tính toán nhiệt độ có thể giải quyết bằng cách kết hợp chƣơng trình RELAP5 và MCNP5

Đồ án tập trung vào tìm hiểu phân bố nhiệt độ trong một lò thực tế trong quátrình hoạt động 100% công suất. Nội dung chính bao hàm trong ba chƣơng.Chƣơng I chú trọng về giới thiệu hai chƣơng trình cơ bản đƣợc sử dụng chonghiên cứu. Trong đó đề cập đến lý thuyết và các khai báo đã sử dụng ở mỗi chƣơngtrình để giải quyết bài toán.Chƣơng II cung cấp các thông số của lò nƣớc áp lực Tomari liên quan đến tínhtoán cũng nhƣ phƣơng pháp nghiên cứu để giải quyết bài toán.Chƣơng III cung cấp kết quả các bài toán và thảo luận.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến ThS Trần Thùy Dương Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường Cô đã nhiệt tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi hoàn thành đồ án này

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường đã tạo mọi điều kiện giúp đỡ trong quá trình tôi hoàn thành đồ án này Đặc biệt là TS Nguyễn Văn Thái, phó Viện trưởng Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường Thầy đã có những góp ý và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình hoàn thành đồ án này

Đồng thời, tôi cũng xin cảm ơn ThS Trịnh Hữu Toản Thầy đã giúp đỡ để tôi hoàn thành đồ án một cách tốt nhất

Tôi cũng xin gửi lời tri ân đến gia đình, người thân đã luôn cổ vũ, khuyến khích tôi vươn lên trong suốt thời gian qua

Cuối cùng, tôi xin cảm ơn bạn bè cùng lớp KTHN&VLMT K54 đã động viên, chia sẻ, giúp đỡ tôi trong những lúc gặp khó khăn trong quá trình làm đồ án

Sinh viên Nguyễn Hải Thìn

Chương II cung cấp các thông số của lò nước áp lực Tomari liên quan đến tính toán cũng như phương pháp nghiên cứu để giải quyết bài toán

Chương III cung cấp kết quả các bài toán và thảo luận

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

Chương I TỔNG QUAN VỀ MCNP5 và RELAP5 2

1 Tổng quan chung về MCNP5 2

1.1 Giới thiệu chung 2

1.2 Dữ liệu hạt nhân và các phản ứng 4

1.3 Các khai báo cần thiết để giải quyết bài toán 5

2 Giới thiệu về RELAP5 13

2.1 Cấu trúc RELAP5 13

2.2 Cơ sở lý thuyết 14

2.3 Sử dụng RELAP5 để giải quyết bài toán 14

Chương II THÔNG SỐ LÒ TOMARI, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ CÁC BÀI TOÁN MÔ PHỎNG 19

1 Một số thông số về lò Tomari 19

2 Phương pháp nghiên cứu 30

3 Các bài toán mô phỏng 31

Chương III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 33

1 Bài toán 1: Bài toán cơ sở 33

2 Bài toán 2: Phân bố nhiệt độ trong lò ở trường hợp nguồn tại tâm lò ở trạng thái tới hạn, công suất 100% 37

3 Bài toán 3: Phân bố nhiệt độ của chất làm mát trong lò ở trường hợp nguồn tại vị trí đặt nguồn neutron ban đầu ở trạng thái tới hạn 40

KẾT LUẬN 46

TÀI LIỆU THAM KHẢO 47

PHỤ LỤC 48

1 Dữ liệu đầu vào cho MCNP5 48

2 Dữ liệu đầu vào cho RELAP5 79

Danh mục bảng biểu

Bảng 1 1 Định nghĩa các bề mặt mà MCNP sử dụng 7

Bảng 1 2 Các tally sử dụng trong MCNP5 11

Bảng 2 1 Phân bố nhiên liệu ở đầu chu trình 1 24

Bảng 2 2 Các thông số cơ bản của lò Tomari 26

Bảng 2 3 Một số thành phần vật liệu 29

Bảng 2 4 Khối lượng riêng các chất sử dụng trong khai báo 30

Bảng 3 1 Số lịch sử mỗi vòng của 150 chu kỳ và giá trị keff tương ứng 34

Bảng 3 2 Giá trị độ phản ứng khi so sánh với trường hợp lò có chung nhiệt độ 40

Bảng 3 3 Giá trị độ phản ứng khi so sánh với trường hợp lò có chung nhiệt độ 45

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Danh mục các hình vẽ đồ thị

Hình 1 1 Lịch sử ngẫu nhiên của một neutron 3

Hình 1 2 Cấu trúc top-down của chương trình RELAP5 13

Hình 2 1 Cấu trúc thanh nhiên liệu 19

Hình 2 2 Ma trận thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu 20

Hình 2 3 Cấu tạo bó thanh điều khiển 21

Hình 2 4 Cấu tạo bó thanh chất độc 22

Hình 2 5 Cấu tạo thanh nguồn ban đầu 23

Hình 2 6 Ma trận cho nhiên liệu (U,Gd)O2 24

Hình 2 7 Phân bố nhiên liệu ban đầu khi khởi động lò ở chu trình 1 25

Hình 2 8 Mặt cắt ngang vùng hoạt lò phản ứng hạt nhân 26

Hình 2 9 Sơ đồ thuật toán mở rộng 31

Hình 3 1 Lõi lò Tomari được mô phỏng 33

Hình 3 2 Nút hóa khu vực lõi lò Tomari 34

Hình 3 3 Kết quả khảo sát sơ bộ nhiệt độ thanh nhiên liệu 40 lần (lần lượt từ trái sang phải và từ trên xuống dưới) 35

