Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3

Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3 Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3 Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3 Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3 Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3 Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3 Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3 Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3 Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3 Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3 Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3 Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3

LỜI CẢM ƠN

Luận văn này là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu tại trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí Minh Với tình cảm chân thành, tác giả xin gửi lời tri ân đến quý thầy cô giáo đã tham gia giảng dạy lớp cao học khóa 21 chuyên ngành Vật lý hạt nhân nguyên tử và năng lượng cao

Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS Võ Hồng Hải,

người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả nghiên cứu đề tài và hoàn chỉnh luận văn này

Xin cảm ơn thầy PGS TS Châu Văn Tạo, Phó hiệu trưởng - trưởng bộ môn

Vật lý hạt nhân nguyên tử và năng lượng cao - trường Đại học Khoa Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí Minh Người đã có những ý kiến đóng góp cũng như tạo mọi điều kiện, môi trường làm việc tốt nhất để tác giả hoàn thành luận văn

Xin cảm ơn chân thành đến cha mẹ, gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn

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

cô

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 09 năm 2013

Tác giả luận văn

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN……… ……… 3

1.1 Tình hình về năng lượng điện hạt nhân trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng 3

1.1.1 Trên thế giới 3

1.1.2 Việt Nam 8

1.2 Lò phản ứng hạt nhân nước sôi 9

1.2.1 Giới thiệu về sự hình thành và phát triển của lò nước sôi 9

1.2.2 Phân loại các loại lò phản ứng hạt nhân nước sôi 14

1.2.3 Công nghệ lò phản ứng nước sôi 15

1.2.4 Nguyên tắc hoạt động chung của nhà máy nước sôi 16

1.2.5 Cấu tạo lò phản ứng nước sôi 16

1.2.6 Ưu và nhược điểm của lò phản ứng nước sôi 25

1.3 Vật lý lò phản ứng hạt nhân 26

1.3.1 Neutron trong lò phản ứng 27

1.3.2 Tán xạ và hấp thụ neutron 28

1.3.3 Phản ứng phân hạch hạt nhân 29

1.3.4 Phản ứng dây chuyền 32

1.4 Cơ sở vật lý trong điều khiển lò phản ứng 37

1.4.1 Độ phản ứng 40

1.4.2 Động học lò phản ứng 38

1.4.3 Sự thay đổi của độ phản ứng do ảnh hưởng của nhiệt độ và khoảng trống……….…….43

1.4.4 Nhiễm độc của sản phẩm phân hạch……… 46

CHƯƠNG 2 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG LÒ NƯỚC SÔI BWR_V3 ………51

2.1 Giới thiệu phần mềm BWR_V3 51

2.2 Cách chạy chương trình mô phỏng 51

2.3 Hiển thị các tính năng chung trong mô phỏng BWR_V3 52

2.4 Các màn hình hiển thị mô phỏng BWR_V3 55

2.4.1 Màn hình tổng quan nhà máy BWR_V3 (BWR Plant Overview) 55

2.4.2 Màn hình vòng kiểm soát BWR_V3 ( BWR control loops screen) 58

2.4.3 Kiểm soát công suất / Bản đồ lưu lượng BWR_V3 (BWR power/flow Map & Controls) ……… 60

2.4.4 Màn hình độ phản ứng và kiểm soát BWR_V3 (BWR Reactivity & controlsscreen)……… ……….….61

2.4.5 Màn hình các thông số dập tắt BWR_V3 (BWR scram parameters screen)……… 62

2.4.6 Màn hình tuabin máy phát điện BWR_V3 (BWR turbine generator screen)……… 63

2.4.7 Màn hình nước cấp và sự chia tách dòng hơi BWR_V3 (BWR feedwater and extraction steam screen) 64

2.4.8 Màn hình nhà lò BWR_V3 (BWR Containment screen) 66

2.4.9 Màn hình đồ thị BWR_V3 (BWR Trends screen) 69

CHƯƠNG 3 MÔ TẢ SỰ CỐ VÀ PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ… … 68

