Lựa chọn công nghệ nhà máy điện hạt nhân thế hệ lần thứ III

1. Giới thiệu tổng quát

Nhiều quốc gia trên thế giới đã xây dựng nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) sản xuất điện năng. Hiện nay điện hạt nhân chiếm khoảng 16% tổng sản lượng điện trên thế giới. Các quốc gia có bề dày công nghiệp điện hạt nhân trên thế giới, dẫn đầu là Hoa Kỳ, tiếp đó là Pháp, Nhật Bản, Nga, Hàn Quốc, Canada, Trung Quốc… có nhiều loại lò khác nhau nhưng tựu chung có hai loại lò chính là Boiling Water Reactor (BWR) – lò nước sôi (hình 1) và Presure Water Reactor (PWR) – lò nước áp suất (hình 2). Hoa Kỳ là quốc gia dẫn đầu trong các nỗ lực nghiên cứu, chế tạo và xây dựng hàng loạt các NMĐHN thế hệ I và sản xuất lượng điện hạt nhân khá lớn trong các thập niên 60 và 70 của thế kỷ trước. Tập đoàn General Electric (GE) tập trung chế tạo lò nước sôi và tập đoàn Westing House chế tạo lò nước áp suất. Nhật Bản hợp tác cả GE và Westing House để chế tạo ra cả lò nước sôi và lò nước áp suất. Riêng Canada chế tạo lò nước áp suất nhưng sử dụng nước nặng để giải nhiệt lò, loại lò này còn goi là lò áp suất nước nặng. Hàn Quốc hợp tác với Westing House xây dựng lò nước áp suất và nhờ Canada xây dựng 2 lò áp suất nước nặng nhưng đến nay Hàn Quốc đã tập trung vào lò nước áp suất. Trung Quốc đã hợp tác với Hoa Kỳ và Pháp xây dựng hàng loạt các lò nước áp suất và không phát triển lò nước sôi.

Những khác biệt về công nghệ lò nước sôi và lò nước áp suất, ưu nhược điểm của hai loại lò này là:

Lò nước sôi duy trì một hệ thống nước (One single loop), nước hấp thụ nhiệt từ các phản ứng hạt nhân trong lò để biến thành hơi nước và hơi nước với áp suất lớn được dẫn thẳng đến tuarbin để quay máy phát điện.

Lò nước áp suất gồm 2 hệ thống nước tách biệt (Two separate loops) và nước không pha trộn vào nhau. Hệ thống sơ cấp (Primary loop) có nhiệm vụ hấp thu nhiệt từ các phản ứng trong lò dưới áp suất rất cao và dòng nước nóng này được chảy qua hệ thống ống hấp thu nhiệt để sinh hơi trong bình giải nhiệt (Steam lnerator tubing). Tại đây nhiệt được hệ thống nước thứ hai (seconday loop) nhận nhiệt và biến nước thành hơi nước dưới áp suất cao, dòng hơi nước này được dẫn vào tuarbin để chạy máy phát điện.

Lò nước sôi có ưu điểm là không cần bình giải nhiệt, vận hành dưới áp suất và nhiệt độ thấp nên nước dẫn vào vận hành trực tiếp tuarbin mà không cần phải qua hệ thống trao đổi nhiệt nên thiết kế và xây dựng đỡ tốn kém hơn. Nhược điểm là hơi nước có chứa chất phóng xạ và có khả năng thoát ra ngoài môi trường.

Lò áp suất có ưu điểm là hơi nước dẫn vào vận hành tuarbin không chứa chất phóng xạ do vậy, tránh được chất phóng xạ thoát ra ngoài. Nhưng có nhược điểm là các ống dẫn nước trong bình giải nhiệt dễ bị nứt, thủng dẫn đến nước có nhiễm phóng xạ tràn sang hệ thống tuần hoàn nước thứ 2 và thoát ra môi trường bên ngoài. Áp suất và nhiệt độ vận hành lò rất cao nên vận hành khó khăn hơn.

