khảo sát và khắc phục sự cố sai hỏng kiểm soát áp suất ở nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò bwr bằng phần mềm mô phỏng bwr_v3

Thế hệ III gồm những lò phản ứng được xây dựng từ thập niên 1990, là phiên bản cải tiến của các lò thế hệ trước với các ưu thế như: độ an toàn được tăng cường; thiết kế được tiêu chuẩn h

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT

SỬ DỤNG LÒ BWR BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG BWR_V3

SVTH: Nguyễn Giang Nam GVHD: TS Lê Bảo Trân GVPB: ThS Phan Lê Hoàng Sang

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn

TS Lê Bảo Trân Với sự giúp đỡ và hướng dẫn của cô, tôi đã hoàn thành khóa

luận đúng tiến độ đã đề ra

Xin cảm ơn ThS Phan Lê Hoàng Sang, người đã có những ý kiến đóng góp

để tác giả hoàn thành khóa luận một cách hoàn chỉnh nhất

Xin tri ân quý thầy cô trong Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân đã giảng dạy và cung cấp cho tôi rất nhiều kiến thức trong suốt 4 năm học tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh

Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh và ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận

TP Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 7 năm 2014

Tác giả Nguyễn Giang Nam

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐIỆN HẠT NHÂN 2

1.1 Lịch sử và phát triển 2

1.1.1 Sự ra đời của ngành điện hạt nhân và các thế hệ lò phản ứng 2

1.1.2 Tình hình về điện hạt nhân trên thế giới và tại Việt Nam 4

1.2 Những điểm mạnh và yếu của năng lượng hạt nhân 6

CHƯƠNG 2: VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG VÀ LÒ BWR 8

2.1 Vật lý lò phản ứng hạt nhân 8

2.1.1 Phản ứng phân hạch hạt nhân 8

2.1.2 Neutron trong lò phản ứng 9

2.1.3 Làm chậm, khuếch tán và hấp thụ neutron 9

2.1.4 Phản ứng dây chuyền và trạng thái tới hạn của lò phản ứng 11

2.1.5 Động học lò phản ứng 13

2.1.6 Sự thay đổi độ phản ứng trong quá trình làm việc của lò phản ứng 15 2.2 Khái quát về lò phản ứng nước sôi (BWR) 20

2.2.1 Nguyên tắc hoạt động 20

2.2.2 Cấu trúc nồi hơi 20

2.2.3 Tâm lò phản ứng 23

2.2.4 Các hệ thống bổ trợ 26

CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG BWR_V3 27

3.1 Giới thiệu phần mềm 27

3.2 Cách chạy chương trình mô phỏng 28

3.3 Hiển thị các tính năng chung trong chương trình 28

3.4 Các màn hình hiển thị mô phỏng 31

3.4.2 Tua-bin máy phát điện (BWR Turbine Generator) 32

3.4.3 Đồ thị thông số (BWR Trends) 33

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SỰ CỐ VÀ CÁCH KHẮC PHỤC 34

4.1 Thiết lập mô phỏng sự cố và mô tả sự cố 34

4.2 Kết quả và phân tích kết quả 34

4.3 Khắc phục 42

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

PHỤ LỤC 48

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1: Sự phát triển các thế hệ lò phản ứng 3

Hình 2.1: Nồng độ xenon khi thay đổi nhảy bậc công suất: (a) từ 100% xuống 50%; (b) từ 50% lên100% 17

Hình 2.2: Tổ hợp lò phản ứng 21

Hình 2.3: Tiết diện của lò BWR Các mũi tên chỉ hướng nước chuyển động 22

Hình 2.4: Tổ hợp nhiên liệu và thanh điều khiển của lò BWR/6 24

Hình 3.1: Hệ thống tín hiệu sự cố trên mỗi màn hình hiển thị (trừ màn hình BWR Trends) 29

Hình 3.2: Giao diện hiển thị giá trị của các thông số nhà máy 29

Hình 3.3: Các trạng thái của máy bơm 30

Hình 3.4: Các trạng thái của van 30

Hình 3.5: Nút và thanh điều chỉnh độ rộng và gốc tọa độ trục thời gian 30

Hình 3.6: Màn hình độ phản ứng và điểm đặt (BWR Reactivity & Setpoints) 31

Hình 3.7: Màn hình tua-bin máy phát điện (BWR Turbine Generator) 32

Hình 3.8: Màn hình đồ thị thông số (BWR Trends) 33

Hình 4.1: Tổng lượng hơi ra khỏi lò theo thời gian 35

Hình 4.2: Lượng hơi vào tua-bin theo thời gian 35

Hình 4.3: Áp suất theo thời gian 36

Hình 4.4: Công suất máy phát điện theo thời gian 36

Hình 4.5: Lưu lượng chất làm mát trong tâm lò theo thời gian 37

Hình 4.6: Độ phản ứng của hiệu ứng nhiệt độ chất làm chậm theo thời gian 37

Hình 4.7: Cường độ neutron theo thời gian 38

Hình 4.8: Lưu lượng hơi qua van bypass theo thời gian 38

Hình 4.9: Vị trí thanh điều khiển theo thời gian 39

Hình 4.10: Mực nước trong vỏ áp lực lò phản ứng theo thời gian 40

Hình 4.12: Lưu lượng nước cấp theo thời gian 41

Hình 4.13: Công suất nhiệt theo thời gian 41

Hình 4.14: Áp suất theo thời gian 43

Hình 4.15: Công suất máy phát điện 44

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Trang

Bảng 1.1: Ước tính dân số, năng lượng tiêu thụ và điện năng tiêu thụ

bình quân đầu người trên thế giới 4Bảng 1.2: Thống kê số lò phản ứng đang hoạt động trên thế giới 5Bảng 1.3: Thống kê loại lò phản ứng đang hoạt động trên thế giới 6Bảng 2.1: Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết đối với một số

