Phân tích các đặc trưng của thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân VVER AES2006

Các kết quả nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn này sẽ trình bày những hiểu biết cần thiết về đặc điểm công nghệ lò phản ứng, các đặc trưng thiết kế, cũng như ảnh hưởng của quá trình vận

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐINH VĂN CHIẾN

PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƯNG

CỦA THANH NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG

LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER AES-2006

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

ĐINH VĂN CHIẾN

PHÂN TÍCH CÁC` ĐẶC TRƯNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG

LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER AES-2006

Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử

Mã số: 60 44 0106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN ĐẠI PHÚC

Lời cảm ơn

Luận văn này là kết quả của quá trình học tập tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội và quá trình thực tập tại Cục Năng lượng nguyên tử (NLNT) Trong đó, đặc biệt là quá trình tham gia Đề tài độc lập cấp Nhà nước

“Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình vận hành đến tính chất của nhiên liệu và vỏ thanh nhiên liệu trong lò phản ứng VVER-1000“ do Cục NLNT chủ trì và thời gian đào tạo dưới sự hướng dẫn của TS Jinzhao Zhang tại cơ quan kỹ thuật năng lượng điện TRACTEBEL (GDF SUEZ - Vương quốc Bỉ)

Với tình cảm chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến quý thầy cô giáo đã tham gia giảng dạy lớp cao học khóa 2011-2013, chuyên ngành Vật lý nguyên tử, các thầy cô Khoa Sau đại học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, lãnh đạo Cục Năng lượng nguyên tử đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Đại Phúc - Cố vấn khoa học Cục NLNT, người đã có hơn 40 năm kinh nghiệm làm việc tại các cơ quan hàng đầu trong lĩnh vực công nghệ điện hạt nhân trên thế giới (Canada, Pháp Mỹ, Bỉ, ) đã định hướng và truyền đạt những kiến thức chuyên môn, những kinh nghiệm vô cùng quý báu trong nghiên cứu khoa học giúp em thực hiện và hoàn thành luận văn này Mặc dù bản thân đã rất cố gắng nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được nhận những ý kiến đóng góp bổ sung của quý thầy cô

Hà Nội, tháng 4 năm 2015 Học viên

MỤC LỤC

DANH MỤC THUẬT NGỮ 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-AES2006 5

1.1 Quá trình phát triển công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER 5

1.2 Đặc điểm lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 8

CHƯƠNG 2 ĐẶC TRƯNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN 12

2.1 Đặc điểm thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân 12

2.2 Đặc trưng bức xạ đối với thanh nhiên liệu 15

2.3 Đặc trưng cơ nhiệt đối với thanh nhiên liệu 17

2.3.1 Sự phân bố nhiệt độ trong thanh nhiên liệu 17

2.3.2 Sự thay đổi cấu trúc viên gốm nhiên liệu 20

2.3.3 Quá trình mỏi và rão hóa vật liệu 24

2.4 Đặc trưng thủy nhiệt động đối với thanh nhiên liệu 25

2.4.1 Thông lượng nhiệt tới hạn và quá trình dời khỏi vùng sôi nhân 26

2.4.2 Sự ăn mòn do cọ xát của vỏ bọc thanh nhiên liệu với lưới định vị 31

2.4.3 Biến đổi hình học thanh nhiên liệu dưới tác dụng thủy lực 32

2.5 Đặc trưng quá trình oxy hóa và hydro hóa đối với thanh nhiên liệu 36

2.5.1 Quá trình oxy hóa 36

2.5.2 Quá trình hydro hóa 43

CHƯƠNG 3 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIÊN LIỆU FRAPCON-3.549 3.1 Tổng quan chương trình FRAPCON-3.5 49

3.1.1 Mục tiêu tính toán của chương trình FRAPCON-3.5 49

3.1.2 Các giới hạn của chương trình FRAPCON-3.5 50

3.2 Cấu trúc và phương pháp tính toán của code FRAPCON-3.5 51

3.2.1 Cấu trúc của code 51

3.2.2 Lưu đồ tính toán của code 52

3.2.3 Cấu trúc input đầu vào 55

3.3 Mô hình chính của code FRAPCON-3.5 55

3.3.1 Mô hình nhiệt động 55

3.3.2 Mô hình cơ học 59

3.3.3 Mô hình phát tán khí phân hạch 62

3.3.4 Mô hình oxy hóa và hydro hóa 63

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG THANH NHIÊN LIỆU TVS-2006 65 4.1 Đặc điểm thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 65

4.2 Tiêu chuẩn chấp nhận sử dụng trong phân tích 68

4.2.1 Tiêu chuẩn về độ bền 69

4.2.2 Tiêu chuẩn về độ biến dạng 70

4.2.3 Tiêu chuẩn về nhiệt - vật lý 71

4.2.4 Tiêu chuẩn về ăn mòn 71

4.3 Phương pháp phân tích và mô hình hóa 72

4.3.1 Phương pháp phân tích 72

4.3.2 Mô hình hóa thanh nhiên liệu TVS-2006 72

4.4 Đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 73

4.4.1 Kết quả tính toán cơ - nhiệt 73

4.4.2 Kết quả tính toán độ bền 80

4.4.3 Kết quả tính toán biến dạng hình học 85

4.4.4 Kết quả tính toán về quá trình oxy hóa và hydro hóa 88

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 90

TÀI LIỆU THAM KHẢO 94

PHỤ LỤC 97

DANH MỤC THUẬT NGỮ

DNB Departure from Nuclear Boiling Dời khỏi sự sôi nhân

IAEA International Atomic Energy Agency Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế LOCA Loss Of Coolant Accident Tai nạn/sự cố mất chất tải nhiệt

PCI Pellet Cladding Interaction Tương tác viên gốm - vỏ bọc

PCMI Pellet Cladding Mechanical Interaction Tương tác cơ học viên gốm-vỏ bọc

RIA Reactivity Initiated Accident Tai nạn/sự cố khởi phát độ phản ứng

US NRC United State Nuclear Regulatory Commission Ủy ban Pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ

VVER

(WWER)

Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor/Water-Cooled Water-Moderated Energy Reactor

Lò phản ứng hạt nhân nước áp lực kiểu Nga

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Một số thông số thiết kế lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 9

Bảng 1 2 Các thông số chính của vùng hoạt VVER-AES2006 10

Bảng 3 1 Các khối chính của code FRAPCON-3.5 51

Bảng 4 1 Các thông số thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 66

Bảng 4 2 Dữ liệu phân bố công suất dọc trục tương đối của thanh nhiên liệu 73

Bảng 4 3 Các kết quả tính toán cơ - nhiệt thanh nhiên liệu TVS-2006 75

Bảng 4 4 Các kết quả tính toán độ bền thanh nhiên liệu 82

Bảng 4 5 Các kết quả tính toán biến dạng hình học thanh nhiên liệu 86

Bảng 4 6 Các kết quả tính toán độ dày lớp oxit và hàm lượng hydro tích lũy 89

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Các thế hệ phát triển lò phản ứng hạt nhân VVER 7

Hình 1 2 Mô hình tổ hợp thiết bị vòng sơ cấp lò phản ứng VVER-AES2006 11

Hình 1 3 Bó thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 11

Hình 2 1 Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (KSPN-Hàn Quốc) 13

Hình 2 2 Bó thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (Westinghouse) 13

Hình 2 3 Thanh nhiên liệu tiêu chuẩn sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000 14

Hình 2 4 Các khuyết tật trong mạng lưới làm thay đổi tính chất vật liệu 17

Hình 2 5 Phân bố nhiệt độ giữa nhiên liệu và chất làm mát 19

Hình 2 6 Sự thay đổi vi cấu trúc nhiên liệu UO2 phụ thuộc nhiệt độ 22

Hình 2 7 Sự biến đổi hình dạng viên gốm và vỏ thanh nhiên liệu trong lò phản ứng 23

