Hệ xử lý khí thải dự phòng trong lò phản ứng nước sôi

CôngThương - Tuy nhiên, việc xử lý khẩn cấp các sản phẩm phân hạch, các sản phẩm bị kích hoạt trong nhà lò đối với các loại hệ thống lò phản ứng khác nhau được thực hiện theo cách thức khác nhau. Ví dụ, trong hệ thống PWR, hệ phun nhà lò (contaiment spray-CS) có chức năng chủ yếu là hấp thụ Iốt để làm giảm nhanh chóng một lượng lớn hơi Iốt bị tung vào không gian nhà lò. Trong khi đó đối với hệ thống BWR, hệ xử lý khí thải dự phòng (standby gas treatment system-SGTS) có thể xử lý các loại khí nhiễm xạ gồm son khí và Iốt đồng thời ngăn chặn sự rò rỉ phóng xạ ra bên ngoài nhà lò.

SGTS trong hệ thồng BWR có hai chức năng khi xảy ra sự cố: duy trì áp suất âm bên trong không gian nhà lò và làm giảm thiểu sự phát thải khí nhiễm phóng xạ ra môi trường khí quyển bên ngoài. SGTS cũng được coi như là một bộ phận của hệ nhà lò trong hệ thống BWR.

SGTS thường là chuỗi thiết bị kép với mục đích dự phòng. Mỗi chuỗi thiết bị xử lý khí thải gồm các bộ phận chính như: một quạt hút, một thiết bị tách sương, một thiết bị sấy, một thiết bị lọc khí thô, hai thiết bị lọc khí tinh, một thiết bị hấp thụ Iốt.

Nguyên tắc hoạt động của SGTS là: Khi SGTS khởi động, hệ thông gió vận hành bình thường cho nhà lò sẽ dừng hoạt động. Quạt hút trong SGTS sẽ hoạt động độc lập để duy trì áp suất âm (thường là-6mm cột nước trong nhà lò thứ cấp) đồng thời hút khí bị nhiễm xạ cao đưa đến các thiết bị xử lý trước khi xả ra khí quyển bên ngoài qua ống khói. Lưu lượng của quạt hút được tính toán phải đủ lớn một cách thích hợp nhằm đảm bảo chỉ có khí lọt vào nhà lò mà không thể lọt khí ra để ngăn chặn sự rò rỉ phóng xạ ra ngoài môi trường.

SGTS được vận hành một cách tự động theo sau một sự kiện LOCA. Ngoài ra, SGTS sẽ tự động xử lý khẩn cấp khí quyển của nhà lò thứ cấp trong quá trình vận hành đảo thanh nhiên liệu hoặc của nhà lò sơ cấp trong quá trình tẩy rửa thiết bị nếu có tín hiệu bức xạ tăng lên trên mức cho phép.

Dưới đây sẽ trình bày chức năng và cấu tạo của các thiết bị xử lý khí trong SGTS.

Mô tả các thiết bị xử lý khí trong SGTS

SGTS thường được bố trí bên trong nhà lò thứ cấp của BWR. Nguyên lý hoạt động của SGTS (H.1) như sau: khí nhiễm xạ bên trong nhà lò đi qua một quạt hút đến bộ tách sương để tách các giọt nước bị cuốn theo dòng khí, sau đó tiếp tục đến một thiết bị sấy khí bằng điện để làm giảm độ ẩm của dòng khí trước khi đi vào phin lọc thô, tại phin lọc thô các hạt bụi lớn được giữ lại. Việc tách các hạt bụi lớn ra khỏi dòng khí có ý nghĩa nhằm giảm thiểu sự tải cho phin lọc tinh phía sau. Phin lọc tinh là loại phin có hiệu quả lọc rất cao đối với các cỡ hạt nhỏ có đường kính ≥ 0,3μm, gọi tắt là phin lọc HEPA, để loại trừ các son khí phóng xạ như Cr, Mn, Co, Fe, Zn, Sr, Cs... Riêng Iốt hiện diện trong dòng khí được khử tiếp theo bởi một thiết bị hấp thụ bằng than hoạt tính, gọi tắt là thiết bị than hoạt tính. Trước khi thải ra ngoài qua ống khói, dòng khí được đưa qua một phin lọc HEPA để loại trừ một lần nữa các son khí phóng xạ còn tồn lưu.

