Lò phản ứng công suất nhỏ và triết lý an toàn
TS. Lê Văn Hồng (Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam) đã trao đổi với tạp chí Tia Sáng về những ưu điểm và triển vọng phát triển của loại lò phản ứng công suất nhỏ kiểu module (SMRs) với những đổi mới về thiết kế nhằm đảm bảo sự an toàn trong quá trình vận hành.
TS. Lê Văn Hồng, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam
Các lò phản ứng cải tiến công suất lớn thế hệ 3 + đang được xây dựng và vận hành khá phổ biến trên thế giới. Vậy tại sao lò phản ứng SMRs lại trở thành xu hướng phát triển mới của ngành hạt nhân?
Hiện nay, các nhà máy điện hạt nhân xây mới chủ yếu sử dụng loại công nghệ lò cải tiến dùng nước làm mát công suất lớn (Advanced Large Water Cooled Reactors). Loại lò này thường được kết hợp giữa công nghệ đã được kiểm chúng với những cải tiến đột phá của các hệ thống an toàn. Kết quả đã cho ra đời nhiều công nghệ lò cải tiến công suất lớn thế hệ 3+ với độ an toàn cao và cạnh tranh tốt về mặt kinh tế1. Ví dụ, RosAtom (LB Nga) hiện tại có thể cung cấp các loại lò nước áp lực (PWR) công suất lớn kiểu VVER-1000 AES-92 và VVER-1200 AES-2006. AREVA (Pháp) có công nghệ EPR-1600 hiện đang được xây dựng tại Phần Lan, Pháp và Trung Quốc. Mitsubishi Heavy Industries (MHI-Nhật Bản) có ba loại: JP-APWR, US-APWR, và EU-APWR thiết kế phù hợp với yêu cầu đặc thù của từng nước, dải công suất từ 1538 MWe đến1700 MWe. Toshiba-Westinghouse (Nhật-Mỹ) có AP-1000 với điểm nhấn là an toàn thụ động. ATMEA là công ty liên doanh giữa AREVA (Pháp) và Mitsubishi Heavy Industries (MHI-Nhật Bản) đang giới thiệu với thị trường công nghệ lò ATMEA1 công suất 1100 MWe. Korea Electric Power Company (KEPCO – Hàn Quốc) thiết kế và xây dựng loại APR-1400. Ngoài ra, còn có các loại lò nước sôi cải tiến như ABWR-1400, ESBWR-1500 của Ge-Hitachi (Nhật Bản) và KERENA-1250 của AREVA (Pháp)… cũng đang được đưa ra thị trường.
Song hành với xu hướng phát triển các loại lò công suất lớn là xu hướng phát triển các loại lò công suất nhỏ kiểu module (Small Modular Reactor – SMR) với thiết kế đổi mới (innovative designs). Hiện nay, có 15 nước thành viên của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA đang nghiên cứu phát triển các loại lò công suất nhỏ và trung bình với trên 50 thiết kế khác nhau đang được nghiên cứu phát triển từ thiết kế khái niệm đến thiết kế cơ sở 2,3, 4.
Các loại thiết kế mới này đều tiến tới thỏa mãn các yêu cầu cơ bản của IAEA, đó là: đảm bảo an toàn cao nhất; bảo vệ môi trường cho phát triển bền vững và đảm bảo cạnh tranh kinh tế với các nguồn năng lượng khác 3. Đồng thời, để thuận lợi cho các nước sử dụng, các loại thiết kế mới còn đảm bảo có chu trình sử dụng nhiên liệu kéo dài nhiều năm (2 đến 10 năm) và có thể xây dựng ở nhiều nơi: trên mặt đất (land-based); đặt trên các con tàu (floating e.g. barge-mounted NPPs) hoặc đặt dưới lòng đất (underground reactor models) 4. Những thiết kế đổi mới này có thể được đưa vào thực tiễn trong giai đoạn từ năm 2015 đến năm 2030. Chúng ta có thể kiểm định khoảng thời gian có thể đưa vào khai thác sử dụng của hai loại lò công suất nhỏ kiểu module: loại thay nhiên liệu tại chỗ theo phương pháp truyền thống và loại không thay nhiên nhiên liệu tại chỗ như hình minh họa.
Khoảng thời gian có thể đưa vào khai thác sử dụng của hai loại lò công suất nhỏ kiểu module – SMR 3, 4
Ông mới đề cập đến tính an toàn của SMRs và coi nó đạt tới mức cao hơn nhiều loại lò phản ứng thông thường. Vậy ông có thể giải thích rõ hơn về điều này?
Triết lý an toàn của lò công suất nhỏ kiểu module – SMR là “an toàn bởi thiết kế” (safety by design) với mục tiêu là loại trừ đến mức tối đa có thể các sự kiện khởi phát gây ra sự cố, với phần còn lại sẽ kết hợp một cách hợp lý giữa các hệ thống an toàn chủ động với an toàn thụ động 4,5. Để đạt được mục tiêu này, các nhà thiết kế sử dụng cách tiếp cận thiết kế tích hợp (integral design).