hạt nhân phân hạch 8Bảng 2.2: Các đặc trưng của neutron trễ trong phân hạch 235U với

neutron nhiệt 10Bảng 2.3: Các thông số đối với một số chất làm chậm 10Bảng 2.4: Một số thông số làm chậm và khuếch tán neutron 11

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt

CANDU Canada Deuterium Uranium Lò nước nặng áp lực của

Canada

PHWR Pressurized Heavy Water

Reactor

Lò nước nặng áp lực

Van bypass Bypass valve Van nối tắt đến bộ ngưng tụ

Reactor

Lò nước áp lực của Nga

MỞ ĐẦU

Trong hơn 60 năm hình thành và phát triển, ngành điện hạt nhân đã chứng tỏ tính tin cậy, chi phí hợp lý và tính hòa bình của năng lượng hạt nhân Trước nguy

cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường, năng lượng hạt nhân

là một trong những giải pháp tối ưu nhất Dù đang phải đối mặt với nhiều thách thức và sự cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác, nhưng điện hạt nhân vẫn là một lựa chọn quan trọng của thế kỷ 21 Trong 10 năm tới, Việt Nam sẽ xây dựng 2 NMĐHN Vấn đề hiện nay của Việt Nam là nguồn nhân lực hiện đang rất thiếu, nhất là chuyên viên vận hành NMĐHN

Vì tầm quan trọng và khả năng phát triển mạnh trong tương lai, chúng ta cần trang bị những hiểu biết về công tác vận hành và khắc phục sự cố của lò phản ứng hạt nhân nói chung cũng như lò BWR nói riêng Đây chính là lí do tác giả chọn đề tài “Khảo sát và khắc phục sự cố sai hỏng kiểm soát áp suất ở nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR_V3”

Khóa luận được chia thành bốn chương:

Chương 1 sẽ trình bày hoàn cảnh ra đời và tình hình hình của ngành điện hạt nhân hiện nay, cùng những triển vọng và khó khăn trước mắt

Chương 2 nói về những kiến thức cơ bản về vật lý lò phản ứng và cấu tạo lò BWR

Chương 3 giới thiệu sơ lược về giao diện và cách sử dụng phần mềm BWR_V3

Chương 4 sẽ tiến hành mô phỏng sự cố “Suy giảm lưu lượng hơi ra khỏi nóc

lò do sự sai hỏng kiểm soát áp suất” bằng phần mềm BWR_V3, giải thích kết quả

và đưa ra phương án khắc phục

Ở phần kết luận và kiến nghị, tác giả sẽ nêu lên những ưu điểm và hạn chế cùng với những kiến nghị về phần mềm BWR_V3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐIỆN HẠT NHÂN

1.1 Lịch sử và phát triển

1.1.1 Sự ra đời của ngành điện hạt nhân và các thế hệ lò phản ứng

Sự ra đời của ngành điện hạt nhân lúc ban đầu không hoàn toàn vì mục đích hòa bình của nhân loại Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới, pin Urani-graphit CP-1 do Enrico Fermi và các cộng sự xây dựng, có mục tiêu chính là sản xuất plutonium dùng cho bom nguyên tử Sau chiến tranh thế giới thứ hai tới năm

1955, các NMĐHN tại Mỹ, Anh, Pháp, Liên Xô đều sử dụng uranium thiên nhiên làm nhiên liệu để sản xuất plutonium là chính, phát điện chỉ là phụ [3]

Vào ngày 20-12-1951, lò phản ứng EBR-1 tại Arco, Idaho, Mỹ, lần đầu tiên trong lịch sử đã phát ra dòng điện đủ để thắp sáng 4 bóng đèn Tiếp theo đó, vào ngày 27-6-1954, NMĐHN đầu tiên trên thế giới APS-1 tại Obninsk, Liên Xô đã đi vào hoạt động Ngày 27-8-1956, NMĐHN Calder Hall 1, Anh được đưa vào sử dụng, là NMĐHN thương mại đầu tiên trên thế giới

Người ta phân loại lò phản ứng công suất (lò phản ứng dùng để phát điện, nói gọn lại là “lò phản ứng”) dựa vào kỹ thuật hiện đại của chúng Lò phản ứng thế hệ I gồm các lò phản ứng mẫu thử nghiệm được xây dựng những năm 1950-1960 Các lò thế hệ II chủ yếu gồm những lò nước nhẹ (gồm PWR và BWR) và CANDU Các lò phản ứng dùng trong NMĐHN hiện nay đa phần là thuộc thế hệ II

và được xây dựng vào những năm 60-70 của thế kỷ trước

Thế hệ III gồm những lò phản ứng được xây dựng từ thập niên 1990, là phiên bản cải tiến của các lò thế hệ trước với các ưu thế như: độ an toàn được tăng cường; thiết kế được tiêu chuẩn hóa và tinh giản để giảm vốn đầu tư và dễ vận hành hơn; hiệu suất hoạt động và độ sâu cháy nhiên liệu cao hơn; thời gian hoạt động dài hơn Thế hệ các lò phản ứng III+ hiện đang được xây dựng với những cải tiến nổi bật

như: sử dụng các hệ thống an toàn thụ động; nâng cao tính kinh tế; khả năng chống phổ biến vũ khí hạt nhân cao…

