Một số giải pháp vật liệu cho xây dựng công trình nhà máy điện nguyên tử ở Việt Nam

ptnn1412

Moderator
Một số giải pháp vật liệu cho xây dựng công trình nhà máy điện nguyên tử ở Việt NamTrên cơ sở nguồn nguyên liệu trong nước, có thể chế tạo được các loại bê tông cản xạ phục vụ cho xây dựng NMĐNT bao gồm bê tông siêu nặng, bê tông hydrat và bê tông cản xạ phối hợp.........
1. Các nguồn bức xạ chính trong NMĐNT

Một trong những đặc điểm chính của NMĐNT là sự tồn tại của các nguồn bức xạ nguy hiểm. Các nguồn bức xạ trong NMĐNT được xác định trong tình trạng làm việc bình thường và trong tình trạng sự cố.

Các nguồn bức xạ trong tình trạng làm việc bình thường hình thành ở các khu vực sau: vùng kích hoạt và thành lò; hệ thống tải nhiệt và chất làm chậm, hệ thống tuabin, hệ thống xử lý chất thải. Chất thải NMĐNT bao gồm chất thải lỏng, khí và rắn; nguyên liệu đã qua chiếu xạ, kho nguyên liệu và thiết bị khử hoạt tính.

Nguồn phóng xạ chủ yếu khi xảy ra sự cố là các sản phẩm phân hạch. Xác định nguồn phóng xạ trong các tình trạng sự cố cần tính đến đặc điểm sự cố NMĐNT, bao gồm: sự cố mất chất tải nhiệt, sự cố đường ống dẫn hơi lò BWR, sự cố đường ống dẫn hơi lò PWR, sự cố với nguyên liệu, sự cố với hệ thống hỗ trợ,…

2. An toàn hạt nhân và bảo vệ cản xạ trong nhà máy NMĐNT

Đối với NMĐNT, an toàn là yếu tố được đặt lên hàng đầu, trong đó quan trọng nhất là an toàn hạt nhân. Tổ chức Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đã đưa ra các mục tiêu chính của an toàn NMĐNT, trong đó xác định mục tiêu chung của an toàn hạt nhân, mục tiêu bảo vệ chống phóng xạ và mục tiêu an toàn trên khía cạnh kỹ thuật. Ngoài ra cũng đưa ra các hướng dẫn biện pháp đảm bảo các mục tiêu trên từ khâu thiết kế đến vận hành nhà máy trong đó có nguyên tắc bảo vệ nhiều mức. Theo nguyên tắc này, quá trình thiết kế cần hình thành 5 mức bảo vệ nhằm mục đích tránh các sự cố và đảm bảo các phương án bảo vệ tương ứng khi sự cố là không thể tránh khỏi.

Lớp bảo vệ thứ nhất được hình thành tại các viên nguyên liệu. Lớp thứ hai bao bọc quanh thanh nguyên liệu đặt trong lõi lò. Lớp bảo vệ thứ 3 là lớp vỏ lò phản ứng. Ba lớp bảo vệ này được cung cấp kèm theo thiết bị lò phản ứng và được giải quyết qua thiết kế công nghệ hạt nhân.

Lớp bảo vệ thứ tư là kết cấu thành lò, thường được chế tạo bằng bê tông, bê tông siêu nặng và các vật liệu khác. Lớp bảo vệ thứ 5 - lớp ngoài cùng là kết cấu gian lò. Kết cấu bảo vệ này có thể là kết cấu thép, kết cấu bê tông cốt thép, bê tông cốt thép dự ứng lực hoặc các phương án kết hợp. Hai lớp bảo vệ thứ 4 và thứ 5 liên quan đến công nghệ xây dựng NMĐNT và được xem xét trong phần thiết kế xây dựng nhà máy.

