tính toán thủy nhiệt liên quan đến an toàn lò phản ứng, các tai nạn có thể xảy ra với lò phản ứng, tìm hiểu về cách sử dụng phần mềm RELAP5 để phân tích an toàn lò phản ứng

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 thảitừ những nguồn năng lượng này đang gây ra những tổn hại nghiêm trọng đến môi trườngtoàn thế giới. Các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời thânthiện với môi trường nhưng lại có giá thành quá cao. Việt Nam là quốc gia đang pháttriển và phấn đấu đến năm 2020 chúng ta sẽ trở thành một nước công nghiệp. Vì vậy, nhucầu năng lượng của Việt Nam là rất lớn cho phát triển công nghiệp. Năm 2010 chúng tađã phải nhập khẩu điện với tỷ lệ 4% và sẽ tăng lên 5,35% vào năm 2020. Để đáp ứng nhucầu ngày càng tăng cao về năng lượng, chúng ta đã quyết định sử dụng thêm năng lượngnguyên 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 sựcố TMI, Chernobyl, Fukushima cho thấy sự cần thiết của việc đảm bảo an toàn cho cácnhà máy điện hạt nhân.Trong phần thực tập của mình em đã tìm hiểu về các tính toán thủy nhiệt liên quanđến an toàn lò phản ứng, các tai nạn có thể xảy ra với lò phản ứng, tìm hiểu về cách sửdụng phần mềm RELAP5 để phân tích an toàn lò phản ứng.

Hoàng Tân Hưng-K54 i

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đồ án 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 đồ án này, giúp em đi đúng hướng và hoàn thành mục tiêu mà đồ án 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 K54, cảm ơn các bạn đã luôn động viên giúp đỡ kịp thời trong những lúc mình khó khăn nhất

Hoàng Tân Hưng-K54 ii

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan bản đồ án này do tôi tự tính toán, thiết kế và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của TS Nguyễn Văn Thái

Để hoàn thành đồ án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong phần tài liệu tham khảo, ngoài ra tôi không sử dụng bất cứ tài liệu nào khác mà không được ghi

Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định

Hoàng Tân Hưng-K54 iii

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN (PWR)VÀ SỰ CỐ MẤT NƯỚC LÀM MÁT (LOCA) 2

1.1 Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân 2

1.2 Sự cố mất nước làm mát trong lò phản ứng (LOCA) 5

1.2.1 Giới thiệu 5

1.2.2 Hiện tượng vật lý của lõi lò khi nhiệt độ tăng 5

1.2.3 Sự cố vỡ lớn (LBLOCA) 6

1.2.4 Sự cố vỡ ống nhỏ (SBLOCA) 8

1.3 Thiết kế an toàn lò phản ứng hạt nhân (ESF) 10

1.3.1 Chính sách an toàn của lò phản ứng 10

1.3.2 Hệ thống làm mát khẩn cấp(ECCS) 12

CHƯƠNG 2: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN AN TOÀN THỦY NHIỆT RELAP5 14

2.1 Giới thiệu về phần mềm RELAP5 14

2.2 Cấu trúc của chương trình RELAP5 14

2.3 Khái niệm về node hóa và một số yêu cầu cơ bản khi thực hiện node hóa 16

2.4 Cơ sở lý thuyết của chương trình: 17

2.5 Cấu trúc của dữ liệu đầu vào 19

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH SỰ CỐ MẤT NƯỚC LÀM MÁT (SBLOCA) LÒ PHẢN ỨNG PWR BỐN VÒNG CỦA WESTINGHOUSE BẰNG CHƯƠNG TRÌNH REPLAP5 21

3.1 Sơ đồ node hóa hệ thống: 21

Hoàng Tân Hưng-K54 iv

3.2 Thùng lò phản ứng 21

3.3 Hệ thống chân nóng và chân lạnh 21

3.4 Bình điều áp 22

3.5 Bình sinh hơi 22

3.6 Hệ thống bơm tuần hoàn 22

3.7 Mô hình hóa vết vỡ 22

3.8 Kịch bản sự cố 23

3.9 Phân tích kết quả 25

Kết luận 33

Tài liệu tham khảo 34

Error! Bookmark not defined PHỤ LỤC 34

Phụ lục 1:Trích input file các thiết bị trong vòng bị vỡ 34

Phụ lục 2: Các thiết bị trong thùng lò 50

Phụ lục 3: Mô hình hóa vết vỡ 64

Phụ lục 4: Trích output file ở tại thời điểm 300s 65

Hoàng Tân Hưng-K54 v

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1: Sơ đồ tổng quan nhà máy điện hạt nhân (PWR) 3

