuộc như vậy, khi phân tích an
toàn theo nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ cần phải tính thêm một hỏng hóc độc lập.
Các hỏng hóc do nguyên nhân chung – các hỏng hóc của một số hệ thống quan trọng đối
với an toàn, xuất hiện do một trong số các tác động từ bên trong hoặc từ bên ngoài, do
hỏng hóc cơ cấu hoặc do sai lầm của con người.
Nguyên nhân chung của các hỏng hóc có thể chỉ là cái chung đối với một loạt các hệ
thống hoặc cơ cấu an toàn: vị trí xây dựng, các điều kiện bên trong hoặc bên ngoài, các
nguồn cung cấp, điều kiện bảo quản, kết cấu, công nghệ chế tạo, các vật liệu,…Bởi vì các
hỏng hóc do nguyên nhân chung không phải là đơn lẻ, nên việc bảo vệ nó không chỉ bằng
các phương pháp dự phòng.
Các nguyên tắc xây dựng các hệ thống an toàn
Để đáp ứng tiêu chí hỏng hóc đơn lẻ và giảm xác suất hỏng các hệ thống quan trọng đối
với an toàn do nguyên nhân chung cần phải áp dụng bốn nguyên tắc (riêng biệt hoặc kết
hợp):
1) dự phòng – sử dụng một lượng dư các hệ thống hoặc các bộ phận để bảo đảm dư

khả năng thực hiện chức năng được giao;
2) độc lập – việc thực hiện chức năng của một hệ thống không phụ thuộc vào hoạt
động của hệ thống khác;
3) tách biệt – tách riêng, bằng rào cản, các hệ thống, vốn thực hiện cùng một chức
năng, hoặc tách xa chúng ra một khoảng cách nhất định để giảm xác suất hỏng hóc
đồng thời do nguyên nhân chung;
4) khác biệt (đa dạng, khác kiểu) – việc tránh cho các hệ thống và các bộ phận, vốn
thực hiện một nhiệm vụ, khỏi hỏng hóc cùng một kiểu, bằng cách chế tạo chúng
theo kết cấu, nguyên tắc hoạt động khác nhau…Như đã biết, sự đa dạng luôn che
chở cho cuộc đời tránh khỏi những cảnh ngang trái.
Sự cần thiết phải ngăn ngừa những hỏng hóc do nguyên nhân chung đã dẫn đến nhu cầu
xây dựng các hệ thống an toàn theo cấu trúc dạng kênh. Với cấu trúc như vậy, tập trung
thực hiện toàn bộ các chức năng an toàn trong một kênh an toàn. Số lượng các kênh an
toàn được chọn theo độ dư cần thiết khi thực hiện các chức năng an toàn, nghĩa là, theo
nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ có tính đến khả năng có các hỏng hóc lệ thuộc. Các kênh an
toàn hoàn toàn tách khỏi nhau và khỏi các hệ thống khác, sao cho không thể hỏng thêm
một kênh nào nữa do cùng một nguyên nhân. Khó hơn cả là tránh được tính giống nhau
về kết cấu, về vật liệu và công nghệ chế tạo các bộ phận riêng biệt.
12


Khi nghiên cứu chế tạo các hệ thống an toàn cần lưu ý rằng, một số lượng lớn các bộ
phận, vốn làm tăng số lượng các mối tương quan, sẽ làm tăng ảnh hưởng của các yếu tố
rối loạn. Các hệ thống phức tạp chịu ảnh hưởng của các rối loạn và sai sót lớn hơn nhiều
so với các hệ thống đơn giản, nghĩa là, những biện pháp an toàn dư thừa có thể gây ảnh
hưởng xấu đến chính an toàn.
Có thể coi việc tạo ra các hệ thống, được gọi là hệ thống tổng thể, nhờ áp dụng các ý
tưởng mới, để cùng một lúc thực hiện được một số chức năng, là hướng nhiều triển vọng
nhằm khắc phục tính phức tạp, nhiều về số lượng và to về quy mô của các hệ thống an
toàn. Điều đó cho phép làm giảm số lượng các bộ phận, làm tăng độ tin cậy và tính hiệu

