khắc phục sự cố máy bơm tuần hoàn chính ngưng hoạt động cho lò wwer-1000 bằng phần mềm mô phỏng wwer-1000

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT CPS Reactivity Control Page Trang điều khiển độ phản ứng EP Emergency Protection Chế độ bảo vệ khẩn cấp IAEA International Atomic Energy Agency Cơ quan nă

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TƯ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT

BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN

o0o

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

KHẮC PHỤC SỰ CỐ MÁY BƠM TUẦN HOÀN CHÍNH NGƯNG HOẠT ĐỘNG CHO LÒ WWER-1000 BẰNG

ThS Phan Lê Hoàng Sang

LỜI CẢM ƠN

Em xin gửi lời cảm ơn đến quý thầy cô trong bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên đã quan tâm giúp đỡ, hướng dẫn em trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận

Với lòng biết ơn sâu sắc, em gửi đến thầy Võ Hồng Hải và thầy Phan Lê Hoàng Sang, người đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng, quan tâm giúp đỡ em hoàn thành khóa luận

Em gửi lời cảm ơn đến cô Lê Bảo Trân, cô đã dành thời gian quý báu để đọc

và cho em những nhận xét quan trọng giúp em hoàn thành khóa luận

Xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã luôn ở bên cạnh động viên, giúp

đỡ trong thời gian thực hiện khóa luận

TP.HCM, ngày 14 tháng 7 năm 2014

Lữ Thế Đăng

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC ii

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIÊT TẮT iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN SỬ DỤNG LÒ PHẢN ỨNG WWER-1000 2

1.1 Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân 2

1.2 Trang thiết bị vòng sơ cấp 4

Lò phản ứng 4

Lõi lò phản ứng 6

Bơm tuần hoàn chính (RCP) 8

Bình sinh hơi (SG) 8

Hệ thống điều hòa áp suất (Pressurizer) 9

1.3 Trang thiết bị vòng thứ cấp 10

Ống nối dẫn hơi (MSC) và ống góp hơi (MSH) 10

Van điều chỉnh hơi nước tua-bin 10

Các bộ phận khác 10

CHƯƠNG 2: ĐIỀU CHỈNH CÔNG SUẤT LÒ VÀ ĐỘ PHẢN ỨNG 11

2.1 Những khái niệm chung 11

2.2 Điều chỉnh độ phản ứng bằng các thanh điều khiển 12

2.3 Tỏa nhiệt dư trong nhiên liệu 12

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT SỰ CỐ MÁY BƠM TUẦN HOÀN CHÍNH NGỪNG

HOẠT ĐỘNG 14

3.1 Một máy bơm tuần hoàn chính ngừng hoạt động 15

Khảo sát trường hợp không phục hồi sự cố 15 Khắc phục sự cố bằng phương pháp điều chỉnh nồng độ acid boric

từ mức 66% 22 Khắc phục sự cố bằng phương pháp điều chỉnh nồng độ acid boric

từ mức thấp hơn 66% 263.2 Hai máy bơm tuần hoàn chính ngừng hoạt động 28

Khảo sát các thông số của lò khi máy bơm tuần hoàn chính số 1 và

2 ngừng hoạt động 28 Khắc phục sự cố hai máy bơm tuần hoàn chính ngừng hoạt động 31

PHỤ LỤC

 Phụ lục 1: Giới thiệu phần mềm mô phòng WWER-1000 40

 Phụ lục 2: Danh sách các mục của bảng thông báo cho chương trình

mô phỏng lò phản ứng WWER-1000 49

 Phụ lục 3: Danh sách các tín hiệu dẫn đến sự bảo vệ khẩn cấp 51

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

CPS Reactivity Control Page Trang điều khiển độ phản ứng

EP Emergency Protection Chế độ bảo vệ khẩn cấp

IAEA International Atomic Energy

Agency

Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế

MSC Main steam collector Ống nối dẫn hơi

MSV Main steam valve Những van hơi nước chính

MSIV Main steam isolating valve Van xả hơi chính

PP Preventive protection Chế độ bảo vệ phòng ngừa

TAB Enunciators Page Giao diện cảnh báo sự cố

TK Feed and Bleed System Page Trang hệ thống thổi bù

RCP Reactor coolant pump Bơm tuần hoàn chính

WWER Water Water Energy Reactor Lò phản ứng hạt nhân nước-nước

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của WWER – 1000 4

Bảng 1.2 Các đặc tính chính của lõi lò phản ứng WWER-1000 6

Bảng 1.3 Các đặc tính chính của bó nhiên liệu của lò WWER-1000 7

Bảng 1.4 Các đặc tính của viên nhiên liệu 8

Bảng 3.1 Các tham số cần quan tâm khi lò đang hoạt động bình thường 16

Bảng 3.2 Các thông số cần khảo sát trong sự cố hai máy bơm ngừng hoạt động 29

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ mặt cắt của nhà máy điện hạt nhân 3