Hình 2: Mô hình vòng sơ cấp với 4 vòng của Westinghouse 3

Hình 3: Các sự kiện trong sự cố vỡ lớn (LBLOCA) 7

Hình 4: Sự cố vỡ ống nhỏ 10

Hình 5: Hệ thống làm mát khẩn cấp (ECCS) 12

Hình 7 : Các tương tác sử dụng trong RELAP5 19

Hình 8 : Sơ đồ NODE hóa hệ thống 24

Hình 9 : Nhiệt dư của lò phản ứng 25

Hình 10 : Sự thay đổi áp suất của hai vòng 26

Hình 11 : Áp suất với các kích thước vết vỡ khác nhau 27

Hình 12 : Lưu lượng nước qua vết vỡ 28

Hình 13: Mức nước trong nhiên liệu 29

Hình 14: Lượng nước trong binh sinh hơi 30

Hình 15: Tỷ lệ hơi và nước trong bình sinh hơi 30

Hình 16: Nhiệt độ của thanh nhiên liệu 32

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Các nhà máy điện hạt nhân bốn vòng (Westinghouse) 4

Bảng 2: Hiện tượng vật lý khi nhiệt độ của nhiên liệu tăng lên 5

Bảng 3: Cấu trúc input của chương trình RELAP5 15

Hoàng Tân Hưng-K54 vi

CÁC KÍ TỰ VIẾT TẮT PWR Lò phản ứng nước áp lực

HPIS Hệ thống bơm nước cao áp

LPIS Hệ thống bơm nước thấp áp

ACC Bình dự trữ

Hoàng Tân Hưng-K54 1

MỞ 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 thực tập của mình em đã tìm hiểu về các tính toán thủy nhiệt liên quan đến an toàn lò phản ứng, các tai nạn có thể xảy ra với lò phản ứng, tìm hiểu về cách sử dụng phần mềm RELAP5 để phân tích an toàn lò phản ứng

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

- Đưa ra các chiến lược giảm nhẹ hậu quả trong trường hợp xảy ra tai nạn

Giảng viên hướng dẫn Hà Nội, tháng 6 năm 2014

Sinh Viên

Hoàng Tân Hưng

Hoàng Tân Hưng-K54 2

CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN (PWR)VÀ SỰ CỐ MẤT NƯỚC LÀM MÁT (LOCA)

 Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân

Trên thế giới hiện nay sử dụng hai kiểu lò phản ứng chính là lò phản ứng nước sôi (BWR) và lò phản ứng nước áp lực (PWR) để sản suất năng lượng, chính phủ Việt Nam

đã quyết định lựa chọn kiểu lò nước áp lực để phát triển điện hạt nhân ở nước ta Cấu tạo của một lò phản ứng nước áp lực bao gồm hai vòng riêng biệt: vòng sơ cấp và vòng thứ cấp

Nước làm mát ở vòng sơ cấp với áp suất rất cao (khoảng 15.4Mpa) đi qua vùng hoạt

có nhiệm vụ làm chậm nơtron và làm mát vùng hoạt, sau khi nhận nhiệt từ vùng hoạt sẽ

có nhiệt độ khoảng (325 ˚C) sẽ đi qua thiết bị trao đổi nhiệt (steam generator) để trao đổi nhiệt với vòng thứ cấp Sau khi trao đổi nhiệt, nhiệt độ của nước giảm xuống và được bơm ngược trở lại lò phản ứng Dưới áp suất rất cao nên nước vòng sơ cấp không sôi Vòng thứ cấp nhận nhiệt của vòng sơ cấp từ bình sinh hơi sẽ sôi tạo ra hơi nước ở nhiệt độ 285˚C và áp suất 6.9MPa, hơi nước được dẫn đến turbine làm quay turbine phát điện, sau đó hơi nước được ngưng lại tại bình ngưng với sự làm mát của nước biển trước khi được gia nhiệt và quay lại chu trình

Do hoạt động dưới những điều kiện khắc nghiệt bởi áp suất và nhiệt độ cao nên các thiết kế của lò phản ứng cần phải đảm bảo an toàn cho nhà máy khi vận hành Trong phần

đồ án, em đã sử dụng chương trình RELAP5 để mô phỏng một lò phản ứng nước áp lực bốn vòng theo thiết kế của Westinghouse với công suất nhiệt 3600 MW khi gặp sự cố mất nước tải nhiệt với các kich cỡ khác nhau, kiểm tra các thông số vật lý của lò phản ứng, đưa ra những phân tích an toàn qua những thông số vật lý khi có sự cố xảy

