Nghiên cứu hiện tượng thủy nhiệt lò phản ứng VVER 1000 trong một số điều kiện chuyển tiếp và sự cố

Với những lý do trên, nội dung của luận văn này sẽ thực hiện ‘Nghiên cứu hiện tượng thủy nhiệt lò phản ứng VVER-1000 trong một số điều kiện chuyển tiếp và sự cố’ bằng các chương trình

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc tới TS Hoàng Thị Kim Dung – Giảng viên Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tận tình giúp đỡ và chỉ bảo tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn này

Tôi cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các Thầy, Cô giáo trong Viện Cơ khí Động lực đã giảng dạy tận tình cho chúng tôi trong suốt thời gian học tập tại trường

Tôi xin gửi lời cảm ơn tối các Thầy, Cô giáo trong hội đồng đã đọc và nhận xét giúp tôi hoàn thiện nội dung của luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn

LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn thạc sỹ khoa học: Nghiên cứu hiện tượng thủy nhiệt lò phản

ứng VVER-1000 trong một số điều kiện chuyển tiếp và sự cố, cụ thể là “Mô phỏng

và phân tích hiện tượng thủy nhiệt trong lò phản ứng VVER-1000 bằng chương trình RELAP5 và COBRA-EN” được hoàn thành tại Bộ môn Kỹ thuật Hàng không

và Vũ trụ, Viện Cơ khí Động lực, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các kết quả, số liệu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình khác

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

MỤC LỤC

Chương 1 Tổng quan về hệ thống công nghệ lò phản ứng VVER-1000 10

I Giới thiệu chương trình tính toán RELAP5 và COBRA-EN 31

1 Sơ đồ node hóa hệ thống tải nhiệt lò phản ứng VVER-1000 32

2 Xây dựng kịch bản sự cố suy giảm dòng chất tải nhiệt (LOFA) 32

2 Điều kiện chuyển tiếp suy giảm dòng chảy (LOFA) 37

Chương 3 Tính toán và phân tích kết quả 38

Phụ lục 1 Mô hình truyền nhiệt trong chương trình RELAP5 57 Phụ lục 2 Mô hình truyền nhiệt trong chương trình COBRA-EN 78

DANH MỤC CÁC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 1.4 Thông số kỹ thuật của bình sinh hơi PGV-1000MK dưới điều

kiện vận hành thường

22

Bảng 1.5 Kích thước hình học của bình sinh hơi PGV-1000MK 27

Bảng 3.1 Các thông số tại trạng thái hoạt động dừng của nhà máy 38 Bảng3.2 Các giá trị chuyển tiếp trong kịch bản sự cố LOFA 50 Bảng 3.3 Giá trị của một vài thông số thủy nhiệt trong tính toán

COBRA-EN

51

Bảng 3.4 So sánh giá trị cực đại của các thông số thủy nhiệt với giá trị

tiêu chuẩn cho phép đối với sự cố mất toàn bộ điện lưới

53

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Bố trí các thiết bị chính trong hệ thống tải nhiệt 12 Hình 1.2 Bố trí các thiết bị trong hệ thống làm mát lò phản ứng 14 Hình 1.3 Bố trí các thiết bị trong hệ thống làm mát lò phản ứng trong sơ

Hình 1.6 Mặt cắt ngang vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 16

Hình 2.2 Sơ đồ node hóa hệ thống tải nhiệt lò phản ứng VVER-1000

trong chương trình RELAP5

34

Hình 2.3 Hệ số đỉnh công suất của mỗi bó nhiên liệu trong 1/6 vùng hoạt 35 Hình 2.4 Số hiệu của các đơn kênh trong mô hình tính toán 36

Hình 3.4 Nhiệt độ chất tải nhiệt tại lối vào và lối ra vùng hoạt 42

Hình 3.6 So sánh đường giảm tốc của bơm tải nhiệt chính giữa thiết kế và

tính toán

44

Hình 3.10 So sánh nhiệt độ trung bình tại lối của chất tải nhiệt hướng trục 51

Hình 3.12 Diễn biến áp suất vòng sơ cấp của lò phản ứng APR1400 trong

sự cố LOFA

53

BẢNG ĐỊNH NGHĨA CÁC TỪ VIẾT TẮT

ECCS Emergency Core Cooling System Hệ thống làm mát khẩn cấp

vùng hoạt lò phản ứng IAEA International Atomic Energy

PORV Pilot-Operated Relief Valve Van điều khiển xả áp

RCS Reactor Coolant System Hệ thống làm mát lò phản ứng

DBA Design Basic Accident Sự cố cơ bản theo thiết kế BDBA Beyond Design Basic Accident Sự cố ngoài thiết kế

SBLOCA Small Break Loss of Coolant

Accident

Sự cố mất chất tải nhiệt do vết

vỡ nhỏ LOFA Loss of Flow Accident Sự cố mất dòng chất tải nhiệt

Q’ : Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính, W/m Q’’ : Thông lượng nhiệt, W/m2

Đội ngũ cán bộ phân tích an toàn nhà máy điện hạt nhân sẽ góp phần sự làm chủ công nghệ của nhà máy Phân tích an toàn thủy nhiệt là một trong những nhánh quan trọng Hiện nay, nguồn nhân lực này còn hạn chế và cần được nâng cao và phát triển

Phân tích an toàn thủy nhiệt bao gồm các nghiên cứu về thực nghiệm và mô phỏng hiện tượng bằng các chương trình tính toán Với sự hạn chế về cơ sở vật chất tại Việt Nam như hiện nay thì việc phát triển nghiên cứu theo hướng thực nghiệm sẽ đi sau một bước so với nghiên cứu theo phương pháp mô phỏng tính toán

