CÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

CÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

CÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ

Mục lục

1 Hiện tượng sôi trong lò phản ứng nước nhẹ 3

2 Một số đặc trưng của dòng hai pha 8

2.1 Các chế độ dòng 8

2.2 Bản đồ chế độ dòng hai pha 12

2.3 Các tiêu chuẩn chuyển tiếp chế độ dòng 12

1.3.1 Dòng bề 12

1.3.2 Dòng đoạn nhiệt 14

1.3.3 Các kênh dòng được gia nhiệt 17

3 Trao đổi nhiệt sôi trong lò phản ứng nước nhẹ 21

3.1 Mô hình sôi bể 22

3.1.1 Tạo nhân trong sôi bể 24

3.1.2 CHF trong mô hình sôi bể 24

3.1.3 Chuyển tiếp trong sôi bể 24

3.1.4 Sôi màng bền tối thiểu 24

3.1.5 Sôi màng trong mô hình sôi bể 25

3.1.6 Nhiệt độ sôi màng ổn định tối thiểu 26

3.2 Mô hình sôi dòng 26

3.2.1 Sôi dòng dưới tới hạn 26

3.2.2 Sôi dòng bão hòa 27

3.2.3 Thông lượng nhiệt tới hạn trong sôi dòng 28

3.2.4 Sôi dòng chuyển tiếp 31

3.2.5 Sôi dòng màng 32

4 Một số vấn đề an toàn LPƯ liên quan đến sự sôi 33

4.1 Thông lượng nhiệt tới hạn (CHF) và sau tới hạn (Post-CHF) 33

4.1.1 Thông lượng nhiệt tới han 33

4.1.2 Thông lượng nhiệt sau tới hạn 34

4.2 Dòng tới hạn 36

4.3 Hiện tượng ngập lụt sau sự cố LOCA 41

4.4 Các bất ổn kênh dòng sôi 43

4.4.1 Các bất ổn tĩnh 45

4.4.2 Các bất ổn động 49

5 Kết luận 53

1 Hiện tượng sôi trong lò phản ứng nước nhẹ

Hiện tượng sôi trong LPƯ làm mát bằng nước luôn gắn liền với quá trình trao đổi nhiệt giữa nhiên liệu và chất làm mát, hay giữa các chất tải nhiệt với nhau Trao đổi nhiệt sôi là mô hình vận hành của trao đổi nhiệt trong lò BWR Trong một số điều kiện giới hạn nghiêm ngặt đối với lò PWR như trong các chuyển tiếp hay sự cố, quá trình sôi có thể xảy ra Ngoài ra, sự sôi cũng xuất hiện trong các thiết bị như bình sinh hơi của các NMĐHN Sự sôi chiếm giữ một vai trò cực kỳ quan trọng trong các ứng dụng LPƯ, chi phối trực tiếp đến hiệu quả và tính an toàn của các NMĐHN

Hình 1-1 chỉ ra hệ thống làm mát của lò BWR Với lò BWR, nước trong vùng hoạt được phép sôi Khoảng 13% lượng nước làm mát vùng hoạt sẽ bốc thành hơi [1] Hơi được tách ra từ hơi ẩm trong bộ tách hơi đặt phía trên vùng hoạt Sau đó, lượng hơi này sẽ đi lên vòm phía trên của vỏ lò rồi theo đường hơi chính tới turbine phát điện Cuối cùng, hơi được ngưng tụ và bơm trở lại vùng hoạt

Hình 1-1 Hệ thống làm mát của lò BWR [1]

Đối với lò PWR, nước tải nhiệt không được phép sôi trong vùng hoạt của

lò mặc dù ở nhiệt độ rất cao khoảng 275 đến 315 0C Đó là do áp suất trong vùng hoạt được duy trì ở mức cao, khoảng 15,5 MPa [1] Dòng chất tải đơn pha cho phép kiểm soát LPƯ dễ dàng hơn so với các lò BWR nhưng hệ thống phải chụi một áp lực lớn, dễ gây ra các sai hỏng cho thiết bị và hệ thống đường ống Một trong những sự cố quan trọng đối với các LPƯ là sự cố mất chất tải nhiệt

(LOCA) Đặc biệt, đối với các lò PWR vận hành ở mức áp suất cao, các nứt vỡ đường ống, chẳng hạn vỡ chân lạnh, có xác suất xảy ra lớn hơn so với lò BWR

Áp suất trong vùng hoạt bị mất làm nước tải nhiệt sôi Lượng nước tải nhiệt trong vùng hoạt sụt giảm mạnh dẫn đến giảm đáng kể khả năng tải nhiệt cho vùng hoạt LPƯ Khi đó, nước trong vùng hoạt sẽ bay hơi liên tục, một phần nhiên liệu không được nhúng chìm trong nước làm mát có thể bị nóng chảy và gây ra nổ hơi trong vùng hoạt LPƯ nếu không kiểm soát được Ngoài ra, sự sôi cũng xảy ra trong bình điều áp của lò PWR Khi áp suất giảm, bộ gia nhiệt trong bình điều áp sẽ gia nhiệt làm nước trong bình điều áp sôi, đưa áp suất về điểm vận hành bình thường Dòng chất tải sơ cấp sau khi đi qua vùng hoạt, lấy nhiệt,

sẽ trao đổi nhiệt với dòng chất tải thứ cấp trong bình sinh hơi Hơi được sinh ra trong quá trình sôi xảy ra ở bình sinh hơi và được dẫn đến turbine Quá trình này được miêu tả trong hình 1-2

