Nền văn minh của con người gắn liền với sự phát triển về nhu cầu năng lượng,ngày nay năng lượng trở thành mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia trênthế giới, đồng thời cũng là nguyên nhân của rất nhiều cuộc chiến tranh đang diễnra trên toàn cầu. Các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá hay dầu mỏ ngàycàng cạn kiệt và khí thải từ những nguồn năng lượng này đang gây ra những tổnhại nghiêm trọng đến môi trường toàn thế giới. Các nguồn năng lượng tái tạonhư năng lượng gió, năng lượng mặt trời thân thiện với môi trường nhưng lại cógiá thành quá cao. Việt Nam là quốc gia đang phát triển và phấn đấu đến năm2020 chúng ta sẽ trở thành một nước công nghiệp. Vì vậy, nhu cầu năng lượngcủa Việt Nam là rất lớn cho phát triển công nghiệp. Năm 2010 chúng ta đã phảinhập khẩu điện với tỷ lệ 4% và sẽ tăng lên 5,35% vào năm 2020. Để đáp ứngnhu cầu ngày càng tăng cao về năng lượng, chúng ta đã quyết định sử dụng thêmnăng lượng nguyên tử bởi những ưu điểm vượt trội trên cả phương diện kinh tếcũng như môi trường. Tuy nhiên làm sao để sử dụng năng lượng hạt nhân mộtcách an toàn đặc biệt sau các sự cố TMI, Chernobyl, Fukushima cho thấy sự cầnthiết của việc đảm bảo an toàn cho các nhà máy điện hạt nhân.Trong phần đồ án của mình em đã tìm hiểu về hệ thống tải nhiệt thụ động nhà lòVVER1200V491, tìm hiểu cách sử dụng chương trình RELAP 5 và thực hiệnđánh giá hiệu năng hiệu năng hoạt động của hệ thống với chương trình RELAP5.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
VIỆN KỸ THUẬT HẠT NHÂN & VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên: Cung Văn Duy Mã số sinh viên: 20124164
Lớp : Kỹ thuật Hạt Nhân Khóa : 57
1 Tên đề tài đồ án : Đánh giá hiệu năng hoạt động của hệ thống tải nhiệt thụ
động nhà lò VVER-1200/V491 sử dụng chương trình tính toán RELAP 5
2 Nội dung :
- Tìm hiểu hệ thống tải nhiệt thụ động nhà lò VVER-1200/V491
- Thực hiện các bài toán còn lại với RELAP 5
- Mô phỏng hệ thống tải nhiệt thụ động bằng RELAP 5
3 Họ tên giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Thái
4 Ngày giao nhiệm vụ đồ án : 22 / 03 / 2017
5 Ngày hoàn thành: 02 / 06 / 2017
Ngày 2 tháng 6 năm 2017
Chủ nhiệm khoa Giảng viên hướng dẫn
Trang 2LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành báo cáo thực tập này, đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới TS Nguyễn Văn Thái, cảm ơn thầy dù rất bận nhưng vẫn hướng dẫn em trong suốt quá trình em hoàn thành báo cáo, giúp em đi đúng hướng và hoàn thành mục tiêu đề ra
Tiếp theo, em xin cảm ơn tập thể thầy cô của Viện Kỹ thuật Hạt nhân & Vật lý môi trường đã giúp em giải đáp các thắc mắc kịp thời, luôn động viên em trong quá trình làm đồ án
Xin cảm ơn các bạn lớp Kỹ thuật hạt nhân & Vật lý môi trường K57, cảm ơn các bạn đã luôn động viên giúp đỡ kịp thời trong những lúc mình khó khăn nhất
Trang 3MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU 5
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 6
LỜI NÓI ĐẦU 7
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TẢI NHIỆT THỤ ĐỘNG NHÀ LÒ VVER-1200/V491 9
1.1 Mục đích : 9
1.2 Yêu cầu chức năng : 10
1.3 Các hệ thống kết nối với JMP : 10
1.4 Sơ đồ thiết kế hệ thống : 11
1.5 Hoạt động của hệ thống trong điều kiện thông thường : 19
1.6 Hoạt động của hệ thống trong điều kiện sự cố nặng : 20
CHƯƠNG 2 : ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG TẢI NHIỆT THỤ ĐỘNG NHÀ LÒ VVER-1200/V491 BẰNG PHẦN MỀM RELAP 5 23
2.1 Giới thiệu về phần mềm RELAP 5 : 23
2.1.1 Cấu trúc của chương trình RELAP 5 [2] : 23
2.1.2 Khái niệm về node hóa và một số yêu cầu cơ bản khi thực hiện node hóa : 27
2.1.3 Cơ sở lý thuyết của chương trình RELAP 5 : 27
2.1.4 Cấu trúc tệp dữ liệu đầu vào [1] : 30
2.2 Đánh giá hiệu năng hoạt động của hệ thống tải nhiệt thụ động nhà lò VVER-1200/V491 (JMP) bằng RELAP 5 : 31
2.2.1 Sơ đồ node hóa hệ thống JMP : 31
2.2.2 Mô tả kịch bản và giải thích kết quả : 33
KẾT LUẬN 36
TÀI LIỆU THAM KHẢO 37
PHỤ LỤC 38
Trang 4DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 : Hệ thống làm mát nhà lò thụ động JMP [3] 10
Hình 1.2 : Sơ đồ thiết kế hệ thống JMP [3] 13
Hình 1.3 : Thiết kế bể chứa nước EHRT và bộ trao đổi nhiệt HX [3] 14
