Công nghệ lò phản ứng VVER-1200

1. Giới thiệu

Các tính năng tiên tiến của thiết kế VVER-1200 được phát triển trên cơ sở các thiết kế lò VVER-1000 cho dự án AES-91 (nhà máy ĐHN Tianwan), dự án AES-92 (nhà máy ĐHN Kudankulam) để đáp ứng các tiêu chuẩn của Nga, của các tổ chức thế giới như IAEA, EUR (Các yêu cầu tiêu chuẩn châu Âu về năng lượng hạt nhân), WENRA (Hiệp hội qui phạm hạt nhân Tây Âu) và đáp ứng yêu cầu của BIS (Văn phòng công nghiệp và an ninh Mỹ).

Sự tiến hóa của hệ thống VVER-1200 thể hiện ở hai khía cạnh là sự cải thiện hoạt động của thiết bị và nâng cao tính an toàn của hệ thống. Trong phần đầu giới thiệu về VVER-1200 sẽ đề cập đến sự cải thiện hoạt động của thiết bị trong hệ thống VVER-1200 loại V-491.

Sự cải thiện hoạt động của thiết bị được thể hiện trong các ý tưởng thiết kế như sau:

• Để cải thiện hiệu suất làm việc, các đặc tính của VVER-1200 được thiết kế với công suất nhiệt danh định của lò phản ứng là 3200MW và tuổi thọ là 60 năm.

• Theo thành quả tiến hóa trong quá trình phát triển thiết bị lò phản ứng, các kết quả thiết kế, tính toán và minh chứng thực nghiệm của các thiết kế V-320 và V-392 cũng như kinh nghiệm vận hành VVER-1000 được sử dụng tối đa.

• Các giải pháp công nghệ được thực hiện trong các thế hệ trước bao gồm: (1) Lò phản ứng được phát triển trên cơ sở thiết kế V-392 với đường kính thùng lò tăng lên; (2) Bình sinh hơi được phát triển trên cơ sở thiết kế PGV-1000M với tăng đường kính vỏ và không gian hành lang đặt các ống trao đổi nhiệt trong các bó ống; (3) Sử dụng bơm chất tải nhiệt GCNA-1391.

• Các mục tiêu được yêu cầu cần đạt tới gồm: (1) Sự cháy nhiên liệu tối đa lên đến 70 MW.ngày/kgU; (2) Sự dự phòng chu trình nhiên liệu để tăng thời gian định kỳ đảo thanh nhiên liệu lên đến 24 tháng; (3) Khả năng tăng công suất nhiệt của lò phản ứng lên đến 3300MW.

• Làm tăng các thông số bao gồm cả công suất nhiệt của lò bằng các giải pháp sau đây để hiện đại hóa bó nhiên liệu: (1) Áp dụng bó nhiên liệu (dạng TVS-2M) với độ cao toàn cụm được tăng lên 150-250mm trong vùng hoạt; (2) phát triển các giải pháp công nghệ về tăng cường sự truyền nhiệt trong vùng hoạt.

2. Mô tả thiết kế lò VVER-1200 (V-491)

Lò phản ứng:

Trong thiết kế VVER-1200, lò phản ứng (H.1) là một thùng chịu áp thẳng đứng với bộ phận chụp trên đỉnh được gọi là khoang trên và chứa bên trong các bộ phận gồm hệ thống ống dẫn thanh điều khiển. Thùng lò chứa vùng hoạt bao gồm 163 bó nhiên liệu, các thanh điều khiển và các sensor đo đạc trong vùng hoạt. Hộp điều khiển được lắp đặt trên đầu lò. Các hệ thống điện từ được thiết kế cho sự chuyển động của các thanh điều khiển đi vào vùng hoạt được gắn chặt bên ngoài hộp điều khiển.

Lò phản ứng được bố trí trong khoang bê tông với một hệ thống che chắn nhiệt và bảo vệ sinh học cùng hệ thống làm mát. Thùng lò được tựa và gắn chặt bởi vòng đai cố định trong khung đỡ. Vòng đai ép này được lắp trên mặt bích thùng lò sẽ giữ cho thùng lò không bị dịch chuyển theo phương ngang. Lò phản ứng gắn bên trong khoang bê tông để giữ cho nó khỏi dịch chuyển khi có tác động địa chấn và khi vỡ đường ống. Khoang bê tông, các thiết bị điện, bộ phận đo đạc trong vùng hoạt và bộ điều khiển được làm mát bằng không khí.

