Khảo sát hoạt động của hệ thống điều khiển độ phản ứng lò CANDU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT HOẠ

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

BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỘ PHẢN ỨNG LÒ CANDU KHI XẢY RA SỰ CỐ RỚT MỘT NHÓM THANH HẤP THỤ TRONG LÕI LÒ BẰNG PHẦN MỀM CANDU-9 COMPACT SIMULATOR

SVTH: ĐÀO ĐẠI ĐỒNG GVHD: ThS NGUYỄN HOÀNG ANH GVPB: ThS PHAN LÊ HOÀNG SANG

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

BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

ĐỘ PHẢN ỨNG LÒ CANDU KHI XẢY RA SỰ CỐ RỚT MỘT NHÓM THANH HẤP THỤ TRONG LÕI LÒ BẰNG PHẦN MỀM CANDU-9 COMPACT SIMULATOR

SVTH: ĐÀO ĐẠI ĐỒNG GVHD: ThS NGUYỄN HOÀNG ANH GVPB: ThS PHAN LÊ HOÀNG SANG

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh, quý Thầy Cô khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật, quý Thầy Cô cùng anh chị cán bộ trẻ Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã dạy dỗ, truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báu, không chỉ là kiến thức sách vở mà cả kiến thức trong cuộc sống dành cho sinh viên chúng em trong suốt 4 năm học đại học

Em vô cùng biết ơn và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên đã trực tiếp hướng dẫn em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này, đó là cô Nguyễn Hoàng Anh Cô

đã đưa ra những định hướng và luôn có những lời nhắc nhở, góp ý vô cùng quý báu dành cho em Bên cạnh đó, cô còn luôn kề cận, trực tiếp chỉ dạy em, hướng dẫn em từng chi tiết giúp em hiểu rõ rất nhiều điều trong suốt thời gian em thực hiện khoá luận này

Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy Phan Lê Hoàng Sang, thầy đã dành thời gian để đọc và giúp em chỉnh sửa khoá luận Bên cạnh đó thầy cũng cho em những gợi ý, nhắc nhở quan trọng giúp em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này

Xin cảm ơn bạn bè đã luôn ở bên cạnh chia sẻ và có những lời động viên tinh thần

Đặc biệt, cảm ơn gia đình luôn quan tâm, dạy dỗ và tạo mọi điều kiện học tập

để con học tập tốt và đạt được thành quả như ngày hôm nay

Xin cảm ơn!

TP.HCM, tháng 6 năm 2015

Đào Đại Đồng

MỤC LỤC

MỤC LỤC i

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vi

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC NẶNG CANDU 2

Tổng quan về lò phản ứng CANDU 2

1.1.1 Phân bố lò CANDU trên thế giới 2

1.1.2 Lịch sử lò phản ứng CANDU 3

1.1.2.1 Thời kì đầu 3

1.1.2.2 Thiết kế 600MWe 3

1.1.2.3 Thiết kế 900MWe 4

1.1.2.4 Thế hệ III+ 4

1.1.3 Một số đặc trưng của lò CANDU 5

1.1.3.1 Lõi lò dạng ống áp lực 6

1.1.3.2 Nhiên liệu 8

1.1.3.3 Thay nhiên liệu “on-power” 9

1.1.3.4 Nước nặng trong lò CANDU 9

1.1.3.5 “Giàu neutron” 10

1.1.3.6 Đặc tính an toàn cao của thiết kế CANDU 11

1.1.4 Ưu điểm của lò CANDU 12

Điều khiển độ phản ứng của lò CANDU 13

1.2.1 Điều khiển vùng chất lỏng – Liquid Zone Controllers (LZC) 14

1.2.2 Thanh hấp thụ - Mechanical Control Absorbers (MCA) 15

1.2.3 Thanh điều khiển – Adjuster Rods 16

1.2.4 Chất vô hiệu – Moderator Poison 17

1.2.5 Hệ thống dập lò đặc biệt SDS 18

Lò phản ứng cải tiến ACR-1000 19

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CANDU-9 COMPACT

SIMULATOR 21

Tổng quan phần mềm CANDU-9 Compact Simulator 21

2.1.1 Khởi chạy phần mềm 21

2.1.2 Mô tả tổng quan màn hình hiển thị của phần mềm 21

Các giao diện mô phỏng của phần mềm CANDU-9 Compact Simulator 23

2.2.1 Trang thông số tổng quan lò (Plant Overview) 24

2.2.2 Trang thanh dập lò (Shutdown Rods) 26

2.2.3 Trang điều khiển độ phản ứng (Reactivity Control) 27

2.2.4 Trang thông số vòng nước sơ cấp (PHT Main Circuit) 28

2.2.5 Trang máy phát điện (Turbine Generator) 30

2.2.6 Trang chế độ RRS/DPR 31

2.2.7 Trang chế độ UPR 33

2.2.8 Trang đồ thị (Trend) 34

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ PHẢN ỨNG KHI XẢY RA SỰ CỐ RỚT MỘT NHÓM THANH HẤP THỤ TRONG LÕI LÒ 35

Các khái niệm 35

Các bước chạy phần mềm 39

Kết quả 41

Phân tích và nhận xét 44

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 47

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

PHỤ LỤC A DANH SÁCH CÁC LÒ PHẢN ỨNG CANDU TẠI CANADA 50

PHỤ LỤC B CHẤT THẢI TRITIUM 51

PHỤ LỤC C CÁC GIAO DIỆN MÔ PHỎNG KHÁC CỦA PHẦN MỀM CANDU-9 COMPACT SIMULATOR 52

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Chữ viết

ACR Advanced CANDU Reactor Lò phản ứng CANDU thế hệ

ASDV Atmospheric Steam Discharge

Valve Van an toàn xả ra môi trường

CANDU Canadian Deuterium Uranium Lò phản ứng nước nặng Canada

CSDV Condenser Steam Discharge

Valve Van thoát dòng hơi hệ ngưng tụ

DPR Demanded Power Routine Lịch trình năng lượng yêu cầu

DUPIC

Direct Use of Pressurized Water Reactor Spent Fuel in

CANDU

Dùng nhiên liệu qua sử dụng của

lò nước nhẹ cho lò CANDU

ECCS Emergency Core Cooling

System Hệ thống làm mát khẩn cấp

HPCV High Pressure Turbine Control

HPHX High Pressure Heater Máy tạo nhiệt cao áp LOCA Lost Of Coolant Accident Tai nạn mất chất tải nhiệt LZC Liquid Zone Controllers Hệ thống điều khiển vùng lỏng MCA Mechanical Control Absorbers Hệ thanh hấp thụ

MSR Moisture Separator and

Reheater Máy tách ẩm và tái tạo nhiệt

MSSV Main Steam Safety Valve Van an toàn dòng hơi chính

NPD Nuclear Power Demonstration Lò hạt nhân dùng cho giảng dạy NRU National Research Universal Tên của lò phục vụ nghiên cứu

NRX National Research

Experimental Tên của lò phục vụ nghiên cứu

PCV Pressure Control Valve Van điều áp

PHT Primary Heat Transport Hệ thống truyền nhiệt sơ cấp RIH Reactor Inlet Header Đầu điều hướng dòng vào ROH Reactor Outlet Header Đầu điều hướng dòng ra