Hình 1.2 Những bộ phận chính trong vòng sơ cấp lò WWER 3

Hình 1.3 Ảnh mặt cắt của lõi lò phản ứng WWER-1000 5

Hình 1.4 Hình dạng của lõi lò và các bó thanh nhiên liệu 7

Hình 1.5 Cấu tạo bình sinh hơi 9

Hình 3.1 Lựa chọn chế độ hoạt động bình thường của lò phản ứng 15

Hình 3.2 Các tín hiệu cảnh báo sự cố khi đóng máy bơm tuần hoàn chính số 2 17

Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ và áp suất lò theo thời gian 17

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi áp suất, nhiệt độ và mức nước của bình điều áp theo thời gian 18

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn vị trí nhóm thanh điều khiển số 10 và công suất lò phản ứng theo thời gian 19

Hình 3.6 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ chân nóng và chân lạnh ở bình sinh hơi số 2 theo thời gian 19

Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ chân nóng và chân lạnh ở bình sinh hơi số 1 theo thời gian 20

Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi mực nước và vị trí van điều khiển của bình sinh hơi số 2 21

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi công suất và vị trí nhóm thanh điều khiển số 10 21

Hình 3.10 Đồ thị biễu diễn mực nước của bình sinh hơi số 2 theo thời gian 22

Hình 3.11 Vị trí các van TB10S17, TB10S26, TB10S24, TK80S01 23

Hình 3.12 Đồ thị biểu diễn vị trí nhóm thanh điều khiển số 10 theo thời gian 23

Hình 3.13 Đồ thị biểu diễn nồng độ acid boric theo thời gian 23

Hình 3.14 Bình chứa nước cất TK70B01 24 Hình 3.15 Đồ thị biểu diễn công suất lò phản ứng, nồng độ acid boric và độ

Hình 3.17 Đồ thị biễu diễn sự thay đổi công suất theo thời gian khi tiến hành

Hình 3.21 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vị trí nhóm thanh điều khiển số 10 theo

thời gian khi tiến hành khắc phục sự cố 31

Hình 3.22 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nồng độ acid boric theo thời gian 31 Hình 3.23 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nồng độ acid boric theo thời gian trong

toàn bộ quá trình khảo sát 32

Hình 3.24 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi vị trí các nhóm thanh điều khiển từ số 5

đến số 10 theo thời gian trong toàn bộ quá trình khảo sát 32

Hình 3.25 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi công suất lò thời gian trong toàn bộ quá

trình khảo sát 33

Hình 3.26 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi thông số OFFSET theo thời gian 33

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, năng lượng điện hạt nhân tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất điện năng trên toàn thế giới Mặc dù tai nạn tại nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) Fukushima Daiichi năm 2011 ở Nhật Bản đã gây ra nỗi ám ảnh, nguy hiểm trên thế giới, nhưng không thể phủ nhận vai trò quan trọng điện hạt nhân trong việc thúc đẩy nền kinh tế phát triển và đảm bảo an ninh năng lượng Vấn đề đặt ra về an toàn NMĐHN, sự vận hành, độ an toàn phóng xạ, cách quản lý, đội ngũ vận hành các sự cố có thể xảy ra,… Nó quyết định sự thành bại của chương trình điện hạt nhân

Trong khóa luận này, tôi thực hiện mô phỏng khắc phục một sự cố tai nạn máy bơm tuần hoàn ở vòng sơ cấp ngừng hoạt động cho loại lò WWER - 1000 (Water Water Energy Reactor – 1000) Gói phần mềm sử dụng là WWER-1000, được tài trợ từ Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA cho trường đại học Khoa học Tự nhiên – Tp.HCM Các thông số vật lý lò như nồng độ acid boric, vị trí của thanh điều khiển, độ phản ứng, công suất lò phản ứng, giá trị OFFSET của

lò được khảo sát và đánh giá

Nội dung khóa luận gồm 3 chương:

 Chương 1: Giới thiệu nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng WWER-1000

 Chương 2: Điều chỉnh công suất lò và độ phản ứng

 Chương 3: Khảo sát sự cố máy bơm tuần hoàn chính ngừng hoạt động

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

SỬ DỤNG LÒ PHẢN ỨNG WWER-1000

1.1 Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân

Ngày nay năng lượng hạt nhân tiếp tục đóng một vai trò quan trọng cho nhân loại Tuy nhiên, một vấn đề quan trọng khi phát triển chương trình điện hạt nhân đó

là an toàn Các yêu cầu về an toàn luôn được quy định chặt chẽ, sau sự cố Fukushima chúng càng trở nên chặt chẽ hơn Dù đang phải đối mặt với nhiều thách thức, nhưng công nghệ điện hạt nhân vẫn là một lựa chọn quan trọng của thế kỷ 21 Để đáp ứng nhu cầu về an ninh năng lượng, hiện nay nhiều loại lò thế hệ mới đang được nghiên cứu phát triển

Một trong số đó là lò phản ứng WWER-1000, được viết tắt từ Water Water Energy Reactor Đây là loại lò phản ứng nước áp lực bốn vòng lưu thông trong đó nước được sử dụng như chất làm chậm và chất tải nhiệt, chỉ số 1000 cho biết công suất điện đạt 1000MW Loại lò này được thiết kế đối phó với sự cố xảy ra cùng một lúc như vỡ ống đường kính lớn, động đất và mất điện hoàn toàn