Hoàng Tân Hưng-K54 3

Hình 1: Sơ đồ tổng quan nhà máy điện hạt nhân (PWR)

Hình 2: Mô hình vòng sơ cấp với 4 vòng của Westinghouse

Hoàng Tân Hưng-K54 4

Một số nhà máy điện hạt nhân bốn vòng của Westinghouse:

Số thứ tự Tên nhà máy Số vòng Công suất(MW) Thời gian

Hoàng Tân Hưng-K54 5

 Sự cố mất nước làm mát trong lò phản ứng (LOCA)

1 Giới thiệu

Sự cố mất nước làm mát trong lò phản ứng là tai nạn cơ bản được đặt ra trong tất

cả các thiết kế nhà máy điện hạt nhân trên thế giới LOCA có nhiều kịch bản khác nhau dựa trên vị trí và kích thước của vết vỡ

Dựa trên kích thước chúng ta có thể phân loại ra làm sự cố vỡ lớn (LBLOCA) và

vỡ nhỏ (SBLOCA) Trong phần đầu tiên ta sẽ tìm hiêu một số hiện tượng vật lý của lõi lò khi nhiệt độ của thanh nhiên liệu tăng lên

2 Hiện tượng vật lý của lõi lò khi nhiệt độ tăng

Nhiệt độ lớp vỏ khi vận hành bình thường 350

Vỏ thanh nhiên liệu xuất hiện lỗ hoặc bị phình ra do áp suất bên

trong tăng lên

Một số sản phẩm phân hạch dạng khí thoát ra khỏi nhiên liệu như

Kr,I, và Xe

Hình thành liên kết Fe-Zr, Ni-Zr

Chỗ phình ra của các thanh nhiên liệu ngăn cản nước làm mát đi

qua một số kênh dẫn

800-1450

Hơi nước ở nhiệt độ cao sẽ phản ứng với lớp vỏ Zr tạo ra H2

Quá trình oxi hóa làm cho lớp vỏ Zr trở lên giòn và dễ vỡ

Các hợp kim của thép bắt đầu nóng chảy

1450- 1500

Phản ứng sinh H2 trở thành tự động và được thúc đẩy bởi chính

nhiệt từ phản ứng đó, trừ khi Zr được ngâm trong nước làm mát

1500-1650

Zr ở lớp vỏ bắt đầu nóng chảy

Viên gốm UO2 bị phá vỡ giải phóng ra các sản phẩm phân hạch

1900

Bảng 2: Hiện tượng vật lý khi nhiệt độ của nhiên liệu tăng lên

Hoàng Tân Hưng-K54 6

3 Sự cố vỡ lớn (LBLOCA)

Kịch bản vỡ lớn là tai nạn cơ bản được đặt ra trong các thiết kế đầu tiên của nhà máy điện hạt nhân nước áp lực(PWR) Các giai đoạn của tai nạn bao gồm:

 Giai đoạn bùng phát(0-20s, dòng hai pha tốc độ cao)

- Xuất hiện vết vỡ lớn ở chân lạnh lò phản ứng làm giảm áp suất một cách nhanh chóng

- Dòng hai pha gồm nước và hơi thoát ra ngoài làm cho áp suất giảm đến áp suất bão hòa

- Tốc độ thoát của dòn hai pha nhỏ hơn so với nước ban đầu, vì vậy áp suất giảm chậm hơn

- Trong vòng 10s, hệ thống bơm nước cao áp cũng như bình dự trữ được tạo áp suất bằng nitơ bắt đầu bơm nước vào thùng lò thông qua chân lạnh

 Giai đoạn làm đầy lại(20-40s, áp suất trung gian khởi động hệ thống làm mát khẩn cấp ECCS đưa nước làm mát vào thùng lò)

- Trong vòng 10s, hệ thống bơm nước cao áp cũng như bình dự trữ được tạo áp suất bằng nitơ bắt đầu bơm nước vào thùng lò thong qua chân lạnh

- Dòng chảy qua khe biên của thùng lò có xu hướng ngăn nước làm mát đi vào thùng lò

- Khi áp suất giảm đủ giảm xuống hệ thống bơm thấp áp bơm một lượng nước lớn hơn vào trong lò

- Quá trình làm đầy phần đáy lò bắt đấu 23s sau khi vỡ

- Quá trình làm đầy mất khoảng 17s

 Giai đoạn làm ngập lại (40-250s, áp suất giảm gần đến áp suất khí quyển, phục hồi lại mức chất lỏng)

