Giáo trình vận hành và bảo vệ an toàn vùng hoạt fomatted final

Nhung thanh diêu khiên này chua nhung vât liêu hoac kim loai hâp thu notron trong tât ca chiêu dài cua chung, cho phep voi axit-boric, diêu chinh hoat dô cua LPUHN tu công suât không cho

TS Trần Đại Phúc

VẬN HÀNH VÀ ĐẢM BẢO AN TOÀN VÙNG HOẠT

3.2.1 Phương tiện và mục tiêu

3.2.2 Áp dụng với sự đòi hỏi của mạng lưới điện «load

following»

3.2.3 Áp dụng với phương pháp điều khiển qua «biến đổi tần số» điện «frequency variation »

MỤC LỤC

3.3 Vận hành theo phương pháp «G»

3.3.1 Mở đầu

3.3.2 Cấu tạo bộ điều khiển

3.3.3 Phân bố những bộ điều khiển trong vùng hoạt 3.3.4 Phương pháp và định nghĩa sự « bao chùm » (overlapping)

3.3.5 Các phương pháp hành động

3.3.6 Đáp ứng tiêu chuẩn an toàn

3.3.7 Áp dụng với sự đòi hỏi của mạng lưới điện

« load following »

3.3.8 Áp dụng với sự điều khiển qua « biến đổi tần

số » điện « frequency variation »

3.3.9 Những linh hoạt của phương pháp « G »

MỤC LỤC

4 Phân tích an toàn với phương pháp «G»

4.1 Áp dụng với sự đòi hỏi của mạng lưới điện

«load following »

4.1.1 Các đặc điểm

4.1.2 Các phương pháp tính toán

4.2 Áp dụng với sự điều khiển qua «biến đổi tần

số » điện «frequency variation »

4.2.1 Tiêu chuẩn ECCS

4.2.2 Tiêu chuẩn DNB

4.2.3 Tiêu chuẩn UO2 bị cháy

4.2.4 Tiêu chuẩn PCI « tương tác cơ học giữa viên nhiên liệu – thanh nhiên liệu»

MỤC LỤC

 Để đáp ứng lại sự thay đổi của công suất tiêu thụ điện năng, NMDHN được điều khiển qua:

I MỞ ĐẦU

1.1 Nhiệm vụ NMDHN là cung cấp điện cho mạng

lưới điện cao thế

1.1 Nhiệm vụ NMDHN là cung cấp điện cho mạng

lưới điện cao thế

 Vỏ bọc thanh nhiên liệu là «lớp che chắn an toàn phóng xạ» đầu tiên; vì vậy mục tiêu chính của các biện pháp kiếm soát của nhà máy điện hạt nhân là không để xảy ra nứt gãy vỏ bọc thanh nhiên liệu

• Viên nhiên liệu (UO2) không được nóng chảy;

• Không được có hiện tượng «DNB» (Departure from Nucleate Boiling) ở vỏ thanh nhiên liệu;

• Sự tương ứng giữa UO2 và vỏ bọc thanh nhiên liệu (P.C.I), có thể gây «áp lực động học» lớn cho vỏ bọc thanh nhiên liệu;

I MỞ ĐẦU

1.2 Giới hạn kiểm soát trong vùng hoạt

 Công suất tuyến tính phải thấp hơn 590 W/cm tại mỗi điểm trong vùng hoạt, như vậy mới đảm bảo UO2 không bị nóng chảy;

 DNBR phải thấp hơn 1.3, như vậy đảm bảo không xảy ra hiện tượng bốc hơi («dry-out» effect)

• Những tiêu chuẩn trên phải được đảm bảo trong các tình trạng khẩn cấp 1 và 2.

• Không có bảo vệ P.C.I (nhưng trong đặc điểm kỹ thuật vận hành: hạn chế tốc độ tăng công suất sau một thời gian dài vận hành ở công suất thấp).

I MỞ ĐẦU

1.2 Giới hạn kiểm soát trong vùng hoạt

 Hãy coi như tình trạng vận hành bình thường là điểm khởi đầu của một tai nạn.

