Thế hệ nhà máy hạt nhân mới ?

Ngành công nghiệp hạt nhân đã phát triển được các lò phản ứng dựa trên các hệ thống “an toàn thụ động” giúp xử lý được tình trạng như đã xảy ra ở Nhật – mất điện khiến không thể bơm được nước làm mát nhiên liệu phóng xạ và nhiên liệu đã qua sử dụng. Nhưng những thiết kế mới nhất này chỉ mới có ở 4 trong số 65 nhà máy điện hạt nhân đang được xây trên toàn thế giới. (Nếu tính thêm 4 lò phản ứng đang trong giai đoạn sửa soạn mặt bằng và vẫn đang chờ nhà chức trách phê duyệt ở các bang Georgia và South Carolina của Mỹ thì trên toàn cầu đang xây dựng 8 trong số 69 nhà máy).

Đại đa số các nhà máy đang được xây dựng trên thế giới, tổng cộng là 47 chiếc, có thiết kế được coi là thuộc thế hệ thứ II – cùng loại với các lò được xây từ thập kỷ 1970 tại Fukushima Dai-ichi, và không có hệ thống kết nối an toàn thụ động.

Các chuyên gia vận hành nhà máy hạt nhân sẽ nhanh chóng chỉ ra rằng dù không được kết nối với hệ thống an toàn thụ động, nhưng các nhà máy mới đã được thiết kế với các cải tiến khác. Ví dụ như ở nhà máy điện hạt nhân San Onofre trên bờ biển phía Nam California, những cải tiến đã giúp nhà máy có thể sử dụng một hệ thống đường nước chảy theo nguyên tắc vận dụng trọng lực để làm mát lò trong một khoảng thời gian nhất định khi lò bị mất điện. Nhưng bản thân những cải tiến này cũng có hạn chế. “Hệ thống này cần rất nhiều nước”, nhận xét từ Adrian Heymer, giám đốc điều hành các chương trình chiến lược của Viện Năng lượng Hạt nhân (NEI), một tổ chức thương mại công nghiệp ở Mỹ. “Điều gì sẽ xảy ra cho bể chứa nước khi động đất xảy ra?” Đây chính là lý do người ta cố gắng kết nối lò phản ứng với một hệ thống an toàn hoàn toàn thụ động ngay từ khâu thiết kế đầu tiên, ông nói.

Sơ đồ thiết kế AP1000 của Westinghouse   1. Lõi lò              4. Bể nước làm mát thụ động 2. Máy phát hơi nước     5. Vỏ lò bằng thép 3. Điều áp                      6. Tuốc bin Loại lò: đun nước sôi Công suất: 1.117 MW Tuổi thọ thiết kế: 60 năm Thời gian xây dựng: 36 tháng Nhà sản xuất: Westinghouse, trụ sở tại Mỹ

Hiện nay người ta vẫn chưa có một danh sách đầy đủ các nhà máy trên thế giới đã được điều chỉnh để có hệ thống an toàn theo cơ chế trọng lực hay cơ chế nào khác. Còn với các nhà máy được thiết kế kết nối với hệ thống an toàn thụ động, tính phổ biến hóa chưa cao. Các nhà máy điện hạt nhân cần nhiều thời gian để được Chính phủ phê duyệt, tìm nguồn vốn vay, thiết kế và xây dựng – khiến chúng không bắt kịp với những thay đổi nhanh chóng của công nghệ. Rất nhiều trường hợp các nhà máy đang được xây hiện nay sử dụng công nghệ cơ bản của 3, 4 thập kỷ trước.

Khác biệt giữa các thế hệ

Tại nhà máy Fukushima Daiichi, trong 6 lò phản ứng thì 5 chiếc sử dụng kiểu thiết kế General Electric (GE), loại BWR-3 (lò phản ứng đun nước sôi), với hệ thống vỏ bọc Mark 1. Trên toàn cầu có tất cả 92 nhà máy đang hoạt động với thiết kế GE đun nước sôi, trong đó có 32 là sử dụng loại vỏ bọc Mark 1.

