Giới thiệu:

Việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân đặt ra những yêu cầu đặc thù so với các công trình công nghiệp thông thường, đòi hỏi sự phối hợp đồng bộ giữa thiết kế, cấp phép, mua sắm, thi công và quản lý chất lượng trong điều kiện kiểm soát nghiêm ngặt về an toàn hạt nhân. Công nghệ xây dựng đóng vai trò quyết định không chỉ đối với tiến độ và chi phí dự án, mà còn đối với mức độ an toàn, độ tin cậy và khả năng vận hành ổn định trong toàn bộ vòng đời nhà máy.

Trong những năm gần đây, sự phát triển của các công nghệ mới - như bê tông tự đầm (SCC), thi công mô-đun, quản lý kỹ thuật số và mô hình thông tin công trình (BIM) - đã giúp các quốc gia có kinh nghiệm như Hàn Quốc, Trung Quốc, Pháp và UAE cải thiện đáng kể hiệu quả xây dựng. Tuy nhiên, với các quốc gia đang phát triển chương trình điện hạt nhân như Việt Nam, việc tiếp cận và triển khai các công nghệ này cần được đặt trong một khuôn khổ thể chế phù hợp, có lộ trình rõ ràng và năng lực nội địa được chuẩn bị đầy đủ.

I. Đặc thù công nghệ xây dựng nhà máy điện hạt nhân:

Công nghệ xây dựng nhà máy điện hạt nhân là lĩnh vực đặc thù, đòi hỏi kết hợp giữa kỹ thuật xây dựng tiên tiến, quản lý chất lượng chặt chẽ và sự phối hợp đồng bộ giữa các bên liên quan. Không giống với các công trình công nghiệp thông thường, việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân chịu sự giám sát đặc biệt từ cơ quan pháp quy và có yêu cầu cao về an toàn, chất lượng và khả năng truy vết trong toàn bộ vòng đời.

Một số đặc điểm nổi bật của xây dựng nhà máy điện hạt nhân bao gồm:

1. Phạm vi công trình rộng và yêu cầu tích hợp nhiều lĩnh vực kỹ thuật:

Các hạng mục trong nhà máy điện hạt nhân thường được chia thành ba khu vực chính:

- Đảo hạt nhân (Nuclear Island) - khu vực quan trọng nhất, bao gồm lò phản ứng, hệ thống an toàn, lớp chặn kín.

- Đảo tua bin (Turbine Island) - nơi đặt tua bin, máy phát, bình ngưng.

- Hệ thống phụ trợ (Balance of Plant) - các công trình như trạm biến áp, hệ thống làm mát, nhà điều hành.

Đặc điểm kỹ thuật ở đảo hạt nhân có độ phức tạp vượt trội, đòi hỏi công nghệ thi công tiên tiến, kết cấu chống động đất và khả năng duy trì an toàn ngay cả trong tình huống sự cố.

2. Yêu cầu đặc biệt về độ chính xác và chất lượng thi công:

Các cấu kiện hạt nhân như tấm đế chặn kín, lớp lót thép, tường chắn bức xạ, đều cần được thi công với dung sai rất nhỏ. Các quốc gia có kinh nghiệm như Pháp, Hàn Quốc, Trung Quốc đều áp dụng các kỹ thuật tiên tiến như:

- Đổ bê tông toàn khối, giám sát độ co ngót và nhiệt độ thủy hóa.

- Lắp đặt lớp lót chặn kín bằng thép chế tạo sẵn.

- Kiểm soát vị trí móng và kết cấu bằng công nghệ lase 3D, cảm biến dịch chuyển.

- Tính “chất lượng trong thi công” (built-in quality) là nguyên tắc xuyên suốt trong các dự án nhà máy điện hạt nhân hiện đại.

3. Tính đồng bộ giữa các giai đoạn thiết kế - cấp phép - thi công:

Một trong những thách thức lớn nhất là đảm bảo sự liên thông và phối hợp giữa thiết kế - cấp phép - thi công. Việc thiết kế không đồng bộ, chậm cập nhật thay đổi, hoặc thay đổi thiết kế tại công trường nếu không kiểm soát chặt có thể dẫn đến xung đột kỹ thuật, hoặc sai sót nghiêm trọng.

Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) khuyến nghị áp dụng mô hình “tích hợp thiết kế - cấp phép - quản lý thi công” thông qua các công cụ kỹ thuật số như mô hình BIM 4D, phần mềm quản lý thay đổi và kiểm tra kỹ thuật số theo thời gian thực.