quả của toàn bộ AC nói chung.
Trên đây đã nhấn mạnh ý nghĩa có tính nguyên tắc của việc hiểu đúng các quá trình trong
các chế độ vận hành bình thường và khẩn cấp. Điều đó làm tăng cao, ví dụ, độ ổn định
của ЯЭУ trước những sai lầm của nhân viên. Từ quan điểm đó, tốt hơn cả là những ЯЭУ
có khả năng tích hợp lớn và có các hệ thống an toàn thụ động với tổ hợp các tính chất,
quyết định độ an toàn nội tại và tính tự bảo vệ của cụm thiết bị lò phản ứng.
1.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH VÀ LUẬN GIẢI AN TOÀN
Cách tiếp cận tất định
Những yêu cầu định mức hiện hành đang đòi hỏi cách xem xét tất định đối với các vấn đề
an toàn trong khuôn khổ quan điểm về các sự cố thiết kế và trong khuôn khổ nguyên tắc
hỏng hóc đơn lẻ. Trong đó lưu ý rằng, mỗi hệ thống an toàn đều thực hiện được các chức
năng đã định đòi hỏi nó hoạt động, trong mọi biến cố khởi nguồn được tính đến trong
thiết kế, có tính đến một hỏng hóc (độc lập với biến cố khởi nguồn) của một bộ phận nào
đó. Theo kinh nghiệm đã được tích luỹ và theo trực quan kỹ thuật, người ta xác lập các
biến cố khởi nguồn thiết kế, các hiệu ứng thứ cấp, các giới hạn an toàn mà các giải pháp
bảo vệ phải tuân thủ.
Cách tiếp cận tất định được hiểu là phương pháp phân tích trình tự các giai đoạn của
quá trình khẩn cấp, từ biến cố khởi nguồn, qua tất cả các thời kỳ biến thái và phá huỷ
có thể có, đến trạng thái cuối cùng đã được xác lập.
Trong cách tiếp cận tất định không sử dụng các số liệu xác suất định lượng để mô tả các
biến cố hoặc tổ hợp các biến cố. Ở kịch bản này hay kịch bản khác, đặc điểm của cách
tiếp cận này đều được nhận ra một cách định tính trong các thuật ngữ như “thường
xuyên”, ‘xác suất thấp”, có thể”, “không thể về mặt kỹ thuật”,…Trong khi đó có thể áp

13


dụng phương pháp tất định trong các trường hợp riêng biệt, ví dụ, hỏng hóc kép trong hệ
thống,…
Cách tiếp cận xác suất

Quan điểm về cụm thiết bị được cho là an toàn khi có các sự cố thiết kế (nghĩa là, trong
khuôn khổ tuân thủ nguyên tắc hỏng hóc đơn lẻ) không giải đáp mọi vấn đề thiết kế và
vận hành. Vì vậy cách tiếp cận ngày càng được áp dụng rộng rãi hơn là cách tiếp cận xác
suất, theo nó, khi phân tích an toàn, người ta xem xét tất cả các sự cố có thể có, cũng như
bất kỳ số lượng các hỏng hóc đồng thời nào.
Khi áp dụng phương pháp “cây biến cố” thì kết quả phân tích an toàn ЯЭУ ở đây dẫn
“đến một con số”, đến cái gọi là giá trị xác suất an toàn (ВОБ). Cơ sở của cách tiếp cận
xác suất chính là phân tích một cách có hệ thống các kịch bản có ý nghĩa của các sự cố,
cũng như nghiên cứu một cách trình tự các sự cố, kể cả các biến cố khởi nguồn, các
đường hướng phát triển của các quá trình khẩn cấp, có tính đến khả năng trùng hợp hỏng
hóc của các hệ thống. Khi đó, phần quan trọng là việc phân tích định lượng độ tin cậy của
thiết bị và các hệ thống quan trọng đối với an toàn.
Sử dụng phân tích xác suất dễ xác lập những vấn đề ưu tiên và dễ chọn hướng nghiên cứu
các vấn đề an toàn của các lò phản ứng hạt nhân.
Phân tích bằng cách so sánh các giải pháp kỹ thuật và các giá trị xác suất sẽ cho phép lựa
chọn một cách có cơ sở các giải pháp kỹ thuật cạnh tranh khác nhau, cũng như nghiên
cứu độ nhạy cảm của các kết quả khi thay đổi các thông số. Cũng có thể đánh giá được
phần đóng góp của các yếu tố và các hệ thống khác nhau vào các chỉ số an toàn AC và
trên cơ sở đó xác định được phương hướng cải thiện các chỉ số này. Một trong những kết
quả quan trọng nhất của ВОБ là phân định được các kịch bản sự cố có phần đóng góp lớn
nhất vào các hậu quả, nghĩa là, phân định được các trình tự phổ biến nhất của các biến cố.
Khi biết các trình tự phổ biến nhất của các biến cố trong các sự cố, có thể phân định được
các hệ thống và các bộ phận quan trọng nhất, điều này rất có lợi để hoàn thiện các thiết
kế. Và cuối cùng, chính các phương pháp ВОБ có thể cho phép đặt nền móng cho ranh
giới của rủi ro có thể chấp nhận được, và tương ứng với điều đó, cho tiêu chí của một
thiết kế ЯЭУ cụ thể.
Những hạn chế trong việc sử dụng các phương pháp xác suất có liên quan đến sự thiếu
hụt số liệu để tiến hành các phân tích thích hợp, cũng như thiếu hiểu biết về nguy cơ hỏng
hóc tiềm ẩn do các nguyên nhân chung, và về động thái của nhân viên vận hành.

