Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô phỏng số đánh giá ứng xử của công trình nhà máy điện hạt nhân chịu tác động động đất

Nhà máy điện hạt nhân là một thực thể được thiết kế để đảm bảo an toàn trong mọi trường hợp sự cố có thể xảy ra đặc biệt đối với các động ngoại lực từ như gió, bão, động đất sóng thần và cả trường hợp máy bay đâm. Sau tai nạn kép động đất và sóng thần xảy ra đối với nhà máy điện hạt nhân Fukushima Dai Ichi năm 2011 tại Nhật Bản đã cho chúng ta thấy hậu quả khủng khiếp đồng thời cũng phải thay đổi không chỉ về quan điểm về quản lý sự cố nghiêm trọng đồng thời cũng phải thay đổi về quan điểm thiết kế cũng như phân tích đánh giá khả năng chịu động đất của các nhà máy điện hạt nhân còn lại. Sau đó hầu hết các nước trên thế giới đặc biệt là châu Âu và Nhật Bản yêu cầu phải đánh giá kiểm tra toàn bộ độ chống chịu của các nhà máy điện hạt nhân.

Theo khuyến cáo của IAEA trong việc thiết kế chống động đất và đánh giá đối với nhà máy điện hạt nhân đã nêu về việc phân loại đối tượng, thiết kế cơ sở chống động đất, tổ hợp tải trọng và phương pháp đánh giá phân tích đối với các phương pháp phân tích như phương pháp tĩnh lực ngang, phương pháp phổ phản ứng và phương pháp lịch sử thời gian. Khu vực Đông nam Á nói chung và Việt Nam nói riêng có cấu trúc kiến tạo và lịch sử phát triển địa độc lực rất độc đáo và phức tạp có các đứt gẫy loại siêu đới hút chìm Manila và các đứt gẫy trượt bằng lớn Tây biển Đông. Đây cũng là nguyên nhân xảy ra các trận động đất nhằm xác định độ nguy hiểm động đất ở Việt Nam và khu vực Biển Đông. Tập bản địa chấn kiến tạo Việt Nam và Biển Đông cùng các số liệu thu thập được về các trận động đất lịch sử và được cập nhật đến năm 2014 đã được đưa ra. Theo đánh giá của các nhà khoa học thì Vùng thềm lục địa của Việt Nam và khu vực đới đứt gẫy Nam Hải Nam có giá trị đỉnh gia tốc nền cực đại (PGA) trung bình khoảng 0,04; 0,07 và 0,09 gal ứng với các chu kỳ 147, 475 và 950 năm. Chính vì thế việc nghiên cứu áp dụng các phương pháp phân tích đánh giá thiết kế kháng chấn của nhà máy điện hạt nhân nói riêng hay các công trình hạt nhân nói chung là đặc biệt quan trọng không những ảnh hưởng đến thiết kế của công trình có thể chống chịu lại ngoại lực tác động như động đất, sóng thần… cũng như việc giảm thiểu hậu quả có thể xảy ra trong quá trình vận hành và tháo dỡ công trình nhà máy điện hạt nhân.

Về mặt pháp lý Việt Nam cũng đã xây dựng được nghị định số 70/2010/NĐ-CP về quy định chi tiết và hướng dẫn thi hành một số điều của Luật năng lượng nguyên tử về nhà máy điện hạt nhân và trong thông tư 21/2013/TT-BKHCN của Bộ KHCN quy định việc áp dụng tiêu chuẩn quy chuẩn kỹ thuật về an toàn hạt nhân trọng việc lựa chọn địa điểm, thiết kế, vận hành và tháo dỡ tổ máy điện hạt nhân, tuy nhiên vẫn chưa có một tiêu chuẩn cụ thể để đánh giá thiết kế chống đối với các kết cấu công trình chịu động đất mà chỉ có tiêu chuẩn về đánh giá địa điểm xây dựng nhà máy điện hạt nhân.

