Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN

Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN

THÁI THỊ THỦY TIÊN

KHẢO SÁT SỰ CỐ MẤT CHẤT TẢI NHIỆT Ở CHÂN NÓNG, CHÂN LẠNH, SỰ CỐ VỠ ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT BÌNH SINH HƠI BẰNG PHẦN MỀM PCTRAN PWR

LỜI CẢM ƠN

  

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự quan tâm, giúp đỡ vô cùng quý giá của nhiều người

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô đã hết lòng dạy

dỗ, truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báo trong suốt thời gian qua

Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS Lê Bảo Trân Cô đã hướng dẫn tận tình, góp ý, hỗ trợ, truyền đạt những kinh nghiệm quý giá trong quá trình nghiên cứu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn này

Xin cảm ơn hội đồng bảo vệ đã dành thời gian đọc và góp ý luận văn

Xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập

Mặc dù bản thân đã rất cố gắng nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của quý thầy

cô để giúp luận văn hoàn thiện hơn

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2015

Thái Thị Thủy Tiên

MỤC LỤC

-  -

Trang TRANG PHỤ BÌA i

LỜI CẢM ƠN i

MỤC LỤC i

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT iv

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ viii

MỞ ĐẦU 1

Chương -1 TỔNG QUAN VÀ CẤU TẠO LÒ 4

1.1 Tình hình năng lượng điện hạt nhân trên thế giới và ở Việt Nam 4

1.1.1 Trên thế giới 4

1.1.2 Ở Việt Nam 6

1.2 Lò phản ứng nước áp lực 7

1.2.1 Lịch sử phát triển của lò phản ứng nước áp lực 7

1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng nước áp lực PWR 8

1.2.3 Cấu trúc nhà máy điện hạt nhân sử dụng loại lò PWR 9

Chương - 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 20

2.1 Vật lý lò phản ứng hạt nhân 20

2.1.1 Neutron trong lò phản ứng 20

2.1.2 Tán xạ và hấp thụ neutron 20

2.1.3 Phản ứng phân hạch hạt nhân 21

2.1.4 Phản ứng dây chuyền 26

2.2 Cơ sở vật lý trong điều khiển lò phản ứng 28

2.2.1 Động học lò phản ứng 28

2.2.2 Độ phản ứng 29

2.2.3 Hiệu ứng công suất của độ phản ứng 30

2.2.4 Sự thay đổi của độ phản ứng do ảnh hưởng của nhiệt độ và khoảng rỗng 31

2.4.5 Nhiễm độc của 135Xe 36

Chương - 3 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PCTRAN PWR PHIÊN BẢN 4.0.8 40

3.1 Giới thiệu phần mềm PCTRAN phiên bản 4.0.8 40

3.2 Lò phản ứng nước áp lực hai vòng trong phần mềm PCTRAN PWR 4.0.8 41

3.2.1 Giao diện phần mềm PCTRAN PWR phiên bản 4.0.8 41

3.2.2 Các thao tác sử dụng phần mềm 44

Chương - 4 KHẢO SÁT SỰ CỐ LÒ PWR 2 VÒNG BẰNG PHẦN MỀM PCTRAN 48

4.1 Sự cố mất chất tải nhiệt ở chân nóng, chân lạnh 48

4.1.1 Mô tả sự cố 48

4.1.2 Thiết lập điều khiển mô phỏng 50

4.1.3 Phân tích kết quả mô phỏng trong sự cố mất chất tải nhiệt ở chân nóng, chân lạnh 51

4.1.4 Đánh giá sự cố mất chất tải nhiệt do vỡ ở chân nóng, chân lạnh 61

4.2 Sự cố vỡ ống bình sinh hơi 63

4.2.1 Mô tả sự cố 63

4.2.2 Thiết lập điều khiển mô phỏng 64

4.2.3 Phân tích kết quả mô phỏng sự cố vỡ ống bình sinh hơi A 64

4.2.4 Khảo sát thời gian dập lò, suất liều cho tuyến giáp tại vùng EAB ứng với

các tỉ lệ vỡ khác nhau của ống trao đổi nhiệt bình sinh hơi 72

4.2.5 Đánh giá sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt bình sinh hơi 73

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 78

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ACC Accumulators Bộ tích trữ

BWR Boiling Water Reactor Lò phản ứng nước sôi

BWST Borate Water Storage Tank Bồn chứa nước Borate

CRDM Control Rod Drive Mechanism Cơ cấu dịch chuyển thanh

điều khiển

CVCS Chemical and Volume Control System Hệ thống kiểm soát hóa chất

và thể tích

DTHY Dose Rate EAB Thyroid Suất liều cho tuyến giáp tại

vùng biên khu vực quanh lò EAB Exclusion Area Boundary Vùng biên khu vực quanh lò ECCS Emergency Core Cooling Systems Hệ làm mát lõi khẩn cấp FBR Fast Breeder Reactor Lò tái sinh nhanh

FWIV Feedwater Isolation Valves Van nước cấp

FWP Feedwater Pump Máy bơm nước cấp

GCR Gas Cooled Reactor Lò khí graphit

HPSI High Pressure Safety Injection Hệ thống phun an toàn áp

IC Initial Condition Điều kiện ban đầu

LOCA Loss Of Coolant Accident Tai nạn mất chất tải nhiệt

LPSI Low Pressure Safety Injection Hệ thống phun an toàn áp

suất thấp LSGA Level SG A wide range Mực nước bình sinh hơi A

LVPZ Level Pressurizer Mực nước bình điều áp LWGR Light Water Graphite Reactor Lò graphit nước nhẹ

MDAFWP Motor Driven Auxiliary Feedwater

MFWP Main Feedwater Pump Máy bơm nước cấp chính MSIV Main Steam Isolation Valves Van ống hơi chính

NMĐHN Nhà máy điện hạt nhân

P Press RCS Áp suất hệ thống tải nhiệt PCTRAN Personal Computer Transient Analyzer Phần mềm mô phỏng PHWR Pressurized Heavy Water Reactor Lò nước nặng áp lực PRB Press Reactor building Áp suất nhà lò

PWNT Power Neutron Flux Thông lượng neutron PWR Pressurized Water Reactor Lò phản ứng nước áp lực QMWT Power Total megawatt thermal Công suất nhiệt toàn phần RBS Reactor Buiding Spray pump Máy bơm phun hơi nhà lò RCP Reactor Coolant Pumps Máy bơm chất tải nhiệt RHR Residual Heat Removal pump Máy bơm loại bỏ nhiệt dư RPS Reactor Protection System Hệ thống bảo vệ lò

RWST Refueling Water Storage Tank Bể lưu trữ nước dự phòng

SG Steam Generator Bình sinh hơi

TAVG Temperature RCS average Nhiệt độ trung bình của hệ

thống tải nhiệt TBV Turbine Bypass Valve Van nhánh tuốc bin

TCA Temperature Cold leg A Nhiệt độ chân lạnh A TCV Turbine Control Valve Van điều khiển tuốc bin THA Temperature Hot leg A Nhiệt độ chân nóng A

TFPK Temp Peak fuel Nhiệt độ cao nhất của nhiên

liệu TPCT Temp Peak clad Nhiệt độ cao nhất của vỏ bọc TRB Temp Reactor building Nhiệt độ nhà lò