Các lò phản ứng tại Fukushima, giống như các lò phản ứng ở 2 cường quốc dẫn đầu về hạt nhân – Mỹ và Pháp – được các chuyên gia trong ngành xem là “thế hệ thứ II”, theo những tiêu chí không hoàn toàn tuyệt đối chính tắc. Thế hệ lò phản ứng thứ nhất được phát triển từ thập kỷ 1950 và 1960, theo xếp loại của Tổ chức Hạt nhân Thế giới (WNA), một tổ chức công nghiệp có trụ sở tại London. Vương Quốc Anh là nơi duy nhất vẫn duy trì vận hành các lò loại này; Nhà máy Điện Hạt nhân Wylfa tại North Wales là một ví dụ.

Sơ đồ ESBWR 1. Lõi lò                4. Buồng áp 2. Hệ thống làm mát thụ động        5. Gian chứa lò 3. Hệ thống làm mát dùng trọng lực    6. Bộ điều khiển thanh nhiên liệu 7. Tuốc bin máy phát điện                                                                                         Loại lò: đun nước sôi        Công suất: 1.560 MW Tuổi thọ thiết kế: 60 năm Thời gian xây dựng: 36 tháng Nhà sản xuất: General Electric/Hitachi, cơ sở tại Mỹ

Heymer nói rằng thảm họa hạt nhân năm 1979 tại Three Mile Island buộc người ta phải đánh giá lại về độ rủi ro và tính an toàn của các thiết kế nhà máy hạt nhân. “Người ta phải tính xem điều gì sẽ xảy ra nếu toàn bộ điện vận hành nhà máy bị mất”. “Chúng ta muốn luôn có khả năng hồi phục nguồn điện trước khi nhiên liệu trong lò bị tổn hại”. 

Vận dụng trọng lực để chuyển nước làm mát vào lò là một cách làm đáng xem xét, sau những gì đã xảy ra đối với hệ thống làm mát tại Fukushima Dai-ichi. Khi hệ thống làm mát theo thiết kế kiểu cũ ở Fukushima không hoạt động do mất điện, “mọi thứ từ từ ngừng lại”, Heymer nói. Trong điều kiện đó, một hệ thống làm mát thụ động sẽ giúp người ta có thêm thời gian để “tìm được một máy phát đủ lớn giúp sạc lại các ắc quy, và bơm nước vào trong bể”. 

Cải tiến công nghệ còn chậm chạp

Nhưng chỉ có 15 trong số 442 lò phản ứng đang vận hành trên thế giới được xếp vào Thế hệ 3 – là loại thiết kế kết nối lò với các hệ thống an toàn thụ động. (Nhật và Hàn Quốc mỗi nước có 4;  Canada, Trung Quốc, và Rumany mỗi nước có 2; và Argentina có 1.) 14 lò phản ứng Thế hệ 3 khác đang được xây dựng tại Nhật, Trung Quốc, Đài Loan, Hàn Quốc, Phần Lan, Pháp, và Nga. Với các lò phản ứng Thế hệ 3 đang trong vận hành kể từ các năm 1982 – 2007 tới nay, công nghệ hạt nhân của chúng cũng chưa phải là tiên tiến nhất.

Thiết kế loại hiện đại hơn là Thế hệ 3+, loại nhà máy hoàn toàn dựa vào các hệ thống an toàn thụ động mỗi khi xảy ra tai nạn, theo phân loại của Cục Năng lượng Mỹ.

