Hiện nay, điện hạt nhân đang chiếm khoảng 16% tổng sản lượng điện trên thế giới, nhiều quốc gia cũng đã hoặc đang chuẩn bị xây dựng Nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) trong đó có Việt Nam. Nhiều quốc gia có bề dày công nghiệp và có công suất lớn về điện hạt nhân trên thế giới, dẫn đầu là Hoa Kỳ tiếp đó là Pháp, Nhật Bản, Nga, Hàn Quốc, Canada và Trung Quốc...
Có nhiều loại lò sử dụng các công nghệ khác nhau nhưng tựu chung có hai loại lò chính là Boiling Water Reactor (BWR)- lò nước sôi và Presure Water Reactor (PWR)- lò áp suất. Hoa Kỳ là nước dẫn đầu trong việc nỗ lực nghiên cứu, chế tạo và xây dựng hàng loạt các NMĐHN và sản xuất lượng điện khá lớn trong các thập niên 60 và 70. Tập đoàn General Electric (GE) tập trung chế tạo lò nước sôi và Westinghouse chế tạo lò áp suất. Nhật Bản hợp tác với cả GE và Westinghouse để chế tạo ra cả lò nước sôi và lò áp suất. Pháp hợp tác với Westinghouse tập trung duy nhất chế tạo lò áp suất. Riêng chế tạo lò áp suất nhưng sử dụng nước nặng để giải nhiệt lò, loại lò này còn gọi là lò áp suất nước nặng. Hàn Quốc hợp tác với Westinghouse xây dựng lò áp suất và nhờ xây dựng 02 lò áp suất nước nặng nhưng nay Hàn Quốc đã tập trung vào lò áp suất. Trung Quốc hợp tác với Hoa Kỳ và Pháp xây dựng hàng loạt các lò áp suất và không phát triển lò nước sôi.

Khác biệt về công nghệ giữa lò nước sôi và lò áp suất

Lò áp suất

Lò nước sôi

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

Lò áp suất gồm 2 hệ thống nước tách biệt (Two separate loops) và nước ở hai hệ thống không pha trộn vào nhau. Hệ thống chính (Primary loop) có nhiệm vụ hấp thụ nhiệt từ các phản ứng trong lò dưới áp suất rất cao và dòng nước nóng này được chảy qua hệ thống ống trong bình giải nhiệt (Steam Generator tubing) tại đây nhiệt được hệ thống nước thứ hai (secondary loop) nhận nhiệt và biến nước thành hơi nước dưới áp suất cao, dòng hơi nước này được dẫn vào turbine 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 turbine. 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 turbine 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 bị nhiễm phóng xạ tràn sang hệ 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.

Nhìn lại hai sự cố lớn

Tai nạn NMĐHN Three Mile Island tại Hoa Kỳ và Chernobyl tại Nga là hai bài học đắt giá để có bước đột phá về cải tiến công nghệ dẫn đến chế tạo NMĐHN.

Tai nạn nhà máy Three Mile Island tại Hoa Kỳ vào năm 1979: Đây là nhà máy sử dụng lò áp suất do hãng Westinghouse chế tạo, công suất 1.000MW. 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 việc 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 212⁰F, 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 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 ngưng bơm nước vào lò dẫn đến lò càng thiếu nước nhiều 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 các 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 về 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.

Tai nạn tại nhà máy Chernobyl năm 1986: Tai nạn xảy ra vào ngày 26 tháng 04 năm 1986 vào lúc 1 giờ sáng, nhà máy thuộc thế hệ thứ I, không có nhà chắn bảo vệ lò, nếu xảy ra tai nạn chất phóng xạ lập tức phát tán ra môi trường trực tiếp. Nhà máy xây dựng phục vụ cho sản xuất điện và cùng lúc làm giàu nguyên liệu để phục vụ quốc phòng. Tai nạn xảy ra khi nhân viên đang thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra các tiêu chuẩn vận hành của nhà máy. Đã có sự sai sót khi thực hiện các bước kiểm tra dẫn đến phản ứng hạt nhân không còn kiểm soát được và dẫn đến cháy lò làm chết người và bụi phóng xạ đã làm ảnh hưởng rất lớn về người và vật chất: 02 người chết tại chỗ và sau đó có 56 người chết do bụi phóng xạ, có khoảng 4.000 người mang bệnh do nhiễm phóng xạ. Đây là tai nạn hạt nhân lớn nhất cho tới thời điểm này. Một lần nữa tai nạn xảy ra do yếu tố con người bất cẩn  và không thực hiện các công việc như đã quy định, vi phạm nghiêm trọng luật an toàn lò hạt nhân.