RRS Reactor Regulating System Hệ thống điều khiển độ hoạt

động SDS Shutdown System Hệ thống dập lò khẩn cấp

UPR Unit Power Regulator control Hệ thống quản lý năng lượng lò ZEEP Zero Energy Experimental Pile Tên lò phản ứng nước nặng đầu

tiên tại Canada

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân bố lò phản ứng CANDU trên thế giới [5] 2 Bảng 1.2 Các hệ thống điều khiển độ phản ứng lò [7] 14

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Giản đồ của nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng CANDU [3] 5

Hình 1.2 Sơ đồ lõi lò CANDU-9 6

Hình 1.3 Giản đồ mặt cắt ngang của lõi lò CANDU [3] 7

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống quản lý vùng chất lỏng 14

Hình 1.5 Phân bố hệ thống điều khiển độ phản ứng qua mặt cắt ngang lõi lò 16

Hình 2.1 Các thông tin tổng quan trên giao diện hiển thị của phần mềm 22

Hình 2.2 Giao diện trang Plant Overview 24

Hình 2.3 Giao diện trang Shutdown Rods 26

Hình 2.4 Giao diện trang Reactivity Control 27

Hình 2.5 Giao diện trang PHT Main Circuit 28

Hình 2.6 Giao diện trang Turbine Generator 30

Hình 2.7 Giao diện trang chế độ RRS/DPR 31

Hình 2.8 Giao diện trang chế độ UPR 33

Hình 2.9 Giao diện trang đồ thị 34

Hình 3.1 Đồ thị vùng hoạt động của hệ thống điều khiển vùng lỏng 37

Hình 3.2 Đồ thị vùng hoạt động của hệ thống thanh điều khiển 38

Hình 3.3 Đồ thị vùng hoạt động của hệ thống thanh hấp thụ 39

Hình 3.4 Danh sách các sự cố và tai nạn lò 40

Hình 3.5 Giao diện trang Reactivity Control sau khi nhập sự cố 41

Hình 3.6 Đồ thị vị trí của điểm hoạt động trong quá trình tai nạn lò 42

Hình 3.7 Đồ thị biểu diễn sự biến đổi năng lượng lò ở giai đoạn đầu của tai nạn 43

Hình 3.8 Đồ thị biểu diễn sự biến đổi năng lượng lò ở giai đoạn duy trì điểm hoạt động trong vùng P.E = 0 43

Hình 3.9 Đồ thị biểu diễn sự biến đổi năng lượng lò sau khi các thanh điều khiển bị rút ra hoàn toàn 43

Những đặc tính thiết kế riêng biệt của lò phản ứng CANDU so với các kiểu lò khác đem lại nhiều lợi thế về tính an toàn hơn, được mệnh danh là một trong những loại lò phản ứng hạt nhân an toàn nhất trên thế giới khi xét về hệ thống an toàn của nhà máy cũng như an toàn chất thải phóng xạ Mặc dù lò phản ứng CANDU yêu cầu một lượng lớn nước nặng, đồng nghĩa với việc tốn kém tiền bạc để tinh lọc đủ lượng nước nặng cần thiết để vận hành lò, nhưng ưu thế sử dụng uranium tự nhiên đem đến

sự cân bằng về mặt thuận lợi và khó khăn

Trong khóa luận này, chúng tôi đã tìm hiểu về lịch sử phát triển lò phản ứng nước nặng, nghiên cứu các thành phần chính trong hệ thống của nhà máy điện hạt nhân sử dụng thế hệ lò phản ứng nước nặng CANDU-6 và CANDU-9 cũng như tìm hiểu nguyên lý hoạt động của chúng Ngoài ra, chúng tôi cũng tìm hiểu cách vận hành các hệ thống chính của một lò phản ứng CANDU thông qua phần mềm mô phỏng CANDU-9 Compact Simulator

Khoá luận này được chia làm 3 chương:

Chương 1: Tổng quan về lò phản ứng nước nặng CANDU

Chương 2: Giới thiệu phần mềm mô phỏng CANDU-9 Compact Simulator Chương 3: Khảo sát hoạt động của hệ thống điều khiển độ phản ứng khi xảy

ra sự cố rớt một nhóm thanh hấp thụ trong lõi lò

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC NẶNG CANDU Tổng quan về lò phản ứng CANDU

CANDU là từ viết tắt được lấy từ tên đầy đủ “CANadian Deuterium Uranium” của lò phản ứng hạt nhân nước nặng Đây là loại lò phản ứng đặc biệt so với các loại

lò áp lực thông thường nhờ vào việc sử dụng nước nặng (𝐷2𝑂) để làm chất làm chậm

và chất tải nhiệt, nhờ đó cho phép sử dụng nhiên liệu uranium tự nhiên không cần qua làm giàu

Các nghiên cứu về lò phản ứng nước nặng tại Canada được bắt đầu từ thời kì Thế Chiến Thứ II và dần trở thành hướng đi duy nhất của Canada Hiện tại, nhiều thế

hệ lò phản ứng nước nặng đã được phát triển và đi vào hoạt động nhằm phục vụ nghiên cứu cũng như cung cấp điện năng tại một số quốc gia trên thế giới, phần lớn các lò phản ứng loại này nằm tại Canada

1.1.1 Phân bố lò CANDU trên thế giới

Hiện tại, Canada có tổng cộng 19 lò CANDU đang hoạt động tại các nhà máy điện hạt nhân Bruce Power, Pickering, Darlington và Point Lepreau Ngoài ra, Canada

đã xuất khẩu công nghệ lò CANDU sang nhiều nước trên thế giới bao gồm Argentina, Trung Quốc, Ấn Độ, Pakistan, Romania và Hàn Quốc Hiện có tổng cộng 31 lò CANDU đang hoạt động bên ngoài lãnh thổ Canada, chưa tính đến 16 lò do Ấn Độ

tự xây dựng dựa trên thiết kế nguyên bản của CANDU

Bảng 1.1 Phân bố lò phản ứng CANDU trên thế giới [5]

Quốc gia Số lượng Tổng công suất điện

1.1.2 Lịch sử lò phản ứng CANDU

Sự phát triển của lò phản ứng nước nặng CANDU trải qua 4 thời kì chính Thời kì đầu chỉ là các loại lò thử nghiệm và nguyên mẫu với công suất hạn chế Sau

đó chúng được phát triển lên thế hệ công suất điện năng 500-600MWe (CANDU-6)

và loại lớn hơn với công suất 900MWe (CANDU-9) Hiện tại, thiết kế lò đã phát triển đến thế hệ cải tiến ACR

Thiết kế đích thực của lò phản ứng CANDU ra đời và được thử nghiệm với

mô hình NPD đạt công suất 22MWe Nó được xem như nhà máy phát điện hạt nhân đầu tiên tại Canada và hoạt động rất thành công vào khoảng thời gian 1962-1987 Lò CANDU thứ hai là Douglas Point (1968) với thiết kế công suất đạt 200MWe [9]

Sau đó, nhiều thử nghiệm khác nhau được thực hiện nhằm đưa ra thiết kế tối

ưu và tăng công suất lò (tăng nhiệt năng đầu ra và giảm áp suất ống áp lực, sử dụng chất tải nhiệt khác như dầu hữu cơ…) Lò Gentilly-1 được xây dựng nhằm thử nghiệm cho một loại thiết kế khác sử dụng nước nhẹ làm chất tải nhiệt cho các kênh nhiên liệu thẳng đứng Tuy nhiên, lò phản ứng này sau đó được xem là không hiệu quả và

bị dừng sau 7 năm hoạt động [9]