Bài học rút ra? Theo Ellen Vancko, người quản lý dự án về năng lượng hạt nhân và biến đổi khí hậu của tổ chức Union of Concerned Scientists, “nhiều bài học mà chúng ta phải rút ra [từ thảm họa Fukushima]. Nhưng chúng ta còn chưa biết hết chúng”. Liệu có phải các quy trình an toàn đã không được tuân thủ tại Fukushima, hay là chúng đã được tuân thủ nhưng vẫn không ăn thua, “dù thế nào, chúng ta sẽ phải tăng cường thêm các quy trình … để con người chọn được lối đi đúng khi gặp các ngã rẽ, hoặc là phát triển ra các ngã rẽ để dẫn tới phương hướng đúng”.

Công nghệ sử dụng trọng lực, đối lưu tự nhiên, và truyền dẫn, thay vì chạy bằng điện lưới, dầu diesel, hay ắc quy dự phòng, là những phương pháp cơ bản mà người ta sử dụng để giải quyết nhu cầu làm mát thường trực ở các nhà máy điện hạt nhân. Thay vì đòi hỏi sự vận hành hợp lý của các nhân tố kỹ thuật, năng lượng phụ trợ, và người vận hành, các hệ thống thụ động chỉ dựa vào “các hiện tượng vật lý thuần túy”, theo lý giải từ Tổ chức Hạt nhân Thế giới.  

“Có những thiết kế cho phép các hệ thống an toàn thụ động vận hành đầy đủ trong vòng tối thiểu 72 tiếng mà không cần nguồn điện phụ trợ hoặc nước làm mát bổ sung từ bên ngoài”, Heymer cho biết.

4 lò phản ứng Thế hệ 3+ đầu tiên trên thế giới đang được xây dựng tại Trung Quốc, với lò phản ứng tại nhà máy hạt nhân Sanmen ở phía Đông tỉnh Chiết Giang dự kiến sẽ đi vào hoạt động năm 2013. 4 lò phản ứng Thế hệ 3+ khác đang trong quá trình chuẩn bị mặt bằng ở Mỹ: 2 lò thuộc Nhà máy Vogtle của Công ty Southern ở gần Waynesboro, bang Georgia, và 2 lò tại các nhà máy South Carolina Electric và Virgil C. Summer ở gần Jenkinsville, bang South Carolina.

Cả 8 lò Thế hệ 3+ này đều dùng thiết kế AP1000 của công ty Westinghouse, với công nghệ thổi khí mát xung quanh vỏ lò bằng thép, và hút nước bằng trọng lực từ bể chứa bên trên vỏ lò. Hệ thống này cho phép làm mát trong vòng 72 tiếng, theo phát ngôn viên Scott Shaw của Westinghouse.

Sau đó, một máy phát chạy diesel sẽ phải cung cấp điện để bơm nước từ một bể chứa gần đó đưa vào lõi lò và bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng với tốc độ 100 gallon (xấp xỉ 379 lít) mỗi phút trong vòng 4 ngày. Theo lời Shaw, công nghệ AP1000 của công ty Westinghouse giúp nâng cấp thiết kế Thế hệ 2 lên Thế hệ 3+.

Dự phòng cho mất điện

David Lochbaum, người điều hành Dự án An toàn Hạt nhân của tổ chức Union of Concerned Scientists, nhất trí rằng các hệ thống an toàn thụ động “có thể cung cấp thêm thời gian cho các kỹ sư xử lý tình hình, và thường thì, nhiều thời gian hơn đồng nghĩa với thành công cao hơn khi giải quyết các thách thức khó khăn”. Nhưng tổ chức có tính phản biện của ông này vẫn quan ngại về tình huống khi hệ thống làm mát thông thường bị trục trặc lâu hơn 72 tiếng: “khi đó chúng ta vẫn phải gặp lại kịch bản cũ là làm sao đưa được nước bổ sung vào bể chứa”. Ông lưu ý, tại Fukushima 72 tiếng có thể là đã cung cấp thêm thời gian cho các kỹ sư, “nhưng có lẽ như vậy vẫn chưa đủ thời gian”.

