Bao gồm bình sinh hơi, bình điều áp, thiết bị điều khiển – đo đạc, nhiên liệu vàthùng lò được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và được kiểm chứng qua nhiều năm với độ tincậy cao khi v
Trang 1MỤC LỤC
Trang 2DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ACC (Accumulators): Bế tích nước cao áp
ADS (Automatic Depressurization System): Hệ thống giảm áp tự động
DVI (Direct Vessel Injection): Đường dẫn nước trực tiếp vào thùng lò
IRWRT (In-Containment Refueling Water Storage Tank): Bể trữ nước thay đảo nhiên liệu
boong-ke lò
LOCA (Small Loss Of Coolant Accident): Sự cố mất nước làm mát nhỏ
PRHR (Passive Residual Heat Removal): Hệ thống tải nhiệt dư thụ động PXS (Passive core Cooling System): Hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động
PWR (Pressurized Water Reactor): Lò phản ứng nước áp lực
RCS (Reactor Cooling System): Hệ thống làm mát lò phản ứng
TMI-2 (ThreeMiles Island – 2): Tổ máy thứ 2 nhà máy điện hạt nhân Three Miles Island
U.S NRC (United States Nuclear Regulatory Commission): Ủy ban pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ
Trang 3MỞ ĐẦU
Do nhu cầu điện năng tăng cao, năm 2009, Quốc hội đã phê duyệt chủ trương xây dựng hainhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở nước ta, ở Ninh Thuận, theo công nghệ do Liên bang Nga (gọi làNinh Thuận 1) và Nhật Bản (gọi là Ninh Thuận 2) đề xuất Dự kiến công nghệ đề xuất cho NinhThuận 2 có thể là AP1000 Vì vậy, Luận văn này đã chọn một nội dung nghiên cứu liên quan đếnAP1000
AP1000 là lò phản ứng hạt nhân thuộc loại PWR (lò nước áp lực) của Tập đoànWestinghouse Đây là loại lò có nhiều cải tiến theo hướng an toàn thụ động (Advanced Passive) cómức độ an toàn cao AP1000 có bình điều áp với thể tích gần gấp đôi các loại lò cùng công suất
Nhà máy điện hạt nhân là loại hình sử dụng năng lượng với hiệu suất cao, nhưng khi tainạn xảy ra thì thiệt hại vô cùng lớn, nên vấn đề an toàn luôn được đặt lên hàng đầu Bất cứ cải tiếnnào cũng yêu cầu phải có sự chú ý nghiên cứu phù hợp Vì vậy, Luận văn này đề xuất nghiên cứu
về bình điều áp và sự cố bình điều áp có thể xảy ra đối với lò phản ứng AP1000 Sự cố được môphỏng tính toán bằng phần mềm RELAP5 – một phần mềm được sử dụng tương đối phổ cập hiệnnay trong tính toán an toàn nhà máy điện hạt nhân nói chung, cũng như được sử dụng để mô phỏngcác sự cố giả định đối với các bộ phận, hệ thống của nhà máy điện hạt nhân nói riêng
Do vấn đề an toàn của nhà máy điện hạt nhân được xem xét chủ yếu trên cơ sở phân tíchcác sự cố giả định của lò phản ứng hạt nhân Vì vậy, dưới đây, trong luận văn này, tác giả sẽ dùngcụm từ “nhà máy điện hạt nhân AP1000” với cùng ý nghĩa như cụm từ “lò phản ứng hạt nhânAP1000”
Trang 41. CHƯƠNG 1 LÒ PHẢN ỨNG AP1000, BÌNH ĐIỀU ÁP
1.1. Giới thiệu về lò phản ứng AP1000
1.1.1. Giới thiệu chung
Lò phản ứng hạt nhân AP1000 có công suất 1117 MWe, trong luận văn này, tác giả thốngnhất gọi tắt là AP1000 Dựa trên 20 năm nghiên cứu và phát triển, AP1000 được xây dựng và cảitiến dựa trên các công nghệ đã có từ các bộ phận đang được sử dụng trong các thiết kế củaWestinghouse Bao gồm bình sinh hơi, bình điều áp, thiết bị điều khiển – đo đạc, nhiên liệu vàthùng lò được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và được kiểm chứng qua nhiều năm với độ tincậy cao khi vận hành, các thành phần chính của AP1000 được giới thiệu ở Hình 1.1
AP1000 thiết kế hướng tới sự an toàn cao và hiệu suất tối ưu Hệ thống an toàn được thụđộng hóa bằng việc sử dụng các lực tự nhiên: Áp suất, trọng lực và đối lưu Bên cạnh đó các tácđộng điều hành phức tạp để điều khiển sự an toàn được giảm thiểu