14


Động thái của con người – nguồn bất định trong ВОБ, bởi vì người ta có thể coi những
hành vi khác nhau là đúng, và các sai lầm có thể diễn ra cả khi thực hiện các hành vi, cả
khi không làm gì.
Những phương pháp ВОБ đóng góp vào các phương pháp tất định những nghiên cứu về
an toàn, nghĩa là, cả hai phương pháp cùng được áp dụng. Trong khoa học đã được biết
những quá trình phức tạp, “một lời khôn tả”. Rõ ràng, các nhiệm vụ nghiên cứu và luận
giải an toàn thuộc loại này. Khi đó cần đến việc phân tích có hệ thống.
Đối với mỗi tình huống khẩn cấp (biến cố khởi nguồn) cần xem xét những mắt xích có
thể có, từ trạng thái ban đầu đến trạng thái cuối cùng, phản ánh những tác động có thể
của nhân viên vận hành và đánh giá hậu quả.
Cần làm rõ các đường hướng phát triển của tình huống khẩn cấp, có tính đến tương tác
của các hệ thống và các quy luật diễn biến của các quá trình vật lý, cũng như các xác suất
hỏng hóc của các hệ thống an toàn. Khi đó cần đặc biệt chú ý đến sự xuất hiện các hỏng
hóc thiết bị, dẫn đến các hỏng hóc lệ thuộc, hoặc đến sự suy giảm tính hiệu quả của các
hệ thống, cũng như các tác động sai lầm của nhân viên, có tính đến cả ảnh hưởng của các
hành động đó đến sự xuất hiện, đặc tính diễn biến và hậu quả của các sự cố.
Về mối nguy hiểm từ cơ sở hạt nhân
Không thể bảo đảm an toàn tuyệt đối trong bất kỳ một dạng hoạt động nào của con người.
Cả nhân viên, cả cư dân luôn luôn chịu nguy hiểm – các xác suất chịu thiệt mạng hoặc
chịu thiệt hại vật chất do các nguyên nhân tự nhiên (động đất, bão lốc, rơi thiên thạnh,…)
hoặc do các hoạt động của chính mình (tác động độc hại của các ngành sản xuất khác
nhau và các dạng hoạt động của con người, những trường hợp không may,…).
Cụm thiết bị lò phản ứng, nguồn các sản phẩm phóng xạ, cũng là mối nguy hiểm nhất
định cho nhân viên, cư dân và môi trường xung quanh. Mối nguy hiểm này có liên quan
không chỉ với việc vận hành ЯЭУ, mà còn với các khâu còn lại của chu trình nhiên liệu
hạt nhân. Mức nguy hiểm là mức tính đến xác suất các sự cố và hậu quả phóng xạ của
chúng: đối với cư dân sống gần AC, mức rủi ro chết người do các sai phạm vận hành AC,

không được vượt quá 0,001 tổng mức rủi ro chết người xuất hiện do các nguyên nhân
khác. Để đánh giá rủi ro người ta sử dụng các phương pháp ВОБ và chú ý đến cả các sự
cố xác suất thấp (giả định) với kịch bản giả định có trùng hợp một số lượng bất kỳ các
hỏng hóc và sai lầm có thể xảy ra kèm theo những hậu quả nghiêm trọng. Ở đây sử dụng
tất cả các kết quả đánh giá xác suất an toàn và có thể xác định giá trị của mức rủi ro chấp
nhận được. Rủi ro từ các sai lệch có thể có khi vận hành ЯЭУ được coi là chấp nhận

15


được nếu nó không vượt nhiều quá so với rủi ro từ các phương pháp sản xuất năng lượng
khác.
Khi tính đến nhịp độ phát triển kỳ vọng của ngành năng lượng hạt nhân trong những thập
kỷ gần đây thì những yêu cầu đối với xác suất tổng của các sự cố nghiêm trọng được
diễn đạt như sau: các sự cố kèm theo phá huỷ vùng hoạt, nhưng không vượt quá mức phát
tán phóng xạ được phép đã định (bằng cách ngăn chặn các sản phẩm phóng xạ) cần có
xác suất tổng theo toàn bộ trình tự các biến cố ρ ≤ 10-5 một lò-năm.
Đối với các sự cố kèm theo phá huỷ vùng hoạt và phát tán các sản phẩm phóng xạ cao
hơn mức cho phép, yêu cầu đã được xác lập là ρ ≤ 10-7 một lò-năm.
Từ đó suy ra, cần loại trừ phát tán các sản phẩm phóng xạ không được phép trong mọi
biến cố khởi nguồn và trên đường phát triển các sự cố, mà xác suất tổng của các sự cố đó
vượt quá 10-7 một lò-năm.

Chương 2

CÁC RÀO CẢN AN TOÀN
2.1. NGUYÊN TẮC BẢO VỆ THEO CHIỀU SÂU
Khi thiết kế ЯЭУ, một trong những nguyên tắc an toàn cơ bản là nguyên tắc bảo vệ theo
chiều sâu, theo nó, một số cấp bảo vệ được tính trước để ngăn ngừa hoặc hạn chế các hậu
quả bất lợi của những hỏng hóc thiết bị và các sai lầm của nhân viên AC.