H.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ xử lý khí thải dự phòng trong thiết kế ABWR

Thêm vào đó, trong khoảng không gian lớn giữa các phin lọc HEPA và thiết bị than hoạt tính có các thiết bị sưởi làm ấm môi trường bao quanh ống dẫn khí nhằm duy trì nhiệt độ của thành ống không xuống dưới nhiệt độ đọng sương của không khí .

Các thiết bị phin lọc HEPA và thiết bị than hoạt tính là bộ phận quan trọng nhất trong SGTS do đó sẽ được đề cập cụ thể hơn ở đây.

Phin lọc HEPA

Phin lọc HEPA (high efficiency particulate air) như trên đã nói làphin lọc khí có hiệu quả lọc rất cao khoảng 99,97% đối với các hạt có đường kính ≥ 0,3μm. Phin lọc HEPA (H.2) gồm một tấm đan bằng các sợi được sắp xếp ngẫu nhiên. Vật liệu của sợi là sợi thủy tinh và có đường kính trong dải từ 0,5-2μm. Khoảng cách giữa các sợi > 0,3μm. Các thông số chính ảnh hưởng đến chức năng của phin HEPA là đường kính sợi, chiều dày của phin (diện tích lọc) và vận tốc bề mặt (vận tốc dòng khí đi vào)

H.2: Phin lọc HEPA (Hình trái: Nhìn bên ngoài; Hình phải: Cấu tạo bên trong)

Phin lọc HEPA được thiết kế cho dòng khí nhiễm bụi có cỡ hạt nhỏ. Các hạt nhỏ được giữ lại (bám vào sợi) trong phin HEPA nhờ tổ hợp của ba cơ chế sau:

- Cơ chế chặn (interception): Các hạt có trong dòng khí đi vào phin lọc lọt vào bên trong bán kính các sợi và bị chặn lại.

- Cơ chế va chạm (impaction: Do tấm lọc được thiết kế gấp khúc để tạo ra đường đi uốn lượn của dòng khí nên các hạt lớn (≥ 0,4μm) đi theo không thể tránh khỏi va chạm vào các sợi, kết quả là các hạt bị ép gắn vào sợi. Hiệu ứng này sẽ tăng lên với việc làm giảm khoảng cách giữa các sợi và tăng vận tốc dòng khí

- Cơ chế khuếch tán (diffusion): Sự xung đột giữa các phân tử khí với các hạt nhỏ nhất, đặc biệt là các hạt <0,1μm, làm cho dòng khí bị cản trở, bị chậm lại và do đó làm tăng khả năng các hạt bị giữ lại do một trong hai cơ chế nói trên tác động. Cơ chế khuếch tán sẽ chiếm ưu thế khi vận tốc dòng khí nhỏ.

Kích thước của phin lọc HEPA được thiết kế dựa trên thông số lưu lượng dòng khí cần được xử lý. Ứng với lưu lượng khác nhau, diện tích lọc khác nhau và do đó trở lực của phin cũng khác nhau. Sau một quá trình làm việc, tải của phin tăng lên nghĩa là trở lực của phin tăng lên làm giảm lưu lượng khí cần xử lý, đòi hỏi cần thay thế phin lọc mới. Một yếu tố cũng làm giảm thời gian làm việc của phin lọc là độ ẩm cao của dòng khí.

Hiệu quả lọc của một phin lọc HEPA tiêu chuẩn phụ thuộc chủ yếu vào vận tốc dòng khí. (theo tiêu chuẩn của Cơ quan năng lượng Hoa Kỳ, vận tốc dòng khí đi vào phin lọc HEPA cần < 1,52m/phút)

Thiết bị than hoạt tính

Thiết bị than hoạt tính hay thiết bị hấp thụ bằng than hoạt tính (activated carbon adsorber) được sử dụng để hấp thụ rất hiệu quả một số hóa chất trong đó có Iốt (I). Với chức năng khử Iốt trong lĩnh vực hạt nhân, thiết bị than hoạt tính còn được gọi là phin lọc Iốt (iodine filter). Các sản phẩm phân hạch I-131 và các hợp chất của Iốt như methyl Iốt được khử trong phin lọc Iốt (H.3) theo cơ chế hấp thụ trên than hoạt tính.