H.2: Vùng hoạt (bên trái), nhiên liệu (bên phải) của VVER

Nhiên liệu và vùng hoạt (H.2)

Vùng hoạt lò phản ứng chứa 163 bó nhiên liệu (FA). Các FA được thiết kế cho mục đích phát nhiệt và truyền nhiệt từ bề mặt thanh nhiên liệu đến chất làm mát trong quá trình phục vụ mà không vượt quá các giới hạn thiết kế cho phép về sự sai hỏng thanh nhiên liệu. Chiều cao danh định của các FA là 4570 mm. Khi lò phản ứng ở tình trạng nóng thì chiều cao phần phát năng lượng của thanh nhiên liệu là 3750 mm. Mỗi FA chứa 312 thanh nhiên liệu. Ngoài ra, FA còn bao gồm 18 kênh dẫn, mỗi FA có 13 lưới giữ cùng với phần đầu và chân tạo nên cấu trúc vững chắc của bó. Vỏ bọc thanh nhiên liệu làm bằng hợp kim zirconi 1% niobi. Bên trong vỏ nhiên liệu sắp xếp các viên gốm UO2 với độ làm giàu tối đa 5%. Độ dẫn nhiệt tuyến tính trung bình của thanh nhiên liệu là 167,8 W/cm.

Vùng hoạt được bố trí với 121 cụm thanh điều khiển (RCAA). Chúng được sử dụng với mục đích triệt tiêu phản ứng phân hạch, duy trì công suất tại mức độ được chỉ định và các mức chuyển tiếp của lò, cân bằng vùng công suất theo trục, triệt tiêu sự dao động của nồng độ xenon. Cơ chế điều khiển chuyển động của RCAA được sử dụng bằng sự truyền động điện từ. Thời gian hiệu quả tối đa của vận hành FA giữa các kỳ đảo thanh nhiên liệu đối với một chu trình nhiên liệu 12 tháng là 8400 giờ hiệu dụng. Độ cháy trung bình của một thanh nhiên liệu đã cháy lên đến 60 MWD/kg U. Hàng năm 42 FA mới được nạp vào trong vùng hoạt cho một chu trình nhiên liệu.

Bình sinh hơi

Bình sinh hơi trong thiết kế VVER-1200 (V-491) có ký hiệu PGV-1000MKP gồm các thành phần: bộ sinh hơi, vòi phun hơi, khung đỡ, bộ hấp thụ, các bộ phận phụ trợ cho khung đỡ và bộ hấp thụ.

Bản thân bình sinh hơi là một thiết bị trao đổi nhiệt thùng đơn nằm ngang với bề mặt truyền nhiệt được phủ kín và gồm các bộ phận chính là các vòi phun với nhiều mục đích khác nhau; các bó trao đổi nhiệt với các bộ phận chốt và đệm giữa; các bộ thu hổi chất tải nhiệt sơ cấp; các hệ thống phân phối, cấp nước cho hai tình trạng thông thường và khẩn cấp; đĩa đục lỗ chìm; bộ cấp hóa chất.

Việc áp dụng bình trao đổi nhiệt dạng nằm ngang làm giảm chiều cao của nhà lò và như vậy cải thiện được mức độ chịu đựng của nhà lò do địa chấn.

Bình sinh hơi (H. 3) có kích thước dài 13820 mm, đường kính bên trong 4200mm với hai đầu hình elip được hàn vào hai gờ thùng hình trụ. Vật liệu chế tạo vỏ bình sinh hơi là thép 10GN2MFA. Bộ thu hồi chất tải nhiệt sơ cấp là một hình trụ thành dày có chiều cao tổng 5100 mm với đường kính và độ dày thay đổi, đường kính lớn nhất là 1176 mm tại chiều dày thành là 171mm. Vật liệu chế tạo bộ phận này cũng là thép 10GN2MFA. Bề mặt trong được phủ lớp chống ăn mòn. Trong bộ thu hồi có 10978 lỗ với đường kính danh định 16,25 mm. Các lỗ này được bố trí theo cách chữ chi. Các đinh tán kết nối các bộ phận là loại M60 bằng thép 38KhN3MFA và các đai ốc được làm bằng thép 25Kh1MF. Trên bộ thu hối được gắn 3 ống ngắn, trong đó 2 ống nhằm mục đích dẫn nước ra khỏi bộ thu hồi liên tục hoặc định kỳ, 1 ống đường kính danh định 30 mm được gắn vào bộ phận tưới rửa làm sạch bộ thu hồi.

Bề mặt trao đổi nhiệt gồm 10978 lỗ kích thước 16x5 mm (vật liệu thép 08Kh18N10TU). Mỗi bó ống trao đổi nhiệt gồm các ống nhỏ xoắn ruột gà hình chữ U. Các ống này cũng sắp xếp theo hình chữ chi. Để đảm bảo khả năng tháo nước hoàn toàn của các ống, các ống ruột gà được bố trí xiên về hướng bộ thu hồi. Các ống trao đổi nhiệt được đặt cách nhau bằng khoảng trống và các đĩa phẳng để tạo ra vị trí ống đều đặn trong các bó trao đổi nhiệt.