Hình 1.4 : Thiết kế đường ống dẫn và van (ví dụ một kênh chi tiết) (1) [3] 16
Hình 1.5 : Thiết kế đường ống dẫn và van (ví dụ một kênh chi tiết) (1) [3] 17
Hình 1.6 : Thiết kế đường ống dẫn và van (ví dụ một kênh chi tiết) (2) [3] 18
Hình 1.7 : Ảnh hưởng của hệ thống JMP tới áp suất và nhiệt độ bên trong toà nhà lò [3] 21
Hình 2.1 : Cấu trúc khối dữ liệu trên cùng [2] 23
Hình 2.2 : Cấu trúc khối TRNCTL [2] 24
Hình 2.3 : Sơ đồ node hóa hệ thống JMP 32
Hình 2.4 : Nhiệt độ bên trong tòa nhà lò 450 khi sự cố xảy ra 34
Hình 2.5 : Áp suất bên trong tòa nhà lò 450 trong thời gian xảy ra sự cố 34
Trang 5DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 : Cấu trúc input của chương trình RELAP 5 [1] [2] 26 Bảng 2.2 : Định dạng thẻ trong RELAP 5 [1] 30
Trang 6DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
JMP Passive Heat Removal System from the Containment
VVER Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor
Trang 7LỜI NÓI ĐẦU
Nền văn minh của con người gắn liền với sự phát triển về nhu cầu năng lượng, ngày nay năng lượng trở thành mối quan tâm hàng đầu của các quốc gia trên thế giới, đồng thời cũng là nguyên nhân của rất nhiều cuộc chiến tranh đang diễn
ra trên toàn cầu Các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá hay dầu mỏ ngày càng cạn kiệt và khí thải từ những nguồn năng lượng này đang gây ra những tổn hại nghiêm trọng đến môi trường toàn thế giới Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời thân thiện với môi trường nhưng lại có giá thành quá cao Việt Nam là quốc gia đang phát triển và phấn đấu đến năm
2020 chúng ta sẽ trở thành một nước công nghiệp Vì vậy, nhu cầu năng lượng của Việt Nam là rất lớn cho phát triển công nghiệp Năm 2010 chúng ta đã phải nhập khẩu điện với tỷ lệ 4% và sẽ tăng lên 5,35% vào năm 2020 Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng cao về năng lượng, chúng ta đã quyết định sử dụng thêm năng lượng nguyên tử bởi những ưu điểm vượt trội trên cả phương diện kinh tế cũng như môi trường Tuy nhiên làm sao để sử dụng năng lượng hạt nhân một cách an toàn đặc biệt sau các sự cố TMI, Chernobyl, Fukushima cho thấy sự cần thiết của việc đảm bảo an toàn cho các nhà máy điện hạt nhân
Trong phần đồ án của mình em đã tìm hiểu về hệ thống tải nhiệt thụ động nhà lò VVER-1200/V491, tìm hiểu cách sử dụng chương trình RELAP 5 và thực hiện đánh giá hiệu năng hiệu năng hoạt động của hệ thống với chương trình RELAP
5
Việc phân tích an toàn lò phản ứng có tác dụng:
- Hỗ trợ việc đưa ra những quy tắc an toàn
- Kiểm nghiệm và cấp giấy phép xây dựng lò phản ứng
- Đánh giá và hướng dẫn nhân viên vận hành
Trang 8- Đưa ra các chiến lược giảm nhẹ hậu quả trong trường hợp xảy ra tai nạn
Giảng viên hướng dẫn Hà Nội, ngày 2 tháng 6 năm 2017
Sinh Viên
Cung Văn Duy
Trang 9CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TẢI NHIỆT THỤ ĐỘNG
NHÀ LÒ VVER-1200/V491
1.1 Mục đích :
Hệ thống tải nhiệt thụ động từ tòa nhà lò (JMP) là hệ thống nhằm giảm thiểu sự nguy hiểm khi có sự cố nặng xảy ra, hệ thống JMP có chức năng tải nhiệt trong khoảng 24 giờ trong trường hợp sự cố xảy ra Hệ thống có chức năng làm giảm
áp suất bên trong tòa nhà lò và tải nhiệt khi có sự cố nặng như sự cố tan chảy lõi
lò
Chức năng của hệ thống được thiết kế dựa trên các điều kiện của các kịch bản sự
cố nặng có thể xảy ra trong lò phản ứng hạt nhân Trong hệ thống được thiết kế bốn kênh hoạt động hoàn toàn riêng biệt nhau và hiệu suất làm việc của mỗi kênh là 33% Hệ thống JMP hoạt động dựa trên nguyên lý thụ động, hệ thống này có thể hoạt động tự động mà không cần tác động của nhân viên vận hành trong vòng 24 giờ Trong khoảng thời gian từ 24 giời tới 72 giờ thì hệ thống sử dụng các hệ thống cấp nước di động (Mobile equipment) và các bể nước dự trữ được sử dụng cho các vận hành của hệ thồng (bổ sung cho các bể tải nhiệt) [3]
Trang 10Hình 1.1 : Hệ thống làm mát nhà lò thụ động JMP[3]
1.2 Yêu cầu chức năng :
Hệ thực hiện các chức năng của nó khi có sự cố nặng xảy ra như sự cố tan chảy lõi lò và duy trì áp suất trong tòa nhà lò trong khoảng 24 giờ đầu tiên kể từ khi