Những bước tiến công nghệ

 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 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 v.v… chưa kể nhà đầu tư rất lo sợ khoản đầu tư bị mất trắng vì nhà máy 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 Westinghouse 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. Westinghouse 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.

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 1 giấy phép xây dựng và vận hành, áp dụng công nghệ 3 chiều và phần mềm quản lý xây dựng nên thời gian xây dựng rút xuống một nửa, trung bình là 5 năm. Tổng giá thành hạ xuống 30%. Riêng Westinghouse, 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 học (Natural Circulation). Phương pháp này sẽ giúp các nhà thiết kế loại bỏ được rất nhiều các 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 vận hành vì phải đối diện với trường hợp bị mất điện dẫn đến nhiều hệ thống phòng ngừa an toàn bị mất điều khiển.

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 một Kwh rẻ hơn nhà máy nhiệt điện. Đại đa số dùng lò áp lực, hai lò EPR1600 của Pháp và AP1000 của Hoa Kỳ hiện nay đang được rất nhiều nước quan tâm. Cụ thể gồm một số loại như: Lò áp suất EPR1600 do Hãng Areva của Pháp chế tạo; lò áp suất AP1000 do Hoa Kỳ chế tạo; lò áp suất VV1200 do Nga chế tạo; lò áp suất APR1400 do Hàn Quốc chế tạo; lò áp suất APWR1700 do Mitsubishi và Westinghouse chế tạo; lò nước sôi ESBWR1600 do GE và HITACHI chế tạo; lò áp suất nước nặng do Canada chế tạo…

Lò EPR của Pháp chế tạo có ưu điểm là công suất lớn 1600MW. EPR là lò áp suất và được ứng dụng các công nghệ đã được ứng dụng cho nhiều lò tại Pháp. Areva là đơn vị có bề dày kinh nghiệm thiết kế xây dựng và vận hành NMĐHN. 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 đồng thời cũng đang chào bán cho các Công ty điện tại Hoa Kỳ.

Lò cải tiến thế hệ III của Hàn Quốc APR1400: Lò APR được thiết kế và xây dựng dựa vào công nghệ lò áp suất  được chuyển giao và cải tiến từ Westinghouse – Hoa Kỳ. Hàn Quốc đã học hỏi từ Westinghouse 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 với Hoa Kỳ và Pháp. Uu điểm là do APR đã được chế tạo theo công nghệ của Hoa Kỳ và rút ra kinh nghiệm từ 20 nhà máy đang vận hành với công suất rất cao. APR1400 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 III++ của Hoa Kỳ AP1000: Lò AP1000 có công suất thiết kế 1160MW là lò áp suất được thiết kế và xây dựng bởi tập đoàn Westinghouse - hiện nay là thành viên của tập đoàn Toshiba của Nhật Bản. Điểm nổi bật nhất của AP1000 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 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 vào năm 2007 gồm nhiều nước tham gia như Hoa Kỳ, Pháp, Canada, Hàn Quốc, Nga, cuộc tuyển chọn được giới chuyên môn trên toàn thế giới quan tâm theo dõi và kết quả là Trung Quốc đã chọn Westinghouse với công nghệ AP1000 và đã ký đợt I 04 lò và đang xây dựng dự kiến phát điện vào năm 2013. Mới đây Trung Quốc tiết lộ là đang đặt hàng hàng trăm lò AP1000 với Westinghouse và nâng công suất lên tới 1700MW (AP1700). Ngoài ra, Westinghouse đã ký 03 hợp đồng với Bang Geogia, Nam Carolina và Florida để xây dựng 06 lò AP1000, dự kiến sẽ phát điện vào năm 2015. Có khoảng 10 hợp đồng đang đàm phán với Westinghouse tại Hoa Kỳ.

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

Bản đồ quy hoạch nhà máy điện nguyên tử đầu tiên ở Việt Nam

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 cả lò nước sôi ESBWR và lò áp suất AP1000. Công nghệ này được GE và Westinghouse, 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 về 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. Còn lại các công nghệ của các quốc gia khác cũng đạt các tiêu chí về an toàn, giá thành tốt…

TS Đinh Đức Hữu