Thiết kế cơ bản của lò phản ứng WWER-1000 gồm: bốn bình sinh hơi, một bình điều áp, và bốn máy bơm tuần hoàn chính Có hai hệ thống chính được tối ưu hóa để chuyển nhiệt năng thành điện năng Hệ thống vòng sơ cấp có chức năng chuyển nhiệt lượng tỏa ra từ phản ứng hạt nhân đến các bình sinh hơi Bình sinh hơi

là nơi trung gian giữa vòng sơ cấp và vòng thứ cấp, nó là điểm cuối của vòng sơ cấp

và là điểm đầu của vòng thứ cấp Hơi được tạo ra trong bình sinh hơi và đi vào bin chính để tạo ra điện Sau đó hơi được đưa vào bình ngưng tụ để chuyển thành nước và bơm trở lại bình sinh hơi để tái sử dụng

tua-Ngoài ra, để hai hệ thống chính kể trên hoạt động trơn tru, cần có rất nhiều hệ thống phụ trợ khác nhau Ví dụ như hệ thống thổi-bù, hệ thống điều hòa áp suất … Ngoài ra còn có hệ thống bảo vệ, ví dụ như hệ thống thanh điều khiển, hệ thống bảo

vệ khẩn cấp (EP)…

1 Thùng lò; 2 Bình sinh hơi; 3 Máy bơm tuần hoàn chính; 4 Bình điều áp;

5 Bình ngưng hơi giảm áp suất; 6 Hệ thống làm lạnh lõi bị động tức thời

Hình 1.1 Sơ đồ mặt cắt của nhà máy điện hạt nhân

1.2 Trang thiết bị vòng sơ cấp

Lò phản ứng

Như đã nói, vòng sơ cấp có nhiệm vụ tuần hoàn chất tải nhiệt và truyền nhiệt tỏa ra từ vòng sơ cấp đến vòng thứ cấp thông qua bình sinh hơi

Lò phản ứng WWER-1000 là từ viết tắt của Water-Water Energy Reactor Đây

là loại lò phản ứng có vỏ (vessel-type), hoạt động với neutron nhiệt sử dụng nước thường để làm chậm (moderator) và tải nhiệt (coolant) Chỉ số 1000 cho biết công suất điện của lò này đạt 1000 MW

Chất tải nhiệt không phải là nước sạch thuần túy, mà là nước có chứa acid boric H3BO3 hòa tan Do đó, khi nói về “nước” nhưng ta hiểu đó là dung dịch acid boric Đơn vị đo nồng độ acid boric là gam acid boric trong kilogam nước, ký hiệu là g/kg Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của lò phản ứng được đưa ra trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của WWER – 1000 [8]

Lưu lượng chất tải nhiệt khi cả 4 máy bơm chính hoạt động (m3/h) 84800 Tốc độ chất tải nhiệt vòng sơ cấp (m/s)

- Qua các bó nhiên liệu

- Trong các ống của lò phản ứng

5,6

10

Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình chất tải nhiệt ở chân nóng và chân lạnh

khi cả bốn máy bơm tuần hoàn chính hoạt động (0C) 30 Mật độ công suất trung bình của vùng hoạt (kW/lít) 115

Thể tích vòng sơ cấp (không tính bộ điều áp) (m3) 300

Việc điều chỉnh công suất lò và kiềm hãm chuỗi phản ứng dây chuyền được thực hiện bởi hệ thống điều chỉnh độ phản ứng Trong lò WWER-1000 có hai hệ thống điều chỉnh độ phản ứng hoạt động dựa trên nguyên tắc khác nhau :

 Điều chỉnh độ phản ứng bằng các nhóm thanh điều khiển

 Điều chỉnh độ phản ứng bằng nồng độ acid boric

Các thanh điều khiển được sử dụng trong chế độ điều khiển lò ở chế độ hoạt động bình thường hoặc dập lò trong chế độ khẩn cấp Trong khi đó, việc thay đổi nồng độ acid boric làm thay đổi chậm độ phản ứng

Chất tải nhiệt đi vào lò phản ứng bằng đầu vào (input nozzles), đi qua vòng phân cách (ring gap) giữa vỏ lò (reactor vessel) và giếng lò (core-well) và thông qua một tấm ở dưới được khoan lỗ (perforated bottom plate) để đi qua các bó thanh nhiên liệu được lắp đặt trong lõi lò Chất tải nhiệt được gia nhiệt khi chảy qua các bó nhiên liệu do nhiệt năng tỏa ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân Sau đó đi đến vòng phân cách và đi ra khỏi lò phản ứng thông qua đầu ra (outlet nozzles) và đi vào “chân nóng” của bình sinh hơi

Hình 1.3 Ảnh mặt cắt của lõi lò phản ứng WWER-1000

Cần lưu ý rằng trong vòng sơ cấp thì nước không sôi, áp suất khoảng 160 kg/cm2(áp suất của lõi lò) Áp suất cao trong vòng sơ cấp ngăn ngừa khả năng sôi của chất tải nhiệt, dự trữ trước điểm sôi vào khoảng 10 kg/cm2 Còn trong bình sinh hơi áp suất thấp hơn đáng kể, khoảng 70 kg/cm2, do đó nước sẽ bay hơi và chuyển thành hơi nước, một phần sẽ được máy bơm tuần hoàn chính chuyển trở lại lò phản ứng Hơi nước này hầu như không nhiễm xạ và chu trình quay tua-bin sẽ được thực hiện với hơi nước này