sự cố bắt đầu Đặc biệt trong 24 giờ đầu hệ thống không cần đến việc điều khiển của nhân viên vận hành và không cần cung cấp điện [3]
1.3 Các hệ thống kết nối với JMP :
Hệ thống tải nhiệt thụ động từ tòa nhà lò (JMP) kết nối với các hệ thống sau:
Các bể chứa nước của hệ thống tải nhiệt thông qua bình sinh hơi (JNB)
Hệ thống ống xả phóng xạ tòa nhà lò (reactor building radioactive drain system ) (КТF)
Trang 11Hệ thống thông gió và làm mát có chức năng duy trì thông số môi trường bên trong hệ thống tải nhiệt thụ động JMP Hệ thống này được đặt trong tòa nhà phụ trợ của tòa nhà lò Trong trường hợp khi có sự cố nặng xảy ra thì có thể các hệ thống trên có thể bị hỏng nhưng đặng biệt bể chứa nước dự trữ tải nhiệt khẩn cấp EHRT phải luôn hoạt động ổn định [3]
Trang 12 Gồm 4 thiết bị trao đổi nhiệt - bình ngưng: JMP11/21/31/41AC001,
JMP12/22/32/42AC001, JMP13/23/33/43AC001,
JMP14/24/34/44AC001;
Các van hãm (Confining valves): JMP11/21/31/41AA801/802,
JMP12/22/32/42AA,JMP13/23/33/43AA801/802,JMP14/24/34/44AA801/802;
Các đường ống của thiết bị trao đổi nhiệt - bình ngưng:
JMP11/21/31/41AC001, JMP12/22/32/42AC001,JMP13/23/33/43AC001, JMP14/24/34/44AC001
Trang 14định danh 200mm Tổng toàn bộ phần diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của cả 4 kênh là 300m2
Hình 1.3 : Thiết kế bể chứa nước EHRT và bộ trao đổi nhiệt HX[3]
Trang 15Các thiết bị trao đổi nhiệt JMP11/21/31/41AC001, JMP12/22/32/42AC001, JMP13/23/33/43AC001, JMP14/24/34/44AC001 của tất cả các kênh được kết nối bởi các đường ống tới các bể tải nhiệt khẩn cấp JNB10/20/30/40BB001 Để tránh trường hợp quá áp ở hệ thống tải nhiệt thụ động trong trường họp van ngắt (cut-off valve) bị đóng thì trong hệ thống còn thiết kế các van an toàn (safety valve) JMP11/21/31/41AA401, JMP12/22/32/42/AA401,
JMP13/23/33/43AA401, JMP14/24/34/44AA401 Hơi trong tòa nhà lò được loại
bỏ do sự ngưng tụ của hơi qua các thiết bị trao đổi nhiệt
JMP11/21/31/41AC001, JMP12/22/32/42AC001, JMP13/23/33/43AC001,
JMP14/24/34/44AC001 Chất làm mát vận chuyển trong các đường ống theo nguyên lý đối lưu tự nhiên thì chất làm mát sẽ được vận chuyển quay lại bể tải nhiệt khẩn cấp JNB10/20/30/40BB001, quá trình này cứ diễn ra liên tục trong vòng 24 giờ từ khi bắt đầu xảy ra sự cố
Trang 16Hình 1.4 : Thiết kế đường ống dẫn và van (ví dụ một kênh chi tiết) (1)[3]
Các bể nước ở mỗi kênh được xây dựng bằng bê tông chịu lực tốt và được đặt bên trong tòa nhà phụ trợ của tòa nhà lò, mỗi bể có thể tích 538m3 và có độ cao
so với sàn tòa nhà lò là 59.85m Để hệ thống tải nhiệt thụ động từ tòa nhà lò
(JMP) vẫn tiếp tục hoạt động sau 24giờ thì hệ thống có sử dụng các phương tiện cấp nước di động (ô tô cấp nước bên ngoài ) và bể nước tiếp nhiên liệu dự phòng
để cấp nước cho hệ thống JMP trong trường hợp khẩn cấp
Các van hãm JMP11/21/31/41AA801/802, JMP12/22/32/42/AA801/802,
JMP13/23/33/43AA801/802, JMP14/24/34/44AA801/802 được lắp đặt trên các
Trang 17đường ống dẫn nước của các thiết bị trao đổi nhiệt JMP11/21/31/41AC001,
JMP12/22/32/42AC001, JMP13/23/33/43AC001, JMP14/24/34/44AC001 và
các bể tải nhiệt khẩn cấp JNB10/20/30/40BB001 Trong hệ thống được thiết kế các van ngắt (cut-off valve) với mục đích ngắt dòng trong trường hợp có hiện tượng rò rỉ Các van hãm này được thiết kế bên trong tòa nhò phụ trợ của tòa
nhà lò và có độ cao 54.45m so với sàn tòa nhà lò
Hình 1.5 : Thiết kế đường ống dẫn và van (ví dụ một kênh chi tiết) (1) [3]
Trang 18Các bình sinh hơi-bình ngưng và một số hệ thống đường ống của JMP được đặt bên trong tòa nhà lò (UJA), một phần khác của hệ thống đường ống và các van được đặt bên trong tòa nhà phụ trợ của tòa nhà lò (UJB) các hệ thống van này
có độ cao 54.45m
Hình 1.6 : Thiết kế đường ống dẫn và van (ví dụ một kênh chi tiết) (2)[3]
Các thiết bị của hệ thống được đặt bên trong tòa nhà lò nhằm mục đích bảo về khi có sự va chạm do vật thể bay bên ngoài, các thiết bị và bể được đặt trên cao nhằm mục đích sử dụng trọng lực để hoạt động và không cần đến nguồn năng lượng khác Ngoài ra các thiết bị của hệ thông còn được thiết kế ở các vị trí
thuận tiện cho việc bảo trì và sửa chữa Để đảm bảo tính an toàn theo nguyên
Trang 19tắc phân tách vật lý thì hệ thống được kết nối với các nguồn điện khác nhau để tránh trường hơp sai hỏng một bộ phận là sai hỏng cả hệ thống