VOL Volume RCS liquid Thể tích chất lỏng trong hệ

thống tải nhiệt WCFT Flow Accumulator Dòng từ bộ tích trữ

WCHG Flow Charging Dòng Charging

WFWA Flow SG A feedwater Dòng nước cấp cho bình

sinh hơi A

WLPI Flow Low pressure injection Dòng tiêm áp suất thấp

WLR Flow RCS leak Dòng rò rỉ khỏi hệ thống tải

nhiệt

WRCA Flow Reactor coolant loop A Dòng nước ở vòng tuần hoàn

nối với bình sinh hơi A

WSTA Flow SG A steam Dòng hóa hơi tại bình sinh

hơi A WTRA Flow SG A tube leak Dòng rò rỉ do vỡ ống bình

sinh hơi A

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Số lượng và công suất điện của các NMĐHN trên thế giới đang vận

hành và đang xây dựng tính đến 21/1/2015 4 Bảng 1.2 Các loại công nghệ lò phản ứng đang được sử dụng trên thế giới

tính đến 21/1/2015 5 Bảng 2.1 Tiết diện tán xạ, hấp thụ và phân hạch của một số hạt nhân tại năng

lượng neutron 0,025 eV 21 Bảng 2.2 Năng lượng ngưỡng Eng và năng lượng liên kết B đối với các hạt

nhân phân hạch 23 Bảng 2.3 Số neutron trung bình trên một phân hạch 24 Bảng 3.1 Trạng thái hoạt động của các thiết bị trên giao diện chính của

PCTRAN 42 Bảng 4.1 Báo cáo tiến trình hoạt động của lò trong sự cố mất chất tải nhiệt

xảy ra ở chân nóng, chân lạnh với diện tích lỗ thủng 100 cm2 50 Bảng 4.2 Báo cáo tiến trình hoạt động của lò trong sự cố vỡ ống bình sinh hơi

với tỉ lệ vỡ 100% 64

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tỉ lệ đóng góp của điện hạt nhân vào sản lượng điện từng quốc gia

năm 2014 6

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò phản ứng nước áp lực (PWR) 8

Hình 1.3 Sơ đồ khối nhà máy điện hạt nhân loại lò áp lực PWR 9

Hình 1.4 Hệ thống phun hơi trong nhà lò loại lò áp lực PWR 10

Hình 1.5 Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng áp lực PWR 2 vòng 10

Hình 1.6 Cấu trúc thùng lò 12

Hình 1.7 Sơ đồ mặt cắt bình sinh hơi 13

Hình 1.8 Hệ thống điều chỉnh áp suất trong bình điều áp 14

Hình 1.9 Hệ thống làm mát lõi lò khẩn cấp 18

Hình 2.1 Cơ chế phân hạch hạt nhân 22

Hình 2.2 Mô hình phát triển phản ứng dây chuyền của U235 27

Hình 2.3 Sự giãn nở của đỉnh cộng hưởng do hiệu ứng Doppler 33

Hình 2.4 Sơ đồ động học của các đồng vị Xe135 36

Hình 3.1 Giao diện phần mềm PCTRAN PWR 2 vòng phiên bản 4.0.8 41

Hình 3.2 Thanh trạng thái của phần mềm PCTRAN PWR 2 vòng 42

Hình 3.3 Menu Restart\Initial Condition 44

Hình 3.4 Danh sách các điều kiện ban đầu trong cửa sổ Initial Conditions 44

Hình 3.5 Menu Code Control\Malfunctions 45

Hình 3.6 Cửa sổ danh sách các sự cố 45

Hình 3.7 Cửa sổ thiết lập trạng thái sự cố 46

Hình 3.8 Cửa sổ Plot Variable Selection 46

Hình 3.9 Cửa sổ lựa chọn định dạng dữ liệu xuất ra 47

Hình 3.10 Hệ thống kiểm soát bức xạ và phân bố liều mô phỏng trên phần mềm PCTRAN PWR 2 vòng 47

Hình 4.1 Giao diện PCTRAN PWR 4.0.8 vào giây 107 khi xảy ra sự cố mất chất tải nhiệt xảy ra ở chân nóng nối với bình sinh hơi A 49

Hình 4.2 Giao diện PCTRAN PWR 4.0.8 vào giây 107 khi xảy ra sự cố mất chất

tải nhiệt xảy ra ở chân lạnh nối với bình sinh hơi A 49

Hình 4.3 Độ phản ứng của nhiên liệu, thanh điều khiển, boron, chất làm chậm, độ phản ứng toàn phần trong sự cố vỡ chân nóng 51

Hình 4.4 Độ phản ứng của nhiên liệu, thanh điều khiển, boron, chất làm chậm, độ phản ứng toàn phần trong sự cố vỡ chân lạnh 51

Hình 4.5 Thông lượng neutron trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 52

Hình 4.6 Công suất nhiệt trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 52

Hình 4.7 Dòng charging (WCHG) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 52

Hình 4.8 Lưu lượng nước bơm vào lò từ máy bơm áp lực cao (WHPI) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 52

Hình 4.9 Lưu lượng nước từ bồn tích trữ (WCFT) đi vào hệ thống tải nhiệt trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 53

Hình 4.10 Lưu lượng nước bơm vào lò từ máy bơm áp lực thấp (WLPI) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 53

Hình 4.11 Nhiệt độ chân nóng, nhiệt độ chân lạnh, nhiệt độ trung bình vòng sơ cấp trong sự cố xảy ra ở chân nóng 53

Hình 4.12 Nhiệt độ chân nóng, nhiệt độ chân lạnh, nhiệt độ trung bình vòng sơ cấp trong sự cố xảy ra ở chân lạnh 53

Hình 4.13 Áp suất vòng sơ cấp trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 54

Hình 4.14 Lưu lượng nước rò rỉ khỏi vòng sơ cấp (WLR) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 54

Hình 4.15 Lưu lượng nước bơm vào bình sinh hơi A (WFWA) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 54

Hình 4.16 Lưu lượng nước hóa hơi ở bình sinh hơi A (WSTA) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 54

Hình 4.17 Mực nước trong bình sinh hơi A (LSGA) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 55

Hình 4.18 Suất liều cho tuyến giáp (DTHY) tại vùng EAB trong sự cố vỡ chân

nóng, chân lạnh 55

Hình 4.19 Nhiệt độ nhà lò (TRB) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 55

Hình 4.20 Áp suất nhà lò (PRB) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh 55

Hình 4.21 Nhiệt độ cao nhất của nhiên liệu (TFPK) và nhiệt độ cao nhất của vỏ bọc nhiên liệu (TPCT) trong sự cố vỡ chân nóng 56

Hình 4.22 Nhiệt độ cao nhất của nhiên liệu (TFPK) và nhiệt độ cao nhất của vỏ bọc nhiên liệu (TPCT) trong sự cố vỡ chân lạnh 56

Hình 4.23 Giao diện PCTRAN PWR 4.0.8 vào giây 170 trong sự cố vỡ ống bình sinh hơi A 63

Hình 4.24 Độ phản ứng của nhiên liệu (RHFL), thanh điều khiển (RHRD), boron (RHBR), chất làm chậm (RHMT) và độ phản ứng toàn phần (RH) 65

Hình 4.25 Thông lượng neutron (PWNT) 65

Hình 4.26 Công suất nhiệt (QMWT) 65

Hình 4.27 Dòng charging (WCHG) 65

Hình 4.28 Lưu lượng nước từ máy bơm áp lực cao bơm vào vòng sơ cấp (WHPI) 66

Hình 4.29 Lưu lượng nước ở vòng tuần hoàn A 66

Hình 4.30 Lưu lượng nước rò rỉ tại chổ vỡ của ống trao đổi nhiệt của bình sinh hơi A (WTRA) 66

Hình 4.31 Thể tích nước trong vòng sơ cấp (VOL) 66

Hình 4.32 Nhiệt độ chân nóng (THA), nhiệt độ chân lạnh (TCA), nhiệt độ trung bình vòng sơ cấp (TAVG) 67