- Lõi lò phản ứng có thể bị trơ và khô trong giai đoạn bùng phát

- Nhiệt độ của nhiên liệu có thể tăng rất nhanh lên 1000˚C

Hoàng Tân Hưng-K54 7

- Nhiệt độ nhiên liệu giảm chậm do hơi vẫn chiếm phần lớn trong dòng chảy

- Cấu trúc nhiên liệu bị phá vỡ, các sản phẩm phân hạch giải phóng ra vòng sơ cấp cũng như nhà lò

- Quá trình làm ngập lại từ đáy lò lên phía trên

- Nước từ hệ thống làm mát khẩn cấp (ECCS) sau khi thoát ra khỏi vết vỡ được thu giũ lại ở hầm chứa

 Giai đoạn làm mát lâu dài(>250s)

- Hệ thống bơm thấp áp(LPIS) tiếp tục bơm một lượng lớn nước làm mát vào chân lạnh lò phản ứng

- Quá trình làm mát được thực hiện bởi sự đối lưu tự nhiên

- Hơi vẫn được sinh ra một lượng nhỏ trong nhiên liệu

- Hơi được ngưng tụ lại bởi hệ thống phun nước làm mát của nhà lò, được tập trung lại ở một bể, qua quá trình làm mát và xử lý, tiếp tục đươc đưa lại lò phản ứng

Hình 3: Các sự kiện trong sự cố vỡ lớn (LBLOCA)

Hoàng Tân Hưng-K54 8

4 Sự cố vỡ ống nhỏ (SBLOCA)

Trước tai nạn TMI ở Mỹ, mọi sự chú ý về phân tích an toàn đều tập trung vào sự

cố vỡ ống lớn, họ coi đó là kịch bản tai nạn cơ bản nhất của lò phản ứng hạt nhân

Sự cố vỡ ống nhỏ được định nghĩa cho vết vỡ với kích thước sao cho áp suất của

lò phản ứng giảm rất chậm khi có xuất hiện vết vỡ (<12 cm) Sự giảm áp suất chậm trong sự cố vỡ ống nhỏ dẫn đến những hiện tượng vật lý khác biệt so với sự cố vỡ ống lớn Ví dụ như áp suất trong lò phản ứng sẽ giảm chậm hơn đòi hỏi hệ thống bơm nước cao áp sẽ phải hoạt động trong thời gian dài hơn do hệ thống bơm thấp áp không thể đưa nước làm mát khi áp suất cao

Mặc dù sự cố vỡ ống lớn được coi là thiết kế tai nạn cơ bản của lò phản ứng, sự cố

vỡ ống nhỏ chỉ được quan tâm đến sau tai nạn TMI nhưng cũng rất quan trọng cần được phân tích chi tiết:

- Theo điều kiện ban đầu của sự cố vỡ ống nhỏ, sự giảm áp suất của vòng sơ cấp sẽ chậm hơn rất nhiều so với sự cố vỡ ống lớn

- Các cảm biến tự động phát hiện sự suy giảm áp suất, các thanh điều khiển được đưa xuống phản ứng dây chuyền, không còn năng lượng phân hạch, tuy nhiên nhiệt dư vẫn tiếp tục được giải phóng

- Khi áp suất giảm đến 126 bar, hệ thống bơm nước cao áp bắt đầu bơm một lượng nhỏ nước vào lò phản ứng

- Khi áp suất giảm xuống 70 bar, phần nước nóng vòng sơ cấp bắt đầu chuyển thành hơi

- Nước trong bình điều áp bị hóa hơi

Hoàng Tân Hưng-K54 9

- Những bọt hơi tập trung ở phía nóc của lò phản ứng do bơm vòng sơ cấp dừng hoạt động Bơm sẽ ngừng hoạt động trong suốt quá trình sự cố Nếu chúng hoạt động chúng sẽ càng làm cho nước thoát ra ngoài qua vết vỡ nhiều hơn, đó là lý do chính bơm nên dừng trong suốt quá trình LOCA Một lý do khác là bơm không thiết kế để bơm dòng hai pha nên chúng không thể hoạt động trong điều kiện dòng có cả nước và hơi

- Hơi nước tập trung toàn bộ phía nóc lò phản ứng là kết quả của quá trình giảm áp suất

và không thể thoát ra ngoài

- Nước làm mát thoát ra ngoài nhanh chóng trong vòng 250s, khi áp suất giảm đến ngưỡng hoạt động của bình dự trữ và hệ thống bơm thấp áp sẽ đưa một lượng lớn chất làm mát vào lò phản ứng