Hình 3 4 Phân bố nhiệt độ chất làm chậm trong 10 lần lặp đầu tiên 36

Hình 3 5 Phân bố nhiệt độ chất làm chậm 37

Hình 3 6 Phân bố nhiệt độ của nhiên liệu 37

Hình 3 7 Phân bố nhiệt độ của nhiên liệu 38

Hình 3 8 Phân bố nhiệt độ của chất làm chậm 38

Hình 3 9 Phân bố công suất trong mô hình lò Tomari 39

Hình 3 10 Phân bố nhiệt độ chất làm chậm 41

Hình 3 11 Phân bố nhiệt độ nhiên liệu 41

Hình 3 12 Phân bố nhiệt độ nhiên liệu 42

Hình 3 13 Phân bố nhiệt độ chất làm chậm 42

Hình 3 14 Phân bố công suất trong mô hình lò Tomari 43

Hình 3 15 Phân bố nhiệt độ theo chiều cao vùng hoạt 44

Hình 3 16 Phân bố công suất trong lò thực tế 44

MỞ ĐẦU

Hiện nay, khủng hoảng năng lượng đang là vấn đề trọng tâm với mỗi quốc gia, đặc biệt là những quốc gia đang phát triển như Việt Nam Tuy nhiên, việc phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch hay thủy điện không chỉ gây ảnh hưởng đến môi sinh mà còn tạo nên nguy cơ mất an ninh năng lượng do sự cạn kiệt của chúng Còn một số giải pháp năng lượng mới thân thiện với môi trường và bền vững như năng lượng mặt trời, năng lượng gió,… thì hiện vẫn còn ngoài tầm với vì chi phí đầu tư và vận hành rất lớn Chính vì thế, điện hạt nhân trở thành một giải pháp sáng giá vì khả năng dung hòa giữa các yêu cầu về môi trường, kinh tế và năng lượng khi vận hành an toàn

Do đó, yêu cầu bức thiết đối với những kỹ sư hạt nhân là phải tính toán được các thông số của lò để kiểm tra và đảm bảo hoạt động an toàn của lò Trong đó, các hệ

số phản hồi âm có ảnh hưởng nhiều tới kết quả chính xác của tính toán cho lò như hiệu ứng Doppler, hệ số chất làm chậm,… Trong các phản hồi âm này, tính toán nhiệt độ có thể giải quyết bằng cách kết hợp chương trình RELAP5 và MCNP5 Do đó, tôi đã chọn

đề tài này nhằm tìm hiểu phân bố nhiệt độ và và ảnh hưởng của nó đến kết quả tính toán lò

Mục đích nghiên cứu: Đồ án ưu tiên việc tìm ra được phân bố nhiệt độ của chất làm mát và nhiên liệu trong lò

Đối tượng nghiên cứu: Đối tượng được nghiên cứu ở đây là vùng hoạt của lò Tomari số 3

Phạm vi nghiên cứu: Đồ án giới hạn nghiên cứu của mình trong khuôn khổ tìm hiểu riêng về phân bố nhiệt độ của lò ở đầu chu kỳ thứ nhất của lò Tomari

Phương pháp nghiên cứu: đồ án kết hợp hai chương trình RELAP5 và MCNP5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Chương I TỔNG QUAN VỀ MCNP5 và RELAP5

1 Tổng quan chung về MCNP5

1.1 Giới thiệu chung

MCNP là một chương trình tính toán quá trình vận chuyển Monte Carlo được phát triển tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos, Mỹ Nó có thể được sử dụng cho một vài chế độ vận chuyển: chỉ neutron, chỉ photon, chỉ electron, kết hợp vận chuyển neutron/photon trong đó photon được sinh ra bởi các tương tác của neutron,

neutron/photon/electron, photon/electron hay electron/photon Dải năng lượng của neutron là từ 10-11 MeV đến 20 MeV cho toàn bộ các đồng vị và tới 150 MeV cho một

số đồng vị, dải năng lượng cho photon là từ 1 keV tới 100 GeV và dải năng lượng của electron từ 1keV tới 1 GeV Khả năng tính toán giá trị riêng keff cho các hệ thống phân hạch cũng là một tính năng chủ chốt

Người dùng có thể tạo một tệp đầu vào sẽ được đọc sau đó bởi MCNP Tệp này bao gồm những thông tin về vấn đề trong các mặt như: hình học, vật liệu, vị trí và tính chất nguồn, tally mong muốn,…

Monte Carlo có thể nhân bản lý thuyết một quá trình thống kê (như tương tác của các hạt nhân với vật liệu) và đặc biệt hữu ích trong các trường hợp hình học phức tạp Các sự kiện xác suất của một quá trình được mô phỏng tuần tự Các phân bố xác suất kiểm soát những sự kiện này được mẫu hóa thống kê để mô tả về toàn bộ hiện tượng nói chung, mô phỏng được biểu diễn trên một máy tính vì số lần thử cần thiết để

mô tả đầy đủ hiện tượng thường là cực kỳ lớn Quá trình mẫu hóa thống kê dựa trên sự lựa chọn của các số ngẫu nhiên – tương tự như như ném xúc xắc – do đó có tên “Monte Carlo” Trong vận chuyển hạt, kỹ thuật Monte Carlo có tính hiện thực ưu việt Nó sẽ theo dõi từng hạt từ lúc hạt sinh ra đến khi mất đi theo một số phương cách (hấp thụ, rò,…) Các phân bố thống kê được mẫu hóa ngẫu nhiên sử dụng dữ liệu vận chuyển để xác định kết quả trong từng bước thời gian