Vật liệu hấp thụ trong phin lọc Iốt là than hoạt tính ở dạng bột cực mịn (H.4) để làm tăng diện tích bề mặt (1gam than hoạt tính có diện tích >500m2) cho sự hấp thụ hoặc phản ứng hóa học. Than hoạt tính được làm từ các vật liệu chứa cacbon như vỏ quả hạch, vỏ và xơ dừa, than bùn, gỗ. v.v. Các vật liệu này được chế tạo thành than hoạt tính bằng phương pháp lý học như đốt hiếm khí tại nhiệt độ 600-900oC hoặc oxy hóa trong khí quyển tại nhiệt độ 600-1200oC. Than hoạt tính có thể được điều chế bằng phương pháp hóa học với việc tẩm vào vật liệu thô các hóa chất khác như axit, kiềm mạnh hoặc muối trước khí đốt tại nhiệt độ 450-900oC .

H.3: Phin lọc Iốt - H.4: Vật liệu than hoạt tính

H.5: Phin lọc Iốt dạng tổ ong

Phin lọc Iốt thường có hai loại: loại đơn giản dạng thùng hoặc loại phức tạp dạng tổ ong (H.5). Loại thùng thường chứa được nhiều than hoạt tính hơn nhưng trở lực lại lớn (≤ 300mm cột nước) trong khi dạng tổ ong chế tạo phức tạp hơn nhưng bù lại có trở lực thấp hơn nhiều (≤ 40mm cột nước).

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả khử I-131 và hợp chất của nó là hệ số làm việc K và thời gian lưu dòng khí trong thiết bị (gọi tắt là thời gian lưu). Thời gian lưu phụ thuộc vào thể tích khối than hoạt tính được chứa trong thiết bị và lưu lượng dòng khí đi qua thiết bị.

Các thông số vận hành ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của thiết bị là độ ẩm của dòng khí. Khi độ ẩm của dòng khí tăng lên (chứa nhiều hơi nước) sẽ làm tăng sự giải hấp đối với các thành phần Iốt cần được khử đặc biệt là hợp chất của Iốt. Nghĩa là hiệu quả hấp thụ giảm xuống.khi trong dòng khí chứa nhiều hơi nước. Để đảm bảo hiệu quả hấp thụ cao khi độ ẩm dòng khí cao người ta cần phải tăng thể tích khối than hoạt tính. Điều này là không mong muốn. Do đó thông số vận hành cho phin lọc Iốt tiêu chuẩn đối với độ ẩm tương đối của dòng khí cần khống chế là 70%.

Để làm tăng khả năng giữ lại các hợp chất Iốt trong thiết bị, than hoạt tính thường được tẩm thêm các thành phần hóa học khác như KI hoặc TEDA (diamin triethylen) với khối lượng bằng 0,5-5% khối lượng than.

Cơ sở khoa học cho sơ đồ nguyên lý của SGTS

Sơ đồ nguyên lý (bố trí thiết bị) của SGTS đã được đề cập ở mục 2. Trong mục này sẽ giải thích rõ hơn về cơ sở khoa học cho sơ đồ nguyên lý nêu trên.

Phin lọc Iốt cần phải khử Iốt dạng hạt và dạng khí. Tuy nhiên, hiệu quả khử Iốt dạng hạt trong thiết bị than hoạt tính rất thấp. Vì vậy phin lọc Iốt cần thiết phối hợp với một phin lọc hạt như HEPA. Do trong dòng khí, Iốt được hấp thụ lên các hạt có thể bị giải hấp một lần nữa và Iốt nguyên tố có thể được chuyển hóa thành dạng khí bởi sự oxy hóa nên thiết bị lọc Iốt phải được đặt phía sau phin lọc hạt - HEPA. Để bảo vệ phin lọc HEPA khỏi sự quá tải nhanh, kéo dài tuổi thọ của phin, một phin lọc thô đơn giản có giá thành thấp được bố trí trước phin lọc HEPA. Bụi được hình thành trong phin lọc Iốt từ sự mài mòn các vật liệu hấp thụ, sẽ bị cuốn theo dòng khí ra khỏi phin lọc Iốt. Các hạt bụi này có thể bị nhiễm Iốt do đó cần có phin lọc hạt được bố trí phía sau phin lọc Iốt và thường được lựa chọn là phin lọc HEPA. Các thiết bị sấy điện, sưởi ấm đặt trước các thiết bị phin lọc để hạn chế độ ẩm tương đối của dòng khí theo yêu cầu về thông số vận hành của phin.

Theo Viện Khoa học và kỹ thuật hạt nhân