4. Sự kết hợp giữa công nghệ truyền thống và kỹ thuật tiên tiến:

Tại các quốc gia mới triển khai chương trình điện hạt nhân như Việt Nam, việc kết hợp hợp lý giữa công nghệ truyền thống (phù hợp với năng lực nội địa) và công nghệ tiên tiến (đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao) là giải pháp khả thi.

Ví dụ, việc thi công móng và kết cấu bê tông có thể do lực lượng trong nước đảm nhiệm với sự giám sát kỹ thuật từ chuyên gia quốc tế, trong khi các mô-đun thép chính, hoặc hệ thống I&C an toàn có thể nhập khẩu, hoặc liên doanh sản xuất theo tiêu chuẩn quốc tế.

II. Công nghệ thi công then chốt trong xây dựng nhà máy điện hạt nhân:

Xây dựng nhà máy điện hạt nhân yêu cầu triển khai đồng bộ nhiều công nghệ đặc biệt, không chỉ để đảm bảo chất lượng và an toàn, mà còn giúp kiểm soát tiến độ và tối ưu hóa nguồn lực. Dưới đây là một số công nghệ then chốt đã được áp dụng thành công trong các dự án nhà máy điện hạt nhân trên thế giới, cùng một số gợi ý triển khai phù hợp với điều kiện của Việt Nam.

1. Bê tông khối lớn và chịu bức xạ:

Các kết cấu chính như tấm đế chặn kín, lớp vỏ chứa lò phản ứng và tường chắn bức xạ thường được xây dựng bằng bê tông khối lớn - có thể tích hàng nghìn mét khối, phải đổ liên tục từ 20-40 giờ. Bê tông trong nhà máy điện hạt nhân phải đạt yêu cầu về:

- Cường độ cao, độ đặc chắc, độ bền lâu.

- Khả năng hấp thụ neutron, chống thấm và chống nứt.

- Ổn định thể tích và kiểm soát nhiệt độ thủy hóa.

Tại Trung Quốc và Hàn Quốc, việc sử dụng bê tông tự đầm (SCC) kết hợp với hệ thống cảm biến đo nhiệt, đo ứng suất đã trở thành thực hành tiêu chuẩn. IAEA khuyến khích Việt Nam chuẩn hóa vật liệu nội địa (cốt liệu, phụ gia, xi măng) phù hợp với SCC cho nhà máy điện hạt nhân.

2. Thi công mô-đun và cấu kiện đúc sẵn:

Mô-đun hóa là xu hướng ngày càng phổ biến nhằm rút ngắn thời gian thi công, giảm rủi ro và nâng cao mức độ kiểm soát chất lượng. Các mô-đun thường được chế tạo tại nhà máy, sau đó lắp ráp tại công trường.

Một số mô-đun điển hình:

- Tấm lót thép chặn kín.

- Khối móng lò phản ứng.

- Các tòa nhà kỹ thuật phụ trợ.

- Mô-đun hệ thống ống và cáp.

Tại UAE (Barakah), tỷ lệ mô-đun hóa đạt trên 50% khối lượng công trình. Tại Trung Quốc, việc áp dụng mô hình thiết kế chuẩn hóa kết hợp mô-đun hóa cho phép xây dựng 2 lò phản ứng trong vòng 5 năm. Việt Nam cần đánh giá năng lực chế tạo trong nước và thiết lập các xưởng tiền chế đạt chuẩn quốc tế.

3. Vận chuyển và lắp đặt thiết bị hạng nặng:

Nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiều thiết bị siêu trọng như bình điều áp, máy phát hơi, nắp lò phản ứng, với trọng lượng hàng trăm tấn. Việc vận chuyển - lắp đặt các thiết bị này đòi hỏi:

- Kế hoạch hạ tầng đường vận tải siêu trường, siêu trọng.

- Cần trục tháp chuyên dụng (open-top installation).

- Công nghệ định vị không gian 3D và lase dẫn hướng.

Hàn Quốc và Nga đã phát triển thiết bị lắp ráp tự hành chuyên dùng cho nhà máy điện hạt nhân, giúp giảm sai số và tăng độ chính xác lắp đặt. Đây là khâu đòi hỏi huấn luyện kỹ lưỡng cho đội ngũ kỹ sư và công nhân.

4. Hệ thống hàn và kiểm tra không phá hủy (NDT):

Hàn các mối nối áp lực (Class 1) là khâu then chốt trong đảm bảo an toàn hạt nhân. Các công nghệ hàn thường dùng gồm: Hàn hồ quang bằng điện cực (TIG), hàn hồ quang chìm (SAW), hàn tự động.