Lõi lò phản ứng

Lõi lò phản ứng WWER-100 được cấu tạo bởi các bó nhiên liệu hình lục giác

và được đặt ở các lưới hình lục giác cách nhau khoảng 236 mm Số lượng bó thanh nhiên liệu trong lõi lò phụ thuộc và kích cỡ và công suất của lò Kích thước lớn nhất của bó thanh nhiên liệu được giới hạn bởi những yêu cầu về an toàn để giảm thiểu khả năng hình thành khối lượng tới hạn (của nhiên liệu), và kích thước nhỏ nhất của

bó thanh nhiên liệu được giới hạn bởi những lý do hiệu quả về chi phí

Bảng 1.2 Các đặc tính chính của lõi lò phản ứng WWER-1000

Chiều cao của phần nóng ( ở trang thái lạnh) 3,53 m

Hình 1.4 Hình dạng của lõi lò và các bó thanh nhiên liệu

Bó thanh nhiên liệu của lò phản ứng WWER-1000 là một cụm các thanh nhiên liệu phân bố đều Trong mỗi bó nhiên liệu có 312 thanh, 18 ống chứa chất hấp thụ dành cho các thanh hấp thụ neutron của thanh điều khiển, một ống trung tâm, 14 mạng định vị

Bảng 1.3 Các đặc tính chính của bó nhiên liệu của lò WWER-1000

Chiều dài phần hoạt động của bó thanh nhiên liệu 3530 mm

1 Thanh nhiên liệu

2 Các ống chứa thanh điều khiển

3 Ống chứa thiết bị đo trung tâm

Bảng 1.4 Các đặc tính của viên nhiên liệu

Khối lượng riêng của nhiên liệu 10,4 g/cm2

Độ làm giàu tiêu chuẩn 3,3% ; 4,4% ; 3,0% và 4,0%

Bơm tuần hoàn chính (RCP)

Máy bơm tuần hoàn chính trong vòng sơ cấp – một trong những thiết bị quan trọng nhất ở NMĐHN, đảm bảo sự tuần hoàn cưỡng bức chất tải nhiệt qua lò phản ứng và nhận nhiệt từ vùng hoạt lò phản ứng WWER-1000, rồi truyền nhiệt vào bình sinh hơi

RCP cần phải hoạt động một cách tin cậy và bền vững ở các thông số của môi trường xung quanh vòng sơ cấp mà không cần bất cứ sự can thiệp nào của nhân viên vận hành trong khoảng thời gian dài, ít nhất là bằng chu kỳ giữa các lần dừng lò phản ứng Bởi vì, RCP được bố trí trong khu vực bảo vệ kín, nên thực tế là không có khả năng sửa chữa nó trong thời gian lò phản ứng hoạt động

Việc hoạt động ổn định của RCP phần lớn phụ thuộc vào độ tin cậy của các hệ thống phụ trợ Vì vậy số lượng các hệ thống này cần nhỏ nhất có thể

Tất cả các chi tiết và đầu mối của RCP tiếp xúc với chất tải nhiệt, đều được chế tạo bằng thép không bị ăn mòn

Bình sinh hơi (SG)

Bình sinh hơi có nhiệm vụ truyền năng lượng sinh ra từ vùng hoạt lò phản ứng vào vòng thứ cấp Việc truyền năng lượng từ vòng sơ cấp sang vòng thứ cấp được

thực hiện trên bề mặt gia nhiệt của bình sinh hơi thông qua quá trình sinh hơi nước trong nước của vòng thứ cấp, sau đó hơi này được sử dụng để sản xuất năng lượng nhiệt ở máy phát tuabin Bình sinh hơi, cùng với lò phản ứng và máy bơm tuần hoàn chính thuộc loại thiết bị cơ bản của NMĐHN

Hình 1.5 Cấu tạo bình sinh hơi

Hệ thống điều hòa áp suất (Pressurizer)

Hệ thống điều hòa áp suất có nhiệm vụ tạo ra và duy trì áp suất trong vòng sơ cấp ở các chế độ tĩnh và hạn chế sai lệch áp suất trong các chế độ chuyển tiếp và chế

độ khẩn cấp Nhiệm vụ trọng tâm của hệ thống điều hòa áp suất là không để cho chất tải nhiệt sôi Nếu áp suất trong vòng sơ cấp giảm, hệ thống điều áp sẽ nung nóng các thanh đốt điện dạng ống và một phần nước sẽ trở thành hơi, và dĩ nhiên áp suất sẽ được tăng lên Ngoài ra, khi áp suất trong vòng tuần hoàn này tăng lên, việc làm giảm

áp suất trong vòng tuần hoàn này đạt được nhờ phun nước từ “chân lạnh” của vòng một; nước lạnh sẽ làm hơi nước ngưng tụ và làm giảm áp suất

1.3 Trang thiết bị vòng thứ cấp

Ống nối dẫn hơi (MSC) và ống góp hơi (MSH)