Tuy nhiên Heymer cho rằng hệ thống làm mát thụ động kiểu này có thể tiếp tục được bổ sung nước bằng các xe cứu hỏa và máy bơm. (Cách làm này không hiệu quả đối với nhà máy Fukushima Dai-ichi thuộc Thế hệ 2, vì cách làm mát ở nhà máy này vẫn phải dựa vào các hoạt động bơm mang tính chủ động.) Một kiểu thiết kế lò phản ứng Thế hệ 3+ khác là ESBWR (viết tắt của Lò phản ứng Đun nước sôi Kinh tế và đơn giản) của hãng GE-Hitachi, có trang bị một hệ thống vận dụng trọng lực để phủ nước lạnh lên lõi lò phản ứng, Heymer nói.

Các nhà máy hạt nhân Thế hệ 3 đang được xây dựng Địa điểm            Năm bắt đầu xây Argentina Embaise                          1983 Canada Gentilly-2                         1982 Point Lepreau                1982 Trung Quốc  Qinshan 3-1                   2002 Qinshan 3-2                   2003 Nhật Hamaoka-5                     2004 Kashiwazaki Kariwa-6  1996 Kashiwazaki Kariwa-7  1996 Shika-2                           2005 Hàn Quốc Wolsong-1                      1982 Wolsong-2                      1997 Wolsong-3                      1998 Wolsong-4                      1999 Rumani Cernavoda-1                   1996 Cernavoda-2                   2007  Nguồn: IAEA, Viện Năng lượng Hạt nhân Mỹ cung cấp

Trước khi xảy ra động đất và sóng thần tại Nhật, ông nói, thiết kế này “chuẩn bị được cấp bằng tại Mỹ trong vòng 9 tháng.” Tới ngày 9 tháng 3, hai ngày trước khi Nhật gặp thảm họa – Ủy ban Quản lý Hạt nhân Mỹ đã có bản đánh giá an toàn cuối cùng đối với ESBWR. Nhưng kết luận chính thức sẽ chưa có hiệu lực cho tới sau mùa thu. Và với thảm họa vẫn đang diễn ra tại Fukushima Dai-ichi, rất khó dự đoán khung thời gian sắp tới, Heymer nói. Người phát ngôn Michael Tetuan của hãng GE-Hitachi Nuclear Energy dự kiến rằng giấy chứng nhận cuối cùng từ Ủy ban Quản lý Hạt nhân sẽ được cấp trong mùa thu. Đây là thiết kế đầu tiên của công ty cho một hệ thống an toàn thụ động, ông nói.

Theo Tetuan, công nghệ ESBWR cũng đang chờ được hoàn tất phê duyệt tại Ấn Độ, nơi Chính phủ đã lựa chọn 2 địa điểm cho các công nghệ hạt nhân mới. “Chúng tôi sẽ được cấp 1 địa điểm, Westinghouse được cấp địa điểm còn lại”, ông nói. Ở Mỹ, nhà máy năng lượng Detroit Edison đã ngắm chọn công nghệ ESBWR từ hồi năm 2008 cho lò phản ứng hạt nhân mới tại Nhà máy Năng lượng Fermi 2 trên bờ Hồ Erie. 

Hệ thống dự phòng của Fukushima không hoạt động được sau trận sóng thần, nhưng các lò phản ứng mới theo công nghệ ESBWR hay Westinghouse AP1000 có thể giúp chống chịu được tốt hơn những tình huống như thế, Heymer nhận định. “Chúng không dựa vào các động cơ cần ai đó khởi động.” Và trong khi các kỹ sư tại Fukushima “quản lý rất nhiều van”, thì một số hệ thống mới có thể chỉ phải dùng tới 2 hoặc 3 van, Heymer nói.

Những thiết kế thụ động tiên tiến (sau khi đã được các nhà quản lý kiểm định) có thể giúp các lò phản ứng đun nước sôi an toàn hơn từ 10 tới 100 lần so với các thế hệ lò trước đây, Heymer nói, căn cứ theo ma trận tần số hư hại lõi lò, một phương pháp tính khả năng nóng chảy nhiên liệu lò phản ứng khi một tai nạn xảy ra.