Lò thế hệ IV dự kiến triển khai vào khoảng năm 2030 và đang được nghiên cứu bởi Diễn đàn Quốc tế về NMĐHN thế hệ IV (GIF) với mục tiêu cho ra đời những lò phản ứng với những cải tiến đột phá so với thế hệ trước: có những chu trình nhiên liệu có độ an toàn và tính kinh tế cao; khả năng chống phổ biến vũ khí hạt nhân cao; có khả năng sản xuất hydrogen Nhờ những tiến bộ vượt trội này, các NMĐHN thế hệ IV sẽ giải quyết các vướng mắc của ngành điện hạt nhân sẽ được nhắc tới trong mục 1.2

Hình 1.1: Sự phát triển các thế hệ lò phản ứng [10]

Trong tương lai xa, người ta sẽ sử dụng năng lượng hạt nhân qua các phản ứng nhiệt hạch của deuterium và tritium Nguyên liệu chính ở đây là nước (để sản xuất deuterium) và lithium (để sản xuất tritium) có trữ lượng gần như vô hạn Ưu điểm của năng lượng nhiệt hạch là (1) các chất thải phóng xạ có thời gian bán hủy ngắn; (2) lượng nhiên liệu sử dụng nhỏ; (3) phản ứng xảy ra với những điều kiện khắt khe nên sẽ không có hiện tượng bùng nổ hay nóng chảy hệ thống như trong lò phản ứng phân hạch [2] Kỹ thuật nhiệt hạch vẫn đang được nghiên cứu, với lò phản ứng nhiệt hạch thí nghiệm quốc tế (ITER) đang được xây dựng ở Pháp với sự hợp tác giữa

Thế hệ I

Thế hệ II

Thế hệ III

Thế hệ IV Thiết kế đột phá

nâng cao tính kinh tế

Thế hệ III+

- Tính kinh tế cao

- Gia tăng

an toàn

- Giảm thiểu chất thải …

Các lò phản ứng mẫu Các lò phản ứng

công suất thương mại Các lò phản ứng

nước nhẹ tiên tiến

1.1.2 Tình hình về điện hạt nhân trên thế giới và tại Việt Nam

Theo IAEA ước tính, từ năm 2012 tới 2050 trên toàn thế giới, dân số sẽ tăng 1/3 lần, năng lượng tiêu thụ bình quân đầu người tăng hơn gấp đôi, điện năng tiêu thụ bình quân đầu người tăng từ 2 tới 3 lần (bảng 1.1)

Kinh tế ngày càng phát triển, mức sống ngày một cao, các vấn đề về môi trường, kinh tế, xã hội và an ninh năng lượng đòi hỏi sự thay đổi về dịch vụ năng lượng và cách sử dụng năng lượng Sự phong phú, tính đa dạng cũng như chất lượng của các dịch vụ năng lượng được đáp ứng bởi các nguồn năng lượng mới và năng lượng hạt nhân là một trong số đó

Bảng 1.1: Ước tính dân số, năng lượng tiêu thụ và điện năng tiêu thụ

bình quân đầu người trên thế giới [6]

Dân số

Năng lượng tiêu thụ bình quân

đầu người (GJ/người/năm) 78 83 - 90 96 - 118 148 – 194 Điện năng tiêu thụ bình quân

đầu người (MWh/người/ năm) 3 3,2 – 3,6 4,1 – 5,1 6,8 – 9,2

Các NMĐHN được ồ ạt xây dựng trong thập niên 1980 sau cuộc khủng hoảng dầu mỏ lần thứ nhất 1973 Năm 2011 điện hạt nhân chiếm 11,7% sản lượng điện toàn thế giới [9] Tính đến năm 2014, với 584 lò phản ứng đã được xây dựng, 435 lò phản ứng đang hoạt động, 72 lò phản ứng đang trong quá trình xây dựng [13], điện hạt nhân góp phần đảm bảo an ninh năng lượng cho các nước trên thế giới trước biến động của giá cả trên thị trường dầu mỏ và khí đốt…

Theo IAEA (bảng 1.2), tính đến ngày 23/06/2014, trên thế giới có 435 lò phản ứng hạt nhân công suất đang hoạt động (bao gồm cả 6 lò phản ứng của Đài Loan - Trung Quốc)

Bảng 1.2: Thống kê số lò phản ứng đang hoạt động trên thế giới [11]

Quốc gia Số lượng Tổng công suất thực (MW)

Dựa theo chất tải nhiệt, chất làm chậm neutron và năng lượng neutron, có 6 loại lò phản ứng dùng trong các NMĐHN đang hoạt động (bảng 1.3)

Bảng 1.3: Thống kê loại lò phản ứng đang hoạt động trên thế giới [12]