Hình 1-2 Hệ thống làm mát của lò PWR [1]

Đối với các LPƯ, tồn tại hai mô hình sôi là sôi dòng và sôi bể Sôi dòng xảy ra trong trường hợp tồn tại dòng chất lỏng chuyển động Phần lớn sự sôi trong LPƯ xảy ra theo mô hình sôi dòng Nước tải nhiệt đi vào vùng hoạt dưới tác dụng của bơm chất tải chính, qua các kênh gia nhiệt giữa các thanh nhiên liệu và lấy nhiệt đi Do đó sự sôi trong vùng hoạt lò BWR là mô hình sôi dòng Đối với PWR, quá trình sôi xảy ra ở vòng chất tải sơ cấp Nước tải nhiệt được bơm vào bình sinh hơi, sôi và đi ra turbine Đó là mô hình sôi dòng Mô hình sôi

bể chỉ xảy ra khi dòng chuyển động của chất tải không tồn tại hay tốc độ di chuyển thấp Tức là chất tải được coi là tĩnh trong một bể chứa Điều này chỉ xảy ra với LPƯ trong các không gian hạn chế dòng chảy của chất tải như không

giãn giữa các thanh nhiên liệu, hoặc trong các trường hợp sự cố, khi mà dòng chất tải không còn [2] Chẳng hạn như trong sự cố LOCA, dòng chất tải đi vào vùng hoạt bị mất do một vị trí nào đó bị vỡ, nước từ ECCS được phun vào vùng hoạt, quá trình dập tắt xảy ra Khi đó, sự sôi xảy ra theo mô hình sôi bể Đối với

mô hình sôi bể, quá trình trao đổi nhiệt giữa mặt gia nhiệt và chất lỏng được điều khiển bằng cơ chế tự nhiên

Sự sôi trong LPƯ liên quan chặt chẽ đến các vấn đề an toàn của LPƯ đó Các bất ổn bao gồm cả thủy động và trao đổi nhiệt sôi trong LPƯ đều là những yếu tố đe dọa đến tính an toàn của LPƯ Sự sôi liên quan đến khả năng tải nhiệt của chất tải, tính tới hạn của LPƯ, và tính nguyên ven của thanh nhiên liệu Sự sôi kéo theo sự biến đổi pha của chất tải nhiệt trong LPƯ Khi đó, mật độ chất tải, tỷ phần hơi/lỏng sẽ thay đổi, làm cho quá trình kiểm soát tới hạn của LPƯ trở lên phức tạp Sự biến thiên mật độ chất tải ảnh hưởng đến việc làm chậm notron trong LPƯ, do đó ảnh hưởng đến tính tới hạn của LPƯ Sự biến đổi pha, sinh hơi có thể làm giảm khả năng trao đổi nhiệt giữa nhiên liệu và chất tải Lượng hơi sinh ra có thể bao phủ mặt gia nhiệt, làm giảm mạnh khả năng trao đổi nhiệt của thanh nhiên liệu Khi đó, nhiệt độ của thanh nhiên liệu sẽ tăng cao,

có thể dẫn đến nóng chảy nhiên liệu

Một số đặc trưng đặc biệt quan trọng liên quan đến sự sôi và tính an toàn của LPƯ, thông lượng nhiệt tới hạn CHF, DNB, Dryout, v.v, [3] Thông lượng nhiệt tới hạn gây ra bởi sự giảm mạnh khả năng trao đổi nhiệt của chất tải nhiệt Giới hạn thiết kế nhiệt dẫn ra từ thông lượng nhiệt tới hạn được biểu diễn dưới dạng điều kiện vượt qua sôi nhân cho PWR và điều kiện công suất tới hạn cho BWR Quá trình trao đổi nhiệt giữa thanh nhiên liệu và chất tải nhiệt tuân theo định luật trao đổi nhiệt đối lưu Newton như sau:

ra là do sự thay đổi mẫu dòng chất lỏng/ hơi ở bề mặt gia nhiệt Lò PWR vận hành với điều kiện tỷ phần rỗng thấp và bề mặt thanh nhiên liệu được làm mát