Hình 2 8 Ảnh hưởng của nhiên liệu tới vỏ bọc E110RXA tại các giai đoạn 23

Hình 2 9 Thanh và bó thanh nhiên liệu có thể bị cong vênh trong lò phản ứng 24

Hình 2 10 Đường cong đặc trưng của mô hình sôi bể 28

Hình 2 11 Thông lượng nhiệt tới hạn đối với lò PWR và BWR 30

Hình 2 12 Hư hỏng do cọ xát giữa vỏ bọc và lưới định vị 31

Hình 2 13 Tỷ lệ các dạng ăn mòn khác nhau trên vỏ bọc nhiên liệu ở Mỹ 31

Hình 2 14 Biến dạng hình học thanh nhiên liệu, (a) kiểu chữ S, (b) kiểu chữ C 32

Hình 2 15 Quan hệ giữa độ cong bó thanh và độ lệch khỏi kích thước khe hở 33

Hình 2 16 Độ cong bó thanh nhiên liệu của ba lò phản ứng Ringhals (Thụy Điển) 35

Hình 2 17 Hướng và biên độ uốn cong thanh nhiên liệu trong 35

Hình 2 18 Giản đồ pha Zr-O 37

Hình 2 19 Sơ đồ vi cấu trúc của zirconi oxit tạo thành trong các điều kiện khác nhau 38

Hình 2 20 Sơ đồ diễn biến quá trình oxy hóa kim loại vỏ bọc 39

Hình 2 21 Ăn mòn tạo lớp đồng nhất sau 1 và 3 chu kỳ 40

Hình 2 22 Cơ chế ăn mòn dạng hạch 41

Hình 2 23 Tác động của gốc hoạt động tạo thành từ quá trình phân hủy phóng xạ nước tới quá trình ăn mòn kim loại vỏ bọc 43

Hình 2 24 Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của Zircaloy-2 45

Hình 2 25 Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ bền kéo của Zircaloy-2 46

Hình 2 26 Ảnh hưởng của hàm lượng hydro đến tính chất cơ học của Zircaloy-4 tại nhiệt độ phòng 46

Hình 2 27 Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của vật liệu Zry-4 SRA và Zry-2 RXA không bị chiếu xạ tại nhiệt độ 20 oC 47

Hình 2 28 Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của vật liệu Zry-4 SRA và Zry-2 RXA không bị chiếu xạ tại nhiệt độ 300 oC 47

Hình 2 29 Ảnh hưởng của hàm lượng hydro và sự chiếu xạ tới độ dẻo của vật liệu Zry-2 RXA tại nhiệt độ 300 oC 48

Hình 3 1 Lưu đồ tính toán của code FRAPCON-3.5 52

Hình 3 2 Lưu đồ gọi các thủ tục con của code FRAPCON-3.5 54

Hình 3 3 Phân bố nhiệt độ thanh nhiên liệu hạt nhân 56

Hình 3 4 Lưu đồ tính toán nhiệt độ nhiên liệu và vỏ bọc 57

Hình 3 5 Phân bố điểm lưới sai phân 59

Hình 3 6 Lưu đồ tính toán biến dạng đàn hồi 62

Hình 4 1 Thanh nhiên liệu hạt nhân TVS-2006 68

Hình 4 2 Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính của thanh nhiên liệu TVS-2006 73

Hình 4 3 Nhiệt độ trung bình của nhiên liệu trong 4 chu kỳ vận hành 76

Hình 4 4 Nhiệt độ trung bình tâm nhiên liệu theo chiều dọc thanh nhiên liệu 76

Hình 4 5 Nhiệt độ trung bình lớp vỏ bọc theo chiều dọc thanh nhiên liệu 77

Hình 4 6 Nhiệt độ bề mặt bên ngoài lớp vỏ bọc theo chiều dọc thanh nhiên liệu 77

Hình 4 7 Lưới nhiệt độ trung bình của thanh nhiên liệu 78

Hình 4 8 Tỷ lệ phát tán khí phân hạch của thanh nhiên liệu 78

Hình 4 9 Tỷ lệ phát tán khí phân hạch theo trục thanh nhiên liệu 79

Hình 4 10 Áp suất khí bên trong thanh nhiên liệu 79

Hình 4 11 Độ cháy trung bình của thanh nhiên liệu trong 4 chu kỳ vận hành 80

Hình 4 12 Độ cháy theo chiều dọc thanh nhiên liệu 80

Hình 4 13 Ứng suất hiệu dụng của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu 83

Hình 4 14 Ứng suất tiếp tuyến của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu 83

Hình 4 15 Biến dạng tiếp tuyến của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu 84

Hình 4 16 Biến dạng đàn hồi tiếp tuyến của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu 84

Hình 4 17 Biến dạng đàn hồi hướng trục theo trục thanh nhiên liệu 85

Hình 4 18 Biến dạng đàn hồi hướng tâm theo trục thanh nhiên liệu 85

Hình 4 19 Độ giãn dài của vỏ bọc thanh nhiên liệu trong quá trình vận hành 87

Hình 4 20 Tốc độ rão của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu 87

Hình 4 21 Tốc độ phồng nở của nhiên liệu theo trục thanh nhiên liệu 88

Hình 4 22 Độ dày lớp oxit trên bề mặt vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu 89

Hình 4 23 Hàm lượng hydro tích lũy trong vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu 89

MỞ ĐẦU

Ngày nay, khi chính sách năng lượng ở mỗi quốc gia đang trở thành vấn đề cấp thiết hơn bao giờ hết, bởi sự ảnh hưởng liên quan tới nhiều khía cạnh mang tính chất toàn cầu như chống biến đổi khí hậu, xung đột vũ trang, an ninh hay chính trị… Trong khi các nguồn năng lượng mới chưa thể hiện được tính khả thi và hiệu quả thì năng lượng hạt nhân đã trở thành sự lựa chọn hàng đầu của nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam

Bằng các nỗ lực của Chính phủ Việt Nam trong chương trình phát triển năng lượng hạt nhân cho các ứng dụng vì mục đích hòa bình, đặc biệt sau ký kết thực hiện Dự án điện hạt nhân Ninh Thuận với đối tác Liên Bang Nga cũng như các hợp tác song phương khác với Chính phủ Nhật Bản, Hàn Quốc; Việt Nam đã và đang gấp rút triển khai thực hiện các giai đoạn cần thiết để đảm bảo đáp ứng cho sự phát triển của chương trình điện hạt nhân

Mặc dù, nước ta đã có kinh nghiệm vận hành và quản lý lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu Đà Lạt Tuy nhiên, với đặc trưng công suất lớn, hệ thống cấu trúc phức tạp, nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) đòi hỏi rất khắt khe về việc đảm bảo hoạt động an toàn của các lò phản ứng hạt nhân bên trong nhà máy Điều đó đã đặt ra rất nhiều thách thức cho toàn bộ quá trình vận hành cũng như quản lý nhà máy Do đó các phân tích đánh giá đặc trưng hoạt động của lò phản ứng là điều rất cần thiết Trong phân tích an toàn lò phản ứng chủ yếu tập trung vào 3 vấn đề chính bao gồm phân tích vật lý nơtron vùng hoạt lò phản ứng, phân tích thủy nhiệt động lò phản ứng và phân tích hiệu năng nhiên liệu lò phản ứng

Từ những năm 80 của thế kỷ XX cho đến nay, các thiết kế thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân không ngừng được cải tiến nhằm tối ưu hóa các đặc trưng vận hành trong vùng hoạt lò phản ứng Trong suốt quá trình cải tiến nhiên liệu, các thay đổi chủ yếu tập trung vào hình dạng của thanh nhiên liệu cũng như các đặc điểm của viên gốm nhiên liệu và lớp vỏ bọc như tăng độ làm giàu nhiên liệu

(lên tới 5%), sử dụng các viên gốm nhiên liệu UO2-Gd2O3, sử dụng vỏ bọc làm bằng hợp kim Zr-1%Nb,… Các thay đổi về vật liệu, cấu trúc và kích thước này nhằm đáp ứng các điều kiện vận hành khác nhau của lò phản ứng như mức công suất cao (1000 - 1600 MWe), tăng giới hạn công suất 110% công suất danh định, tăng độ cháy nhiên liệu (60 - 70 MWd/kgU) và kéo dài chu kỳ nhiên liệu (chu kỳ nhiên liệu từ 12 đến 18 tháng)