1.1.2.2 Thiết kế 600MWe

Thành công của NPD và Douglas Point đã dẫn đến quyết định xây dựng tổ hợp

lò phản ứng tại nhà máy Pickering, Ontario Pickering A (1971) và Pickering B (1983) với tổng cộng 8 tổ máy cho công suất điện lên đến 4120 MWe [9]

Sau đó, nhiều cải tiến được đem vào thiết kế ban đầu của Pickering dẫn đến thiết kế hoàn chỉnh CANDU-6, được xem là thiết kế quy chuẩn dùng để áp dụng cho

các nhà máy đơn lò CANDU-6 được áp dụng tại các nhà máy Gentilly-2 và Point Lepreau (đều chỉ có một lò phản ứng) Đây cũng là loại thiết kế chủ đạo của Canada khi hợp tác xây dựng lò phản ứng hạt nhân tại các nước khác như Argentina, Trung Quốc, Romania và Hàn Quốc

1.1.2.3 Thiết kế 900MWe

Với nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng trưởng không ngừng, thế hệ thiết kế tiếp theo chủ yếu nhắm đến tăng công suất bằng cách tăng kích thước lõi lò Thế hệ lò theo thiết kế mới đạt mức công suất khoảng 900 - 1000MWe

Nhà máy Pickering trải qua quá trình nâng cấp kéo dài từ 1970 đến 1987 và trở thành cơ sở điện hạt nhân lớn nhất Bắc Mỹ, lớn thứ hai thế giới lúc bấy giờ Pickering sở hữu 8 lò phản ứng cho công suất 800MWe mỗi tổ máy, tổng công suất điện đạt trên 6000MWe Sau đó, việc nâng cấp kích thước lò cũng được áp dụng cho nhà máy Darlington, giúp nâng công suất mỗi tổ máy lên 880MWe [9]

Cũng tương tự việc nâng cấp Pickering dẫn đến thiết kế hoàn chỉnh của CANDU-6, thiết kế của nhà máy Bruce sau này cũng được cải tiến để đi đến thiết kế hoàn chỉnh của CANDU-9 CANDU-6 và CANDU-9 nhìn chung là những chuẩn thiết kế được đóng gói lại để có thể phù hợp cho việc xây dựng nhà máy lò đơn Hiện nay vẫn chưa có lò CANDU-9 nào được xây dựng trên thế giới

kế đạt 1200MWe [9]

Hiện nay, nhiều cải tiến cũng đã được áp dụng cho các lò CANDU-6 cũ dưới tên gọi Enhanced CANDU6 (CANDU6e hay EC6) Đây là thiết kế nâng cấp của CANDU-6 với công suất điện đầu ra lên đến 740MWe mỗi tổ máy Các lò này đều được thiết kế với tuổi đời 50 năm, trong đó bắt buộc phải trải qua quá trình thay mới linh kiện giữa vòng đời

1.1.3 Một số đặc trưng của lò CANDU

Khác biệt lớn nhất của lò phản ứng CANDU so với các loại lò phản ứng hạt nhân khác là sử dụng nước nặng làm chất làm chậm và chất tải nhiệt trong lõi lò Các phản ứng phân hạch dây chuyền xảy ra trong lõi lò được giữ ở mức tới hạn (k=1), lõi

lò sẽ sinh nhiệt và được chất tải nhiệt chảy tuần hoàn trong vòng sơ cấp hấp thụ sau

đó truyền nhiệt sang vòng nước nhẹ thứ cấp trong các bình sinh hơi nhằm tạo ra dòng khí áp suất cao làm quay turbine, sản sinh điện năng (minh họa như trong hình 1.1)

Hình 1.1 Giản đồ của nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng CANDU [3]

1.1.3.1 Lõi lò dạng ống áp lực

Trong lò CANDU, lõi lò được thiết kế dạng ống áp lực thay vì nồi áp lực (hình 1.2) Với thiết kế này, lõi lò (còn có tên calandria) là một bình chứa lớn dạng hình trụ nằm ngang và có vỏ bằng kim loại Trong calandria có chứa nước nặng ở điều kiện áp suất thấp và các kênh nhiên liệu được phân bố đều Lõi của lò phản ứng nước nặng phổ biến có tổng cộng 380 kênh nhiên liệu (CANDU-6) hoặc 480 kênh nhiên liệu (CANDU-9) Ống áp lực chứa các bó nhiên liệu và được đặt bên trong ống lõi, ngăn cách với ống lõi bằng một lớp khí gas Các ống lõi tiếp xúc với nước nặng

và được cố định vào nắp ngoài ở 2 đầu calandria (hình 1.3) Bằng thiết kế ống áp lực, việc tạo áp lực cho chất tải nhiệt theo từng kênh nhỏ sẽ hiệu quả hơn và giúp thu nhỏ kích thước lõi lò hơn cách tạo áp lực cho cả lõi lò như kiểu lò nước nhẹ [6]

Hình 1.2 Sơ đồ lõi lò CANDU-9

Theo thiết kế CANDU-6, lõi lò được bao bọc hoàn toàn bằng tường bê tông, khoảng không ở giữa được lấp đầy bằng nước nhẹ để làm chất giải nhiệt trong trường hợp tai nạn lò Với CANDU-9, lõi lò được bao quanh bằng một bồn đồng tâm có chứa nước nhẹ [6]

Hình 1.3 Giản đồ mặt cắt ngang của lõi lò CANDU [3]

Ngoài chất làm chậm là nước nặng, chất tải nhiệt trong vòng nước sơ cấp cũng

là nước nặng Nước nặng chảy qua các kênh nhiên liệu với áp suất cao (10MPa) để nước không bị sôi Chất tải nhiệt ở vòng sơ cấp tuần hoàn đi vào lõi lò và thoát ra ở đầu kia của kênh nhiên liệu (nhiệt độ nước đầu vào đạt 260𝑜C và ở đầu ra là 310𝑜C)

Một vòng nước trọn vẹn sẽ đi qua hai ống áp lực nằm liền kề nhau, dòng nước nặng đi qua lõi lò đến một đầu điều hướng để dẫn đến máy sinh hơi Tại đây, nước nặng sẽ truyền nhiệt làm sôi nước nhẹ của vòng thứ cấp trong máy tạo hơi, dòng hơi sinh ra (áp suất ~5MPa) được dẫn đến làm quay turbine phát điện Chất tải nhiệt sau

khi truyền nhiệt cho nước nhẹ sẽ quay trở lại lõi lò, đi qua hướng đối diện của một ống áp lực liền kề, tiếp tục được nhận nhiệt lượng và chảy qua máy tạo hơi thứ hai Phần lớn năng lượng nhiệt sinh ra trong lõi lò được truyền sang chất tải nhiệt ở vòng

sơ cấp, chỉ một lượng nhỏ năng lượng nhiệt thất thoát vào chất làm chậm Lượng nhiệt này được loại bỏ bởi vòng làm mát độc lập dành riêng cho chất làm chậm

1.1.3.2 Nhiên liệu

Nhiên liệu của lò CANDU không cần trải qua quá trình làm giàu vì lò có thể

sử dụng uranium tự nhiên Quặng uranium được khai thác từ các mỏ lộ thiên hoặc dưới lòng đất, sau đó được nghiền ra để tách các thành phần tạp chất, trải qua quá trình oxy hoá để trở thành dạng “bánh vàng” U3O8 Nhiên liệu thô này tiếp tục trải qua một quá trình khác để chuyển thành UO3 và các quá trình hậu kì để có thể đem

ra thị trường [10]

