Trên cơ sở các vật liệu trong nước, đã tiến hành thiết kế cấp phối và nghiên cứu một số tính chất của bê tông có tính năng cản xạ cao, bao gồm bê tông siêu nặng trên cơ sở barit và bê tông hydrat trên cơ sở serpentin.
Các loại bê tông trên có thể dùng cho các kết cấu cản xạ trong xây dựng nhà máy điện hạt nhân.
GS. TS. Nguyễn Mạnh Kiểm
TS. Nguyễn Đức Thắng
TS. Hoàng Minh Đức
Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng
Tóm tắt: Trên cơ sở các vật liệu trong nước, đã tiến hành thiết kế cấp phối và nghiên cứu một số tính chất của bê tông có tính năng cản xạ cao, bao gồm bê tông siêu nặng trên cơ sở barit và bê tông hydrat trên cơ sở serpentin. Các loại bê tông trên có thể dùng cho các kết cấu cản xạ trong xây dựng nhà máy điện hạt nhân.
1. KHÁI QUÁT VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
Xuất hiện lần đầu tiên vào năm 1954 tại Liên Xô cũ, cho đến nay Nhà máy điện hạt nhân (NM ĐHN) ngày càng trở thành một trong những nguồn cung cấp năng lượng quan trọng hàng đầu. Với 442 lò phản ứng đang hoạt động tại 31 nước, các NM ĐHN hiện đang cung cấp 363 GW điện năng hàng năm trên toàn thế giới. Mặc dù hiện nay còn nhiều tranh cãi xung quanh vấn đề an toàn NM ĐHN, nhưng nhiều nước trên thế giới vẫn khẳng định năng lượng hạt nhân là hướng đi quan trọng trong chiến lược năng lượng của mình.
Để giải quyết nhu cầu cấp thiết về điện năng, Nhà nước ta đã có đề án xây dựng NM ĐHN đầu tiên vào thập kỷ thứ 2 của thế kỷ 21. Dự kiến NM ĐHN sẽ có hai tổ máy với công suất mỗi tổ máy 1000 MW, đáp ứng khoảng 1/3 tổng sản lượng điện cả nước. Để phục vụ cho việc thực hiện thành công đề án trên, ngay từ lúc này hàng loạt các nghiên cứu đã và đang được triển khai theo nhiều hướng khác nhau, trong đó có hướng nghiên cứu về công nghệ và vật liệu phục vụ xây dựng NM ĐHN.
NM ĐHN được xây dựng dựa trên nguyên tắc của nhà máy nhiệt điện, trong đó nguồn năng lượng dùng để vận hành tuốc bin không phải sinh ra từ việc đốt nhiên liệu than đá, dầu mazút, ... mà từ phản ứng hạt nhân. Phản ứng hạt nhân tạo nguồn năng lượng vận hành NM ĐHN được sinh ra và duy trì trong lò phản ứng - một hạng mục quan trọng nhất của nhà máy. Quá trình công nghệ, các yêu cầu về kết cấu các hạng mục công trình, quy mô xây dựng của nhà máy, ... phụ thuộc rất nhiều vào đặc điểm công nghệ lò phản ứng. Mặc dù vậy, nhìn chung NM ĐHN bao gồm các hạng mục sau:
- Các hạng mục chính:
- Các phân xưởng chính như gian lò phản ứng, gian máy, khu vực các thiết bị điện;
- Các phân xưởng đặc biệt như phân xưởng xử lý nước, khu vực sinh hoạt phụ trợ, xưởng cơ khí;
- Kho chứa chất thải phóng xạ với các kho chứa và phân xưởng chế biến;
- Trạm điện diezen;
- Các hạng mục phụ trợ:
- Trạm biến thế và trạm phân phối điện ngoài trời;
- Các phân xưởng phụ trợ;
- Nhà hành chính;
- Các phòng thí nghiệm;
- Phân xưởng khí, mazut và các khu vực khác [1].
Tổng mức đầu tư và khối lượng xây lắp của NM ĐHN là khá lớn, nhưng đa số các hạng mục tương tự như các nhà máy điện thông thường. Điểm khác biệt chính của NM ĐHN nằm ở gian lò phản ứng và gian máy. Kết cấu khu vực này phải thỏa mãn các đặc điểm của chu trình công nghệ và các yêu cầu bảo vệ. Kết cấu gian lò phản ứng thường được thiết kế với độ kín khít tuyệt đối và khả năng chịu áp lực từ bên trong. Đặc điểm này xuất phát từ yêu cầu bảo vệ tránh rò rỉ phóng xạ trong các trường hợp khẩn cấp.