Do đó, các dự đoán sát với thực tế hơn về hiệu năng nhiên liệu trở nên rất quan trọng đối với việc thiết kế và đánh giá an toàn thanh nhiên liệu hạt nhân (TNLHN) Điều này cho phép vận hành nhà máy điện hạt nhân một cách hiệu quả và an toàn nhất; cũng như cải thiện biên dự trữ vận hành an toàn, tăng hiệu quả kinh tế và quản

lý nhiên liệu một cách linh hoạt hơn

Các kết quả nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn này sẽ trình bày những hiểu biết cần thiết về đặc điểm công nghệ lò phản ứng, các đặc trưng thiết kế, cũng như ảnh hưởng của quá trình vận hành đối với các bộ phận trong vùng hoạt lò phản ứng, đặc biệt là thanh nhiên liệu nhằm tăng cường năng lực phân tích an toàn, phục vụ cho việc phân tích, đánh giá an toàn nhà máy điện hạt nhân mà cụ thể là về đặc trưng nhiên liệu sử dụng

- Tìm hiểu đặc điểm công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006; trong

đó bao gồm thiết kế và các tiêu chuẩn vận hành của thanh nhiên liệu sử dụng trong

lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 (TVS-2006);

- Nghiên cứu các đặc trưng của trạng thái vận hành bình thường và các ảnh hưởng cơ - lý - hóa - nhiệt - bức xạ đối với thanh nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân;

- Phân tích các đặc trưng của thanh nhiên liệu trong trạng thái vận hành ổn định, phục vụ đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006

3 Đối tƣợng nghiên cứu

Các hiện tượng cơ - lý - hóa - nhiệt - bức xạ và đặc trưng trong điều kiện vận hành bình thường của thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006

Luận văn nghiên cứu tập trung trong phạm vi đối với lò phản ứng nước áp lực (VVER), trong đó các vấn đề liên quan chủ yếu đến các đặc trưng của thanh nhiên liệu trong trạng thái hoạt động ổn định của lò phản ứng Các tính toán cụ thể được

áp dụng đối với thanh nhiên liệu của lò phản ứng VVER-AES2006 bằng chương trình tính toán nhiên liệu FRAPCON-3.5

Tìm hiểu công nghệ lò phản ứng và đặc điểm thiết kế thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006; phân tích các ảnh hưởng cơ - lý - hóa

- nhiệt - bức xạ đối với thanh nhiên liệu và đánh giá đặc trưng thiết kế của thanh nhiên liệu VVER-AES2006 trong điều kiện vận hành ổn định

• Phương pháp hồi cứu tài liệu: Nhằm thu thập tài liệu làm cơ sở lý luận cho nội dung nghiên cứu Tài liệu thu thập gồm có:

- Các tài liệu về sự phát triển của lĩnh vực điện hạt nhân trên thế giới, cũng như sự cải tiến của các thế hệ lò phản ứng hạt nhân;

- Các quy định và tiêu chuẩn của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), Ủy ban pháp quy Hoa Kỳ (US.NRC), Cơ quan pháp quy Liên Bang Nga về việc đảm bảo vận hành nhà máy điện hạt nhân;

- Các tài liệu về công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER của Liên Bang Nga bao gồm VVER-AES2006, trong đó có đặc trưng thiết kế của thanh nhiên liệu TVS-2006;

- Các tài liệu về đặc trưng vận hành trong điều kiện bình thường của lò phản ứng hạt nhân;

- Các công trình nghiên cứu về đặc trưng của thanh nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân;

- Các tài liệu về cơ sở tính toán của chương trình tính toán nhiên liệu FRAPCON-3.5

• Phương pháp trực quan: Sử dụng chương trình tính toán nhiên liệu FRAPCON-3.5 tính toán các đặc trưng của thanh nhiên liệu hạt nhân VVER-AES2006 trong điều kiện vận hành ổn định Phân tích, đánh giá kết quả thu được và

so sánh với các tiêu chuẩn vận hành

Luận văn gồm các phần sau:

- Phần mở đầu: Giới thiệu khái quát về đề tài, mục đích nghiên cứu, nhiệm

vụ nghiên cứu,…

- Phần kết quả nghiên cứu: Gồm 4 chương

 Chương 1: Lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006

 Chương 2: Đặc trưng của thanh nhiên liệu hạt nhân

 Chương 3: Chương trình tính toán nhiên liệu FRAPCON-3.5

 Chương 4: Phân tích đặc trưng thanh nhiên liệu TVS-2006

- Phần kết luận và kiến nghị

- Tài liệu tham khảo

- Phụ lục

CHƯƠNG 1 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-AES2006

1.1 Quá trình phát triển công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER

Sau 60 năm nghiên cứu, khai thác và sử dụng kể từ khi NMĐHN thương mại đầu tiên được đưa vào vận hành trên thế giới (Obninsk - Liên Xô cũ (1954)), công nghệ lò phản ứng đã phát triển rất đa dạng và phong phú với nhiều loại lò như lò phản ứng nước áp lực (PWR/VVER), lò phản ứng nước sôi (BWR), lò phản ứng nước nặng (PHWR),… Trong đó, loại lò PWR được lựa chọn khai thác sử dụng phổ biến hơn cả

VVER hay WWER (Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor, Water-Cooled Water-Moderated Energy Reactor) là loại lò phản ứng nước áp lực được các nhà thiết kế Liên Bang Nga nghiên cứu và chế tạo từ những năm 60 của thế kỷ trước Trong các phiên bản của thế hệ lò VVER được thiết kế có mức công suất điện từ

300 MWe đến 1700 MWe, sử dụng nước nhẹ là chất làm chậm và đồng thời là chất tải nhiệt, tương tự như loại lò phản ứng nước áp lực PWR Tuy nhiên, VVER không phải là một phiên bản của lò PWR do mang những đặc trưng riêng khác biệt trong thiết kế và vật liệu sử dụng [18]

Một số đặc trưng riêng biệt của thế hệ lò VVER:

- Sử dụng bình sinh hơi nằm ngang, đảm bảo an toàn tối ưu đối với các nguy

cơ thường gặp như sự ăn mòn cơ học hay nứt gãy do ăn mòn ứng suất (SCC),… của các ống trao đổi nhiệt, một trong những nguyên nhân dẫn tới tai nạn mất chất tải nhiệt (LOCA);

- Sử dụng các bó nhiên liệu hạt nhân có cấu trúc dạng lục lăng;

- Không có các ống dẫn vào/ra ở đáy thùng lò;

- Sử dụng bình điều áp loại lớn, đảm bảo khả năng an toàn của lò phản ứng do tích trữ lượng nước làm mát lớn

Thế hệ lò VVER đầu tiên được xây dựng từ những năm 1960 ở Liên Xô cũ Sau đó, các lò phản ứng VVER-440 và VVER-1000 được thiết kế và tiếp tục xây

dựng ở Liên Xô cũ và một số nước Đông Âu khác, trong đó phiên bản 440/V230 với mức công suất điện 440 MWe là thiết kế phổ biến nhất VVER-440/V230 sử dụng 6 vòng làm mát sơ cấp với 6 bình sinh hơi nằm ngang, với hệ thống an toàn có độ dư gấp đôi Một phiên bản cải tiến khác của VVER-440 là VVER-440/V213, đây là phiên bản đầu tiên đạt tiêu chuẩn an toàn hạt nhân của các nhà thiết kế Liên Bang Nga VVER-440/V213 được trang bị hệ thống cấp cứu vùng hoạt khẩn cấp (ECCS) và hệ thống cấp nước phụ trợ (AFS) cũng như nâng cấp các

VVER-hệ thống khoanh vùng tai nạn

Sau năm 1975, các nhà thiết kế Liên Bang Nga đã cho ra đời phiên bản VVER-1000 với các cải tiến đáng kể hơn so với các phiên bản VVER trước đó VVER-1000 đáp ứng công suất điện 1000 MWe với 4 vòng làm mát sơ cấp có cấu trúc được bao bọc bởi lớp vỏ nhà lò với hệ thống phun hơi nước giúp tải nhiệt dư cho vỏ nhà lò Các thiết kế lò phản ứng VVER-1000 được xây dựng kết hợp giữa các hệ thống kiểm soát an toàn chủ động, các hệ thống an toàn thụ động và các hệ thống an toàn tòa nhà lò theo liên kết quy chuẩn với các lò phản ứng hạt nhân thuộc thế hệ III của các nước phương Tây