Các thiết trao đổi nhiệt – bình ngưng được thiết kế để thực hiện chức năng làm giảm áp suất bên trong tòa nhà lò theo nguyên tắc là làm ngưng tụ hơi và loại
bỏ nhiệt do tuần hoàn tự nhiên nước làm mát của các bể tải nhiệt khẩn cấp Các van của hệ thống JMP được lắp đặt đạt theo yêu cầu về kỹ thuật NP-068-05 Tất
cả các van đều được làm bằng thép không rỉ và các đoạn nối với đường ống thì được hàn chặt Các ống được lắp đặt trong hệ thống JMP phải tuân theo các yêu cầu PNAE G-7-008-89 Tất cả các van đều được làm bằng thép không rỉ và các đoạn nối với đường ống thì được hàn chặt
Các hệ thống đường ống có thể chịu được áp suất cao theo OST 34-10-416-90: Các ống trao đổi nhiệt trong các thiết bị trao đổi nhiệt-bình ngưng có thể chịu đượcáp suất 0.7 MPa và nhiệt độ là 190ºC Các đường ống ở bên ngoài tòa nhà
lò tới các van cô lập (isolation valve) có thể chịu được áp suất 1.1 MPa và nhiệt
độ 190ºC Các đường ống ở bên ngoài tòa nhà lò giữa các van và bể tải nhiệt khẩn có thể chịu được áp suất 0.23 MPa và nhiệt độ 115ºC
Tất cả quá trình điều khiển và kiểm soát các thông số của hệ thống, cũng như các hệ thống cảnh báo và báo động khẩn cấp đều được đặt trong phòng điền khiển chính MCR Việc giám sát các thông số của quá trình , cũng như cảnh báo
và báo động khẩn cấp sẽ cung cấp các thông tin về hoạt động của hệ thống JMP khi ở các cơ chế điều khiển khi có sự cố nặng xảy ra sẽ được hiển thị trong
phòng điều khiển khẩn cấp [3]
1.5 Hoạt động của hệ thống trong điều kiện thông thường :
Trong trường hợp lò phản ứng hoạt động ổn định thì hệ thống JMP không hoạt động (ngoại trừ sự cố LOCA) Khi ở điều kiện này thì sự sẵn sàng của hệ thống được đảm bảo về các điều sau:
Trang 20 Kiểm tra tình trạng các thiết bị
Kiểm tra mực nước trong bể tải nhiệt khẩn cấp
Hỗ trợ nhiệt độ theo yêu cầu bên trong các bể [3]
1.6 Hoạt động của hệ thống trong điều kiện sự cố nặng :
Trong trường hợp xảy ra sự cố nặng hệ thống JMP sẽ hoạt động để làm giảm áp suất trong lò trong khoảng áp suất thiết kế, đặc biệt hệ thống này hoạt động tự động không cần tác động của nhân viên vận hành trong khoảng 24 giờ
Ban đầu , khi sự cố vỡ ống kênh lạnh xảy ra, nước ở trong đường ống có áp suất
là 16,2 MPa và nhiệt độ khoảng 324 độ C sẽ tràn ra ngoài; dẫn tới áp suất bên trong thùng lò phản ứng giảm xuống Vì áp suất thiết kế của tòa nhà lò chỉ là 0,5 MPa nên nước đi ra ngoài sẽ chuyển thành hơi quá nhiệt, nhiệt độ trong tòa nhà
lò tăng lên dẫn tới áp suất trong tòa nhà lò tăng lên Áp suất trong tòa nhà lò tăng lên sẽ kích thích hệ thống hoạt động Nhiệt được truyền từ hơi quá nhiệt bên trong tòa nhà lò vào trong các thiết bị trao đổi nhiệt ở dạng ống, nhờ đó áp suất và nhiệt độ trong tòa nhà lò giảm xuống mức ban đầu, hơi được ngưng tụ và điều này thể hiện rõ hiệu năng hoạt động của hệ thống tải nhiệt thụ động nhà lò Mặt khác, nhiệt được truyền từ tòa nhà lò vào trong ống sẽ làm cho nhiệt độ của nước bên trong ống tăng lên, cơ chế đối lưu tự nhiên sẽ xảy ra : nước nóng sẽ chuyển động lên trên dồn nước lạnh ở phía trên đi xuống Quá trình cứ thế tiếp diễn trong vòng 24 giờ
Hệ thống này được thiết kế hoạt động trong 24 giờ bởi vì nước trong các bộ trao đổi nhiệt hấp thụ nhiệt từ tòa nhà lò sẽ tăng nhiệt độ dẫn tới tăng áp suất trong
bể, đến một mức nào đó sẽ vượt quá áp suất thiết kế của các bộ trao đổi nhiệt, vì thế người ta phải thiết kế thêm các van an toàn (safety valve) để phòng ngừa trường hợp quá áp trong các bộ trao đổi nhiệt Nhiệt độ nước trong hệ thống tải nhiệt sẽ tăng lên tới một mức nào đó sẽ chuyển thành hơi Hơi này sẽ đi qua van
Trang 21an toàn và xả ra ngoài khí quyển (Ultimate Heat Sink) Do đó lượng nước trong
bể tải nhiệt sẽ dần dần giảm xuống Sau 24 giờ hệ thống sẽ được cấp nước thêm
từ các hệ thống cấp nước di động bên ngoài (mobile equipment) và các bể chứa nước dự trữ để hệ thống JMP vẫn tiếp tục hoạt động
Như trong hình 1.7 biểu diễn sự ảnh hưởng của hệ thống JMP đối với áp suất
bên trong tòa nhà lò khi có sự cố nặng xảy ra (vết vỡ có kích thước danh định
346 mm) [3]
Hình 1.7 : Ảnh hưởng của hệ thống JMP tới áp suất và nhiệt độ bên trong toà