Hồ sơ hàn cần được lưu trữ đầy đủ và có khả năng truy vết từng bước, thường gắn với phần mềm QA/QC hiện trường. IAEA khuyến cáo áp dụng tiêu chuẩn ASME III, hoặc RCC-M tùy theo loại lò.

Công tác kiểm tra không phá hủy (NDT) được sử dụng tại các công đoạn cần bảo đảm chất lượng nghiêm ngặt. Các kỹ thuật được áp dụng bao gồm: Siêu âm (UT), X-quang (RT), từ tính (MT), thẩm thấu (PT).

5. Lắp đặt hệ thống điện và thiết bị I&C:

Hệ thống điện, đo lường và điều khiển (I&C) trong nhà máy điện hạt nhân rất phức tạp, với hàng trăm km cáp, hàng nghìn cảm biến và thiết bị điều khiển. Các yêu cầu chính bao gồm:

- Phân loại thiết bị theo mức độ an toàn (Class 1E.).

- Lắp đặt theo trình tự, thử nghiệm logic, kiểm tra liên hoàn.

- Phản ứng được trong điều kiện sự cố giả định.

Tại các nhà máy như Taishan (Trung Quốc), hay Hinkley Point C (Anh), việc kiểm tra hệ thống I&C được mô phỏng trên hệ thống SCADA thử nghiệm trước khi kết nối vào mạch chính, giúp phát hiện lỗi sớm và tiết kiệm thời gian chạy thử.

6. Các công nghệ bổ sung theo hướng dẫn của IAEA:

Ngoài các công nghệ chính đã được áp dụng rộng rãi, IAEA còn khuyến nghị một số công nghệ bổ sung nhằm nâng cao tính hiệu quả và độ tin cậy trong thi công nhà máy điện hạt nhân, đặc biệt phù hợp với điều kiện phức tạp tại hiện trường:

- Công nghệ đổ bê tông liên tục: Sử dụng hệ thống cấp bê tông tự động và bố trí trạm trộn tại gần hiện trường giúp đảm bảo độ liên kết khối, tránh mạch ngừng lạnh và duy trì tiến độ thi công liên tục - yếu tố đặc biệt quan trọng trong các kết cấu lớn như đế lò phản ứng, hoặc tường chắn bức xạ.

- Thi công trong điều kiện thời tiết khắc nghiệt: Việc thi công trong môi trường có nhiệt độ cao, độ ẩm lớn, hoặc gió mạnh đòi hỏi các biện pháp che chắn, gia nhiệt, làm mát, hoặc chống ẩm được tích hợp sẵn trong kế hoạch tổ chức thi công nhằm duy trì chất lượng vật liệu và an toàn lao động.

- Cảm biến thông minh và thiết bị đo lường hiện trường: Việc lắp đặt cảm biến đo nhiệt độ, ứng suất, độ dịch chuyển trong các cấu kiện giúp giám sát biến dạng, phát hiện sớm sai lệch kỹ thuật, từ đó điều chỉnh kịp thời biện pháp thi công. Hệ thống đo lường này có thể tích hợp với nền tảng BIM và phần mềm QA/QC hiện trường.

- Công nghệ mô phỏng công trường ảo (Virtual Construction Site): Mô hình mô phỏng công trường giúp huấn luyện đội ngũ kỹ sư, công nhân về quy trình, thứ tự thi công và phối hợp kỹ thuật trước khi triển khai thực tế. Đây là công cụ hữu ích để tối ưu hóa tổ chức thi công, giảm rủi ro và nâng cao hiệu suất công việc.

Việc ứng dụng đồng bộ các công nghệ trên không chỉ góp phần nâng cao chất lượng công trình, mà còn thúc đẩy quá trình chuyển đổi số trong ngành xây dựng hạt nhân - một xu hướng mà nhiều quốc gia tiên tiến đang theo đuổi.

7. Một số công nghệ mới nổi trong xây dựng nhà máy điện hạt nhân:

Trong bối cảnh các dự án nhà máy điện hạt nhân hiện đại ngày càng đòi hỏi rút ngắn tiến độ, tăng hiệu quả đầu tư và bảo đảm an toàn ở mức cao nhất, nhiều công nghệ xây dựng tiên tiến đã được áp dụng và đang tiếp tục phát triển. Các công nghệ mới nổi sau đây đang từng bước thay đổi cách thức thiết kế, xây dựng và vận hành nhà máy điện hạt nhân trên thế giới:

Mô hình thông tin công trình tích hợp (BIM - Building Information Modelling):

BIM không chỉ hỗ trợ thiết kế mà còn tích hợp quản lý tiến độ (4D), chi phí (5D), tài liệu kỹ thuật (EDMS), hỗ trợ truy vết và phối hợp đa bên trong thời gian thực. BIM hiện được xem là công cụ thiết yếu trong xây dựng nhà máy điện hạt nhân, cho phép tích hợp thiết kế, mô phỏng, tiến độ và quản lý vòng đời công trình.