Hình 4.33 Áp suất của vòng sơ cấp (P) 67

Hình 4.34 Công suất của bộ gia nhiệt trong bình điều áp (HTR) 67

Hình 4.35 Mực nước trong bình điều áp (LVPZ) 67

Hình 4.36 Lưu lượng nước cấp cho bình sinh hơi A (WFWA) 68

Hình 4.37 Lưu lượng nước hóa hơi trong bình sinh hơi A (WSTA) 68

Hình 4.38 Mực nước trong bình sinh hơi A (LSGA) 68 Hình 4.39 Nhiệt độ cao nhất của nhiên liệu (TFPK) và của vỏ bọc nhiên liệu

(TPCT) 68 Hình 4.40 Khoảng thời gian dập lò ứng với các tỉ lệ vỡ 30%, 40%, 50%, 100%,

200%, 500%, 1000% của ống trao đổi nhiệt 72 Hình 4.41 Suất liều cho tuyến giáp tại vùng EAB với các tỉ lệ vỡ 30%, 40%,

50%, 100%, 200%, 500%, 1000% của ống trao đổi nhiệt 72

MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với xu hướng phát triển của thế giới, nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng Nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ ) đang ngày càng cạn kiệt Các nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, năng lượng gió)

và các nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch không thể đáp ứng đủ nhu cầu năng lượng ngày càng cao Năng lượng nguyên tử đã trở thành một nguồn năng lượng quan trọng của nhân loại Bên cạnh việc đáp ứng tốt nhu cầu về điện, điện hạt nhân có tuổi thọ kéo dài, góp phần giải quyết vấn đề môi trường Trong khi các dạng nhiên liệu hoá thạch truyền thống phát thải một khối lượng lớn các khí gây ô nhiễm môi trường, gây hiệu ứng nhà kính Điện hạt nhân cung cấp nguồn năng lượng sạch và có khả năng mở rộng trên quy mô lớn để cung cấp nguồn điện ổn định, liên tục Bên cạnh đó, nguồn nguyên liệu uranium dùng cho lò phản ứng hạt nhân còn phong phú và triển vọng điện hạt nhân cung cấp điện với giá ổn định Tính đến 2015, theo thống kê của IAEA trên toàn thế giới đã có 439 tổ máy điện hạt nhân đang hoạt động tại 31 quốc gia và vùng lãnh thổ với tổng công suất điện khoảng 377 GWe [16] Điện hạt nhân là bộ phận cấu thành quan trọng của ngành công nghiệp điện lực thế giới Đối với nhiều quốc gia, điện hạt nhân chính là động lực cho quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước

Ở Việt Nam, dựa trên các yếu tố đánh giá về nguồn năng lượng ở nước ta, hiện các tiềm năng phát triển thủy điện đang dần cạn kiệt, nhiệt điện đã phải nhập khẩu than, trong khi phát triển năng lượng điện từ gió rất tốn kém, cần nhiều kinh phí Do

đó, cần phải tìm ra một nguồn năng lượng mới phù hợp với xu thế và đáp ứng nhu cầu phát triển của đất nước Điện hạt nhân có thể xem là lựa chọn cho mục tiêu chiến lược về an ninh năng lượng trong tương lai Việc phát triển điện hạt nhân giúp tạo nguồn điện mới theo hướng chủ động hơn, giảm sự phụ thuộc vào thiên nhiên Cùng với xu hướng phát triển điện hạt nhân trên thế giới, dự án xây dựng nhà máy điện nguyên tử đầu tiên ở nước ta đang được triển khai, tiến hành ở Ninh Thuận Trong đó vấn đề đào tạo nhân lực để xây dựng và vận hành nhà máy là

nhiệm vụ cấp bách hiện nay Chính phủ Việt Nam đã đưa ra và triển khai nhiều chương trình đào tạo nhân lực phục vụ cho dự án này trong đó có một số dự án có kết hợp việc sử dụng các phần mềm mô phỏng lò phản ứng hạt nhân do cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) tài trợ Do trên thực tế đào tạo, việc tiếp cận nhà máy điện còn gặp nhiều khó khăn và chưa đảm bảo an toàn trong khi vấn đề an toàn hạt nhân luôn được đặt lên hàng đầu Vì thế, việc sử dụng phần mềm mô phỏng hoạt động của lò phản ứng để học tập và nghiên cứu trở nên cần thiết Phần mềm cung cấp thông tin về thiết kế, các đặc trưng vận hành, hệ thống điều khiển độ phản ứng, hệ thống an toàn và các tình huống tai nạn đối với các loại nhà máy điện hạt nhân Thêm vào đó, phần mềm có thể hoạt động trên máy tính cá nhân nên thuận lợi cho người dùng

Nhà máy điện sử dụng lò phản ứng nước áp lực chiếm 63% [16] số lượng các nhà máy điện trên thế giới Việc trang bị những kiến về lò phản ứng hạt nhân nói chung cũng như lò phản ứng nước áp lực nói riêng để xây dựng nền tảng tiếp nhận các công nghệ lò phản ứng hạt nhân mới rất cần thiết Vì vậy trong đề tài này, chúng tôi chọn phần mềm PCTRAN (Personal Computer Transient Analyzer) [6] để thực hiện mô phỏng sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR Chúng tôi thực hiện cho loại lò phản ứng nước áp lực (PWR) 2 vòng tuần hoàn với chu trình sơ cấp gồm 2 bình sinh hơi

Mục tiêu của luận văn là khảo sát sự cố mất chất tải nhiệt lần lượt xảy ra ở chân nóng, chân lạnh của vòng sơ cấp với diện tích lỗ thủng 100 cm2 trong 3000 giây Từ

đó, phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng, so sánh sự cố xảy ra giữa chân nóng và chân lạnh Tiếp đến, chúng tôi tiến hành mô phỏng sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt bình sinh hơi A Với tỉ lệ vỡ 100%, chúng tôi mô phỏng sự cố trong 2000 giây rồi phân tích, đánh giá các thông số hoạt động của lò Chúng tôi cũng mô phỏng sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt bình sinh hơi A với các tỉ lệ vỡ khác nhau để khảo sát thời gian dập lò, suất liều cho tuyến giáp tại vùng biên khu vực bao quanh lò Các sự cố đều xảy ra ở giây 100

Đối tượng nghiên cứu là phần mềm PCTRAN cho lò phản ứng nước áp lực PWR 2 vòng tuần hoàn với chu trình sơ cấp gồm 2 bình sinh hơi

Luận văn gồm bốn chương:

Chương một trình bày về tình hình năng lượng điện hạt nhân trên thế giới và kế hoạch phát triển điện hạt nhân ở Việt Nam, lịch sử phát triển, nguyên tắc hoạt động

và cấu tạo của lò PWR

Chương hai trình bày vật lý lò phản ứng và cơ sở vật lý trong điều khiển lò Chương ba giới thiệu chung về phần mềm và hướng dẫn các thao tác sử dụng phần mềm

Chương bốn mô phỏng và phân tích sự cố lò PWR hai vòng bằng phần mềm PCTRAN Trong chương bốn chúng tôi mô phỏng, phân tích sự cố mất chất tải nhiệt lần lượt xảy ra ở chân nóng, chân lạnh của vòng sơ cấp với diện tích lỗ thủng

100 cm2 trong 3000 giây Tiếp đến, chúng tôi mô phỏng sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt bình sinh hơi A với tỉ lệ vỡ 100% trong 3000 giây Cuối cùng mô phỏng sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt bình sinh hơi A với các tỉ lệ vỡ khác nhau Từ đó đánh giá các kết quả đạt được

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ CẤU TẠO LÒ 1.1 Tình hình năng lượng điện hạt nhân trên thế giới và ở Việt Nam