Phiên bản VVER-1000/V-320 được coi là phiên bản thiết kế tiêu chuẩn của công nghệ lò VVER-1000 Dựa trên kinh nghiệm thiết kế, kinh nghiệm vận hành các tổ lò VVER-1000/V-320 này, cùng với sự tiếp thu công nghệ từ lò PWR của Tây Âu và đáp ứng các yêu cầu mới của các văn bản pháp quy Liên Bang Nga cũng như các quy chuẩn quốc tế, các nhà thiết kế của Liên Bang Nga đã cho ra đời các thiết kế mới với nhiều cải thiện về độ tin cậy, khả năng đáp ứng an toàn và tính kinh

tế như VVER-1000/V-428 (AES-91) hay VVER-1000/V-392 (AES-92)

Phiên bản VVER-1200 (VVER-AES2006) hiện tại đang là cải tiến mới nhất của thế hệ VVER Thiết kế VVER-AES2006 đáp ứng mức công suất điện 1.200 MWe với việc tối ưu hóa áp dụng công nghệ an toàn chủ động và thụ động Điểm khác biệt quan trọng của thiết kế VVER-AES2006 đó là khả năng thực hiện độc lập

các chức năng an toàn và khả năng hoạt động hài hòa giữa hai hệ thống an toàn chủ động và thụ động

Hai phiên bản khác nhau của thiết kế VVER-AES2006 là VVER-1200/V-491 (Viện thiết kế St Peterburg) [1] và VVER-1200/V-392M (Viện thiết kế Moscow) Hiện tại, thiết kế VVER-AES2006 đang được đầu tư xây dựng và chuẩn bị đưa vào vận hành tại ba nhà máy Novovoronezh II, Leningrad II và Baltic (Kaliningrad) (Liên Bang Nga) Ngoài ra, còn rất nhiều nhà máy tại Liên Bang Nga cũng như các nước khác như Cộng hòa Séc, Thổ Nhĩ Kỳ hay Cộng hòa Belarus,… cũng đã lựa chọn hoặc đang trong quá trình xem xét lựa chọn xây dựng theo thiết kế này

Hiện nay, các thế hệ lò phản ứng VVER đang được vận hành, lắp ráp xây dựng và xem xét lựa chọn rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới với sự đảm bảo

về mặt công nghệ như Ukraine, Iran, Trung Quốc, Ấn Độ, Thổ Nhĩ Kỳ, Belarus, Bangladesh, Bulgaria và Việt Nam Hình 1.1 mô tả các thế hệ phát triển lò phản ứng hạt nhân VVER

Hình 1 1 Các thế hệ phát triển lò phản ứng hạt nhân VVER [22]

1.2 Đặc điểm lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006

Lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 là phiên bản thiết kế thuộc thế hệ III+ được hoàn thiện dựa trên cơ sở tích lũy kinh nghiệm thiết kế, kinh nghiệm vận hành các lò phản ứng VVER-1000/V-320 ở Nga, cũng như kinh nghiệm xây dựng, vận hành NMĐHN VVER ở Ấn Độ, Trung Quốc và nhiều quốc gia khác (Hình 1.2) Các yêu cầu đặt ra đối với thiết kế là đảm bảo ba điều kiện cơ bản đó là áp dụng các giải pháp và cách tiếp cận mới; đảm bào độ an toàn và hiệu quả kinh tế

Hai phiên bản thiết kế của lò phản ứng VVER-AES2006 là V491 và V392M hoàn toàn tương tự nhau và cũng mang các đặc trưng của loại lò VVER với thiết kế bình sinh hơi nằm ngang, bó thanh nhiên liệu hình lục lăng (Hình 1.3), ô lưới nạp tải vùng hoạt dạng kênh tam giác Tuy nhiên điểm khác biệt duy nhất giữa hai phiên bản thiết kế này đó là dựa trên các cách tiếp cận khác nhau về hệ thống an toàn lò phản ứng Nếu như trong phiên bản VVER-AES2006/V392M tối ưu hơn về hệ thống an toàn thụ động nhằm giảm sự phụ thuộc vào lỗi do con người thì phiên bản VVER-AES2006/V491 lại tối ưu hơn về hệ thống an toàn chủ động khi có tới 4 kênh an toàn chủ động so với 2 kênh của phiên bản VVER-AES2006/V392M Các thành phần chính của lò phản ứng VVER-AES2006 [18] bao gồm:

- Lò phản ứng;

- Hệ thống tuần hoàn vòng sơ cấp;

- Hệ thống cân bằng áp suất vòng sơ cấp và bình điều áp;

- Hệ thống cấp/xả vòng sơ cấp, bao gồm bộ phận điều tiết axit boric;

- Hệ thống đường cấp nước và đường dẫn hơi vòng sơ cấp;

- Hệ thống kiểm soát và bảo vệ;

- Hệ thống an toàn

Bảng 1.1 trình bày một số đặc điểm thiết kế của lò phản ứng hạt nhân AES2006

VVER-Bảng 1 1 Một số thông số thiết kế lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 [22]

Vùng hoạt của lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 gồm 163 bó thanh nhiên liệu và có tới 121 thanh hấp thụ của hệ thống bảo vệ và kiểm soát (CPSAR) (Bảng 1.2) Các bó thanh nhiên liệu được đưa vào trong cấu trúc vùng hoạt theo các yêu cầu đáp ứng [14] [21]:

- Công suất nhiệt danh định của vùng hoạt 3.200 MWt;

- Chu kỳ thay đảo nhiên liệu vận hành 12 tháng

Chu trình nhiên liệu thiết kế của lò phản ứng VVER-AES2006 dựa trên các yêu cầu thiết kế:

- Công suất điện danh định 1.200 MW (công suất nhiệt 3.200 MWt);

- Tăng chu trình nhiên liệu 4 năm với chu kỳ thay đảo 12 tháng;

- Tăng độ làm giàu nhiên liệu cực đại lên tới 5% U235 (4,95±0,05%);

- Thời gian đáp ứng và độ hiệu dụng của các hệ thống bảo vệ khẩn cấp đủ khả dụng để đưa vùng hoạt vào trạng thái dưới tới hạn và duy trì trạng thái này trong suốt quá trình làm nguội tới 100 oC mà không cần bơm dung dịch chứa boron;

- Đáp ứng chu trình nhiên liệu hiệu quả vận hành và tính kinh tế so với các lò phản ứng thương mại của nước ngoài

Bảng 1 2 Các thông số chính của vùng hoạt VVER-AES2006 [1] [17]

Thời gian thông thường FA trong vùng hoạt với chu kỳ thay đảo

hàng năm, chu kỳ

3-4

Thời gian hoạt động hiệu dụng cực đại của FA giữa các lần thay

Hình 1 2 Mô hình tổ hợp thiết bị vòng sơ cấp lò phản ứng VVER-AES2006 [22]

Hình 1 3 Bó thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 [12]

CHƯƠNG 2 ĐẶC TRƯNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN 2.1 Đặc điểm thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân [9] [15] [16]

Dựa trên thiết kế nguyên mẫu ban đầu của thanh nhiên liệu hạt nhân sử dụng trong lò phản ứng nước áp lực của nhà máy điện hạt nhân đầu tiên, khối các nước Hoa Kỳ, Pháp, Bỉ, Đức, Nga,… và sau đó là các nước Nhật Bản, Hàn Quốc đã phát triển các thiết kế của mình với những đặc điểm riêng đáp ứng theo các yêu cầu cụ thể trong vận hành Về cơ bản thì hình dạng, thành phần cấu trúc của thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng nước áp lực của các thiết kế là như nhau Trong đó, thanh nhiên liệu có dạng hình trụ, các viên gốm nhiên liệu UO2/UO2-Gd2O3 được làm giàu đồng vị (235U) ở mức thấp và nạp vào trong ống vỏ bọc bằng hợp kim zirconi, sau khi khí heli được nạp vào thì hai đầu ống được hàn kín Bên trong thanh

có bộ phận lò xo bằng thép không gỉ giúp ổn định cột nhiên liệu trong quá trình vận chuyển hoặc nạp tải vào vùng hoạt Tuy nhiên, theo hình dạng bó thanh nhiên liệu được lắp ráp và cấu trúc nạp tải ô lưới nhiên liệu trong vùng hoạt, có thể tạm chia thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân thành 2 xu hướng đó là: Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (PWR) bao gồm các nước Hoa Kỳ, Pháp, Bỉ, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc và thanh nhiên liệu theo thiết kế của Liên Bang Nga (VVER) Đối với hệ thống nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu thì điểm chung của khối các nước này đó là các thanh nhiên liệu được lắp ráp thành bó thanh có dạng hộp vuông kích thước 14x14, 15x15, 16x16 hoặc 17x17 thanh và cấu trúc nạp tải ô lưới nhiên liệu trong vùng hoạt theo dạng kênh vuông Sự khác biệt chủ yếu trong các thiết kế đó là các thay đổi về kích thước của từng bộ phận cấu tạo và vật liệu sử dụng làm vỏ bọc nhiên liệu như hợp kim M5 (Pháp), Zirlo (Hàn Quốc), Zircaloy-4 (Pháp, Nhật Bản),… Tuy nhiên, đây đều là các loại vật liệu hợp kim của zirconi với hàm lượng các nguyên tố thành phần khác nhau nhằm tăng cường một

số cơ tính riêng biệt để đáp ứng các yêu cầu vận hành

Hình 2.1, Hình 2.2 mô tả thiết kế thanh và bó thanh nhiên liệu hạt nhân theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu [9] [15]

