Mô tả và so sánh một số công nghệ lò phản ứng hạt nhân đang phát triển ở Nhật Bản (ATMEA, MPWR+, AP1000, ABWR)

Báo cáo: Mô tả và so sánh một số công nghệ lò phản ứng hạt nhân
đang phát triển ở Nhật Bản (ATMEA, MPWR+, AP1000,
ABWR).
***
Sản phẩm Hợp đồng thuê khoán chuyên môn số 01/HĐ NV 2014,
Người thực hiện: Phạm Tuấn Nam, Trung tâm An toàn Hạt nhân, Viện khoa học
và Kỹ thuật Hạt nhân.

MỤC LỤC
BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT .................................................. 3
1. Mở đầu ............................................................................................................... 4
(1). Lò phản ứng PWR của Areva ...................................................................... 5
(2). BWR của Areva Kerena .............................................................................. 6
(3). Atmea của Liên doanh Areva - Mitsubishi .................................................. 7
(4). VVER-1200 của Atomstroyexport .............................................................. 8
(5). Thiết kế CPR-1000 của CNGPC ................................................................. 9
(6). Thiết kế ESBWR của GE-Hitachi. ............................................................ 10
(7). Thiết kế APR-1400 của KEPCO ............................................................... 11
(8). Thiết kế APWR của Mitsubishi ................................................................. 12
(9). Thiết kế CANDU cải tiến của SNC Lavalin (ACR-1000) ........................ 12
(10). Thiết kế AP-1000 của Liên doanh Toshiba-Westinghouse ..................... 13
2. Công nghệ lò phản ứng AP1000...................................................................... 15
2.1 Khái quát công nghệ AP1000 ..................................................................... 15
2.1.1 Thùng lò phản ứng và các thành phần bên trong ............................... 15
2.1.2 Bình sinh hơi....................................................................................... 18
2.1.3 Bơm tải nhiệt ...................................................................................... 18
2.1.4 . Cấu tạo, chức năng của bình điều áp ................................................ 19
2.2 Đặc trưng an toàn của công nghệ AP1000 ................................................. 22
2.1.1. Hệ thống xử lý sự cố nặng trong thiết kế AP1000 ............................ 22
2.1.2. Hệ thống giam giữ chất nóng chảy bên trong thùng lò (IVR)........... 24
1

2.1.3. Chiến lược giảm thiểu SA của AP1000: ........................................... 25
2.1.4. Vấn đề cháy hydro ............................................................................. 28
2.1.5. Hệ thống làm mát boongke nhà lò thụ động ..................................... 28
2.1.6. IVR cho quản lý sự cố nặng .............................................................. 29
2.3 Kết luận....................................................................................................... 30
3. Một số công nghệ PWR khác .......................................................................... 30
3.1 APR1400 .................................................................................................... 31
3.2 APWR ......................................................................................................... 33
3.3 EPR ............................................................................................................. 35
3.4 VVER-1000 ................................................................................................ 38
4. Kết luận ............................................................................................................ 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 44