nhà lò[3]
Đường 1 trong hình 1.7 mô tả nhiệt độ và áp suất bên trong tòa nhà lò khi không
có đóng góp của hệ thống tải nhiệt thụ động JMP
Đường 2 trong hình 1.7 mô tả nhiệt độ và áp suất bên trong tòa nhà lò khi có sự đóng góp của hệ thống tải nhiệt thụ động JMP [3]
Nhìn vào 2 hình vẽ trên ta thấy rằng nhiệt độ và áp suất trong tòa nhà lò khi có
hệ thống tải nhiệt thụ động sẽ thấp hơn so với khi không có hệ thống này Điều
này thể hiện rất rõ hiệu năng hoạt động của hệ thống
Trang 22Một số vấn đề cần lưu ý :
Hệ thống gọi là thụ động bởi vì nước bên trong bể tải nhiệt chuyển động theo cơ chế đối lưu tự nhiên : Nước nóng chuyển động lên trên dồn nước lạnh ở phía trên đi xuống Mặt khác, các thiết bị và bể được đặt trên cao nhằm mục đích sử dụng trọng lực để hoạt động và không cần đến nguồn năng lượng khác Nếu đặt bể tải nhiệt ở phía dưới thiết bị trao đổi nhiệt, đối lưu tự nhiên sẽ không xảy ra
Thiết kế thiết bị trao đổi nhiệt :
Lượng nhiệt trao đổi được tính theo công thức :
Q = U A ΔT Trong đó Q là lượng nhiệt truyền được, U là hệ số truyền nhiệt, A là diện tích trao đổi nhiệt, ΔT là độ chênh nhiệt độ trung bình
Ở đây ta thiết kế nhiều ống trao đổi nhiệt thay vì một ống vì như thế sẽ làm tăng diện tích trao đổi nhiệt, qua đó làm tăng lượng nhiệt tải đi từ tòa nhà lò
Trang 23CHƯƠNG 2 : ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG TẢI NHIỆT THỤ ĐỘNG NHÀ LÒ
VVER-1200/V491 BẰNG PHẦN MỀM RELAP 5
2.1 Giới thiệu về phần mềm RELAP 5 :
RELAP5 là phần mềm mô phỏng các quá trình thủy nhiệt trong diễn ra trong lò phản ứng nước nhẹ được phát triển bởi phòng thí nghiệm Idaho nhằm phân tích
an toàn lò phản ứng trong các quá trình chuyển tiếp như sự cố mất chất tải nhiệt (LOCA), sự cố mất nước cấp hoặc mất điện toàn bộ nhà máy [1]
Cấu trúc của chương trình RELAP5 được chia làm 3 khối: khối INPUT,khối transient/steady-state(TRNCTL) và khối stripping (STRIP):
Hình 2.1 : Cấu trúc khối dữ liệu trên cùng[2]
Trang 24Hình 2.2 : Cấu trúc khối TRNCTL[2]
Trong đó :
TRNSET : Kết nối thông tin giữa các khối dữ liệu, thiết lập các mảng
để điều khiển việc giải ma trận thưa
TRAN : Kiểm tra sự phát triển chuyển tiếp của lời giải, gần như mọi thời gian được thực hiện trong khối này, tiêu tốn nhiều bộ nhớ nhất và gần như mọi khối dữ liệu động phải ở trong bộ nhớ trung tâm và bộ nhớ yêu cầu khởi tạo, lưu trữ thường xuyên
TRNFIN : được thực hiện khi TRAN kết thúc chương trình con giải phóng không gian cho các khối dữ liệu động lực không cần thiết
Các chương trình con được điều khiển bởi TRAN bao gồm :
CHKLEV (Level Module hay Mô hình cấp độ) : điều khiển sự dịch chuyển của các mức dòng 2 pha giữa các khối thể tích
TRIP (Trip System Module hay Mô hình hệ thống ngắt ) : định giá trị các câu lệnh logic Mỗi câu lệnh trip là một câu lệnh đơn giản trả về giá trị logic “Đúng” hoặc “Sai” Nó quyết định hành động nào được nằm
Trang 25trong thành phần của modul khác Chẳng hạn như thành phần của van được cung cấp rằng việc đóng hay mở van dựa trên các giá trị của trip, thành phần bơm kiểm tra giá trị của trip để xác định xem bơm điện nào được ngắt bởi trip
TSTATE (Equation of State Boundary Volume Module hay Mô hình phương trình trạng thái ở các vùng biên của thể tích) : tính toán trạng thái thủy động của chất lỏng tại mỗi biên thể tích thủy động (thể tích phụ thuộc thời gian) Chương trình con này tính toán vận tốc của các khớp nối phụ thuộc thời gian
HTADV (Heat Structure Module hay Mô hình cấu trúc nhiệt) : giải phương trình truyền (hay dẫn) nhiệt, tính toán lượng nhiệt truyền qua mặt chất lỏng của thể tích thủy động
HYDRO (Hydrodynamic Module hay Mô hình thủy động) : giải
phương trình thủy động
RKIN (Reactor Kinetics Module hay Mô hình động học lò phản ứng) : tính toán mức công suất trong lò phản ứng bằng cách sử dụng không gian độc lập hay giải gần đúng phương trình động học điểm, trong đó giả thiết rằng công suất được tách thành các hàm phụ thuộc không gian và thời gian Chương trình con này cũng tính toán công suất tùy ý bằng cách sử dụng mô hình động học điểm nút đa chiều
CONVAR (Control System Module hay Mô hình hệ thống điều khiển) : cung cấp khả năng mô phỏng hệ thống điều khiển điển hình được sử dụng trong hệ thống thủy động