Vùng hoạt AP1000 bao gồm 157 bó nhiên liệu, chiều dài 4.3 m, sắp xếp theo mảng 17×17.Vùng hoạt AP1000 gồm ba lớp xuyên tâm có độ giàu khác nhau; độ giàu của nhiên liệu theo dải từ2.35 đến 4,8% Thiết kế một chu kỳ nhiên liệu của vùng hoạt là 18 tháng với yếu tố công suất là93%, tốc độ trung bình lớp phát ra cao cỡ 60000 MWD/t, các thông số chính của AP1000 Bảng1.1
Bảng 1.1 Các thông số chính của lò AP1000
Áp suất vận hành lò phản ứng, MPa 15.5
Chiều dài hoạt động thanh nhiên liệu, m (ft) 4.3 (14)
Lưu lượng nhiệt thùng lò 10m3/h(103gpm) 68,1 (300)
Diện tích bề mặt máy tạo hơi nước, m2(Ft2) 11.600 (125.000)
Thể tích bình điều áp, m 3 (Ft 3) 59,5 (2100)
Trang 5Hình 1.1 Nhà máy điện hạt nhân AP1000
1.1.2. Hệ thống tải nhiệt
Hệ thống tải nhiệt AP1000 bao gồm hai hệ thống đơn, mỗi hệ thống đơn có một chân nóng
và hai chân lạnh, bình sinh hơi, hai máy hơm nước đặt ở chân lạnh của bình sinh hơi và chỉ mộtbình điều áp cho cả hai hệ thống đơn
Hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động PXS (Passive Core Cooling System) đảm bảo quátrình làm mát vùng hoạt khi xảy ra những sự cố PXS tải nhiệt dư từ vùng hoạt, bơm nước cấp cứu
và giảm áp suất mà không cần dùng một thiết bị tác động nào như máy bơm hay nguồn điện PXSdùng 3 nguồn nước để làm mát vùng hoạt là bể bù nước vùng hoạt CMT (Core Make-up Tank), bểtích nước cao áp ACC (Accumulators) và bể tích nước thay đảo nhiên liệu IRWST (In-containmentRefueling Water Storage Tank)
Hệ thống CMT thay thế hệ thống phun an toàn áp suất cao HPSI (High Pressure SafetyInjection) của những loại lò phản ứng hạt nhân PWR thông thường CMT cung cấp nước trộn vớiaxit boric dưới áp suất cao và dẫn dung dịch axitboric theo hai đường song song CMT được thiết
kế để hoạt động dưới mọi áp suất của hệ thống sơ cấp nhờ sự tác động của trọng lực do được đặtcao hơn những đường ống của hệ thống làm mát lò phản ứng RCS Một đường điều chỉnh áp suất
Trang 6nối chân lạnh với đỉnh của CMT và đường ống ra kết nối phần dưới của CMT qua đường dẫn nướctrực tiếp vào thùng lò DVI (Direct Vessel Injection)
ACC của AP1000 giống như ACC của những lò phản ứng hạt nhân PWR thông thường.ACC có dạng hình cầu chứa ¾ nước lạnh có axit boric và chịu áp suất nén bởi khí nitơ Đường ống
ra của ACC được kết nối với hệ thống DVI Một cặp van kiểm tra (check valves) ngăn chặn nướctrong ACC khi vận hành bình thường Khi áp suất giảm xuống dưới áp suất của ACC (cộng với ápsuất của van kiểm tra), nước sẽ được đưa vào phần dưới của vùng hoạt - downcomer qua DVI
Hình 1.2 Hệ thống làm mát lò phản ứng AP1000
PXS còn có hệ thống tải nhiệt dư thụ động PRHR (Passive Residual Heat Removal), đượcthiết kế để tải nhiệt dư của RCS trong quá trình sự cố PRHR nằm trong IRWST ở chiều cao trênvùng hoạt Đường ống dẫn vào của PRHR được kết nối với một chân nóng trong khi đó đường ống
ra được kết nối với đầu ra của một trong hai bình sinh hơi Đường ống vào được mở với áp suấtnhư của RCS, đường ống ra thường bị đóng bởi hai van cô lập song song để thỏa mãi tiêu chí “saihỏng đơn” Trong quá trình vận hành bình thường, nước trong đường ống của PRHR cân bằng vớiIRWST Khi tín hiệu bơm an toàn SI (Safety Injection) được kích hoạt sau một sự cố, những van cô
Trang 7lập trên sẽ mở và do đó nhiệt dư của RCS sẽ được truyền đi theo cơ chế đối lưu tự nhiên Để giatăng sự đối lưu tự nhiên, máy bơm sẽ bị ngắt khi tín hiệu SI khởi động.