Loại lò Chất

làm chậm

Chất tải nhiệt

Năng lượng neutron

Số lượng

Tỷ trọng

Tổng công suất thực (MW)

PHWR Nước nặng Nước nặng Nhiệt 48 11,03% 23.900

2 NMĐHN, mỗi nhà máy gồm 2 lò phản ứng NMĐHN Ninh Thuận I tại xã Phước Dinh, huyện Thuận Nam, tỉnh Ninh Thuận do Nga xây dựng sẽ được triển khai đầu tiên với công nghệ lò VVER Chính phủ Việt Nam cũng đã ký các thoả thuận hợp tác xây dựng NMĐHN Ninh Thuận II tại xã Vĩnh Hải, huyện Ninh Hải, tỉnh Ninh Thuận với Nhật Bản Vấn đề hiện nay của Việt Nam là nguồn nhân lực hiện đang rất thiếu, nhất là chuyên viên vận hành NMĐHN

1.2 Những điểm mạnh và yếu của năng lượng hạt nhân

Đảm bảo an ninh năng lượng, phát triển khoa học kỹ thuật và trang bị những thiết bị hiện đại là những lý do khiến cho một số quốc gia đang muốn đầu tư vào điện hạt nhân Với việc báo động về cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch, giá dầu

mỏ tăng cao (140$/thùng giữa năm 2008), năng lượng hạt nhân góp phần đảm bảo

an ninh năng lượng do có những yếu tố như: trữ lượng nhiên liệu 235U khá tiềm năng (thời gian khai thác 200 năm với các nguồn đã biết, chưa tính tới các mỏ phốt-phát, nước biển…); mua nhiên liệu theo hợp đồng dài hạn khiến giá cả ổn định Ngoài ra nguồn nguyên liệu hạt nhân có trữ lượng cực kỳ dồi dào: 238U (gấp 138 lần

235

U) và 232Th (gấp 3 lần nguyên tố uranium) [4]

Tuy nhiên, ở châu Âu và một số nước khác, sự phản đối điện hạt nhân của dân chúng và chính giới dựa trên ba vấn đề chính đó là: (1) tính an toàn của các NMĐHN; (2) an toàn trong quản lý chất thải phóng xạ; (3) chống phổ biến vũ khí hạt nhân và chống lấy cắp vật liệu hạt nhân Ngoài ra sự cạnh tranh ngày càng hiệu quả của than đá, khí đốt và của cả năng lượng tái tạo; các vấn đề kinh tế, sự thiếu hụt các ngành công nghiệp phụ trợ và nhân lực cũng là những trở ngại không nhỏ Cho đến khi có được những lò thế hệ IV (đã được đề cập ở trên) có độ an toàn cao và những cải tiến khắc phục được những vấn đề nêu trên, thế giới vẫn chưa chấp nhận cho năng lượng hạt nhân trở lại vị trí hàng đầu của nó Vấn đề an toàn và các sự cố gây ra bởi con người do thiếu kiến thức, kinh nghiệm và đào tạo là mối quan tâm hàng đầu của các nước công nghiệp phát triển và đặc biệt là các nước đang phát triển phải đi vào lĩnh vực điện hạt nhân khi không còn cách nào khác để đáp ứng nhu cầu năng lượng cho phát triển

CHƯƠNG 2 VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG VÀ LÒ BWR

2.1 Vật lý lò phản ứng hạt nhân

Vật lý lò phản ứng hạt nhân là một nhánh của vật lý hạt nhân nghiên cứu về phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền trong lò phản ứng hạt nhân và có phạm vi rất rộng Do đó trong mục này chúng ta chỉ nêu lên những vấn đề cơ bản nhất có liên quan tới lò BWR và những chương sau

Bảng 2.1: Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết đối với một số

Do lò BWR sử dụng nhiên liệu 235U nên ta sẽ xem xét chi tiết quá trình phân hạch 235U Sản phẩm của phản ứng phân hạch gồm có các hạt nhân có số khối khác

nhau, tia tức thời, tia trễ, các hạt , các neutrino và các neutron Phản ứng phân hạch 235U giải phóng năng lượng cỡ 200 MeV (không tính neutrino)

2.1.2 Neutron trong lò phản ứng

Trong mỗi phân hạch trung bình có neutron xuất hiện Các neutron này có vai trò quan trọng trong phản ứng dây chuyền Đại lượng phụ thuộc vào năng lượng neutron tới Đối với 235U, ứng với neutron nhiệt thì 2,41 Các neutron sinh ra trong lò phản ứng với năng lượng từ 0 đến 10 MeV Neutron được chia thành 3 loại theo 3 miền năng lượng Các neutron nhiệt có năng lượng

0 eV < E 0,1 eV Các neutron trung gian có năng lượng 0,1 eV < E 100 keV Neutron nhanh có năng lượng 100 keV < E 10 MeV Tính chất tương tác của neutron với vật chất khác nhau trong các miền năng lượng này