2. Nhà máy điện hạt nhân thế hệ thứ II

Lò thế hệ thứ 2 có hệ thống cấp nước an toàn trong trường hợp khẩn cấp. Hệ thống an toàn giải nhiệt của lò quá cồng kềnh và phức tạp, để đảm bảo an toàn cho lò phản ứng không bị mất nước dẫn đến cháy lò và đảm bảo nhà chắn lò không bị vỡ. Một hệ thống cung cấp nước làm nguội lò và làm mát nhà chắn lò được xây dựng. Hệ thống này bao gồm hai nhánh độc lập nhau, mỗi nhánh có công suất 100% bao gồm mô tơ, bơm, van, ống dẫn, nguồn điện, dây cáp điện, hệ thống máy điều hoà không khí, các thiết bị phụ trợ chống động đất, thiết bị đo chẩn mực an toàn, chương trình chạy thử và bảo dưỡng định kỳ. Hệ thống này cần rất nhiều vật liệu xây dựng, chiếm nhiều diện tích, đầu tư ban đầu tốn kém, chi phí bảo hành và bảo dưỡng rất lớn. Hệ thống này vẫn tiềm ẩn nhiều rủi ro vì lệ thuộc vào các bộ phận cơ điện và nguồn điện để vận hành các cơ phận của hệ thống.

Luật có nhiều bất cập, cần 2 giấy phép để xây dựng và vận hành nhà máy, việc này tạo rủi ro cao cho nhà đầu tư. Trước đây, muốn xây dựng (Construction licence), khi nhà máy xây gần xong thì xin phép vận hành (Operation licence). Hai giấy phép này tạo ra cơ hội cho các nhómc hống đối dùng luật pháp để gây khó khăn cho nhà đầu tư xin được cấp giấy phép vận hành NMĐHN. Tại Hoa Kỳ, đã có nhiều nhà máy xây xong nhưng phải bỏ dở và trở thành đống sắt vụn, gây thiệt hại nhiều chục tỉ USD. Hoặc có nhiều nhà máy kéo dài thêm 5 đến 7 năm mới có giấy phép vận hành gây thiệt hại rất lớn cho nhà đầu tư. Đây cũng là lý do chính khiến ngành điện hạt nhân đã phải ngưng lại trong hơn 20 năm qua tại Hoa Kỳ và các nước châu Âu.

Xây dựng tại hiện trường khiến kéo dài thời gian xây dựng quá 10 năm: NMĐHN thế hệ II được xây dựng tại hiện trường, có quá nhiều công việc cần tiến hành một lúc hoặc theo một chu kỳ nhất định, các đòi hỏi về kiểm tra chất lượng, giám sát an toàn, thời tiết khiến các hoạt động xây dựng cho hiệu quả thấp dẫn tới thời gian và khối lượng công việc vượt định mức làm tăng giá thành và thời gian thi công.

3. Nhà máy điện hạt nhân thế hệ thứ III

Tai nạn NMĐHN Three Mile Islands tại Hoa Kỳ và Chernobyl tại Ucraina là hai bài học đắt giá đòi hỏi có bước đột phá về cải tiến công nghệ dẫn đến chế tạo NMĐHN thế hệ thứ III:

Tai nạn nhà máy Three Mile Islandtại Hoa Kỳ vào năm 1979.Đây là nhà máy sử dụng lò áp suất do hãng Westing House chế tạo, công suất 1.000 MW. Khởi đầu do trục trặc nhỏ và mất nguồn nước ở hệ thống thứ 2 dẫn đến thiếu nước trong bình giải nhiệt khiến hệ thống nước trong lò tăng áp suất và nhiệt độ dẫn đến van an toàn tự động mở ra để hạ áp suất lò. Nước nóng chạy qua van an toàn và nhiệt kế ở dưới đuôi van vẫn chỉ 100 ⁰C do áp suất dưới van thông với áp suất không khí. Kỹ sư chỉ huy nhà máy đã lầm tưởng là van an toàn vẫn đóng và không biết rằng lò đang bị mất nước trầm trọng (Kỹ sư chưa hiểu thấu đáo nguyên lý nhiệt động lực học Isentropic process). Đáng lẽ ở thời điểm này van phải được đóng lại và hệ thống cung cấp nước an toàn cho lò cần được vận hành để cung cấp đầy đủ nước cho lò. Trái lại kỹ sư chỉ huy đã cho ngừng bơm nước vào lò dẫn đến lò càng thiếu nước hơn. 8 giờ trôi qua, lãnh đạo nhà máy mới điều chỉnh và cung cấp nước lại cho lò, nhưng đã quá trễ và gây ra thiệt hại nặng nề. Tuy nhiên, các hệ thống an toàn khác vẫn hoạt động tốt và chất phóng xạ không thoát ra ngoài môi trường. Qua tai nạn này, đã rút ra được bài học quý giá: Thiết bị nhà máy đứng vững trước một tai nạn nghiêm trọng cho thấy tiêu chuẩn an toàn kỹ thuật đạt các chỉ tiêu thiết kế. Tai nạn xảy ra do yếu tố con người chưa được đào tạo đúng mức. Sau tai nạn này chúng ta đã rút ra được nhiều kinh nghiệm để sửa chữa, kể cả phần thiết kế hệ thống và phần quản lý vận hành nhà máy.