Yêu cầu quan trọng nhất của nguyên tắc bảo vệ theo chiều sâu là tổ chức các hàng rào an
toàn thực thể. Trên đường lan truyền các mảnh vỡ phân hạch, trong trường hợp chúng có
khả năng tiềm ẩn phát thải từ kết cấu nhiên liệu vào môi trường xung quanh, thông
thường, trong các lò phản ứng hiện đại có ba rào cản, xét chức năng và ý nghĩa của
chúng, có thể coi chúng là các rào cản an toàn (hình 2.1). Tạo nên rào cản thứ nhất là kết
cấu nhiên liệu và vỏ bọc các thanh nhiên liệu. Trong trường hợp lọt các sản phẩm phóng
xạ của quá trình phân hạch vào chất tải nhiệt thì hệ thống vòng sơ cấp, các đường ống,
các kết cấu dạng vỏ của vòng sơ cấp (rào cản an toàn thứ hai) sẽ cản trở quá trình lan
truyền tiếp theo của chúng. Và cuối cùng, khi rò rỉ vòng sơ cấp, các sản phẩm phóng xạ
của quá trình phân hạch được giữ lại hoặc nhờ hệ thống khu vực kín, hoặc nhà lò (rào cản
thứ ba) (hình 2.2). Khi phân tích an toàn cần tin chắc vào độ hiệu dụng của các rào cản đó
cả trong điều kiện bình thường, cả trong điều kiện khẩn cấp, theo dõi liên tục tính độc lập

16


trong việc thực hiện chức năng của chúng, sự có mặt của “dự trữ” độ hiệu dụng, các
phương tiện chẩn đoán và kiểm tra.
Mọi sự cố thiết kế đều không được dẫn đến sai phạm tiếp theo của các hệ thống, ví dụ,
các hệ thống vòng sơ cấp và các hệ thống ЗО, vốn cần thiết để ngăn chặn tình huống đã
xuất hiện, khi chúng thực hiện chức năng.
Việc thực hiện chức năng của các rào cản an toàn trong các chế độ khẩn cấp cần thoả
mãn hoàn toàn các yêu cầu nhất định. Các điều kiện hoạt động của các rào cản khi có sự
cố, kể cả những sự cố giả định rất ít có khả năng xảy ra, cần được phân tích kỹ càng, khi
đó cần chứng minh độ hiệu dụng của các rào cản với mức dự trữ cần thiết cho độ bất định
có thể có.

Hình 2.1. Sơ đồ các rào cản trên đường lan truyền các nuclit phóng xạ sinh ra
trong quá trình hoạt động của ЯЭУ

17


Hình 2.2. Các rào cản an toàn AC có nhà lò:
1 – nhiên liệu; 2 – vỏ bọc thanh nhiên liệu; 3 – hệ thống vòng sơ cấp kín; 4 – nhà lò

2.2. THANH NHIÊN LIỆU – RÀO CẢN AN TOÀN THỨ NHẤT
Thanh nhiên liệu cần giữ được nguyên vẹn trong suốt thời gian tồn tại trong lò phản ứng,
khi lưu giữ và vận chuyển. Sự giãn nở hoặc phồng rộp không được vượt quá các giới hạn,
khi đó các điều kiện làm nguội bình thường được bảo đảm. Thanh nhiên liệu bị coi là hư
hại, nếu do vỏ bọc không còn nguyên vẹn mà các sản phẩm phân hạch lọt vào chất tải
nhiệt.
Trong các lò phản ứng năng lượng hiện đại, thông thường, sử dụng các thanh nhiên liệu
có nhiên liệu ở dạng viên urani dioxit, nằm trong vỏ bọc bằng thép hoặc hợp kim zirconi.
Kết cấu nhiên liệu và vỏ bọc kín của thanh nhiên liệu tạo ra rào cản thứ nhất trên đường
lan truyền các sản phẩm phân hạch.
Nhiên liệu
Các sản phẩm phóng xạ tích tụ do quá trình phân hạch và bắt nơtron trong nhiên liệu, khi
đó thành phần, các tính chất cơ học và hoá lý của kết cấu nhiên liệu thay đổi.

18


Đặc trưng hoạt động của các thanh nhiên liệu là mức tải nhiệt cao (khoảng 450 W/cm) và
chênh lệch nhiệt độ theo mặt cắt ngang nhiên liệu đáng kể, có thể đến vài trăm độ.
Mặc dù một lượng lớn các sản phẩm phóng xạ được tạo ra trong quá trình phân hạch,
nhưng ở nhiệt độ làm việc bình thường urani dioxit giữ lại hơn 98% sản phẩm. Gần 1 –
2% sản phẩm, chủ yếu ở dạng khí và dạng bay hơi – kripton, xenon và iốt, khuếch tán
vào khoảng khí giữa khối nhiên liệu và vỏ bọc, khi đó vỏ bọc kín ngăn cản chúng thoát
vào chất tải nhiệt.