Theo thứ tự thời gian sinh ra, các neutron này chia làm hai loại: neutron tức thời và neutron trễ Các neutron tức thời chiếm tới 99% tổng số neutron phân hạch,

có năng lượng trung bình khoảng 2 MeV Các neutron trễ chiếm không quá 1% tổng

số neutron phân hạch nhưng đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình điều khiển phản ứng phân hạch dây chuyền Các mảnh vỡ phân hạch (chủ yếu là các đồng vị của brôm và iốt) phân rã tạo ra các hạt nhân có năng lượng kích thích đủ lớn để giải phóng neutron trễ Số neutron trễ trong một phân hạch là , trong đó là tỉ số giữa số neutron trễ và toàn bộ neutron phân hạch Các neutron trễ chia làm 6 nhóm theo thời gian phân rã của mảnh vỡ phân hạch Các thông số đặc trưng của neutron trễ trong phân hạch neutron nhiệt đối với 235

U được nêu trong bảng 2.2

2.1.3 Làm chậm, khuếch tán và hấp thụ neutron

Khi neutron va chạm với hạt nhân, có hai quá trình xảy ra là tán xạ neutron và hấp thụ neutron Tán xạ neutron gồm tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi Hấp thụ neutron gồm có các phản ứng (n,α), (n,β), (n,γ), (n,p), (n,2n), (n,3n), phản ứng phân hạch…

Bảng 2.2: Các đặc trưng của neutron trễ trong phân hạch 235U với neutron nhiệt [7]

Nhóm Thời gian bán rã (s) Hằng số phân rã

( , s -1 )

Năng lượng (keV)

Suất ra neutron trễ ( , %)

Bảng 2.3: Các thông số đối với một số chất làm chậm [1]

Chất làm

chậm

Khối lượng riêng (g/cm 3 )

Mật độ nguyên tử (10 24 /cm 3 )

chậm… Phân bố không gian của neutron từ khi sinh ra tới khi được làm chậm thành neutron nhiệt đặc trưng bởi đại lượng tuổi neutron nhiệt (cm2) Phân bố không gian của neutron sau khi thành neutron nhiệt tới khi bị hấp thụ đặc trưng bởi đại lượng độ dài khuếch tán neutron nhiệt (cm) Bảng 2.4 trình bày và , cùng với thời gian làm chậm , thời gian khuếch tán và hệ số phản xạ albedo [1]

Bảng 2.4: Một số thông số làm chậm và khuếch tán neutron [1]

2.1.4 Phản ứng dây chuyền và trạng thái tới hạn của lò phản ứng

Như đã nói ở mục 2.1.2, các neutron phân hạch đóng vai trò quan trọng trong phản ứng dây chuyền Lượng neutron này tiếp tục tham gia vào các phản ứng phân hạch tiếp theo Quá trình cứ tiếp tục như thế khiến cho số neutron tăng lên rất nhanh

và gọi là phản ứng dây chuyền Trong lò BWR phản ứng dây chuyền thực hiện nhờ neutron nhiệt

Khả năng nhân neutron của môi trường vô hạn đặc trưng bởi “hệ số nhân”

trong đó, là các mật độ neutron trong hai thế hệ kế tiếp nhau Công thức (2.1) thường gọi là “công thức 4 thừa số” với các thừa số là:

 Hệ số sinh neutron , là số neutron nhanh sinh ra khi hạt nhân uranium hấp thụ 1 neutron nhiệt

 Hệ số nhân trên neutron nhanh , là số neutron nhanh sinh ra khi hạt nhân

238U phân hạch bởi neutron nhanh

 Xác xuất tránh hấp thu cộng hưởng , cho biết phần neutron nhanh được làm chậm mà không bị 238U bắt trong miền năng lượng cộng hưởng

 Hệ số sử dụng neutron nhiệt , cho biết phần neutron nhiệt được hạt nhân uranium hấp thụ so với phần neutron nhiệt bị toàn bộ vật liệu trong vùng hoạt hấp thụ

Khả năng nhân neutron của môi trường hữu hạn (vùng hoạt lò phản ứng) đặc trưng bởi “hệ số nhân hiệu dụng”:

trong đó:

 là xác suất tránh rò neutron nhanh

 là xác suất tránh rò neutron nhiệt

Trong thực tế, phần lớn neutron sinh ra bị mất đi do hấp thụ bởi vật liệu cấu tạo lò, bởi 238U, bởi các sản phẩm phân hạch… hay thoát ra ngoài môi trường Để phản ứng dây chuyền cân bằng trong môi trường vùng hoạt hữu hạn thì phải chọn kích thước vùng hoạt, khối lượng nhiên liệu phân hạch, tỷ lệ các chất hợp phần (chất hấp thụ neutron, axit boric…) và cách bố trí sao cho Khi đó vùng hoạt ở trạng thái tới hạn, có khối lượng tới hạn và kích thước tới hạn Trạng thái

gọi là trạng thái dưới tới hạn, khi đó phản ứng dây chuyền sẽ tắt dần, công suất nhiệt sẽ giảm đi Trạng thái gọi là trạng thái trên tới hạn, khi đó phản ứng dây chuyền sẽ phát triển, công suất nhiệt sẽ tăng lên

Từ lý thuyết khuếch tán neutron, ta có phương trình khuếch tán neutron Với các đại lượng , và một số đại lượng khác, sau khi giải phương trình khuếch tán

ta được phương trình tới hạn Bằng phương trình tới hạn, ta tính được khối lượng tới hạn và kích thước tới hạn của vùng hoạt đồng nhất nếu biết trước công suất lò và dạng hình học của vùng hoạt [1], [7]