Hình 1 1 Lịch sử ngẫu nhiên của một neutron Hình 1.1 đại điện cho lịch sử ngẫu nhiên của một hạt neutron đi tới một bản phẳng vật liệu có thể diễn ra quá trình phân hạch Các số nằm giữa 0 và 1 được lựa chọn ngẫu nhiên để xác định tương tác nào (nếu có) và ở đâu nó xảy ra dựa trên các quy luật (vật lý) và thống kê (dữ liệu vận chuyển) kiểm soát các quá trình và vật liệu liên quan Trong ví dụ này, một hạt neutron va chạm xảy ra ở sự kiện 1 Hạt neutron đó

bị tán xạ theo như hướng trong hình vẽ, hướng này được lựa chọn ngẫu nhiên từ phân

bố tán xạ thực tế Một hạt photon cũng được tạo ra và tạm thời lưu giữ hoặc “đóng băng” để phân tích sau Ở sự kiện 2, phân hạch xảy ra, dẫn đến sự biến mất của neutron đến và sinh ra hai neutron bay ra cùng một photon Một neutron và một photon được

“đóng băng”để phân tích sau Hạt neutron sinh ra do phân hạch đầu tiên bị bắt ở sự kiện 3 và biến mất Hạt neutron được “đóng băng” lúc phân hạch giờ được phục hồi và bởi mẫu hóa ngẫu nhiên, rò ra khỏi mặt phẳng ở sự kiện 4 Hạt photon sản phẩm của phân hạch có một va chạm ở sự kiện 5 và rò ra ngoài ở sự kiện 6 Hạt photon còn lại được tạo ra ở sự kiện 1 bây giờ được theo dõi và bị bắt ở sự kiện 7 Chú ý rằng MCNP

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Lịch sử neutron này giờ đã hoàn thành Càng nhiều lịch sử được theo dõi, các phân bố của neutron và photon càng gần với dạng đã biết Khía cạnh mà người dùng quan tâm sẽ được đưa ra trong tally kèm theo ước tính sai số thống kê của kết quả

1.2 Dữ liệu hạt nhân và các phản ứng

MCNP sử dụng các thư viện dữ liệu nguyên tử và hạt nhân năng lượng liên tục

Dữ liệu được đánh giá được chuyển thành một định dạng xấp xỉ cho MCNP bằng các

mã như NJOY

Các bảng số liệu hạt nhân hiện có đối với các tương tác neutron, các tương tác photon và các photon (được tạo ra do neutron), phép đo liều hay kích hoạt neutron trong môi trường có tính đến chuyển động nhiệt của các phân tử Mỗi bảng số liệu sẵn

có trong MCNP được lập danh sách trên tệp thư mục XSDIR Người sử dụng có thể lựa chọn các bảng số liệu hạt nhân qua các ký hiệu nhận dạng duy nhất ZAID đối với mỗi bảng Nhìn chung, các ký hiệu nhận dạng này chứa số nguyên tử Z, số khối A và thư viện riêng ID

Trên 836 bảng tương tác hạt nhân được sử dụng cho xấp xỉ 100 nguyên tố khác nhau Có nhiều bảng dùng cho một đồng vị đơn lẻ vì dữ liệu được lấy từ những giá trị khác nhau, vì khoảng nhiệt độ khác nhau và dung sai khi xử lý khác nhau Dữ liệu các phản ứng photon ( được tạo ra từ neutron khi có tương tác) được đưa vào như là một phần của các bảng tương tác neutron

Bảng tương tác photon hiện có cho tất cả các nguyên tố có Z =1 tới Z=100 Dữ liệu trong bảng tương tác photon cho phép MCNP đếm số tán xạ đàn hồi, không đàn hồi, hấp thụ quang điện với xác suất phát huỳnh quang và tạo cặp.Tiết diện phản ứng cho gần 2000 phản ứng liên quan tới 400 hạt nhân bia ở trạng thái bền và kích thích

là một phần của bộ số liệu hạt nhân trong MCNP

Các đơn vị được sử dụng trong chương trình MCNP:

2 Năng lượng theo MeV,

3 Thời gian theo “shake” (1 shake = 10x10-9 s = 10-8 s )

4 Nhiệt độ theo MeV (kT),

5 Mật độ nguyên tử có đơn vị: nguyên tử/barn-cm

6 Khối lượng riêng theo g/cm3

7 Tiết diện phản ứng theo barns (10-24 cm2 ),

8 Suất sinh nhiệt (heating numbers) theo MeV/va chạm

9 Tỷ lệ khối lượng nguyên tử dựa trên khối lượng của một neutron là

1.008664967 amu Trong các đơn vị này, số Avogadro là 0.59703109 x 10+24

1.3 Các khai báo cần thiết để giải quyết bài toán

1.3.1 Khai báo các thẻ ô (cell cards)

Các thẻ ô là mục đầu tiên đứng sau tiêu đề Không có dòng trắng nào phân cách giữa phần tiêu đề và phần thẻ ô Trong phần này các ô sẽ được định nghĩa về hình dạng của nó và vật liệu được điền trong đó Mẫu chung của thẻ ô có dạng như sau:

hoặc j LIKE n BUT ds

Trong đó j là một giá trị nguyên có giá trị từ 1 đến 99999 dùng để đặt tên cho ô

m là số vật liệu, xác định rằng ô được điền đầy bằng vật liệu nào trong thẻ khai báo vật liệu Mm Khi m=0 có nghĩa là ô trống