Với thiết kế tích hợp, toàn bộ hệ thống vòng tuần hoàn sơ cấp bao gồm vùng hoạt, thiết bị sinh hơi, thiết bị điều áp và bơm tuần hoàn đều được đặt trong thùng lò phản ứng. Cách tiếp cận này được sử dụng trong thiết kế CAREM-25, SMART, IRIS, Westinghouse SMR, IMR, mPower, NuScale… Độc giả Tia Sáng có thể tham khảo hình ảnh mô tả sơ đồ điển hình của loại lò có thiết kế tích hợp.
Sơ đồ điển hình của loại lò có thiết kế tích hợp 4,5
Thiết kế tích hợp không cần đến hệ thống ống dẫn tuần hoàn chất tải nhiệt, như vậy, khả năng xảy ra sự cố LOCA lớn (do vỡ ống dẫn tuần hoàn) bị loại trừ, đồng thời làm giảm hậu quả của các loại sự cố LOCA khác (nếu xảy ra), từ đó, làm giảm và đơn giản hóa hệ thống an toàn.
Tất cả các lò SMR có thiết kế tích hợp đều đảm bảo được khả năng tải nhiệt dư sau khi khi dừng lò bằng đối lưu tự nhiên. Một số thiết kế như CAREM-25 (Argentina), ABV-6E (LB Nga), NuScale (Hoa Kỳ), SMR-160 (Hoa Kỳ)… thậm chí còn sử dụng cả đối lưu tự nhiên trong chế độ làm việc có công suất nghĩa là không cần đến bơm tuần hoàn chính. Không có bơm tuần hoàn đã loại trừ được khả năng xảy ra sự cố LOFA (sự cố mất dòng chất tải nhiệt) do hỏng bơm hoặc mất điện cấp cho máy bơm.
Sơ đồ đối lưu tự nhiên trong mọi chế độ hoạt động của lò MASLWR 4
Một số lò SMR thiết kế tích hợp như CAREM-25, IRIS, IMR, mPower…còn đưa cả hệ thống dẫn động thanh điều khiển vào trong thùng lò. Thiết kế như vậy đã loại trừ được khả năng xảy ra sự cố RIA (sự cố tăng bất ngờ độ phản ứng dương do bật thanh điều khiển ra ngoài).
Thiết kế tích hợp với việc đưa thiết bị sinh hơi vào trong thùng lò và áp lực phía trong ống nhỏ hơn áp lực bên ngoài đã loại trừ được khả năng xảy ra sự cố SGTR (sự cố làm vỡ ống trao đổi nhiệt của thiết bị sinh hơi). Sự cố này trong các lò PWR công suất lớn dễ làm thoát xạ ra môi trường.
Với việc đưa các thiết bị quan trọng của lò phản ứng vào thùng lò, thiết kế tích hợp có thể góp phần loại trừ được những nguy cơ có thể dẫn đến sự cố nóng chảy vùng hoạt trong quá trình vận hành lò phản ứng như người ta vẫn thường lo ngại?
Đúng vậy, với thiết kế tích hợp, lò công suất nhỏ kiểu module – SMR (thuộc dòng nước áp lực – PWR) đã loại trừ được bốn nhóm sự kiện khởi phát cơ bản: RIA, LOFA, LOCA và SGTR. Đây là những nhóm sự kiện khởi phát được sử dụng làm cơ sở thiết kế của các hệ thống an toàn trong các lò PWR công suất lớn. Loại trừ được các nhóm sự kiện khởi phát này làm tăng lên đáng kể mức độ an toàn của lò SMR, đồng thời làm giảm nhẹ mức độ phức tạp trong thiết kế hệ thống an toàn để khống chế những sự kiện khởi phát còn lại.
Theo kết quả tính toán phân tích an toàn, lò công suất nhỏ kiểu module – SMR có xác suất nóng chảy vùng hoạt CDF rất thấp (10-6-10-8) nghĩa là ngang bằng hoặc nhỏ hơn một bậc so với lò PWR công suất lớn tốt nhất hiện nay. Xác suất phát xạ lớn LERF thường là nhỏ hơn CFD 10 lần.
Ngoài sự nổi trội về tính an toàn, lò SMRs còn có những ưu điểm nào, thưa ông?
Hiện nay, các chuyên gia quốc tế đã công bố một số công trình chuyên đề cập tới khả năng cạnh tranh kinh tế của lò SMR.
Ví dụ, David Shropshire đã phân tích bốn mô hình thị trường điện tại khu vực châu Âu và kết quả tính toán có tính tới thuế carbon cho thấy, lò SMR có thể cạnh tranh được trong thị trường điện tương lai nếu chi phí đầu tư được kiểm soát và nguồn tài chính có thể thu xếp được 6.