 Để đáp ứng được các tiêu chuẩn an toàn sau khi xảy ra tai nạn này: đối với tiêu chuẩn nhiệt độ của

vỏ thanh nhiên liệu phải < 1204°C;

 Phải hạn chế “công suất tuyến tính” theo chiều cao (Qz) của vùng hoạt;

 Qz = thông lượng nhiệt cực đại ở các thanh nhiên liệu tại ví trí z/thông lượng trung bình của tất cả các thanh nhiên liệu.

I MỞ ĐẦU

1.2 Giới hạn kiểm soát trong vùng hoạt

 Cuối cùng mục tiêu và điều kiện vận hành là:

• Giữ vùng hoạt tới hạn và với công suất mong muốn;

• Giữ công suất trong vùng hoạt ổn định nếu được;

• Hay là giữ công suất “xung quanh trục” ổn định nếu được.

 Ta nên nhớ, các “biến thiên” của công suất theo mặt cắt ngang vùng hoạt rất kém và có thể kiểm soát được một cách rất thụ động trong thiết kế với

hệ số “radial pic” cho tất cả các tình trạng nghiêm

I MỞ ĐẦU

1.2 Giới hạn kiểm soát trong vùng hoạt

Dôi voi BTNLHN loai 17x17 (PWR Âu-My), BTDK gôm

co 24 thanh hât thu notron, lien kêt boi môt hê thông

duoc goi là “nhên” (xem hinh sau dây) Dôi.voi bo

TNLHN VVER, BTDK gôm co 17 thanh (xem hinh sau dây)

Nhung thanh diêu khiên này chua nhung vât liêu hoac kim loai hâp thu notron trong tât ca chiêu dài cua chung, cho phep voi axit-boric, diêu chinh hoat dô cua LPUHN tu công suât không cho toi công suât tôi cua tâm lo Chung con co chuc nang, bôi dap su biên dôi cua hoat dô trong nhung qua trinh vân hành binh thuong và cung câp môt khôi luong du tru “phan hoat dô” co thê dua vào tâm lo bât cu luc nào dê nganh chan giây truyên phân hach trong tâm lo.

 Nhung chat hâp thu notron thuong là B4C (boron

carbide) và hop kim SIC (Silver-Indium-Cadmium)

Nhung chat duoi hinh dang viên gôm (B4C) và thanh

(SIC) trong môt ông boc bang thep không ri Chiêu cao cua chung cho thây du rang chung o vi tri cao, chung

bao gio cung nam trong nhung ông dân cua BTNLHN.

 Nhiêu nhom BTDK dam bao nhung chuc nang nhu sau:

an ninh S (BTDK an ninh, BTDK dâp LPUHN), BTDK diêu chinh công suât (nhom “nâu” “G” và “den” “B”)

voi chiêu cao và tôc biên dôi rât nhanh; nhung BTDK

diêu chinh nhiêt dô “R” Tuy theo muc dô cua chung o trong tâm lo, nhung BTDK “nâu” thuong o trong tâm

lo, con nhung BTDK “den” thuong chi rioi vào trong

tâm lo trong qua trinh dâp lo.

 Bang sau dây cho ta thây co câu cua cac BTDK o trong LPUHN 900 MWe và 1300 MWe.

Chuc nang Dac trung 900 MWe 1300 MWe

An Ninh

Vân hành/dâp lo Chât hâp thu notron Sô BTDK

Sô BTDK

17 SIC/B4C 24

28 SIC/B4C 24

Diêu chinh công

suât

Tôc dô cao

ΔP cao

Dap ung theo

mang luoi diên

Sô BTDK « G » Chât hâp thu notron

Sô THT/BTDK

Sô BTDK « B » Chât hâp thu notron

Sô THT/BTDK

12 SIC/Thep SS

8 + 16 16 SIC 24

12 SIC/Thep SS

8 + 12 16 SIC 24

Diêu chinh nhiêt Sô BTDK « R »

Chât hâp thu notron SIC 8 SIC/B4C 9

HT Bó thanh điều khiển:

HT Bó thanh điều khiển:

HT Bó thanh điều khiển:

HT Bó thanh điều khiển:

HT Bó thanh điều khiển:

Diêu chinh hoat dô tâm lo qua axit boric.