Động thái của nhiên liệu giống như của rào cản, là giữ sản phẩm phân hạch lại, tùy thuộc
vào nhiệt độ và độ cháy. Khi nhiệt độ dưới 1000 0C, urani dioxit giữ lại tất cả, thậm chí cả
các sản phẩm phân hạch dạng khí. Khi nhiệt độ và độ cháy tăng lên, tình hình thay đổi
nhiều. Các sản phẩm phân hạch trở nên linh động hơn (hình 2.3).
Quá trình này có bản chất khuếch tán, và tốc độ thoát sản phẩm phân hạch từ nhiên liệu
được xác định bằng quy luật hàm mũ exp (–E/kT), ở đây E – năng lượng kích hoạt; T –
nhiệt độ; k – hằng số Bolsman. Khi nhiệt độ cao hơn 1600 0C, một phần lớn các khí thoát
ra khỏi nhiên liệu và nằm trong lớp vỏ bọc, việc thoát iốt và các nuclit bay hơi cũng tăng
lên đáng kể. Để nhiên liệu hoàn thành chức năng “rào cản” của mình, quan trọng là sao
cho tương tác của nhiên liệu với chất tải nhiệt là tối thiểu.

Hình 2.3. Sự phụ thuộc vào nhiệt độ của quá
trình thoát các sản phẩm phân hạch dạng khí
từ nhiên liệu

Một trong những tiêu chí quan trọng nhất, đặc trưng cho các điều kiện hoạt động của kết
cấu nhiên liệu, – đạt đến nhiệt độ nóng chảy. Thông số này đặc biệt quan trọng khi tăng
nhanh công suất, khi mà nhiệt độ của vỏ bọc tăng lên còn chưa đáng kể. Việc nóng chảy
nhiên liệu cần được xem như mất chức năng rào cản không chỉ của nhiên liệu mà còn của
thanh nhiên liệu nói chung.

19


Vỏ bọc
Vỏ bọc thanh nhiên liệu bảo đảm tính nguyên vẹn của nó, bảo đảm độ bền cơ khí, cản trở
thoát sản phẩm phân hạch vào vòng sơ cấp. Yêu cầu cơ bản đối với vỏ bọc – bảo đảm độ
bền và độ kín dưới mọi tác động bình thường và khẩn cấp trong suốt “chu trình sống”
nhiều năm và độ bền phóng xạ khi chiếu xạ dài ngày.
Độ kín của vỏ bọc cần được bảo toàn trong suốt thời hạn hoạt động của thanh nhiên liệu

và thời gian lưu giữ sau này của nhiên liệu đã cháy. Trong suốt “chu trình sống”, vỏ bọc
thanh nhiên liệu chịu tác động của nhiều yếu tố, tạo ra những điều kiện hoạt động phức
tạp của vỏ bọc. Đó là các tác động của lực và quá trình ăn mòn cả từ phía chất tải nhiệt,
cả từ phía nhiên liệu, là dao động nhiệt khi thay đổi các chế độ làm việc (khởi động,
dừng, điều chỉnh), là hoá ròn phóng xạ khi bị tác động của các dòng nơtron nhanh, và
cuối cùng, là quá nhiệt trong các tình huống khẩn cấp (hình 2.4).
Khi “phồng rộp” nhiên liệu, cũng như dưới tác động của các sản phẩm phân hạch dạng
khí và dạng bay hơi, thoát ra dưới lớp vỏ bọc thì các tải trọng, tác động từ bên trong lên
vỏ bọc thanh nhiên liệu, tăng lên.
Đối với các vật liệu vỏ bọc, các tính chất sau đây có ý nghĩa hàng đầu: bền phóng xạ, hoá
ròn, phồng rộp, rão phóng xạ, bền ăn mòn.

20


Hình 2.4. Các yếu tố có ảnh hưởng đến khả năng làm việc
của vỏ bọc thanh nhiên liệu – rào cản an toàn đầu tiên

Khi tăng chậm công suất hoặc giảm lưu lượng chất tải nhiệt qua lò phản ứng thì nhiệt độ
vỏ bọc sẽ là thông số cơ bản, đặc trưng cho tính nguyên vẹn của thanh nhiên liệu. Việc
phá huỷ vỏ bọc bắt đầu khi ứng suất vượt quá giới hạn bền, vốn được xác định theo nhiệt
độ.
Các giá trị nhiệt độ, được dùng làm các tiêu chuẩn của trạng thái khẩn cấp, cần được xác
định cho các điều kiện cụ thể của dạng lò phản ứng đã cho. Ví dụ, xét các điều kiện nhiệt
độ “ngoài khủng hoảng” khi có sự cố mất chất tải nhiệt trong các lò công suất nước-nước
(ВВЭР).
Các giới hạn hư hại thanh nhiên liệu
Khi xác định các giá trị cực đại được phép của các thông số đặc trưng cho trạng thái vùng
hoạt, trước hết cần xem xét các vỏ bọc thanh nhiên liệu, mà sự phát triển các quá trình
khẩn cấp phụ thuộc nhiều vào chúng. Các giá trị giới hạn cho phép của các thông số được