Robert Rosner và Stephen Goldberg đã phân tích toàn diện tính kinh tế của lò SMR so với lò công suất lớn cũng như các dạng năng lượng khác với việc chi tiết hóa các thành phần của vốn đầu tư và đưa ra kết luận: lò SMR là lĩnh vực công nghiệp quan trọng của Hoa Kỳ và sẽ đóng vai trò đưa Hoa Kỳ trở lại vị trí dẫn đầu trong lĩnh vực công nghệ lò phản ứng, đặc biệt là nâng cao vai trò dẫn đầu thế giới trong an toàn hạt nhân, an ninh hạt nhân, không phổ biến vũ khí hạt nhân và xử lý chất thải phóng xạ 7. Hay một số tác giả khác đã phân tích một cách toàn diện tính kinh tế của lò SMR so với lò công suất lớn cũng như các dạng năng lượng khác 8,9,10.
Trên cơ sở các kết quả tính toán, họ đã kết luận:
– Lò phản ứng hạt nhân công suất nhỏ kiểu module – SMR thông thường có chi phí sản xuất điện năng quy dẫn – LUEC cao hơn so với loại lò công suất lớn.
– Một số loại lò công suất nhỏ kiểu module – SMR có thể cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác, đặc biệt là so với năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời.
– Lò công suất nhỏ kiểu module – SMR sẽ trở nên cạnh tranh hơn nếu tính cả thuế carbon trong chi phí sản xuất điện.
– Lò công suất nhỏ kiểu module – SMR có tính cạnh tranh cao đối với các vùng xa xôi, hẻo lánh, vùng đảo biển, nơi lưới điện quốc gia không thể kết nối được (off-grid locations).
Xu thế phát triển lò SMRs đem lại gợi ý gì cho những quốc gia mới bắt đầu phát triển chương trình điện hạt nhân?
Với những ưu thế vượt trội về mặt an toàn và khả năng cạnh tranh về mặt kinh tế, lò phản ứng hạt nhân công suất nhỏ kiểu module – SMR đang được xem xét như một lựa chọn khôn ngoan trong chiến lược phát triển năng lượng bền vững của nhiều nước trên thế giới, trong đó có các nước khu vực ASEAN11.
Hiện tại, việc cung cấp năng lượng cho các vùng biển đảo của các quốc gia có nhiều lựa chọn khác nhau tùy thuộc vào năng lực kỹ thuật và điều kiện cụ thể của từng nước, đó là cấp điện bằng cáp ngầm (nếu gần đất liền), cấp điện bằng máy phát diesel hoặc bằng nguồn năng lượng tái tạo như điện gió, điện mặt trời… Trong tương lai không xa, một số quốc gia như Nga, Mỹ, Nhật, Trung Quốc, Hàn Quốc… thậm chí là cả Indonesia sẽ dùng năng lượng hạt nhân với lò công suất nhỏ kiểu module – SMR để cung cấp năng lượng cho các vùng biển đảo.
Cám ơn ông
Thanh Nhàn thực hiện
——————————————————————
Tài liệu tham khảo:
1. Advanced Large Water Cooled Reactors. A supplement to the IAEA’s Advanced Reactor Information System (ARIS), IAEA 2015.
2. IAEA-TECDOC-1451 “Innovative small and medium sized reactors: Design features, safety approaches and R&D trends”, Austria, May 2005.
3. IAEA-TECDOC-1485 “Status of innovative small and medium sized reactor designs With conventional refuelling schemes”, Austria, March 2006.
4. IAEA-TECDOC-1536 “Status of Small Reactor Designs Without On-Site Refuelling”, Austria, January 2007.
5. Iraj Mahmoudzadeh Kani, Mehdi Zandieh, Saeed Kheirollahi HosseinAbadi “Design Characteristics for Pressurized Water Small Modular Nuclear Power Plants with Focus on Safety Aspects”, International Journal of Review in Life Sciences ISSN 2231-2935, Research Article.
6. David Shropshire, “Economic viability of small to medium-sized reactors deployed in future European energy markets”. Progress in Nuclear Energy 53 (2011), 299-307.
7. Robert Rosner and Stephen Goldberg, “Small Modular Reactors – Key to Future Nuclear Power Generation in the U.S. Energy Policy Institute at Chicago. The Harris School of Public Policy Studies. Technical Paper, Revision 1, November, 2011.
8. Giorgio Locatelli, Chris Bingham, Mauro Mancini, “Small modular reactors: A comprehensive overview of their economics and strategic aspects”. Progress in Nuclear Energy 73 (2014) 75-85.
9. Mark Cooper, “Small modular reactors and the future of nuclear power in the United States”. Energy Research & Social Science 3 (2014) 161–177.
10. Current Status, Technical Feasibility and Economic of Small Nuclear Reactors, Nuclear Energy Agency, June 2011.
11. Victor Niana, John Baulya, “Nuclear Power Developments: Could Small Modular Reactor Power Plants be a “Game Changer”? – The ASEAN Perspective”. The 6th International Conference on Applied Energy – ICAE2014.