H.3: Bình sinh hơi

H.4: Bơm chất tải nhiệt

Bơm chất tải nhiệt lò phản ứng (H.4)

Bơm chất tải nhiệt (RCP) được thiết kế để tạo ra sự lưu thông chất tải nhiệt sơ cấp trong thiết bị lò phản ứng. Bộ RCP còn có chức năng nữa là cung cấp sự lưu thông chất tải nhiệt dưới bất kỳ tình trạng sự cố mất điện nào. Điều này là do với cấu tạo có bánh đà cho phép sự giảm tốc độ dòng chảy chậm dần khi dừng bơm.

RCP là loại bơm một tầng ly tâm thẳng đứng ký hiệu GtsNA-1391 có một vỏ bọc cứng trong nước, các thành phần bên trong bơm, động cơ điện, các ống lồng trên và dưới, khung đỡ và các hệ thống phụ trợ. Các thông số chính vận hành của RCP là: trở lực - 0,588 MPa, lưu lượng - 21500 m3/giờ, tốc độ quay - 1000/750 vòng/phút, tần số 50 Hz, nhiệt độ chất tải nhiệt 298,2 oC.

Đường ống dẫn chất tải nhiệt chính

Đường ống dẫn chất tải nhiệt chính nối với lò phản ứng, các bình sinh hơi và các bộ bơm chất tải nhiệt lò phản ứng nằm trong hệ thống làm mát lò và được thiết kế để thực hiện sự lưu thông chất tải nhiệt từ lò đến bình sinh hơi và ngược lại (H.5). Khái niệm “Rò rỉ trước khi vỡ” được sử dụng trong thiết kế để nâng cao mức cảnh báo trong công tác đảm bảo an toàn cho hệ thống. Các kinh nghiệm nhiều năm trong sự phát triển thiết kế và vận hành tại các NMĐHN được áp dụng trong tiến trình xây dựng và thiết kế.

Hệ thống tải nhiệt gồm 4 vòng lưu thông. Mỗi vòng được chia thành ba phần ống tách biệt. Phần ống dẫn chất tải nhiệt từ lò phản ứng vào bộ thu hồi của bình sinh hơi là ống dẫn nóng (hot leg). Ống dẫn lạnh (cold leg) gồm hai phần: nhánh ống hút chất tải nhiệt từ bình sinh hơi ra đi đến RCP và nhánh ống dẫn chất tải nhiệt đi vào lò phản ứng từ RCP. Đường kính bên trong ống dẫn được lựa chọn bằng 850 mm xuất phát từ khả năng có thể chấp nhận được vận tốc chất tải nhiệt và tổn thất áp lực trong đường ống tương ứng với dải thiết kế về lưu lượng chất tải nhiệt.

Ống dẫn nóng của vòng 4 qua một ống dẫn được gắn vào bình điều áp. Ống dẫn lạnh của vòng 3 được nối đến bình điều áp qua một ống đường kính nhỏ hơn (ống phun).

Bề mặt ngoài của hệ thống tải nhiệt được ngăn chặn sự tổn thất nhiệt trong quá trình vận hành lò phản ứng bằng các tấm cách nhiệt có thể tháo dời.

Bình điều áp

Bình điều áp là một thùng hình trụ chịu áp đặt vị trí thẳng đứng với các đáy hình elip được đặt trên khung đỡ hình trụ. Kích thước và các thông số điển hình của bình điều áp được thể hiện trong H.6

H.5: Sơ đồ của hệ MCP

H.6: Bình điều áp với các đặc trưng

Các hệ thống xử lý và lưu giữ nhiên liệu hạt nhân

Liên hợp hệ thống xử lý và lưu giữ nhiên liệu hạt nhân là một tập hợp các hệ thống, thiết bị và các thành phần được thiết kế cho công tác lưu giữ nhiên liệu, nạp, tháo dỡ, vận chuyển và kiểm soát nhiên liệu. Khu liên hợp này bao gồm một số hệ thống và thiết bị dưới đây để thực hiện toàn bộ qui trình xử lý nhiên liệu tại chỗ:

+ Hệ thống xử lý và lưu giữ nhiên liệu hạt nhân mới.

+ Hệ thống đảo thanh nhiên liệu.

+ Hệ thống lưu giữ nhiên liệu đã qua sử dụng trong nhà lò.

+ Hệ thống vận chuyển nhiên liệu tại chỗ gồm toàn bộ các qui trình bắt đầu với từ tiếp nhận xe phân phối nhiên liệu mới đến gửi đi xe chở nhiên liệu đã sử dụng.