Hệ thống nước làm mát thụ động boong-ke lò PCS (Passive Containment System), tải nhiệtđối lưu tự nhiên qua bể tích nước làm mát boong-ke lò thụ động PCCWST (Passive ContainmentCooling Water Storage Tank) bằng trọng lực Nó tải nhiệt qua hệ thống bồn nhiệt cuối cùng UHS(Ultimate Heat Sink) trong trường hợp áp suất của boong-ke lò gia tăng quá cao
1.2. Bình điều áp lò phản ứng AP000
1.2.1. Cấu tạo bình điều áp
Bình điều áp của lò phản ứng AP1000 là bộ phận chính của hệ thống kiểm soát áp suất chấtlàm mát lò phản ứng Bình điều áp là một thùng hình trụ đứng có đầu trên và đầu dưới hình báncầu Trong vận hành bình thường, nước chiếm khoảng một nửa dung tích bình điều áp Phần nướcnày được đun nóng đến nhiệt độ bão hòa bằng bộ gia nhiệt trong suốt quá trình vận hành bìnhthường Nước và hơi nước trong bình duy trì ở điều kiện bão hòa cân bằng
Hình 1.3 Bình điều áp lò AP1000
Một đầu phun giảm áp, 2 đầu ra van an toàn và van giảm áp được đặt ở đầu trên, bộ gia nhiệtdùng điện được bố trí ở đầu dưới và có thể tháo rời để thay thế Đầu dưới bao gồm một vòi gắn vớiđường nối bình điều áp với chân nóng Trong quá trình co và giãn nở nhiệt hệ thống chất làm mát,
Trang 8dòng chất làm mát đi vào và đi ra khỏi bình điều áp thông qua đường nối này Cấu tạo bình điều áp
lò phản ứng AP1000 được thể hiện qua Hình 1.5
1.2.2. Van an toàn của bình điều áp
Hai van an toàn của bình điều áp là loại van tự dẫn động, tải lò xo có chức năng giảm áp.Các van này được đặt ở nắp bình điều áp Khi áp suất hệ thống vượt quá áp suất phát động của cácvan này, thì áp suất sẽ được xả vào boong-ke lò Áp suất phát động của van là 17,23 MPa Áp suấtphát động và khả năng kết hợp của chúng được thiết lập dựa trên nguyên tắc áp suất hệ thống chấtlàm mát lò phản ứng không được vượt quá giới hạn áp suất tối đa trong điều kiện vận hành mức B -mất tải nhất thời (110% của 17,23MPa)
Hình 1.4 Hệ thống giảm áp thụ động trong lò phản ứng AP1000
Kích thước van an toàn của bình điều áp được thiết kế dựa trên phân tích sự cố mất toàn bộdòng hơi nước đến tua-bin khi lò phản ứng đang vận hành ở công suất 102% Tốc độ xả của vanđược yêu cầu ít nhất là bằng tốc độ dòng lớn nhất từ đường ống nối bình điều áp với chân nóng vàobình điều áp trong suốt quá trình chuyển tiếp sự cố này
1.2.3. Hệ thống van giảm áp tự động ADS
Một số chức năng của hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động của lò AP1000 được thiết kếdựa trên việc giảm áp của hệ thống chất làm mát lò phản ứng Chức năng này được thực hiện nhờcác van giảm áp thụ động ADS (Automatic Depressurization System) Các van giảm áp tự động
Trang 9gắn với bình điều áp được sắp xếp thành 6 bộ song song, mỗi bộ gồm 2 van nối tiếp mở theo 3 giaiđoạn Khi áp suất hệ thống vượt quá áp suất phát động của các van này, thì hơi nước sẽ được xảvào bể chứa trữ nước tiếp nhiên liệu trong boong-ke lò IRWRT (In-Containment Refueling WaterStorage Tank) Ngoài ra, một bộ van giảm áp tự động giai đoạn thứ 4 được nối với mỗi chân nóngcủa lò phản ứng Mỗi bộ gồm 2 nhánh song song, mỗi nhánh gồm 2 van đặt nối tiếp nhau Hơinước được xả từ các van này trực tiếp ra boong-ke lò.