Đối với thị trường uranium làm giàu, UO3 được chuyển sang dạng khí hexaflouride và xuất khẩu Riêng đối với lò CANDU, UO3 tiếp tục qua thêm một quá trình nữa để trở thành UO2 dạng bột đen và được nén lại dưới dạng viên trụ đường kính khoảng 1cm và dài 1cm [10]

Những viên nhiên liệu đó được xếp dọc theo một thân ống hợp kim zircaloy

có chiều dài khoảng 50cm Các ống nhiên liệu được xếp thành bó tròn hàn cố định bằng hai tấm zircaloy ở hai đầu (bó nhiên liệu của lò CANDU-6 có 28 ống nhiên liệu, CANDU-9 có 37 ống) Mỗi kênh nhiên liệu trong lõi lò được lấp đầy bởi 12 bó nhiên liệu xếp nối nhau với tổng chiều dài 6m [10]

Lò phản ứng CANDU có thể trở nên linh động với nhiều phương án nhiên liệu khác nhau và loại nhiên liệu thường sẽ được quyết định trước khi xây dựng lò CANDU có thể sử dụng nhiên liệu trực tiếp từ chất thải của lò phản ứng nước nhẹ (thông qua quá trình DUPIC), vòng nhiên liệu thorium, uranium làm giàu

1.1.3.3 Thay nhiên liệu “on-power”

Một tính năng đặc trưng của lò phản ứng CANDU là khả năng thay nhiên liệu

“on-power”, nghĩa là không phải dừng hoạt động lò nếu cần thay nhiên liệu Việc thay nhiên liệu được thực hiện bằng một hệ thống bao gồm hai chiếc máy hoạt động cùng lúc tại hai đầu của lõi lò Một máy sẽ đẩy các bó nhiên liệu mới vào ống nhiên liệu trong khi chiếc còn lại ở đầu bên kia sẽ nhận lấy các bó nhiên liệu bị đẩy ra sau

đó chuyển chúng đến một khu vực bể chứa ngập nước

Hai máy thay nhiên liệu đều có thể thực hiện chức năng đẩy nhiên liệu mới vào hoặc nhận nhiên liệu cũ bị đẩy ra Vì theo nguyên tắc thay nhiên liệu, nhiên liệu mới phải được đẩy vào theo chiều của dòng nước trong ống áp lực nhưng các ống nằm cạnh nhau lại có chiều nước ngược nhau

1.1.3.4 Nước nặng trong lò CANDU

Ưu điểm chính của việc dùng nước nặng làm chất làm chậm là giúp giảm lượng neutron bị hấp thụ để duy trì phản ứng dây chuyền Điều này nhờ vào đặc điểm tiết diện hấp thụ của nước nặng đối với neutron nhiệt rất nhỏ so với nước thường

Tuy nhiên, vì có khối lượng lớn hơn nước thường nên nước nặng làm chậm neutron không hiệu quả như nước thường Neutron mất ít năng lượng hơn sau mỗi va chạm với nước nặng so với khi va chạm với nước thường, do đó cần nhiều va chạm hơn và neutron cũng phải đi xa hơn để được làm chậm đến mức năng lượng lý tưởng

để gây ra phản ứng phân hạch tiếp theo Chính lý do này đòi hỏi một lượng lớn nước nặng nằm giữa các thanh nhiên liệu, do đó lõi lò CANDU thường phải xây dựng to hơn so với lõi các lò nước nhẹ Ngoài ra, chất làm chậm trong lò CANDU còn có nhiệt độ thấp hơn so với chất làm chậm trong các thiết kế khác, giúp giảm tốc độ của các phần tử chất làm chậm Điều này cũng góp phần giúp cho hầu hết các neutron sinh ra đều được làm chậm để có khả năng tham gia phản ứng khác

Nước nặng còn giúp các phản ứng dây chuyền trong lò có độ ổn định cao hơn Hạt nhân deuterium không những đã có sẵn nhiều hơn một neutron mà còn có xu hướng hấp thụ neutron ít hơn nhiều so với hydro Các nucleon trong deuterium có

năng lượng liên kết thấp (2,2MeV) cho phép một số neutron năng lượng cao và đặc biệt là các tia gamma phá vỡ liên kết để tạo ra thêm nhiều neutron Các tia gamma tạo ra trực tiếp từ phản ứng phân hạch hay từ phân rã của các sản phẩm phân hạch đều đủ năng lượng để phá vỡ liên kết [9]

Mặt khác, với một lượng lớn chất làm chậm, các neutron phân hạch thường được làm chậm trước khi chúng có thể chạm đến thanh nhiên liệu tiếp theo, sẽ mất thời gian hơn để neutron có thể đi từ khu vực này sang khu vực khác của lõi lò Nếu phản ứng dây chuyền gia tăng tại một phần trong lõi lò, sự thay đổi sẽ được lan truyền

ra một cách rất chậm rãi đến các khu vực khác của lõi lò Hiệu ứng chậm giúp kéo dài thời gian cho việc điều khiển trong trường hợp khẩn cấp

Sự độc lập của năng lượng neutron cho dù nhiên liệu được sử dụng là gì cho phép các lò phản ứng CANDU có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau Mỗi

bó nhiên liệu sẽ nằm trong điều kiện môi trường giống nhau và tương tác tạo ra môi trường kéo theo giống nhau, cho dù nhiên liệu là U-235, U-233 hay plutonium

Nhược điểm lớn nhất đó là vòng nước sơ cấp trong thiết kế CANDU có nhiệt

độ đầu ra chưa đủ cao để tạo ra dòng hơi có nhiệt độ và áp lực như ở lò nước nhẹ Do

đó, hiệu năng nhiệt động lực của lò CANDU chỉ vào khoảng 28%-30% cho dù đã áp dụng turbine lớn với thiết kế đặc biệt Để hạn chế những rắc rối này, nhiều thử nghiệm chất tải nhiệt khác đã được nghiên cứu như nước nhẹ hay chất lỏng hữu cơ Chúng đều cho dòng nhiệt ra lớn hơn so với nước nặng tuy nhiên lại có nhược điểm là hấp thụ lượng lớn neutron sinh ra trong lõi lò Nói chung, không có loại chất tải nhiệt nào hiệu quả hơn nước nặng [6]

1.1.3.5 “Giàu neutron”

Một trong những đặc trưng của thiết kế lò CANDU đó là “giàu neutron” Đây

là một trong những yếu tố cần thiết nhất để có thể sử dụng vòng nhiên liệu uranium

tự nhiên Trong một lò phản ứng CANDU thì yếu tố này được gia tăng tối đa bằng cách:

 Sử dụng một lượng lớn chất làm chậm và giữ ở áp suất thấp, nhiệt độ thấp (khoảng 70oC) cho phép làm chậm neutron hiệu quả Nước nặng cũng đóng vai trò là nguồn cung neutron

 Áp dụng các quy tắc nghiêm ngặt nhằm kiểm soát lượng tạp chất trong vật liệu

lò

 Dùng hợp kim zircaloy làm vật liệu chính cho lõi lò nhằm giảm thiểu sự hấp thụ neutron