Hầu hết các dự án hiện đại như Olkiluoto-3 (Phần Lan) và Hinkley Point C (Anh) đều áp dụng BIM để điều phối giữa các nhà thầu, giảm xung đột thiết kế và kiểm soát tốt hơn tiến độ và chi phí. Dự án Barakah (UAE) cho thấy việc sử dụng BIM và quản lý thông tin số giúp đảm bảo triển khai đồng bộ 4 tổ máy với hiệu quả cao, góp phần đưa dự án về đích đúng hạn.

Quản lý dữ liệu lớn (Big Data) và trí tuệ nhân tạo (AI):

Big Data và AI được khai thác để phân tích hàng triệu dữ liệu cảm biến, nhật ký thi công, điều kiện thời tiết, nhằm dự báo nguy cơ, tối ưu tiến độ và cảnh báo sớm sự cố. Dự án Vogtle (Mỹ) sử dụng hệ thống dữ liệu thời gian thực giám sát hoạt động thi công, đặc biệt tại các khâu đổ bê tông và lắp đặt thiết bị nặng.

In 3D và chế tạo ngoài hiện trường (modularization):

Công nghệ in 3D kim loại và polymer đang được nghiên cứu ứng dụng để chế tạo linh kiện phi an toàn như ống dẫn, nắp van. Đồng thời, chế tạo ngoài hiện trường (modular construction) là giải pháp then chốt đang được triển khai rộng rãi, như tại Hinkley Point C (Anh), Hualong One và ACP100 (Trung Quốc).

Tự động hóa và robot:

Robot thi công được sử dụng trong môi trường bức xạ cao, hoặc hẹp. Tại Olkiluoto-3, robot được dùng để kiểm tra hệ thống thông khí và cáp. UAV (drone) cũng hỗ trợ giám sát tiến độ xây dựng và lập bản đồ công trường.

Các nền tảng quản lý kỹ thuật số tích hợp (Digital Twin, PLM):

Digital Twin được EDF sử dụng tại Hinkley Point C để mô phỏng hiệu suất và tối ưu bảo trì. Các hệ thống quản lý vòng đời sản phẩm (PLM) giúp bảo đảm truy vết và cải tiến liên tục.

Bài học rút ra là việc triển khai thành công công nghệ xây dựng nhà máy điện hạt nhân không chỉ dựa vào công nghệ tiên tiến, mà cần gắn với chiến lược tổ chức thi công hợp lý, phối hợp thiết kế - pháp quy - thi công nhịp nhàng và năng lực QA/QC được số hóa hiệu quả. Việt Nam nên chuẩn bị hạ tầng số, nhân lực BIM, AI và yêu cầu tích hợp Digital Twin, PLM từ đầu dự án. Việc chuyển giao công nghệ mô-đun, in 3D và học hỏi mô hình quản lý của UAE, Trung Quốc là cần thiết.

Bảng tóm tắt một số công nghệ xây dựng chính trong nhà máy điện hạt nhân:

Kết luận tạm thời:

Các công nghệ xây dựng hiện đại như SCC, thi công mô-đun, BIM, cảm biến thông minh và mô phỏng công trường ảo đã được chứng minh về tác động tích cực đối với tiến độ, chi phí và an toàn trong xây dựng nhà máy điện hạt nhân. Tuy nhiên, để đưa vào thực tiễn, cần một chiến lược tổ chức thi công hợp lý và hệ thống quản lý chất lượng - an toàn hiệu quả. Những nội dung này sẽ được trình bày trong bài tiếp theo.

Tài liệu tham khảo:

1. IAEA. Construction for Nuclear Installations, No. SSG-38, Vienna, 2018.

2. IAEA. Construction Technologies for Nuclear Power Plants, No. NP-T-2.5, Vienna, 2011.

3. IAEA. Leadership and Management for Safety, GSR Part 2, Vienna, 2016.

4. IAEA. Project Management in Nuclear Power Plant Construction, No. NP-T-2.7, Vienna, 2012.

5. IAEA. Application of Wireless Technologies in Nuclear Power Plant Instrumentation and Control Systems, NR-T-3.29, Vienna, 2020.

Theo: Tạp chí Năng lượng Việt Nam