theo mô hình sôi nhân trong điều kiện vận hành bình thường Tuy nhiên, khi chế

độ sôi vượt qua vùng sôi nhân xảy ra, dẫn đến chênh lệch nhiệt độ tăng, hơi

được sinh ra nhiều hình thành một lớp màng hơi trên bề mặt gia nhiệt Lớp hơi

này làm giảm mạnh khả năng truyền nhiệt từ thanh nhiên liệu ra chất tải Đối với

lò BWR vận hành trong điều kiện tỷ phần rỗng, bề mặt gia nhiệt được làm mát

bởi màng chất lỏng Khi màng chất lỏng này bị mất đi do sự quá nhiệt xảy ra sự

khô màng (Dryout), việc làm mát không tương xứng với sự sinh nhiệt có thể gây

ra nóng chảy nhiên liệu Hiện tượng Dryout phụ thuộc đáng kể vào các điều kiện

thủy động của kênh dòng ngược hơn là các điều kiện cục bộ ở vị trí Dryout Do

DNB là một điều kiện cục bộ và Dryout phụ thuộc vào lịch sử của kênh dòng

nên các quan hệ và diễn giải đồ họa cho DNB được biểu diễn theo tỷ số thông

lượng nhiệt, còn cho Dryout được biểu diễn theo tỷ số công suất Cơ chế giải

thích cho hiện tượng thông lượng nhiệt tới hạn được chỉ ra trong hình 1-1 Các

vị trí DNB và Dryout được miêu tả tương ứng với thông số tỷ phần rỗng cục bộ

trong kênh dòng

Hình 1-1 Cơ chế thông lượng nhiệt tới hạn cho các điều kiện vận hành của lò PWR và BWR [3]

Tỷ số giữa thông lượng nhiệt tương quan đoán trước và thông lượng nhiệt

vận hành thực tế áp dụng cho lò PWR được gọi là tỷ số vượt qua sôi nhân,

DNBR Tỷ số này thay đổi trên chiều dài thanh nhiên liệu và đạt giá trị nhỏ nhất

ở vị trí thông lượng nhiệt tới hạn Đối với lò BWR, điều kiện Dryout được biểu

diễn theo tỷ số công suất tới hạn CPR Giới hạn áp dụng cho các điều kiện tới hạn được đánh giá thông qua các giá trị nhỏ nhất của DNBR (MDNBR) và của CPR (MCPR) [3,4]

Dựa trên đặc trưng của hiện tượng sôi trong LPƯ, sự sôi được xem xét theo hai khía cạnh là thủy động và trao đổi nhiệt Khía cạnh thủy động bao gồm

sự biến đổi pha và chế độ dòng chảy trong các kênh dòng của LPƯ Sự sôi liên quan đến dòng hai pha của nước và hơi Các chế độ dòng chảy và sự chuyển tiếp giữa các mẫu dòng có ý rất quan trọng, ảnh hưởng đến các đặc trưng thủy động của LPƯ Mẫu dòng chảy cũng liên quan chặt chẽ đến chế độ trao đổi nhiệt giữa nhiên liệu vào chất tải Với khía cạnh trao đổi nhiệt, các cơ chế trao đổi nhiệt tương ứng với hai mô hình sôi bể và sôi dòng được trình bày trong chuyên đề này Đặc biệt là hai thông số, thông lượng nhiệt và tốc độ dòng, được trình bày chi tiết

Bên cạnh đó, các hiện tượng đặc biệt liên quan đến sự sôi như dòng tới hạn, các bất ổn về áp suất, mật độ, v.v, cũng là những yếu tố ảnh hưởng đến vấn

đề an toàn của LPƯ

Một số hậu quả nghiêm trọng liên quan đến sự sôi là sự phá hủy, nóng chảy nhiên liệu, phát thải phóng xạ ra chất tải nhiệt và môi trường Trong điều kiện vận hành, chuyển tiếp và sự cố, khi sự sôi xảy ra, do ảnh hưởng của môi trường gồm nước và hơi, các quá trình như oxi hóa, hydrua hóa, ăn mòn, tương tác nhiên liệu – vỏ bọc, v.v, sẽ phát triển mạnh hơn là trong trường hợp không

có mặt của sự sôi Môi trường hơi ẩm ở áp suất nhiệt độ cao là môi trường lý tưởng để các quá trình hóa lý xung quanh nhiên liệu phát triển mạnh mẽ hơn Điều đó có nghĩa rằng, môi trường tồn tại sôi thường tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây mất an toàn hơn khi không có sự sôi xảy ra Mặc dù ta biết rằng, khi thông lượng nhiệt trong LPƯ đạt giá trị tới hạn thì hiệu suất nhiệt là cao nhất nhưng quá trình sôi lại dễ chuyển biến theo hướng bất lợi Điều này sẽ được trình bày chi tiết ở phần 4 phía sau

2 Một số đặc trưng của dòng hai pha

Như đã biết, sự sôi xảy ra trong các ứng dụng LWR liên quan đến sự biến đổi pha của nước Hơi được sinh ra trong quá trình sôi tạo thành dòng hai pha nước-hơi Dòng hai pha biến đổi liên tục, tức thời và ngẫu nhiên, đặc biệt là trong các ứng dụng LPƯ nơi mà áp suất và nhiệt độ cao, nên việc mô phỏng tính toán đáp ứng dòng là rất phức tạp Do đó, việc định nghĩa mẫu dòng và điều kiện vận hành của nó là rất cần thiết