Hình 2 1 Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (KSPN-Hàn Quốc)

Hình 2 2 Bó thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (Westinghouse)

Tương tự như thanh nhiên liệu hạt nhân PWR theo các thiết kế của Hoa Châu Âu thì hình dạng, thành phần của thanh nhiên liệu trong các loại lò phản ứng VVER (VVER/440, VVER-1000, VVER-1200) của Liên Bang Nga là như nhau Trong đó, các khác biệt chủ yếu là sự thay đổi về kích thước trong cấu trúc bó thanh dạng lục lăng và cấu trúc nạp tải ô lưới nhiên liệu trong vùng hoạt theo dạng kênh

Kỳ-tam giác Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của thiết kế lò phản ứng (mức công suất, chu kỳ nhiên liệu,…) mà các thông số cụ thể của thanh nhiên liệu trong các lò phản ứng VVER có thể khác nhau

Trong các thiết kế cải tiến nhiên liệu, để tăng cường khả năng an toàn vận hành, các nhà thiết kế đã đưa vào sử dụng các thanh nhiên liệu có thành phần nhiên liệu là hỗn hợp UO2-Gd2O3 Do độ làm giàu nhiên liệu tăng đến ~5% dẫn đến độ phản ứng trong vùng hoạt cao làm cho việc điều khiển lò phản ứng trong các chu kỳ đầu thường rất khó khăn và phức tạp Gadolini (Gd155, Gd157) là chất hấp thụ nơtron mạnh, có khả năng cháy và phân hủy ngay trong vùng hoạt, vì vậy các thanh nhiên liệu UO2-Gd2O3 có vai trò giữ độ phản ứng dự trữ ban đầu ổn định trong quá trình khởi động của lò phản ứng, đồng thời cải thiện phân bố mật độ công suất của vùng hoạt

Ngoại trừ bộ phận đệm lò xo được làm bằng thép 08X18H10T, các đầu nắp và ống vỏ bọc nhiên liệu đều được làm bằng hợp kim zirconi E110 (Zr-1%Nb) Hợp kim zirconi E110 là loại vật liệu có các đặc tính cơ học bền vững, tiết diện hấp thụ nơtron nhiệt rất thấp và khả năng ít bị ăn mòn trong các điều kiện chiếu xạ của môi trường lò phản ứng

Hình 2.3 mô tả đặc điểm của thanh nhiên liệu hạt nhân tiêu chuẩn sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000 [15]

Hình 2 3 Thanh nhiên liệu tiêu chuẩn sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000

2.2 Đặc trƣng bức xạ đối với thanh nhiên liệu [13] [16]

Có thể thấy rằng, lò phản ứng hạt nhân là một nguồn rất mạnh các loại bức xạ năng lượng cao Khi tương tác với nhiên liệu và vỏ bọc thanh nhiên liệu, bức xạ làm thay đổi các tính chất vật lý, hóa học và cơ học của nhiên vật liệu, ảnh hưởng rất lớn đến độ bền vững và chức năng nguồn nhiệt của nhiên liệu Ảnh hưởng bức xạ tới zirconi và hợp kim của nó xảy ra trên bình diện vĩ mô là sự thay đổi các đặc trưng

cơ học của vật liệu này dưới ảnh hưởng của nơtron nhanh và bởi sự giòn hóa vật liệu, có liên quan với sự hấp thụ hydro và kết tủa zirconi hydrua

Các bức xạ có phổ năng lượng rất rộng, trong đó bao gồm:

- Hầu hết nơtron phát ra từ quá trình phân hạch có năng lượng từ 0,5 - 2 MeV Các nơtron nhiệt có năng lượng khoảng 0,03 eV Thông lượng nơtron đạt tới

Cơ chế dẫn tới sự thay đổi các tính chất vật liệu dưới tác dụng bức xạ trong

lò phản ứng là:

a Các mảnh phân hạch tương tác với vật liệu nhiên liệu Do kích thước và khối lượng lớn, nên quãng chạy của các ion từ mảnh vỡ phân hạch trong nhiên liệu ngắn (khoảng 6 - 10 μm trong UO2), ảnh hưởng của các ion từ các mảnh phân hạch hoặc sản phẩm phân hạch diễn ra chủ yếu trong khối nhiên liệu rắn, thể hiện ở:

- Va chạm với các nguyên tử nút mạng làm ion hóa và xô dịch mạng lưới tinh thể UO2;

- Động năng lớn của các mảnh phân hạch nhanh chóng chuyển thành dạng nhiệt (trong khoảng 10-9 s)

Do độ dẫn nhiệt thấp của UO2 dẫn tới sự phân bố nhiệt độ không đồng đều, gây ra hiện tượng tái cấu trúc, thay đổi mật độ nhiên liệu (do thay đổi kích thước hoặc làm mất các lỗ xốp), thay đổi hình dạng và kích thước hạt, xuất hiện các vết nứt, thoát khí phân hạch, gia tăng tương tác hóa học và cơ học giữa nhiên liệu - vỏ bọc Những diễn biến này đặc biệt quan trọng đối với nhiên liệu độ cháy cao

b Nơtron va chạm với các nguyên tử mạng lưới tinh thể Tương tác này xảy

ra tại khoảng cách lớn hơn từ vị trí nơtron sinh ra, ảnh hưởng quan trọng tới chất lượng vật liệu vỏ thanh nhiên liệu, vật liệu cấu trúc vùng hoạt và tới cả vật liệu thùng lò phản ứng

c Quá trình ion hóa xảy ra do tác dụng của các mảnh phân hạch, bức xạ α, β,

γ Những tác động này gây ra hiện tượng rão mỏi vật liệu rắn và hiện tượng phân hủy phóng xạ nước với vai trò là chất làm chậm và làm mát lò phản ứng, dẫn tới những ảnh hưởng gián tiếp thông qua quá trình ăn mòn, hấp thụ hydro và kết tủa lớp tạp chất ăn mòn (Chalk River Unidentified Deposits - CRUD) đối với kim loại

vỏ bọc

Vì phản ứng phân hạch là nguồn gốc của mọi diễn biến trong lò phản ứng hạt nhân, nên tác động của bức xạ tới vật liệu là ảnh hưởng bao trùm, là nguyên nhân trực tiếp hoặc gián tiếp của các mối quan hệ khác (nhiệt độ, áp suất, hóa học, cơ học) làm ảnh hưởng tới chức năng nhiên liệu hạt nhân

Nhìn chung, dưới tác dụng của bức xạ năng lượng cao, trong vỏ bọc hợp kim

có tạo thành hai dạng hư hại bức xạ chính đó là hư hại do thiếu hụt (các vùng trống, các lỗ trống, lệch mạng thiếu hụt, cụm lệch mạng dạng lỗ trống) hoặc hư hại do dư thừa nguyên tử mạng lưới tinh thể (các nguyên tử vật liệu xen mạng, cụm lệch mạng kiểu chèn) (Hình 2.4):

- Các lỗ trống, nguyên tử xen mạng, nguyên tử tạp chất tạo ra trong quá trình chuyển hóa hạt nhân;