Chương trình cải tiến lò từng bước (Evolutionary Technology) và chương trình thiết kế lò mới (Development Technology).

Vào những năm 1980, tại Hoa Kỳ và các nước châu Âu ngoại trừ Pháp đã ngừng xây dựng NMĐHN vì các lý do chính như xin giấy phép quá khó khăn vì áp lực từ các nhóm chống đối, thời gian xây dựng nhà máy quá lâu, ảnh hưởng tiêu cực của tai nạn Three Mile Island, các yếu tố này đẩy giá thành NMĐHN lên quá cao so với các nhà máy điện sử dụng than, khí đốt… chưa kể nhà đầu tư rất lo sợ khoản đầu tư bị mất trắng do không được cấp phép để vận hành. Trong thời kỳ ảm đạm này, Hàn Quốc, Nhật Bản, Trung Quốc và Pháp vẫn tiếp tục hợp tác với GE và Westing House để thực hiện chương trình cải cách từng bước (Evolutionary) dựa vào công nghệ thế hệ thứ II và ký hiệu được dùng có chữ A (Advantage) đứng trước như APWR lò áp suất và ABWR lò nước sôi và thế hệ thứ III lò cải tiến được công nhận. Westing House theo đuổi một hướng tích cực hơn và nghiên cứu lại từ đầu và chủ trương thay đổi lớn trong thiết kế lò và phương pháp xây dựng nhằm nâng cao hệ số an toàn, thời gian xây dựng được rút ngắn, giá thành đầu tư được giảm đáng kể. Phương thức này được gọi là (Development). NMĐHN thế hệ III khác thế hệ II các điểm sau: các chuyên gia vẫn dựa vào thiết kế cơ bản của lò thế hệ II để nâng cấp các mảng quan trọng như thiết kế lò an toàn hơn, hiệu suất phản ứng cao hơn, hệ thống theo dõi lò được thay thế bằng thiết bị điện tử tốt hơn, nâng cấp các hệ thống cung cấp nước để đảm bảo lò luôn không bị mất nước. Quy trình xin phép chỉ còn một giấy phép xây dựng và vận hành, áp dụng công nghệ 3 chiều và phần mềm quản lý xây dựng rút xuống một nửa trung bình là 5 năm. Tổng giá thành hạ 30%. Riêng Westing House, Hoa Kỳ chủ trương vừa cải cách vừa làm mới, họ nhấn mạnh tới các ứng dụng công nghệ thụ động (Passive), áp dụng lợi thế định luật trọng trường (Gravity Force), nhiệt được truyền từ môi trường nóng sang lạnh để tạo nên hợp lưu nhiệt động lực học (Natural Circulation). Phương pháp này sẽ giúp nhà thiết kế loại bỏ được rất nhiều thiết bị cơ điện và không cần đến nguồn điện năng để vận hành các hệ thống an toàn của NMĐHN vốn là vấn nạn hàng đầu của các nhà máy vận hành vì phải đối diện với trường hợp mất điện dẫn đến nhiều hệ thống phòng ngự an toàn bị mất điều khiển.

Sau đây là bảng so sánh các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật các NMĐHN thế hệ III tân tiến nhất được các nước giới thiệu và bán trên thị trường thế giới (Bảng 1).

Mức độ hoàn thiện của NMĐHN thế hệ thứ III được thể hiện ở hình 3.