DTSTEP (Time Step Control Module hay Mô hình điều khiển bước thời gian) : xác định kích cỡ bước thời gian, điều khiển hiệu chỉnh đầu ra
và xác định xem các bước nhảy tức thời có nên chấm dứt hay không Trong suốt thời gian thực hiện chương trình, các modul này thông thường
Trang 26sẽ hiển thị trên màn hình thiết bị cuối các thông tin : thời gian CPU, thời gian bài toán, kích cỡ bước thời gian và sự cải tiến số lượng của tiêu
chuẩn đầu ra
Cấu trúc input của một chương trình RELAP 5 bao gồm các thẻ khai báo sau đây được thể hiện trong bảng 2.1 [1] [2]
Bảng 2.1 : Cấu trúc input của chương trình RELAP 5[1] [2]
Thẻ điều khiển Thẻ vẽ đồ thị Thẻ khai báo các thiết bị thủy động Thẻ khai báo cấu trúc nhiệt
Thẻ đầu vào động học lò phản ứng Thẻ dữ liệu dưới dạng bảng chung
Trong đó :
- Thẻ điều khiển : tên chương trình, các khai bao điều khiển thời gian tính toán, bước thời gian tính toán…
- Thẻ vẽ đồ thị: bao gồm các yêu cầu vẽ đồ thị hiển thị chọn lọc các thông số
ra màn hình, yêu cầu những thông số cần tính toán ra trong file output
- Thẻ khai báo các thiết bị thủy động: về hình học cũng như các thông số hoạt động như lưu lượng, áp suất, nhiệt độ… của từng thiết bị như ống, bơm, bình điều áp, chân nóng, chân lạnh…
- Thẻ khai báo cấu trúc nhiệt: khai bao về các đặc tính nhiệt của các thiết bị, bao gồm như công suất phát nhiệt, hệ số trao đổi nhiệt, nhiệt dung phụ thuộc vào vật liệu…
Trang 27- Thẻ đầu vào động học lò phản ứng: khai báo những thứ liên quan tới động học như công suất, độ phản ứng…
- Thẻ dữ liệu dưới dạng bảng chung: khai báo những yếu tố bổ xung cho các thẻ cấu trúc nhiệt hoặc động học lò phản ứng
2.1.2 Khái niệm về node hóa và một số yêu cầu cơ bản khi thực hiện node hóa :
Khi thực hiện quá trình tính toán với RELAP5 chúng ta sẽ phải làm quen với khái niệm sơ đồ node hóa Node hóa là mô phỏng một cách đơn giản hóa các mô hình của hệ thống thành các yếu tố hình học đơn giản như dạng ống(pipe), dạng vành khăn (annulus), dạng nhánh (branch) hay một số dạng đặc biệt khác và chia chúng thành các thể tích kiểm soát, các thể tích này được nối với nhau bởi các khớp nối (junction) thành các dạng hình học cụ thể Chương trình tính toán
sẽ tính trung bình các đặc tính của chất lỏng tại tâm của thể tích kiểm soát và các đại lượng vector của chất lỏng tại các mối nối
Việc node hóa đơn giản nhất của một mô hình là chia nó thành các thể tích kiểm soát có kích thước hình học như nhau Tuy nhiên việc lựa chọn thể tích kiểm soát phải đảm bảo tính ổn định về số học, thời gian chạy và miền hội tụ Tính ổn định về số học đòi hỏi tỷ số giữa chiều dài và đường kính của các node phải lớn hơn 1 Kích thước sẽ ảnh hưởng đến thời gian chạy của chương trình, với kích thước nhỏ hơn thì cần bước thời gian cũng nhỏ nhằm đảm bảo sự ổn định về mặt
số học [2]
2.1.3 Cơ sở lý thuyết của chương trình RELAP 5 :
Việc tiến hành giải các mô hình thủy nhiệt trong RELAP5 dựa vào 8 phương trình cho 8 biến phụ thuộc chính:
- Các phương trình bảo toàn khối lượng với trạng thái khí và lỏng
- Các phương trình moment với trạng thái khí và lỏng
Trang 28- Các phương trình bảo toàn năng lượng đối với khí & lỏng
- Phương trình bảo toàn khối lượng cho thành phần không ngưng tụ trong pha khí
- Phương trình bảo toàn khối lượng cho hòa tan trong pha lỏng
Trong đó 8 biến phụ thuộc chính bao gồm :
- Áp suất (P)
- Nội năng riêng phần của từng pha (Ug, Uf)
- Tỷ số thể tích hơi (hoặc khí) (còn gọi là tỉ số rỗng) (αg)
- Vận tốc cho pha khí và pha lỏng (vg, vf)
- Độ khô của khí không ngưng tụ (Xn) và mật độ Boron (ρb)
- Các biến độc lập bao gồm biến về thời gian (t) và khoảng cách (x)
Dưới đây là dạng cụ thể của từng phương trình :
Phương trình bảo toàn khối lượng :
Pha khí :
Pha lỏng :
Phương trình bảo toàn momen :
Pha khí :
Trang 30 Phương trình bảo toàn khối lượng cho chất hòa tan trong pha lỏng (ở đây chất hòa tan là boron) :
Chú ý : Các tương tác xảy ra trong mô hình bao gồm: truyền nhiệt qua tường,
ma sát với thành, truyền nhiệt và khối lượng qua mặt phân cách, ma sát giữa các mặt phân cách [2]
2.1.4 Cấu trúc tệp dữ liệu đầu vào [1] :