1.1.1 Trên thế giới

Tính đến 21/1/2015, theo thống kê của IAEA trên toàn thế giới đã có 439 nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) đang vận hành với tổng công suất điện được thiết lập khoảng 377 GW và có 69 NMĐHN đang trong quá trình xây dựng với tổng công suất được thiết lập khoảng 66 GW [16] Số lượng và công suất điện của các NMĐHN trên thế giới được nêu trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Số lượng và công suất điện của các NMĐHN trên thế giới đang vận

hành và đang xây dựng tính đến 21/1/2015 [16]

Quốc gia

Số lượng Công suất điện

Bảng 1.1 (Tiếp theo)

Quốc gia

Số lượng Công suất điện

Bảng 1.2 Các loại công nghệ lò phản ứng đang được sử dụng trên thế giới tính

Hình 1.1 Tỉ lệ đóng góp của điện hạt nhân vào sản lượng điện từng quốc gia

năm 2014 [15]

Theo hình 1.1, năm 2014, Pháp đứng đầu với điện hạt nhân chiếm hơn 70% sản lượng điện nước này Mỹ tuy đứng đầu thế giới về số lượng NMĐHN nhưng điện hạt nhân chỉ đóng góp gần 20% cho sản lượng điện quốc gia, đứng thứ 16 trong số

31 quốc gia

1.1.2 Ở Việt Nam

Hòa vào xu hướng phát triển điện hạt nhân trên thế giới, Việt Nam đang trong giai đoạn chuẩn bị nhân lực và công nghệ để xây dựng dự án nhà máy điện hạt nhân Dự án điện hạt nhân Ninh Thuận, gồm 2 nhà máy, mỗi nhà máy có 2 tổ máy với tổng công suất 4000 MW, được Quốc hội thông qua vào tháng 11/2009 [4] Nhà máy Ninh Thuận 1 nhận công nghệ và đầu tư từ Nga và nhà máy Ninh Thuận 2 sẽ

nhận từ Nhật Bản [12] Theo quyết định số 906/QĐ-TTg của thủ tướng chính phủ [5], nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận I sẽ đưa tổ máy đầu tiên vận hành vào năm

2020 với công suất khoảng 1000 MW Tổ máy 2 đưa vào vận hành năm 2021 Định hướng đến năm 2025, tổng công suất các nhà máy điện hạt nhân khoảng 8000

MW, chiếm khoảng 7% tổng công suất nguồn điện Năm 2030, Việt Nam sẽ có 13 tổ máy điện hạt nhân với tổng công suất khoảng 15000 MW, chiếm khoảng 10% tổng

công suất nguồn điện

1.2 Lò phản ứng nước áp lực

1.2.1 Lịch sử phát triển của lò phản ứng nước áp lực

Lò phản ứng nước áp lực (PWR) là loại lò phản ứng nước nhẹ, được sử dụng

phổ biến ở Châu Âu và Mĩ

Ở Mỹ, PWR được thiết kế ban đầu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge của bộ năng lượng Mỹ để sử dụng cho hệ thống năng lượng của tàu ngầm hạt nhân vào năm 1954 Các nghiên cứu và phát triển tiếp theo được thực hiện bởi phòng thí nghiệm năng nguyên tử Knolls và Westinghouse Bettis Trong chương trình năng lượng phục vụ quân sự của Mỹ, những lò phản ứng nước áp lực đã được đưa vào vận hành từ năm 1954 đến năm 1974 Nhà máy điện hạt nhân đảo Three mile được thiết kế bởi Babcock và Wilcox, ban đầu vận hành hai nhà máy điện sử dụng công nghệ lò PWR là TMI-1 (1974) và TMI-2 (1978) Sau vụ rò rỉ xảy ra ở TMI-2 vào năm 1979, việc xây dựng thêm các nhà máy hạt nhân mới loại này ở Mỹ về cơ bản

Một số lò phản ứng sử dụng các thiết kế của PWR là Westinghouse 1 vòng Zorita (Tây Ban Nha), Westinghouse 2 vòng Ginna (Mỹ); Krsko (Slovenia),

Westinghouse 3 vòng Turkey Point, Westinghouse 4 vòng San Onofre-1, AP600, AP1000, APWR

1.2.2 Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng nước áp lực PWR

Lò sử dụng hai vòng tuần hoàn được minh họa như hình 1.2:

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò phản ứng nước áp lực (PWR)

 Vòng sơ cấp là một vòng tuần hoàn gồm 4 thành phần chính là lò phản ứng, thiết bị sinh hơi, bình điều áp và các máy bơm tuần hoàn chính

 Vòng thứ cấp là một vòng khép kín gồm tuốc bin-máy phát, bình ngưng tụ,

hệ thống lọc nước, bộ trao đổi nhiệt, các máy bơm nước cấp

Ở vòng sơ cấp, nước dưới áp suất cao được bơm tuần hoàn vào lò, đi qua vùng hoạt, nhận nhiệt sinh ra do quá trình phân rã hạt nhân trong lõi lò Nhiệt độ của nước tăng lên Trong điều kiện áp suất cao, nước sẽ không sôi Nước này được đẩy đến thiết bị sinh hơi, tại đây nước sẽ truyền nhiệt cho nước ở vòng thứ cấp Nhiệt độ của nước hạ xuống và nước tiếp tục được bơm quay lại lò phản ứng Vòng sơ cấp có vai trò chuyển nhiệt tạo ra từ vùng hoạt đến bình sinh hơi

Ở vòng thứ cấp, nước cấp ở áp suất thấp, được bơm vào thiết bị sinh hơi, nhận nhiệt của nước vòng sơ cấp qua hệ thống ống trao đổi nhiệt của bình sinh hơi, hóa hơi tại đây Hơi nước sẽ được đưa vào quay tuốc bin máy phát để sản xuất điện Sau

đó, hơi nước đi qua bình ngưng tụ, ngưng tụ thành nước với nhiệt độ thấp hơn Nước này đi qua các bộ trao đổi nhiệt và quay trở lại bình sinh hơi tiếp tục chu trình

1.2.3 Cấu trúc nhà máy điện hạt nhân sử dụng loại lò PWR

Nhà máy điện hạt nhân loại lò PWR gồm ba bộ phận chính: nhà lò (containment building), nhà tuốc bin (turbine building), nhà phụ trợ (auxiliary building)

Hình 1.3 Sơ đồ khối nhà máy điện hạt nhân loại lò áp lực PWR

 Nhà lò chứa hệ thống tải nhiệt lò phản ứng Nhà lò được thiết kế để chịu áp suất và nhiệt độ cao Tòa nhà lò là một kết cấu kín khí bằng thép, bê tông cốt thép Các thiết kế hiện đại có xu hướng sử dụng vật liệu thép cho tòa nhà lò Đối với lò PWR, tòa nhà lò có thể là hình trụ hoặc hình vòm Hiện nay, phần lớn các thiết kế tòa nhà lò của PWR có sự kết hợp phần dưới là hình trụ, phần trên là nửa hình cầu Nhà lò có tác dụng ngăn cản các vật liệu phóng xạ thoát ra môi trường

Nó là rào chắn cuối cùng khi có sự cố nghiêm trọng xảy ra

Khi có sự cố mất chất tải nhiệt, để làm giảm nhiệt độ, áp suất trong nhà lò, nhà

lò được thiết kế hai hệ thống sau:

 Hệ thống quạt làm mát (the fan cooler system): tuần hoàn không khí, trao đổi nhiệt để làm mát

 Hệ thống phun trong nhà lò (the containment spray system)