d là khối lượng riêng của vật liệu trong ô Giá trị dương có nghĩa d được lấy

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

g là thành phần mô tả hình học của ô Nó bao gồm một số các mặt được ký hiệu

và các dấu logic để xác định khu vực ô được bao bọc bởi các mặt

ds là các tham số tùy chọn để mô tả thông số nào đó của ô theo dạng

“từ_khóa=giá_trị” ví dụ khai báo nhiệt độ của ô ở 1000K sẽ là tmp=8.617e-8

n là số (tên) của ô khác

ds là danh sách các tham số định nghĩa các thuộc tính mà ô n khác ô j

1.3.2 Khai báo các mặt (surface cards)

Trong MCNP5, ta có thể định nghĩa mặt bằng phương trình, điểm hay các khối (macrobody) Tuy nhiên, trong bài toán mô phỏng này, ta chỉ sử dụng các mặt được định nghĩa bằng phương trình và có dạng khai báo như sau:

trong đó

j là số mặt, có dấu sao (*) nghĩa là mặt phản xạ

a là phần khai báo về loại mặt (mặt phẳng, mặt trụ, ….) như bảng 1.1

ds là các tham số cần có cho loại mặt được khai báo tại a với thứ tự nhất định ví

dụ mặt phẳng 12 có phương trình f(x,y,z)=x+2y+3z-4=0 sẽ được khai báo như sau:

Mọi bề mặt đều có một miền logic “dương” và một miền logic “âm” Hai miền logic này được ngăn cách bởi chính bề mặt đó Để xác định được đâu là miền logic

“dương”, đâu là miền logic “âm” ta sử dụng phương pháp sau: mọi điểm mà

( ) thì thuộc miền logic “dương” của bề mặt đó và mọi điểm mà

( ) thì thuộc miền logic “âm” của bề mặt đó Bảng 1.1 là danh sách định nghĩa các bề mặt mà MCNP sử dụng để thiết lập hình học của vấn đề mô phỏng

±1 sử dụng để xác định hướng trục của mặt nón Ví dụ nếu trục hình trụ K/X huớng theo chiều dương

của trục ox thì giá trị được khai báo sẽ là +1 và ngược lại.

z

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

1.3.3 Khai báo thẻ dữ liệu(data card)

1.3.3.1 Loại chế độ (mode card)

Dạng khai báo: MODE x1…xi

Trong đó xi = N cho vận chuyển neutron

P cho vận chuyển photon

E cho vận chuyển electron Trong đồ án này, ta sẽ tính toán đến vận chuyển neutron Thẻ này có thể khai báo hoặc không vì vận chuyển neutron được mặc định nếu thiếu thẻ này

NSRCK là số lịch sử của nguồn mỗi chu kỳ

RKK là giá trị dự đoán ban đầu cho keff

IKZ là số chu kỳ được bỏ qua trước khi tính toán tally

KCT là tổng số chu kỳ cần hoàn tất

MSRK là số lượng nguồn điểm được đưa vào tính toán

KNRM là chuẩn hóa các tally bằng 0 hay khối lượng / 1 hoặc histories

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP KC8 là tóm lược và tính toán giá trị trung bình dựa trên:

- 0 là toàn bộ lò

- 1 là không tính các chu kỳ bỏ qua

Đi kèm với thẻ KCODE trong tính toán tới hạn là thẻ KSRC có dạng như sau: KSRC x1 y1 z1 x2 y2 z2

Trong đó xi, yi, zi là vị trí các nguồn điểm ban đầu

- Sai số lớn hơn 50% thì kết quả không có nghĩa

- Sai số nằm giữa 20% và 50% thì kết quả có thể tin cậy trong một số rất ít trường hợp

- Sai số nằm giữa 10% và 20%, kết quả nghi vấn

- Sai số dưới 10% thì kết quả thường đáng tin cậy ngoại trừ các đầu dò

- Sai số cho đầu dò đáng tin khi dưới 5%

F6 Năng lượng tích lũy trung bình trong ô mạng MeV/g F7 Năng lượng phân hạch tích luỹ trung bình trong ô mạng MeV/g F8 Phân bố năng lượng của xung hình thành trong đầu dò Xung

1.3.3.4 Vật liệu

Các thẻ trong nhóm này cung cấp thông tin về hợp chất của các đồng vị có trong các ô Đồng thời, các thẻ cũng xác định thư viện tiết diện phản ứng nào được sử dụng Các thẻ được sử dụng trong bài toán có dạng:

Mn ZAID1 fraction1 ZAID2 fraction2 …

n tương ứng với số của vật liệu trong các thẻ ô

ZAIDi bao gồm mô tả đầy đủ ZZZAAA.nnX hoặc một phần nguyên tố

ZZZAAA hoặc định danh hạt nhân cho thành phần i, trong đó ZZZ là số nguyên tử, AAA là số khối, nn là định danh của thư viện và X là lớp dữ liệu

fractioni là tỷ lệ nguyên tử (hoặc tỷ lệ khối lượng nếu là số âm ) của thành phần

i trong vật liệu

1.3.4 Các thẻ lặp cấu trúc

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Nhờ đó, khối lượng dữ liệu đầu vào mà người dùng phải cung cấp và lượng bộ nhớ của máy tính cần thiết để chạy cho các bài toán có nhiều hình học lặp được giảm xuống Các thẻ liên quan đến tính năng lặp cấu trúc là U (universe), FILL, TRCL, URAN, LAT (lattice) và các thẻ ô có thêm LIKE m BUT Trong đó ta sử dụng các thẻ được mô

tả sau đây

Thẻ vũ trụ, thẻ U (U card), được dùng để xác định ô thuộc vũ trụ nào

Thẻ FILL được dùng để xác định vũ trụ nào điền vào trong ô

Thẻ mạng, thẻ LAT (LAT card), được dùng để định nghĩa một dãy vô hạn các hình lăng trụ lục giác hoặc hình khối sáu mặt (như hình lập phương)