2. CÁC NGUỒN BỨC XẠ CHÍNH TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN VÀ BIỆN PHÁP CẢN XẠ
Các lò phản ứng thương mại đang vận hành hiện nay chủ yếu làm việc trên cơ sở hiện tượng phân hạch gây ra bởi các nơtron nhiệt. Trong quá trình phân hạch, các đồng vị phóng xạ được hình thành đồng thời với việc giải phóng năng lượng, nơtron nhanh và các bức xạ khác như alpha, bêta và gamma [1,2].
Để duy trì phản ứng hạt nhân, người ta sử dụng các chất làm chậm nơtron nhanh về nơtron nhiệt. Nơtron nhiệt có độ xuyên thấu thấp nên có khoảng ảnh hưởng hẹp. Nơtron nhanh có độ xuyên thấu cao và có ảnh hưởng sinh học lớn nhưng dễ dàng bị cản lại bởi các chất có khối lượng riêng thấp như nước, graphít, parafin, polyetylen,..[3]
Bức xạ gamma có khả năng xuyên thấu cao nhưng dễ bị các chất có khối lượng riêng cao như sắt, chì, ... cản lại.
Các bức xạ alpha và bêta có khả năng xuyên thấu thấp và dễ bị ngăn cản.
Các dạng bức xạ trên khi tác động vào vật liệu một mặt sẽ đốt nóng vật liệu, mặt khác sẽ gây nên các biến đổi về cấu trúc tạo ra các khuyết tật cấu trúc [2]. Việc tích lũy các khuyết tật này sẽ khiến tính chất của vật liệu bị thay đổi. Đối với cơ thể sống, các bức xạ không những làm biến đổi tế bào tại thời điểm chiếu xạ mà còn gây ra các thay dổi có tính di truyền. Trong các dạng bức xạ trên thì ảnh hưởng sinh học của nơtron là lớn nhất. Chính các tác động tiêu cực của bức xạ phát ra trong quá trình vận hành NM ĐHN khiến cho vấn đề bảo vệ (sinh học và thiết bị, kết cấu) trở thành một vấn đề quan trọng có tính sống còn đối với nhà máy.
Dựa vào các đặc tính cản xạ của vật liệu đối với từng dạng bức xạ, ta có thể thiết kế các lớp cản xạ hiệu quả cho từng dạng hoặc nhiều dạng bức xạ với các liều lượng khác nhau tùy thuộc vào từng khu vực đặc thù trong NM ĐHN.
Nguồn bức xạ chính trong NM ĐHN tập trung tại gian lò phản ứng, kho chứa nhiên liệu, kho chứa chất thải, hệ thống nước,... Đây là các khu vực có yêu cầu bảo vệ chống phóng xạ cao nhất và có hệ thống cản xạ được thiết kế thành nhiều lớp.
Hệ thống cản xạ cho khu vực lò phản ứng được thiết kế theo 5 lớp, bao gồm các lớp bảo vệ đi liền với thiết bị lò phản ứng (lớp 1, 2 và 3) và các lớp bảo vệ thuộc kết cấu gian lò.
Lớp bảo vệ liên quan tới kết cấu gian lò bao gồm lớp bảo vệ sơ cấp và thứ cấp. Trong đó, lớp bảo vệ sơ cấp bao bọc xung quanh lò phản ứng được thiết kế để làm giảm bức xạ nơtron tới mức không làm kích hoạt đáng kể các vật liệu liền kề và giữ cho liều lượng bức xạ gamma nhỏ hơn liều lượng phát ra từ nước làm mát. Lớp bảo vệ sơ cấp có thể được chế tạo từ bê tông siêu nặng kết hợp với các vật liệu khác [3].
Lớp bảo vệ thứ cấp thực hiện chức năng của hệ thống bao che cách ly lò phản ứng, có tác dụng làm giảm bức xạ tới mức an toàn, cho phép con người có thể tiếp xúc liên tục. Vật liệu cho lớp bảo vệ thứ cấp chủ yếu là các loại bê tông thường.
Trong NM ĐHN một số loại vật liệu khác như polyetylen, parafin, thép, chì,... cũng được sử dụng làm vật liệu cản xạ. Nhưng nhìn chung, bê tông và bê tông cốt thép với khả năng linh hoạt cao và giá thành rẻ vẫn được sử dụng phổ biến nhất với khối lượng sử dụng trong một NM ĐHN lên đến khoảng 250.000 m3, trong đó chủ yếu là bê tông nặng thông thường trên cơ sở các vật liệu tại chỗ.
Bê tông nặng thông thường được sử dụng trong các kết cấu chịu lực của nhà máy và lớp bảo vệ thứ cấp. Bê tông được thiết kế trên nền các vật liệu thông thường, có khối lượng thể tích khoảng 2200-2400kg/m3, cường độ chịu nén khoảng 20 - 50 MPa.