Giải pháp kết cấu, thi công và vật liệu sử dụng cho hai lớp bảo vệ này thuộc phạm vi của các nhà xây dựng, có tính đến yêu cầu về an toàn bức xạ và công nghệ hạt nhân của lò phản ứng. Các giải pháp này được thiết kế cho từng nguồn phóng xạ cụ thể với yêu cầu sao cho liều lượng chiếu xạ vùng được bảo vệ trong suốt thời gian vận hành phải thấp hơn giới hạn cho phép.

Giải pháp vật liệu bảo vệ chống bức xạ được quyết định dựa trên đặc điểm của nguồn bức xạ (ví dụ, nguồn bức xạ cả nơtron và gamma hay chỉ một mình bức xạ gamma), tính chất bảo vệ của vật liệu (đặc tính khuếch tán, hấp thụ, bức xạ thứ cấp, hoạt hóa,…) và tính chất cơ lý và các tính chất khác của vật liệu cũng như các giới hạn liên quan đến khối lượng và kích thước.

Tối ưu hóa thiết kế lớp bảo vệ liên tục cần phải tính đến không những giá thành vật liệu mà cả chi phí gia công lắp dựng và ảnh hưởng của kích thước cấu kiện đến các bộ phận khác của công trình. Yêu cầu đối với các vật liệu xây dựng NMĐNT phụ thuộc vào tính chất của từng hạng mục xây dựng.

3. Đặc điểm vật liệu cho xây dựng NMĐNT

NMĐNT bao gồm các hạng mục quan trọng chứa các nguồn bức xạ và các hạng mục không chứa nguồn bức xạ. Yêu cầu thiết kế, lựa chọn vật liệu, thi công và vận hành của hai nhóm hạng mục trên có sự khác biệt, thể hiện rõ nhất ở yêu cầu về bảo vệ cản xạ.

Các hạng mục không chứa các nguồn bức xạ được thiết kế theo các yêu cầu thông thường. Vật liệu sử dụng cho các hạng mục này là các vật liệu địa phương thỏa mãn các yêu cầu của tiêu chuẩn nhà nước tương ứng.

Các hạng mục chứa nguồn bức xạ bao gồm: gian lò phản ứng; kho chứa nguyên liệu hạt nhân; kho chứa chất thải và một số hạng mục khác được thiết kế với các yêu cầu riêng và việc lựa chọn vật liệu sử dụng cũng được xem xét có tính đến tác động của bức xạ tới vật liệu trên khía cạnh vận hành và bảo vệ cản xạ.

Phân tích các tác động của bức xạ tới vật liệu cho thấy để tăng khả năng ngăn cản nơtron với mức năng lượng trung bình và thấp cần sử dụng các vật liệu có nguyên tử lượng thấp. Đối với bê tông cần nâng cao hàm lượng H và Fe trong thành phần. Đối với bức xạ gamma thì vật liệu càng nặng, được tạo thành từ các nguyên tố với nguyên tử càng cao càng có khả năng ngăn cản bức xạ gamma. Đây là căn cứ để lựa chọn các vật liệu cho lớp cản xạ trong NMĐNT.

Tập trung đi sâu vào giải pháp vật liệu cho gian lò phản ứng - hạng mục chính, quan trọng nhất trong NMĐNT cho thấy các vật liệu sử dụng ngoài việc phải thỏa mãn các yêu cầu theo các tiêu chuẩn thông thường, còn phải đáp ứng các yêu cầu đặc thù.

Các nhóm vật liệu chính sử dụng trong kết cấu gian lò bao gồm: bê tông và bê tông cốt thép (bao gồm bê tông cản xạ), thép và kim loại, vật liệu chèn, vật liệu cách nhiệt, vật liệu phủ và các vật liệu khác. Việc lựa chọn giải pháp tối ưu cho vật liệu sử dụng được tính toán cho từng khu vực cụ thể phụ thuộc yêu cầu thiết kế.