Chất tải nhiệt từ vòng sơ cấp sẽ đi qua các nhóm ống dẫn nằm ngang nằm phía trên bình sinh hơi (SG), những nhóm ống dẫn đó chính là ống nối dẫn hơi (MSC) Thông qua hệ thống gom hơi nước chính, hơi được sinh ra từ bình sinh hơi (SG) sẽ được đưa đến ống góp hơi (MSH) và sau đó đi đến tua-bin

Van điều chỉnh hơi nước tua-bin

Trong điều kiện bình thường, hơi đi đến tua-bin thông qua van điều chỉnh hơi nước tua-bin (Turbine governors valve) Việc mở các van điều chỉnh hơi nước tua-bin làm thay đổi dòng hơi vào tua-bin, giá trị tải của tua-bin và tác động đến áp suất hơi trong vòi phun hơi chính (MSH) và bình sinh hơi

Nếu áp suất trong mạch thứ cấp vượt quá giới hạn cho phép, van đệm khí (Atmosphere damp vans) sẽ được mở ra để xả bớt hơi, và như vậy áp suất sẽ giảm xuống Nếu áp suất trong mạch thứ cấp vẫn thiếp tục tăng, thì van nối tắt tua-bin (Turbine bypass valve) sẽ mở ra, và hơi nước lúc này sẽ đi trực tiếp đến hồ ngưng tụ

và sẽ được chuyển từ dạng hơi sang dạng lỏng

Các bộ phận khác

Hơi nước được hình thành trong bình sinh hơi (SG) được gom lại trong ống góp hơi và phân phối tiếp đến các ống nối dẫn hơi khác Trong điều kiện hoạt động bình thường, đa số hơi nước đi qua van điều chỉnh hơi nước tua-bin, sau đó đi đến xi-lanh

áp xuất cao (High pressure cylinder) của tua-bin Tiếp theo, hơi nước thoát ra khỏi xi-lanh áp suất cao và vào bộ phận phân tách (Separator) để giảm độ ẩm Sau khi bị sấy khô, hơi nước được đi qua bộ phận gia nhiệt (Reheater), bộ phận cung cấp nhiệt cho hơi nước, và sau đó hơi nước được đưa vào xi-lanh áp suất thấp (Low pressure cylinder)

Mỗi xi-lanh áp suất thấp được nối với một buồng ngưng tụ (Condenser) riêng biệt, nơi mà hơi nước được ngưng tụ khi được tiếp xúc với những ống dẫn chất tải nhiệt Bắt đầu từ bồn ngưng tụ, hơi nước ngưng tụ được gia nhiệt từ nhiệt lượng sinh

ra từ tua-bin Sau đó, phần ngưng tụ sẽ được đưa đến bộ phận khử khí (Deaerator)

để loại bỏ tất cả những khí không ngưng tụ Cuối cùng, nước cấp được bơm vào bình sinh hơi (SG) bằng máy bơm cấp nước (FWP)

CHƯƠNG 2 ĐIỀU CHỈNH LÒ PHẢN ỨNG 2.1 Những khái niệm chung

Trong lò phản ứng luôn diễn ra các phản ứng dây chuyền, hệ số nhân neutron hiệu dụng keff = 1, còn độ phản ứng 𝜌 = 0 Trong thực tế, có rất nhiều hiệu ứng làm thay đổi độ phản ứng theo thời gian, ví dụ như: hiệu ứng của động học nuclit, hiệu ứng của độ phản ứng Kết quả là độ phản ứng 𝜌 lệch khỏi giá trị 0 Do đó, để duy trì

lò phản ứng trong trạng thái tới hạn cần phải thay đổi các tính chất tái sinh và hấp thụ của vùng hoạt nhằm điều hòa các hiệu ứng đã xuất hiện

Hệ thống “kiểm soát-điều khiển” và hệ thống “điều khiển và bảo vệ” của một lò phản ứng bất kỳ giải quyết ba nhiệm vụ cơ bản :

 Bảo vệ sự cố (hệ thống an toàn) – nhanh chóng dừng lò phản ứng (chấm dứt phản ứng dây chuyền) khi xảy ra sự cố

Điều hòa độ phản ứng dư, thay đổi chậm theo thời gian cháy nhiên liệu

Điều chỉnh lò phản ứng – thay đổi công suất lò phản ứng cũng như điều hòa những sai lệch độ tới hạn

Cơ chế điều chỉnh độ phản ứng trong lò WWER-1000 là thay đổi tốc độ hấp

thụ neutron, có hai phương pháp điều chỉnh chính là:

 Điều chỉnh bằng các chất hấp thụ neutron dạng rắn, dịch chuyển được Đó có thể là các thanh hấp thụ riêng rẽ (thanh điều khiển), nhóm các thanh hấp thụ hình dạng khác nhau hoặc các mạng bù trừ Điều chính tốc độ hấp thụ neutron được thực hiện bằng cách đưa các thanh điều khiển vào hoặc rút ra khỏi vùng hoạt

 Điều chỉnh hóa học bằng chất lỏng, nhờ thay đổi nồng độ chất hấp thụ trong chất tải nhiệt hoặc trong các chất làm chậm dạng lỏng Phương pháp này được phổ biến rộng rãi để điều hòa các hiệu ứng thay đổi độ phản ứng diễn ra chậm trong lò phản ứng WWER