2.1 Các chế độ dòng

Dòng hai pha có thể được phân chia dựa trên tổ hợp của hai pha cũng như cấu trúc mặt tiếp giáp chung giữa các pha Dựa trên hình học của các mặt tiếp giáp chung, dòng hai pha được chia thành ba nhóm chính là dòng phân tách, dòng chuyển tiếp hoặc pha trộn và dòng phân tán Dòng hai pha phân tách là dòng mà các pha của nó là liên tục trong nhau Dòng hai pha phân tán là dòng

mà một pha gián đoạn, phân tán đều trong pha còn lại Dòng chuyển tiếp là chuyển tiếp của dòng tách biệt và dòng phân tán Mỗi nhóm có thể được chia thành nhiều mẫu dòng khác nhau như được liệt kê trong bảng 2-1 [5] Hình 2-1 chỉ ra mẫu dòng hai pha khí–nước thực tế trong một kênh thẳng đứng Từ trái sang phải là dòng bọt, dòng nút bọt, dòng nút, dòng rối khuấy và dòng xuyến Đây là những chế độ dòng thường gặp trong các mô hình nghiên cứu thực nghiệm Chế độ dòng phụ thuộc vào định hướng của kênh dòng và sự gia nhiệt nếu có

Hình 2-1 Chế độ dòng trong kênh thẳng đứng [5]

Bảng 2-1 Phân loại dòng hai pha [5]

Dòng bọt: Hơi được phân tán trong pha lỏng liên tục dưới dạng các bọt

khí; sự phân tách do ảnh hưởng rối và chập các bọt khí là các hiện tượng chính liên quan đến việc xác định kích thước của các bọt khí

Dòng nút: Nếu quá trình chập bọt khí là trội hơn hoặc kích thước ống

nhỏ, pha nhẹ hơn sẽ hình thành các bọt khí lớn với chỏm dạng cầu và đuôi dị thường với đường kính tương đương với đường kính ống Các bọt đó được gọi

là bọt Taylor Chất lỏng tạo thành dạng nút tách các bọt khí và có thể chứa các bọt khí nhỏ hơn Màng chất lỏng tách các bọt Taylor với thành chảy xuống dưới, tích lại thành khối chất lỏng bắt ngang ống

Dòng khuấy: Các bọt khí có hình dạng rất dị thường và bị phân mảnh so

với các nút khí trong chế độ dòng nút Dòng thể hiện đáp ứng dao động

Dòng xuyến mảnh – xuyến: Khi vận tốc hơi đủ lớn nó có thể có đủ

moment để các giọt nước lơ lửng đẩy chất lỏng lại gần thành, hình thành lên màng chất lỏng Hơi được tập trung chủ yếu ở vùng tâm, các giọt chất lỏng đi vào pha khí liên tục được tạo ra bởi việc cắt đỉnh của màng sóng bao trùm bề mặt màng Các giọt chất lỏng này cũng có thể tích tụ lại thành dạng xuyến mảnh

và màng xuyến này có thể không chứa các bọt khí

Trong ống thẳng đứng có gia nhiệt, các chế độ dòng trên không thể đạt được trạng thái dừng, phát triển đầy đủ mà biến đổi liên tục cùng với việc tăng

tỷ phần rỗng Hình 2-2 miêu tả tương quan giữa các chế độ dòng khác nhau và chế độ trao đổi nhiệt tương ứng Dưới nhiệt độ bão hòa Tsat, quá trình sôi nhân xảy ra hình thành các vị trí tạo nhân trên bề mặt thành ống Bọt được tạo ra trong quá trình này mỗi lúc một nhiều tạo thành dòng bọt Khi đạt được nhiệt độ bão hòa, lượng bọt sinh ra đủ lớn, hiện tượng kết hợp các bọt khí phát triển mạnh, dòng từ chế độ dòng bọt chuyển dần sang dòng nút và dòng xuyến Màng chất lỏng ở thành ống trở nên mỏng hơn Ở nhiệt độ cao hơn, sự bay hơi đối lưu cưỡng của màng chất lỏng xảy ra trong khi vẫn trao đổi nhiệt dẫn và đối lưu Khi thông lượng nhiệt đạt đến tới hạn, màng chất lỏng bay hơi hoàn toàn tạo thành các giọt lơ lưởng cuốn vào tâm ống Chế độ dòng giọt xảy ra ở đây Sau

đó, toàn bộ chất lỏng bị chuyển hết thành hơi

Đối với ống nằm ngang đoản nhiệt, các chế độ dòng tương tự như với ống thẳng đứng đoạn nhiệt (hình 2-3) Tuy nhiên phân bố hình học pha bị ảnh hưởng bởi lực trọng trường gây ra sự bất đối xứng nhất định Thực tế, trong dòng bọt, bọt hơi có xu hướng tích tụ trong phần trên của kênh dòng Dòng flug cũng

tương tự như dòng nút trong kênh dòng thẳng đứng nhưng các bọt khí bị kéo dài

ra tập trung ở phần trên Với vận tốc chất lỏng thấp, dòng được phân thành các tầng theo phương ngang có thể xảy ra Nếu vận tốc tương đối giữa các pha tăng thì tính bất ổn bề mặt có thể tạo thành các sóng trên mặt chất lỏng, tạo thành dòng sóng Khi vận tốc đủ cao, các sóng này có thể phát triển đủ để bắt ngang ống một cách hoàn toàn, hình thành các nút chất lỏng (dòng nút) Ở vận tốc cao hơn và tỷ phần rỗng lớn, dòng xuyến xuất hiện trong đó màng được phân bố bất đối xứng theo tiết diện ống do trọng trường, dày hơn ở đáy và mỏng hơn ở phía trên

Hình 2-2 Mẫu dòng trong kênh thẳng đứng được gia nhiệt [3]