4. Bê tông cản xạ trong xây dựng NMĐNT

Về mặt đảm bảo an toàn hạt nhân, hạng mục quan trọng hàng đầu là màn bảo vệ cản xạ. Các màn bảo vệ phổ biến được chế tạo từ bê tông và bê tông cốt thép do tính phổ cập của bê tông , giá thành rẻ, khả năng linh hoạt trong các phương án thiết kế và chế tạo.

Các phương án kết cấu màn bảo vệ bê tông cốt thép bao gồm: kết cấu đổ tại chỗ, đúc sẵn kết hợp đổ tại chỗ, đúc sẵn, đúc sẵn kết hợp vật liệu rời và lắp ghép. Việc lựa chọn phương án kết cấu màn thực hiện dựa trên kết quả phân tích kinh tế kỹ thuật áp dụng cho điều kiện xây dựng cụ thể.

Lựa chọn vật liệu và kết cấu màn bảo vệ phải đáp ứng các yêu cầu liên quan đến việc dừng hoạt động lò hạt nhân của NMĐNT. Trong quá trình thiết kế và xây dựng NMĐNT cần tính trước các phương án kỹ thuật, kết cấu xây dựng để chi phí cho công tác tháo dỡ các lò phản ứng hạt nhân đã hết niên hạn sử dụng (đã làm việc từ 30 - 50 năm) là thấp nhất và thời gian thực hiện là ngắn nhất. Ở đây mức độ nhiễm xạ của thiết bị và kết cấu xây dựng cần đặc biệt chú ý.

Trong các phương án màn cản xạ, sử dụng các loại bê tông với tính năng cản xạ đặc biệt (bê tông cản xạ) được đặc biệt chú ý do hiệu quả cản xạ cao của chúng.

Khả năng bảo vệ cản xạ của bê tông phụ thuộc chủ yếu vào thành phần hóa của bê tông. Biện pháp hữu hiệu nâng cao khả năng cản xạ nơtron là nâng cao tỷ lệ các nguyên tố có nguyên tử lượng thấp, còn đối với khả năng cản xạ gamma là các nguyên tố có nguyên tử lượng cao. Yêu cầu cản xạ phối hợp có thể đạt được khi tăng hợp lý thành phần của cả hai loại nguyên tố có nguyên tử lượng thấp và cao.

Kinh nghiệm chế tạo và sử dụng bê tông cản xạ trên thế giới cho thấy chất kết dính để chế tạo bê tông cản xạ là các loại xi măng pooc lăng và xi măng pooc lăng hỗn hợp thông thường. Sau khi thủy hóa và đóng rắn, ở điều kiện bình thường đá xi măng sẽ đóng góp một lượng nước liên kết khoảng 15% khối lượng của nó ở tuổi 28 ngày và khoảng 20% ở tuổi 12 tháng. Điều này có ảnh hưởng đáng kể đến khả năng cản xạ nơtron của bê tông.

Biện pháp công nghệ chính để điều chỉnh hàm lượng các nguyên tố trong bê tông để tạo ra các loại bê tông với tính năng cản xạ đặc biệt là sử dụng các loại cốt liệu (lớn và nhỏ) khác nhau. Cốt liệu chiếm đến trên 80% thể tích bê tông nên chúng đóng vai trò rất quan trọng trong việc định hình các tính chất của bê tông.

Có hai dạng cốt liệu chính được sử dụng trong chế tạo bê tông cản xạ. Loại thứ nhất với khối lượng riêng lớn sử dụng nhằm mục đích hạn chế bức xạ gamma và loại thứ hai có chứa trong thành phần một lượng lớn nước liên kết được sử dụng để hạn chế bức xạ nơtron.