 Ưu điểm của phương pháp này là việc điều hòa độ phản ứng bằng phương

pháp hóa học không làm sai lệch sự phân bố tỏa năng lượng trong thể tích vùng hoạt

2.2 Điều chỉnh độ phản ứng bằng các thanh điều khiển

Hệ thống điều khiển và bảo vệ lò phản ứng là các thanh hấp thụ dịch chuyển được, trong các thanh này có vật liệu hấp thụ neutron rất mạnh (trong trường hợp lò WWER là neutron nhiệt)

Điều chỉnh độ phản ứng bằng chất lỏng Trong lò phản ứng WWER, việc điều chỉnh bằng dung dịch acid boric được sử dụng rộng rãi Bản chất của phương pháp điều chỉnh này là bổ sung một lượng acid boric vào nước tuần hoàn trong vòng sơ cấp Vòng sơ cấp là nơi thực hiện đồng thời vai trò của chất tải nhiệt và chất làm chậm

 Ưu điểm cơ bản của của điều chỉnh acid boric là không làm sai lệch trường mật độ neutron trong vùng hoạt của lò phản ứng vì acid boric phân bố đều trong nước Khi đó, hệ thống điều hòa độ phản ứng bằng cơ khí (các cụm thanh điều khiển) chỉ có nhiệm vụ làm giảm hiệu ứng nhiệt độ và nhiễm độc lò phản ứng, và sau khi đưa lò phản ứng vào chế độ làm việc thì hệ thống này được đưa ra khỏi vùng hoạt Trong vùng hoạt chỉ còn lại các thanh thực hiện vai trò điều khiển, vận hành, độ hiệu dụng tổng thể của các thanh này không lớn, vì vậy độ sai lệch của thông lượng neutron do dịch chuyển của hệ thống điều chỉnh bằng cơ khí được giảm đến tối thiểu Điều chỉnh nồng độ acid boric điều hòa những thay đổi chậm của độ phản ứng

có liên quan đến quá trình cháy nhiên liệu, quá trình nhiễm độc tĩnh xenon và samari cũng như quá trình gia nhiệt và làm mát lò phản ứng

Nồng độ acid boric trong chất tải nhiệt thay đổi được là nhờ hệ thống “phun-bù vòng sơ cấp” Do đó tốc độ thay đổi nồng độ acid boric trong thời gian vận hành là rất nhỏ, điều này tốt cho an toàn hạt nhân, nhưng không đáp ứng các yêu cầu điều chỉnh công suất lò phản ứng trong các tình huống khẩn cấp có liên quan đến sự thay đổi nhanh của độ phản ứng

2.3 Tỏa nhiệt dư trong nhiên liệu

Lò phản ứng hạt nhân có một đặc điểm rất đặc biệt: tỏa năng lượng trong lò không chấm dứt ngay sau dừng phản ứng dây chuyền và còn quán tính nhiệt bình thường Việc tỏa nhiệt dư kéo dài nhiều ngày, hàng tuần và hàng tháng do chính các quá trình phân rã hạt nhân, điều này sinh ra một loạt những vấn đề phức tạp về kỹ

Trong những giây đầu tiên sau khi dừng lò phản ứng, mức tỏa nhiệt dư vào khoảng 6.5% mức công suất trước khi dừng Như vậy, đối với lò phản ứng có công suất nhiệt 3000MW, mức tỏa nhiệt dư vào khoảng 195 MW Công suất đó tương ứng với công suất của một tổ máy trung bình của nhà máy nhiệt điện

Vấn đề là công suất này cần phải đưa ra khỏi lò phản ứng và ra khỏi vòng sơ cấp trong bất kỳ điều kiện nào

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT SỰ CỐ MÁY BƠM TUẦN HOÀN CHÍNH

NGỪNG HOẠT ĐỘNG

Kịch bản của sự cố này là một máy bơm tuần hoàn chính ở vòng sơ cấp ngừng hoạt động Người điều khiển chủ động tắt máy bơm tuần hoàn để quan sát các quá trình xảy ra sau đó Theo kịch bản, tôi sẽ bắt đầu phục hồi công suất lò từ mức 66% bằng cách điều chỉnh nồng độ acid boric Sau khi làm theo đúng kịch bản của sách hướng dẫn, tôi mở rộng khảo sát là để cho công suất lò giảm xuống mức thấp hơn 66% mới bắt đầu tiến hành phục hồi sự cố Để phục hồi công suất lò từ mức thấp hơn 66% cần phải pha loãng acid boric trước khi tiến hành thực hiện các bước như kịch bản Qua khảo sát, có thể rút ra kết luận ngưỡng công suất để có thể phục hồi vào khoảng 15%, nếu thấp hơn mức này thì không thể phục hồi được Ngoài ra, tôi còn tiến hành khảo sát trường hợp sự cố hai máy bơm ngừng hoạt động Sau khi đã phục hồi công suất lò, độ ổn định được thể hiện qua thông số OFFSET (dao động xenon) của lò

Những chế độ sau đây thuộc loại vi phạm lưu lượng chất tải nhiệt:

 Kẹt một bơm tuần hoàn chính

 Mất điện bơm tuần hoàn chính

 Mất điện tất cả các bơm tuần hoàn chính

 Mất điện toàn bộ nhà máy điện hạt nhân

Giảm lưu lượng chất tải nhiệt qua vùng hoạt lò phản ứng làm tăng nhiệt độ, điều đó có thể dẫn đến không đủ làm nguội vùng hoạt, do đó dẫn đến xuất hiện khủng hoảng trao đổi nhiệt trên bề mặt các thanh nhiên liệu chịu tải nhiệt cao nhất

Khi một máy bơm tuần hoàn chính ngừng hoạt động, có thể là do mất điện, lưu lượng chất tải nhiệt qua vùng hoạt sẽ giảm từ từ vì máy bơm tuần hoàn chính sẽ tiếp tục chạy theo quán tính nhờ bánh đà Việc giảm công suất được đảm bảo nhờ bộ phẩn điều chỉnh hạn chế công suất (ROM) Tùy theo số lượng máy bơm tuần hoàn chính ngừng hoạt động mà công suất được giới hạn ở các mức khác nhau[8]:

 Lò hoạt động bình thường: công suất được giới hạn ở mức 102%

 Tắt một máy bơm tuần hoàn chính: công suất lò được giới hạn ở mức 69%

 Tắt hai máy bơm tuần hoàn chính đối diện nhau (1 và 3 hoặc 2 và 4): công suất lò được giới hạn ở mức 52%

 Tắt hai máy bơm tuần hoàn chính kế cận nhau: công suất lò được giới hạn ở mức 42 %

 Tắt một máy bơm nước cấp: công suất lò được giới hạn ở mức 52%

 Tắt một máy bơm nước cấp và hay máy bơm tuần hoàn chính: công suất lò được giới hạn ở mức 52%

 Tắt hai máy bơm nước cấp: công suất lò được giới hạn ở mức 7%

Trong phạm vi khóa luận này, chúng tôi khảo sát hai trường hợp:

 Đóng một máy bơm tuần hoàn chính

 Đóng 2 máy bơm tuần hoàn chính

3.1 Máy bơm tuần hoàn chính ở vòng 2 ngừng hoạt động

Khảo sát trường hợp không phục hồi sự cố

Tiến hành khảo sát sự cố máy bơm tuần hoàn chính số 2 (YD20D01) ngừng hoạt động Và không khắc phục sự cố này, khi đó sẽ quan sát được quá trình điều khiển tự động của lò phản ứng WWER-1000

Để lò hoạt động bình thường, cho chương trình mô phỏng chạy task “Rated state operation.1 load” như hình 3.1 Sự cố sẽ được thiết lập bằng tay vào giây thứ

10 sau khi chạy chương trình mô phỏng

Bảng 3.1 Các tham số cần quan tâm khi lò đang hoạt động bình thường

6 Áp suất trong trong bình điều áp (YP10P01) 158,79 (kg/cm2)

7 Mực nước trong bình điều áp (YP10L01) 886,863 (cm)

8 Vị trí nhóm thanh điều khiển số 10 (YS05S32) 80 % (out of core)

9 Áp suất trong bình sinh hơi số 1 (YB10P10) 62,32 kg/cm2

10 Mực nước trong bình sinh hơi số 1 (YB10L14) 224,6 cm

11 Áp suất trong bình sinh hơi số 2 (YB20P10) 62,30 kg/cm2

12 Mực nước trong bình sinh hơi số 2 (YB20P10) 224,8 cm

13 Lưu lượng nước cấp qua bình sinh hơi SG-2 (RL72F01) 1,485 (tấn/h)

14 Vị trí van điều khiển lưu lượng nước cấp (RL72S02) 0,665%

15 Nhiệt độ chân nóng của vòng 1 (YA11T01) 317,38oC

16 Nhiệt độ chân lạnh của vòng 1 (YA12T01) 285,94oC

17 Nhiệt độ chân nóng của vòng 2 (YA21T01) 317,38oC

18 Nhiệt độ chân lạnh của vòng 1 (YA22T01) 285,94oC

Ban đầu, lò hoạt động bình thường với công suất gần 100% (Nnom 100%) Khi tắt máy bơm tuần hoàn chính, gần như ngay lập tức, các tín hiệu và âm thanh cảnh báo xuất hiện

Hình 3.2 Các tín hiệu cảnh báo sự cố khi đóng máy bơm tuần hoàn chính số 2

Từ hình 3.2, phần mềm mô phỏng cho biết hệ thống bảo vệ phòng ngừa cấp 1 hoạt động, kèm theo đó là tín hiệu “RCP trip” cho biết một máy bơm tuần hoàn chính ngừng hoạt động Tín hiệu “N heat > setpoint” xuất hiện cho biết nhiệt độ trong lõi

lò vượt quá mức cho phép Đó là do khi vừa đóng một máy bơm tuần hoàn chính, công suất lò đang là 100%, nhiệt lượng tỏa đều ra cho bốn bình sinh hơi Tuy nhiên, một máy bơm ngừng hoạt động làm cho nhiệt lượng không được đưa ra hết lõi lò dẫn đến nhiệt lượng trong lõi lò tăng lên và xuất hiện tín hiệu “N heat > setpoint” Lúc này, hệ thống hạn chế công suất lò bắt đầu hoạt động do đó xuất hiện tín hiệu “PCR”