Hình 2-3 Chế độ dòng trong trong ống nằm ngang [5]

2.2 Bản đồ chế độ dòng hai pha

Việc chỉ ra mẫu dòng dưới các điều kiện vận hành nhất định là một vấn đề quan trọng đối với việc xác định các đặc trưng dòng Thực tế, các chế độ dòng phụ thuộc vào tốc độ dòng, tính chất của chất lỏng và hình học của kênh dòng Trao đổi nhiệt khối, mất moment, tốc độ pha trộn ngược và thời gian lưu trú thay đổi mạnh theo mẫu dòng Do đó, điều kiện vận hành cho từng mẫu dòng và các chuyển tiếp giữa chúng cần phải được xác định Các bản đồ dòng được xây dựng nhằm phục vụ cho mục đích này Tuy nhiên, hầu hết các bản đồ dòng được xây dựng dựa trên số liệu thực nghiệm cho một kích thước ống và loại chất lỏng nhất định nên không phù hợp cho các trường hợp khác Mặt khác, biên giữa các vùng chế độ dòng không cố định, có thể thay đổi theo điều kiện thực tế Do đó việc hiểu cơ chế chuyển tiếp chế độ dòng và mô hình hóa các chuyển tiếp này đã được đặt ra trong nhiều nghiên cứu

Bản đồ chế độ dòng được chia thành hai nhóm chính: Các bản đồ dòng dựa trên các hệ tọa độ có thứ nguyên (vận tốc chất lỏng/ khí bề mặt hay thông lượng moment) và các bản đồ dựa trên hệ tọa độ không thứ nguyên [6] Với các bản đồ chế độ dòng có thứ nguyên, chế độ dòng được chia dựa trên cấu trúc dòng và phụ thuộc vào thông số hình học như tỷ phần rỗng và diện tích mặt chung Phương pháp này phù hợp với các chuyển tiếp chậm và điều kiện dòng phát triển gần như hoàn toàn nhưng không phù hợp cho các chuyển tiếp nhanh Các bản đồ chế độ dòng không thứ nguyên cố gắng xây dựng tương quan chuyển tiếp dựa trên các nhóm không thứ nguyên Tuy nhiên, cơ sở lý thuyết cho việc diễn giải phân tích đường cong chuyển pha vẫn chưa đầy đủ Do vậy vấn đề quan trọng là đưa ra cơ sở lý thuyết cho các chuyển tiếp

2.3 Các tiêu chuẩn chuyển tiếp chế độ dòng

1.3.1 Dòng bề

Các mẫu dòng trong dòng bề là: chất lỏng liên tục, khí liên tục hoặc dòng trung gian giữa chúng Sự phân chia và chập các bọt khí là cơ chế chính ảnh hưởng đến các tiêu chuẩn chuyển tiếp [5,6,7]

Dòng bọt chỉ tồn tại nếu có ít nhất một bọt trong thể tích được xét Điều kiện chuyển tiếp được xác định dựa trên mật độ xếp chặt tối đa của các bọt khí

Giả sử các bọt khí dạng cầu đồng nhất với đường kính D, không dao động và xắp xếp theo dạng chuỗi hình thoi Khoảng cách trung bình giữa hai bọt khí lân cận với tỷ phần rỗng  là:

1/3

2 6

2 0.63

Như vậy, giá trị tỷ phần thể tích nằm dưới khoảng 0,25 tới 0,3 dòng là dòng bọt Chuyển tiếp giữa dòng bọt sang rối khuấy xảy ra khi giá trị tỷ phần thể tích từ 0,25 đến 0,54 Dòng rối khuấy sẽ duy trì trong khoảng giữa giới hạn dòng bọt của các hạt không dao động và của các hạt có đáp ứng giống như cầu rắn (0,54 – 0,74)

1.3.2 Dòng đoạn nhiệt

Với kênh dòng hai pha lỏng-khí thẳng đứng, bốn chế độ dòng tương ứng là: dòng bọt, dòng nút, dòng khuấy và dòng xuyến Đặc trưng chuyển tiếp giữa chúng như sau:

 Chuyển tiếp dòng bọt – dòng nút:

Với tốc độ dòng thấp, dòng khí đi vào ống chất lỏng lớn, bị phân tách thành các bọt nhỏ, bền và phân tán Khi kích thước bọt tăng lên vượt qua kích thước giới hạn, D > Dsolid, bọt bị biến dạng, di chuyển lên theo các đường zig-zag Khi đó khả năng va chạm ngẫu nhiên sẽ tăng, bọt khí chập thành các bọt lớn với các chỏm cầu giống với các bọt Taylor trong dòng nút nhưng nhỏ hơn kích thước của ống Tỷ phần rỗng đạt 0,25 đến 0,3 thì chuyển tiếp này xảy ra Quan hệ tương ứng dựa trên tốc độ khí/lỏng bề mặt jls và jgs như sau:

 

3/5 2/5

Hệ số k = 0,725 với cơ chế chia bọt thành các giọt ở nồng độ thấp của pha phân tán, k = 0,68 với các giọt ở mật độ phân tán lớn hơn mật độ của pha liên tục và ngược lại k = 1,14 cho bọt khí Thừa số ma sát f:

n m l

 Chuyển tiếp nút sang dòng khuấy:

Khi tốc độ dòng khí tăng tới một giới hạn nhất định, bọt khí trở lên gần hơn và hình thành bọt khí lớn Nếu quá trình chập liên tục xảy ra thì bọt khí lớn

sẽ chiếm toàn bộ tiết diện ống và tách nhau theo hướng trục bởi các nút chất lỏng chứa các bọt khí nhỏ phân tán Chất lỏng bị giam giữ giữa thành ống và dòng bọt xung quanh bọt khí lớn như màng nước

Hình 2-6 Mô hình dòng nút [6]

Trong dòng nút, chất lỏng giữa các bọt khí Taylor di chuyển với vận tốc không đổi và phần trước và đuôi có vận tốc không đổi Trong dòng khuấy, các nút chất lỏng quá ngắn để nâng cầu chất lỏng bền giữa các bọt Taylor Màng chất lỏng sẽ xuyên sâu vào slug chất lỏng tạo thành hỗn hợp dao động mạnh ở điểm mà nút chất lỏng dường như gián đoạn Sự tái tích lũy chất lỏng ở mức thấp hơn và nút chất lỏng tiếp theo sẽ nâng chúng lên (hình 2-6)

Vận tốc bọt jg tỷ lệ với jl và vận tốc nâng của bọt khí lớn như sau:

(1a) Tốc độ dòng thể tích tổng là:

/

1 0.35

s

x l s

(hay) l e 35.5 j g

 Chuyển tiếp từ dòng khuấy sang dòng xuyến:

Trong dòng khuấy, màng chất lỏng gần thành di chuyển lên chống lại ảnh hưởng của trọng trường tạo thành lực tác dụng lên dòng khí di chuyển nhanh ở vùng tâm mang các giọt chất lỏng ở lối vào Màng dạng sóng này có xu hướng đảo chiều và đi vào vùng tâm Sự di chuyển này là do ảnh hưởng của ứng suất trượt bề mặt và lực kéo tác dụng lên màng sóng và giọt chất lỏng Do vậy, dòng xuyến chỉ tồn tại khi vận tốc khí trong tâm đủ mạnh để nâng các giọt nước ở lối vào Vận tốc khí tối thiểu để nâng giọt nước được xác định từ sự cân bằng giữa trọng trường và lực kéo trên giọt nước:

g

g K

j C

1.3.3 Các kênh dòng được gia nhiệt

Đối với các kênh dòng được gia nhiệt, bản đồ mẫu dòng cho các kênh không được gia nhiệt phải được hiệu chỉnh sau khi kiểm tra chế độ trao đổi nhiệt trên thành ống Nếu thông lượng nhiệt trên thành ống vượt qua thông lượng nhiệt tới hạn thì dòng xuyến sẽ đảo ngược khi trao đổi nhiệt xảy ra Có nhiều khảo sát cung cấp các tiêu chuẩn chuyển tiếp mẫu dòng riêng cho dòng có trao đổi nhiệt với điều kiện dòng, cấu hình hệ thống và chất lưu khác nhau Bảng 2-2 chỉ ra điều kiện chuyển tiếp mẫu dòng thẳng đứng

Thực tế, thông tin liên quan đến các dòng thể tích của chất lỏng và khí, và bản đồ dòng được sử dụng để đánh giá loại chế độ dòng sẽ xảy ra trong ống Các bản đồ dòng cần thiết cho các chương trình phân tích đáp ứng thủy nhiệt của

LPƯ Như đã biết, cách thành phần thủy động được mô hình hóa bằng các

“volume” và “junction” Chúng được xác định bởi bộ các mô hình và phương trình Do đó, lượng mô hình tính toán và các quan hệ cần thiết là rất lớn Chương trình RELAP5 sử dụng một số bản đồ dòng như sau [8]:

Bảng 2-2 Điều kiện chuyển tiếp mẫu dòng trong kênh dòng thẳng đứng với đường kính Dh = 0.0088m [7]

Điều kiện chuyển

Một pha - Sôi nhân

Hình 2-8 Bản đồ chế độ dòng với kênh dòng nghiêng

(450 đến 900 theo hướng ngang) [8]

Hình 2-9 Bản đồ chế độ dòng với kênh dòng nghiêng

(00 đến 450 theo phương thẳng đứng) [8]

Hình 2-10 Bản đồ chế độ dòng cho dòng pha trộn cao

sử dụng cho các bơm [8]

Hình 2-11 Bộ trộn ECC với phun nước lạnh từ

ECCS các chân của LPƯ [8]

3 Trao đổi nhiệt sôi trong lò phản ứng nước nhẹ

Quá trình trao đổi nhiệt sôi xảy ra trong vùng hoạt của lò BWRs, được phép xảy ra trong vùng hoạt lò PWR dưới các hạn chế nghiêm ngặt, và trong các bình sinh hơi của LPƯ Trao đổi nhiệt sôi có ảnh hưởng đặc biệt đến tính an toàn và hiệu quả của LPƯ Trong phần này, hai mô hình trao đổi nhiệt sôi gồm sôi bể và sôi dòng, và các đặc trưng của hai mô hình này trong các ứng dụng LPƯ được tập trung thảo luận ở đây