1.1.3.6 Đặc tính an toàn cao của thiết kế CANDU

Toàn bộ hệ thống lò CANDU được xem là điển hình của một hệ thống lò hạt nhân an toàn Hệ thống dập lò tự động có thể dập lò chỉ trong vòng 2-3 giây mà không chịu sự phụ thuộc hay can thiệp của người điều hành lò Lõi lò còn được thiết kế với nhiều đầu dò và luôn đi kèm 1-2 đầu dò dự phòng cung cấp dữ liệu cho hệ thống dập

lò

Bên cạnh đó, tính an toàn hệ thống của lò CANDU còn nằm trong nhiều yếu

tố khác tạo nên sự khác biệt so với các thiết kế lò phản ứng hạt nhân phổ biến khác Một số tính năng an toàn đặc trưng nhất:

 Sự tách biệt của hai vòng nước sơ cấp, thứ cấp cùng với hàng trăm ống áp lực tách biệt cho phép hạn chế ảnh hưởng trong một phần lõi lò, tránh hiệu ứng kéo theo độ phản ứng nếu xảy ra tai nạn mất chất tải nhiệt (LOCA)

 Hệ thống làm mát sơ cấp độc lập cho phép giữ lại chất làm mát, không cho các sản phẩm phân hạch thoát ra môi trường trong trường hợp rò rỉ nhiên liệu

 Bất kì sự rò rỉ nào trong ống áp lực có thể được phát hiện thông qua các thông

số đo của lớp khí nằm giữa ống áp lực và ống lõi Các ống áp lực bị hư hỏng

có thể được thay thế một cách đơn giản

 Thế tích lớn chất làm chậm dưới áp suất thấp và nhiệt độ thấp bao quanh các ống áp lực cũng đóng vai trò giải nhiệt trong trường hợp xảy ra tai nạn, giảm thiểu nguy cơ lõi lò tan chảy (mặc dù khả năng ngăn chặn thấp nếu xảy ra tai nạn)

 Chất làm chậm cũng tạo ra môi trường áp suất thấp cho các thanh điều khiển, tránh khả năng xảy ra hiện tượng đẩy ngược thanh điều khiển trong một số tai nạn hiếm gặp ở lò áp lực nước nhẹ Thêm vào đó, các thiết bị đo hoạt độ neutron đặt trong môi trường chất làm chậm có thể tránh khỏi sự quá nhiệt hay quá áp như với các lò nước nhẹ

 Động năng neutron trong môi trường nước nặng được làm chậm thành nhiều mức hơn so với sử dụng nước nhẹ, giảm thiểu sự không liên tục giữa các neutron chậm và neutron tức thời giúp việc điều khiển dễ dàng hơn

 Khả năng thay nhiên liệu on-power cho phép việc quản lý phân bố năng lượng

dễ đạt trạng thái cân bằng, việc phân tích độ phản ứng lõi lò cũng trở nên đơn giản hơn

 Trong một số trường hợp tai nạn, hệ thống làm mát khẩn cấp (ECCS) dẫn nước nhẹ thẳng vào các ống áp lực nhằm giải nhiệt đồng thời hấp thụ bớt neutron, ngăn chặn phản ứng dây chuyền

1.1.4 Ưu điểm của lò CANDU

Các lò phản ứng CANDU đặc biệt vì chúng sử dụng nhiên liệu uranium tự nhiên không cần làm giàu Trong một vài loại lò tuỳ biến, có thể sử dụng uranium làm giàu nhẹ, các loại nhiên liệu hỗn hợp hoặc thậm chí thorium CANDU là loại lò

lý tưởng để tận dụng nhiên liệu từ các loại vũ khí hạt nhân được tháo gỡ, giúp giảm thiểu số lượng vũ khí hạt nhân toàn cầu

Lò CANDU có thể được thay nhiên liệu khi đang hoạt động mà không cần phải dừng lò, trong khi các loại lò khác bắt buộc phải dừng hoạt động lò nếu cần thay đổi nhiên liệu Điều này cũng cho phép việc thay thế nhiên liệu diễn ra liên tục để duy trì mức năng lượng tối ưu của lò thay vì phải đợi toàn bộ lõi lò đạt đến mốc tối thiểu mới có thể thay nhiên liệu như ở lò nước nhẹ Đặc biệt, việc không cần phải làm giàu uranium làm cho giá nhiên liệu của lò CANDU giảm

Hệ thống an toàn của các lò phản ứng CANDU trên toàn cầu cũng được đánh giá là thuộc dạng an toàn nhất Hệ thống an toàn được thiết kế tách biệt so với phần

còn lại của nhà máy và mỗi phần trong hệ thống an toàn đều được trang bị từ 2 đến 3 phương án dự phòng Điều này không chỉ cho phép gia tăng tính an toàn của toàn bộ

lò mà còn cho phép việc thử nghiệm hệ thống an toàn diễn ra dễ dàng trong khi lò vẫn hoạt động hết công suất

Việc sử dụng nước nặng với vai trò chất làm chậm và chất tải nhiệt trong đa phần các thiết kế CANDU là một ưu điểm về mặt tính năng và tạo ra đặc trưng lớn nhất của lò CANDU Tuy nhiên, đây cũng là yếu tố gây tốn kém vì đòi hỏi một lượng lớn nước nặng

Điều khiển độ phản ứng của lò CANDU

 Định nghĩa độ phản ứng

Với điều kiện hoạt động bình thường của một lò phản ứng ở mức tới hạn hoặc gần tới hạn thì hệ số nhân neutron k gần bằng 1 Độ lệch của k khỏi giá trị 1 sẽ làm thay đổi công suất của lò Từ đó, công thức hệ số độ lệch của k hay còn gọi là độ phản ứng được cho như sau:

𝜌 = 𝑘−1

𝑘 (1.1) Trong điều kiện thông thường k ở gần giá trị 1 nên công thức (1.1) có thể viết lại dưới dạng:

𝛿𝑘 = k − 1 (1.2)

Vì những thay đổi về độ phản ứng trong điều kiện bình thường là khá nhỏ nên đơn vị thường dùng của k là mili-k, viết tắt mk

 Điều khiển độ phản ứng

Có tổng cộng 6 hệ thống riêng biệt có thể làm thay đổi độ phản ứng lò, 4 trong

số đó thuộc hệ thống điều khiển RRS (Reactor Regulating System), có chức năng điều khiển độ phản ứng ở điều kiện bình thường Hai hệ thống còn lại thuộc hệ thống dập lò SDS (Shutdown System), có chức năng dập lò khẩn cấp nếu xảy ra tai nạn

Bảng 1.2 Các hệ thống điều khiển độ phản ứng lò [7]

Hệ thống

điều khiển Hệ thống trực thuộc

Khả năng thay đổi độ phản ứng Ghi chú

RRS

Điều khiển vùng lỏng ±3 mk Gồm 14 khoang

nước riêng biệt Thanh điều khiển +17 mk 24 thanh/8 nhóm Thanh hấp thụ -9 mk 4 thanh/2 nhóm Chất vô hiệu Tùy trường hợp

SDS

SDS#2 Dập lò hoàn toàn Tiêm chất vô hiệu

áp suất cao

1.2.1 Điều khiển vùng chất lỏng – Liquid Zone Controllers (LZC)

