Phân tích các đặc trưng của thanh nhiên liệu sử dụng trong lòphản ứng hạt nhân VVER AES 2006

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 V

Trang 1

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

Hà Nội - 2015

Trang 2

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

Hà Nội - 2015

Trang 3

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

Trang 4

MỤC LỤC DANH MỤC THUẬT NGỮ 4

DANH MỤC BẢNG BIỂU 5

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

MỞ ĐẦU Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 1 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-AES2006Error! Bookmark not defined

1.1 Quá trình phát triển công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVERError! Bookmark not defined

1.2 Đặc điểm lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 2 ĐẶC TRƯNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂNError! Bookmark not defined

2.1 Đặc điểm thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhânError! Bookmark not defined

2.2 Đặc trưng bức xạ đối với thanh nhiên liệu Error! Bookmark not defined

2.3 Đặc trưng cơ nhiệt đối với thanh nhiên liệu Error! Bookmark not defined

2.3.1 Sự phân bố nhiệt độ trong thanh nhiên liệu Error! Bookmark not

defined

2.3.2 Sự thay đổi cấu trúc viên gốm nhiên liệu Error! Bookmark not defined

2.3.3 Quá trình mỏi và rão hóa vật liệu Error! Bookmark not defined

2.4 Đặc trưng thủy nhiệt động đối với thanh nhiên liệuError! Bookmark not defined

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

Bookmark not defined

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

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

2.5 Đặc trưng quá trình oxy hóa và hydro hóa đối với thanh nhiên liệuError! Bookmark not defined

2.5.1 Quá trình oxy hóa Error! Bookmark not defined

2.5.2 Quá trình hydro hóa Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 3 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIÊN LIỆU FRAPCON-3.5Error! Bookmark not defined

3.1 Tổng quan chương trình FRAPCON-3.5 Error! Bookmark not defined

Trang 5

3.1.1 Mục tiêu tính toán của chương trình FRAPCON-3.5 Error! Bookmark

not defined

3.1.2 Các giới hạn của chương trình FRAPCON-3.5 Error! Bookmark not

defined

3.2 Cấu trúc và phương pháp tính toán của code FRAPCON-3.5Error! Bookmark not defined

3.2.1 Cấu trúc của code Error! Bookmark not defined

3.2.2 Lưu đồ tính toán của code Error! Bookmark not defined

3.2.3 Cấu trúc input đầu vào Error! Bookmark not defined

3.3 Mô hình chính của code FRAPCON-3.5 Error! Bookmark not defined

3.3.1 Mô hình nhiệt động Error! Bookmark not defined

3.3.2 Mô hình cơ học Error! Bookmark not defined

3.3.3 Mô hình phát tán khí phân hạch Error! Bookmark not defined

3.3.4 Mô hình oxy hóa và hydro hóa Error! Bookmark not defined

CHƯƠNG 4 PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG THANH NHIÊN LIỆU TVS-2006Error! Bookmark not defined

4.1 Đặc điểm thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006Error! Bookmark not defined

4.2 Tiêu chuẩn chấp nhận sử dụng trong phân tíchError! Bookmark not defined

4.2.1 Tiêu chuẩn về độ bền Error! Bookmark not defined

4.2.2 Tiêu chuẩn về độ biến dạng Error! Bookmark not defined

4.2.3 Tiêu chuẩn về nhiệt - vật lý Error! Bookmark not defined

4.2.4 Tiêu chuẩn về ăn mòn Error! Bookmark not defined

4.3 Phương pháp phân tích và mô hình hóa Error! Bookmark not defined

4.3.1 Phương pháp phân tích Error! Bookmark not defined

4.3.2 Mô hình hóa thanh nhiên liệu TVS-2006 Error! Bookmark not defined

4.4 Đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 Error! Bookmark not defined

4.4.1 Kết quả tính toán cơ - nhiệt Error! Bookmark not defined

4.4.2 Kết quả tính toán độ bền Error! Bookmark not defined

4.4.3 Kết quả tính toán biến dạng hình học Error! Bookmark not defined

4.4.4 Kết quả tính toán về quá trình oxy hóa và hydro hóa Error! Bookmark

not defined

Trang 6

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Error! Bookmark not defined TÀI LIỆU THAM KHẢO 8 PHỤ LỤC Error! Bookmark not defined