2


BẢNG CÁC THUẬT NGỮ VÀ TỪ VIẾT TẮT

APWR
cải tiến

Lò nước áp lực

Advanced Pressurized Water Reactor

CCFL
ngược

Counter Current Flow Limit

Giới hạn dòng chảy

CFD
toán

Computational Fluid Dynamics

Động lực học chất lưu tính

CHF

Critical Heat Flux

Thông lượng nhiệt tới hạn

DNB

Departure from Nucleate Boiling

Dời khỏi độ sôi nhân

DNBR

Departure from Nucleate Boiling Ratio Tỷ số dời khỏi độ sôi nhân

DFFB

Dispersed film flow boiling

Dòng sôi màng phân

tán
IAFB

Inverted annular film boiling

Sôi màng hình khuyên lên trên

LOCA

Loss of Coolant Accident

Tai nạn mất chất tải nhiệt

LSTF

Large Scale Test Facility

Thiết bị thử nghiệm cỡ lớn

PZR

Pressurizer

Bình điều áp

RPV

Reactor Pressure Vessel

Thùng lò chịu áp lực

3


1. Mở đầu
Những thiết kế phổ biến trên thế giới hiện nay:
1. Lò phản ứng EPR của Areva
2. BWR của Areva Kerena
3. Atmea của liên doanh Areva – Mitsubishi
4. VVER-1200 của Atomstroyexport
5. CPR-1000 của CNGPC
6. ESBWER của liên doanh GE-Hitachi
7. APR-1400 của KEPCO
8. APWR của Mitsubishi
9. CANDU của SNC Lavalin
10.AP-1000 của liên doanh Toshiba-Westinghouse
Những thiết kế gốc hiện có 7 thiết kế: EPR, VVER-1200, APR-1400, AP-1000,
APWR, Atmea và CPR-1000, chúng được cải tiến từ lò phản ứng loại nước áp
lực PWR. VVER là ký tự viết tắt tương tự PWR. Thiết kế VVER tương tự như
PWR nhưng sử dụng các bình sinh hơi nằm ngang.
Lò phản ứng SNC Lavanlin là thiết kế sử dụng nước nặng là chất làm chậm đặt
trong các ống chịu áp, nhiên liệu được đặt trong các kênh nằm ngang, vòng sơ
cấp gồm có 1 phần bình sinh hơi, bình điều áp và bơm tuần hoàn chính.
ESBWR của GE-Hitachi là phiên bản mới nhất của lò phản ứng nước sôi
(BWR). Thiết kế này khác biệt với tất cả với các thiết kế lò phản ứng khác ở
chỗ: hơi được tạo thành trong RPV rồi được đưa đến tuốc-bin, do đó tuốc-bin
làm việc trong môi trường hơi bị nghiễm xạ.

PWR, CANDU và BWR là những thiết kế cải tiến được sử dụng trên thế giới.
Những phiên bản được đưa ra ở đây là những mẫu hiện đại nhất đang được chào
hàng bởi các nhà cung cấp công nghệ.

4


Tình trạng lò phản ứng BWR của Areva Kerena không rõ ràng ở thời điểm hiện
tại, do Siemens rút khỏi dự án xây dựng nhà máy sau sự cố Fukushima.
Những nhà máy hạt nhân hiện đại đều có thời gian làm việc từ 50 đến 60 năm.
Thời gian xây dựng các nhà máy điện hạt nhân sử dụng các thiết kế nêu trên
nằm trong khoảng từ 42 đến 60 tháng. Tất cả các thiết kế, trừ CPR-1000 đều
được xếp vào thế hệ III+, theo phía cung cấp công nghệ, những cải tiến quan
trọng liên quan đến an toàn và hiệu quả kinh tế đã được chứng nhận bởi cơ quan
năng lượng nguyên tử quốc tế US NRC vào những năm 1990.
(1). Lò phản ứng PWR của Areva

Hình 1.1 – Lò phản ứng nước áp lực tiêu chuẩn Châu Âu (EPR) của Areva
Phát triển dựa trên Công ty N-4 của Pháp và Konvoi của Đức
- Công suất điện: 1600 MWe
- Các hệ thống an toàn tiên tiến
- EPR đầu tiên đã gần được hoàn thiện ở Phần Lan
- EPR đang trong quá trình xây dựng ở Pháp và Trung Quốc

Một số nhà máy sử dụng lò EPR được lên kế hoạch xây dựng ở Pháp và UK

5


Thiết kế này rất có triển vọng ở UK. Hiện tại đang được đánh giá bởi Cơ quan

đánh giá công nghệ của UK, các hệ thống điều khiển và đo đạc được điều chỉnh
theo yêu cầu của UK và Phần Lan. Công ty điện lực Pháp và Areva đã lập kế
hoạch xây dựng 4 tổ máy loại này ở UK. Liên doanh Horizon Power (liên doanh
giữa Germany’s E.On và RWE) cũng đang xem xét thiết kế này.
(2). BWR của Areva Kerena

Hình 1.2 – Bố trí lò phản ứng BWR của Areva Kerena
- Công suất điện: 1250 MWe
- Phát triển từ nhà máy Gundremmingen BWR ở Đức
- Có các đặc trưng an toàn cải tiến
- Thiết kế vận hành theo tải

Tình trạng hiện tại của thiết kế này không rõ ràng do Siemen rút khỏi dự án này.

6


(3). Atmea của Liên doanh Areva - Mitsubishi

Hình 1.3 – Bố trí lò phản ứng Atmea của Areva và Mitsubishi
- Công suất điện: 1100 MWe, 3 nhánh
- Phát triển từ thiết kế 900 MWe của nhà máy Framatome-EdF
- Có các đặc trưng an toàn của thế hệ III+
- Thiết kế vận hành theo tải
- Thiết kế cỡ nhỏ hơn đối với những quốc gia có lưới điện nhỏ

Vẫn chưa được chào hàng cho đến tháng 01 năm 2012.