 Phuong phap này chop hep phân bô môt cach dông dêu cac chât hâp thu notron trong tâm lo Nhung dich vu này

duoc dam bao boi hê thông CVCS (Chemical volume Control System) : dich vu rât châm, cho nên su diêu khiên cua công

suât và nhiêt dô, trong luc ban dâu duoc thay thê boi nhung BTDK ; dân dân khiaxit boric duoc diêu chinh môt cach ôn

dinh, nhung BTDK se tro lai vi tri cu cua chung.

Su làm dôc tâm lo qua axit boric co nhiêu uu diêm : hoà dông chât hâp thu notron, không gây anh huong dên phô notron , và do phô theo chiêu truc cua công suât

và nhiêt dô cua nhiên liêu trong tâm lo ; trai chung ta không co thê vuot qua nông dô cua axit boric trong nuoc cua hê thông so câp, boi vi hê sô làm châm cua tâm lo se tro lên « duong » : duoi trang thai này, su gia tang nhiêt dô cua nuoc làm mat do su gia tang cua công suât, se dân dên su gia tang cua hoat dô và do do

se gia tang công suât lo hon Cho nên nông dô tôi da cua axit-boric duoc han chê o muc 1200 ppm

 Phuong phap diêu khiên hoat dô qua axit boric cho vài mêm deo, nhung trai lai phuong phap tao ra nhiêu chât thai hoa

hoc ; Do do su giam công suât cua tâm lo dêu duoc thuc hiên qua cach dua nhung BTDK vào tâm lo Tuy theo muc dô công suât thâp, nhung BTDK co thê rut lên khoi tâm lo và luc do khôi dông bom axit-boric vào, phuong phap này se dân dên

dô chay dông dêu cua nhiên liêu.

Nhung chât dôc

 Do là nhung bo thanh dôc duoc dua vào trong chu ky dâu tiên cua tâm lo, hoac là nhung thanh co chat dôc tu chay duoi

hinh dang viên gôm (UO2-Gd2O3) duoc dua vào cac

BTNLHN, dê tôi uu hoa hoat dô dôi voi chu ky dài, hoac là dê cân bang phô công suât dôi voi cac chu ky quan ly nhiên liêu hoac nhung BTNLHN moi duoc dua vào tâm lo.



Truong hop tâm lo moi

 Trong qua trinh cua chu ky thu nhât, nhung BTD duoc dua vào cac BTNLHN không co BTDK Chu ky thu

nhât tao ra môt ty lê hoat lon hon cac chu ky khac, boi

vi trong tâm cac BTNLHN dêu hoàn toàn moi Nêu

axit boric là môt phuong tiên duy nhât dê diêu khiên,

hê sô làm châm cua nuoc làm mat se o muc “duong”;

do do co thê dân dên nhiêu tinh trang không an toàn

dôi voi vài tinh huong Chuc nang cua nhung BTD ây

là dam bao hê sô nhiêt cua nuoc làm mat âm trong tât

ca thoi gian cua chu ky.

 Nhung thanh dôc gôm co chat bore duoi hinh dang

thuy tinh “pyrex”, voi dô giau borkhoang 12.5%

B2O3, duoi hinh dang môt ông voi duong kinh ngoài

8.5 mm và dô dây 0.5mm, duoc boc boi môt vo thep

304 và duoc do o trong boi môt ông thep cung loai

Chiêu dài bao trum ca tâm lo.

 Su hâp thu notron cua B10 se tao ra khi hêli và giai toa môt luong nhiêt Khi hêli tao ra bi luu du trong thanh dôc và co

thê giam ap qua nhung ông dôi o trong thanh dôc; trai hanh voi nhung thanh hâp thu notron, su bên vung cua chung duoi anh huong cua chiêu xa không duoc quan mây, boi vi nhung BTD này se duoc lây ra sau cuôi chu ky.