- Trong bình sinh hơi lượng hơi lượng hơi trở lên nhiều hơn

- Hơi được sinh ra trong nhiên liệu được ngưng lại trong bình sinh hơi chảy ngược lại nhiên liệu

- Nhiên liệu bị làm hở từ trên xuống phía dưới với áp lực của hơi

- Nước và hơi hòa trộn làm ướt lại phần phía trên của nhiên liệu

- Cũng như sự cố vỡ ống lớn, nhiên liệu có thể mất nước làm mát trong một thời gian ngắn

- Sự giảm áp suất cho phép hệ thống bình dự trữ và hệ thống bơm thấp áp cung cấp nước làm mát với áp suất thấp và lưu lượng lớn

- Nhiên liệu nhanh chóng được làm đầy lại và ở trạng thái tắt

Hoàng Tân Hưng-K54 10

- Sau khoảng thời gian dài >250s là thời gian làm mát lâu dài giống như đối với sự cố

có dân cư sinh sống nhằm đảm bảo dân chúng xung quanh khi có tai nạn xảy ra Các biện pháp đối phó lại với sự phát tán các vật liệu phóng xạ được chuẩn bị trong các nhà máy điện Chúng được gọi là thiết kế an toàn lò phản ứng

ESF bao gồm các hệ thống thiết bị có chức năng cung cấp nước làm mát cho lò phản ứng khi có các sự kiện bất thường hoặc vỡ ống ở những thiết bị hoặc hệ thống

Hoàng Tân Hưng-K54 11

quan trọng của lò phản ứng như hệ thống làm mát vòng sơ cấp, đường hơi chính, đường nước phản hồi chính

ESF bao gồm hệ thống làm mát khẩn cấp(ECCS), nhà lò phản ứng, hệ thống phun nước trong nhà lò phản ứng và hệ thống thông gió trong trường hợp vật liệu phóng xạ

bị giải phóng

Nguyên tắc thiết kế của hệ thống an toàn(ESF):

- Tính dư thừa: trong thiết kế, nhằm tránh những lỗi khi chỉ có một hệ thống hoạt động, các nhà máy điện hạt nhân yêu cầu ít nhất 2 hệ thống với năng lực bảo vệ của mỗi hệ thống là 100% hoặc ba hệ thống với năng lực 50% Trong các thiết kế mới hơn, các hệ thống sẽ được cài đặt nhiều hơn với khả năng đáp ứng cao hơn khi có một hệ thống không hoạt động

- Đa dạng hóa nguồn cấp điện hoạt động, hệ thống phát điện khẩn cấp với động cơ diesel, hơi từ turbine là nguồn cung ứng cơ bản của mạng điện Tuy nhiên, sau sự

cố Fukushima, khi hệ thống cấp điện bằng diesel không thể hoạt động được do sóng thần đưa nước biển vào làm ngập các máy phát diesel Các thiết kế đòi hỏi cần có những nguồn cấp điện khác như pin dự phòng hoặc các turbine gió, ngoài

ra cần có những nguồn dự phòng thụ động không dung đến điện năng như các hồ chứa lớn

- Tính độc lập: các hệ thống an toàn hoàn toàn độc lập với nhau, không có sự chia

sẻ giữa các lò phản ứng cũng như trong cùng một lò phản ứng

- Kiểm tra định kì hoạt động của các thiết bị thường xuyên hàng tháng nhằm đảm bảo sự hoạt động của các thiết bị cũng như sự sẵn sang của hệ thống khi có tai nạn xảy ra

Hoàng Tân Hưng-K54 12

1.6.2 Hệ thống làm mát khẩn cấp(ECCS)

Hệ thống làm mát vòng sơ cấp không được dừng lại trong trường hợp tai nạn, nếu không sẽ có hiện tượng tan chảy lõi lò phản ứng Khi LOCA xảy ra, hệ thống làm mát khẩn cấp sẽ có nhiệm vụ đưa nước làm mát vào lò phản ứng nhằm lấy đi lượng nhiệt

dư và giữ cho nhiên liệu nguyên vẹn trong suốt quá trình LOCA

Ngoài chức năng làm mát, hệ thống ECCS còn có tác dụng đưa lò phản ứng về trạng thái tắt hoàn toàn nhờ hòa tan một lượng lớn boron trong nước cấp

Hệ thống làm mát khẩn cấp bao gồm:

- Hệ thống bơm nước cao áp (HPIS)