Hệ thống này cung cấp khả năng điều khiển độ phản ứng nhờ vào việc quản

lý các vùng lỏng trong lõi lò Việc điều khiển vùng chất lỏng bù đắp độ phản ứng thiếu hụt gây ra do các giá trị nhiễu loạn nhỏ Hệ thống điều khiển vùng chất lỏng cũng được thiết kế để kiểm soát các vùng phân bố năng lượng trong thể tích lõi

Hình 1.4 Sơ đồ hệ thống quản lý vùng chất lỏng

LZC bao gồm 6 ống chạy xen kẽ giữa các kênh nhiên liệu nằm từ đỉnh đến đáy

lò theo minh họa trên hình 1.4 Mỗi ống thuộc 2 ống trung tâm được chia thành 3 khoang và mỗi ống thuộc 4 ống vùng ngoài được chia thành 2 khoang Các khoang được ngăn cách với nhau và nước nhẹ được đưa vào trong các khoang này nhằm hấp thụ neutron Tổng cộng, có 14 vùng chất lỏng độc lập được điều khiển trong lõi lò Thông qua việc đánh giá độ phản ứng của từng khu vực lõi, lượng nước trong mỗi khoang được điều chỉnh nhờ vào các ống dẫn nhỏ [6]

Hệ thống này được thiết kế với khả năng điều khiển độ phản ứng trong khoảng giá trị ±3mk Khoảng giá trị này đủ để bù vào các nhiễu loạn độ phản ứng sinh ra do quá trình thay nhiên liệu [3]

1.2.2 Thanh hấp thụ - Mechanical Control Absorbers (MCA)

Trong trường hợp cần điều khiển độ phản ứng lớn hơn so với giới hạn của hệ thống LZC, hệ thống thanh điều khiển và thanh hấp thụ sẽ giúp mở rộng giới hạn điều khiển độ phản ứng

Hệ MCA gồm 4 thanh hấp thụ chia làm 2 nhóm với phân bố vị trí trong lõi lò như trong hình 1.5 Hệ này sẽ đảm nhiệm vai trò điều khiển độ phản ứng theo chiều hướng âm Các thanh hấp thụ về mặt vật lý hoàn toàn tương tự như các thanh dập lò nhưng được thiết kế tách biệt với hệ thống thanh dập lò Hệ thanh hấp thụ thường nằm hoàn toàn bên ngoài lõi lò trong điều kiện hoạt động bình thường và được giữ bởi một hệ nam châm điện từ Chúng được nhúng vào lõi trong trường hợp cần phải giảm năng lượng lò một cách nhanh chóng

MCA và LCZ có thể được dùng để giảm công suất lò xuống giá trị rất thấp mà không cần dùng đến hệ thống dập lò khẩn cấp Độ phản ứng âm mà hệ MCA cung cấp có thể bù đắp cho độ phản ứng tăng lên vì giảm nhiệt trong quá trình tắt lò Độ phản ứng âm của hệ này có giới hạn -9mk [3]

Hình 1.5 Phân bố hệ thống điều khiển độ phản ứng qua mặt cắt ngang lõi lò 1.2.3 Thanh điều khiển – Adjuster Rods

Hệ thống thanh điều khiển cho phép mở rộng khả năng điều khiển độ phản ứng của lò theo chiều dương, cao hơn nhiều so với giới hạn điều khiển dương của hệ thống LCZ Hệ thống thanh điều khiển trong CANDU-9 bao gồm 24 thanh làm từ vật liệu hấp thụ neutron “nhẹ” như thép không gỉ hoặc cobalt (CANDU-6 có 21 thanh), phân bố vị trí như hình 1.5 Các thanh điều khiển thường nằm hoàn toàn trong lõi lò trong điều kiện hoạt động bình thường Nếu cần nhiều độ phản ứng dương hơn mức giới hạn của LCZ, các thanh điều khiển được rút ra khỏi lõi lò theo từng nhóm [6]

Các thanh điều khiển trong lò CANDU-9 được chia thành 8 nhóm riêng biệt với số lượng thanh mỗi nhóm không giống nhau và được nhúng vào trong lõi lò ở nhiều vị trí sao cho sự phân bố năng lượng là đồng đều Thậm chí, lượng phân bố chất hấp thụ bên trong thanh điều khiển cũng khác nhau giữa các thanh để đảm bảo cân bằng độ phân bố năng lượng

Có 2 tình huống mà độ phản ứng của lò giảm đến một mức yêu cầu phải rút một số hoặc tất cả thanh điều khiển để lò có thể tiếp tục hoạt động:

 Không thể thay nhiên liệu trong hơn 1 tuần làm cho độ phản ứng lò giảm vượt quá khả năng điều khiển của hệ thống LCZ

 Sự gia tăng tạm thời của Xe135 sau khi sụt giảm năng lượng lò

Giới hạn độ phản ứng của hệ thanh điều khiển là 17mk với lò CANDU-9 và 15mk đối với CANDU-6 Tốc độ thay đổi độ phản ứng khi dịch chuyển một thanh điều khiển ở CANDU-9 và CANDU-6 lần lượt là < 0,7mk/s và < 0,1mk/s [3]

Theo thiết kế, hệ thống thanh điều khiển có thể bù lại độ phản ứng lò trước sự gia tăng của Xe135 diễn ra trong khoảng 30 phút sau khi tắt lò Nó cũng có thể cho phép lò tiếp tục hoạt động trong vòng một tháng nếu không thể tiến hành thay nhiên liệu Tuy nhiên, nếu muốn lò hoạt động ổn định khi đã rút hết tất cả nhóm thanh điều khiển ra khỏi lõi, năng lượng lò phải được giảm xuống để bù lại cho hiệu ứng đạt đỉnh năng lượng gây ra do việc rút thanh điều khiển

1.2.4 Chất vô hiệu – Moderator Poison

Hệ thống tiêm “chất độc” này thường không được dùng trong các trường hợp điều khiển độ phản ứng lò trong thời gian dài Hệ thống này gồm chất độc boron (boric anhydride) được dùng cho lõi lò mới và gadolinium để duy trì trạng thái tắt lò Lợi ích của việc dùng gadolinium là sau khoảng thời gian dừng lò lâu ngày, tỉ lệ đốt cháy của gadolinium trong quá trình tái hoạt động ở công suất tối đa ngang ngửa với

tỉ lệ tăng lên của xenon khi xét về mặt hoạt độ Điều này giúp việc làm sạch chất làm chậm bằng quá trình trao đổi ion là ít cần thiết hơn

Một cách tổng quát, chất vô hiệu được dùng để triệt tiêu độ phản ứng dư thừa khi tất cả nhiên liệu còn quá mới (trong lõi lò ban đầu) hoặc trong quá trình duy trì trạng thái tắt lò, khi mà hoạt độ của Xe135 dưới mức bình thường

Ngoài ra, hệ thống duy trì chất vô hiệu trong suốt quá trình ngừng lò độc lập hoàn toàn với hệ thống bơm chất dập lò SDS#2

1.2.5 Hệ thống dập lò đặc biệt SDS

Lò CANDU được trang bị hai hệ thống dập lò độc lập hoàn toàn và được thiết

kế khác biệt về cơ chế hoạt động Hai hệ thống dập lò này đều tự động, độc lập và không cần đến hệ thống cung cấp năng lượng Mỗi hệ thống này đều có thể độc lập hoạt động để dập lò hoàn toàn chỉ trong 2-3 giây