- Các hố nhiệt là khu vực có chứa các nguyên tử có trạng thái năng lượng cao;

- Các hố chuyển dịch nguyên tử: Khu vực chứa các nguyên tử dịch chuyển,

lỗ trống - nguyên tử xen mạng (cặp Frenkel), tạo thành bởi các nguyên tử dịch chuyển sơ cấp hoặc thứ cấp;

- Khu vực thiếu hụt (nguyên tử): Vùng tập trung các lỗ trống;

- Vùng trống: Vùng rộng lớn không có mặt nguyên tử mạng lưới;

- Vùng trống được ổn định hóa: Các vùng trống được ổn định bằng khí lấp đầy như He tạo thành từ các phản ứng (n,α), (n,γ) của B, Ni, Fe …

Hình 2 4 Các khuyết tật trong mạng lưới làm thay đổi tính chất vật liệu [13]

2.3 Đặc trƣng cơ nhiệt đối với thanh nhiên liệu

2.3.1 Sự phân bố nhiệt độ trong thanh nhiên liệu [7]

Trong quá trình vận hành một lượng lớn năng lượng phát ra trong nhiên liệu

và truyền cho chất tải nhiệt Giả thiết năng lượng phát ra trong một đơn vị thể tích nhiên liệu là hằng số và thanh nhiên liệu dài tới mức độ dẫn nhiệt theo chiều dài

được bỏ qua, phân bố nhiệt độ có thể tính được từ công suất (p, W/m3) theo phương trình sau:

T(r) = T(rf) + p.(rf2 – r2).(4.kf)-1 (2.3)

Trong đó, T(r) là nhiệt độ (oC) tại bán kính r (m) bên trong thanh nhiên liệu, T(rf) là nhiệt độ tại bề mặt viên, rf là bán kính ngoài viên gốm (m) và kf là độ dẫn nhiệt bên trong viên nhiên liệu (W.m-1K-1)

Chênh lệch nhiệt độ qua khe hở giữa viên nhiên liệu và vỏ thanh:

ΔTgap = p.rf.(ri – rf).(2.kg)-1 – p.rf.(2.αg)-1 (2.4)

Trong đó ΔTgap là chênh lệch nhiệt độ qua khe hở nhiên liệu - vỏ bọc, ri là bán kính trong của vỏ thanh (m), kg là độ dẫn nhiệt khe hở (W.m-1K-1) và αg là hệ số truyền nhiệt qua khe (W.m-2K-1)

Trường hợp vỏ thanh mỏng:

ΔTcan = p.rf2(rc-ri).(2.ri.kc)-1 (2.5)

Trong đó ΔTcan là chênh lệch nhiệt độ qua chiều dày vỏ bọc (oC), rc là bán kính ngoài của vỏ thanh (m), và kc là độ dẫn nhiệt trong vật liệu vỏ bọc (W.m-1K-1) Giữa bề mặt thanh và chất tải nhiệt:

gần 470 oC Có thể thấy được sự chênh lệch nhiệt độ rất lớn – khoảng 1.200 oC trong khoảng cách bán kính viên gốm nhiên liệu (3,8 mm) Do đó, cần tính toán tới thể tích vùng trống trong thanh nhiên liệu để đáp ứng lại khả năng tăng kích thước của viên gốm nhiên liệu do giãn nở nhiệt

Khi vận hành với công suất danh định thì mức chênh lệch nhiệt độ giữa viên gốm và thành vỏ bọc (khe chứa khí) trung bình khoảng 100 oC, còn trong khoảng giữa mặt trong và mặt ngoài của lớp vỏ bọc (chiều dày vỏ bọc) là 23 oC Khi đó, nhiệt độ mặt ngoài của thanh nhiên liệu khoảng 350 oC

Hình 2 5 Phân bố nhiệt độ giữa nhiên liệu và chất làm mát

phụ thuộc công suất nhiệt tuyến tính [19]

Nhiệt độ cực đại trong tâm và trên bề mặt của viên gốm UO2 tương ứng là 1.940 oC và 900 oC

Nhiệt trở giữa thanh nhiên liệu và chất làm mát bao gồm: Nhiệt trở của bản thân nhiên liệu, nhiệt trở của khoảng trống giữa nhiên liệu và lớp vỏ, nhiệt trở của lớp vỏ và nhiệt trở của chất làm nguội Trong thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân

LWR, nhiệt trở của nhiên liệu UO2 là lớn nhất, sau đó là nhiệt trở của khoảng trống giữa nhiên liệu và lớp vỏ

Ở điều kiện thường thì khe hở giữa nhiên liệu và lớp vỏ có tiết diện vành khuyên và được lấp đầy bởi khí (heli) Khi thanh nhiên liệu cháy, trong khe hở được

bổ sung thêm một số sản phẩm phân hạch khí (xenon, krypton) Nhiên liệu phồng

nở làm cho khe hở biến đổi, cùng với sự giãn nở vì nhiệt của nhiên liệu và vỏ bọc sẽ dẫn tới tiếp xúc giữa nhiên liệu và lớp vỏ Sự tiếp xúc này làm giảm nhiệt trở của khe hở trong quá trình cháy nhiên liệu

2.3.2 Sự thay đổi cấu trúc viên gốm nhiên liệu [8] [19]

Phản ứng phân chia hạt nhân trong nhiên liệu tạo ra nhiệt; các mảnh phân hạch; nơtron, tia gamma và các loại bức xạ khác Ba yếu tố này làm thay đổi thanh nhiên liệu so với thời điểm ban đầu

Tốc độ sinh nhiệt lớn trong khi độ dẫn nhiệt của viên gốm UO2 và (U,Pu)O2thấp, làm gradien nhiệt độ theo hướng tâm viên gốm có trị số rất lớn, thường từ 2.000 - 4.000 oC/cm Từ tâm viên gốm đến bề mặt viên hình thành các khu vực nhiệt độ khác nhau (Hình 2.6): Vùng >1.600 oC; vùng từ 1.300 oC đến 1.600 oC; vùng từ 1.100 oC đến khoảng 1.300 oC và vùng <1.100 oC Hậu quả là ứng suất nhiệt cục bộ tạo ra nứt nẻ, phồng nở và áp lực lớn tác dụng trên các lỗ thiêu kết làm chúng chuyển dịch ngược với gradien nhiệt độ, tạo thành lỗ trống trung tâm và làm thay đổi cấu trúc vật liệu

Các lỗ xốp nhỏ (đường kính <1 μm) bị mất đi trong khoảng một vài giờ chiếu

xạ đầu tiên Sự biến mất của các lỗ có kích thước nhỏ hơn 1 μm là do tương tác trên đường đi của các mảnh vỡ quá trình phân hạch hoặc do sự di chuyển của các nguyên tử tương tác lấp vào các lỗ nhỏ này

Trong khoảng 20 - 2.000 MWd/tU, mật độ nhiên liệu biến đổi theo quy luật sau:

Trong đó: 0 = mlog(20) + b và Δρmax = mlog(2000) + b

Ngoài ra quá trình ép nóng (hot pressing) diễn ra trong khoảng 200 giờ hoạt động đầu tiên lại ảnh hưởng rõ hơn tới các lỗ xốp lớn (làm mất đi các lỗ xốp do quá trình bay hơi nhiên liệu từ bề mặt nóng của lỗ xốp và kết tủa phía bề mặt nguội hơn), dẫn tới tạo thành khoảng trống phía trung tâm viên gốm Hai quá trình trên làm thay đổi mật độ vật liệu nhiên liệu tới giá trị khoảng 98 - 99% mật độ lý thuyết, trong lò phản ứng nơtron nhiệt có thể làm giảm chiều cao cột nhiên liệu tới 7,5 cm hoặc lớn hơn (so với chiều cao tổng khoảng 3,66 m)

Sự tăng mật độ nhiên liệu làm giảm khả năng truyền nhiệt và tăng công suất sinh nhiệt tuyến tính viên nhiên liệu, dẫn tới công suất cục bộ đạt đỉnh và tăng năng lượng tích tụ trong các thanh nhiên liệu