- Hệ thống bơm nước thấp áp (LPIS)

- Bình dự trữ(ACC)

Hình 5: Hệ thống làm mát khẩn cấp (ECCS)

Hoàng Tân Hưng-K54 13

Khi vết vỡ nhỏ, thể tích nước bị mất ít, áp suất trong vòng sơ cấp vẫn còn cao hệ thống bơm nước cao áp có thể hoạt động bơm một lượng nhỏ với áp suất cao khoảng hơn 10 MPa Khi vết vỡ lớn, một lượng lớn nước thoát ra làm giảm áp suất vòng sơ cấp một cách nhanh chóng, khi đó hệ thống bơm nước thấp áp sẽ đưa một lượng lớn nước vào lò phản ứng với áp suất thấp hơn 4MPa Cả hai hệ thống này đều hoạt động nhờ năng lượng điện

Bình dự trữ là một bình được tạo áp nhờ khí nito ở áp suất 5MPa, thực hiện bơm nước vào lò phản ứng khi các hệ thống bơm nước cao áp và thấp áp trong thời gian khởi động và hoạt động mà không cần đến nguồn năng lượng nào

Một hệ thống làm mát khẩn cấp được thiết kế với ít nhất ba bình dự trữ(ACC), một bơm nước bổ sung, một bơm an toàn, một bơm tải nhiệt dư cùng hệ thống van và ống giúp làm mát nhiên liệu trong sự cố LOCA

Hình 6: Đáp ứng của hệ thống làm mát khẩn cấp (ECCS)

Như hình trên cho thấy, đường màu đỏ là lượng nước yêu cầu khi xảy ra tai nạn, và đáp ứng của hệ thống ECCS luôn đảm bảo yêu cầu của việc cấp nước lam mát vào hệ thống Trong giai đoạn bùng phát hệ thống bình dự trữ sẽ hoạt động đầu tiên do không cần khởi động hệ thống điện, sau đó hệ thống bơm nước cao áp và thấp áp sẽ đưa nước vào làm mát sau khi khởi động được các bơm

Hoàng Tân Hưng-K54 14

CHƯƠNG 2: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN AN TOÀN THỦY NHIỆT RELAP5

 Giới thiệu về phần mềm RELAP5

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 mát điện toàn bộ

 Cấu trúc của chương trình RELAP5

Cấu trúc của chương trình RELAP5 được chia làm 3 khối: khối INPUT,khối transient/steady-state(TRNCTL) và khối stripping (STRIP):

Cấu trúc khối dữ liệu trên cùng

Khối INPUT:xử lý dữ liệu đầu vào, chuẩn bị các khối dữ liệu cần thiết cho toàn bộ lựa chọn của chương trình

Khối TRNCTL: xử lý, tính toán trong các trạng thái chuyển tiếp và ổn định

Khối STRIP: trích dữ liệu từ file mô phỏng chuyển kết quả tính toán trong RELAP5 tới các phần mềm tính toán khác

Khối TRNCTL còn được chia làm các khối nhỏ hơn với chức năng khác nhau:

Hoàng Tân Hưng-K54 15

Bảng 3: Cấu trúc input của chương trình RELAP5

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

Hoàng Tân Hưng-K54 16

- 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…

- 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 bảng chung: khai báo những yếu tố bổ xung cho các thẻ cấu trúc nhiệt hoặc động học lò phản ứng

 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 (anuulus), 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 mối 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 vecto 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

Hoàng Tân Hưng-K54 17

 Cơ sở lý thuyết của chương trình:

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

- 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

- 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)

Phương trình bảo toàn khối lượng:

Hoàng Tân Hưng-K54 18

Phương trình bảo toàn momen:

Phương trình bảo toàn năng lượng

Phương trình bảo toàn khối lượng cho thành phần không ngưng tụ trong pha khí:

Hoàng Tân Hưng-K54 19

Phương trình bảo toàn khối lượng cho chất hòa tan trong pha lỏng:

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

Hình 7 : Các tương tác sử dụng trong RELAP5

 Cấu trúc của dữ liệu đầu vào

- Thẻ điều khiển

- Thẻ yêu cầu vẽ đồ thị

- Thẻ khai báo các thiết bị

- Thẻ khai báo các cấu trúc nhiệt

- Thẻ khai báo dữ liệu động học lò phản ứng

Hoàng Tân Hưng-K54 20

- Thẻ dữ liệu bảng chung

Một số nội dung dữ liệu đầu vào của RELAP5

- Cards 200-299, điều khiển bước thời gian

- Cards 401-599, các trip theo dõi các biến

- Cards 601-799, các trip logic

- Cards CCCXXXN, các thành phần thủy động lực học

- Cards 1CCCGXNN, đầu vào cấu trúc nhiệt

- Cards 201MMMNN, dữ liệu thành phần cấu trúc nhiệt

- Cards 202TTTNN, dữ liệu bảng chung

- Cards 30000000 -39999999, đầu vào động học lò phản ứng

Hoàng Tân Hưng-K54 21

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN PHÂN TÍCH SỰ CỐ MẤT NƯỚC LÀM MÁT (SBLOCA) LÒ PHẢN ỨNG PWR BỐN VÒNG CỦA WESTINGHOUSE BẰNG CHƯƠNG TRÌNH RELAP5

 Sơ đồ node hóa hệ thống:

Cấu trúc lò phản ứng nước áp lực (PWR) gồm có bốn vòng, công suất nhiệt 3600MW, trong đó sự cố vỡ ống nhỏ xảy ra ở chân lạnh của một vòng nên khi viết đã gộp ba vòng không xảy ra sự cố vào thành một vòng và một vòng xảy ra tai nạn

 Thùng lò phản ứng

Nước từ chân lạnh được đưa qua nhánh (300) qua khe biên (downcomer, 315) xuống phía đáy lò phản ứng (323) rồi chảy ngược lại qua nhiên liệu(335) để làm mát nhiên liệu và nhận nhiệt trước khi đi qua nhánh (345) và đi ra ngoài chân nóng

Ngoài ra trong thùng lò phản ứng còn có các yếu tố khác như phần khoang trên (310, 350) nóc lò phản ứng (356)

 Hệ thống chân nóng và chân lạnh

Hệ thống chân nóng và chân lạnh được mô phỏng bởi các yêu tố hình học dạng ống (100, 104, 200, 118, 214)

Hoàng Tân Hưng-K54 22

Trong chân nóng và chân lạnh còn có các nhánh nối với bình điều áp (102) hoặc nối với

Nước vòng thứ cấp đi từ dòng phản hồi chính(182, 282) vào bình sinh hơi được cấp nhiệt bởi nước vòng sơ cấp trong bình sinh hơi (170, 270) đi qua bộ tách hơi(171, 271) đi sau

đó đi lên đường hơi chính ( 186)

 Hệ thống bơm tuần hoàn

Hệ thống bơm tuần hoàn bơm nước từ chân lạnh của bình sinh hơi vào lò phản ứng gồm các bơm (113, 209) qua các ống 118, 214 vào chân lạnh của lò phản ứng

Ngoài ra trong đường nước vào còn có hệ thống làm mát khẩn cấp làm nhiệm vụ bơm nước vào chân lạnh lò phản ứng trong suốt quá trình xảy ra sự cố

 Mô hình hóa vết vỡ

Vết vỡ được mô phỏng bằng trip van 505 được nối với chân lạnh của lò phản ứng

212 đến tòa nhà lò 500 Kích thước vết vỡ được điều chỉnh bằng cách thay đổi độ mở của trip van, thời điểm xảy ra sự cố được điều chỉnh bằng thời gian mở van

Hoàng Tân Hưng-K54 23

- Khi áp suất xuống dưới 126.174 bar (2) là điêu kiện đầu để hệ thống bơm nước cao

áp bắt đầu bơm nước vào, hệ thống bổ sung nước sẽ trễ 5s sự kiện (2)

- Hệ thống cấp nước phụ trợ trễ 14s sau sự kiện (1)

- Điều kiện đầu của vết vỡ

- Thời gian đầu của vết vỡ

- Khi áp suất lên cao hơn 162.027 bar thì mở van 157 nhằm giảm áp suất xuống, khi áp suất nhỏ hơn 160.648 bar thì đóng van 157 lại

- Khi áp suất tại nắp bình sinh hơi nhỏ hơn 1.014 bar thì tiến hành thay đổi độ mở của van 185 và 285

- Kiểm tra tỉ lệ hơi ở bình sinh hơi nếu lớn hơn 0.39578 thì tiến hành bơm nước phản hồi từ 184 và 284 vào bình sinh hơi, khi tỷ lệ hơi nhỏ hơn 0.30838 thì ngừng lại