 SDS#1 – Shutdown Rods

Là 32 thanh dập lò được chia thành 2 nhóm với thành phần chính là cadmium bọc trong vỏ thép, thực hiện nhiệm vụ hấp thụ neutron Mỗi thanh thép này đồng tâm với một xilanh thép to hơn được cố định trong lõi lò [6]

Đường kính tối đa của những thanh này được thiết kế sao cho chúng có thiết

kế chui lọt trong khoảng giữa của các ống áp lực (khoảng 113mm) Thanh dập được giữ hoàn toàn bên ngoài lõi lò bằng hệ nam châm điện từ và được thả vào trong lõi lò nếu nhận được tín hiệu tắt yêu cầu dập lò

Độ phản ứng tương ứng của hệ thống thanh dập lò là -68mk Thiết kế độ phản ứng cao như vậy để trong trường hợp thanh dập có hiệu suất mạnh nhất gặp trục trặc thì tổng độ phản ứng âm của các thanh còn lại vẫn đủ để dừng lò an toàn [3]

 SDS#2 – Liquid Poison Injection System

Cách thứ hai để dập lò đó là tiêm gadolinium (gadolinium nitrate - GdNO3) dưới áp lực cao vào chất làm chậm thông qua 6 ống phun theo chiều ngang Chất dập

lò thường được giữ dưới áp suất cao trong các bồn chứa nằm bên ngoài lõi lò Trong điều kiện cần sử dụng đến SDS#2, các van tốc độ cao được mở ra để chất dập được tiêm trực tiếp vào lõi lò Điều này cho phép chất dập được phân tán nhanh trong toàn

bộ thể tích của lõi lò

Lò phản ứng cải tiến ACR-1000

ACR-1000 là thiết kế chính của thế hệ III+ với nhiều điểm thay đổi so với các thiết kế CANDU trước đó Sự thay đổi chính nằm ở việc sử dụng nước nhẹ làm chất tải nhiệt thay vì nước nặng Việc làm này cho phép thay thế vòng nước sơ cấp, không phải tốn kém nhiều như khi sử dụng nước nặng ở vòng nước này

Thiết kế ACR-1000 chỉ cần lượng nước nặng bằng khoảng 1/3 so với lượng yêu cầu trong các thiết kế CANDU đời đầu Ưu điểm nữa là loại lò này cũng loại bỏ

sự sản sinh của tritium trong vòng nước sơ cấp – điều mà các thế hệ lò CANDU trước đều gặp phải Tuy nhiên, thiết kế này cũng đòi hỏi sử dụng nhiên liệu uranium làm giàu nhẹ (khoảng 1-2%) nhằm gia tăng tỉ số đốt Theo thiết kế ACR, các bó nhiên liệu có thể được khai thác lâu hơn trong lõi lò, lượng chất thải cũng giảm xuống chỉ còn 1/3 so với trước kia Ngoài ra thì các ưu điểm đặc hữu của thiết kế CANDU đều được giữ lại Xét rộng hơn, ACR sở hữu thiết kế cho phép giảm đáng kể vốn và giá thành duy trì hoạt động (chỉ tốn khoảng 60% so với các loại lò nước nặng hiện tại) Vòng đời lên đến 60 năm cho phép giảm giá bán điện xuống hơn nữa so với giá trị khai thác thấp ở các thiết kế CANDU ban đầu Công suất dự kiến ACR đạt 90% nhờ vào dòng hơi áp suất cao hơn, nhiệt ra cao hơn và turbine được cải tiến

Các đặc điểm cải tiến của thế hệ lò ACR-1000 [2]:

 Ống áp lực cải tiến giúp tăng 50% năng lượng lò so với lò CANDU-6 cùng kích thước lõi Cải thiện hiệu năng nhiệt động lực thông qua các turbine áp lực loại mới (13Mpa ở vòng sơ cấp, 7MPa ở đầu hơi ra)

 Chất tải nhiệt là nước nhẹ áp suất cao cũng đóng vai trò chất điều chỉnh độ phản ứng

 Giảm chất thải từ nhiên liệu (hơn 60%)

 Giảm lượng nước nặng cần dùng

 Sử dụng nhiên liệu uranium làm giàu nhẹ (1-2%) để tăng thời gian đốt của nhiên liệu và giảm chất thải

 Năng lượng kênh trung bình đạt 7MW (6MW với CANDU-6)

 Vòng đời của lò lâu hơn (60 năm), thời gian hoạt động giữa những đợt bảo trì lâu hơn (3 năm)

 Nhà chứa cải tiến, được bổ sung và cải thiện hệ thống an toàn thụ động

 Các bó nhiên liệu đơn giản hoá và tiết kiệm chi phí

Mặc dù có rất nhiều cải tiến đem lại ưu điểm vượt trội so với thế hệ thiết kế tiền nhiệm, ACR-1000 vẫn giữ nhiều đặc điểm thiết kế đặc trưng của lò nước nặng CANDU như lõi lò dạng trụ nằm ngang với các ống nhiên liệu áp lực; chất làm chậm nước nặng được giữ ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp, tách biệt với vòng nước sơ cấp, với hệ thống làm mát dự phòng; hai hệ thống dập lò nhanh độc lập; đa dạng trong việc lựa chọn nhiên liệu…

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CANDU-9

COMPACT SIMULATOR Tổng quan phần mềm CANDU-9 Compact Simulator

Phần mềm CANDU-9 Compact Simulator nguyên mẫu được phát triển bởi Viện năng lượng nguyên tử Canada (AECL) dựa trên hiển thị của hệ thống điều khiển thực tế dành cho thế hệ lò CANDU-9 Phần mềm này được dùng cho mục đích phục

vụ nghiên cứu và học tập về điều khiển lò

2.1.1 Khởi chạy phần mềm

 Click chọn biểu tượng CANDU-9 Compact Simulator

 Chọn mức công suất trong danh sách sẵn có sau đó click chuột lên bất kì đâu trên màn hình và chọn OK để bắt đầu chạy mô phỏng

 Người dùng có thể chọn lại mức năng lượng ban đầu bằng cách đóng băng mô phỏng (nút Freeze) sau đó ấn IC để chọn lại mức năng lượng

2.1.2 Mô tả tổng quan màn hình hiển thị của phần mềm

Tất cả các trang tương tác chính của phần mềm mô phỏng đều có hai phần hiển thị thông tin giống nhau ở phía dưới cùng và trên cùng mỗi trang (Hình 2.1) Phía trên màn hình hiển thị có 21 nút cảnh báo để báo hiệu sự thay đổi đáng chú ý của các thông số quan trọng trong hệ thống lò Phía dưới màn hình hiển thị 6 loại thông số chính tổng quát của lò bao gồm:

 Năng lượng neutron - Reactor Neutron Power (%)

 Năng lượng nhiệt - Reactor Thermal Power (%)

 Công suất điện đầu ra - Generator Output (%) / Turbine Power

 Áp suất dòng hơi chính - Main Steam Header Pressure (kPa)

 Mực nước trong máy tạo hơi - Steam Generator Level (m)

 Chế độ hoạt động tổng quát - OUC Mode (‘Normal’ hoặc ‘Alternate’)

Hình 2.1 Các thông tin tổng quan trên giao diện hiển thị của phần mềm

Góc trái trên cùng màn hình cho biết trạng thái của phần mềm mô phỏng Để dừng chế độ Labview, ấn chọn biểu tượng STOP tại góc trái trên cùng Để khởi động lại Labview ấn chọn biểu tượng “⟹” ở bên cạnh