Về mặt phân tích trao đổi nhiệt bao gồm cả trao đổi nhiệt độ sôi, được thực hiện chủ yếu dựa trên các thực nghiệm nhiệt sôi Số liệu thực nghiệm được hiệu chỉnh để tìm ra ảnh hưởng trội của các yếu tố và quy luật của nó trong quá trình trao đổi nhiệt sôi Các yếu tố ảnh hưởng bao gồm các lực, các tính chất chất lưu quan trọng và các điều kiện vận hành Lực nhớt và lực nâng đóng vai trò quan trọng trong trao đổi nhiệt với biến đổi pha Tính chất chất lỏng phù hợp

bao gồm ẩn nhiệt và nhiệt dung riêng (h fg , c p ), mật độ và độ dẫn nhiệt (ρ, k), độ nhớt và sức căng bề mặt (μ, σ) Điều kiện vận hành bao gồm áp suất, nhiệt độ chất lỏng, nhiệt độ bề mặt và hình học bề mặt (L) Các quan hệ đặc trưng cho

trao đổi nhiệt được xây dựng dựa trên các thông số trên thông qua các nhóm quan hệ không thứ nguyên (bảng 3-1) Các quan hệ này cho phép xác định các đặc trưng của chế độ trao đổi nhiệt

V c T Tăng nhiệt độ do biến đổi năng

lượng/ chênh lệch nhiệt độ

nhiệt dẫn

Grashof Gr g  TL /v Lực nâng/ lực nhớt

Jakob Ja c pT s T sat /h fg Tỷ lệ ẩn nhiệt

Knudsen Kn  / L Quãng đường tự do trung bình của

phân tử/ chiều dài đặc trưng Lewis Le  /D c Độ khuếch tán nhiệt/ độ khuếch tán

p/t

Nusselt Nu hL k/ Chênh lệch nhiệt độ bề mặt/chênh

lệch nhiệt tổng cộng Peclet Pe  c VD k p / Trao đổi nhiệt đối lưu/ trao đổi

nhiệt dẫn Prandtl Pr  c p /k Khuếch tán động lượng/ khuếch

tán nhiệt Reynolds Re  VL/ Lực quán tính/ lực nhớt

Schmidt Sc  / D c Khuếch tán động lượng/ khuếch

tán k/l Sherwood Sh d L D D / c Độ khếch tán phân tử/ khuếch tán

k/l Stanton St h/ Vc p Trao đổi nhiệt bề mặt/ trao đổi

năng lượng bởi hơi Stokes Sk L P / V Lực áp suất/ lực nhớt

Strouhal Sl L tV/ Tần số dao động/ tần số đặc trưng

Đường cong sôi của mô hình sôi bể đặc trưng được chỉ ra trong hình 3-3 [9] Do dòng khối là đứng yên nên khi nhiệt độ nguồn cấp Ts vào bằng nhiệt độ bão hòa của khối chất lỏng Tsat hay mức độ quá nhiệt ΔTsl = Ts – Tsat bằng 0 thì thông lượng nhiệt bằng 0 Nếu tăng mức độ quá nhiệt thì thông lượng nhiệt bề mặt sẽ tăng do quá trình đối lưu tự nhiên Khi ΔTsl khoảng 50C thì bọt khí bắng

đầu phát triển và một số có thể rời khỏi bề mặt gia nhiệt Lực nâng điều khiển bọt gây ra sự dao động của các bọt trong chất lỏng Sự pha trộn của chất lỏng làm tăng cường thông lượng nhiệt Tiếp tục tăng ΔTsl thì số bọt khí được hình thành nhiều hơn và tốc độ lấy năng lượng từ bề mặt gia nhiệt tới khối chất lỏng cũng tăng Tốc độ tạo bọt tăng cao ở ΔTsl khoảng 300C và thông lượng nhiệt đạt giá trị đỉnh Vượt qua điểm này, mật độ bọt trở lên dày đặc đến mức ngăn chất lỏng tiếp xúc với bề mặt Khi đó trao đổi nhiệt chỉ xảy ra bởi dẫn nhiệt qua lớp hơi Do khả năng truyền nhiệt của hơi là rất kém nên nhiệt độ bề mặt sẽ tăng nhanh Thông lượng nhiệt sẽ được duy trì ở giá trị đỉnh nên việc tăng nhiệt độ này sẽ bù trừ cho việc giảm hệ số truyền nhiệt Thông lượng đỉnh này gọi là thông lượng tới hạn CHF Khi đó, thông lượng nhiệt chỉ tăng một lượng vừa phải thì thông lượng nhiệt sẽ vượt ra xa điểm CHF Đó là do trao đổi nhiệt xảy

ra theo cả cơ chế dẫn nhiệt qua màng hơi và bức xạ do nhiệt độ bề mặt gia nhiệt cao Nếu làm giảm nhiệt độ xuống thì quá trình ngược lại sẽ xảy ra Khi ΔTsl đạt gần 1000C thì việc sinh hơi không đủ mạnh để giữ chất lỏng rời khỏi bề mặt

Hình 3-3 Đường cong sôi với mô hình sôi bể [9]