7

(4). VVER-1200 của Atomstroyexport

Hình 1.4 – Bố trí lò phản ứng VVER-1200 của Atomstroyexport
- Công suất điện: 1200 MWe
- Có các đặc trưng an toàn thụ động;
- Các thiết kế này đã được lên kế hoạch xây dựng ở Nga, Trung Quốc và

Thổ Nhĩ Kỳ. Ở thời điểm hiện tại, có tối thiểu 12 tổ lò đang được xây
dựng ở Nga.
- Phát triển dựa trên các thiết kế VVER-1000;
- Thiết kế gồm có 4 nhánh, và các bình sinh hơi nằm ngang;

Các đặc trưng an toàn cải tiến đảm bảo an toàn cho nhà mày 72 giờ trong trường
hợp mất điện.

8


(5). Thiết kế CPR-1000 của CNGPC

Hình 1.5 – Bố trí lò phản ứng CPR-1000 của CNGPC
Trung Quốc xây dựng thiết kế này từ thiết kế 3 nhánh 900 MWe của Pháp (nhà
máy Gravelines là nhà máy tham chiếu được sử dụng)
Tối thiểu đang có 20 nhà máy đang hoặc sẽ được xây dựng;
Trung Quốc lên kế hoạch có 100 tổ lò vận hành vào năm 2030, trong đó hầu hết
là các tổ lò loại CPR-1000;
Đây là thiết kế thế hệ II, các tác giả người Trung Quốc nó rằng họ đang xem xét,
đánh giá khả năng chống chịu của loại lò phản ứng này với các sự kiện tác động
từ bên ngoài và khi mất điện, sau khi Fukushima xảy ra.

9


(6). Thiết kế ESBWR của GE-Hitachi.

Hình 1.6 – Bố trí lò ESBWR của GE-Hitachi
- Có thiết kế BWR có kinh tế và đơn giản hóa
- Công suất điện: 1600 MWe;
- Có các đặc trưng an toàn thụ động;
- Xây dựng theo các khối (mô-đun).

Thiết kế ABWR đầu tiên vận hành thương mại ở Kashiwazaki-Kariwa ở Nhật
Bản vào năm 1996. Phiên bản mới nhất của đi vào hoạt động ở Nhật Bản và
Điền Loan (Trung Quốc). Thiết kế này đã được đệ trình lên Cơ quan Đánh giá
Thiết Kế UK nhưng GE đã rút lại vì một vài vấn đề trong thiết kế chưa được
hoàn hảo.

10


(7). Thiết kế APR-1400 của KEPCO

Hình 1.7 – Bố tró lò phản ứng APR-1400 của KEPCO
- Công suất 1400 MWe, loại PWR;
- Phát triển dựa trên hệ thống 80+ của Westinghouse/CE ở Palo Verde, Mỹ;
- 4 lò phản ứng APR-1400 đang được xây dựng ở Hàn Quốc, tổ lò đầu tiên

đi vào vận hành vào năm 2013. Nhà máy Shin-Kori, Hàn Quốc giữ vai trò
là “nhà máy tham chiếu” cho chương trình điện hạt nhân của UAE;

KEPCO đã thắng thầu 4 tổ lò APR-1400 ở Các tiểu vương quốc Ả-Rập. Nhà máy
điện hạt nhân đầu tiên của UAE là tổ lò thứ 15 sử dụng dụng lò phản ứng APR1400 trên thế giới.
Thiết kế của KEPCO không đệ trình lên Cơ quan Đánh giá Thiết kế UK.

11


(8). Thiết kế APWR của Mitsubishi

Hình 1.8 – Bố trí lò APWR của Mitsubishi
- Công suất 1700 MWe, thiết kế 4 nhánh
- Thiết kế xếp vào loại thế hệ III.

2 tổ lò được lên kế hoạch xây dựng ở Tsuruga, Nhật Bản, nhưng đã bị hủy bỏ sau
sự cố Fukushima. Thiết kế này đang trong quá trình xin cấp phép xây dựng của
Cơ quan pháp quy US, tại Comanche Peak, Taxas và North Anna, Virginia.
Misubishi được chọn làm đối tác của Iberdrola để xây dựng APWR ở Châu Âu.
(9). Thiết kế CANDU cải tiến của SNC Lavalin (ACR-1000)

Hình 1.9 - Bố tró lò phản ứng CANDU (ACR-1000)
12


- Công suất điện: 1200 MWe;
- Vùng hoạt chứa các kênh nhiên liệu nằm ngang
- Chất làm chậm là nước nặng
- Thay đảo nhiên liệu khi lò đang vận hành

Những điều chỉnh so với thiết kế CANDU cũ:
- Thiết kế vùng hoạt:đặc”;