Đề tài “Nghiên cứu áp dụng phương pháp mô phỏng số đánh giá ứng xử của công trình nhà máy điện hạt nhân chịu tác động động đất” do Cơ quan chủ trì đề tài Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài TS. Phạm Ngọc Đồng thực hiện nghiên cứu, với mục tiêu công trình nhà máy điện hạt nhân bao gồm các bộ phận cấu thành là các toà nhà, kết cấu, hệ thống, bộ phận, đường ống và các giá đỡ thiết bị thành phần được xác định rằng chúng có thể chịu được và duy trì chức năng của mình trong các điều kiện bao gồm áp suất, nhiệt độ cao, tải trọng động đất và các hiện tượng tự nhiên khác như sóng thần, bão, gió… Ngoài những tải trọng đơn trong thiết kế còn phải tính toán thêm những tổ hợp tải trọng và ứng suất cho phép phù hợp với các tiêu chuẩn yêu cầu đối với từng nhà máy điện hạt nhân được xây dựng trên địa điểm cụ thể lựa chọn.

Tuy với nhiều nguyên nhân khách quan và chủ quan trong quá trình thực hiện, nhưng Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu như đã đặt ra đáp ứng đủ về mặt số lượng và chất lượng về mặt sản phẩm đặt hàng. Thêm vào đó, Đề tài cũng đạt được mục tiêu là xây dựng được nhóm nghiên cứu liên quan đến thiết kế và đánh giá phân tích kết cấu công trình nhà máy điện hạt nhân có thể tiếp cận và hướng tới tham gia vào công tác đánh giá thẩm định về kết cấu công trình đối với các cơ sở hạt nhân.

Những nội dung tiếp theo được thực hiện trong đề tài đó là lựa chọn mô hình và đánh giá ứng xử của kết cấu toà nhà lò, boongke nhà lò, hệ làm mát vòng một và lò phản ứng đối với động đất. Để tiến hành xây dựng mô hình và đánh giá ứng xử chúng ta cần phải nghiên cứu tìm hiểu các yêu cầu về thiết kế, tiêu chuẩn đánh giá và phân tích của IAEA, Liên bang Nga, Nhật Bản và Hoa Kỳ. Tiếp theo chúng tôi lựa chọn Chương trình ANSYS Workbench, một phần mềm chuyên về phân tích kết cấu và chất lưu có bản quyền được trang bị cho Trung tâm Đào tạo hạt nhân năm 2016. Một trong những lý do quan trọng cho việc lựa chọn chương trình ANSYS Workbench vì đây là chương trình thiết kế trong lĩnh vực cơ học và chất lưu nói chung trên thế giới, đặc biệt nó được sử dụng trong thiết kế nhà máy điện hạt nhân AP1000.

Để xây dựng mô hình và tính toán tòa nhà lò bằng ANSYS trước tiên cần phải hiểu biết rõ về các loại phần tử có sẵn trong thư viện ANSYS và áp dụng loại phần tử nào phù hợp với các tính toán cho tòa nhà lò. Ở đây chúng tôi chọn loại phần tử SOLID65 là loại phần tử mô tả cho loại vật liệu bê tông cốt thép phù hợp với yêu cầu tính toán, ngoài ra báo cáo cũng đi sâu vào tìm hiểu các loại phần tử khác và modun phân tích chuyển tiếp - động (transient structural) sẽ là tài liệu tham khảo tốt cho những người nghiên cứu sau này. Trong báo cáo tổng hợp cũng trình bày phân tích lựa chọn mô hình tính toán và các thông số đầu vào để đánh giá ứng xử kết cấu tòa nhà lò, boongke nhà lò của nhà máy điện hạt nhân AP1000 chịu tác động của động đất. Sau khi xây dựng mô hình, chia lưới phần tử, tòa nhà lò được tính cho bài toán dạng riêng và bài toán động trong 2 trường hợp khi thay đổi thông số hình học độ dày của vỏ tòa nhà lò bị tác động bởi trận động đất El Centro (Mỹ, 1940) và Điện Biên (2001) và kết quả phù hợp với giá trị tương quan giữa hai trận động đất.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 15367/2019) tại Cục Thông tin KHCNQG.

Đ.T.V (NASATI)