3.1 Mất nước cung cấp – cả hai máy bơm (Feedwater pumps) ngưng hoạt động 69

3.1.1 Mô tả sự cố 69

3.1.2 Thiết lập điều khiển mô phỏng 70

3.1.3 Chạy mô phỏng 71

3.1.4 Kết quả mô phỏng 72

3.1.5 Phân tích kết quả mô phỏng 76

3.2 Mất nước cung cấp – một máy bơm (Feedwater pumps) ngưng hoạt động

.……….………… … … 77

3.2.1 Mô tả sự cố 80

3.2.2 Thiết lập điều khiển mô phỏng 80

3.2.3 Chạy mô phỏng 81

3.2.4 Kết quả mô phỏng 81

3.2.5 Phân tích kết quả mô phỏng 81

3.3 Sự cố mất nước cung cấp tải nhiệt (Loss of feedwater heating) 84

3.3.1 Mô tả sự cố 84

3.3.2 Thiết lập điều khiển mô phỏng 84

3.3.3 Chạy mô phỏng 85

3.3.4 Kết quả mô phỏng 86

3.3.5 Phân tích kết quả mô phỏng 93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ……… ………… 95

1 Kết luận 95

2 Kiến nghị 96

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ……… …….……… 97

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ……….… 98

PHỤ LỤC ……… 100

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

STT Chỉ số

bảng

1 1.1 Bảng thống kê về nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động

trên thế giới

5

2 1.2 Bảng thống kê số lò phản ứng hạt nhân dừng dài hạn 6

3 1.3 Bảng thống kê số lượng lò phản ứng hạt nhân trên thế giới 6

4 1.4 Bảng thống kê số lò phản ứng hạt nhân dừng dài hạn trên

7 1.7 Bảng thống kê các dạng nhiên liệu thông thường 29

8 1.8 Tiết diện tán xạ, hấp thụ và phân hạch của một số hạt nhân 32

9 1.9 Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết của một số hạt

nhân

33

10 1.10 Bảng năng lượng của các hạt sau phản ứng phân hạch 35

11 3.1 Các thông số của lò phản ứng trong điều kiện hoạt động

bình thường

72

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ STT Chỉ số

hình

3 1.3 Mô hình lò phản ứng hạt nhân nước sôi 11

5 1.5 Sơ đồ đơn giản của nguyên lý phản ứng phân hạch 34

6 1.6 Hình vẽ biểu diễn sơ đồ hệ số nhân trong chu trình

neutron

39

7 2.1 Các trạng thái của máy bơm trên giao diện hệ thống 58

8 2.2 Các trạng thái của van trên giao diện hệ thống 58

9 2.3 Giao diện chính của phần mềm BWR Plant Overview 59

10 2.4 Giao diện BWR Control Loops của phần mềm 61

11 2.5 Giao diện BWR Power / Flow Map & Controls của phần

mềm

63

12 2.6 Giao diện BWR Reactivity & Setpoints của phần mềm 64

13 2.7 Giao diện BWR Scram Parameters của phần mềm 65

14 2.8 Giao diện BWR Turbine Generator của phần mềm 66

15 2.9 Giao diện BWR Power / Flow Map & Controls của phần

mềm

67

17 2.11 Giao diện BWR Containment của phần mềm 69

19 3.1 Danh sách các điều kiện ban đầu trong cửa sổ IC 73

20 3.2 Giao diện cửa sổ pop-up khi ta thiết lập sự cố 74

21 3.3 Máy bơm chính chuyển từ hoạt động sang ngừng hoạt

33 3.15 Giao diện màn hình khi ta thiết lập sự cố 81

34 3.16 Giao diện màn hình khi đang mô phỏng sự cố 82

43 3.25 Nhiệt độ hơi nước vào tuabin 85

45 3.27 Giao diện cửa sổ pop-up khi ta thiết lập sự cố 87

46 3.28 Giao diện màn hình khi đang mô phỏng sự cố 88

MỞ ĐẦU

Bước sang thế kỉ 21, sự phát triển lớn mạnh của các nền kinh tế trên thế giới

đã thúc đẩy nhu cầu sử dụng năng lượng tăng vọt Cùng với sự gia tăng các hiện tượng bất thường của khí hậu đã cảnh báo các quốc gia cần giảm thiểu tiến tới loại trừ nguồn năng lượng có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch vốn cũng sắp cạn kiệt Chính vì vậy, năng lượng điện hạt nhân vẫn đã và đang đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết vấn đề năng lượng trên toàn thế giới

Nhưng sau thảm họa hạt nhân tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl (26/4/1986) cùng với một số các tai nạn nghiêm trọng do rò rỉ phóng xạ khác như

vụ TMI (28/3/1979) tại Mỹ, Tokaimura (30/9/1999) tại Nhật… và mới đây nhất là

sự cố Fukushima xảy ra vào tháng 3 năm 2011 tại Nhật đã khiến dư luận thế giới vẫn còn hoài nghi về tính an toàn của nhà máy điện hạt nhân