Các bài toán thủy nhiệt trong lò phản ứng công suất gần đây đã được nghiên cứu và phân tích bằng các chương trình mô phỏng tại Việt Nam Đối với lò phản ứng VVER-1000 thì chưa được nghiên cứu nhiều

Với những lý do trên, nội dung của luận văn này sẽ thực hiện ‘Nghiên cứu hiện

tượng thủy nhiệt lò phản ứng VVER-1000 trong một số điều kiện chuyển tiếp và

sự cố’ bằng các chương trình tính toán mô phỏng Cụ thể là Mô phỏng sự cố mất toàn bộ điện lưới trong nhà máy điện hạt nhân VVER-1000 bằng chương trình tính toán RELAP5 và COBRA-EN Các thông số thủy nhiệt được tính toán, phân

tích và so sánh với các số liệu của lò phản ứng VVER-1000/V392 được xây dựng tại nhà máy điện hạt nhân Belene, Bulgari

Bất kỳ một nhà máy điện hạt nhân nào được cấp phép xây dựng, nó đều có bộ tiêu chí an toàn riêng Các bộ tiêu chí này được xây dựng trong báo cáo phân tích an toàn (SAR) Trong mỗi điều kiện vận hành của nhà máy thì các tiêu chí an toàn là khác nhau nhằm mục đích đảm bảo tính toán an toàn cho toàn bộ nhà máy Cụ thể, trong điều kiện vận hành xảy ra sự cố mất toàn bộ điện lưới thì các tiêu chí cho nhà máy

điện hạt nhận sử dụng lò phản ứng VVER-1000 cần tuân thủ theo các tiêu chí an toàn

sau đây [6] :

- Áp suất của vòng sơ cấp và thứ cấp không vượt quá 115% giá trị thiết kế

- Nhiệt độ của nhiệt liệu không vượt quá 2540 ºC đối với nhiên liệu đã cháy và không vượt quá 2840 ºC đối với nhiên liệu tươi

- Enthalpy trung bình nhiên liệu không vượt quá 586 J/g UO2

Nội dung luận văn gồm 3 chương chính:

- Chương 1: Tổng quan về hệ thống công nghệ lò phản ứng VVER-1000

- Chương 2: Xây dựng mô hình tính toán

- Chương 3: Tính toán và phân tích kết quả

Nội dung của chương 1 sẽ tìm hiểu về hệ thống công nghệ lò phản ứng

VVER-1000 Các thành phần chính của nhà máy như vùng hoạt, bình sinh hơi, bơm tải nhiệt chính, bình điều áp được mô tả bằng các hình ảnh và số liệu Nguyên lý hoạt động và các thông số thủy nhiệt được đề cập tới tại trạng thái hoạt động dừng của nhà máy Nội dung của chương 2 là xây dựng mô hình tính toán Toàn bộ hệ thống tải nhiệt trong lò phản ứng VVER-1000 được xây dựng bằng chương trình RELAP5/MOD3.3 và mô hình 1/6 vùng hoạt được xây dựng bằng chương trình COBRA-EN Các dữ liệu điều kiện biên và điều kiện ban đầu được xây dựng cùng với chuỗi sự kiện xảy ra sự cố mất toàn bộ điện lưới trong nhà máy điện hạt nhân

Nội dung của chương 3 sẽ tiến hành tính toán với kịch bản sự cố đã được được xây dựng trong chương 2 Các kết quả tính toán được phân tích và đánh giá an toàn theo các tiêu chí an toàn đối với nhà máy điện hạt nhân dùng lò phản ứng VVER-1000 của Nga

Chương 1

Tổng quan về hệ thống công nghệ lò phản ứng VVER-1000

I Hệ thống tải nhiệt của lò phản ứng VVER-1000

Hệ thống tải nhiệt sơ cấp (RCS) của lò phản ứng là hệ thống tuần hoàn nước đi qua vùng hoạt và nhận nhiệt, nhiệt lượng được chuyển đến bình sinh hơi với mục đích sinh hơi và phát điện (khái niệm của EUR) RCS được duy trì làm việc ở một áp suất

ổn định trong suốt quá trình vận hành lò phản ứng, do đó nó trở thành một rào chắn phóng xạ trong tất cả các trạng thái vận hành của nhà máy

Mục tiêu đầu tiên của RCS là đảm dòng chất tải nhiệt phù hợp để có khả năng tải nhiệt từ vùng hoạt trong tất cả các trạng thái vận hành, và cả những trạng thái xảy

ra chuyển tiếp hay sự cố theo cơ sở thiết kế (DBA) RCS cũng có thể được sử dụng để giảm thiểu các sự cố trong và ngoài cơ sở thiết kế (BDBA)

Tất cả những mục tiêu nêu trên cần được đáp ứng khi xem xét thiết kế của nhà máy điện hạt nhân Những điều khoản thiết kế có thể thay đổi tùy theo loại lò phản ứng, các điều kiện vận hành và vị trí xây dựng nhà máy Trong phần này sẽ mô tả

- Khái quát chức năng của hệ thống tải nhiệt trong nhà máy điện hạt nhân

- Các thành phần chính và chức năng của chúng: (1) lò phản ứng; (2) Bình sinh hơi; (3) Bơm tải nhiệt chính; và (4) Bình điều áp;

Năng lượng phân hạch của nhiên liệu trong vùng hoạt lò phản ứng được sử dụng để gia nhiệt cho chất tải nhiệt trong một vòng tuần hoàn kín: lò phản ứng – bình sinh hơi – bơm tải nhiệt chính – lò phản ứng Chất tải nhiệt nhận nhiệt trong lò phản ứng, chuyển nhiệt lượng đó qua các ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi tới nước ở vòng thứ cấp, sau đó quay trở lại lò phản ứng nhờ bơm tải nhiệt chính

Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng bao gồm lò phản ứng và 4 nhánh tuần hoàn, mỗi nhánh bao gồm:

- Một bình sinh hơi (SG);

- Một bơm tải nhiệt chính (MCP);

- Đường ống dẫn chính kết nối các thiết bị với lò phản ứng

Mỗi nhánh tuần hoàn có một chân nóng và một chân lạnh Bình sinh hơi là bộ phận kết nối giữa hệ thống tải nhiệt sơ cấp và thứ cấp Chất tải nhiệt rò rỉ từ vòng sơ cấp qua vòng thứ cấp có thể xảy ra ở các bộ gia nhiệt và các ống dẫn trao đổi nhiệt

nhiệt, vòng tải nhiệt sơ cấp là một vòng tuần hoàn kín và có vai trò như một rào chắn phóng xạ từ vùng hoạt tới vòng thứ cấp cũng như môi trường trong nhà chứa lò phản ứng

Hệ thống tăng áp và xả áp đáp ứng đầy đủ các chức năng liên quan đến áp suất trong vòng sơ cấp, duy trì trạng thái ổn định và những thăng giáng luôn nằm trong giới hạn của các điều kiện chuyển tiếp và sự cố Hệ thống điều chỉnh áp suất bao gồm:

- Một bình điều áp

- Ba van xả điều chỉnh trong quá trình vận hành

- Bình xả áp

- Ống dẫn từ chân nóng đến đáy của bình điều áp

- Ống dẫn và van kết nối chân lạnh với phần hơi của bình điều áp

Biên áp suất chất tải nhiệt lò phản ứng được giới hạn bởi:

- Các thiết bị và ống dẫn của RCS;

- Thiết bị và ống dẫn của hệ thống điều chỉnh áp suất từ các đướng ống dẫn tới các van PORV;

- Các ống dẫn của phần thụ động trong ECCS và các van tới van kiểm tra thứ 2;

- Các ống dẫn của các hệ thống khác nối với thiết bị và ống dẫn của hệ thống RCS cũng như các van cách ly thứ cấp trong suốt quá trình vận hành;

- Ống dẫn của thiết bị đo đạc áp suất và mức nước

Các thiết bị chính trong nhà máy điện hạt nhân Belene (lò phản ứng, bình sinh hơi, bơm tuần hoàn chính, các ống dẫn và bình điều áp) được mô tả trong các hình vẽ dưới đây

Vị trí tương đối của các thiết bị trong nhà máy giúp làm mát vùng hoạt trong các chế độ thiết kế cũng như tải nhiệt dư trong trạng thái đối lưu tự nhiên Tất cả các thiết bị và ống dẫn được cố định để chống lại các tác động địa chấn

Hệ thống làm mát lò phản ứng được nối với các hệ thống dưới đây:

- Hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp (ECCS);

- Hệ thống tiêm boron nhanh;

- Hệ thống khử khí khẩn cấp;

- Hệ thống tải nhiệt thụ động;

- Hệ thống tiêm boron khẩn cấp áp suất cao;

Áp suất chất tải nhiệt ở lối ra lò phản ứng, MPa 15,7+0,3

Áp suất chất tải nhiệt lối vào lò phản ứng*, °C 291+2-5 Nhiệt độ chất tải nhiệt lối ra lò phản ứng*, °C 321+5

Dòng chất tải nhiệt chảy qua lò phản ứng*, m3

+2600 -

3800

Áp suất lối vào bình sinh hơi trong vòng sơ cấp, tuyệt đối, MPa 6,27+0,10

Độ ẩm hơi tạo thành ở lối ra của bình sinh hơi, %, không vượt

Tỉ lệ cháy trung bình của nhiên liệu trong FA (Trong ch trình nhiên

Nhiệt độ nước cấp khi không kết nối với hệ thống HPH, °C 164±4 Các thông số thiết kế vòng sơ cấp:

* Đặc trưng trong suốt thiết kế

** Sai lệch cực đại gây ra do chênh lệch công suất nhiệt tải nhiệt của bình sinh hơi

- Connecting piping: Đường ống kết nối;

- Pressurizer: Bình điều áp;

- Main coolant piping: Đường ống chính dẫn chất tải nhiệt;

- Reactor: lò phản ứng;

- Steam generator: Bình sinh hơi;

- Reactor coolant pump: bơm tải nhiệt chính

Hình 1.1 Bố trí các thiết bị chính trong hệ thống tải nhiệt [5]

Hình 1.2 Bố trí các thiết bị trong hệ thống làm mát lò phản ứng [5]

Hình 1.3 Bố trí các thiết bị trong hệ thống làm mát lò phản ứng trong sơ đồ tổng thể

của nhà máy [5]

Hình 1.4 Bố trí các thiết bị trong hệ thống tải nhiệt lò phản ứng trong sơ đồ tổng thể

nhà chứa lò phản ứng [5]

Hình 1.5 Bố trí các thiết bị trong hệ thống tải nhiệt lò phản ứng trong sơ đồ tổng thể

của nhà chứa lò phản ứng [5]

Hình 1.6 Mặt cắt ngang vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000

Hình 1.7 Mặt cắt ngang của một bó nhiên liệu

Hình 1.8 Hình ảnh bó nhiên liệu và lưới định vị

Lưới định vị có chức năng liên kết các thanh nhiên liệu với nhau trong bó nhiên liệu một cách chắc chắn Trong mỗi bó nhiên liệu gồm 15 lưới định vị được xếp đều nhau

Bảng 1.2 Dữ liệu hình học của bó nhiên liệu [5]