Các NMĐHN thế hệ III của các nước gồm các điểm chính như: lò hạt nhân được cải tiến để hoạt động an toàn và hiệu quả hơn, hệ thống cung cấp nước để làm nguội lò được thiết kế gọn nhẹ hơn, vật liệu xây dựng giảm, thời gian xây dựng được rút ngắn gần một nửa thời gian, tuổi thọ của lò tăng từ 40 đến 60 năm và có thể kéo dài thêm 20 năm, tổng cộng là 80 năm. Giá thành giảm xuống 30%, giá điện cho 1 kWh rẻ hơn nhà máy nhiệt điện. Đại đa số dùng lò áp lực, hai lò EPR 1600 của Pháp và AP 1000 của Hoa Kỳ hiện nay đang được rất nhiều nước quan tâm.

Sau đây xin giới thiệu một số lò thương mại thế hệ thứ III của một số nước

Lò cải tiến thế hệ thứ II của Pháp EPR 1600. Lò EPR của Pháp chế tạo có ưu điểm là công suất lớn 1600MW. Lò áp suất và ứng dụng các công nghệ đã được ứng dụng cho nhiều lò tại Pháp. Areva dày kinh nghiệm thiết kế xây dựng và vận hành nhà máy. Tuy nhiên, lò EPR vẫn sử dụng các hệ thống cấp nước an toàn cho lò và giải nhiệt lò bằng hệ thống cũ. Đòi hỏi nhiều bơm, van, ống dẫn và nguồn điện. Hiện nay, Pháp đang xây dựng một nhà máy ở Phần Lan và nhà máy thứ 2 tại Pháp và 2 nhà máy tại Trung Quốc. Pháp cũng đang chào bán cho các Công ty điện tại Hoa Kỳ.

Lò cải tiến thế hệ thứ III của Hàn Quốc APR 1400. Lò APR được thiết kế và xây dựng dựa vào công nghệ lò áp suất được chuyển giao và cải tiến từ Westing House Hoa Kỳ. Hàn Quốc đã học hỏi từ Westing House và đã tự chế tạo và xây dựng hơn 20 NMĐHN. Hàn Quốc rút kinh nghiệm và đã có khả năng chế tạo các NMĐHN có chất lượng cao và đang là đối thủ cạnh tranh của Pháp và Hoa Kỳ. Ưu điểm là do APR đã được chế tạo theo công nghệ của Hoa Kỳ và rút kinh nghiệm từ 20 nhà máy đang vận hành với công suất rất cao. APR 1400 vẫn sử dụng hệ thống cấp nước an toàn cho lò theo phương pháp cũ, sử dụng hệ thống thụ động (Passive). Hiện nay, Hàn Quốc đang xây dựng 2 lò APR1400 và chuẩn bị xây thêm 2 nhà máy cùng loại APR1400..

Lò cải tiến thế hệ thứ II của Hoa Kỳ AP1000. Lò AP1000 có công suất thiết kế và xây dựng bởi tập đoàn Westing House - hiện nay là thành viên của tập đoàn Toshiba của Nhật Bản. Điểm nổi bật nhất của AP 1000 là toàn bộ hệ thống cấp nước an toàn giải nhiệt ngắn hạn và dài hạn của lò được sử dụng công nghệ thụ động (Passive). Công nghệ này đem lại lợi ích là độ rủi ro làm hư hỏng lò giảm đi rất nhiều, toàn bộ hệ thống cũ được thay thế bằng hệ thống mới rất gọn nhẹ và dễ vận hành, vật liệu và thiết bị được giảm đi rất nhiều, nhà máy được thiết kế đơn giản nhưng an toàn hơn, thời gian xây dựng rút xuống còn 3 năm, giá thành thấp. Trong cuộc đấu thầu tại Trung Quốc năm 2007 gồm nhiều nước tham gia như Hoa Kỳ, Pháp, Canada, Hàn Quốc, Nga, cuộc tuyển chọn được giới chuyên gia trên toàn thế giới quan tâm theo dõi và kết quả là Trung Quốc đã chọn Westing House với công nghệ AP1000 và đã có 4 lò đang xây dựng dự kiến đưa vào khai thác năm 2013. Mới đây Trung Quốc tiết lộ là đang đặt hàng trăm lò AP1000 với Westing House và nâng công suất lên tới 1.700 MW (AP1700). Ngoài ra, Westing House đã ký 03 hợp đồng với Bang Georgia, Nam Carolina và Florida để xây dựng 06 lò AP1000, dự kiến sẽ đưa vào khai thác vào năm 2015. Có khoảng 10 hợp đồng đang đàm phán với Westing House tại Hoa Kỳ.