Lượng nhiệt trong nhà lò được thải ra ngoài nhờ vào các bộ phận trao đổi nhiệt Khi xảy ra sự cố bên trong nhà lò, không khí trong nhà lò sẽ đầy hơi nước Hệ thống phun sẽ hoạt động tự động Nước từ bể lưu trữ dự phòng được bơm vào trong

nhà lò, làm cho hơi nước ngưng tụ Điều này làm giảm nhiệt độ, áp suất không khí trong nhà lò Khi bể lưu trữ dự phòng hết nước, hệ thống phun trong nhà lò sẽ lấy nước từ bể chứa trong nhà lò (the containment sump)

Hình 1.4 Hệ thống phun hơi trong nhà lò loại lò áp lực PWR

 Nhà tuốc bin chứa các thiết bị ở vòng thứ cấp

 Nhà phụ trợ chứa hệ thống phụ trợ và hệ thống an toàn như hệ thống thải phóng xạ, hệ thống kiểm soát hóa chất và thể thích, hệ thống làm mát khẩn cấp [17]

1.2.3.1 Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng nước áp lực PWR

Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng nước áp lực PWR được mô tả như hình 1.5:

Hình 1.5 Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng áp lực PWR 2 vòng

Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng nước áp lực PWR bao gồm các thiết bị của vòng

sơ cấp: thùng lò, bình sinh hơi, bình điều áp, bơm nước tải nhiệt, ống tải nhiệt chính

 Thùng lò phản ứng (The Reactor Vessel)

Thùng lò chứa lõi lò, các thiết bị liên kế hỗ trợ, thiết bị định vị Lõi lò chứa các

bó nhiên liệu và thanh điều khiển nằm ở trung tâm

Thùng lò cấu tạo từ một phần hình trụ với các ống vào (chân lạnh), ống ra (chân nóng) của chất tải nhiệt Đầu dưới hình bán cầu và một bán cầu di động ở đầu trên Đầu trên có thể tháo rời để tiếp nhiên liệu vào lò Ở lò PWR, khối các ống bảo vệ và

hệ thống điều khiển được bố trí ở phía trên vùng hoạt Hệ thống các cột chống đỡ và các tấm định vị được lắp ở đáy thùng để thuận tiện cho việc bố trí các bó nhiên liệu, giúp thanh điều khiển lò chuyển động dễ dàng hơn và giúp hệ thống tải nhiệt làm việc có hiệu quả Với mỗi vòng tải nhiệt, thùng lò có một chân nóng và một chân lạnh

Thùng lò có nhiệm vụ bảo vệ lõi lò, các cấu trúc bên trong lò Thùng lò phải chịu được áp suất cao, nhiệt độ tăng cao, ứng suất lớn, sự ăn mòn và tác dụng của bức xạ nên được xây dựng bằng thép hợp kim Molypden Mangan Mặt trong thùng

lò được mạ thép không gỉ Để bảo đảm độ bền, thùng lò được làm với số mối hàn ít nhất Thùng lò được thiết kế để làm việc từ 40 đến 60 năm

Thùng lò đóng vai trò là hàng rào bảo vệ thứ hai Rào thứ nhất là vỏ bọc nhiên liệu, rào thứ ba là tường kín của nhà lò

Hình 1.6 Cấu trúc thùng lò

 Bình sinh hơi (Steam Generator - SG)

Sơ đồ mặt cắt của bình sinh hơi được mô tả trong hình 1.7 Nước ở vòng sơ cấp

có áp suất cao đi vào bình sinh hơi tại primary inlet Nước này di chuyển lên xuống trong hàng nghìn ống có dạng chữ U ngược, rồi ra khỏi bình sinh hơi tại primary outlet để trở lại vòng sơ cấp Bề mặt của những ống dạng chữ U ngược tiếp xúc với nước có áp suất thấp của vòng thứ cấp (nước cấp) Nước cấp đi vào bình sinh hơi tại feedwater inlet Nhiệt từ nước ở vòng sơ cấp làm cho cho nước cấp sôi lên trong bình sinh hơi, tạo thành hơi nước Hơi nước ẩm ướt sinh ra, bay lên phía trên của bình sinh hơi gọi là khu vực trụ hơi Để làm giảm độ ẩm hơi nước, tránh thiệt hại đến cánh tuabin, tại đây hỗn hợp hơi nước sẽ được sấy khô và tách ẩm Sau đó, hơi

nước thoát ra khỏi bình sinh hơi tại steam outlet và đi đến tuốc bin Nước tách ra từ hỗn hợp được đưa trở lại bình sinh hơi để tái sử dụng

Khi bình sinh hơi hoạt động bình thường, máy bơm nước cấp chính cung cấp nước cho bình sinh hơi Van kiểm soát lượng nước cung cấp cho bình sinh hơi được quy định bởi hai sự chênh lệch: mực nước trong bình sinh hơi so với mực nước thiết lập, lượng nước cấp cho bình sinh hơi so với lượng nước hóa hơi Van này điều chỉnh lưu lượng nước cấp đến khi quá trình chuyển đổi ổn định và sự chênh lệch giảm bớt Khi các máy bơm cung cấp nước chính bị ngừng hoạt động, các máy bơm phụ sẽ tự động kích hoạt khi có tín hiệu mực nước thấp hoặc do người vận hành khởi động [8]

Trong bình sinh hơi, áp suất đầu thu hơi được kiểm soát ở một giá trị thiết lập bởi van bướm Khi áp suất đầu thu hơi cao, hệ thống thải hơi nước điều khiển mở van nhánh để ngưng tụ bớt hơi nước, làm giảm áp suất Ở áp suất cao hơn, van an toàn xả hơi ra khí quyển, làm giảm áp suất trong đường ống dẫn hơi

Bình sinh hơi là khâu kết nối giữa hệ thống lò phản ứng và hệ thống tuốc bin Bình sinh hơi giúp cách ly sự lan truyền chất phóng xạ từ vòng sơ cấp sang vòng thứ cấp và phân tán nhiệt dư sau khi lò phản ứng ngừng hoạt động

Hình 1.7 Sơ đồ mặt cắt bình sinh hơi

 Bình điều áp (Pressurizer)

Bình điều áp là một thùng hình trụ chịu áp, đặt thẳng đứng, các đáy hình elip Bình điều áp được nối với chân nóng của một trong các vòng tuần hoàn sơ cấp Ở đáy của bình là bộ gia nhiệt (heaters), bình thường bộ phận này được đặt chìm trong nước Phía trên của bình là vòi phun (spray)

Chức năng của bình điều áp là giữ cho áp suất trong vòng sơ cấp ổn định trong suốt quá trình lò hoạt động Áp suất được điều khiển nhờ vào bộ gia nhiệt, bộ phun nước, các van giảm áp và các van an toàn

Nhờ mạch điều khiển, hệ thống sẽ phát hiện sự chênh lệch giữa áp suất hệ thống tải nhiệt và áp suất thiết lập Nếu áp suất của hệ thống tải nhiệt tăng làm áp suất hơi tăng đẩy các vòi phun trong bình điều áp mở ra Nước từ hệ thống tải nhiệt được phun vào không gian hơi, hơi nước sẽ ngưng tụ vào nước làm giảm áp suất Nếu áp suất tiếp tục tăng, các van giảm áp sẽ mở ra, hơi nước được đưa vào bể giảm áp (pressurizer relief tank) Nếu áp suất không giảm, các van an toàn sẽ mở ra và xả hơi vào bể cứu trợ Ngược lại, nếu áp suất giảm dưới mức thiết lập, bộ gia nhiệt sẽ được cấp điện để đun nước tạo hơi, làm cho áp suất tăng trở lại Nếu áp suất tiếp tục giảm và đạt đến một giá trị ngưỡng đặt trước, hệ thống bảo vệ lò sẽ dập lò [10]