Khi chất lỏng tiếp xúc với bề mặt, cơ chế trao đổi nhiệt được phục hồi trở lại Điểm mà ở đó chất lỏng tiếp xúc với bề mặt trở lại được gọi là điểm sôi màng ổn định tối thiểu (MSFB) hoặc điểm Leidenfrost Đối với các quá trình kiểm soát nhiệt độ bề mặt, khoảng giữa CHF và MSFB có thể xây dựng được Giai đoạn này chất lỏng và bề mặt tiếp xúc một cách không liên tục Đó chính là vùng sôi chuyển tiếp Các đặc trưng trao đổi nhiệt sôi cho từng giai đoạn trong

mô hình sôi bao gồm thông lượng nhiệt và hệ số trao đổi nhiệt sẽ được thảo luận chi tiết sau đây [1,2,3,9]

3.1.1 Tạo nhân trong sôi bể

Quan hệ cho tạo nhân trong sôi bể được biểu diễn theo quan hệ của số Jakob với số Reynold và Prandt, Ja  f Re, Pr Số Reynol được định nghĩa cho bọt khí là hàm của thông lượng khối của bọt khí Gb, đường kính bọt khí Db và

3.1.2 CHF trong mô hình sôi bể

Quan hệ CHF được Kutateladze và Zuber tìm ra chỉ là hàm của áp suất:

3.1.3 Chuyển tiếp trong sôi bể

Sô chuyển tiếp nằm trong vùng giữa TCHF và TMSFB Vùng này được xem

là quá trình sôi kiểm soát bởi nhiệt độ Cơ chế sôi nhân và sôi màng cùng tồn tại khi nhiệt độ không đủ cao để sôi màng là cơ chế trội Do tính phức tạ của cơ chế sôi chuyển tiếp nên không có quan hệ nào có thể chỉ ra một cách tin cậy về thông lượng nhiệt thành Hầu hết các quan hệ sử dụng một giá trị trọng số giữa thông lượng nhiệt tới hạn (CHF) và thông lượng sôi màng bền nhỏ nhất (MSFB)

3.1.4 Sôi màng bền tối thiểu

Trong quá trình sôi kiểm soát bằng nhiệt độ, nhiệt độ thành đủ cao trong

mô hình sôi chuyển tiếp loại trừ sôi nhân và bao trùm bề mặt với một màng hơi Nhiệt độ mà ở đó sôi nhân dừng hoàn toàn chính là nhiệt độ sôi màng bền tối thiểu Để xác định thông lượng nhiệt ở điểm này chúng ta định nghĩa số Stanton như sau:

g fg

q St

3.1.5 Sôi màng trong mô hình sôi bể

Màng hơi trong trao đổi nhiệt sôi màng giống với màng ngưng tụ trong trao đổi nhiệt ngưng tụ màng phân lớp, quan hệ cho sôi màng trên mặt cầu và trụ là:

1/ 4 ' 3

3.1.6 Nhiệt độ sôi màng ổn định tối thiểu

Nhiệt độ tại điểm MSFB có thể xác định dựa trên định luật làm mát Newton với thông lượng tối thiểu và hệ số trao đổi nhiệt như sau:

đó sẽ di chuyển vào khối chất lỏng dưới bão hòa tạo thành vùng sôi dưới bão hòa Cơ chế trao đổi nhiệt tương ứng là sôi dưới bão hòa và đối lưu cưỡng bức cho chất lỏng đơn pha Quá trình chập bọt khí làm tăng năng lượng của chất lỏng, nhiều bọt khí được tạo ra một cách riêng rẽ hình thành nên dòng bọt Nhiệt

độ thành duy trì không đổi khi sôi dưới bão hòa bắt đầu Nhiệt độ chất lỏng tăng cho đến khi đạt trạng thái bão hòa Cơ chế trao đổi nhiệt vùng này là sôi nhân bão hòa Khi dòng đi nên cao hơn nữa, quá trình sinh nhân phát triển mạnh làm

số bọt khí tăng tới điểm mà ở đó các bọt khí bắng đầu chập với nhau tạo thành dòng nút Khi các nút khí chập với nhau, vùng tâm rỗng chứa hơi được hình thành, dòng có dạng xuyến Cơ chế trao đổi vận là sôi nhân bão hòa, nhưng quá trình sôi nhân được thay thế ngay lập tức bởi sự bay hơi Nhiệt bề mặt được trao đổi bới màng chất lỏng theo cơ chế bay hơi đối lưu cưỡng bức Tiếp tục bay hơi màng chất lỏng sẽ mỏng dần và dẫn đến khô màng “dryout” Tiếp theo Dryout, nhiệt độ bề mặt sẽ tăng nhanh do không có chất lỏng làm mát Nhiệt độ bề mặt giảm nhẹ là do các giọt chất lỏng mảnh tiếp xúc ngẫu nhiên với bề mặt Cơ chế trao đổi nhiệt chính là sự bay hơi đơn pha [1,2,3,8,9]

3.2.1 Sôi dòng dưới tới hạn

Có một số quan hệ cho việc tính toán hệ số trao đổi nhiệt trong sôi dòng dưới tới hạn Tuy nhiên quan hệ được sử dụng rộng rãi nhất có thể áp dụng cho các vùng dưới tới hạn và bão hòa là quan hệ Chen sẽ được trình bày ở phần tiếp theo