Các cốt liệu với khối lượng riêng lớn thường dùng bao gồm các khoáng như barit, magnetit, cromit, ferit, quặng chứa ôxit uran,… hay các sản phẩm, phế phẩm công nghiệp như vẩy sắt, hạt gang, thép,.... Các loại bê tông này được gọi là bê tông siêu nặng. Đại diện chính cho dạng cốt liệu thứ hai là limonit, serpentin, glaukonit, đá bản bạch (SiO2(3-9)H2O), turmalin và các khoáng khác. Limonit (2Fe2O3.3H2O) có chứa tới 10 - 17% nước liên kết. Với cốt liệu limonit có khả năng chế tạo bê tông với khối lượng thể tích tới 3000kg/m3 và với lượng nước liên kết trên 10%. Khi sử dụng cốt liệu serpentin, lượng nước liên kết trong bê tông có thể đạt tới 15% theo khối lượng, trong đó 10 - 12% nằm trong cốt liệu và 3% nằm trong xi măng. Bê tông với lượng nước liên kết cao có tên là bê tông hydrat.

Việc phối hợp sử dụng hai loại cốt liệu trên nhằm chế tạo bê tông cản xạ vừa có khối lượng thể tích cao, vừa chứa lượng nước liên kết lớn, cho phép sử dụng trong các màn bảo vệ nguồn phóng xạ hỗn hợp. Việc thiết kế thành phần bê tông tuân theo các yêu cầu thiết kế về khối lượng thể tích và lượng nước liên kết.

Một số nguyên tố hóa học như Bo và Cadimi có thiết diện hấp thụ nơtron nhiệt khá cao. Do đó, khi có mặt trong thành phần màn chắn, dù chỉ với tỷ lệ thấp, cũng làm giảm đáng kể dòng nơtron nhiệt và dưới nhiệt. Để chế tạo bê tông chứa Bo có thể sử dụng các cốt liệu từ các khoáng tự nhiên chứa Bo như atarit, borasit, datolit,… hay các vật liệu nhân tạo như borat canxi, carbit bo,… Một điểm đáng chú ý nữa là khi sử dụng bê tông chứa Bo, ta không những có thể giảm chiều dày màn bảo vệ mà còn hạn chế được nhiệt độ đốt nóng màn bởi bức xạ.

Một hướng khác nâng cao khả năng cản nơtron là biến tính bê tông bằng các loại phụ gia trên cơ sở nhũ tương parafin. Khi đó vừa có thể nâng cao độ đặc chắc, chống thẩm thấu khí và nước của bê tông nhờ vào việc parafin lấp đầy các lỗ rỗng, vừa có thể nâng cao khả năng bảo vệ của bê tông nhờ vào khả năng tương tác giữa nơtron và parafin.

Như vậy, hiện nay tồn tại rất nhiều giải pháp kỹ thuật cho sản xuất các loại bê tông với tính năng cản xạ đặc biệt. Trong mỗi điều kiện cụ thể, việc lựa chọn hướng sử dụng cần tính đến các yếu tố kinh tế kỹ thuật phù hợp với khu vực xây dựng NMĐNT. Bên cạnh đó, việc lựa chọn cốt liệu cho bê tông cản xạ cần phải tính đến sự thay đổi tính chất của chúng khi chiếu xạ được xác định bởi thành phần khoáng, mức độ tinh thể hóa, phổ năng lượng của nơtron và nhiệt độ sử dụng.

Một trong những điểm khác biệt chủ yếu của bê tông cản xạ là chúng phải làm việc trong điều kiện nhiệt độ cao hơn thông thường. Tác động của bức xạ khiến vật liệu bị đốt nóng từ bên trong. Do đó các tính năng của bê tông cản xạ cần được xem xét trong điều kiện nhiệt độ vận hành cụ thể. Theo một số tài liệu, khối lượng thể tích của bê tông siêu nặng cần được xác định trong điều kiện nhiệt độ100 - 150oC.

Một yếu tố cần đặc biệt chú ý tới khi chế tạo bê tông cản xạ là ảnh hưởng của bức xạ tới tính chất của bê tông. Sự thay đổi này cần được tính đến để đảm bảo khả năng làm việc của kết cấu trong suốt thời hạn sử dụng yêu cầu.