Hình 1.8 Hệ thống điều chỉnh áp suất trong bình điều áp

Bể giảm áp là một bể lớn chứa nước, chứa nhiều khí nitơ Nước trong bể dùng

để ngưng tụ hơi nước xả ra từ các van an toàn, van giảm áp Khí nitơ được dùng để ngăn ngừa hydro có trong hệ thống làm mát lò gây cháy nổ

Nguyên nhân gây ra sự thay đổi áp suất thường do sự thay đổi nhiệt độ trong hệ thống tải nhiệt [10] Nếu nhiệt độ của hệ thống tải nhiệt tăng, mật độ chất tải nhiệt giảm, nước nở ra sẽ chiếm nhiều không gian hơn Do bình điều áp được nối với chân nóng của hệ thống tải nhiệt nên nước nở ra sẽ đi vào bình điều áp dẫn đến mực nước trong bình điều áp tăng Điều này làm cho lượng hơi trong bình điều áp bị nén lại dẫn đến áp suất tăng Nếu nhiệt độ trong hệ thống tải nhiệt giảm, mật độ chất tải nhiệt tăng, nước sẽ chiếm ít không gian hơn Mực nước trong bình điều áp sẽ giảm làm cho áp suất giảm theo

 Bơm tải nhiệt lò phản ứng (The Reactor Coolant Pump - RCP)

Bơm chất tải nhiệt còn được gọi là bơm tuần hoàn Đây là loại bơm hút một tầng, trục thẳng đứng, có hiệu quả thuỷ lực rất cao Máy bơm này gồm các bộ phận chính: mô-tơ, hệ thống thủy lực và lớp đệm Mô-tơ là một động cơ điện lớn, làm mát bằng không khí, hoạt động với công suất lớn Hệ thống thủy lực của bơm là bộ cánh quạt và dòng chảy xoắn ốc Cánh quạt gắn với mô-tơ bằng một trục dài Lớp đệm nằm giữa động cơ và hệ thống thủy lực và ngăn ngừa nước rò rỉ theo trục vào mô-tơ

Chức năng của bơm là tạo ra dòng tuần hoàn chất tải nhiệt trong vòng sơ cấp Bơm còn cung cấp sự lưu thông chất tải nhiệt khi có sự cố mất điện nhờ vào bánh

đà Khi không có máy bơm, chất làm mát có thể tuần hoàn tự nhiên qua lò Tuy nhiên, dòng chảy này không đủ để loại bỏ nhiệt được tạo ra khi lò ở mức công suất

 Đường ống dẫn chất tải nhiệt chính

Đường ống dẫn chất tải nhiệt chính nối thùng lò, các bình sinh hơi và các máy bơm chất tải nhiệt tạo nên vòng sơ cấp để tái tuần hoàn dòng chất tải nhiệt Đường ống dẫn chất tải nhiệt được làm bằng thép không gỉ hoặc thép carbon mạ thép không gỉ, được phủ vật liệu cách nhiệt để giảm sự mất nhiệt

Phần ống dẫn chất tải nhiệt từ thùng lò vào bình sinh hơi gọi là chân nóng (hot leg) Chân lạnh (cold leg) gồm hai phần: đường ống hút chất tải nhiệt từ bình sinh hơi ra đến máy bơm tuần hoàn và đường ống dẫn chất tải nhiệt từ máy bơm tuần hoàn đi vào thùng lò

 Van

Các van tiếp xúc với nước làm mát được làm chủ yếu bằng thép không gỉ austenitic và sử dụng vật liệu đặc biệt như vật liệu nén, bề mặt cứng chống ăn mòn Các van an toàn hoạt động tự động dưới ảnh hưởng của áp suất hoặc có thể do người vận hành điều khiển

1.2.3.2 Hệ thống thanh nhiên liệu ( Fuel system)

Lò phản ứng PWR sử dụng nhiên liệu là Uranium Dioxit (UO2) với hàm lượng

U235 được làm giàu từ 2,1 đến 3,1% U235 [9] UO2 được đúc thành dạng viên hình trụ, có đường kính khoảng 0,32 inch (0,8 cm), cao khoảng 0,6 inch (1,5 cm) Viên

UO2 được nén lõm cả 2 đầu để điểu chỉnh thích hợp cho sự dãn nở vì nhiệt và sự phồng lên của nhiên liệu Sau đó được đặt vào các ống Zircaloy với khí Heli Zircaloy giúp tăng khả năng dẫn nhiệt từ nhiên liệu, tạo sự chắc chắn cho thanh nhiên liệu và có đặc tính hấp thụ neutron yếu Các thanh nhiên liệu được bó thành từng bó Cấu hình của các bó nhiên liệu là 14 x 14, tức là trong một bó nhiên liệu có

180 thanh nhiên liệu và 16 thanh điều khiển, chiều dài của cả bó nhiên liệu là 3,5 mét và có tổng cộng là 121 bó để cấu trúc lõi lò an toàn [10] Độ làm giàu được xếp tăng dần theo chiều từ ngoài vào trong của bó nhiên liệu

Chu kỳ nhiên liệu khoảng 12 - 18 tháng Sau khoảng thời gian này phải thay thế một phần nhiên liệu cho lò

1.2.3.3 Hệ thống thanh điều khiển và cơ cấu dịch chuyển thanh điều khiển

Thanh điều khiển được sử dụng để kiểm soát tốc độ phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân Thanh này được chế tạo từ các nguyên tố hóa học có khả năng hấp thụ nhiều nơtron mà không tự phân hạch Trong lò nước áp lực (PWR), hợp kim bạc-Indi-Cadmi (80% Ag, 15% In, và 5% Cd ) hoặc hợp chất của Bo (như cacbua Bo) [14] là vật liệu thường được sử dụng làm thanh điều khiển Các thanh điều

khiển được chèn trực tiếp vào các bó nhiên liệu trong các trường hợp: khởi động lò phản ứng, dập lò, điều tiết sự thay đổi ngắn hạn như thay đổi tải tuốc bin

Cơ cấu dịch chuyển thanh điều khiển (Control Rod Drive Mechanism – CRDM) được bố trí ở trên nắp thùng lò, dùng để di chuyển các thanh điều khiển Khi cần điều chỉnh nhanh công suất của lò, CRDM sẽ dịch chuyển các thanh điều khiển nâng lên hoặc hạ xuống nằm xen kẽ với các thanh nhiên liệu Đây là một thiết bị cơ điện hoạt động theo nguyên lý chốt bằng từ Khi dừng lò khẩn cấp mà dòng điện bị ngắt, các thanh điều khiển được đưa vào vùng hoạt nhờ trọng lực

1.2.3.4 Chất làm chậm neutron và chất tải nhiệt

Lò PWR sử dụng neutron nhiệt để phân hạch hạt nhân Uranium nên các neutron nhanh sinh ra trong quá trình phân hạch phải được làm chậm trở thành neutron nhiệt Trong lò PWR, nước nhẹ (H2O) được sử dụng làm chất làm chậm Trong quá trình chuyển động, các neutron nhanh được làm chậm sau khi va chạm nhiều lần với các nguyên tử Hidro của chất làm chậm dẫn đến tốc độ neutron giảm Trong lò PWR, nước nhẹ vừa là chất làm chậm đồng thời cũng là chất tải nhiệt

1.2.3.5 Hệ thống làm mát lõi lò khẩn cấp (Emergency Core Cooling Systems)

Hệ thống làm mát lõi khẩn cấp gồm: hệ thống phun an toàn áp suất cao, hệ thống phun an toàn áp suất trung gian, bộ tích trữ, hệ thống phun an toàn áp suất thấp [10]