- Nhiên liệu được làm giàu
- Cải thiện khả năng làm việc ổn định
- Tăng công suất lối ra
- Làm mát bằng nước nhẹ
- Giảm thiểu lượng nước nặng sử dụng

Nhưng thiết kế này vẫn chưa được xây dựng trên thực tế.
(10). Thiết kế AP-1000 của Liên doanh Toshiba-Westinghouse

Hình 1.10 – Bố trí lò AP-1000 của Toshiba-Westinghouse
13


- Công suất điện: 1100 MWe, loại PWR
- Có các hệ thống an toàn thụ động
- Xây dựng theo mô-đun

Một khía cạnh mới là sử dụng các van “mồi” nổ để kích hoạt hoạt động làm mát
thụ động khi xảy ra sự cố trong vòng sơ cấp. Việc vận hành vào bảo dưỡng các
an này là một vấn đề quan trọng liên quan đến an toàn của thiết kế. Có tối thiểu
4 tổ lò loại này đang được xây dựng ở Trung Quốc. Thiết kế này cũng đang
được xem xét bởi Cơ quan Đánh giá thiết kế UK. Horizon Power (RWE/E.On)
đang xem xét để lựa chọn giữa AP-1000 và EPR của Areva.

14


2. Công nghệ lò phản ứng AP1000
2.1 Khái quát công nghệ AP1000
Như đã trình bày ở trên, công nghệ AP1000 có nguồn gốc của WH, sau đó

được cải tiến bởi Liên doanh Toshiba-Westinghouse, là 1 trong 4 loại công nghệ
mà Nhật Bản đề xuất sử dụng cho dự án Ninh Thuận 2.
2.1.1 Thùng lò phản ứng và các thành phần bên trong
Thùng lò phản ứng là một thùng hình trụ với một khoang phía dưới đáy
hình cầu và một khoang hình cầu trên đỉnh có thể di chuyển được. Đầu trên có
thể di chuyển được để cho phép việc thay đảo nhiên liệu của lò phản ứng. Bên
trong thùng lò là giếng lò hình trụ để bố trí vùng hoạt và tổ chức dòng chuyển
động của chất tải nhiệt. Thùng lò chịu áp suất lớn và chịu bức xạ cao nên được
chế tạo rất phức tạp. Mặt trong của vỏ thùng lò tiếp xúc với nước được phủ một
lớp thép không gỉ để chống ăn mòn và quá trình giòn vỏ thùng lò do tương tác
của hydro và vật liệu làm vỏ thùng lò ở điều kiện chiếu xạ mạnh. Vỏ thùng lò
được làm từ các loại thép hợp kim có pha các chất như Mg và Mo (với các lò
phương Tây) hay Cr, Ni, Mo (với các lò của Nga) có độ bền cao, chịu phóng xạ
tốt. Lò AP1000 thường có áp suất lớn 12 – 17 Mpa nên vỏ thùng lò thường có
kích thước lớn và dày, đường kính 4 – 5m, chiều cao 10 – 13m, độ dày 200 –
300mm, khối lượng 200 – 400 tấn. Thùng lò được thiết kế để làm việc trong một
thời gian dài từ 40 đến 60 năm. Dòng chảy của chất tải nhiệt qua thùng lò phản
ứng sẽ là:
- Chất tải nhiệt đi vào thùng lò phản ứng ở đầu vào và đập vào vách ngăn

vùng hoạt.
- Vách ngăn vùng hoạt ép nước đi xuống trong không gian giữa thành của

thùng lò phản ứng và vách ngăn vùng hoạt.
- Sau khi đi đến đáy của thùng lò phản ứng, dòng chảy sẽ quay lại theo

hướng đi lên để qua các bó nhiên liệu.
- Chất tải nhiệt chảy xung quanh và chảy qua tất cả các bó nhiên liệu thực

hiện việc tải nhiệt được sinh ra từ phản ứng phân hạch.