Truong hop keo dài chu ky nhiên liêu

 Su keo dài chu ky tu 12 thang cho dên 18 thang cua LPUHN,

se cân dung nhung BTNLHN co nhung thanh nhiêm dôc

(UO2-Gd2O3) Trong vài phân tâm lo (1/3 chang han), vài

thanh nhiên liêu co viên gôm UO2-Gd2O3 (UO2 voi dô làm giau 8% Gd2O3) Su su dung gadolinium thay vi su dung axit boric trong nuoc làm mat cua he thông so câp, là vi cung nhu

da nêu o trên, voi nông dô axit boric vuot qua muc cho phep, môt phân se anh huong dên hê sô nhiêt cua nuoc làm mat và phân khac se cân gia tang luong lithium trong nuoc làm mat (diêu kiên dê duy pH), và do do se dân dên su gia tang cua

oxi-hoa hop kim zirconi.

 Nhung thâm dinh cho thây nhung dac trung cua gadolinium không co anh huong gi mây dôi voi nhiên liêu UO2 Nhung

trai lai, su dân nhiêt cua gadolinium kem (Sn) hon dôi voi

UO2, và nhât là dôi void ô làm giau gadolinium cao Dung

thê, gadolinium co nhiêu dac diêm rât thu vi:

 Su hiên diên cua 2 dông vi tu nhiên co tiêt diên hâp thu rât

cao (Gd156 và Gd158) se phân ra duoi anh huong cua chiêu

xa thành 2 dông vi voi tiêt diên hâp thu rât kem (Sn) (Gd157

và Gd159), do do se dân dên môt anh huong du thua rât nho.

 Môt sac xuât hâp thu, nghia là môt tôc dô hâp thu, voi phô

notron PWR, chung ta co thê gia tang chu ky nhiên liêu giua

1 và 2 nam;

 Môt su mêm deo su dung, hiêu qua tôi uu bang cach chen vài thanh nhiên liêu UO2-Gd2O3 vào vài BTNLHN, se không

dên su thay dôi tram trong cua phô công suât cua tâm lo;

 Anh huong cua gadolinium dôi voi nhiên liêu UO2 không

nhiêu vê mat truyên nhiêt và hoa-ly, do do nhung thanh nhiên liêu UO2-Gd2O3 co thê dung trong cac quan ly nhiên liêu

tiêu chuan hoa trong qua trinh chiêu xa và tai chê.

Tiêu chi lua chon nhung chat hâp thu notron

 Nhung tiêu chi lua chon nhung chat hâp thu notron

là sau dây:

 Tiêt diên hâp thu notron kha tôt : it nhât 100 barn trung

binh dôi voi notron châm, 1 barn dôi voi notron nhanh (1barn = 10 -24 cm 2 ) Bang sau dây cho ta thây nhung chat

co tiêt diên hâp thu cao Tiêt diên cua nhung chat hâp

thu biên dôi voi nang luong cua notron và dong môt vai tro rât quan trong trong su diêu khiên tâm lo Dôi voi

dông vi B10, su diên tiêt diên môt cach dêu hoà trong

moi nang luong tu notron châm cho dên notron nhanh

so voi cac chat hâp thu khac, tiêt diên cua chung không dông dêu và tuy thuôc nang luong cua notron Do do,

B4C duoc dung môt cach rât trong cac loai LPUHN.

 Gia thành: Vât liêu thô và san suât, truc tiêp lê thuôc boi

tuôi tho (yêu tô quan trong trong gia thành);

 Nhung chat phân ra: chung cung là nhung chat hâp thu

notron (truong hop hafnium và europium), do do co thê gia tan tuôi tho cua nhung BTDK; nêu môt khi duoc tao

ra (nhu truong hop B10) tuôi tho cua cac BTDK se

giam;

 Tôc dô tu chay trong chu ky nhiên liêu: Chât hâp thu

notron tu chay (gadolinium);

 Tuong ung hoa: Dôi voi vo boc và nuoc làm mat (trong

truong hop vo boc bi nut ne;

 Dac diêm ly-hoa, co hoc, truyên nhiêt bên vung duoi anh

huong cua chiêu xa;

 Dê dap ung voi nhung tiêu chi trên, SIC và B4C da duoc dung hâu hêt trong cac loai LPUHN.

Dac trung vât ly notron

 Su hâp thu notron cua B4C dua trên su hiên diên cua dông vi B10, voi phan ung hâp thu notron nhu sau:

BTDK, nhung trai lai no rât quan trong dôi voi chat thai tao

ra trong LPUHN, chung voi phân hach “tam câp” môt nguôn san suât dông vi tritium trong tâm lo.