Trong số tiêu chuẩn an toàn theo yêu cầu của Uỷ ban Quốc gia Hoa Kỳ NRC mức độ tai nạn lò là 1 x 10 ^-4trong một năm, của AP 1000 là 1 x 10 ^-7, mức an toàn trên một ngàn lần tiêu chuẩn quốc gia đề ra giảm thiểu thiết bị về Van an toàn 50%, bơm 36%, ống dẫn nước 83%, dây cáp điện 87% và thể tích nhà máy chứa các thiết bị liên quan tới an toàn 56%. Giá thành 3,5 cen/kWh cho AP 1000 và 4,8 cen/kWh cho nhà máy chạy than đá.

Lò cải tiến thế hệ thứ III ⁺⁺của Nhật Bản ESBWR1600 và lò nước áp suất APWR1700. Hitachi cộng tác với GE – Hoa Kỳ thiết kế và chế tạo lò Economic Simplify Boiling Water Reactor (ESBWR), gọi là nước sôi đơn giản và kinh tế, đang xây dựng tại Nhật Bản và chuẩn bị ký 2 hợp đồng với Công ty điện của Mỹ. ESBWR sử dụng công nghệ thụ động (Passive) và đây chính là ưu điểm quan trọng nhất.

Lò cải tiến thế hệ thứ III ⁺⁺của lò nước áp suất của Nga. Nga đã cải tiến lò nước áp suất thế hệ II và sử dụng công nghệ thụ động cho các hệ thống giải nhiệt lò.

Lò áp suất nước nặng cải tiến thế hệ III ⁺⁺của Canada . Canada đã cải tiến lò áp suất nước nặng và cho ra sản phẩm ACR1000.

Nhận định: sau khi khảo sát và đánh giá các lò thuộc thế hệ III, chúng ta có thể nhận thấy công nghệ thụ động được nhiều tập đoàn gồm Hoa Kỳ, Nga và Nhật Bản rất quan tâm và đưa vào sử dụng cho lò nước sôi ESBWR và lò áp suất AP1000. Công nghệ này được GE và Westing House, hai công ty có bề dày về lò nước sôi và lò áp suất ứng dụng triệt để. Hoa Kỳ chuyển giao công nghệ cho nhiều quốc gia nhưng vẫn giữ bản quyền công nghệ gốc. Công nghệ AP1000 nổi bật về tính đơn giản thiết kế, rút ngắn thời gian thi công xây dựng, giảm bớt chi phí vận hành. Vì vậy, Trung Quốc chọn AP1000 trong cuộc đấu thầu rất quy mô năm 2007. EPR1600 của Pháp đã được hoàn chỉnh nhờ vào kinh nghiệm vận hành và tiêu chuẩn hoá rất lâu nên đã chứng tỏ nhiều ưu điểm khi vận hành, tuy nhiên EPR1600 chưa sử dụng toàn diện công nghệ thụ động. Nhật Bản đã liên tục đầu tư phát triển điện hạt nhân trong khi Hoa Kỳ và Tây Âu ngừng lại gần 30 năm. Ngoài ra, Nhật Bản còn có bề dày kinh nghiệm về phòng tránh động đất trong ngành xây dựng và rất giàu kinh nghiệm về vận hành bảo dưỡng. Còn lại các công nghệ của quốc gia khác cũng đạt các tiêu chí về an toàn, giá thành tốt. Cũng xin lưu ý các tập đoàn điện hạt nhân của Hoa Kỳ, Nhật Bản và Pháp đều là các tập đoàn có chính sách hợp tác đa phương, họ vừa hùng mạnh về mặt kỹ thuật vừa dồi dào về tài chính. Các tập đoàn này sẽ chiếm nhiều ưu thế trong công cuộc phục hưng điện hạt nhân.