Trang 7

DANH MỤC THUẬT NGỮ

Agency

Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế

VVER

(WWER)

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

Lò phản ứng hạt nhân nước áp lực kiểu Nga

Trang 8

DANH MỤC BẢNG BIỂU

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

Bảng 1 2 Các thông số chính của vùng hoạt VVER-AES2006 Error! Bookmark

not defined

Bảng 3 1 Các khối chính của code FRAPCON-3.5 Error! Bookmark not defined

Bảng 4 1 Các thông số thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 Error! Bookmark not

defined

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

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

Bảng 4 4 Các kết quả tính toán độ bền thanh nhiên liệu Error! Bookmark not

defined

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

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

Trang 9

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Các thế hệ phát triển lò phản ứng hạt nhân VVERError! Bookmark not

defined

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

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

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

Error! Bookmark not defined

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

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

Error! Bookmark not defined Hình 2 4 Các khuyết tật trong mạng lưới làm thay đổi tính chất vật liệu Error!

Hình 2 5 Phân bố nhiệt độ giữa nhiên liệu và chất làm mátError! Bookmark not

defined

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

Error! Bookmark not defined Hình 2 8 Ảnh hưởng của nhiên liệu tới vỏ bọc E110RXA tại các giai đoạn Error!

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

defined

Trang 10

Hình 2 11 Thông lượng nhiệt tới hạn đối với lò PWR và BWRError! Bookmark

not defined

Hình 2 12 Hư hỏng do cọ xát giữa vỏ bọc và lưới định vịError! Bookmark not

defined

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

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

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

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

not defined

Hình 2 18 Giản đồ pha Zr-O Error! Bookmark not defined

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

nhau Error! Bookmark not defined

not defined

Hình 2 21 Ăn mòn tạo lớp đồng nhất sau 1 và 3 chu kỳError! Bookmark not

defined

Hình 2 22 Cơ chế ăn mòn dạng hạch Error! Bookmark not defined

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 Error! Bookmark not defined Hình 2 24 Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của Zircaloy-2 Error!

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

Trang 11

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

nhiệt độ phòng Error! Bookmark not defined

Hình 2 27 Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của vật liệu Zry-4 SRA và

Hình 2 28 Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của vật liệu Zry-4 SRA và

Hình 2 29 Ảnh hưởng của hàm lượng hydro và sự chiếu xạ tới độ dẻo của vật liệu

Hình 3 1 Lưu đồ tính toán của code FRAPCON-3.5 Error! Bookmark not

defined

Hình 3 2 Lưu đồ gọi các thủ tục con của code FRAPCON-3.5 Error! Bookmark

not defined

Hình 3 3 Phân bố nhiệt độ thanh nhiên liệu hạt nhân Error! Bookmark not

defined

Hình 3 4 Lưu đồ tính toán nhiệt độ nhiên liệu và vỏ bọc Error! Bookmark not

defined

Hình 3 5 Phân bố điểm lưới sai phân Error! Bookmark not defined Hình 3 6 Lưu đồ tính toán biến dạng đàn hồi Error! Bookmark not defined

Hình 4 1 Thanh nhiên liệu hạt nhân TVS-2006 Error! Bookmark not defined Hình 4 2 Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính của thanh nhiên liệu TVS-2006 Error!

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

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

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

Trang 12

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

Error! Bookmark not defined Hình 4 7 Lưới nhiệt độ trung bình của thanh nhiên liệu Error! Bookmark not

defined

Hình 4 8 Tỷ lệ phát tán khí phân hạch của thanh nhiên liệu Error! Bookmark not

defined

Hình 4 9 Tỷ lệ phát tán khí phân hạch theo trục thanh nhiên liệu Error! Bookmark

not defined

Hình 4 10 Áp suất khí bên trong thanh nhiên liệu Error! Bookmark not defined Hình 4 11 Độ cháy trung bình của thanh nhiên liệu trong 4 chu kỳ vận hành Error!

Hình 4 12 Độ cháy theo chiều dọc thanh nhiên liệu Error! Bookmark not

defined

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

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

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

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

Error! Bookmark not defined Hình 4 17 Biến dạng đàn hồi hướng trục theo trục thanh nhiên liệu Error!