5. Bê tông cản xạ trên cơ sở vật liệu trong nước

Một trong những trở ngại lớn đối với chế tạo và ứng dụng bê tông cản xạ là nguyên liệu tại chỗ đôi khi không đáp ứng được các thông số kỹ thuật cần thiết . Sử dụng các nguồn nguyên liệu xa địa điểm xây dựng làm tăng đáng kể giá thành bê tông. Hiệu quả kinh tế của bê tông cản xạ chủ yếu phụ thuộc vào việc lựa chọn và sử dụng hợp lý cốt liệu trên cơ sở các tài nguyên khoáng sản hoặc sản phẩm, phế thải công nghiệp có sẵn.

Phân tích nguồn tài nguyên trong nước cho thấy, trên cơ sở các khoáng sản sẵn có hoàn toàn có khả năng chế tạo được bê tông với các tính năng cản xạ đặc biệt. Các nghiên cứu tập trung theo hướng sử dụng cốt liệu nặng, cốt liệu chứa nước liên kết và phối hợp sử dụng hai loại cốt liệu trên để chế tạo bê tông siêu nặng và bê tông hydrat.

Nguồn khoáng sản của nước ta khá đa dạng với nhiều chủng loại như germatit, magnetit, cromit, barit, geotit, serprentin,… là nguồn nguyên liệu đầy tiềm năng để chế tạo bê tông cản xạ. Ngoài ra, các sản phẩm và phế thải công nghiệp luyện kim như vẩy cán thép, bi thép,… cũng có thể sử dụng trong chế tạo bê tông siêu nặng.

Với thời gian có hạn, các nghiên cứu mới chỉ tập trung vào việc nghiên cứu chế tạo và các tính chất của bê tông trên cơ sở cốt liệu barit và serpentin trong nước.

Quặng barit và serpentin dùng làm cốt liệu cho bê tông được nghiền từ quặng nguyên khai và tách cỡ hạt qua sàng thành cốt liệu lớn với kích thước hạt tối đa 20mm và cốt liệu nhỏ. Phân tích các chỉ tiêu của cốt liệu theo TCVN 1770:1986 và TCVN 1771:1987 cho thấy cốt liệu barit và serpentin hoàn toàn phù hợp để chế tạo bê tông

Xem xét các yêu cầu về khả năng chịu lực, đặc điểm công nghệ thi công và điều kiện sử dụng của bê tông cản xạ, sơ bộ có thể xác định một số yêu cầu thiết kế thành phần bê tông cản xạ như sau:

- Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày không nhỏ hơn 200 daN/cm2;

- Tính công tác: độ sụt côn không nhỏ hơn 3cm;

- Khối lượng thể tích (ở 105-110oC) không nhỏ hơn 3000kg/cm3 (đối với bê tông siêu nặng);

- Lượng nước liên kết không nhỏ hơn 10% (đối với bê tông hydrat);

- Thiết kết cấp phối được thực hiện theo quy trình truyền thống như đối với bê tông nặng thông thường. Khác biệt chủ yếu nằm ở việc tính toán, lựa chọn tỷ lệ vật liệu phù hợp các yêu cầu về lượng nước liên kết và khối lượng thể tích.

Lượng nước liên kết cần thiết được xác định thông qua yêu cầu về hàm lượng hydro trong bê tông theo công thức:



Trong đó:

N - lượng nước liên kết cần thiết;

Wgb - lượng hyđro yêu cầu tương ứng với khối lượng thể tích của bê tông gb.