Hoàng Tân Hưng-K54 24

Hình 8 : Sơ đồ NODE hóa hệ thống

Hoàng Tân Hưng-K54 25

 Phân tích kết quả

Hình 9 : Nhiệt dư của lò phản ứng

Khi tai nạn xảy ra, tất cả các thanh điều khiển được đưa xuống một cách nhanh chóng

và dập tắt các phản ứng dây truyền và ngăn chặn năng lượng phát ra từ chúng Tuy nhiên vẫn còn một lượng lớn nhiệt tiếp tục được giải phóng do các chất phóng xạ là sản phẩm của quá trình phân hạch thoát ra gọi là nhiệt dư của lò phản ứng Phần nhiệt dư chiếm khoảng 7% công suất nhiệt của lò ở ngay thời điểm dập lò, sau đó giảm dần theo thời gian Với lò phản ứng 3600 MW thì ở thời điểm đầu công suất của nhiệt dư là khoảng

240 MW Hệ thống làm mát khẩn cấp có nhiệm vụ tải phần nhiệt dư ra khỏi nhiên liệu, tránh cho nhiệt độ tăng lên quá mức khiến cho nhiên liệu bị hư hỏng hoặc tan chảy sẽ giải phóng ra các chất phóng xạ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến môi trường sinh thái cũng như sức khỏe con người

Hoàng Tân Hưng-K54 26

Hình 10 : Sự thay đổi áp suất của hai vòng

Áp suất vòng sơ cấp và thứ cấp khi xảy ra tai nạn

Nhìn vào đồ thị ta thấy rằng sau khi xảy ra tai nạn, áp suất của vòng sơ cấp nhanh chóng giảm xuống sau khi giảm xuống dưới 128 bar hệ thống làm mát khẩn cấp bắt đầu hoạt động bằng hệ thống bơm nước cao áp giúp cho áp suất giảm chậm đi và dần dần ổn định

Áp suất vòng thứ cấp tăng dần do khi xảy ra sự cố mất nước làm mát lò phản ứng van cấp nước cấp và van đường hơi chính được khóa lại, nước được giữ lại trong bình sinh hơi tiếp tục tăng nhiệt độ khiến áp suất tăng lên Lúc đó áp suất hai vòng xấp xỉ bằng nhau

áp suất lò phản ứng

Hoàng Tân Hưng-K54 27

Hình 11 : Áp suất với các kích thước vết vỡ khác nhau

Từ hình vẽ ta thấy rằng kích thước vết vỡ ảnh hưởng rõ rệt tới sự thay đổi của áp suất, với vết vỡ 4 inch áp suất giảm mạnh xuống dưới ngưỡng khi hệ thống ECCS chưa kịp hoạt động và giữ ở trạng thái ổn định một cách nhanh chóng

Với vết vỡ 4 inch và 2 inch hệ thống bơm nước cao áp hoạt động giúp cho việc giảm

áp suất diễn ra chậm hơn, áp suất giảm từ tù đến giá trị ổn định mất một khoảng thời gian

Hoàng Tân Hưng-K54 28

Hình 12 : Lưu lượng nước qua vết vỡ

Do hoạt động dưới áp suất rất cao nên khi xuất hiện vết vỡ lượng nước thoát ra ngoài rất lớn trong giai đoạn bùng phát lên tới khoảng 600kg/s Khi áp suất của lò phản ứng giảm dần thì lưu lượng dòng vỡ cũng giảm dần theo thời gian Khi hệ thống làm mát khẩn cấp hoạt động sẽ đưa nước thêm vào lò phản ứng khiến cho lưu lượng nước giảm chậm hơn Nước sau khi qua vết vỡ được thu lại tại bể chứa trong lò phản ứng, thực hiện một số bước xử lý như trao đổi nhiệt, xử lý hóa học để đưa lại lò phản ứng trong quá trình làm mát lâu dài

Hoàng Tân Hưng-K54 29

Hình 13: Mức nước trong nhiên liệu

Trong điều kiện hoạt động bình thường của lò phản ứng thì nước vòng sơ cấp luôn được giữ ở điều kiện là nước chưa sôi( áp suất rất cao) nhằm đảm bảo nhưng yếu tố truyền nhiệt trong lò phản ứng Toàn bộ nhiên liệu sẽ được ngập hoàn toàn trong nước trong suốt qua trình vận hành Khi xảy ra sự cố mất nước làm mát theo một số nghiên cứu tại một vài thời điểm một phần nhiên liệu bị hở ra do sự sinh hơi trong quá trình tai nạn Trong hình vẽ ta có thể thấy nhiên liệu trong khoảng 300s đầu tiên trong sự cố LOCA với vết vỡ kích thước 3 inch vẫn luôn được ngập trong nước

Mức nước trong nhiên liệu

Mức nước trong nhiên liệu