Chiều dài chứa nhiên liệu (trạng thái lạnh), mm 3530

Chiều dài chứa nhiên liệu (trạng thái nóng), mm 3550

Khoảng cách giữa 2 tâm của hai thanh liền kề, mm 12.6

Khoảng cách giữa hai tâm của hai bó nhiên liệu liền kề, mm 236

2 Bơm tải nhiệt chính

 Vận hành trong trường hợp hệ thống tải nhiệt hoạt động với các thông số thiết

kế trong trường hợp ngắt 1 hoặc 2 bơm tải nhiệt chính

 Khả năng cung cấp lưu lượng chất tải nhiệt từ 20000 tới 27000 m3/h dưới các điều kiện vận hành thường, các vận hành lường trước được và sự cố mất chất tải nhiệt do vết vỡ nhỏ (SBLOCA)

 Sự vận hành bị trệch hướng theo giải tần suất từ 49 tới 50.5 Hz

 Có độ dự trữ chống lại khả năng tạo bọt khí trong điều kiện vận hành thường của nhà máy

 Giá trị bình phương trung bình của dao động tại lối ra của bơm dưới các điều kiện vận hành thường tại tốc độ quay bình thường và tần suất cánh quạt ± 0.0147 Mpa

 Không có phóng xạ thoát vào chất tải nhiệt bên trong nhà chứa lò rồi xuyên qua trục bơm và vận hành hỏng trong trường hợp có sự gián đoạn nước đi vào bơm khoảng 30 phút

 Sự rò rỉ nước trong vòng sơ cấp không quá 50 lít/giờ trong vòng 24 giờ với trạng thái nhà máy mất điện hoàn toàn tại điều kiện các thông số của vòng sơ cấp tại trạng thái bình thường

 Khởi động và vận hành ổn định với hiệu điện thế trong khoảng 1.1 tới 0.95 giá trị vận hành thường

 Giảm dòng chất tải nhiệt trong thời gian gián đoạn do nguồn điện tại trạng thái giảm tốc (coastdown) của cả 4 bơm tải nhiệt chính trong vòng 30 giây đầu tiên không thấp hơn các giá trị trong bảng 1.3:

Bơm tải nhiệt được thiết kế dựa trên tính an toàn và địa chấn của nơi sử dụng Các tiêu chuẩn trong thiết kế:

 Thiết kế bơm tải nhiệt được phát triển từ điều kiện đáp ứng tính tin cậy của chức năng và độ bền dưới điều vận hành hành, địa chấn và sự cố cũng như sự kết hợp của chúng với nhau trong suốt thời gian vận hành

 Các đặc tính cột áp và công suất của bơm được xác định từ các điều kiện: 1) Chất tải nhiệt dưới các điều kiện vận hành của nhà máy

2) Khởi động và vận hành ổn định của bơm dưới bất kỳ sự kết hợp nào trong vận hành của các bơm

3) Độ dữ trữ cho sự sinh bọt của nước khi đi qua bơm dưới các điều kiện vận hành của nhà máy

 Momen quán tính của bơm được xác định từ lưu lượng của chất tải nhiệt qua bơm trong quá trình giảm tốc của bơm, momen quán tính có thể làm thay đổi

mô hình đối lưu tự nhiên dưới các điều kiện sự cố khác nhau với việc mất nguồn điện đối với bơm tải nhiệt

 Các hệ thống phụ trợ của bơm được thiết kế cho việc vận hành thường của bơm

và điều kiện hot standby không có giới hạn thời gian

Bảng 1.3 Lưu lượng giảm tốc của bơm tải nhiệt chính [5]

Thời gian giảm

tốc, giây

Lưu lượng qua bơm, m 3

Bơm tải nhiệt chính trong lò phản ứng VVER-1000/V392 (Belene) là kiểu bơm

ly tâm thẳng đứng một tầng theo thiết kế GCNA-1391, bao gồm một vỏ bọc thủy lực, các bộ phân bên trong, mô tơ điện, không gian bên trên và bên dưới bơm, các chốt và các hệ thống phụ (hình 1.9)

Hình 1.9 Cấu tạo bơm tải nhiệt chính

Hệ thống bơm tải nhiệt chính có các biên sau đây:

 Các vòi chuyển và hút nước được hàn

 Các mép, cạnh tại vị trí nối các hệ thống của bơm và hệ thống nhà máy

 Các cổ trục kết nổi giảm xóc thủy lực

 Đoạn nối giữa đoạn xoắn của bơm với motor điện

Các thông số chính của bơm tải nhiệt GCNA-1391 được cho như sau [5]:

 Lưu lượng thông thường: 22000 m3

/h

 Cột áp: 0.588±0.025 Mpa

 Nhiệt độ chất tải nhiệt: 300˚C

 Áp suất tại khoang hút của bơm: 15.3 Mpa

 Nhiệt độ thiết kế: 350˚C

 Áp suất thiết kế: 17.64 Mpa

 Tốc độ quay của rotor: 1000/ 750 vòng/phút

 Công suất tại điều kiện thường: 5000 kW

 Công suất tại điều kiện lạnh: 6800 kW

Ghi chú:

1: IC làm lạnh 2: SU làm lạnh 3: RAB làm lạnh 4: bộ phận điện 5: thùng chứa dầu 6: bơm điện 7: dầu làm mát 8: đầu xoắn 9: tronaget điện 10: bộ phận định hướng 11: bộ phận seal

12, 13: vỏ bao ngoài 14: bánh công tác 15: trục vít 16: miếng đệm phía trên 17: miếng đệm phía dưới 18: vỏ bao hình cầu 19: vòng đệm 20: bệ