15


- Lúc này nước nóng đi lên các miền bên trong ở phía trên, ở đó nó đi ra

ngoài ở đầu ra và đi tới bình sinh hơi.
Các thành phần chính bên trong vùng hoạt:
*) Nhiên liệu
Nhiên liệu sử dụng chính trong lò phản ứng hạt nhân là oxit uranium
(UO2), đặc biệt là hỗn hợp UO2 và PuO2 gọi là nhiên liệu oxit hỗn hợp (MOX).
Hệ số dẫn nhiệt của dioxit uranium là thấp khi so sánh với uranium, nitri
uranium, cácbua uranium và Zirconium. Dioxit uranium (UO2) là một nhiên liệu
chuẩn của nhà máy điện hạt nhân hiện nay. Đặc điểm chính trong việc sử dụng
UO2 làm nhiên liệu là điểm nóng chảy của viên nhiên liệu cao, bền với chiếu xạ
và tính chất hóa học của nó tích hợp với nhiều thành phần khác của lò phản ứng.
Bất lợi chính là hệ số dẫn nhiệt và mật độ nhiên liệu thấp, dẫn đến nhiệt độ tại
vùng trung tâm nhiên liệu cao. Hệ số dẫn nhiệt của UO2 thấp dẫn đến độ chênh
lệch nhiệt độ lớn làm mất ổn định khi truyền nhiệt độ từ nhiên liệu.
Các viên nhiên liệu được sắp xếp trong vỏ thanh nhiên liệu. Vỏ thanh
nhiên liệu được làm bằng vật liệu Zircaloy, với đường kính ống khoảng 1cm và
khoảng trống giữa lớp vỏ nhiên liệu và nhiên liệu được lấp đầy bởi khí helium.
Lớp vỏ của thanh nhiên liệu có tác dụng ngăn ngừa sự thoát các sản phẩm phân
hạch ra chất tải nhiệt và định dạng cho viên nhiên liệu. Vật liệu zircaloy có tiết
diện hấp thụ notron thấp và có nhiều tính chất hóa học tốt, phổ biến nhất là
zircaloy – 2 và zircaloy - 4. Khoảng trống giữa nhiên liệu và lớp vỏ được lấp
đầy bởi khí helium để làm tăng khả năng dẫn nhiệt giữa nhiên liệu và lớp vỏ.
Trong vùng hoạt có khoảng 179 tới 264 thanh nhiên liệu trong một bó
nhiên liệu và có khoảng 121 tới 193 bó nhiên liệu được đặt trong vùng hoạt của
lò phản ứng AP1000 tùy theo công suất thiết kế. Bó nhiên liệu bao gồm các

thanh nhiên liệu được xếp theo mảng từ 14  14 tới 17  17 và có độ dài khoảng
4m. Viên nhiên liệu oxit uranium được làm khô trước khi đưa vào ống nhiên liệu
để tránh được độ ẩm của viên nhiên liệu có thể ăn mòn và hydro hóa thanh nhiên
liệu. Ống Zircaloy được nén áp lực với khí helium giúp cho sự tương tác giữa
nhiên liệu và lớp vỏ là nhỏ nhất, áp suất khoảng 3at (300kPa).

16


Các thanh nhiên liệu được liên kết với nhau bởi các lưới định vị tạo thành
bó nhiên liệu. Kiểu thiết kế lưới giằng là khác nhau đối với mỗi loại lò với khác
nhau đối với mỗi quốc gia thiết kế lò phản ứng. Vật liệu chế tạo lưới giằng là
Zircaloy hoặc inconel (vật liệu làm lưới giằng ở phía dưới cùng là inconel).

Lò phản ứng Bó nhiên liệu Thanh nhiên liệu Viên nhiên liệu
Hình 1.4: Thành phần nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân.

Hình 1.5: Một kiểu lưới định vị sử dụng trong lò AP1000.

*) Thanh điều khiển
Thanh điều khiển là các ống trụ được chèn vào vị trí của hai hoặc bốn
thanh nhiên liệu. Trong lò được bố trí các ống dẫn để thanh điều khiển có thể
17


chèn vào và được sắp xếp đều trong vùng hoạt. Trong lò AP1000 có khoảng 73
ống dẫn thanh điều khiển. Các thanh điều khiển có tác dụng làm thay đổi công
suất của lò phản ứng bằng cách điều chỉnh thông lượng notron trong lò. Vì vậy,
thanh điều khiển được làm bằng vật liệu có tiết diện bắt giữ notron cao như là:
Bạc (Ag), indium (In), cadmium (Cd). Các phần tử khác có thể được sử dụng