Tinh chat hoa ly

 B4C không bi anh huong boi nhung chat axit kim loai Duoi

su hiên diên cua oxygen, B4C bat dâu bi oxi hoa o nhiêt dô 600 °C theo phan ung:

 Môi truong oxi-hoa co thê nuoc hoac không khi

 Oxit tao ra B2O3 rât bay hoi, phan ung co thê bi lao hoa cho nên su dung B4C bi han chê trong môi truong oxi-hoa duoi nhiêt dô thâp Hiên tuong hâp thu notron và dô chay cua B4C

 Phan ung chinh do hâp thu notron là 10 B(n,α) 7 Li, voi tiêt diên σ1, là phân hach cua 10 B, do do nhung chat phân ra nhu heli và

Lithium Môt phan ung thu câp, voi tiêt diên σ2 rât thâp dôi σ1 (σ2

< < σ1), se dân dên nhung phân ra nhu khi heli và tritium theo

phan ung 10B(n,2α)T Nêu ta không qua tâm dên phan ung thu câp (ty lê khi heli và tritium rât nho), su diên biên cua nguyên tô 10B

theo thoi gian co thê viêt nhu sau:

 Trong luong cua khi heli và tritium co thê viêt nhu sau:

 N Li/He /N 0

B = 1 – N B /N 0

B = 1 –exp(1 - φσ 1 t)

 Dô chay cua 10 B co thê viêt nhu sau:

 Hoac boi dô chay cua 10B: B.U = 1 –exp(1 - φσ 1 t)

 Hoac boi mât dô hât thu trên cm3 cua B4C:

Hop kim Bac Indium và Cadmium (SIC)

Thành phân và câu truc

 Thành phân hop kim này gôm co: 80 % bac, 15% Indium và

5 % Cadmium Su lua chon cua hop kim này dua trên tiêu chi hâp thu notron, nhung dac trung co hoc và su bên vung dôi voi hiên

Dac diêm vât ly

 Mât dô: 10.17 g/cm3

 Nhiêt dô nong chay: 800 °C ± 17 °C, do là vât liêu void ô nong chay

thâp nhât dung trong LPUHN PWR.

 Hê sô dân nhiêt: biên dôi tu 55 W.m -1 K -1 o nhiêt dô thông thuong dên 90 W.m -1 K -1 o nhiêt dô 600 °C.

 Hê sô Yuong: Nam trong khoang 70-100 MPa dôi voi nhiêt dô tu 295

°C dên 600 °C, trong khi do su bên vung bê vo suy giam tu 300 dên 100 MPa trong khoang nhiêt dô trên, và dôi voi hop kim voi hat nhuyên

(ASTM-4-8) Su gia tang cua kich thuoc cua hat se dân dên su suy giam cua hê sô Yuong, du rang dô cung cua hop kim bi anh huong rât it.

 “Dao”: Lê thuôc rât lon boi kich thuoc cua hat (xem hinh sau 579), tôc

dô cua “dao” gia tang khi kich thuoc hat suy giam.

Dac trung hoa ly

 Hop kim SIC khang cu voi hiên tuong oxi-hoa rât tôt, o nhiêt dô

su dung trong tâm lo PWR và trong nuoc co khi oxygen Do do, sau khi luc ban dâu su dung hop kim này boc boi môt lop kem (Sn) bang

phuong “electrodéposition”, nguoi ta dung trong ca thê gioi hop kim

SIC duoc boc trong môt ông thep không ri SS 304 hoac SS 316

 Hình dạng của vùng hoạt, nhất là công suất, có thể định nghĩa từ 5 thông số độc lập sau đây:

• Chiều cao của bó thanh nhiên liệu;

• Nồng độ của Axit Boric;

• Nhiệt độ vào (hoặc trung bình) của vùng hoạt;

• Áp suất của HT1;

• Tốc độ vận chuyển nước của HT1.

 Trong tình trạng bình thường, hai thông số đầu được coi như không đổi, và phụ thuộc vào các thông số thiết kế.