Các lỗ thông cứng

Nhưng với quá nhiều các lò phản ứng Thế hệ 2 đang vận hành và được xây dựng, các nhà quản lý và vận hành nhà máy nay chủ yếu tập trung tìm cách bổ sung trang thiết bị để tăng tính an toàn của những thiết kế cũ. Trong buổi điều trần trước Ủy ban Environment and Public Works của Thượng viện Mỹ, Chủ tịch Ủy ban An toàn Hạt nhân Gregory B. Jaczko đã so sánh quá trình duy tu các lò phản ứng hạt nhân với việc “nâng cấp và điều chỉnh các động cơ máy bay 20 năm tuổi, và nói rằng “tốt nhất là chúng ta tìm hiểu kỹ xem trục trặc có thể đến từ đâu”.

Ví dụ, tất cả các lò phản ứng đun nước sôi ở Mỹ dùng thiết kế tương tự như các lò Fukushima Dai-ichi kể từ thập kỷ 1990 đã được trang bị thêm một thiết bị gọi là lỗ thông cứng (harden vent), Heymer nói. Lỗ thông cứng cho phép hơi nước và áp suất thoát ra từ các lỗ thông bay thẳng lên trời”, kèm theo một màng lọc giúp giữ lại phóng xạ. Trong các thiết kế cũ, lối thoát này vẫn nằm trong nhà chứa lò phản ứng, khiến khí hydro có thể tích tụ lại gây nổ.

Tới nay, Viện Năng lượng Hạt nhân vẫn đang gặp khó khăn trong việc tìm kiếm câu trả lời chắc chắn từ các quan chức Nhật về việc liệu các lò phản ứng tại Fukushima có được trang bị lỗ thông cứng, Heymer nói. “Họ có quá nhiều điều phải đương đầu lúc này, có lẽ họ sẽ không cung cấp thông tin cho chúng ta”. Nhưng các vụ nổ tại 4 trong 6 lò phản ứng tại Fukushima cho thấy khí hydro đúng là đã tích tụ trong gian chứa lò, ông nói.

Quencher, Deflector, và Saddle

Dưới sự lưu tâm ngày càng gia tăng về tính an toàn của hệ thống vỏ lò công nghệ Mark 1, hãng General Electric đã công bố một tài liệu vào hôm 16 tháng 3, nhấn mạnh rằng công nghệ 40 năm tuổi này “vẫn tiếp tục phát triển”.

Ví dụ, công ty đã thiết kế một hệ thống “làm nguội” (“quencher”), giúp giảm áp suất từ buồng áp lực hình khuyên (gọi là “torus”) bao quanh chân lõi lò trong lò phản ứng đun nước sôi. Bọt khí chìm trong torus giúp làm giảm nhiệt độ. Theo General Electric, hệ thống làm nguội các bọt khí lớn thành nhiều bọt nhỏ hơn, làm tăng mật độ và giảm áp nhanh hơn.

Cũng trong torus, General Electric đã lắp đặt các thiết bị deflector, được thiết kế để phá vỡ sóng áp lực tạo ra khi hơi nước tràn vào trong bể khiến mực nước dâng lên. General Electric khẳng định họ cũng kiên cố hóa các saddle – bệ đỡ các torus.

Ủy ban Quản lý Hạt nhân Mỹ yêu cầu tất cả những cải tiến này cho torus, cũng như hệ thống thông hơi mới, phải được đưa vào mọi nhà máy hạt nhân công nghệ GE Mark 1. “Chúng tôi chia sẻ công nghệ với các khách hàng ở bên ngoài nước Mỹ”, Tetuan nói trong một bản tin đăng trên AFP, “nhưng tôi không thể nói với bạn liệu họ có sử dụng chúng hay không”. 

(National Geographic)