Nga tạo ra “lớp phòng thủ kiên cố” cho các nhà máy điện hạt nhân: Một sai sót nhỏ cũng không thể bỏ qua

Đại học Kỹ thuật quốc gia Novosibirsk (NSTU) của Nga đã nhận được bằng sáng chế cho một hệ thống truyền động điện dùng cho chuyển động thẳng đứng của một bộ phận điều khiển trong hệ thống bảo vệ khẩn cấp của lò phản ứng hạt nhân. Thiết bị này giúp cải thiện độ tin cậy của các cơ cấu trong các tình huống nguy cấp.

Hệ thống bảo vệ và kiểm soát (CPS) không chỉ là một bộ phận máy móc; nó là bộ não điều khiển sự ổn định của phản ứng dây chuyền. Bằng cách điều khiển các thanh hấp thụ neutron, hệ thống này đảm bảo năng lượng hạt nhân được giải phóng ở mức ổn định hoặc dừng ngay lập tức trong tình huống khẩn cấp. Nếu hệ thống này tê liệt, dù chỉ trong vài giây, nguy cơ nóng chảy lõi lò và rò rỉ phóng xạ sẽ trở thành thảm họa không thể đảo ngược.

Tuy nhiên, các bộ truyền động điện truyền thống luôn tồn tại một “điểm yếu chí mạng” là sự phụ thuộc vào tính toàn vẹn của mạng lưới điện. Sự cố mất pha – tình trạng một dây dẫn điện bị hỏng – có thể làm động cơ mất mô-men xoắn, khiến các thanh kiểm soát bị kẹt và vô hiệu hóa khả năng dừng lò khẩn cấp. Đây là kịch bản nguy hiểm nhất khi hệ thống bảo vệ bị “phản bội” bởi chính nguồn năng lượng vận hành nó.

Khắc phục điểm yếu chí mạng của mạng lưới điện

Hệ thống CPS của lò phản ứng hạt nhân dựa vào các động cơ điện để di chuyển các thanh hấp thụ neutron. Một rủi ro kỹ thuật luôn thường trực là tình trạng mất pha trong mạng điện. Khi một pha bị ngắt, các động cơ cảm ứng thông thường sẽ mất mô-men xoắn, dẫn đến việc các thanh điều khiển bị “tê liệt” đúng vào thời điểm cần thiết nhất.

Để giải quyết vấn đề này, các kỹ sư NSTU đã thiết kế lại hoàn toàn cấu trúc bên trong của động cơ. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc chuyển đổi chuyển động quay của trục thành chuyển động tịnh tiến, từ đó dẫn động một thanh răng có bộ phận điều khiển. Hệ thống truyền động điện bao gồm một động cơ với bộ điều khiển điện, một hộp số tự hãm và một ly hợp điện từ giúp ngắt kết nối hệ thống truyền động với thanh răng. Một cải tiến quan trọng là ly hợp được trang bị thêm một cuộn dây nối với thiết bị xử lý điện áp. Điều này cho phép điều khiển nguồn điện chính xác hơn và ngăn ngừa hiện tượng kích hoạt sai.

Cơ chế dự phòng “nóng” bên trong lõi động cơ

Khác với các phương pháp dự phòng truyền thống là lắp đặt thêm các thiết bị bên ngoài (gây tốn diện tích và phức tạp hóa hệ thống), giải pháp của NSTU mang tính nội tại. Thiết kế mới cho phép phân phối lại tải trọng điện từ ngay lập tức khi phát hiện sự cố mất pha.

Trong các thử nghiệm mô phỏng, khi một pha của cuộn dây thứ nhất bị ngắt, cuộn dây thứ hai sẽ bù đắp phần năng lượng thiếu hụt. Kết quả là bộ truyền động vẫn thực hiện chính xác các lệnh điều khiển từ hệ thống trung tâm. Điều này đặc biệt quan trọng trong các tình huống khẩn cấp, nơi chỉ cần chậm trễ vài giây trong việc hạ thanh kiểm soát cũng có thể dẫn đến sự cố quá nhiệt lõi lò.

Ngoài ra, việc sử dụng hai cuộn dây độc lập còn giúp giảm dòng điện khởi động và giảm tải nhiệt cho thiết bị. Điều này giúp tăng độ bền của động cơ trong môi trường khắc nghiệt và giảm thiểu tần suất phải thay thế, bảo trì các bộ phận nhạy cảm bên trong khu vực cách ly.

Tiêu chuẩn mới cho an toàn hạt nhân hiện đại

Phát minh này đã được chính thức cấp bằng sáng chế và đang thu hút sự chú ý lớn từ các chuyên gia năng lượng. Điểm mạnh nhất của thiết bị là khả năng tương thích cao với các dòng lò phản ứng hiện có. Các nhà máy điện hạt nhân có thể nâng cấp hệ thống CPS bằng cách thay thế bộ truyền động mới mà không cần phải tái thiết kế lại toàn bộ hạ tầng điều khiển phức tạp.

Các chuyên gia tại NSTU khẳng định rằng, việc áp dụng rộng rãi bộ truyền động điện cuộn dây kép sẽ thiết lập một tiêu chuẩn an toàn mới. Nó không chỉ bảo vệ tài sản của nhà máy mà còn là lớp rào chắn bảo vệ môi trường và cộng đồng trước những rủi ro do lỗi kỹ thuật điện gây ra.

Sự kết hợp giữa tư duy cơ khí truyền thống và các giải pháp điện từ hiện đại của các kỹ sư Novosibirsk đã tạo ra một “lá chắn” vững chắc cho ngành năng lượng hạt nhân. Với việc loại bỏ rủi ro từ lỗi mất pha, hệ thống bảo vệ lò phản ứng giờ đây đã đạt đến một cấp độ tin cậy mới, đảm bảo sự ổn định cho nguồn năng lượng của tương lai.