Tệp dữ liệu đầu vào của RELAP 5 mô tả toàn bộ các thuộc tính của hệ thống thủy nhiệt cần tính toán Vì thế, trước khi viết tệp dữ liệu đầu vào cần thu thập toàn bộ số liệu về hệ thống thủy nhiệt như : vật liệu trong cấu trúc nhiệt, hệ số dẫn nhiệt của cấu trúc nhiệt, tiết diện dòng chảy của ống dẫn nhiệt, tốc độ của bơm, chi tiết về vùng hoạt Các thẻ trong tệp dữ liệu đầu vào được tóm tắt trong bảng 2.2
Bảng 2.2 : Định dạng thẻ trong RELAP 5[1]
1 – 147 Mô tả dữ liệu bài toán
200 – 299 Điều khiển bước thời gian
Trang 311001 – 1999 Yêu cầu đóng / ngắt hoặc so sánh tập tin kết
xuất CCCXXNN Dữ liệu cấu trúc thủy động
6SSNNXXX Mô hình bức xạ / dẫn nhiệt
201MMMNN Dữ liệu thuộc tính cấu trúc nhiệt
20300000 – 20499999 Hình vẽ yêu cầu
205CCCNN hoặc 205CCCNN Thành phần điều khiển hệ thống
22000000 – 22099999 Dữ liệu đầu vào của bức xạ truyền qua
30000000 – 399999999 Đầu vào động học lò phản ứng
2.2 Đánh giá hiệu năng hoạt động của hệ thống tải nhiệt thụ động nhà lò VVER-1200/V491 (JMP) bằng RELAP 5 :
2.2.1 Sơ đồ node hóa hệ thống JMP :
Sơ đồ node hóa hệ thống JMP được trình bảy trên hình 2.3
Trang 32Hình 2.3 : Sơ đồ node hóa hệ thống JMP
Nhìn từ hình 2.3, như đã trình bày ở trên, hệ thống JMP bao gồm các bộ phận quan trọng sau :
- Bể chứa nước tải nhiệt khẩn cấp được đánh số 260 và 262
- Van an toàn được đánh số 101
- Thiết bị trao đổi nhiệt được đánh số từ 201 đến 205
- Các đường ống của thiết bị trao đổi nhiệt được đánh số 250, 240, 230, 295
Để có thể đánh giá hiệu năng hoạt động của hệ thống, trước tiên ta cần phải có
hệ thống cung cấp hơi để xem xét sự thay đổi của nhiệt độ và áp suất trong tòa
Trang 33nhà lò Trên sơ đồ, bộ phận sinh hơi được đánh số 400 có đặt điều kiện đầu vào
là áp suất, nhiệt độ và độ khô thay đổi theo thời gian Bình điều áp được đánh số
490 Các thiết bị 423 và 424 có vai trò điều chỉnh mực nước cho bình điều áp
490 Thiết bị 421 đóng vai trò là vòi phun cho bình điều áp và thiết bị 422 đóng vai trò là nơi xả hơi từ bình 490 ra môi trường thông qua van 421 Bể ngưng tụ hơi được đánh số 450 và 450 cũng chính là tòa nhà lò Hơi bắt đầu đi từ 400 kết hợp với sự điều chỉnh mực nước trong bình 490 tới ống nối 440, tiếp tục thông qua các đường ống và khớp nối tới ống ngưng tụ hơi (hay tòa nhà lò) 450
2.2.1.2 Hệ thống ống xả phóng xạ tòa nhà lò :
Hệ thống ống xả phóng xạ tòa nhà lò bao gồm ống nối 460, các van 455 và 470
và bể xả 480 Hệ thống này có tác dụng loại bỏ nước đọng được gom trên bể mặt các thiết bị trao đổi nhiệt được đánh số từ 201 đến 205, ngoài ra hệ thống này còn có tác dụng gom nước từ ống ngưng tụ hơi 450 khi có sự cố xảy ra
2.2.1.3 Hệ thống tải nhiệt thụ động JMP :
Trên sơ đồ hình 2.3, 2 bộ phận quan trọng của hệ thống là bể tải nhiệt được đánh
số 260, 262 và thiết bị trao đổi nhiệt được đánh số từ 200 đến 205 Ngoài ra còn
có van an toàn được đánh số 101 Thể tích 100 đóng vai trò là nơi xả khí ra môi trường khi áp suất trong hệ thống JMP tăng quá cao
2.2.2 Mô tả kịch bản và giải thích kết quả :
- Nhiệt độ bên trong tòa nhà lò trong thời gian xảy ra sự cố :
Trang 34Hình 2.4 : Nhiệt độ bên trong tòa nhà lò 450 khi sự cố xảy ra
- Áp suất bên trong tòa nhà lò trong thời gian xảy ra sự cố :
Hình 2.5 : Áp suất bên trong tòa nhà lò 450 trong thời gian xảy ra sự cố
Kết quả bài toán được chạy ra bởi file input được trình bảy trong phụ lục 1
Ta giải thích các kết quả này thông qua kịch bản như sau :
Bể tải nhiệt 260 và 262 chứa nước với áp suất và nhiệt độ ban đầu lần lượt là 1,05 bar và 27 độ C Thể tích 400 ban đầu có thể coi là lò phản ứng Lò phản ứng ban đầu có áp suất là 1,07 bar Ban đầu khi sự cố vỡ ống kênh lạnh xảy ra,
Trang 35áp suất trong lò phản ứng giảm xuống còn 1,0142 bar đồng thời hơi thoát ra ngoài Áp suất của hơi lúc này là 1,0142 bar tương ứng với nhiệt độ bão hòa là 100,001 độ C Sau đó ta cho tăng áp suất hơi lên 5 bar tương ứng với nhiệt độ bão hòa là 151, 83 độ C Hơi đi ra tòa nhà lò 450 lúc đó đang có áp suất là 1,05 bar và nhiệt độ là 27 độ C Khi đó hơi sẽ chuyển thành hơi quá nhiệt dẫn tới nén