Ngoài ra ta còn có khái niệm “độ phản ứng dự trữ”:

(2.4) trong đó là hệ số nhân khi rút hết tất cả các thanh điều khiển ra khỏi vùng hoạt

2.1.5.2 Vai trò của neutron tức thời và neutron trễ trong phản ứng dây

chuyền

Chu kỳ lò phản ứng là khoảng thời gian mà mật độ neutron sẽ thay đổi lần:

với là thời gian sống của một thế hệ neutron

Khi chỉ xét mỗi neutron tức thời thì Đối với lò phản ứng dùng nước làm chậm neutron thì (bảng 2.4) Giả sử thì chu kỳ lò phản ứng là:

Nếu xét cả neutron trễ thì thời gian sống trung bình của một thế hệ neutron (đối với chất làm chậm là nước và nhiên liệu là 235U) là:

Ta giải được phương trình động học khi thay đổi nhảy bậc độ phản ứng và khi thay đổi tuyến tính độ phản ứng cho lò đang hoạt động ở trạng thái tới hạn Khi thay đổi nhảy bậc độ phản ứng, ta thấy được mối tương quan giữa độ phản ứng đưa vào và chu kỳ lò phản ứng Sau khoảng thời gian đủ lớn, chu kỳ lò phản ứng quy định bởi thời gian sống của neutron trễ:

Đặc biệt là khi rất âm thì tiến về giá trị 80 (s), tức là khi dừng lò thì công suất lò giảm với chu kỳ cỡ 80 (s) và không thể giảm nhanh hơn được nữa Vì vậy đòi hỏi hệ thống tải nhiệt của lò cần hoạt động một thời gian sau khi dừng lò

Còn khi thay đổi tuyến tính độ phản ứng với tốc độ thay đổi là (s-1), thì phải lưu ý là khi gần bằng thì phải giảm vì nếu tiếp tục tăng thì sẽ nguy hiểm [1]

2.1.6 Sự thay đổi độ phản ứng trong quá trình làm việc của lò phản ứng

Khi lò hoạt động với công suất ổn định thì hệ số nhân hiệu dụng Tuy nhiên trong quá trình hoạt động của lò phản ứng, vùng hoạt xảy ra một số quá trình làm thay đổi , gồm có:

 Sự nhiễm độc bởi các sản phẩm phân hạch

 Sự cháy nhiên liệu

 Hiệu ứng nhiệt độ của độ phản ứng

Các yếu tố trên thường đưa một độ phản ứng âm vào lò Để giữ cho lò làm việc lâu dài, vùng hoạt cần có một độ phản ứng dự trữ đã trình bày ở mục 2.1.5.1 Trong quá trình lò hoạt động, các thanh điều khiển rút dần ra cùng với sự cháy dần của chất hấp thụ cháy sẽ đưa vào độ phản ứng dương bù trừ độ phản ứng

âm do 3 quá trình kể trên đưa vào, nhằm giữ cho Đến khi thì ta dừng

lò hoặc thay nhiên liệu mới [1], [4]

2.1.6.1 Sự nhiễm độc bởi các sản phẩm phân hạch

Đầu tiên ta xét sự nhiễm độc xenon-135 135Xe sinh ra và phân rã theo quá trình:

trong đó là xác suất phân hạch 235

U ra 135Te; (cm-1) là tiết diện phân hạch vĩ mô của 235U; (neutron/cm2.s) là mật độ thông lượng neutron nhiệt; (cm-3) là nồng độ các hạt nhân 135I; (cm2) là tiết diện hấp thụ neutron nhiệt vi

mô của 135I; (s-1) là hằng số phân rã của 135I

Nồng độ 135Xe tuân theo phương trình:

β 9,2 giờ

β 2,3 × 106 năm Phân hạch

Người ta chỉ ra rằng, nếu (1) lò có tại (cm-3

); (2) bỏ qua sự hấp thụ của các vật liệu khác; (3) k phụ thuộc chủ yếu vào hệ số sử dụng neutron nhiệt thì sự nhiễm độc xenon đưa vào lò một độ phản ứng âm:

Trong quá trình quá độ, giả sử ta thay đổi nhảy bậc thông lượng neutron dẫn tới thay đổi nhảy bậc công suất lò, tăng hay giảm phụ thuộc vào hướng thay đổi công suất như trong hình 2.1

Hình 2.1: Nồng độ xenon khi thay đổi nhảy bậc công suất:

(a) từ 100% xuống 50%; (b) từ 50% lên100% [7]

Trong trường hợp dập lò, độ nhiễm độc xenon đạt cực đại sau một khoảng thời gian rồi giảm dần về 0, khiến độ phản ứng do sự nhiễm độc xenon giảm dần rồi đạt cực tiểu, sau một thời gian thì đạt giá trị trước khi dập lò Hiệu ứng giảm độ phản ứng sau khi dừng lò do nhiễm độc xenon gọi là “hố iot” Hố iot là hiệu số giữa

độ phản ứng do sự nhiễm độc xenon theo thời gian và độ phản ứng do sự nhiễm độc xenon trước khi dập lò Hố iot này và càng lớn khi ban đầu càng lớn Hố iot