Bê tông nặng thông thường trên cơ sở các vật liệu tại chỗ phải thỏa mãn các yêu cầu về chịu lực của kết cấu và đặc điểm công nghệ thi công như công nghệ dự ứng lực, công nghệ cốt liệu đặt trước, công nghệ trượt, phun khô, ... Cấp phối bê tông được thiết kế theo các quy phạm hiện hành.
Một số khu vực của NM ĐHN vận hành trong điều kiện nhiệt độ cao, đòi hỏi vật liệu sử dụng phải thường xuyên làm việc ở nhiệt độ 60OC, nhiệt độ tối đa có thể tới 250 - 300OC. Bê tông cho khu vực này được thiết kế có tính đến yêu cầu về nhiệt độ làm việc [1, 2].
Bê tông có tính năng cản xạ đặc biệt được thiết kế trên cơ sở các thông số cụ thể về yêu cầu cản xạ và đặc điểm làm việc của kết cấu. Trong đó các thông số về bức xạ là căn cứ để lựa chọn vật liệu sử dụng.
Khả năng ngăn cản các tia gamma tỷ lệ thuận với khối lượng riêng của vật liệu. Do đó, để chế tạo bê tông với tính năng cản bức xạ gamma, các loại cốt liệu có khối lượng riêng lớn như barit, gematit, limonit, magnetit, sắt,... được sử dụng nhằm nâng cao khối lượng thể tích của bê tông. Khối lượng thể tích của bê tông với các loại cốt liệu trên có thể lên tới trên 3000 kg/m3.
Để ngăn cản dòng nơtron, trong thành phần bê tông cần có các chất có khối lượng riêng thấp như nước, parafin, ... Để chế tạo bê tông cản xạ nơtron có thể sử dụng các loại cốt liệu chứa nhiều nước liên kết như serpentin,... hoặc sử dụng các loại phụ gia biến tính trên cơ sở nhũ tương parafin.
Chất kết dính cho các loại bê tông đặc biệt trên vẫn là các loại ximăng pooc lăng và ximăng pooc lăng hỗn hợp thông thường. Để nâng cao tính công tác cũng như các tính năng khác của hỗn hợp bê tông và bê tông có thể sử dụng các loại phụ gia truyền thống.
Phương án sử dụng bê tông thường hay bê tông cản xạ vào từng kết cấu của từng hạng mục phải được tính toán dựa trên cả các yêu cầu kỹ thuật cũng như hiệu quả kinh tế. Trong nhiều trường hợp, sử dụng bê tông thường mặc dù dẫn đến tăng kích thước kết cấu nhưng về mặt kinh tế vẫn có hiệu quả cao hơn khi sử dụng bê tông đặc biệt. Tuy nhiên bê tông với tính năng cản xạ đặc biệt vẫn là vật liệu không thể thiếu trong xây dựng NM ĐHN.
3. 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, magnhetit, cromit, barit, geotit, serpentin,... 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 các 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.
a, Barit
Barit là khoáng phi kim, trong đó thành phần chính là barisulphat (BaSO4), có độ cứng 3 - 3,5 theo thang Morh, khối lượng riêng 4,5g/cm3. Barit chứa các tinh thể trong suốt, nhưng thường có mầu trắng hoặc xám (do chứa khí và nước), màu đỏ (chứa oxit sắt), màu vàng nâu (chứa hydroxit sắt), màu đen (chứa bitum), màu xanh lục (chứa oxit đồng). Barit thường có trong các khoáng sản nhiệt dịch và đi kèm theo nhiều khoáng sản sunphua, chì, kẽm, mangan, sắt và các quặng khác.
Tại Việt nam, barit thường thấy trong các khoáng sản sunphua. Hiện nay đã tiến hành thăm dò và đánh giá được khoảng 40 tụ khoáng và điểm quặng barit tại Tuyên Quang, Lai Châu, Thái Nguyên, Bắc Giang, Thanh Hóa và Nghệ An. Nhìn chung các tụ khoáng có chất lượng khá cao, hàm lượng trung bình là 19-40%, song trữ lượng không lớn. Theo tài liệu tìm kiếm và thăm dò 1956-1992 [4], tổng trữ lượng barit của Việt Nam là 30,18 triệu tấn.
Hiện nay, sản lượng khai thác barit hàng năm đạt dưới 10 nghìn tấn trong khi đó dự báo nhu cầu tiêu thụ trong nước (chủ yếu làm dung dịch khoan cho ngành dầu khí và hóa chất) đến 2005 sẽ là khoảng 15.000-20.000, đến 2010 - khoảng 30.000 và đến 2020 - khoảng 35.000 tấn/năm.