Tính năng “LIKE m BUT” là một cách viết tắt để mô tả một ô dựa trên một ô khác tương đương ngoại trừ một số thuộc tính sai khác được khai báo thông qua các cú pháp từ_khóa=giá_trị

2 Giới thiệu về RELAP5

RELAP5 là chuỗi mã được phát triển tại phòng thí nghiệm quốc gia Idaho (INL) dưới sự bảo trợ của Bộ Năng lượng Mỹ, Ủy ban Pháp quy Hạt nhân (Nuclear

Regulatory Commission) Mỹ Ứng dụng của RELAP5 bao gồm mô phỏng các quá trình chuyển tiếp/ổn định trong hệ thống lò nước nhẹ (như mất chất làm mát); các quá trình chuyển tiếp khi vận hành (như mất nước cấp, mất điện,…) RELAP5-3D bản mới nhất có thể ứng dụng rộng rãi cho các chuyển tiếp nhiệt và thủy lực trong cả các hệ thống hạt nhân và phi hạt nhân liên quan đến hỗn hợp hơi, lỏng, khí không ngưng tụ và chất hòa tan không bay hơi

2.1 Cấu trúc RELAP5

RELAP5-3D được viết bằng ngôn ngữ FORTRAN95 cho cả máy tính 32 bit và 64 bit Nó được viết dạng mô đun theo cấu trúc trên dưới (top-down) Các mô hình và quy trình khác nhau được cô lập trong các chương trình con riêng biệt

Hình 1 2 Cấu trúc top-down của chương trình RELAP5 Khối đầu vào (INPUTD) chạy tệp đầu vào, kiểm tra dữ liệu và chuẩn bị các khối dữ liệu cần thiết cho toàn bộ lựa chọn trong chương trình

Khối chuyển tiếp/ổn định (TRNCTL) xử lý các điều kiện cần thiết cho cả hai quá trình ổn định và chuyển tiếp của mô hình mà người dùng đưa ra

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 2.2 Cơ sở lý thuyết

Mô hình thủy nhiệt RELAP5-3D giải quyết tám phương trình trường cho tám biến phụ thuộc sơ cấp Các biến này là áp suất (P), nội năng riêng của pha (Ug,Uf), hệ số thể tích hơi/khí (hệ số trống)(αg), vận tốc pha (vg,vf), chất lượng không ngưng tụ (Xn) và mật độ boron (ρb) Đối với phương trình một chiều, các biến độc lập là thời gian (t) và khoảng cách (x) Trong đó, đại lượng chất lượng khí không ngưng tụ (Xn) được định nghĩa là tỷ số về khối lượng khí không ngưng tụ trên tổng khối lượng khí:

(1.1) Đối với phương trình đa chiều, các biến độc lập là thời gian (t) và khoảng cách (x.y.z với hệ Cartesian; r, ,z với hệ hình trụ) Các biến phụ thuộc thứ cấp sử dụng trong các phương trình này là mật độ pha (ρg,ρf), nhiệt độ pha (Tg,Tf), nhiệt độ bão hòa và chất lượng không ngưng trong pha khí (Xni) của loại thứ i

(1.2) 2.3 Sử dụng RELAP5 để giải quyết bài toán

2.3.1 Nút hóa

Để sử dụng RELAP5 cần quan tâm đến khái niệm nút hóa Việc nút hóa là mô phỏng một cách đơn giản hóa các hệ thống thành các yếu tố hình học dạng ống, dạng nhánh, dạng vành khăn hay một số dạng đặc biệt khác và chia chúng thành các thể tích kiểm soát hay các nút Các mô hình khi được mô phỏng sẽ được chia thành nhiều thể tích kiểm soát với các mối nối (junction) ở đầu vào và đầu ra Các mối nối liên kết các thể tích kiểm soát lại với nhau thành các dạng hình học hay thành phần cụ thể Chương

trình sẽ tính toán trung bình các đặc tính của chất lỏng tại tâm của thể tích kiểm soát trong toàn bộ mô hình và các đại lượng vec tơ của chất lỏng tại các mối nối

2.3.2 Các thành phần khai báo trong bài toán

Khai báo dữ liệu đầu vào cho RELAP 5 để giải quyết bài toán có cấu trúc cơ bản như sau:

- Các thẻ dữ liệu điều khiển chương trình

- Các thẻ khai báo dữ liệu thủy động

- Các thẻ khai báo cấu trúc nhiệt

- Các thẻ khai báo bảng

2.3.2.1 Các thẻ dữ liệu điều khiển chương trình

Nhóm này bao gồm:

- Tên bài toán: mo hinh loi lo

- Trạng thái tính toán: Sử dụng “NEW” và “TRANSNT”

- Đơn vị đầu vào và đầu ra: đều sử dụng hệ SI

- Kiểm soát bước thời gian

2.3.2.2 Các thẻ khai báo dữ liệu thủy động

Các thành phần được khai báo trong thẻ này gồm có: thể tích đơn(SNGVOL), thể tích phụ thuộc thời gian (TMDPVOL), mối nối phụ thuộc thời gian (TMDPJUN), ống (PIPE), vành khăn (ANNULUS), nhánh (BRANCH)

a Thể tích đơn

Thể tích đơn được khai báo cho một số vị trí nút hóa nằm trong hệ thống; bao gồm các thẻ:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Trong đó CCC là ký hiệu chung thay cho các số hiệu của từng thành phần

b Thể tích phụ thuộc thời gian

Thể tích phụ thuộc thời gian được khai báo ở đầu vào và đầu ra của hệ thống để đặt các điều kiện biên; bao gồm các thẻ:

- Thẻ CCC0000: tên thể tích và loại thành phần (TMDPVOL)

- Thẻ CCC0101 đến CCC0109: khai báo các dữ liệu hình học của thể tích

- Thẻ CCC0200: cung cấp từ kiểm soát dữ liệu phụ thuộc thời gian

- Thẻ CCC0201 đến CCC0299: dữ liệu phụ thuộc thời gian của thể tích

c Mối nối phụ thuộc thời gian

Mối nối phụ thuộc thời gian được khai báo ở gần đầu vào và đầu ra để kiểm soát lưu lượng nước làm mát; bao gồm các thẻ

- Thẻ CCC0000: tên thể tích và loại thành phần (TMDPJUN)

- Thẻ CCC0101: khai báo hình học cho mối nối

- Thẻ CCC0201 đến CCC0299: khai báo dữ liệu phụ thuộc thời gian của mối nối

d Ống và vành khăn

Ống và vành khăn là hai dạng mô hình thủy nhiệt được dùng để khai báo cho nước chảy trong khu vực lõi lò Nó bao gồm nhiều thể tích và mối nối bên trong và bao gồm các thẻ:

- Thẻ CCC0000: tên và loại thành phần (PIPE hoặc ANNULUS)

- Thẻ CCC0001: thông tin về thành phần

- Thẻ CCC0101: khai báo diện tích dòng thể tích và số thể tích bên trong

- Thẻ CCC0201: khai báo diện tích mối nối và số mối nối bên trong

- Thẻ CCC0301 đến CCC0399: khai báo về độ dài của các thể tích bên trong

- Thẻ CCC0401 đến CCC0499: khai báo về các giá trị thể tích nằm bên trong

- Thẻ CCC0501 đến CCC0599: khai báo về các góc so với phương ngang của thể

- Thẻ CCC0601 đến CCC0699: khai báo về các góc so với phương thẳng đứng của thể tích

- Thẻ CCC0701 đến CCC0799: khai báo về độ chênh giữa đầu ra và đầu vào của thể tích

- Thẻ CCC0801 đến CCC0899: dữ liệu về ma sát

- Thẻ CCC0901 đến CCC0999: khai báo về hệ số tổn thất khi đi qua mối nối

- Thẻ CCC1001 đến CCC1099 : các nhãn kiểm soát thể tích

- Thẻ CCC1101 đến CCC1199: các nhãn kiểm soát mối nối

- Thẻ CCC1201 đến CCC1299: điều kiện ban đầu của các thể tích

- Thẻ CCC1300: từ kiếm soát các điều kiện của mối nối

- Thẻ CCC1301 đến CCC1399: các điều kiện ban đầu của mối nối

e Nhánh

Nhánh là thành phần được khai báo để kết nối với nhiều hơn hai thành phần trong khu vực lõi lò cùng lúc Nó bao gồm các thẻ:

- Thẻ CCC0000: khai báo tên và loại thành phần (BRANCH)

- Thẻ CCC0001: thông tin của nhánh

- Thẻ CCC0101 đến CCC0109: thông tin về thể tích của nhánh

- Thẻ CCC0200: điều kiện ban đầu của nhánh

- Thẻ CCCN101đến CCCN109: hình học của mối nối thứ n

- Thẻ CCCN201: các điều kiện ban đầu của mối nối

2.3.2.3 Các thẻ khai báo cấu trúc nhiệt

Các thẻ khai báo cấu trúc nhiệt được sử dụng để khai báo các thành phần như nhiên liệu, vỏ lò,… Chúng có cấu trúc dạng 1CCCGXNN trong đó CCC là số hiệu của cấu trúc nhiệt, G là số về hình học, X là loại thẻ, NN là số thẻ bên trong loại thẻ của X Các thẻ được khai báo bao gồm:

- Thẻ 1CCCG401 through 1CCCG499: khai báo nhiệt độ ban đầu theo bán kính

- Thẻ 1CCCG501 through 1CCCG599: khai báo điều kiện biên bên trái

- Thẻ 1CCCG601 through 1CCCG699: khai báo điều kiện biên bên phải

- Thẻ 1CCCG701 through 1CCCG799: khai báo dữ liệu nguồn nhiệt

- Thẻ 1CCCG801 through 1CCCG899: khai báo thêm các điều kiện biên bên trái

- Thẻ 1CCCG901 through 1CCCG999: khai báo thêm các điều kiện biên bên phải 2.3.2.4 Các thẻ khai báo bảng chung

Nhóm này bao gồm các bảng cung cấp tính chất nhiệt (độ dẫn nhiệt và nhiệt dung) của vật liệu và bảng về công suất lò theo thời gian

Chương II THÔNG SỐ LÒ TOMARI, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ

CÁC BÀI TOÁN MÔ PHỎNG

1 Một số thông số về lò Tomari

Lò Tomari được mô phỏng ở đây là lò Tomari số 3 Đây là lò nước áp lực có công suất điện 912 MWe ( công suất nhiệt 2660 MWt ) sử dụng công nghệ của tập đoàn công nghiệp nặng Mitshubishi Lò này được vận hành bởi công ty điện lực Hokkaido và phát điện thương mại từ tháng 12/2009