Lượng nước liên kết trong bê tông được tính bằng tổng lượng nước liên kết hóa trong đá xi măng và lượng nước liên kết trong cốt liệu. Trong đó, lượng nước liên kết hóa trong đá xi măng ở điều kiện thường dưới 100oC được tính bằng:

Nx= (0,15…0,20) X (khi sử dụng xi măng thường)

Và Nx= (1,30…0,35 ) X (khi sử dụng xi măng nhôm)

Trong đó:

Nx - lượng nước liên kết hóa trong bê tông;

X - lượng dùng xi măng

Vật liệu sử dụng cho các cấp phối thí nghiệm là cốt liệu barit và serpentin dùng riêng rẽ hoặc phối hợp. Trong mỗi trường hợp tiến hành tối ưu hóa thành phần cấp phối vật liệu để đạt được khối lượng thể tích lớn nhất. Đối với bê tông hyđrat, tối ưu hóa được thực hiện với lượng nước liên kết trong điều kiện giữ nguyên lượng dùng xi măng. Thiết kế cường độ bê tông được tiến hành theo phương trình Bolomei-Skramtaev với các hệ số như đối với bê tông thường.

Các cấp phối được trình bày tại bảng 4.1, tính chất của bê tông cản xạ tại bảng 4.2.


Bảng 4.1 Thành phần cấp phối bê tông




Bảng 4.2 Tính chất của hỗn hợp bê tông và bê tông

Các số liệu thí nghiệm cho thấy các cấp phối bê tông có cường độ chịu nén đều đạt trên 200daN/cm2. Tốc độ phát triển cường độ của các cấp phối trên nhìn chung tương tự như bê tông nặng thông thường. Sau 7 ngày bê tông đạt khoảng 80% cường độ tuổi 28 ngày.

Bê tông sử dụng cốt liệu barit có khối lượng thể tích không nhỏ hơn 3000kg/m3. khi sử dụng phối hợp cốt liệu lớn và cốt liệu nhỏ barit, khối lượng thể tích của bê tông có thể đạt tới 3480kg/m3.

Để đảm bảo lượng nước liên kết trong bê tông trên 10%, cần sử dụng cốt liệu lớn và nhỏ serpentin. Xác định bằng phương pháp nhiệt dung sai cho thấy lượng nước liên kết trong bê tông serpentin có thể đạt tới 14%.

Bê tông cản xạ chế tạo có cấu trúc đặc chắc và khá đồng nhất. Các cấp phối được thiết kế với hệ số dư vữa tối ưu, đảm bảo sử dụng tối đa cốt liệu với khả năng cản xạ được nâng cao.

Khả năng cản xạ của các cấp phối bê tông trên được đánh giá thông qua tiết diện loại trừ nơtron và hệ số làm yếu tuyến tính bức xạ gamma. Đây sẽ là thông số đầu vào cho bài tính thiết kế bảo vệ cản xạ.

Các tính toán lý thuyết đã thực hiện cho thấy khả năng cản xạ của các loại bê tông chống phóng xạ đã được nâng lên đáng kể so với bê tông thường. Cấp phối C1 với cốt liệu barit có hiệu số làm yếu tuyến tính bức xạ gamma cao nhất, thích hợp cho kết cấu bảo vệ chống bức xạ gamma. Cấp phối C5 trên cơ sở cốt liệu serpentin có tiết diện loại trừ vĩ mô nơtron lớn nhất, thích hợp cho kết cấu bảo vệ chống bức xạ nơtron.

Như vậy, các nghiên cứu đã tiến hành cho phép khẳng định, trên cơ sở nguồn nguyên liệu trong nước, có thể chế tạo được các loại bê tông cản xạ phục vụ cho xây dựng NMĐNT bao gồm bê tông siêu nặng, bê tông hydrat và bê tông cản xạ phối hợp.



GS., TS. Nguyễn Mạnh Kiểm: Chủ trì đề tài "Nghiên cứu giải pháp môi trường, vật liệu, kết cấu và công nghệ xây dựng công trình nhà máy điện nguyên tử ở Việt Nam"



Theo VLXD Việt Nam số 2(29)/2010
 
Top