Yêu cầu đặt ra là phải có những nhà máy điện hạt nhân có tính an toàn cao hơn Bên cạnh đó, vấn đề đào tạo nguồn nhân lực có kinh nghiệm và chuyên môn cao để vận hành và ứng phó với các tình huống khẩn cấp là hết sức quan trọng Việc đào tạo trong các lĩnh vực lò phản ứng, nhà máy điện hạt nhân có thể thực hiện trên các lò nghiên cứu, cũng như có thể sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng Đối với các phần mềm mô phỏng, hiện nay có nhiều phần mềm nghiên cứu về hoạt động lò phản ứng cho loại lò nước nhẹ áp lực cũng như loại lò nước sôi, như: CASSIM, PCTRAN, BWR_V3, WWER-1000…

Trong đề tài này, chúng tôi thực hiện mô phỏng một số sự cố cho nhà máy điện hạt nhân Loại lò khảo sát là lò nước sôi BWR (Boiling Water Reactor) Phần mềm

sử dụng là BWR_V3, đây là phần mềm được cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA tài trợ năm 2012, dùng trong giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực nhà máy điện hạt nhân tại trường đại học Khoa Học Tự Nhiên- Thành phố Hồ Chí Minh Các sự cố chúng tôi khảo sát bao gồm (1) sự cố mất nước cấp do máy bơm chính

bị hỏng và (2) sự cố mất nhiệt nước cấp khi nước được bơm vào lò Ban đầu lò

được giả định hoạt động với công suất 100% (hoạt động bình thường), kế đó chúng tôi thiết lập sự cố cho máy bơm chính ngưng hoạt động ở giây thứ 60 Các thông số trong lò phản ứng, cũng như các thông số thủy nhiệt học được ghi nhận lại từ đó đánh giá kết quả Thời gian khảo sát được thực hiện trong khoảng 18000 giây

Trong đề tài này, chúng tôi cũng trình bày các vấn đề về cơ sở lý thuyết về lò phản ứng, nguyên lý hoạt động, các thông số lò, thiết bị,… loại lò BWR, và chi tiết

về phần mềm BWR_V3

Luận văn được phân bố thành 3 chương chính:

Chương 1: Tổng quan về năng lượng hạt nhân và cơ sở lý thuyết lò phản ứng hạt nhân Trong chương này, sẽ trình bày có cái nhìn tổng thể về tình hình năng lượng hạt nhân trên thế giới và ở nước ta Phần lịch sử phát triển, nguyên lý hoạt động các

bộ phận và cấu tạo của lò phản ứng nước sôi BWR được trình bày ở chương này Chương 2: Phần mềm mô phỏng BWR_V3, chúng tôi trình bày 9 giao diện chính của phần mềm Qua đó chúng ta sẽ có thể biết được phần mềm này, các giao diện cũng như các thông số vật lý, thủy nhiệt động học…

Chương 3: Mô tả sự cố và phân tích đánh giá kết quả Trong chương này chúng tôi

sẽ thiết lập sự cố mất nước và mất nhiệt nước cấp Qua đó các thông số vật lý như: thông lượng neutron, công suất lò, vị trí nhóm thanh điều khiển, độ phản ứng, áp suất của lò, nhiệt độ thanh nhiên liệu Ngoài ra, quá trình khắc phục sự cố và phân tích các thông số được đề cập ở chương này

Phần kết luận và kiến nghị nói lên nhận xét riêng của tác giả trong quá trình

sử dụng phần mềm BWR_V3 để khảo sát sự cố từ khi cho chương trình chạy mô phỏng đến 1800 giây, những ưu điểm cũng như những hạn chế của phần mềm sẽ được đề cập Đồng thời tác giả cũng đưa ra những kết luận, kiến nghị về phần mềm BWR_V3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT

VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1.1 Tình hình về năng lượng điện hạt nhân trên thế giới nói chung và ở Việt Nam nói riêng

1.1.1 Trên thế giới

Ngày nay, năng lượng nguyên tử hạt nhân đóng vai trò rất to lớn và dù muốn hay không năng lượng nguyên tử hạt nhân cũng tồn tại và sẽ phát triển mạnh mẽ để cung cấp một khối lượng lớn năng lượng mà nhân loại đang cần Như chúng ta đã biết, dân số thế giới hiện nay là gần 7 tỷ người và được dự đoán sẽ tăng lên 90 triệu người vào năm 2050[25] Dân số tăng điều tất yếu sẽ dẫn tới tăng mức tiêu thụ năng lượng