Tương tự như vậy, ta cũng có sự nhiễm độc samarium-149 và các sản phẩm phân hạch khác Tuy nhiên sự nhiễm độc do 135Xe và 149Sm là nổi bật nhất do tiết diện hấp thụ neutron nhiệt vi mô lớn, lần lượt là 3,5.106

(barn) và 5.104 (barn)

2.1.6.2 Sự cháy nhiên liệu

Trong quá trình lò phản ứng BWR hoạt động, nhiên liệu 235U cháy dần tạo ra các sản phẩm phân hạch Nồng độ 235U sẽ giảm dần theo thời gian, dần dần đưa vào

lò một độ phản ứng âm Các sản phẩm phân hạch tích lũy dần gọi là hiện tượng tạo

xỉ của lò và các sản phẩm phân hạch này gọi là xỉ của lò Các hạt nhân xỉ này phần lớn là các hạt nhân bền hoặc có thời gian bán rã lớn, góp phần gây ra sự nhiễm độc

Các hạt nhân nhiên liệu mới này bị phân hạch và đóng góp năng lượng giải phóng vào hoạt động của lò Hiện tượng sinh nhiên liệu mới khi cháy nhiên liệu cũ gọi là “hiện tượng tái sinh” Hiện tượng tái sinh có ý nghĩa quan trọng về mặt kinh

tế của năng lượng hạt nhân trong tương lai

2.1.6.3 Hiệu ứng nhiệt độ của độ phản ứng

Trong công thức tính hệ số nhân , các thừa số đều có các đại lượng mật độ (nhiên liệu, chất làm chậm…) và tiết diện (hấp thụ, tán xạ, phân hạch của nhiên liệu, chất làm chậm…) Các đại lượng này đều phụ thuộc vào nhiệt độ Vì vậy, nhiệt độ vùng hoạt thay đổi khiến thay đổi, tức là đưa vào lò phản ứng một độ

phản ứng nào đó Hiện tượng này đặc trưng bởi “hệ số nhiệt độ của độ phản ứng”:

và samarium Những thay đổi này dẫn tới nhiều hệ số nhiệt độ với các dấu khác nhau Hiệu ứng Doppler khi nhiệt độ tăng làm giảm xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng và ngược lại, dẫn tới hệ số nhiệt độ âm Hệ số nhiệt độ gây nên do sự thay đổi nhiệt độ nhiên liệu này gọi là “hệ số nhiệt độ nhiên liệu” [7]

Sự thay đổi nhiệt độ chất làm chậm dẫn tới sự thay đổi mật độ chất làm chậm

và tiết diện hấp thụ neutron của chất làm chậm Khi nhiệt độ tăng, mật độ của chất làm chậm giảm làm giảm xác suất tránh rò neutron và ngược lại, dẫn tới hệ số nhiệt

độ âm Đồng thời khi nhiệt độ tăng, tiết diện hấp thụ neutron của chất làm chậm (và

cả chất hấp thụ nếu có) giảm làm tăng xác suất tránh rò neutron và ngược lại, dẫn tới hệ số nhiệt độ dương Hệ số nhiệt độ gây nên do sự thay đổi nhiệt độ chất làm chậm này gọi là “hệ số nhiệt độ chất làm chậm” [7]

Nói tóm lại, hệ số nhiệt độ của độ phản ứng có thể là đại lượng dương hoặc

âm Để lò hoạt động ổn định và an toàn, ta phải thiết kế cấu trúc vùng hoạt sao cho

hệ số nhiệt độ của độ phản ứng phải mang dấu âm Ở lò BWR, sự sôi (để tạo ra hơi nước ngay trong vỏ áp lực lò phản ứng) tạo ra bọt sôi, mật độ của chất làm chậm giảm, dẫn tới hệ số nhiệt độ âm, do đó không cần dùng axit boric để điều khiển độ phản ứng như trong lò PWR Vận dụng điều này để điều khiển được công suất lò (mà ta sẽ nhắc tới trong mục 2.2.3.2) là một trong những đặc trưng nổi bật của lò BWR

2.2 Khái quát về lò phản ứng nước sôi (BWR)

2.2.1 Nguyên tắc hoạt động

Lò BWR dùng nhiên liệu độ giàu thấp và nước nhẹ làm chất làm chậm neutron

và chất làm mát Một trong những đặc trưng nổi bật của lò BWR đó là nó không có bình sinh hơi Hơi nước sinh ra từ nhiệt của tâm lò được dẫn từ vỏ áp lực lò phản ứng tới tua-bin làm cho máy phát điện hoạt động, và vì vậy hơi làm chạy tua-bin có nhiễm xạ nhẹ Sau đó, hơi nước được ngưng tụ và được bơm trở lại vỏ áp lực lò phản ứng để tiếp tục chu trình Hệ thống tuần hoàn nước lưu chuyển nước đi qua lò

 Vỏ áp lực lò phản ứng chứa nước (là chất làm mát và làm chậm), vách ngăn tâm lò và tâm lò, có một nắp bán cầu phía trên có thể tháo rời

 Vách ngăn tâm lò có cấu trúc hình trụ làm từ thép không rỉ bao quanh vùng hoạt, có chức năng tách biệt dòng đi lên trong tâm lò với dòng đi xuống phần ngoài và dẫn hơi tới ngăn tách hơi Ngoài ra nó còn có chức năng che chắn bức xạ cho vỏ áp lực lò phản ứng