 Hiệu điện thế tại điều kiện thường: 6000 V

 Tần suất: 50 Hz

 Rò rỉ nước tại bộ phận seal: 1.2 m3

/h

Vật liệu chế tạo

Các vật liệu cấu thành của bơm của bơm tải nhiệt được biết như sau:

 Vỏ bọc hình cầu: thép không gỉ 06X12H3Д thuộc loại martensitic-austenitic

 Các mép cạnh: được làm từ thép 08X18H10T

 Bộ phận định hướng: thép 12X18H10T

 Măng sông của trục bơm: thép 25X17H2Ђ-111 với bề mặt được tôi nhiệt

 Thân của bộ phận seal: thép 08X18H10T

 Thân trục bơm: thép 14X17H2

3 Bình sinh hơi

Cơ sở thiết kế

Bình sinh hơi được sử dụng tạo hơi khô bão hòa thông qua quá trình nhận nhiệt

từ vòng sơ cấp sang vòng thứ cấp của lò phản ứng

Bình sinh hơi tạo đường nối giữa hệ thống sơ cấp và thứ cấp của lò phản ứng Các cổ góp, bình sinh hơi, các ống hình hexa trao đổi nhiệt là các rào chắn giữa hệ thống sơ cấp và thứ cấp, đảm bảo vật liệu phóng xạ không chuyển từ vòng sơ cấp sang vòng thứ cấp

Bình sinh hơi được duy trì trong 60 năm hoạt động của nhà máy điện hạt nhân Các thông số kỹ thuật nhiệt của bình sinh hơi theo thiết kế PGV-1000MK trong điều kiện vận hành thường được biết đến như trong bảng 1.4

Áp suất thiết kế của bình sinh hơi trong phần sơ cấp là 17.64 Mpa và phần thứ cấp là 8.1 Mpa Nhiệt độ nước cấp từ hệ thống khẩn cấp là từ 40 đến 70˚C

Bảng 1.4: Thông số kỹ thuật của bình sinh hơi PGV-1000MK dưới điều kiện vận hành

thường [5]

Thông số, đơn vị đo Giá trị

Tốc độ sinh hơi (tại nhiệt độ 220˚C và dòng blowdown là 15 tấn/ giờ),

tấn / giờ

1470+100

Nhiệt độ chất tải nhiệt trong vòng sơ cấp tại lối vào bình sinh hơi, ˚C 321.0±5 Nhiệt độ chất tải nhiệt trong vòng sơ cấp tại lối ra bình sinh hơi, ˚C 291+2-5

Lưu lượng dòng chảy trong vòng sơ cấp qua bình sinh hơi, m3

Áp suất trong vòng sơ cấp tại lối vào của bình sinh hơi, Mpa 15.64±0.3

Bình sinh hơi có kiểu nằm ngang của kiểu lò VVER-1000 có một số ưu điểm so với bình sinh hơi kiểu thẳng đứng như sau:

 Tốc độ sấy khô hơi trên bề mặt (0,2 – 0,3 m/s) cho phép sử dựng một mô hình tách hơi đơn giản với yêu cầu độ ẩm của hơi là đảm bảo yêu cầu

 Vận tốc trung bình của vòng thứ cấp (0,5 m/s) Nghiên cứu sự dung động của các ống trao đổi nhiệt giảm bớt

 Việc ứng dựng của thép không gỉ 08X18H10T với lượng nhỏ niken làm tăng tính chịu đựng với hóa học của nước Khả năng chịu đựng của hợp kim thép không gỉ này được chứng minh bằng thực tế với các kiểu bình sinh hơi PGV-

440 và PGV-1000 (đã vận hành thành công trên 30 năm nay)

 Tỷ lệ giữa độ dày và đường kính của ống trao đổi nhiệt là cao hơn so với các thiết kế khác, tránh được khả năng vỡ ống trao đổi nhiệt trong suốt quá trình vận hành

 Các bộ góp hình trụ thẳng đứng của vòng sơ cấp cho phép tránh được sự ứ đọng nước trong bộ góp, giảm sự hư hại tại những chỗ uốn khúc

 Bình sinh hơi nằm ngang có sự mở rộng không gian tích trữ nước trong vòng thứ cấp so với kiểu bình sinh hơi thẳng đứng Điều này làm tăng khả năng làm

mát khi xảy ra sự cố kèm theo sự mất khả năng cung cấp nước của đường nước cấp khẩn cấp tới bình sinh hơi

 Ưu điểm quan trọng của bình sinh hơi nằm ngang là có thể ứng dụng một mô hình xấy hơi kiểu bậc thang, điều này cho phép giữ lại được nồng độ hòa tan của cặn bẩn trong các khu vực quan trọng của bình sinh hơi

 Bình sinh hơi cung cấp khả năng lưu thông tự nhiên trong vòng sơ cấp thậm trí

cả trong trường hợp mức nước tụt thấp hơn mức nước trên của các ống trao đổi nhiệt

 Bề mặt trao đổi nhiệt của các ống trao đổi nhiệt nằm ngang, điều này tạo thuận lợi cho việc đối lưu tự nhiên của vòng sơ cấp trong điều kiện sự cố

 Trong quá trình bão dưỡng, thanh tra, kiểm tra là thuận lợi với dạng bình sinh hơi nằm ngang

Mô tả thiết kế

Lò phản ứng VVER-1000 sử dụng 4 bình sinh hơi nằm ngang bao gồm các thành phần chính:

• Thùng bình sinh hơi

• Các ống hình hexa truyền nhiệt

• Lối vào của hệ thống nước cấp

• Lối vào của hệ thống nước cấp khẩn cấp

• Tấm đỡ

• Bộ tách hơi

Bình sinh hơi theo thiết kế PGV-1000MK với các bộ giá đỡ được minh họa trong các hình 1.10 dưới đây:

PGV-(a)

(b)

Hình 1.11 Bình sinh hơi PGV-1000MK

Ghi chú:

1 – Thùng bình sinh hơi

2 – Bó ống trao đổi nhiệt

3 – Vị trí bộ góp của vòng sơ cấp

4 – Vị trí thiết bị cho việc cung cấp nước và phân bố nước

5- Vị trí thiết bị giúp cho việc cung cấp nước và phân bố nước trong điều kiện

sự cố

6 – Vị trí thực hiện việc phân bố hơi sinh ra

8 – Vị trí thiết bị thực hiện việc kiểm soát hóa học

Thùng bình sinh hơi có dạng hình trụ với chiều dài là 13820 mm, đường kính bên trong là 4200 mm, với bề mặt hai đáy có hình elip Vật liệu của thùng bình sinh hơi được làm bằng thép 10ГH2MФA

Bảng 1.5 Kích thước hình học của bình sinh hơi PGV-1000MK

Chiều dài của thùng thùng bình sinh hơi, m 13.82

Đường kính bên ngoài của ống trao đổi nhiệt 16,0 mm

Vật liệu chế tạo

Danh sách của vật liệu được sử dụng và tính chất của các vật liệu được biết đến như sau Kinh nghiệm vận hành của bình sinh hơi PGV-1000M được chú ý tới trong việc lựa chọn vật liệu sản xuất

 Hợp kim thép - 10ΓH2MΦA, đã được tôi để chế tạo thùng SG và cổ góp của vòng sơ cấp Hợp kim thép này được chứng nhận chất lượng năm 1976 tại NPO TTsNHTMASH, TsNH KM và Izhorskie Zavody

 Thép 08X18H10T, sử dụng ở dạng các ống trao đổi nhiệt và thanh thép

 Thép 12X18H10T, sử dụng ở dạng vòng và thanh, các thiết bị chống giữa các ống trao đổi nhiệt

 Hợp kim thép slicon-mangan - 16ΓC, sử dụng ở các dạng ống trao đổi nhiệt, các lối ra của dòng hơi và các thành phần tách hơi

 Thép cacbon (Cr3cn2, Cr3cn5, Cr3nc2, Cr3nc5, Cr3cn3, Cr3Γnc5), với lượng cấu trúc thép (20,35,45,20K và 22K), sử dụng cho các thành phần được vận hành trong vòng thứ cấp Các vật liệu này được biết đến với nhiều ứng dụng rộng rãi Thép 20K và 22K được sử dụng cho việc chế tạo các vòi trên thùng bình SG và các măng xông, các thành phần giá đỡ

 Hợp kim thép Crom-silicon-mangan, sử dụng chế tạo các thành phần giá đỡ

 Hợp kim thép Crom-niken – 20X2H4A, chế tạo các vòng quấn của các giá đỡ

 Hợp kim thép – 38XH3MΦA, 40X, 25X1MΦA, XH35BT, sử dụng sản xuất các chốt

4 Bình điều áp

Cơ sở thiết kế

Bình điều áp là một trong những thành phần chính trong RCS của lò phản ứng

Nó được sử dụng cho mục đích vận hành, là một phần của hệ thống giảm áp lò phản ứng dưới điều điều vận hành thường, điều kiện chuyển tiếp và các DBA

Theo khía cạnh an toàn, bình điều áp là hệ thống giảm áp quan trọng liên quan tới an toàn thông qua chức năng của bình điều áp Trong điều kiện vận hành thường tuân theo các quy tắc đảm bảo an toàn của nhà máy điện hạt nhân

Thiết kế bình điều áp cơ bản dựa theo các yêu cầu sau đây:

 Không vượt quá áp suất tăng trong vùng hoạt tại các điểm đặt của các van an toàn của bình điều áp trong điều kiện vận hành thường, điều kiện chuyển tiếp theo thiết kế

 Ngăn chặn mức nước trong bình điều áp thấp đến mức hở bộ gia nhiệt trong điều kiện vận hành thường cũng như điều kiện chuyển tiếp trong thiết kế

 Ngăn chặn sự tăng mức nước trong bình điều áp tới điểm mà tại đó làm giảm khả năng phun nước vào bình điều áp tại điều kiện vận hành thường cũng như các điều kiện chuyển tiếp theo thiết kế

 Ngăn chặn được hỗn hợp hơi-khí đi vào đường ống dẫn chất tải nhiệt chính từ bình điều áp dưới một vài điều kiện thiết kế, ngoại trừ trong trường hợp khẩn cấp cần giảm áp vòng sơ cấp

 Ngăn chặn việc tăng mức nước trong bình điều áp tại các điều kiện theo thiết kế (ngoại trừ việc rò rỉ từ không gian hơi của bình điều áp)

 Cung cấp khả năng đốt nóng thể tích khu vực xung quanh bộ gia nhiệt tại đáy của bình điều áp

 Ngăn chặn được sự giảm áp suất của vòng sơ cấp trong điều kiện vận hành thường và các điều kiện chuyển tiếp theo thiết kế

Bình điều áp được kết nối với các hệ thống sau:

 Hệ thống khí blow-off (KTB1)

 Hệ thống tản khí khẩn cấp (KTP)

 Hệ thống lấy mẫu từ các trang thiết bị (KUA 10-50)

 Hệ thống tiêm boron khẩn cấp (JND 50-80)

 Hệ thống thu gom chất tải nhiệt rò rỉ (JET)

 Hệ thống kiểm soát hóa học và thể tích (KBA)