Lò phản ứng hạt nhân Tomari số 3 có dạng hình trụ đứng, cấu trúc cơ bản của lò

là tổ hợp các bó nhiên liệu có kích thước 22x22x366 cm, trong mỗi bó nhiên liệu gồm nhiều thanh nhiên liệu xếp với nhau theo ma trận thích hợp Hình dạng và cấu trúc của một thanh nhiên liệu được mô tả như sau:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Thanh nhiên liệu trong lò gồm 2 loại: loại thứ nhất là thanh UO2 với độ làm giàu thích hợp đối với từng vị trí trong vùng hoạt, loại thứ hai là thanh (U,Gd)O2 độ làm giàu tối đa 3.2% Các thanh nhiên liệu trong lò được sắp xếp thành từng bó như sau:

Hình 2 2 Ma trận thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu Trong bó nhiên liệu, kích thước của ma trận nhiên liệu là 17x17 Đồng thời, chứa vị trí để có thể đưa các thanh điều khiển hoặc các thanh chất độc cháy được (burnable poison rod) vào để điều khiển lò Ở trung tâm có ống dẫn để điều chỉnh độ

lên xuống của thanh điều khiển khi cần sử dụng Cấu tạo và kích thước của các thanh điều khiển và thanh chất độc như sau:

Hình 2 3 Cấu tạo bó thanh điều khiển

Ở đây, ta chỉ quan tâm mô phỏng phần chiều dài hấp thụ của thanh điều khiển

và thanh chất độc, bỏ qua các linh kiện hỗ trợ đi kèm cũng không làm ảnh hưởng tới trường neutron trong vùng hoạt

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2 4 Cấu tạo bó thanh chất độc

Để kích hoạt cho lò hoạt động ban đầu, người ta sử dụng thanh nguồn neutron ban đầu Nguồn được sử dụng ở đây là nguồn Californium-252, cấu tạo của thanh nguồn được mô tả như sau:

Hình 2 5 Cấu tạo thanh nguồn ban đầu

Để mô tả thanh nguồn trong vùng hoạt, chúng ta cũng chỉ mô tả phần chứa viên nguồn (cỡ 10cm), đồng thời bỏ qua các linh kiện đi kèm

Đối với các bó nhiên liệu có chứa Gd2O3, vị trí ma trận cho thanh nhiên liệu (U,Gd)O2 đƣợc đánh dấu ô đen sắp xếp trong bó nhiên liệu theo quy tắc phân biệt đối với loại 24Gd và 16Gd nhƣ sau:

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2 6 Ma trận cho nhiên liệu (U,Gd)O2 Các bó nhiên liệu, bó thanh điều khiển, bó thanh chất độc đƣợc đƣa vào vùng hoạt để vận hành và điều khiển lò Nhiên liệu đầu chu trình 1 đƣợc mô tả nhƣ sau

Bảng 2 1 Phân bố nhiên liệu ở đầu chu trình 1 Khu vực và nhiên liệu Đặc tính nhiên liệu Chu trình 1

Hình 2 7 Phân bố nhiên liệu ban đầu khi khởi động lò ở chu trình 1

Hình 2.7 mô tả vị trí các loại nhiên liệu của một phần tư vùng hoạt của lò phản ứng ở chu trình 1, vị trí có BP là vị trí đặt thanh chất độc cháy được (Burnable poison rod)

Hình 2.8 dưới đây là mô tả toàn bộ vùng hoạt bao gồm thùng lò, vỏ lò, tấm chắn, vị trí đặt các bó thanh điều khiển, các bó nhiên liệu…

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Hình 2 8 Mặt cắt ngang vùng hoạt lò phản ứng hạt nhân

Về tổng quan, lõi lò Tomari số 3 là một ma trận 15x15 bó như hình 2.8 và mỗi

bó là một ma trận 17x17 như đã trình bày ở phần trước

Bảng 2 2 Các thông số cơ bản của lò Tomari

Thông số nhiệt học

Diện tích truyền nhiệt trên bề mặt bó nhiên liệu 28.7 m2

Nhiệt độ đường ra 325.0 0C

Đường kính trong vách ngăn thùng lò (core barrel inner) 3400 mm

Thông số thanh nhiên liệu

Khe hở ban đầu giữa viên nhiên liệu và vỏ 0.08 mm

Bó thanh điều khiển

Bó nguồn neutron ban đầu

Thông số về bó nhiên liệu

Số ống dẫn thanh điều khiển (Control rod guide thimble) 24

Đường kính trong/ngoài của ổng dẫn thanh điềukhiển (Phần

Đường kính trong/ ngoài của ống đặt dụng cụ trong tâm bó 12.24/11.43mm

Chiều dài tương đương của thanh nhiên liệu 3660mm

Kích thước tổng thể của bó nhiên liệu 22.1x22.1 cm

Để mô tả chính xác về lò ở đầu chu trình 1, ta cần biết các thành phần vật liệu của các cấu trúc như nhiên liệu, vỏ thanh nhiên liệu, thanh chất độc, …

Bảng 2 3 Một số thành phần vật liệu

Zircaloy-4 Sn: 0.7%-0.9%, Fe: 0.18-0.24%, Cr: 0.07-0.13%, Fe+Cr:

0.28-0.37%, Nb: 0.45-0.55%, Zr: còn lại Thép không gỉ 304

(Borosilicate- glass) SiO2: 81% B203: 13%; Na2O: 4% ; Al2O3:2%

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bảng 2 4 Khối lượng riêng các chất sử dụng trong khai báo