Cùng với sự tăng mật độ vật liệu nhiên liệu theo cơ chế trên, một quá trình phồng nở và rạn nứt (do ứng suất nhiệt, do sản phẩm phân hạch và do tác động bức

xạ tới cấu trúc vật liệu) lại đẩy viên gốm nhiên liệu theo chiều giãn dài cột và tăng bán kính Cả hai quá trình trên dẫn tới bẻ cong và biến dạng thanh nhiên liệu (Hình 2.7, 2.8 và Hình 2.9)

Vi cấu trúc ban đầu của viên gốm thiêu kết (bao gồm các hạt chứa lỗ xốp có kích thước tương đương) thay đổi rất nhanh theo thời gian và độ cháy, cho tới độ cháy khoảng 60 GWd/tU sẽ tạo thành 4 vùng vi cấu trúc tương ứng với 4 vùng nhiệt

độ kể trên như đã chỉ ra trong Hình 2.6

Gradien nhiệt độ lớn và vi cấu trúc nhiên liệu bị biến đổi rất nhanh phụ thuộc từng vùng nhiệt độ sau khi công suất lò phản ứng đạt tới mức vận hành Sau khi đạt công suất thiết kế, mặt cắt nhiên liệu bao gồm một số vùng khác nhau mà giới hạn của chúng phù hợp với các giá trị nhiệt độ tương ứng: Sự tái cấu trúc bao gồm 2 dạng lớn hơn của hạt Trên 1.500 oC là dạng hạt to đẳng trục, các hạt lớn lên đẩy lùi các lỗ thiêu kết và dồn chúng ra biên hạt Trên 1.800 oC là quá trình tăng trưởng kích thước hạt có định hướng, hạt có dạng cột dài và hẹp hướng theo tâm nóng của trục nhiên liệu Sự tái cấu trúc được cho là do 2 nguyên nhân: Do sự di chuyển của

lỗ xốp theo hướng gradien nhiệt độ và do quá trình khuếch tán trạng thái rắn Sự chuyển dịch các lỗ xốp về phía tâm của nhiên liệu gây ra quá trình biến đổi mật độ hạt và tạo ra vùng trống ở tâm viên gốm Sự thay đổi mật độ hạt này dẫn tới làm tăng độ dẫn nhiệt của nhiên liệu và làm cho nhiệt độ tại vùng tâm viên gốm giảm

Sự tái cấu trúc diễn ra trong vòng 24 giờ tại công suất vận hành Sau đó là những biến đổi chậm hơn, có quan hệ nhiều hơn với quá trình chiếu xạ Khi công suất lò phản ứng biến đổi nhanh chóng thì nhiệt độ nhiên liệu cũng bị thay đổi nhanh chóng, dẫn tới ứng suất nhiệt thay đổi làm cho nhiên liệu bị nứt, những vết nứt này có thể thấy rõ trên mặt cắt các viên gốm Trong quá trình vận hành kéo dài, các vết nứt phát triển do sự khuếch tán diễn ra trong quá trình phân hạch Sau đó, quá trình biến đổi vi cấu trúc còn diễn ra tiếp tục theo thời gian và độ cháy

Hình 2 6 Sự thay đổi vi cấu trúc nhiên liệu UO 2 phụ thuộc nhiệt độ

và độ cháy nhiên liệu [19]

Hình 2 7 Sự biến đổi hình dạng viên gốm và vỏ thanh nhiên liệu

trong lò phản ứng [25]

Hình 2 8 Ảnh hưởng của nhiên liệu tới vỏ bọc E110RXA tại các giai đoạn

khác nhau trong lò phản ứng VVER [25]

(a trước khi xảy ra tương tác nhiên liệu - vỏ bọc, b tại thời điểm tương tác, c tương tác diễn ra trên hầu hết các phần của cột nhiên liệu, 1 Tác động của chất

làm mát, 2 Tác động theo hướng đường kính của nhiên liệu, 3 Tác động theo

hướng trục của cột nhiên liệu)

Hình 2 9 Thanh và bó thanh nhiên liệu có thể bị cong vênh trong lò phản ứng [25]

2.3.3 Quá trình mỏi và rão hóa vật liệu [8] [11]

Phần lớn các sự cố kỹ thuật gây ra bởi quá trình mỏi của vật liệu Hư hỏng do mỏi được định nghĩa là xu hướng của một vật liệu bị gãy hỏng do các vết nứt phát triển khi lặp lại ứng suất có cường độ thấp hơn nhiều so với ứng suất phá hỏng Số chu kỳ cần thiết để gây ra hư hỏng mỏi tại một ứng suất thấp nói chung là khá lớn, nhưng sẽ giảm khi ứng suất tăng lên Mỏi nhiệt phát sinh từ ứng suất nhiệt được tạo

ra do những thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ Hư hỏng do mỏi xuất phát từ vết nứt hoặc lõm nhỏ trong kim loại Ban đầu các vết nứt lan truyền từ từ và sau đó tăng nhanh khi ứng suất cục bộ tăng lên do giảm mặt cắt ngang chịu lực

Ở nhiệt độ cao và ứng suất hoặc tải trọng không đổi, nhiều vật liệu tiếp tục biến dạng với tốc độ chậm Hiện tượng này được gọi là rão vật liệu Tại một ứng suất và nhiệt độ không đổi, tốc độ rão gần như không đổi trong một thời gian dài Khi nhiệt độ và ứng suất tăng lên, cùng với thời gian sự rão mỏi dần trở nên quan trọng hơn và có khả năng gây ra hư hỏng vật liệu Để đảm bảo hoạt động an

toàn, tổng biến dạng do rão phải thấp hơn biến dạng hư hỏng Zircaloy có một giới hạn rão thấp, và sự rão Zircaloy được xem xét chủ yếu trong thiết kế các thanh nhiên liệu

Sự mỏi và rão vật liệu vỏ bọc thanh nhiên liệu tăng theo thời gian hoạt động, cũng là theo chiều tăng độ cháy Bên cạnh sự rão mỏi do nguyên nhân nhiệt độ cao

và biến đổi, vật liệu nhiên liệu và vỏ bọc còn bị giòn hóa dưới tác dụng bức xạ, oxy hóa và hấp thu hydro, đặc biệt trong các điều kiện chuyển tiếp và tai nạn Sự rão mỏi và giòn hóa là nguyên nhân thường xuyên làm suy yếu cơ tính của nhiên liệu Trong điều kiện mất ổn định về công suất, nhiệt độ, entanpy và áp lực khí phân hạch tăng cao, tương tác nhiên liệu - vỏ bọc gia tăng, nhiên liệu đứng trước nguy cơ không bảo toàn được dạng hình học, vỏ bọc bị phá vỡ dẫn tới phát tán chất phóng

xạ vào vòng tuần hoàn sơ cấp

2.4 Đặc trƣng thủy nhiệt động đối với thanh nhiên liệu

Nhiều hiện tượng vật lý trong lò phản ứng có liên quan đến lĩnh vực thủy nhiệt động Quá trình lưu thông chất tải nhiệt trong vùng hoạt phải đảm bảo để nhiệt lượng sinh ra trong vùng hoạt được tải ra bên ngoài với hiệu suất cao nhất.Trong lò phản ứng, nước tải nhiệt từ vùng hoạt phải được chuyển tới thiết bị sinh hơi hoặc trực tiếp tới tuabin, đồng thời có chức năng làm mát vùng hoạt đủ để không xảy ra quá nhiệt đối với thanh nhiên liệu Quá trình làm mát phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy, hình dạng của thanh nhiên liệu, áp suất, các đặc trưng của chất làm mát (mật

độ, nhiệt dung); những yếu tố này lại biến đổi tùy thuộc vào thực tế lò phản ứng vận hành bình thường hay trong các điều kiện sự cố

Những vấn đề nhiệt thủy lực cơ bản trong lò phản ứng thường được nhắc tới là:

- Chế độ dòng chảy đối với chất lỏng hai pha;

- Thông lượng nhiệt tới hạn (CHF);

- Lưu lượng tới hạn hai pha (TPCF);

- Các nguyên lý nhiệt động học;

- Các phương trình mô phỏng và thuật toán giải chúng

Trong điều kiện vận hành bình thường cơ chế tải nhiệt từ vùng hoạt ra bên ngoài lò phản ứng là cơ chế đối lưu Dòng chất làm mát được đưa vào nhờ các bơm cấp nước chính và được giữ tốc độ lưu lượng lối vào ổn định Sự truyền nhiệt trong vùng hoạt làm chất lưu nổi lên trên tạo nên dòng tuần hoàn lưu thông tự nhiên Ngược lại tổn thất áp suất gây ra khi dòng chất lưu xuyên qua vùng hoạt có xu hướng là nguồn lực cản lớn nhất của dòng chảy đối với chức năng tải nhiệt