Bảng 1.2 Các thông số thiết kế của bình điều áp
Bình điều áp
Đường kính đường nối bình điều áp với chân nóng (in) 18
Chiều dày thành đường nối bình điều áp với chân nóng (in) 1,78
Áp suất van phun giảm áp (bắt đầu mở, MPa) 15,68
Áp suất van phun giảm áp (mở hoàn toàn, MPa) 16,03
Bảng 1.3 Các thông số thiết kế của van an toàn của bình điều áp
Khả năng xả yêu cầu tối thiểu cho mỗi van (lb/h) 750.000
2. CHƯƠNG 2 CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THỦY NHIỆT RELAP5
2.1. Giới thiệu về chương trình RELAP5
RELAP5 (Reactor Excursion and Leak Analysis Program) là phần mềm tính toán thủynhiệt lò phản ứng, cho phép chúng ta phân tích an toàn, thiết kế lò phản ứng hoặc mô phỏng các sự
Trang 10cố trong trạng thái dừng và chuyển tiếp của hệ thống làm mát và vùng hoạt lò phản ứng RELAP5được phát triển và chỉnh sửa tại phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ Idaho Nationl EngineeringLaboratory (INEEL) Tới phiên bản RELAP5/Mod3 được phát triển cùng Ủy ban quy chế nănglượng nguyên tử Hoa Kỳ - U.S Nuclear Regulatory Commission (U.S NRC) và một vài thành viêncủa ICAP (International Code Assessment and Application Program) Phiên bản RELAP5/Mod3được dùng phân tích trong Luận văn này ra đời vào những năm 90 của thế kỷ trước.
RELAP5 tạo nên từ hệ sáu phương trình cơ bản là phương trình bảo toàn khối lượng, độnglượng và năng lượng cho hai pha nước và hơi/khí trong hệ thống không cân bằng Trong trườnghợp cụ thể, kết hợp với điều kiện biên các phương trình cơ bản được thiết kế để giải quyết các biến
số phụ thuộc, trong đó có áp suất (P), nội năng theo pha (Ug, Uf), tỷ lệ khối lượng pha (αg, αf), vậntốc dòng các pha (Vg, Vf), chất lượng hơi (Xn) và nồng độ Boron (ρb)
2.2.Cấu trúc của chương trình RELAP5
2.2.1. Cấu trúc của chương trình
Chương trình RELAP5 có cấu trúc “trên – xuống” và được tổ chức theo dạng mô-đun thểhiện trong Hình 2.1
Hình 2.5 Cấu trúc chương trình RELAP5
Cấu trúc chương trình ở mức cao nhất được chia thành 3 khối:
+ INPUT: Có nhiệm vụ đọc file Input,kiểm tra và xử lý dữ liệu nhập vào (New, Restart,Initialization…)
Trang 11+ STRIP: Trích dữ liệu từ tệp RESTART.