Mô tả thiết kế

Bình điều áp bao gồm các thành phần: thùng chịu áp, các bộ phân bên trong, đường dâng Bình điều áp thiết kế cho 60 năm vận hành Bộ gia nhiệt bao gồm 28 heaters được đặt phía dưới của thùng chịu áp Các thông số chính của bình điều áp được liệt kê trong bảng 1.6

Bảng 1.6 Đặc trưng thủy nhiệt của bình điều áp[5]

Nhiệt độ thiết kế của thành thùng chịu áp 350˚C

Thể tích phần nước tại điều kiện thường 55 m3

Số nhóm chia trong bộ gia nhiệt

Vật liệu chế tạo

Thùng chịu áp của bình điều áp được làm bằng hợp kim thép 10ГH2MФA, bề mặt bên trong được tráng lớp vật liệu chống ăn mòn cao Các van an toàn của bình điều áp sẽ được đề cập tới chi tiết trong nội dung phần sau

Bình điều áp được đặt bên trong nhà chứa lò sơ cấp và đặt tại độ cao 29,74 m

Chương 2

Xây dựng mô hình tính toán

I Giới thiệu chương trình tính toán RELAP5 và COBRA-EN

1 Chương trình RELAP5

Chương trình tính toán hệ thống thủy nhiệt đã phát triển qua nhiều thập kỷ, cung cấp mô phỏng hệ thống nhà máy điện hạt nhân cho các kịch bản tai nạn Mỗi chương trình được thiết kế để thực hiện mô phỏng một loạt các thiết kế lò phản ứng khác nhau và liên quan tới các hệ thực nghiệm Các chương trình hệ thống có khả năng

mô phỏng dòng 2 pha 1-D đi qua các dạng hình học khác nhau như : RELAP5 MARS, CATHARE, TRACE, TRAP-97 v.v

Chương trình RELAP5 là chương trình tính toán hệ thống thủy nhiệt của các lò phản ứng nước nhẹ theo phương pháp ước lượng tốt nhất RELAP5 có khả năng mô phỏng toàn bộ hệ thống thủy nhiệt của nhà máy điện hạt nhân trong điều kiện dừng và phân tích diễn biến của hệ thống theo các điều kiện chuyển tiếp hoặc các kịch bản sự

cố DBAs Mô hình động lực học chất lưu trong chương trình RELAP5 là một chiều,

mô hình hai chất lưu cho dòng hỗn hợp hai pha hơi – nước Ngoài ra, nó có thể bao gồm các thành phần khí không ngưng tụ trong pha hơi hoặc thành phần hoà tan được trong pha nước

2 Chương trình COBRA-EN

Tính toán cho vùng hoạt lò phản ứng có 2 mức : tính toán đơn kênh và tính toán

ở mức bó nhiên liệu Các chương trình tính toán thành phần (component code) được sử dụng cho việc nghiên cứu các hiện tượng thủy nhiệt trong vùng hoạt với cách tiếp cận sâu hơn so với các chương trình tính toán hệ thống

Chương trình COBRA – EN là một trong những các chương trình tính toán thành phần, phát triển trong những năm 80 được sử dụng như phần thuỷ nhiệt trong các phiên bản kế tiếp của các chương trình máy tính NORMA [Brega 1995], QUARK [Allogio 1994] và NORMA – FT [Brega 1991], tất cả được thiết kế cho ứng dụng với các lò phản ứng nước nhẹ, đầu tiên như một mô phỏng độ phản ứng lâu dài, thứ hai như một phân tích động học vùng hoạt và cuối cùng đưa ra thông lượng và công suất cấu trúc trong các nút đồng nhất thường được sử dụng bởi mục đích thứ hai

Phương pháp đầu tiên là sử dụng đến các module của COBRA – 3C/MIT ví dụ phần thủy nhiệt của chương trình MEKIN, các chương trình động học [Bowring 1975]

nhưng ngay sau đó các mô hình được nâng cấp qua các chương trình máy tính khác, dựa trên sự tinh tế hơn, và nhiều tính năng phù hợp, đặc biệt trong COBRFA – IV – I [Wheeler 1976] và , chủ yếu là VIPRE – 01[Stewart 1983], cả hai đều phát triển từ bản gốc chương trình phân tích đơn kênh COBRA – 3C [Rowe 1973]

Chương trình COBRA-EN có hai lựa chọn : Phân tích vùng hoạt (core annalysis) và phân tích đơn kênh (subchannel annalysis) Nội dung tính toán với COBRA-EN sẽ lựa chọn tính toán phân tích vùng hoạt đối với mô hình tính toán 1/6 vùng hoạt

Mô hình truyền nhiệt của 2 chương trình tính toán RELAP5 và COBRA-EN được trình bày trong phụ lục 1 và phụ lục 2

II Mô hình tính toán trong chương trình RELAP5

1 Sơ đồ node hóa hệ thống tải nhiệt lò phản ứng VVER-1000

Hệ thống tải nhiệt vòng sơ cấp và vòng thứ cấp của lò phản ứng VVER-1000 được mô hình hóa trong chương trình RELAP5 Sơ đồ node hóa hệ thống được minh họa trong hình 2.2

Các số liệu hình học, thủy nhiệt sử dụng theo thiết kế của lò phản ứng 1000/V392

VVER-2 Xây dựng kịch bản sự cố suy giảm dòng chất tải nhiệt (LOFA)

2.1 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu

Điều kiện biên và điều kiện ban đầu trước khi xảy ra sự cố hỏng cả 4 bơm tải nhiệt chính được cho trong bảng 2.1

Bảng 2.1 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu(*)