II TINH THỂ VÙNG HOẠT

2.1 Những thông số cần dùng

 Để kiểm soát những thay đổi của công suất, người

ta có 3 cách:

a) HT Bó thanh điều khiển:

• Được điều khiển qua sự kiểm soát của nhiệt độ trung bình của HT1;

• Ảnh hưởng nhất thời;

• Ảnh hưởng không phân chia: nó phản ứng cùng một lúc với «độ phản ứng» (reactivity) và với A.O (Axial Offset).

II TINH THỂ VÙNG HOẠT

2.2 Các phương pháp điều khiển vùng hoạt

b) Axit boric:

• Các thay đổi về nồng độ của Axit boric đều được điều khiển bởi nhân viên vận hành;

• Ảnh hưởng theo thời gian:

– Xịt axit boric vào nước (tuỳ khối lượng);

– Thời gian xịt axit boric vào nước;

– Thời gian hoà axit boric với nước.

 Ảnh hưởng của A.O không quan trọng

 Các thay đổi về nồng độ của Axit Boric đều

bị hạn chế bởi hiệu quả của CVCS (tốc độ nạp vào HT1) và khả năng xử lý chất thải

II TINH THỂ VÙNG HOẠT

2.2 Các phương pháp điều khiển vùng hoạt

c) Thay đổi nhiệt độ trung bình của nước HT1

• Cách này chỉ dùng trong trường hợp vận hành bình thường (nhiệt độ trung bình của nước HT1 phù hợp với công suất qua HT điều khiển,

• Ảnh hưởng nhất thời,

• Phương pháp không nên sử dụng nhiều để tránh hiện tượng P.C.I (pellet-cladding interaction)

d) Các cách điều khiển vùng hoạt

• Khi thay đổi các thông số được nói đến ở §2.1 ở trên sẽ gây ra sự thay đổi của « độ phản ứng »

II TINH THỂ VÙNG HOẠT

2.2 Các phương pháp điều khiển vùng hoạt

c) Thay đổi nhiệt độ trung bình của nước HT1

• Cách này chỉ dùng trong trường hợp vận hành bình thường (nhiệt độ trung bình của nước HT1 phù hợp với công suất qua HT điều khiển,

• Ảnh hưởng nhất thời,

• Phương pháp không nên sử dụng nhiều để tránh hiện tượng P.C.I (pellet-cladding interaction)

d) Các cách điều khiển vùng hoạt

• Khi thay đổi các thông số được nói đến ở §2.1 ở trên sẽ gây ra sự thay đổi của « độ phản ứng »

(ρ) và A.O

Axial offset:

Axial offset = AO = (P(H) – P(B))/(P(H)+P(B))

ΔI = (P(h) – P(B))/(P(H) + P(B)nominal) = AO x Pr

Axial offset:

Các hình dạng Ảnh hưởng của các hình dạng tới «độ phản ứng»

( ρ)

Ảnh hưởng của các hình dạng tới A.O (Axial offset)

Mức công suất (P) vùng

hoạt Nhiều: P( ρ ): xuống

- » ( ρ ): tăng lên

Nhiều: P: xuống - » A.O: tăng lên Mức cao HT điều khiển Nhiều: Độ cao: xuống

Nhiệt độ nước vào (hoặc

trung bình) vùng hoạt (Ti) Nhiều hoặc ít: Ti hoặc Tm : xuống - » ( ρ ): lên

Ít

Áp suất HT1 và tốc độ

nước HT1 Không thay đổi Không thay đổi

II TINH THỂ VÙNG HOẠT

2.2 Các phương pháp điều khiển vùng hoạt

Thí dụ: (Hình 2)

II TINH THỂ VÙNG HOẠT

2.2 Các phương pháp điều khiển vùng hoạt

Thí dụ: (Hình 2)

 Ảnh hưởng của việc giảm công suất 50% Pn

(những thông số khác không thay đổi):

• Để duy trì 50% Pn, chúng ta phải sử dụng HT

điều khiển hoặc Axit Boric:

- Ảnh hưởng của Xenon và phản hồi của Xe

« reaction feedback »

II TINH THỂ VÙNG HOẠT

2.2 Các phương pháp điều khiển vùng hoạt

San phâmkhi phân hach Xenon và Samarium