2 Phương pháp nghiên cứu

Các bài toán sẽ được giải bằng cách thực hiện một thuật toán lặp mở rộng kết hợp giữa hai chương trình MCNP5 và RELAP5 như sau:

- Bước 1: Khởi tạo một phân bố nhiệt độ dọc theo vùng lõi lò

- Bước 2: Nạp giá trị của nhiệt độ vào MCNP5 và tính toán ra công suất bằng tally F7

- Bước 3: Từ các công suất có được, tôi sẽ tính phân bố công suất theo chiều dọc của lò và đưa phân bố này vào chương trình RELAP5

- Bước 4: Sử dụng RELAP5 với công suất có được, tôi sẽ tìm ra được nhiệt độ mới phân bố theo chiều dọc của vùng hoạt

- Bước 5: Kiểm tra điều kiện:

o Nếu chưa thỏa mãn sẽ quay lại từ bước 2

o Nếu thỏa mãn thì đi đến bước 6

- Bước 6: Đưa ra phân bố nhiệt độ và tính toán các thông số khác trong kết quả

Điều kiện để kiểm tra ở bước 5 là độ lệch giữa hai giá trị nhiệt độ liên tiếp tại cùng một khu vực

Hình 2 9 Sơ đồ thuật toán mở rộng

Để đánh giá đóng góp của hồi tiếp nhiệt cho kết quả tính toán, ta sẽ so sánh độ phản ứng do mỗi phân bố gây ra với trường hợp toàn lò có chung một nhiệt độ (580K)

3 Các bài toán mô phỏng

3.1 Bài toán 1: Bài toán cơ sở

Xây dựng mô hình lõi lò Tomari trên MCNP5 Nút hóa và chạy thử RELAP5 kết hợp để khảo sát với trường hợp tính phân bố nhiệt độ đối với nguồn ở tâm lõi lò

Mục đích của bài toán này là kiểm tra và phát hiện các sai sót có trong mô hình

lò Tomari được xây dựng trên hai chương trình MCNP5 và RELAP5 Độ lệch mong

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Bài toán này chỉ có giá trị tham khảo, chứ không phải để lấy kết quả cho phân tích cuối cùng

3.2 Bài toán 2: Khảo sát phân bố nhiệt độ đối với nguồn ở tâm lò ở trạng thái

tới hạn và hoạt động 100% công suất Phân bố nhiệt độ được khảo sát với ba trường hợp nhỏ và độ lệch mong muốn ở đây

là dưới 5%:

- Khi chỉ nhiệt độ của chất làm chậm thay đổi

- Khi chỉ nhiệt độ của nhiên liệu thay đổi

- Khi cả hai thành phần chất làm chậm và nhiên liệu thay đổi nhiệt độ

3.3 Bài toán 3: Khảo sát phân bố nhiệt độ đối với nguồn ở vị trí đặt nguồn

neutron ban đầu ở trạng thái tới hạn Tương tự như bài toán số 2 nhưng thay vị trí được chuyển sang nơi đặt nguồn neutron ban đầu

Chương III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

1 Bài toán 1: Bài toán cơ sở

- Xây dựng mô hình lò Tomari trên chương trình MCNP5

Cấu tạo của vùng lõi lò Tomari ở đây đã được đơn giản hóa so với thực tế Ta lược

bỏ các linh kiện giá đỡ, … không ảnh hưởng tới kết quả tính toán Toàn bộ mô hình lò Tomari được chia thành 12 vùng theo chiều cao Trong đó, 10 vùng nằm giữa thuộc vùng hoạt sẽ nằm trong tính toán còn 2 vùng nằm trên cùng và dưới cùng không chứa nhiên liệu sẽ được bỏ qua

Hình 3 1 Lõi lò Tomari được mô phỏng

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

- Đánh giá thống kê lịch sử cần thiết ta có được bảng sau:

Bảng 3 1 Số lịch sử mỗi vòng của 150 chu kỳ và giá trị keff tương ứng

Số lịch sử neutron mỗi chu kỳ Giá trị keff Độ lệch chuẩn (σ)

- Xây dựng và mô phỏng vùng lõi lò Tomari trên RELAP5

Hình 3 2 Nút hóa khu vực lõi lò Tomari Trong đó, các nút 200 và 340 là các thể tích phụ thuộc thời gian (TMDPVOL)

chậm đi qua lõi lò Nút 315 có dạng vành (ANNULUS), mô phỏng dòng chảy xuống (downcomer) Nút 320 có dạng ống (PIPE), mô phỏng dòng xuống tắt (bypass

downcomer) Các nút 305, 322 và 330 là các nhánh (BRANCH) Các nút 300 và 325 là các thể tích đơn (SNGLVOL)

Sau đó, tôi khảo sát khoảng 40 lần với trường hợp thay đổi nhiệt độ của cả nhiên liệu và chất làm chậm tuy nhiên chưa đạt được độ lệch mong muốn và thu được kết quả như sau:

Hình 3 3 Kết quả khảo sát sơ bộ nhiệt độ thanh nhiên liệu 40 lần (lần lượt từ trái sang

phải và từ trên xuống dưới) Các nhận xét có thể rút ra là:

- Càng nhiều lần lặp thì phân bố nhiệt độ nhiên liệu (nhiệt độ trung bình của từng vùng trên nhiên liệu) càng hội tụ về ổn định và mất đi các đỉnh nhiệt độ cao bất thường

- Nhiệt độ nhiên liệu ở đây cao bất thường khi so sánh với thực tế do khi nhiệt độ