xác lập trên cơ sở các số liệu thực nghiệm về động thái của vỏ bọc và của thanh nhiên
liệu nói chung trong các chế độ ổn định và chuyển tiếp. Những nghiên cứu bằng thực
nghiệm về các đặc tính khả năng làm việc của vỏ bọc thanh nhiên liệu cho phép đưa ra
các tiêu chuẩn an toàn khi có sự cố. Khi phân tích các quá trình khẩn cấp và xác định các
giá trị cho phép của các thông số cần xem xét toàn diện và tính đến các tương tác hoá lý
có thể xảy ra giữa nhiên liệu, vỏ bọc và chất tải nhiệt, cũng như các môi trường khác, vốn
có thể lọt vào vùng hoạt khi làm việc bình thường hoặc trong thời gian có sự cố.
Vùng hoạt và các hệ thống khác, vốn quyết định điều kiện hoạt động của vùng hoạt, cần
được thiết kế sao cho loại trừ được khả năng vượt các giới hạn hư hại đã định trong suốt
thời hạn sử dụng dự kiến, ở các điều kiện vận hành bình thường. Cũng không được phép
vượt các giới hạn nói trên, khi có những sai phạm vận hành bình thường sau đây (có tính
đến tác động của các hệ thống bảo vệ):
hư hỏng hệ thống điều khiển và kiểm soát lò phản ứng;
mất điện các máy bơm tuần hoàn chính;
ngắt máy phát tuabin và các tải tiêu thụ nhiệt;
mất hoàn toàn nguồn cấp điện bên ngoài;
rò rỉ vòng sơ cấp, vốn được bù nhờ các hệ thống bù bình thường.
Các giới hạn hư hại được phép của thanh nhiên liệu khi vận hành bình thường đối với các
lò phản ứng được làm nguội bằng nước như sau: số lượng các thanh nhiên liệu có các

21


khuyết tật nhỏ không được vượt quá 0,1 – 1%, còn có tiếp xúc trực tiếp nhiên liệu với
chất tải nhiệt 0,01 – 0,1% tổng số lượng các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt, tuỳ thuộc
vào dạng lò phản ứng. Các giá trị thực dường như nhỏ hơn. Tuỳ thuộc vào các đặc tính
của các thanh nhiên liệu và lò phản ứng mà đôi khi các giới hạn hư hại được quy định
theo các thông số khác (hoạt độ thể tích của chất tải nhiệt,…).
Trong các điều kiện khẩn cấp phức tạp, cho phép vượt giới hạn hư hại thiết kế của thanh
nhiên liệu khi vận hành bình thường (giới hạn hư hại thiết kế đầu tiên). Trong khi đó, có

đặt ra các yêu cầu, dành riêng cho các dạng lò phản ứng khác nhau và cho nhiên liệu
được sử dụng, về việc bảo đảm giới hạn hư hại thiết kế thứ hai của các thanh nhiên liệu
nhờ hệ thống làm nguội khẩn cấp khi có các sự cố thiết kế ít khả năng xảy ra, kể cả sự cố
thiết kế cực đại (МПА). Đối với các lò phản ứng nước-nước, giới hạn hư hại thứ hai của
các thanh nhiên liệu được quy định bằng việc hạn chế sự phát triển phản ứng zirconi-hơi
nước.
Trong quá trình vận hành, tình trạng vỏ bọc các thanh nhiên liệu, mà tính nguyên vẹn của
chúng là điều kiện quan trọng nhất bảo đảm an toàn, được kiểm soát liên tục. Tình trạng
vỏ bọc được đánh giá nhờ hệ thống kiểm tra độ kín vỏ bọc (hệ thống КГО), nó đo ghi các
nơtron trễ của các sản phẩm phân hạch hoặc bức xạ γ.
Các điều kiện làm việc của các thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu và vùng hoạt
Bó nhiên liệu (BNL) định vị các thanh nhiên liệu, tạo ra dòng chất tải nhiệt quanh các
thanh, bảo đảm làm nguội cần thiết. BNL bảo đảm cho độ nguyên vẹn cơ khí của các
thanh, ngăn cản sự xuất hiện và lan truyền sự cố cục bộ, vốn có liên quan đến suy giảm
lưu lượng chất tải nhiệt trong những ô riêng và hư hại một phần thanh nhiên liệu.
Các điều kiện làm việc của các thanh nhiên liệu phần lớn được quyết định bởi kết cấu
vùng hoạt, mà một trong số các chức năng của nó là giữ nguyên được vị trí nhiên liệu
theo thiết kế và sự phân bố chất tải nhiệt cần thiết theo quan điểm các điều kiện về nhiệt
độ. Đối với tất cả các điều kiện vận hành bình thường, cần ngăn ngừa tính không ổn định
lưu lượng chất tải nhiệt qua vùng hoạt.
Vùng hoạt được trang bị những cảm biến đặc biệt để kiểm soát bên trong lò phản ứng,
bảo đảm cung cấp thông tin về phân bố công suất dưới các tác động khác nhau (dịch
chuyển các thanh, tái phân bố xenon,...), về các điều kiện nhiệt độ trong BNL và các đặc
tính của dòng chất tải nhiệt.