như boron (B), Cobalt (Co)… Hoặc các hợp kim giữa chúng như là thép và
boron, bạc- indium-cadmium. Thanh điều khiển thường có dạng ống thép không
gỉ, chứa bên trong là viên hoặc bột hấp thụ notron.
2.1.2 Bình sinh hơi
Dòng chảy chất tải nhiệt đi từ lò phản ứng tới bình sinh hơi. Bên trong
bình sinh hơi, dòng nước nóng đi trong các ống U-tube. Chất làm nguội ở vòng
thứ cấp, hay là nước cấp, chảy vòng quanh phía bên ngoài của các ống U-tube
đó, ở đây diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa nước vòng một và vòng hai. Khi nước
vòng hai hấp thụ đủ nhiệt thì nước vòng hai bắt đầu sôi và hoá hơi.
Hỗn hợp hơi-nước đi qua một tầng tách ẩm ở phía trên bình sinh hơi. Tại
tầng tách ẩm này, nước được tách ra khỏi hỗn hợp và quay trở lại tiếp tục hoá
hơi. Hơi được sấy khô và được truyền tới tầng thứ hai của bộ tách hơi. Trong
tầng này, hơi được gia tốc và thoát ra khỏi bình sinh hơi.
2.1.3 Bơm tải nhiệt
Mục đích của bơm tải nhiệt là tạo dòng chảy cưỡng bức để tải lượng nhiệt
được sinh ra trong quá trình phân hạch trong vùng hoạt lò phản ứng. Thậm trí
khi không có bơm thì có hiện tượng đối lưu tự nhiên xảy ra trong vùng hoạt làm
chức năng tải nhiệt. Tuy nhiên, dòng chảy đối lưu này không đủ khả năng tải đủ
lượng nhiệt được sinh ra với lò phản ứng công suất. Dòng đối lưu tự nhiên đủ
khả năng tải nhiệt khi nhà máy dập lò.
Dòng nước đi ra từ bình sinh hơi tới sẽ được bơm hút. Nước đi qua máy
bơm được tăng tốc và vận tốc này được biến đổi thành áp suất khi dòng nước đi
qua bộ truyền xoắn ốc trong máy bơm. Tại bộ truyền xoắn ốc này, áp suất của
chất tải nhiệt ở đây cao hơn áp suất tại lối vào vùng hoạt.

18


Sau khi nước đi qua bơm, nó sẽ đi tới các chân nguội (lối vào) của vùng
hoạt và đi vào bên trong thùng lò.

2.1.4 . Cấu tạo, chức năng của bình điều áp
Nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) với công nghệ lò AP1000 có hai vòng
lưu thông tuần hoàn riêng biệt. Vòng tuần hoàn sơ cấp là hệ thống tải nhiệt của
lò phản ứng (RCS), vòng tuần hoàn thứ cấp sẽ lấy nhiệt từ vòng tuần hoàn sơ
cấp thông qua sự trao đổi nhiệt tại các bình sinh hơi, hơi được sinh ra và đưa tới
tuabin phát điện, sau đó hơi được làm ngưng tụ và quay trở lại bình sinh hơi và
tiếp tục nhận nhiệt từ hệ thống sơ cấp. Các thành phần chính trong hệ thống
RCS là vùng hoạt, bình sinh hơi, bơm tải nhiệt, bình điều áp (hình 1.1). Tuỳ
thuộc vào từng công nghệ lò phản ứng mà hệ thống RCS có 2 nhánh sơ cấp
(loop), 3 nhánh sơ cấp hoặc 4 nhánh sơ cấp và số lượng bình sinh hơi có thể là
2, 3 hoặc 4 bình sinh hơi.
Bình điều áp sử dụng trong lò phản ứng nước áp lực (AP1000) với mục
đích điều khiển áp suất của vòng sơ cấp. Một bình điều áp gồm có một thùng
chịu áp hình trụ bằng thép dựng thẳng đứng được đỡ ở dưới đáy, chứa nước ở
phần không gian phía dưới và chứa hơi ở phần không gian phía trên. Trong điều
kiện vận hành bình thường, áp suất và nhiệt độ trong bình điều áp tương ứng
khoảng 2250 psia (15.5 MPa ) và 580 F (304 C). Áp suất cao là cần thiết để
ngăn chặn sự sôi chất tải nhiệt trong vòng lưu thông tuần hoàn ở trạng thái nhiệt
độ tương ứng như vậy. Bình điều áp thực hiện chức năng này bằng cách duy trì
điều kiện bão hoà bên trong bình điều áp. Để bù lại cho sự thay đổi áp suất và
nhiệt độ trong suốt quá trình biến đổi của chất tải nhiệt (nóng lên và lạnh đi)
bình điều áp đã được trang bị bộ gia nhiệt trong trường hợp áp suất trong bình
điều áp giảm. Các van phun nước vào và các van an toàn để xả hơi ra khỏi bình
điều áp trong trường hợp quá áp xảy ra.
Mô hình một bình điều áp đơn giản được mô tả trong hình 1.2 có những
đặc điểm cần chú ý như sau:
 Có 3 miền: Thể tích của thùng chịu áp được chia làm 3 miền theo điều
kiện pha và mức năng lượng. Miền 1 là miền hơi và khí không ngưng tụ.