Góc trái dưới màn hình có 2 nút Reactor Trip và Turbine Trip cho phép ngừng hoạt động của lò hoặc turbine

Để bắt đầu mô phỏng ấn “Run” ở góc phải dưới cùng Để dừng mô phỏng ấn

“Freeze” ngay cạnh Bốn nút còn lại ở góc phải lần lượt là Iterate (tính năng mô phỏng lặp), IC (chọn thiết lập ban đầu), Malf (thêm sự cố) và Help (màn hình giúp đỡ)

Các giao diện mô phỏng của phần mềm CANDU-9 Compact Simulator

Phần mềm mô phỏng CANDU-9 Compact Simulator bao gồm 16 trang tương tác và 1 trang đồ thị Tuy nhiên, trong khuôn khổ của đề tài, chúng tôi chỉ giới thiệu một số trang liên quan đến tổng quan lò và hệ thống điều khiển độ phản ứng như sau:

 Trang thông số tổng quan lò (Plant Overview)

 Trang thanh dập lò (Shutdown Rods)

 Trang điều khiển độ phản ứng (Reactivity Control)

 Trang thông số vòng nước sơ cấp (PHT Main Circuit)

 Trang máy phát điện (Turbine Generator)

 Trang chế độ RRS/DPR

 Trang chế độ UPR

 Trang đồ thị

Các trang còn lại được trình bày trong phần Phụ lục D bao gồm:

 Trang dòng nước thêm/thoát (PHT Feed & Bleed)

 Trang điều khiển vòng nước sơ cấp (PHT Inventory Control)

 Trang điều khiển áp suất (PHT Pressure Control)

 Trang điều máy ngưng tụ vòng sơ cấp (Bleed Condenser Control)

 Trang hệ thống bơm nước thứ cấp (Steam Generator Feed Pumps)

 Trang thông số hệ sinh hơi (Steam Generator Level Control)

 Trang trạng thái hệ sinh hơi (Steam Generator Level Trends)

 Trang điều mức hệ sinh hơi (SG Level Manual Control)

 Trang phân bố dòng hơi (Extraction Steam)

2.2.1 Trang thông số tổng quan lò (Plant Overview)

Plant Overview cho biết tổng quan hệ thống với 2 vòng nước chính của lò phản ứng và của hệ phát điện Trang này chỉ hiện thị thông tin tổng quan lò và các biểu đồ liên quan nhưng không cho phép thay đổi giá trị các thành phần của hệ thống (Hình 2.2)

Hình 2.2 Giao diện trang Plant Overview

1) Khu vực lò phản ứng (Reactor) hiển thị các thông số mức nước trung bình trong lõi lò AVE ZN LVL (%), năng lượng neutron PWR (%) và tỉ lệ thay đổi năng lượng PWR RATE (%/s)

2) Vòng tải nhiệt chính ở trang tổng quan được đơn giản hoá với các số liệu nhiệt

độ T (℃) và áp suất P (kPa) của dòng nước ra khỏi lõi lò tại đầu điều hướng

ra ROH và dòng nước vào lõi lò tại đầu điều hướng vào RIH Ngoài ra, vùng này còn hiển thị thông số mực nước L (m) và áp suất P (kPa) máy điều áp PRZR, thông số mực nước L (m) của bồn chứa nước nặng D2O STGE TANK

3) Các máy tạo hơi BO1, BO2, BO3, BO4 hiển thị mực nước L (m) riêng biệt Các thông số áp suất P (kPa), thông lượng dòng chảy F (kg/s) và nhiệt độ T (℃) chỉ hiển thị giá trị trung bình Dòng chảy của hệ tách ẩm và tái tạo nhiệt MSR được hiển thị

4) Tuỳ theo điều kiện dòng hơi, dòng hơi chính có thể đi thẳng vào turbine áp cao (HP TURB) rồi sau đó đến turbine áp thấp (LP TURB) hoặc đi vào hệ máy tách ẩm và tái tạo nhiệt (MSR) rồi đến turbine áp thấp Dòng hơi từ turbine áp thấp sau đó được dẫn đến máy ngưng tụ (CONDENSER) Dòng hơi chính trong trường hợp khẩn cấp cũng có thể được xả ra môi trường qua van ASDV hoặc đi thẳng vào máy ngưng tụ mà không qua hệ phát điện

5) Dòng nước cấp sau khi qua máy khử khí (DEAERATOR) được dẫn trở lại bình sinh hơi Các thông số hiển thị gồm thông lượng dòng chảy F (kg/s) và nhiệt độ T (℃) sau khi qua máy tái tạo nhiệt áp cao HPHX

6) Đồ thị các thông số liên quan theo thời gian: năng nượng lò và năng lượng nhiệt (Reactor Pwr & Thermal Pwr), năng lượng turbine (Turbine Power), mực nước sôi (Boiler Levels), áp suất dòng hơi chính tại đầu ra (Main Stm Hdr Pressure), áp suất máy điều áp và áp suất đầu ra trung bình tại lõi lò (PRZR/ROH Pressure avg), mực nước máy điều áp (PRZR Level & SP)

2.2.2 Trang thanh dập lò (Shutdown Rods)

Hiển thị tình trạng của hệ thống thanh dập lò Shutdown System SDS#1, các thông số ảnh hưởng đến độ phản ứng lò của mỗi thiết bị điều khiển và hiện tượng vật

lý liên quan đến hoạt động lò (Hình 2.3)

Hình 2.3 Giao diện trang Shutdown Rods

1) Vị trí của các thanh dập lò được hiển thị qua phần trăm độ nhúng vào lõi lò của hai cột BANK1 và BANK2 0% tương đương với rút ra hoàn toàn Sau khi được thả vào lõi lò thì chỉ có thể rút từng thanh ra từ từ

2) Trạng thái chức năng dừng lò REACTOR TRIP: xanh – không, đỏ - có Có thể thay đổi trạng thái này ngay tại trang này hoặc tại trang RRS/DPR (kích hoạt chế độ SDS#1 RESET thì RRS mới bắt đầu rút thanh dập lò)

3) Khung REACTOR REACTIVITY CHANGE: hiển thị thông số cho thấy sự thay đổi của từng hệ thống liên quan đến độ phản ứng lò

4) Đồ thị các thông số liên quan theo thời gian: năng lượng lò và năng lượng nhiệt (Reactor Pwr & Thermal Pwr), delta mk hệ điều khiển vùng chất lỏng (Liquid Zone Delta mK), tổng delta mk (Total Delta mK), delta mk hệ thanh hấp thụ (Absorber Rods Delta mK), delta mk xenon (Xenon Delta mK) và delta mk hệ thanh điều khiển (Adjuster Rods Delta mK)

2.2.3 Trang điều khiển độ phản ứng (Reactivity Control)

Hiển thị biểu đồ giới hạn điều khiển (Limit Control Diagram) và trạng thái tổng quát của ba hệ thống điều khiển độ phản ứng dưới chế độ điều khiển RRS

(Hình 2.4)

Hình 2.4 Giao diện trang Reactivity Control

1) Biểu đồ giới hạn điều khiển hỗ trợ việc điều khiển độ phản ứng lõi lò nhờ vào

sự liên kết của 3 hệ thống điều khiển độ phản ứng

2) Hệ thanh hấp thụ bao gồm 2 nhóm và nằm hoàn toàn ngoài lõi lò trong điều kiện hoạt động bình thường