Khả năng tải nhiệt vùng hoạt của chất lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng của nhiên liệu, các tính chất của chất lỏng (hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, mật độ, độ nhớt), các tính chất dòng chảy (vận tốc của chất lỏng, sự phân bố của chất lỏng), vật liệu làm nhiên liệu (hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, entanpy)…

2.4.1 Thông lƣợng nhiệt tới hạn và quá trình dời khỏi vùng sôi nhân [20]

Môi trường trong các thiết bị lò phản ứng nước nhẹ (LWR) liên quan đến sự biến đổi pha của nước Hơi được sinh ra trong quá trình sôi tạo thành dòng hai pha nước - hơi Dòng hai pha biến đổi liên tục, tức thời và ngẫu nhiên, đặc biệt là trong các thiết bị lò phản ứng tại áp suất và nhiệt độ cao, nên việc mô phỏng tính toán đáp ứng dòng là rất phức tạp

Hậu quả nghiêm trọng liên quan với sự sôi trong lò phản ứng là những suy giảm đặc trưng cơ nhiệt và thủy nhiệt gây ra hiện tượng nứt gãy, nóng chảy nhiên liệu, dẫn tới phát thải phóng xạ vào chất tải nhiệt và môi trường Trong điều kiện vận hành chuyển tiếp và sự cố, khi sự sôi xảy ra, do ảnh hưởng của môi trường gồm nước và hơi ở áp suất nhiệt độ cao, các quá trình như oxy hóa, hydrua hóa, ăn mòn, tương tác nhiên liệu - vỏ bọc, diễn ra mạnh hơn so với trường hợp không có hiện tượng sôi

Như vậy môi trường nước liên quan đến quá trình sôi thường tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây mất an toàn, khi thông lượng nhiệt trong lò phản ứng đạt giá trị tới hạn thì hiệu suất nhiệt là cao nhất nhưng quá trình sôi lại dễ chuyển biến theo hướng bất lợi

Khi công suất vùng hoạt tăng, quá trình tạo nhân sôi bắt đầu xảy ra trên bề mặt thanh nhiên liệu Đường cong sôi bể điển hình (Hình 2.10) thể hiện trên biểu đồ quan hệ thông lượng nhiệt - nhiệt độ Tại giá trị thấp của ΔTsat đường cong gần như tuyến tính, do hệ số truyền nhiệt đối lưu (h) gần như không đổi Không có sự tạo bọt

và quá trình truyền nhiệt xảy ra do đối lưu tự nhiên chất lỏng Ở nhiệt độ 10 - 12 độ trên bão hòa, thông lượng nhiệt tăng nhanh với sự tăng nhiệt độ thành vỏ bọc Quá trình truyền nhiệt tăng do hiện tượng sôi nhân, vì sự tạo thành và chuyển động bọt hơi làm tăng chảy rối gần bề mặt rắn, dẫn tới trộn lẫn nhiều hơn chất lỏng trong khu vực màng đã cải thiện tốc độ truyền nhiệt

Khi nhiệt độ bề mặt rắn vượt quá nhiệt độ bão hòa, quá trình sôi cục bộ xảy ra ngay cả khi nhiệt độ bên trong khối nước thấp hơn nhiệt độ bão hòa Nhiệt độ nước tại lớp biên trên bề mặt đốt nóng có thể trở thành đủ cao đến mức quá trình sôi bể ở vùng quá nguội (subcooled) xảy ra Các bong bóng sẽ ngưng tụ trước khi rời khỏi lớp bề mặt vì nhiệt độ khối nước còn thấp hơn nhiệt độ bão hòa

Hình 2 10 Đường cong đặc trưng của mô hình sôi bể [20]

Khi tăng nhiệt độ bề mặt, thông lượng nhiệt có thể đạt tới thông lượng nhiệt tới hạn, tại đó quá trình sôi màng xảy ra Tại điểm này, các bong bóng nhiều đến mức chúng kết hợp thành một lớp hơi cách ly xung quanh thanh nhiên liệu, làm giảm độ dẫn nhiệt và thông lượng nhiệt giảm nhanh

Thông lượng nhiệt tới hạn là thông lượng nhiệt cực đại mà chất lỏng bão hòa

có thể hấp thụ

Trong chế độ sôi nhân phát triển hoàn toàn, điều có thể xảy ra là thông lượng nhiệt tăng mà không biến đổi đáng kể nhiệt độ bề mặt cho tới điểm vượt quá vùng sôi nhân (DNB), tại điểm này sự chuyển động của các bong bóng trên bề mặt mạnh

tới mức có thể dẫn tới khủng hoảng thủy nhiệt, với sự tạo thành màng hơi liên tục trên bề mặt và đạt tới CHF

Trong quá trình sôi quá nguội (subcooled boiling), CHF là hàm số của tốc độ chất làm mát, mức độ quá nguội và áp suất Có một số lớn các tương quan (hệ thức) tính toán CHF Trong đó hệ thức Bernath (2001) được sử dụng để dự báo CHF trong vùng sôi quá nguội (dựa trên điều kiện quá nhiệt vách tới hạn khi cháy kiệt và quá trình truyền nhiệt đối lưu hỗn hợp chảy rối) Phương trình Bernath cho kết quả tối thiểu cho nên nó được coi là dự tính bảo thủ nhất:

(2.10) Trong đó, q’’crit là thông lượng nhiệt tới hạn (W/m2), hcrit là hệ số truyền nhiệt tới hạn (W/m2K), Tcrit lànhiệt độ bề mặt tới hạn (oC), p là áp suất (MPa), u là tốc độ dòng chảy (m/s), Dw là đường kính thủy lực ướt (m), Di là đường kính nguồn nhiệt (m)

Tương quan này có thể áp dụng đối với các kênh tiết diện tròn, chữ nhật và hình vành khăn (xuyến), áp suất 0,1 - 20,6 MPa, tốc độ dòng chảy 1 - 16 m/s và đường kính thủy lực 0,36 - 1,7 cm

Trong một lò phản ứng PWR, CHF xuất hiện khi mật độ bong bóng từ vùng sôi nhân trong màng ranh giới của thanh nhiên liệu lớn đến mức bong bóng liền kề kết hợp lại và tạo thành một màng hơi trên bề mặt của thanh Sự truyền nhiệt qua màng hơi là tương đối thấp so với qua màng chất lỏng, và sự xuất hiện CHF làm tăng đáng kể nhiệt độ bề mặt vỏ bọc Trong điều kiện như vậy, quá trình oxy hóa nhanh chóng (hoặc thậm chí nóng chảy) vỏ bọc có thể xảy ra dẫn đến phá hỏng vỏ bọc

Với các thiết bị trong lò phản ứng, CHF được thể hiện qua DNB đối với lò PWR và điểm khô dòng (Dryout) đối với lò BWR Đối với lò BWR, Dryout thể hiện ở điểm khởi đầu chuyển tiếp từ màng phân tán sang vùng sôi chuyển tiếp; còn đối với lò PWR, DNB thể hiện ở điểm bọt khí được phát triển, mở rộng Vị trí DNB

và Dryout được miêu tả tương ứng với tỷ phần rỗng cục bộ trong kênh dòng trên Hình 2.11

Hình 2 11 Thông lượng nhiệt tới hạn đối với lò PWR và BWR [20]

Tỷ số giữa thông lượng nhiệt tương quan đoán trước và thông lượng nhiệt vận hành thực tế áp dụng cho lò PWR được gọi là tỷ số dời khỏi vùng sôi nhân (DNBR) Tỷ số này thay đổi trên chiều dài thanh nhiên liệu và đạt giá trị nhỏ nhất ở

vị trí thông lượng nhiệt tới hạn Đối với lò BWR, điều kiện Dryout được biểu diễn theo tỷ số công suất tới hạn CPR Giới hạn áp dụng cho các điều kiện tới hạn được đánh giá thông qua các giá trị nhỏ nhất của DNBR (MDNBR) và của CPR (MCPR)