19

Miền 2 là miền chất lỏng bão hoà chứa các bọt khí. Miền 3 là phần nước
đi vào từ đường dâng được nối với một nhánh nóng của hệ thống RCS.
 Cả 3 miền ở điều kiện không cân bằng.
 Chú ý tới mức nước thực tế và mức nước bị xẹp lại.
 Chú ý tới các hiện tượng thuỷ nhiệt, nhiệt động và vật lý bao gồm sự
ngưng tụ trên thành của thùng chịu áp, sự sôi, sự truyền nhiệt lượng và
khối lượng giữa các pha, tốc độ truyền nhiệt giữa chất lưu và thành của
thùng chịu áp, ảnh hưởng của khí không ngưng tụ và ảnh hưởng của
boron, sự sinh ra bọt khí và mô hình phun nước, hỗn hợp nước nóng và
lạnh.



 Hình 1.1: Hệ thống tải nhiệt sơ cấp của lò phản ứng AP1000
(Westinghous)
Bộ gia nhiệt chạy bằng điện được đặt ở dưới đáy bình bao gồm nhiều bộ đốt
nhiệt. Bình điều áp có sẵn các cửa cho nước vào, nước ra và nơi đặt các thiết bị
an toàn để đo mức nước hay áp suất bên trong của bình điều áp. Đường dẫn

20


nước vào bình điều áp được gọi là đường dâng (Surge Line) được nối với một
chân nóng của hệ thống RCS. Các van phun (spray vale) nối với đường dẫn
nước để phun vào được nối với chân lạnh của hệ thống RCS. Lối ra của các van
an toàn được dẫn tới một bể triệt áp. Hình 1.1 là sơ đồ hệ thống RCS của lò phản
ứng AP1000, nó mô tả vị trí của bình điều áp trong hệ thống RCS. Hình 1.3 là
cấu trúc bên trong của một bình điều áp.

Hình 1.2: Sơ đồ bình điều áp đơn giản
Với chức năng là điều khiển áp suất trong hệ thống RCS, bình điều áp có thể
điều chỉnh áp suất khi áp suất hệ thống RCS giảm và xả bớt áp suất khi áp suất
hệ thống RCS tăng. Chức năng duy trì áp suất trong hệ thống RCS với giới hạn
vận hành cho phép của bình điều áp sẽ được tìm hiểu kỹ hơn trong phần nguyên
lý hoạt động.
Vị trí của bình điều áp được minh họa trong hình 1.1. Hình 1.1 là sơ đồ của hệ
thống RCS. Hệ thống RCS bao gồm các thành phần: vùng hoạt lò phản ứng, các
bơm tải nhiệt (1 bơm tải nhiệt / 1 nhánh), bình sinh hơi (1 bình sinh hơi / 1
nhánh hoặc 1 bình sinh hơi / 2 nhánh), bình điều áp.

21


Hình 1.3: Cấu trúc bên trong của bình điều áp
(Ghi chú: van an toàn có 2 kiểu van là kiểu safety và relief. Kiểu van safety là
kiểu van mà khi hoạt động thì van sẽ được mở từ từ, diện tích mở của van phụ
thuộc vào áp suất. Kiểu van relief là kiểu van khi áp suất tới điểm đặt thì van sẽ
mở hoàn toàn.)
Ở mỗi kiểu công nghệ thì sơ đồ hệ thống RCS có thể khác nhau nhưng các thành
phần của hệ thống thì đều giống nhau đó là đều gồm có các thành phần chính là:
Thùng lò phản ứng, bình sinh hơi, bơm tải nhiệt, bình điều áp. Tuỳ vào công
suất của nhà máy mà lò phản ứng có thể có hai, ba hay bốn loop.

2.2 Đặc trưng an toàn của công nghệ AP1000
2.1.1. Hệ thống xử lý sự cố nặng trong thiết kế AP1000
Các hệ thống an toàn trong thiết kế AP1000 về cơ bản dựa trên nguyên lý an
toàn thụ động với các hệ thống chủ yếu sau.
22