Hệ thống phun an toàn áp suất cao - High Pressure Safety Injection (HPSI) system - sử dụng các máy bơm trong hệ thống kiểm soát hóa chất và thể tích Hệ thống HPSI được thiết kế để cung cấp nước cho lõi lò trong trường hợp khẩn cấp, khi áp suất hệ thống nước làm mát lò phản ứng tương đối cao như vỡ nhỏ trong hệ thống làm mát lò phản ứng, rò rỉ chất làm mát từ vòng sơ cấp sang vòng thứ cấp, vỡ ống trao đổi nhiệt bình sinh hơi

Hệ thống phun áp suất trung gian (Intermediate Pressure Safety Injection System) hoạt động khi áp suất vẫn tương đối cao và kích thước lỗ vỡ ở vòng sơ cấp

từ nhỏ đến vừa

Khi tín hiệu khẩn cấp được kích hoạt, hệ thống phun an toàn áp suất cao và hệ thống phun áp trung gian sẽ bơm nước từ bể lưu trữ dự phòng (Refueling Water Storage Tank - RWST) vào hệ thống tải nhiệt

Bộ tích trữ (Accumulator - ACC) không cần sử dụng điện Bộ tích trữ chứa một lượng lớn dung dịch boron với khí nitơ nén ở trên Trong trường hợp khẩn cấp, các bể này cung cấp nước cho các hệ thống tải nhiệt khi áp suất của vòng sơ cấp giảm rất nhanh như vỡ lớn trong hệ thống sơ cấp Nếu áp suất của vòng sơ cấp giảm xuống mức đủ thấp, nitơ sẽ đẩy dung dịch boron ra khỏi bể và đi vào hệ thống tải nhiệt lò phản ứng Khi có sự cân bằng áp suất, hoạt động này sẽ dừng lại

Hệ thống phun áp suất thấp - Low Pressure Safety Injection (LPSI) System - hoạt động khi áp suất lò thấp Khi bể lưu trữ dự phòng hết nước, hệ thống này có thể dẫn nước từ bể chứa của nhà lò, bơm nước qua bộ phận loại bỏ nhiệt dư (Residual Heat Removal System) để làm mát Sau đó bơm nước nguội vào lò để làm mát lõi

Hình 1.9 Hệ thống làm mát lõi lò khẩn cấp

Mỗi hệ thống phun trên hình 1.9 đều có hai máy bơm Toàn bộ hệ thống này dùng nguồn điện từ máy phát điện Diesel nên hoạt động bình thường khi nhà máy mất điện

Chức năng của hệ thống làm mát lõi khẩn cấp là làm mát lõi lò, giảm thiểu thiệt hại nhiên liệu sau tai nạn mất nước làm mát, cung cấp chất hấp thụ neutron dập lò Những điều này được thực hiện bằng cách tiêm một lượng lớn nước làm mát, dung dịch boron từ bể lưu trữ dự phòng vào hệ thống làm mát lò

1.2.3.6 Hệ thống kiểm soát hóa chất và thể tích (Chemical and Volume Control System - CVCS)

Hệ thống kiểm soát hóa chất và thể tích là hệ thống hỗ trợ chính cho hệ thống tải nhiệt lò Một số chức năng của hệ thống [9] là:

 Làm sạch hệ thống tải nhiệt lò bằng cách sử dụng các bộ lọc và khử khoáng

 Thêm và loại bỏ boron khi cần thiết

 Duy trì mực nước bình điều áp tại các điểm đặt mong muốn

1.2.3.7 Hệ thống bảo vệ lò phản ứng (Reactor Protection System- RPS)

Khi các thông số hoạt động của lò phản ứng vượt quá giới hạn an toàn, hệ thống bảo vệ lò phản ứng (RPS) được thiết kế để chấm dứt ngay lập tức phản ứng hạt nhân Hệ thống RPS gồm các bộ phận sau:

 Các thanh điều khiển (Control rods)

 Hệ điều khiển chất lỏng dự phòng (Standby liquid control system) phun một loại chất lỏng có khả năng hấp thụ nơtron vào vùng hoạt như dung dịch boron

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Vật lý lò phản ứng hạt nhân

2.1 1 Neutron trong lò phản ứng

Hạt nhân nguyên tử được cấu tạo từ hai loại hạt cơ bản là proton và neutron Proton mang điện tích dương và là hạt cơ bản bền Neutron không mang điện tích Neutron chỉ bền trong hạt nhân bền vững do quá trình phân rã của neutron trong hạt nhân bền vững bị cấm về mặt năng lượng

Trong vật lý lò phản ứng, các neutron được xét ở trạng thái tự do và phân rã beta với thời gian bán rã 11,7 phút [2] theo sơ đồ phân rã:

n  p+ev

(2.1) Trong đó e là electron, v là phản hạt nơtrinô

Do thời gian tương tác của neutron với vật chất trong lò phản ứng rất bé so với thời gian sống của neutron nên sự không bền của neutron tự do không đóng vai trò quan trọng khi nghiên cứu các quá trình vật lý trong lò phản ứng

 Phân loại neutron:

Các neutron sinh ra trong lò phản ứng với năng lượng từ 0 đến 10 MeV Tính chất tương tác của neutron với vật chất khác nhau trong các miền năng lượng khác nhau Neutron được chia thành 3 loại theo ba miền năng lượng [2]:

 Neutron nhiệt có năng lượng: 0 eV < E  0,1 eV

 Neutron trung gian có năng lượng: 0,1 eV < E  100 keV

 Neutron nhanh có năng lượng: 100 keV < E  10 MeV

2.1.2 Tán xạ và hấp thụ neutron

Khi neutron va chạm với hạt nhân sẽ xảy ra các quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi và hấp thụ neutron [2]

Tán xạ đàn hồi AZX(n, n)AZX: động năng của các hạt tương tác trước và sau va

chạm không thay đổi

Tán xạ không đàn hồi AX(n, n)AX*

Z Z : một phần động năng chuyển thành năng lượng kích thích của hạt nhân sau va chạm Năng lượng này sau đó được phát ra

dưới dạng lượng tử  Trong tán xạ không đàn hồi, hạt nhân được chuyển sang trạng thái kích thích, do đó chỉ có các neutron có năng lượng lớn hơn năng lượng kích thích mới tham gia phản ứng Đây là quá trình có ngưỡng, năng lượng ngưỡng

 với E1 là năng lượng mức kích thích đầu tiên của hạt nhân có số

khối A Tán xạ không đàn hồi xảy ra chủ yếu trong miền neutron nhanh và đối với các hạt nhân nặng

Hấp thụ neutron (n, b): là quá trình neutron tương tác với hạt nhân, sau tương tác tạo nên một nhân mới b Đó là các quá trình (n, γ), (n, β), (n, α), (n, 2n), (n, f)… Trong đó (n, f) là phản ứng phân hạch hạt nhân

Bảng 2.1 Tiết diện tán xạ, hấp thụ và phân hạch của một số hạt nhân tại năng

lượng neutron 0,025 eV [2]

Hạt nhân Tiết diện tán xạ

(barn)

Tiết diện hấp thụ (barn)

Tiết diện phân hạch

4

10

0,01 0,0034

Quá trình tán xạ đàn hồi, tán xạ không đàn hồi, hấp thụ neutron đều đi qua giai đoạn hạt nhân hợp phần và có tiết diện dạng cộng hưởng tại miền năng lượng cộng hưởng

2.1.3 Phản ứng phân hạch hạt nhân

Phản ứng phân hạch hạt nhân là phản ứng quan trọng nhất trong các quá trình vật lý của lò phản ứng Dưới tác dụng của neutron hạt nhân nguyên tố nặng bị phân chia thành hai mảnh với khối lượng gần bằng nhau [2] và giải phóng năng lượng