Cốt liệu barit cho bê tông siêu nặng cản xạ là sản phẩm chế biến quặng barit, có các tính chất được trình bày trong bảng 1 và 2.
b, Serpentin
Serpentin có công thức hóa học 3MgO.SiO2.2H2O với thành phần MgO 43%, SiO2 44,1% và H2O 12,9%. Serpentin có độ cứng 2,4 - 3,5 theo thang Morh, khối lượng riêng 2,4 - 2,9 g/cm3 với màu thường gặp là màu xanh vàng, xanh thẫm, trắng, vàng nhạt, màu lục trong những mảnh nhỏ với các sắc lục vỏ trai tới lục đen, đôi khi lục nâu;
Tại nước ta, serpentin được tìm thấy ở Chiềng Sơ - Điện Biên, Nông cống - Thanh Hóa, Thượng Hà - Yên Bái với trữ lượng ước tính khoảng 36 triệu tấn. Từ trước tới nay serpentin với sản lượng khai thác khoảng 84.000 tấn/năm (năm 1997) thường được dùng làm nguyên liệu trợ dung cho các nhà máy phân lân nung chảy.
Các tích chất của cốt liệu serpentin dùng chế tạo bê tông cản xạ được trình bày tại bảng 3 và 4.
Các số liệu trên cho thấy các tính chất của cốt liệu barit và serpentin thỏa mãn TCVN 1770:1986 và TCVN 1771:1987, 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 3000 kg/m3 (đối với bê tông siêu nặng);
- Lượng nước liên kết không nhỏ hơn 10% (đối với bê tông serpentin).
Vật liệu sử dụng cho các cấp phối trên là cốt liệu barit và serpentin dùng riêng rẽ hoặc phối hợp. Các cấp phối được trình bày tại bảng 5, tính chất của bê tông cản xạ tại bảng 6, hình ảnh cấu trúc bê tông tại hình 1.
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 khỏang 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.
Hình 1. Cấu trúc bê tông siêu nặng barit (a) và bê tông hydrat serpentin (b)
4. KẾT LUẬN
1- Sử dụng năng lượng hạt nhân là một định hướng phát triển quan trọng đã được chính phủ xác định thông qua đề án xây dựng NM ĐHN đầu tiên ở nước ta. Trong xây dựng và vận hành NM ĐHN thì bảo vệ chống phóng xạ là vấn đề quan trọng nhất, có ý nghĩa sống còn đối với việc phát triển điện hạt nhân. Các giải pháp bảo vệ hiện nay đảm bảo giảm thiểu một cách tối đa nguy cơ ô nhiễm phóng xạ từ nhà máy.
2- Trong số các vật liệu xây dựng NM ĐHN, bê tông và bê tông cốt thép chiếm tỷ trọng cao nhất. Bê tông không những được sử dụng trong các kết cấu chịu lực của nhà máy mà còn thực hiện vai trò bảo vệ cản xạ. Các kết cấu bảo vệ cản xạ hiệu quả thường được chế tạo từ bê tông với tính năng cản xạ đặc biệt như bê tông siêu nặng, bê tông hydrat.
3- Nghiên cứu, khảo sát cho thấy có thể chế tạo được bê tông cản xạ trên cơ sở khoáng sản barit và serpentin sẵn có trong nước. Bê tông cản xạ chế tạo tại Viện KHCN XD có khối lượng thể tích đạt 3480kg/m3 (bê tông siêu nặng trên cơ sở barit), chứa tới 14% nước liên kết (bê tông hydrat trên cơ sở serpentin), thỏa mãn các yêu cầu đối với bê tông cản xạ sử dụng trong xây dựng NM ĐHN.
4- Các nghiên cứu trên chỉ là các nghiên cứu bước đầu có tính định hướng. Để giải quyết tốt vấn đề vật liệu xây dựng cho NM ĐHN cần dầu tư nghiên cứu sâu hơn nữa các chủng loại và tính chất của bê tông, nhất là sự biến đổi tính chất trong điều kiện bị chiếu xạ.
Tài liệu tham khảo
1. Дубровский В.Б. Строительство атомных электростанций. М., Энергоатом-издат, 1987, 247с.
2. Concrete for nuclear reactor. ACI SP-34, vol.1, 638p.
3. Дубровский В.Б.. Аблевич З. Строительные материалы и конструкции защиты от ионизируюцих излучений. М., Строийздат, 1983, 240с.
4. Nguyễn Ngọc Linh chủ biên. Xác lập các luận cứ khoa học, đánh giá định lượng, định hướng sử dụng hợp lý tài nguyên khoáng sản Việt Nam đến năm 2020.