Trong bối cảnh ngành năng lượng hạt nhân đang chuyển mình mạnh mẽ với sự xuất hiện của các lò phản ứng thế hệ IV (Generation IV) và công nghệ nhiệt hạch, việc xây dựng và áp dụng các quy chuẩn kỹ thuật mới là một thách thức lớn. Bài viết này phân tích cách thức Ủy ban Năng lượng Nguyên tử và Năng lượng Thay thế Pháp (CEA) phối hợp cùng Hexagon để giải quyết bài toán phân tích ứng suất đường ống phức tạp thông qua phần mềm PIPESTRESS, dựa trên bộ tiêu chuẩn RCC-MRx.
1. Thách thức trong việc chuẩn hóa công nghệ hạt nhân mới
Việc soạn thảo các quy tắc và tiêu chuẩn cho nhà máy điện hạt nhân luôn đòi hỏi sự cân bằng giữa hai yếu tố đối lập: kinh nghiệm vận hành đã được kiểm chứng và sự đổi mới công nghệ. Các công nghệ mới như lò phản ứng mô-đun nhỏ (SMR), lò phản ứng Thế hệ IV và các cơ sở nhiệt hạch đang đặt ra những điều kiện vận hành vượt ra ngoài phạm vi của các tiêu chuẩn hiện hành, bao gồm nhiệt độ rất cao, vật liệu mới và cấu hình mô-đun phức tạp.
Để giải quyết vấn đề này, Hiệp hội AFCEN (Pháp) đã phát triển bộ mã RCC-MRx. Đây là bộ quy tắc thiết kế và xây dựng thiết bị cơ khí cho các cơ sở hạt nhân tiên tiến, bao gồm lò phản ứng neutron nhanh, lò phản ứng nghiên cứu và các cơ sở nhiệt hạch. Tuy nhiên, việc thiếu kinh nghiệm vận hành công nghiệp đối với các thiết kế mới này buộc các quy tắc thiết kế phải dựa vào các nghiên cứu sơ bộ và thử nghiệm định tính, tạo ra thách thức lớn trong việc đảm bảo an toàn mà không gây ra các yêu cầu quá khắt khe làm cản trở thiết kế.
2. Bài toán “Rừng Ống” tại dự án ITER
Một ví dụ điển hình cho sự phức tạp này nằm ở dự án ITER (Dự án lò phản ứng thí nghiệm nhiệt hạch quốc tế). Bên trong buồng chân không của ITER là các Mô-đun Bao Test (TBMs), kết nối với hệ thống thiết bị phụ trợ thông qua một mạng lưới đường ống phức tạp được gọi là “Pipe Forest” (Rừng Ống).
Các đường ống này phải chịu tải trọng nhiệt cơ học nghiêm trọng và vận chuyển các chất lỏng trong điều kiện khắc nghiệt. Thách thức đặt ra là làm thế nào để đánh giá chi tiết hệ thống đường ống này theo tiêu chuẩn RCC-MRx. Tại thời điểm đó, một “khoảng trống” công nghệ đã xuất hiện: không có công cụ hậu xử lý (post-processing tool) nào sẵn có để sử dụng trực tiếp kết quả phân tích độ linh hoạt theo các quy định của RCC-MRx.
Ông Stéphane Gazzotti, Kỹ sư Nghiên cứu Mô hình Tính toán tại CEA, nhấn mạnh: “Không có công cụ hậu xử lý RCC-MRx nào tồn tại nguyên trạng, điều này đã dẫn dắt CEA hợp tác với ITER và Assystem để phát triển một phương pháp phân tích độ linh hoạt cụ thể”.
3. PIPESTRESS: Giải pháp chuyên biệt từ Hexagon
Để giải quyết bài toán trên, CEA đã lựa chọn phần mềm PIPESTRESS của Hexagon. Đây là phần mềm đã được duy trì theo các quy trình đảm bảo chất lượng (QA) hạt nhân trong hơn 40 năm và được sử dụng tại hơn 50 nhà máy hạt nhân trên toàn thế giới.
Sự khác biệt cốt lõi của PIPESTRESS nằm ở khả năng tích hợp nguyên bản (native integration) các mã RCC-MRx và RCC-MX. Thay vì phải sử dụng các giải pháp thay thế (workarounds), PIPESTRESS sử dụng chính xác các hệ số do bộ mã quy định để tính toán ứng suất đường ống.
Các ưu điểm kỹ thuật chính bao gồm:
- Tính toán đồng thời: Cho phép mô hình hóa nhanh và lặp lại trên các mạng lưới đường ống lớn, phức tạp, cho phép tính toán đồng thời tất cả các phần tử đường ống.
- Mô hình định dạng văn bản (Text-editable): Khả năng chỉnh sửa toàn bộ mô hình ở định dạng .txt giúp tạo ra một lộ trình kiểm toán (audit trail) rõ ràng cho việc rà soát và phê duyệt, đáp ứng yêu cầu khắt khe về QA hạt nhân.
- Tính công thái học cao: So với các công cụ tổng quát, PIPESTRESS được xây dựng chuyên biệt cho nhiệm vụ này, cho phép nhập hình học nhanh qua macro, sửa đổi tuyến ống và giá đỡ trực tiếp (on the fly).
4. Hiệu quả và Tầm nhìn tương lai
Việc áp dụng PIPESTRESS đã mang lại hiệu quả quản lý rõ rệt, cải thiện khả năng truy xuất nguồn gốc và khả năng giám sát các chỉ số hiệu suất chính (KPIs). Quan trọng hơn, nó cho phép CEA chạy các kiểm tra ứng suất đường ống tuân thủ mã RCC-MRx một cách chính xác mà không cần các bước trung gian thủ công.
Sự phát triển của RCC-MRx và các công cụ hỗ trợ như PIPESTRESS chứng minh rằng sự thành thạo về kỹ thuật là cốt lõi để thích ứng các tiêu chuẩn với sự đổi mới. CEA, với vai trò là cơ quan nghiên cứu công lập, đóng vai trò quan trọng như một “giường thử nghiệm” (testbed), tích lũy dữ liệu độc nhất để củng cố và mở rộng phạm vi của bộ mã này, bao gồm cả việc tích hợp dữ liệu vật liệu mới như thép Eurofer cho kết cấu nhiệt hạch hay thép không gỉ 316L trong phạm vi từ biến (creep range).
Nhờ sự hợp tác giữa các đơn vị như CEA, ITER và các đối tác công nghệ như Hexagon, bộ tiêu chuẩn RCC-MRx hiện đã được công nhận vượt ra ngoài biên giới nước Pháp, trở thành tài liệu tham khảo trong khuôn khổ Châu Âu cho các lò phản ứng tiên tiến.
Bình luận