Hiện nay, nguồn năng lượng mà con người sử dụng chủ yếu lấy từ các nguồn năng lượng hoá thạch như: than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên… Người ta tranh luận rất nhiều xung quanh vấn đề nguyên liệu hoá thạch còn tồn tại được bao lâu.Mọi người đều biết rằng nguồn năng lượng hoá thạch thì có giới hạn và mất rất nhiều thời gian nó mới có thể hình thành Theo tính toán của các chuyên gia năng lượng quốc tế thì than đá, mặc dù có trữ lượng tương đối phong phú, nhưng cũng chỉ khai thác được trong vòng 230 năm là cạn kiệt, còn dầu mỏ là 43 năm và khí thiên nhiên là 62 năm Trong khi đó, nhiên liệu Uran nếu tái xử lý có thể sử dụng hàng ngàn năm, chưa kể Thori cũng có thể dùng làm nhiên liệu cho nhà máy điện hạt nhân.Vấn đề sử dụng các dạng năng lượng mới như gió, mặt trời, thuỷ triều, nhiệt điện … cũng đã và đang được nghiên cứu Tuy nhiên, các nguồn năng lượng này cũng chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ

Vì vậy, để trả lời câu hỏi về giải pháp nguồn năng lượng mới thay thế nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt Và năng lượng hạt nhân là một phát minh quan trọng của con người trong thế kỷ 20, đã dần thay thế nguồn năng lượng hóa thạch Từ một phát minh thuần túy của vật lý, năng lượng hạt nhân đã trở thành một

ngành khoa học góp phần quan trọng phục vụ phát triển kinh tế - xã hội trên hai lĩnh vực là ứng dụng bức xạ, đồng vị phóng xạ và giải quyết thiếu hụt nguồn năng lượng điện cho con người

Kể từ ngày nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên thế giới được đưa vào vận hành ở Liên Xô cũ năm 1954 cho đến nay ngành điện hạt nhân đã đạt được những thành tựu to lớn, nhưng cũng gặp phải những sự cố rủi ro, đã ảnh hưởng lớn đến tâm lý của nhiều người dân

Bước sang thế kỷ 21 khi mà yếu tố môi trường toàn cầu và an ninh năng lượng trở nên có ý nghĩa quyết định và công nghệ điện hạt nhân ngày càng được nâng cao thì xu hướng phát triển điện hạt nhân đã có những thay đổi tích cực, hứa hẹn một tương lai tốt đẹp trên phạm vi toàn cầu

Hiện nay, công nghệ lò phát triển rất phong phú, đa dạng và có trên 10 loại lò đang được sử dụng, nghiên cứu phát triển Rất khó có thể đánh giá ưu thế tuyệt đối của loại lò này so với loại lò khác, việc mỗi quốc gia sử dụng và phát triển loại lò nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố

Cho đến nay, thực chất mới có ba loại lò được công nhận là những công nghệ đã được kiểm chứng và được phát triển nhiều nhất, đó là PWR (Pressurized Water Reactors), BWR (Boiling Water Reactor) và PHWR (Pressurised Heavy Water Reactor) Tỷ lệ về số lượng của các loại công nghệ như sau [3]:

- Lò phản ứng nước áp lực (PWR) : 60%

- Lò phản ứng nước sôi (BWR) : 21%

- Lò nước nặng kiểu CANDU (PHWR) : 7%

THỐNG KÊ SỐ LƯỢNG LÒ PHẢN ỨNG TRÊN THẾ GIỚI

Theo Cơ quan năng lượng nguyên tử thế giới IAEA, tính đến ngày 26/02/2012, trên thế giới có 437 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động (bao gồm cả

6 lò phản ứng của Đài Loan - Trung Quốc)

Bảng 1.1: Bảng thống kê về nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động trên thế giới

Bảng 1.2: Bảng thống kê số lò phản ứng hạt nhân dừng dài hạn [12]

Quốc gia Số lƣợng Tổng công suất thuần

(MW)

Bảng 1.3: Bảng thống kê số lƣợng lò phản ứng hạt nhân trên thế giới [12]

Loại lò Số lƣợng Tổng công suất thuần

Bảng 1.4: Bảng thống kê số lò phản ứng hạt nhân dừng dài hạn trên thế giới [12]

Loại lò Số lƣợng Tổng công suất thuần

(MW)

Bảng 1.5: Tên và kí hiệu các loại lò phản ứng thông dụng trên thế giới [3]

ABWR Advanced Boiling

Water Reactor

Lò nước sôi cải tiến

Reactor

Lò cải tiến, dùng Graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt

BWR Boiling Water Reactor Lò nước sôi

FBR Fast Breeder Reactor Lò phản ứng sử dụng neutron kích

họat năng lượng lớn (neutron nhanh)