 Ngăn tách hơi có nhiệm vụ tách nước ra khỏi hơi nước từ vùng hoạt

 Ngăn sấy hơi loại hơi ẩm khỏi hơi từ ngăn tách hơi đi lên

Vật liệu sử dụng ở đây gồm hợp kim Zircaloy cho tâm lò, thép không rỉ và các hợp kim chống ăn mòn cho các bộ phận khác Hầu hết các thiết bị đều có thể tháo rời, trừ vách ngăn tâm lò, bơm phun (jet pump), ống bơm chất làm mát cao áp vào (high-pressure coolant injection inlet piping) [4]

Hình 2.2: Tổ hợp lò phản ứng [4]

2.2.2.2 Hệ thống tuần hoàn nước làm mát

Hệ thống tuần hoàn nước có nhiệm vụ lưu chuyển chất làm mát trong tâm lò, gồm có các bộ phận:

 Tổ hợp bơm phun được đặt giữa thành vỏ áp lực lò phản ứng và vách ngăn tâm lò, gồm hai bơm phun (jet pump)

 Bơm tuần hoàn rút nước từ vỏ áp lực lò phản ứng phân phối vào các tổ hợp bơm phun qua các ống phân phối

Tổ hợp bơm phun

Tổ hợp nhiên liệu

Lối vào nước tuần hoàn

Phần chịu tải

vỏ lò áp lực

Hệ dẫn động thanh điều khiển Thiết bị giám sát thông lượng neutron

trong tâm lò

Quai xách ngăn tách hơi

Ngăn sấy hơi Ngăn tách hơi Lối vào nước cấp Vòng phun nước cấp Đường ống phun tâm lò Giá đỡ phía trên

tổ hợp nhiên liệu Vách ngăn tâm lò Thanh điều khiển

Đế tâm lò Lối ra nước tuần hoàn Tường che chắn

Đường ống thủy lực của hệ dẫn động thanh điều khiển

Hình 2.3: Tiết diện của lò BWR Các mũi tên chỉ hướng nước chuyển động [7] 2.2.2.3 Đường ống dẫn hơi chính

Hơi thoát ra vỏ áp lực lò phản ứng qua bốn miệng hơi, đi vào ống dẫn hơi làm

từ thép carbon Mỗi miệng hơi gồm các bộ phận như van cô lập, van an toàn… có nhiệm vụ đảm bảo áp suất ở mức an toàn trong vỏ áp lực lò phản ứng

2.2.2.4 Hệ thống dẫn động thanh điều khiển

Các thanh điều khiển có chức năng kiểm soát công suất lò và dập lò khẩn cấp

Hệ thống dẫn động thanh điều khiển hoạt động theo cơ chế chuyền động bằng tông thủy lực (sử dụng nước ngưng tụ làm chất lỏng thủy lực) đưa thanh điều khiển

pit-từ dưới lên Ưu điểm của hệ thống dẫn động thanh điều khiển này là:

Nóc lò

Bộ sấy hơi Mực nước

 Hệ thống dẫn động thanh điều khiển không cản trở quá trình thay nhiên liệu

và vẫn hoạt động bình thường ngay cả khi nắp vỏ lò áp lực được tháo rời Các bộ phận của hệ thống này được che chắn neutron bởi nước trong lò

 Cơ chế truyền động bằng pit-tông thủy lực cho phép đưa thanh điều khiển vào với một lực mạnh và ổn định Trong trường hợp dập lò khẩn cấp thì lực đưa vào mạnh hơn nhiều so với các cơ chế truyền động khác

 Việc sử dụng nước ngưng tụ làm chất lỏng thủy lực ngăn ngừa nguy cơ rò rỉ chất lạ vào trong vỏ áp lực lò phản ứng, trong khi vẫn sử dụng pit-tông thủy lực thông thường

 Việc đưa thanh điều khiển từ dưới lên cho thông lượng neutron có giá trị đồng đều hơn so với phương pháp khác [4]

2.2.3 Tâm lò phản ứng

Tâm lò phản ứng được thiết kế dựa trên nhiều yếu tố kỹ thuật và kinh nghiệm vận hành lò phản ứng thế hệ trước đó Những nhân tố này giúp cho thế hệ lò ngày nay đạt được sự ổn định, tính hiệu quả và độ an toàn ngày càng cao Tâm lò có dạng hình trụ đứng chứa các tổ hợp nhiên liệu và nằm trong vỏ áp lực lò Chất làm mát chảy từ dưới lên xuyên qua tâm lò

2.2.3.1 Tổ hợp nhiên liệu

Mỗi ô nhiên liệu gồm bốn tổ hợp nhiên liệu (fuel assembly) Mỗi tổ hợp nhiên liệu gồm một bó nhiên liệu và một kênh nhiên liệu Mỗi bó nhiên liệu gồm nhiều thanh nhiên liệu (hình 2.4) [4]

Thanh nhiên liệu gồm nhiều viên UO2 được đặt trong ống bọc cùng với các lò

xo Viên UO2 được tạo ra bằng cách nén bột UO2 sau đó được nung và mài thành hình trụ Các viên UO2 được cho vào ống bọc làm từ hợp kim Zircaloy-2, rút không khí và bơm heli với áp suất cao để làm chất tải nhiệt, sau đó hàn 2 đầu, tạo ra thanh