Lưu lượng dòng chảy qua vùng hoạt 83464 m3/h

Áp suất tại lối ra vùng hoạt 15.7 MPa

Nhiệt độ lối vào vùng hoạt 289.30 ºC

Nhiệt độ tại lối vào vùng hoạt 319.24 ºC

Áp suất lối ra của bình sinh hơi 6.266 MPa

Mức nước trong bình sinh hơi 2.51m

Mức nước trong bình điều áp 8.194 m

(*) Các thông số này được xác định theo kết quả tính toán trạng thái dừng sẽ được trình bày trong phần sau

Phân bố công suất dọc trục có dạng hình cosin (đầu chu trình) được minh họa trong hình sau:

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

Hình 2.1 Phân bố công suất dọc trục thanh nhiên liệu

2.2 Sự cố suy giảm dòng chất tải nhiệt (LOFA)

Vì một lý do nào đó, lò phản ứng đang vận hành tại mức công suất 100% danh định (3120 MW) thì đột ngột mất toàn bộ điện lưới Điều này dẫn đến ngừng bốn bơm tải nhiệt chính và nước cấp

Tín hiệu dập lò khẩn cấp đầu tiên xuất hiện trễ 1.9 giây khi 4 bơm tải nhiệt ngắt Chuỗi sự kiện xảy ra được cho trong bảng 2.2

Bảng 2.2 Chuỗi sự kiện [6]

Thời gian, giây Sự kiện

0.0 Mất toàn bộ điện lưới 0.0 Ngắt 4 bơm tải nhiệt, ngắt nước cấp 1.9 Tín hiệu dập lò lần đầu tiên

2.0 Tín hiệu dập lò lần hai, các thanh điều

khiển bắt đầu rơi vào vùng hoạt 7.0 Bắt đầu đóng van an toàn của tuabin 21.5 Van BRU-A mở do áp suất đạt điểm đặt

của van Áp suất hơi không vượt quá 7.2 MPa, áp suất được kiểm soát tại 6.67 MPa

3600 Kết thúc quá trình tính toán

III Mô hình tính toán trong chương trình COBRA-EN

1 Sơ đồ node hóa vùng hoạt

Thực hiện tính toán với 1/6 vùng hoạt của lò phản ứng với phân bố công suất tại mỗi bó được cho trên hình 2.3 Sơ đồ số hiệu của mỗi kênh tải nhiệt được minh họa trong hình 2.4

Mục đích của phần tính toàn này là lựa chọn mô hình truyền nhiệt thích hợp trong chương trình COBRA-EN để tính toán phân bố nhiệt độ trong chất tải nhiệt Kết quả này sẽ là một tiền đề cho việc ứng dụng nghiên cứu dòng hai pha (cụ thể là phân

bố pha hơi) trong vùng hoạt (Nội dung nghiên cứu sinh của Hoàng Minh Giang)

Hình 2.3 Hệ số đỉnh công suất của mỗi bó nhiên liệu trong 1/6 vùng hoạt [2]

Hình 2.4 Số hiệu của các đơn kênh trong mô hình tính toán

Có 3 loại kênh trong mô hình tính toán trên Số liệu hình học cho mỗi đơn kênh (một bó nhiên liệu) là:

2 Điều kiện chuyển tiếp suy giảm dòng chảy (LOFA)

Với kết quả tính toán từ bài toán LOFA bằng chương trình RELAP5/MOD3.3 cho ta được diễn biến suy giảm dòng chảy trong vùng hoạt lò phản ứng Kết quả tính toán này sẽ được nhập vào input của chương trình COBRA-EN Kết quả tính toán của chương trình COBRA-EN sẽ cho kết quả diễn biến của các thông số thủy nhiệt trong vùng hoạt lò phản ứng Bảng giá trị chuyển tiếp của các thông số: áp suất, công suất, nhiệt độ lối vào vùng hoạt, lưu lượng lối vào vùng hoạt sẽ được trình bày trong phần sau

Chương 3

Tính toán và phân tích kết quả

I Tính toán bằng chương trình RELAP5

1 Kết quả tính toán tại trạng thái dừng

Tính toán cho rạng thái dừng được thực hiện tính toán với 1500 giây để đạt trạng thái dừng của toàn bộ hệ thống

Một số thông số chính của hệ thống tải nhiệt so sánh với giá trị vận hành thực tế của nhà máy được cho trong bảng 3.1 sau đây:

Bảng 3.1 Các thông số tại trạng thái hoạt động dừng của nhà máy

Thống số thủy nhiệt Giá trị tính toán Giá trị vận hành

thực của nhà máy

Áp suất lối ra vùng hoạt 15.7077 MPa 15.7  0.3 MPa Nhiệt độ chất tải nhiệt tại lối vào vùng

Nhiệt độ hơi tại lối ra bình sinh hơi 278 ºC 278.5 ºC

2 Kết quả tính toán ở trạng thái chuyển tiếp

Trạng thái chuyển tiếp mất toàn bộ điện lưới được thực hiện tính toán trong khoảng thời gian một giờ (3600 giây) sau khi xảy ra sự cố Diễn biến của các thông số thủy nhiệt được minh họa trong các đồ thị sau đây Một số kết quả tính toán được so sánh với kết quả tính toán được trình bày trong báo cáo phân tích an toàn của nhà máy điện hạt nhân VVER-1000/V392 (Belene) được xây dựng tại Bulgari Các kết quả

trong báo cáo phân tích an toàn này được thực hiện tính toán với chương trình tính toán TRAP-97 TRAP-97 là một chương trình tính toán hệ thống (tương tự với chương trình tính toán RELAP5) được hiệu chỉnh sử dụng cho kiểu lò phản ứng VVER-1000

(a)

(b)

Hình 3.1 Áp suất tại lối ra vùng hoạt

(a)

(b)

Hình 3.2 Đường cong coastdown của bơm tải nhiệt chính