22


Các sự cố thiết kế, kể cả МПА, không được dẫn đến các thay đổi tới mức cản trở quá
trình làm nguội các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt, hoặc dẫn đến quá trình tháo dỡ

vùng hoạt sau sự cố.

Các tiêu chí về tính nguyên vẹn của rào cản các thanh nhiên liệu
Để bảo đảm độ nguyên vẹn của rào cản an toàn cơ bản thứ nhất cần duy trì được chế độ
nhiệt độ định trước của các thanh nhiên liệu khi chúng hoạt động và ngăn ngừa các tác
động cơ học và ăn mòn lên vỏ bọc, vượt quá các giới hạn cho phép về độ bền.
Các giới hạn thiết kế được quy định như sau:
1) dự trữ trước khủng hoảng dẫn thoát nhiệt không dưới 1,1 – 1,3;
2) nhiệt độ ở trung tâm lõi nhiên liệu thấp hơn nhiệt độ nóng chảy urani dioxit (nghĩa
là, không cao hơn 27000C);
3) áp suất khí bên trong vỏ bọc thanh nhiên liệu ở cuối thời hạn hoạt động của vùng
hoạt nhỏ hơn áp suất định mức bên ngoài;
4) các ứng suất trong vỏ bọc nhỏ hơn giới hạn chảy;
5) biến dạng vỏ bọc dưới 0,7 – 1%;
6) mức hư hại do mỏi, tích luỹ theo chu kỳ, nhỏ hơn 80% giá trị thiết kế.
Sự phá huỷ rào cản, sự hư hại các thanh nhiên liệu được xác định như là sự nóng chảy
(một phần hoặc toàn bộ), việc vỡ hoặc hở vỏ bọc thanh nhiên liệu lúc đầu không có
khuyết tật quá các giới hạn đã định, vốn diễn ra, ví dụ do sự kết hợp bất lợi của mật độ
toả năng lượng và các điều kiện làm nguội.
2.3. HỆ THỐNG VÒNG SƠ CẤP – RÀO CẢN AN TOÀN THỨ HAI
Những khái niệm chung
Vỏ lò phản ứng, các kết cấu dạng vỏ khác của vòng sơ cấp và các đường ống là rào cản
thứ hai trên đường lan truyền các sản phẩm phân hạch. Hệ thống vòng sơ cấp tạo ra ranh
giới, mà trong giới hạn của nó có chứa chất tải nhiệt ở nhiệt độ và áp suất làm việc, và
giúp giữ các sản phẩm phóng xạ phân hạch thoát ra từ các thanh nhiên liệu, hạn chế
lượng phát tán không kiểm soát được.
Chức năng của vòng sơ cấp là dẫn thoát nhiệt được sinh ra trong vùng hoạt trong thời
gian làm việc bình thường. Ngoài ra, hệ thống vòng sơ cấp còn thực hiện nhiệm vụ như
23

một phần của hệ thống dẫn thoát nhiệt dư sau khi dừng lò phản ứng và như một phần của
hệ thống làm nguội khẩn cấp cho vùng hoạt trong thời gian sự cố mất chất tải nhiệt.
Vỏ lò phản ứng cần bảo đảm kín trong suốt thời gian vận hành (trên 30 năm). Cho nên
đối với vật liệu vỏ lò, các yêu cầu về độ bền phóng xạ và chống ăn mòn cao và độ bền lâu
dài trong các điều kiện của tất cả các tác động khi vận hành (áp suất, nhiệt độ, thông
lượng nơtron, biến động nhiệt,...) được đặt ra.
Tất cả thiết bị và các đường ống của vòng sơ cấp cần chịu được, mà không bị hư hại, các
tải trọng động và tĩnh, các tác động nhiệt độ, xuất hiện trong các bộ phận bất kỳ nào đó,
có tính đến tác động của các hệ thống bảo vệ khi có tỏa năng lượng không định trước. Ví
dụ, phân tích các hậu quả của quá trình khẩn cấp do đưa độ phản ứng dương vào khi hỏng
bộ phận có độ hiệu dụng cực đại tác động lên độ phản ứng, hậu quả của việc xả chất tải
nhiệt “lạnh” vào vùng hoạt, cũng như các biến cố khởi nguồn dẫn đến sai phạm dẫn thoát
nhiệt từ vòng sơ cấp.
Yêu cầu đối với các hệ thống vòng sơ cấp
Sơ đồ vòng sơ cấp phải bảo đảm chắc chắn để tuần hoàn tự nhiên (ЕЦ) bảo đảm dẫn
thoát nhiệt dư và ngăn ngừa tăng quá các giới hạn nhiệt độ của các thanh nhiên liệu, các
giới hạn nhiệt độ và áp suất trong hệ thống vòng sơ cấp. Các máy bơm tuần hoàn chính
(ГЦН) phải có đủ quán tính, sao cho lưu lượng dư đủ để không làm hư hại các thanh
nhiên liệu. Các yêu cầu đó đặc biệt quan trọng trong trường hợp có sự cố mất điện. Để
bảo đảm khả năng làm việc lâu dài của vòng sơ cấp và ngăn ngừa các tác động ăn mòn,
cơ học và nhiệt độ không được phép lên các kết cấu và thiết bị, thì chế độ hoá học của
nước, áp suất và nhiệt độ chất tải nhiệt trong vòng sơ cấp, tốc độ chất tải nhiệt và đặc tính
dòng chảy cần luôn luôn nằm trong các giới hạn nghiêm ngặt.
Việc khởi động các hệ thống bảo vệ không được dẫn đến hư hại thiết bị và các hệ thống
vòng sơ cấp. Khi thiết kế, phải có luận chứng để xác định số lần được phép khởi động các
hệ thống bảo vệ an toàn trong suốt thời gian hoạt động của AC (trong đó có cả các lần
khởi động giả) theo quan điểm tác động lên tuổi thọ của thiết bị, và xác định phần đóng
góp của chúng vào việc làm hư hại thiết bị.
Các hệ thống vòng sơ cấp cần có các cơ cấu đặc biệt và có các dụng cụ, thiết bị để kiểm