Vì nhiệt độ lõi lò tăng lên nên áp suất trong lõi lò tăng theo Lúc này, hệ thống điều áp (Pressurizer) bắt đầu hoạt động để ổn định áp suất trong lõi lò Áp suất trong bình điều áp bằng áp suất trong lõi lò Khi áp suất trong lõi lò tăng dẫn đến áp suất trong bình điều áp tăng lên làm cho nhiệt độ sôi của nước tăng Trong khi đó, nhiệt độ của hơi trong bình điều áp dưới điểm sôi làm cho nó ngưng tụ lại thành nước, dẫn đến mực nước trong bình điều áp tăng lên Hơi nước trong bình điều áp giảm làm cho áp suất giảm, do đó áp suất trong lõi lò giảm

Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi áp suất, nhiệt độ và mức nước của

bình điều áp theo thời gian

Như đã nói ở trên, khi một máy bơm tuần hoàn chính ngừng hoạt động thì công suất lò được giới hạn ở mức 69% Để đạt mức công suất này, chế độ bảo vệ phòng ngừa cấp 1 được tự động kích hoạt để đưa nhóm thanh số 10 vào lò để hấp thụ neutron qua đó giảm công suất lò, vị trí nhóm thanh thay đổi từ mức 80% đến khoảng 20% Khi nhóm thanh số 10 ổn định ở quanh vị trí 30% thì công suất lò được duy trì

ở mức 66%

Hình 3.5 Đồ thị biểu diễn vị trí nhóm thanh điều khiển số 10 và công suất

lò phản ứng theo thời gian

Do nhiệt độ lõi lò tăng nên nhiệt độ chân nóng của tất cả các bình sinh hơi tăng lên (độ tăng không đáng kể) Ngay sau đó, nhiệt độ chân nóng của các bình sinh hơi khác sẽ được đưa về mức ổn định như ban đầu nhờ quá trình tuần hoàn cưỡng bức chất tải nhiệt Trong khi đó nhiệt độ chân nóng của bình sinh hơi số 2 giảm liên tục đến mức thấp hơn nhiệt độ của chân lạnh Khi đó đó sự đảo dòng, chức năng của chân nóng và chân lạnh thay đổi so với ban đầu

Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn nhiệt độ chân nóng và chân lạnh ở bình sinh hơi

số 1 theo thời gian Mực nước trong bình sinh hơi số hai giảm nhanh từ mức 225 (cm) đến khoảng

204 (cm) dẫn đến sự xuất hiện của tín hiệu “L SG2 < 22”

 Lưu ý: quá trình tuần hoàn nước của vòng sơ cấp trong bình sinh hơi là cưỡng bức, còn của vòng thứ cấp là tự nhiên Tuy nhiên, cụm thiết bị lò phản ứng dạng WWER-1000 được thiết kế theo cách để nó cho phép thực hiện cả việc tuần hoàn

tự nhiên của chất tải nhiệt trong vòng sơ cấp Thiết kế cụm thiết bị lò phản ứng

sử dụng WWER-1000 đã tính trước việc sử dụng khả năng tuần hoàn tự nhiên chất tải nhiệt vòng sơ cấp để làm nguội vùng hoạt khi ngắt các máy bơm tuần hoàn chính Chế độ tuần hoàn tự nhiên được đảm bảo nhờ việc bố trí đặc biệt theo cao trình của nguồn nhiệt (lò phản ứng), của các đường ống và thiết bị hấp thụ nhiệt (bình sinh hơi)

Khi mực nước giảm đến giá trị cực tiểu thì van điều khiển (RL72S02) mở từ

từ để làm tăng lưu lượng nước cấp vào bình sinh hơi số 2 (RL72F01) Do đó mực nước trong bình sinh hơi bắt đầu tăng lên, do quán tính nên tăng đến giá trị lớn hơn

230 cm Sau đó van điều khiển đóng lại từ từ và duy trì mực nước trong bình sinh hơi số 2 ở mức 225 cm

Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi mực nước và vị trí van điều khiển của

bình sinh hơi số 2 Sau đó, công suất lò sẽ tiếp tục ổn định ở mức 66% trong khoảng thời gian dài nhờ chế độ ACP Tuy nhiên, trong khoảng thời gian này, các thanh điều khiển số

10 được rút ra từ từ, vị trí thay đổi từ mức 30% đến 100% Đến khi nhóm thanh điều khiển số 10 được rút ra hoàn toàn thì công suất lò bắt đầu giảm, vì khi đó cơ chế điều chỉnh lò phản ứng bằng nhóm thanh điều khiển không còn tác dụng Khi đó công suất lò sẽ giảm từ từ đến gần 0% Lúc này, trong mục tab xuất hiện tín hiệu “dT s1-2>75”, nghĩa là độ chênh lệch nhiệt độ giữa vòng sơ cấp và thứ cấp vượt quá 75oC, đây là một trong những tín hiệu dẫn đến sự dập lò Kết quả là toàn bộ nhóm thanh điều khiển rơi hết vào trong lò và công suất lo ở mức 10-7 %

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn sự thay đổi công suất và vị trí nhóm thanh

-0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2