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

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

Hình 4 20 Tốc độ rão của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu Error! Bookmark not

defined

Trang 13

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

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

Hình 4 23 Hàm lượng hydro tích lũy trong vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệuError!

Trang 14

12

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 A Altshuller (2009), NPP-2006 with reactor VVER-1200/491, Saint Petersburg

Institute, Rusia

2 Charles Patterson, Friedrich Garzarolli, Ron Adamson (2010), Processes going

on in nonfailed Rod during Normal Operation, A.N.T International, Sweden

3 Geelhood K.J., W.G Luscher and C.E Beyer (2014), FRAPCON-3.5: A

Computer Code for the Calculation of Steady-State, Thermal-Mechanical Behaviour of Oxide Fuel Rods for High Burn-up, NUREG/CR-7022, Vol.1, US

NRC, USA

4 Geelhood K.J., W.G Luscher and C.E Beyer (2014), FRAPCON-3.5: Integral

Assessment, NUREG/CR-7022, Vol.2, US NRC, USA

5 Geelhood K.J., W.G Luscher and J.M Cuta (2014), FRAPTRAN-1.5: A

Computer Code for the Transient Analysis of Oxide Fuel Rods, NUREG/CR-7023,

Vol.1, US NRC, USA

6 Geelhood K.J and W.G Luscher (2014), FRAPTRAN-1.5: Integral Assessment,

NUREG/CR-7023, Vol.2, US NRC, USA

7 H Bailly, D Menessier and C Prunier (1996), Le combustible nucléaire des

réacteurs à eau sous pression et des réacteurs à nơtrons rapides: Conception et Comportement, CEA EYROLLES, Paris, France

8 IAEA (2007), Computational Analysis of the Behaviour of Nuclear Fuel Under

Steady State, Transient and Accident Conditions, IAEA-TECDOC-1578, Vienna

9 Jacopo Buongiorno (2010), “PWR Description”, MIT OpenCourseWare, USA

10 Jinzhao Zhang (2013), “Simulation of fuel behaviors under LOCA and RIA

using FRAPTRAN code and uncertainty analysis with DAKOTA”, IAEA Technical

Meeting on Modeling of Water-Cooled Fuel Including Design Basis and Severe Accidents, China

Trang 15

13

11 K.L Murty (2013), Materials Ageing and Degradation in Light Water Reactors,

Mechanisms and Management, Woodhead Publishing Limited, USA

12 Kopytov I.I., S.B.Ryzhov, Yu.M Semchenkov et al (2009), Prelimary safety

analysis report Novovoronezh NPP-2 Power Unit 1, Rusia

13 Massoud T Simnad (2002), Nuclear Reactor Materials and Fuels, University of

California, San Diego

14 Molchanov V.L (2009), Nuclear fuel VVER reactors Actual state and trends,

Russia

15 Nuclear engineering international (2004), Fuel review: Design data, USA

16 Olander D.R (1975), Fundamental aspects of nuclear reactor elements, USA

17 ROSATOM (2011), Concept Solutions by the example of Leningrad NPP-2,

Design AES-2006, Rusia

18 ROSATOM (2009), The AES-2006 reactor plant, a strategic choice, Rusia

19 Todd Allen (2012), Nuclear fuel performance, University of Wisconsin, USA

20 Todreas N.E & al (1990), Nuclear systems: Thermal hydraulic fundamentals,

Hemisphere pushing corporation

21 TVEL (2011), Nuclear fuel for VVER reactors, fuel company of Rosatom,

Russia

22 Vitaly Ermolaev (2009), “Introduction to the AES-2006 NPP design based on

VVER (PWR) technology”, AES-2006 Intended for Loviisa3, Rusia

23 X.A Andrushenko, A.M Aphrov, B.IU Vaciliev, V.N Genheralov, K.B

Koxounov, IU.M Shemchenkov, V.Ph Ukraixev (2010), NPP with VVER-1000

reactor types, Moskva, Rusia

24 Yegorova L., G.Abyshov et al (1999), Data Base on the Behavior of High

Burn-up Fuel Rods with Zr-1%Nb Cladding and UO2 Fuel (VVER Type) under Reactivity Accident Conditions, NUREG/IA-0156, Vol.3, US NRC, USA

Định dạng
Số trang	16
Dung lượng	307,99 KB