tra, thử nghiệm và theo dõi độ bền và độ nguyên vẹn của chúng trong suốt thời hạn vận
hành ЯЭУ, cũng như để kiểm soát các vật liệu vỏ lò và tình trạng các mối hàn. Cần tính
trước đến các phương tiện theo dõi và đo mức độ rò rỉ các sản phẩm phóng xạ từ vòng sơ
cấp.

24


Phá huỷ ròn
Cần tính đến khả năng hiện hữu về nguyên tắc của hiện tượng phá huỷ ròn, dẫn đến hỏng
hoàn toàn vỏ lò phản ứng khi có các ứng suất tác động ở mức tương đối thấp, thường nhỏ
hơn các giá trị cho phép được chọn theo các tiêu chuẩn về độ bền. Điểm khác biệt của nó
là sự xuất hiện mầm mống phá huỷ khi có biến dạng nhỏ và nhanh chóng lan truyền vết
nứt.
Thông thường, việc phá huỷ có tính thảm họa tương tự diễn ra khi nhiệt độ xuống thấp,
do vậy, nhiệt độ có ý nghĩa quan trọng là nhiệt độ chuyển kim loại vào trạng thái ròn ( Tk
– nhiệt độ hoá ròn tới hạn hoặc ngưỡng ròn nguội), vốn được hiểu là nhiệt độ cao nhất
làm lan truyền vết nứt khi không có biến dạng dẻo. Trong mọi trường hợp, khả năng
chống phá huỷ ròn của loại thép bất kỳ nào đó càng cao, khi nhiệt độ dẫn (T – Tk) càng
cao, hoặc khi Tk – nhiệt độ hoá ròn tới hạn, càng thấp. Liên quan đến những thay đổi tính
chất vật liệu vỏ lò phản ứng hạt nhân trong suốt thời hạn hoạt động của nó, là những tính
toán mức độ dịch chuyển nhiệt độ tới hạn ròn do các tác động khác nhau trong quá trình
vận hành. Ví dụ, Tk được tính theo công thức
Tk = Tk 0 + ∆TT + ∆TN + ∆TF ,

ở đây, Tk0 – nhiệt độ hoá ròn tới hạn của vật liệu trong trạng thái ban đầu; ΔTT – mức dịch
chuyển nhiệt độ tới hạn ròn do hoá già theo nhiệt độ; ΔTN – mức dịch chuyển nhiệt độ tới
hạn ròn do hư hại có chu kỳ; ΔTF – mức dịch chuyển nhiệt độ tới hạn ròn do ảnh hưởng
của chiếu xạ nơtron.
Giá trị ΔTT được xác định trên cơ sở các số liệu thực nghiệm và thường nằm trong khoảng

0 – 300C:
m

∆TN = 20∑
i =1

Ni
;
Ni

∆TF = AF (

F 1/3
) .
F0

ở đây, Ni – số chu kỳ chịu tải ở chế độ vận hành thứ i; [Ni ] – số chu kỳ chịu tải được
phép ở chế độ vận hành thứ i; m – số các chế độ; AF – hệ số hoá ròn do phóng xạ, 0C; F –
thông lượng nơtron với E ≥ 0,5 MeV, nơtron/m2; 1022 ≤ F ≤ 3.1024; F0 = 1022 nơtron/m2.
Nhiệt độ tới hạn ròn càng cao khi độ hư hại (Ni/[Ni ]) của vật liệu và dòng nơtron (F)
càng lớn.
Biết được nhiệt độ dẫn (T – Tk) là cần thiết để tính toán sức bền phá huỷ ròn của thiết bị
và các đường ống ЯЭУ khi thiết kế theo các tiêu chuẩn hiện hành về độ bền. Trong khi

25