2.1.3.1 Cơ chế phản ứng phân hạch

Cơ chế phản ứng phân hạch được giải thích bởi mẫu giọt [2] Hạt nhân được xem là một giọt hạt nhân mang điện tích dương tồn tại do sự cân bằng lực giữa lực đẩy Coulomb của các proton với lực hút hạt nhân và sức căng mặt ngoài Khi neutron tương tác với hạt nhân, trong hạt nhân xuất hiện biến dạng dao động từ

dạng hình cầu sang dạng có hai phần như quả lê nối nhau Sự phân hạch hạt nhân

xảy ra khi chỗ nối bị đứt với điều kiện là năng lượng kích thích E* lớn hơn năng lượng ngưỡng Eng

Hình 2.1 Cơ chế phân hạch hạt nhân

Quá trình phân hạch có thể xảy ra đối với hạt nhân có số khối A > 80 Tuy nhiên trong lò phản ứng chỉ xảy ra sự phân hạch của các hạt nhân nặng từ 23290Thđến

để năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng ngưỡng

Bảng 2.2 Năng lượng ngưỡng Eng và năng lượng liên kết B đối với các hạt nhân

Trong thiên nhiên tồn tại các hạt nhân 232Th, 235U, 238U Hạt nhân U235 chiếm khoảng 0,714% Uranium thiên nhiên

Các mảnh vỡ phân hạch thường phân rã β vì chúng thừa neutron Để tiến tới trạng thái cân bằng, chúng phải phát ra một hay nhiều tia β

 Các neutron, các tia γ, các tia β và các neutrino được phát ra ngay sau khi phân hạch hoặc sau khi các mảnh vỡ phân hạch trải qua quá trình phân rã phóng xạ Đặc điểm của phản ứng phân hạch là giải phóng năng lượng Ef = 200 MeV trên một phân hạch Năng lượng này phân bố theo các sản phẩm phân hạch [2]:

Động năng các mảnh vỡ phân hạch 169 MeV Năng lượng các  tức thời 5 MeV Năng lượng các neutron phân hạch 5 MeV Năng lượng các tia  do phân rã 7 MeV Năng lượng các tia  do phân rã 6 MeV Năng lượng các neutrino 11 MeV

Tổng cộng: 203 MeV Ngoài ra, còn có sự đóng góp năng lượng bức xạ  cỡ 8 MeV do quá trình chiếm phóng xạ (n, γ) Tổng năng lượng là 211 MeV Đối với lò phản ứng ta chỉ quan tâm tới năng lượng được biến thành nhiệt cỡ 200 MeV

Các neutrron sinh ra do phân hạch đóng vai trò quan trọng trong phản ứng dây chuyền Trong mỗi phân hạch, trung bình xuất hiện neutron Đại lượng này khác nhau đối với các hạt nhân khác nhau và tăng khi năng lượng neutron tăng

Các neutron phân hạch gồm hai loại:

 Các neutron tức thời sinh ra tại thời điểm phân hạch, chiếm cỡ 99% trong

số các neutron phân hạch, có năng lượng tuân theo phân bố Maxwell Đối với 235U, năng lượng trung bình của các neutron tức thời bằng 1,94 MeV Để đơn giản, người

ta xem các neutron tức thời có cùng năng lượng và bằng 2 MeV

 Neutron trễ: sinh ra muộn hơn so với thời điểm phân hạch, chiếm không

quá 1% Xuất hiện khi mảnh vỡ phân hạch, chủ yếu là Iốt và Brôm phân rã β Hạt

nhân sau phân rã β có năng lượng kích thích đủ lớn để phóng neutron trễ Thời gian

trễ của neutron được xác định bởi thời gian sống của mảnh vỡ phân hạch phân rã β

Số neutron trễ trong một phân hạch là với β là thành phần tương đối của số

neutron trễ trên toàn bộ số neutron phân hạch Các neutron trễ chia làm 6 nhóm,

mỗi nhóm được đặc trưng bởi suất ra neutron trễ là βi ta được

6 i

   (1 ) .tr

(2.6)

l, 1 – β: lần lượt là thời gian sống và phần đóng góp tương đối của neutron tức

thời

l tr, β: lần lượt là thời gian sống và phần đóng góp tương đối của neutron trễ

Đối với chất làm chậm là nước:

Kết quả này cho thấy, thời gian sống trung bình chủ yếu được xác định bởi

neutron trễ tuy phần đóng góp tương đối của nó rất bé so với số neutron tức thời

Khi có sự đóng góp của neutron trễ, trường hợp độ dư của hệ số nhân k=

Neutron trễ làm tăng chu kì lò phản ứng.Sau 1 s, mật độ neutron tăng lên:

1 32

Đối với lò phản ứng neutron nhiệt dùng 235U có  2,41và β = 0,64% tức có 0,64% neutron trễ và 99,36% neutron tức thời trong số neutron phân hạch

2.1.4 Phản ứng dây chuyền

Trong một phân hạch hạt nhân U235 bởi neutron nhiệt phát ra trung bình 2,41 neutron Để đơn giản, giả sử trong một phân hạch xuất hiện 3 neutron Một neutron ban đầu gây ra phân hạch và xuất hiện 3 neutron khác ở thế hệ neutron thứ nhất Ba neutron này gây ra phân hạch, tạo nên 32 neutron ở thế hệ thứ hai Trong thế hệ thứ

ba, có 33 neutron được tạo thành Cho đến thế hệ thứ 50, có 350

neutron Số neutron tăng rất nhanh theo các thế hệ neutron Đó là sự phát triển của phản ứng dây chuyền

Sau khi phân hạch, các neutron sinh ra là các neutron nhanh Nếu trong môi trường có mặt chất làm chậm Chất làm chậm có tác dụng làm giảm năng lượng neutron do quá trình tán xạ đàn hồi và không đàn hồi Do đó, các neutron nhanh bị làm chậm đến neutron trung gian và neutron nhiệt Khi đó, phản ứng dây chuyền thực hiện nhờ neutron trung gian hay neutron nhiệt

Trong vùng hoạt của lò phản ứng neutron nhiệt, do tiết diện phân hạch đối với neutron nhiệt lớn hơn hàng trăm lần so với neutron nhanh nên cấu tạo của môi trường nhân neutron có nhiều chất làm chậm neutron đến năng lượng nhiệt

Khả năng nhân neutron trong môi trường vô hạn được đặc trưng bởi hệ số nhân

2 1

n2, n1 là các mật độ neutron trong hai thế hệ kế tiếp nhau

: số neutron nhanh sinh ra khi hạt nhân Uran hấp thụ một neutron nhiệt

: hệ số nhân neutron nhanh do phân hạch U238, cho biết lượng neutron nhanh sinh ra khi 238U phân hạch do neutron nhanh

p: xác xuất tránh hấp thụ cộng hưởng, cho biết phần neutron nhanh được làm chậm và không bị 238U chiếm trong miền năng lượng cộng hưởng, bằng tỷ lệ giữa số neutron nhanh bị bắt trong vùng năng lượng cộng hưởng và tổng số các neutron nhanh

f: hệ số sử dụng neutron nhiệt Giá trị này bằng tỷ số giữa số neutron nhiệt bị hấp thụ trong nhiên liệu và tổng số các neutron nhiệt bị hấp thụ trong vùng hoạt Công thức (2.10) được gọi là công thức 4 thừa số

Đối với vùng hoạt của lò phản ứng là một môi trường nhân hữu hạn Hệ số nhân hiệu dụng:

k k P P  (2.11) Thế hệ 1 Thế hệ 2