a) Tải nhiệt dư thụ động: Trao đổi nhiệt bằng phương thức đối lưu tự nhiên kết
nối với hệ thống RCS
b) Tiêm nước an toàn thụ động với:
 2 bình tích áp (Thể tích 57 m3 với 48 m3 nước,P=4,8 MPa và nồng độ
Boron 2600 ppm);
 Đưa nước vào RPV từ 2 bể chứa nước bổ sung (CMTs: 70 m3, 15,5 MPa,
2600 ppm Boron) nhờ trọng lực;
 Bể chứa nước thay đảo nhiên liệu (IWRST) cũng đưa nước vào RPV nhờ
trọng lực;
 Giảm áp tự động trong hệ thống RCS;
c) Làm mát nhà lò thụ động: Sử dụng đối lưu tự nhiên của không khí và sự hóa
hơi của nước
d) Điều hòa không khí và thông hơi thụ động:
 Sử dụng khí nén phục vụ việc nhân viên vận hành trong MCR
 Các tường bê tông dày cho việc hấp thụ nhiệt
e) Trong sự cố SBO, các hệ thống an toàn thụ động tự kích hoạt (theo nguyên lý
fail-safe với việc mất nguồn DC class 1):
 Lò phản ứng được dập (SCRAM)
 Hệ RCS được bổ sung bo từ các bể chứa nước pha bo (CMT)
 Việc làm mát vùng hoạt được thực hiện bởi hệ trao đổi nhiệt dư thụ động
(PRHR HX)
 Việc làm mát nhà lò được thực hiện bởi hệ làm mát nhà lò thụ động
f) Nhà máy có khả năng duy trì việc làm mát lò và nhà lò khoảng 3 ngày (72
giờ) mà không cần can thiệp của nhân viên vận hành.

23

2.1.2. Hệ thống giam giữ chất nóng chảy bên trong thùng lò (IVR)
Mục tiêu của việc giam giữ các chất nóng chảy bên trong thùng lò là nhằm:
 Làm nguội thùng lò từ bên ngoài
 Có các phương pháp tin cậy làm mát vùng hoạt bị hư hỏng
 Ngăn chặn hư hỏng thùng lò
Các thực nghiệm và phân tích IVR của lò AP600/AP1000 được US.NRC
xem xét, đánh giá. Nóng chảy vùng hoạt ở áp suất cao được loại bỏ hoàn toàn
bởi hệ thống giảm áp tự động. Cháy hydro được ngăn chặn bằng việc đốt cháy
hay tái kết hợp thụ động. Tương tác của vùng hoạt nóng chảy với bê tông được
loại bỏ hoàn toàn bởi IVR. IVR là một chiến lược quản lý sự cố nặng một cách
tổng thể được tích hợp trong thiết kế;

Hình 1. Thiế t kế thùng lò AP-1000
IVR là cách tiếp cận trong đó nhân viên vận hành có thể đưa nước tải nhiệt
bằng bất kỳ biện pháp khả dĩ nào càng gần với vùng hoạt càng tốt nhằm tránh
các sự kiện như:
 Vùng hoạt nóng chảy ở áp suất cao – Mất hoàn toàn nguồn điện
24


 Cháy hydro
 Áp suất cao trong nhà lò do nhiệt phân rã trong thời gian dài
 Tương tác của vùng hoạt nóng chảy với bê tông
 Nổ hơi bên ngoài thùng lò
Các sự cố có thể lan ra ngoài nhà lò (SGTR) và ISLOCA (Interfacing
System LOCA). Vấn đề hư hỏng vùng hoạt ở áp suất cao có thể khởi đầu bởi các
sự cố LOCA nhỏ hay không LOCA làm cho nhiệt độ và áp suất hệ RCS tăng
lên, đe doạ tính toàn vẹn của nhà lò, các vấn đề sau là hết sức quan trọng:
 Đối lưu tự nhiên của hơi quá nhiệt
 Tính toàn vẹn của ống U-Tube

 Tính toàn vẹn phạm vi áp lực của hệ RCS
 Chất nóng chảy ở áp suất cao/Đốt nóng trực tiếp nhà lò
 Phun chất nóng chảy ở giới hạn áp suất nhà lò
2.1.3. Chiến lược giảm thiểu SA của AP1000:
Các hệ thống đa dạng/dư để giảm thiểu sự cố nặng - lấy nhiệt phân rã
 Bộ trao đổi nhiệt lấy nhiệt dư thụ động (PRHR)
 Khởi động hệ thống nước cấp khẩn cấp
 Bể chứa nước thay đảo nhiên liệu bên trong nhà lò (IRWST)
AP1000 có một hệ thống con tải nhiệt dư thụ động để khống chế các hiện
tượng chuyển tiếp có thể làm rối loạn sự tải nhiệt thông thường của vòng sơ cấp.
Các hệ con tải nhiệt dư thụ động đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn của US
NRC đối với các hiện tượng mất nước cấp, vỡ đường cấp nước, vỡ đường dẫn
hơi theo tiêu chuẩn hỏng đơn.
Hệ tải nhiệt dư thụ động (PRHR) có một bình trao đổi nhiệt gồm các ống
dạng chữ C được đặt trong bể nước thay đảo nhiên liệu bên trong nhà lò

25