+ TRNCTL: Có nhiệm vụ lựa chọn giải bài toán thủy nhiệt ở chuyển tiếp hay trạng tháidừng
2.2.2. Cấu trúc tệp dữ liệu đầu vào
Tệp dữ liệu đầu vào của RELAP5 mô tả toàn bộ các thuộc tính của hệ thống thủy nhiệt cầntính toán Do đó, trước khi viết tệp dữ liệu đầu vào cần thu thập toàn bộ số liệu và hệ thống thủynhiệt như: vật liệu trông cấu trúc nhiệt,hệ số dẫn nhiệt của cấu trúc nhiệt,tiết diện dòng chảy củaống dẫn nước, tốc độ bơm của bơm, chi tiết về vùng hoạt…Các thẻ trong tệp dữ liệu đầu vào củaRELAP5 được tóm tắt trong Bảng 2.1
Bảng 2.4 Định dạng thẻ trong RELAP5
1 – 199 Dữ liệu mô tả bài toán
200 – 299 Điều khiển bước thời gian
1001 – 1999 Yêu cầu đóng/ ngắt hoặc so sánh tập tin kết xuất
CCCXXNN Dữ liệu cấu trúc thủy động
1CCCGXNN Dữ liệu cấu trúc nhiệt
Trang 122.3.Dữ liệu đầu vào của bình điều áp
2.3.1. Mô hình hóa bình điều áp của lò phản ứng AP1000
Hình 2.6 Mô hình hóa bình điều áp của lò phản ứng AP1000
Các bộ phận của bình điều áp lò phản ứng AP1000 được mô hình hóa thành các phần nhưtrong Hình 2.2 và được mô phỏng bằng RELAP như trong Hình 2.3:
P501 – Đường nối bình điều áp với chân nóng;
SJ502 – Nút giữa bình điều áp với đường nối bình điều áp với chân nóng;
P503 – Bình điều áp, được mô phỏng bằng một mô-đun dạng ống;
V540 – Van an toàn của bình điều áp;
TV541 – Bể chứa nước sau van an toàn của bình điều áp;
V550, V551, V552 – Các van giảm áp tự động giai đoạn 1, 2 và 3 của bình điều áp;
TV553, TV554, TV555 – Bể chứa nước sau van xả an toàn của bình điều áp;
V511 – Van của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp;
TV510 – Đường ống của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp;
Trang 13 SJ509 – Nút giữa đường ống của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp với chânlạnh;
Hình 2.7 Sơ đồ nút hóa bình điều áp trong REALAP5
101 – Chân nóng gắn với bình điều áp, được mô phỏng bằng một mô-đun dạng đơnkhối phụ thuộc thời gian;
500 – Nút giữa chân nóng và đường nối bình điều áp với chân nóng, được mô phỏngbằng một mô-đun dạng nút đơn phụ thuộc thời gian;
501 – Đường nối bình điều áp với chân nóng, được mô phỏng bằng một mô-đun dạngống;
502 – Nút giữa bình điều áp với đường nối bình điều áp với chân nóng, được môphỏng bằng một mô-đun dạng nút đơn;
503 – Bình điều áp, được mô phỏng bằng một mô-đun dạng ống Đoạn bình hình trụchứa nước được chia thành 6 đoạn có chiều cao như nhau và đoạn bình hình trụ chứahơi nước được chia thành 7 đoạn có chiều cao như nhau;
540 - Van an toàn của bình điều áp, được mô phỏng bằng một mô-đun dạng van điềukhiển;
Trang 14 541 - Bể chứa nước sau van an toàn của bình điều áp, được mô phỏng bằng một đun dạng đơn khối phụ thuộc thời gian;
mô- 550, 551, 552 – Các van giảm áp tự động giai đoạn 1, 2 và 3 của bình điều áp, được
mô phỏng bằng các mô-đun dạng van mô-tơ;
553, 554, 555 – Bể chứa nước sau van xả an toàn của bình điều áp, được mô phỏngbằng một mô-đun dạng đơn khối phụ thuộc thời gian;
511 – Van của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp, được mô phỏng bằng một đun dạng van điều khiển;
mô- 510 – Đường ống của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp, được mô phỏng bằngmột mô-đun dạng ống;
509 – Nút giữa đường ống của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp với chân lạnh,được mô phỏng bằng một mô-đun dạng nút đơn;
141 – Chân lạnh (cấp nước cho hệ thống phun giảm áp), được mô phỏng bằng mộtmô-đun dạng đơn khối phụ thuộc thời gian
Để mô phỏng bình điều áp, chia bình thành 3 phần: đáy bình (phần hình chỏm cầu cụt ở đáybình), thân bình (phần bình hình trụ) và nắp bình (phần hình chỏm cầu ở đỉnh bình) Đáy bình vànắp bình sẽ được quy đổi sang hình trụ với cùng độ cao, các thông số thu nhập và quy đổi được cho
Giá trị thu
Chiều cao 607 in H = 607 inch = 15,4178 m 15,4178 mĐường kính trong 90 in Di = 90 inch = 2,286 m 2,286 mTiết diện S = Di2 x π /4 = 4,1022 m2 4,1022 m2