Sự sắp xếp hệ thống ghi chép quản lý nhiên liệu hạt nhân tại chỗ của hệ thống.

Các hệ thống phụ trợ

Ngoài khu liên hợp xử lý và lưu giữ nhiên liệu, các hệ thống phụ trợ còn có các hệ sau:

1. Hệ thống cấp không khí được thiết kế để cấp không khí áp suất thấp đến các đối tượng sử dụng đặt trong nhà lò.

2. Hệ thống ni tơ áp suất cao được thiết kế để cung cấp ni tơ tại áp suất 5,9±0,05 MPa đến các đối tượng sử dụng của nhà lò tại điều kiện vận hành NMĐHN bình thường.

3. Các hệ thống lọc và thổi khí được thiết kế để khử và làm sạch môi trường khí ra khỏi thiết bị.

4. Hệ thống khử khí hydro (đốt cháy hoặc tái kết hợp) được thiết kế để ngăn chặn nồng độ hydro lớn có khả năng gây nổ trong nhà lò.

5. Hệ thống thông khí trong nhà lò được thiết kế để đẩy môi trường khí không mong muốn ra khỏi nhà lò và cung cấp ni tơ để pha loãng hydro. Các hệ thống phụ trợ này cũng được thiết kế để phục vụ cho quá trình vận hành bình thường NMĐHN.

Bố trí các thiết bị (H.7)

• Nhà lò là một kết cấu xây dựng kết hợp hai lớp vỏ bên ngoài và các cấu trúc bên trong trên một nền móng chung. Nền móng nhà lò là tấm bê tông cốt thép dày 2.4 m đường kính 51,6 m. Kết cấu vỏ hai lớp với lớp trong được làm bằng bê tông cốt thép để tạo ra một kết cấu chịu đựng được tải trọng và hấp thụ tốt ứng suất căng của sự quá áp trong trường hợp sự cố. Lớp kim loại trên bề mặt trong chỉ cung cấp sự kín khí trong trường hợp này. Lớp vỏ ngoài cùng được làm bằng bê tông thông thường nhằm bảo vệ lớp vỏ bên trong là kết cấu bê tông cốt thép có dạng hình trụ với vòm hình bán cầu. Đường kính của kết cấu hình trụ là 44 m, cao 42,2 m và bề mặt bên trong vòm đạt tới cốt 68,60 m.

Không gian chứa các cấu trúc bên trong nhà lò được giới hạn bởi lớp vỏ trong và tấm nền làm bằng bê tông cốt thép nguyên khối. Nhà lò chứa khoang lò phản ứng, bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng và giếng kiểm tra nội tại, ba lớp sàn trung gian, kết cấu tường và cột.

• Nhà bảo vệ được thiết kế để chứa thiết bị, đường ống dẫn của hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp, hệ thống giàn phun nhà lò, hệ thống nước làm mát thiết bị, hệ thống cung cấp boron khẩn cấp, hệ thống tạo và duy trì sự loãng khí trong không gian nhà lò.

• Nhà phụ trợ chứa các hệ thống phụ trợ, các hệ thống lọc khí và nước, các hệ thống chứa/thu hồi thải phóng xạ lỏng và các thiết bị thông hơi cho khu vực lối vào được kiểm soát.

• Nhà kiểm soát được thiết kế để chứa các hệ thống truyền thông, đo đạc và kỹ thuật điện để cung cấp sự kiểm soát nhà máy trong các điều kiện vận hành bình thường và sự cố.

• Nhà tuốc bin được thiết kế để chứa hệ thống và thiết bị liên quan đến sự phát năng lượng. Nhà tuốc bin được bố trí dọc trục lò phản ứng. Giữa nhà tuốc bin và nhà lò được thiết kế một hành lang chống lửa.

• Nhà hệ thống cung cấp điện thông thường được thiết kế để chứa các hệ thống kỹ thuật điện và hệ thống điều khiển và đo lường (I&C) ở điều kiện vận hành thông thường.

• Ngoài các bố trí thiết bị trong hệ thống VVER-1200 (V491) nêu trên, ở đây còn có các thiết bị cần thiết khác như xà lim hơi chứa các hệ thống cấp nước và hệ thống bảo vệ khỏi sự quá áp của các bình sinh hơi, nhà lưu giữ thải phóng xạ rắn và nhiên liệu mới, nhà phục vụ hạt nhân với vùng nghỉ của khu vực lối vào được kiểm soát, các trạm phát điện diezel để đảm bảo duy trì sự hoạt động của các thiết bị chính khi mất điện lưới.

H.7: Mặt bằng bố trí thiết bị trong hệ thống (V491)