áp trong tòa nhà lò 450, đồng thời nhiệt độ trong tòa nhà lò cũng tăng lên Áp suất trong tòa nhà lò tăng lên sẽ kích phát hệ thống tải nhiệt hoạt động Ban đầu các thiết bị trao đổi nhiệt từ 200 đến 205 chứa nước có nhiệt độ là 27 độ C tương ứng với áp suất 1,05 bar Quá trình trao đổi nhiệt giữa hơi quá nhiệt trong tòa nhà lò được thể hiện bởi cấu trúc nhiệt gắn liền giữa tòa nhà lò và thiết bị trao đổi nhiệt Nhiệt được truyền từ hơi quá nhiệt trong tòa nhà lò tới thiết bị trao đổi nhiệt do đó áp suất và nhiệt độ trong tòa nhà lò 450 giảm xuống, đồng thời trong
hệ thống JMP, quá trình đối lưu tự nhiên sẽ xảy ra Nhiệt độ trong các thiết bị trao đổi nhiệt tăng lên, nước nóng chuyển động đi lên trên tới các bể tải nhiệt
260 và 262 dồn nước lạnh đi xuống, làm cho nhiệt độ và áp suất trong bể tải nhiệt 260 tăng lên Tới một mức nào đó thì van 101 sẽ mở ra để làm giảm áp suất bên trong bể tải nhiệt Nước đọng trên các thiết bị trao đổi nhiệt từ 200 đến
205 sẽ được loại bỏ qua hệ thống ống xả phóng xạ tòa nhà lò
Trang 36Kiến nghị : Trong thiết kế hệ thống tải nhiệt thụ động JMP, các thành phần của
hệ thống đặc biệt là bể chứa nước tải nhiệt khẩn cấp phải hoạt động ổn định với
độ tin cậy cao để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho tòa nhà lò
Trang 37TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Trang 17, 18, 19, 20, 21, 22 – Mô phỏng và phân tích sự cố mất chất tải nhiệt (SBLOCA) trong lò phản ứng nước áp lực 4 vòng của Westinghouse bằng phần mềm RELAP 5 – VISA ( Đồ án tốt nghiệp – Nguyễn Hồng Quảng – K56 – Viện Kỹ thuật Hạt Nhân và Vật lý môi trường – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội ) [1]
2 Trang 1, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 – Tính toán phân tích sự cố mất nước làm mát (SBLOCA) lò phản ứng PWR bốn vòng của WH bằng chương trình RELAP 5 ( Đồ án tốt nghiệp – Hoàng Tân Hưng – K54 – Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý môi trường – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội ) [2]
3 BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ “III.3.15 Phân tích sự cố thiết kế cơ sở Ninh Thuận 1: Sự cố vỡ mất chất tải nhiệt dẫn đến thay đổi áp suất trong tòa nhà lò” (TS Nguyễn Văn Thái) [3]
4 RELAP5-3D© Code Manual (Idaho National Laboratory)
5 How to develop input data for the RELAP5 mod3.4 (Sumio Fujii)
Trang 3820300011 mflowj 231000000 1 mflowj 210010000 1 mflowj 210020000 1
20300022 mflowj 291000000 1 mflowj 270010000 1 mflowj 270020000 1
20300031 p 260200000 1 p 460020000 1 p 450010000 1
20300032 p 480010000 1
20300041 tempf 200010000 1 tempf 200020000 1 tempf 200030000 1
20300042 tempf 200040000 1 tempf 200050000 1 tempf 200060000 1
20300051 tempf 201010000 1 tempf 201020000 1 tempf 201030000 1
Trang 3920300052 tempf 201040000 1 tempf 201050000 1 tempf 201060000 1
20300061 voidg 460010000 1 voidg 460020000 1 voidg 460030000 1
20300062 voidg 460040000 1 voidg 460050000 1 voidg 460060000 1
20300071 httemp 200000601 1 httemp 200000501 1 httemp 200000401 1
20300072 httemp 200000301 1 httemp 200000201 1 httemp 200000101 1
20300081 httemp 201000101 1 httemp 201000103 1 httemp 201000105 1
20300082 httemp 201000601 1 httemp 201000603 1 httemp 201000605 1
20300141 tempf 240010000 1 tempf 240020000 1 tempf 240030000 1
20300142 tempf 240040000 1 tempf 240050000 1 tempf 240060000 1
20300151 tempf 210010000 1
20300161 p 260200000 1 p 260010000 1 p 240010000 1
20300162 p 240010000 1 p 210010000 1 p 200010000 1
20300163 p 200060000 1 p 270010000 1 p 280010000 1
20300171 tempf 450030000 1 tempf 450040000 1 tempf 450050000 1
20300172 tempf 450060000 1 tempf 450070000 1 tempf 450080000 1
Trang 4020300181 tempg 450030000 1 tempg 450040000 1 tempg 450050000 1
20300182 tempg 450060000 1 tempg 450070000 1 tempg 450080000 1
20300191 tsatt 450030000 1 tsatt 450040000 1 tsatt 450050000 1
20300192 tsatt 450060000 1 tsatt 450070000 1 tsatt 450080000 1
20300201 quala 450030000 1 quala 450040000 1 quala 450050000 1
20300202 quala 450060000 1 quala 450070000 1 quala 450080000 1
20300281 tsatt 260030000 1 tsatt 260040000 1 tsatt 260050000 1
20300282 tsatt 260060000 1 tsatt 260070000 1 tsatt 260080000 1
*
20300291 tempf 260030000 1 tempf 260040000 1 tempf 260050000 1
20300292 tempf 260060000 1 tempf 260070000 1 tempf 260080000 1
*