GCR Gas-Cooled Reactor Lò phản ứng dùng Graphite làm chất

làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt

HTGR High Temperature

Gas-Cooled Reactor

Lò nhiệt độ cao, truyền nhiệt bằng khí gas, với Graphite làm chất làm chậm

HWGCR Heavy Water Gas

Cooled Reactor

Lò phản ứng dùng nước nặng làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt

HWLWR Heavy Water Light

Water Reactor

Lò phản ứng dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt, nước nặng làm chất làm chậm

РБМК

Lò phản ứng dùng Graphite làm chất làm chậm, nước nhẹ làm chất dẫn nhiệt

PHWR Pressurised Heavy

Water Reactor

Lò phản ứng áp lực, dùng nước nặng làm chất truyền nhiệt và làm chậm

PWR Pressurized Water

Reactors

Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt

SGHWR Steam Generating

Heavy Water Reactor

Lò phản dùng nước nặng làm chất truyền nhiệt

ВВЭР Lò phản ứng nước-nước (kiểu Nga, tương đương lò PWR)

1.1.2 Việt Nam

Việt Nam là nước đang phát triển, đang trong giai đoạn thực hiện quá trình công nghiệp hóa-hiện đại hóa đất nước nên vấn đề năng lượng rất cấp bách và là vấn đề mang tính quốc gia Vấn đề này đã được Quốc hội thảo luận xin ý kiến các đại biểu

về việc xây dựng Nhà máy điện hạt nhân ở Việt Nam, dự án đang được triển khai xây dựng ở Ninh Thuận và dự kiến đến năm 2020 sẽ chính thức đưa vào hoạt động Ngoài ra, điện hạt nhân sẽ đóng góp rất lớn vào sự nghiệp công nghiệp hóa- hiện đại hóa đất nước, góp phần nâng cao trình độ khoa học, công nghệ và công nghiệp của quốc gia Phát triển điện hạt nhân dẫn đến phát triển cơ sở hạ tầng, đào tạo phát triển đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật và đội ngũ công nhân với trình độ

kỹ thuật cao, thúc đẩy phát triển các cơ quan nghiên cứu triển khai và nhiều ngành sản xuất công nghiệp, xây dựng Đây cũng là những đòi hỏi của sự nghiệp công nghiệp hóa-hiện đại hóa đất nước Các cường quốc trên thế giới như Mỹ, Nga, Trung Quốc, Nhật đều thông qua chương trình phát triển điện hạt nhân để nâng cao tiềm lực khoa học, công nghệ và công nghiệp quốc gia Và mục tiêu của Việt Nam là phát triển ngành năng lượng điện hạt nhân an toàn, hòa bình và bền vững,

để vừa cung cấp đủ năng lượng điện cho quốc gia, vừa học tập kinh nghiệm và hợp tác với những đối tác có nhiều kinh nghiệm trên về lĩnh vực nhà máy điện hạt nhân trên thế giới Vấn đề lại đặt ra ở đây là về quản lý nhà máy điện hạt nhân và chủ yếu

là đào tạo nguồn nhân lực để vận hành lò, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho lò

Với xu thế công nghệ lò nước sôi BWR chiếm tỷ lệ khá cao (khoảng 21%) trong các loại lò khá phổ biến hiện nay, được nhiều nước trên thế giới sử dụng có nhiều kinh nghiệm trong xây dựng, vận hành, bảo dưỡng, có nhiều kết quả nghiên cứu và thử nghiệm mộ hình… Trong luận văn này, chúng ta sẽ tìm hiểu loại lò nước sôi BWR cũng như mô phỏng các sự cố có thể xảy ra đối với lò này

sử dụng trên tàu biển cuối những năm 1940 Thiết kế ban đầu lò có công suất khoảng 5.000 KW Bao gồm những nguyên mẫu ban đầu lò phản ứng hạt nhân từ những năm 1950 và 1960

Ví dụ: Shippingport, Dresden-1, Magnox và Calder Hall-1 ở Vương quốc Anh.Một số lò phản ứng điển hình của các lò thế I

Shippingport

 Lò phản ứng Shippingport được đưa vào vận hành năm

1957 tại Shippingport, Pennsylvania, Hoa Kỳ và hoạt động tới năm 1982 Là lò phản ứng nước áp lực

 Làm chậm và làm lạnh bằng nước nhẹ H2O

 Nhiên liệu: hợp kim Uranium UO2 làm giàu cao

 Công suất 60 MW

Hình 1.1: Lò phản ứng Shippingport

Dresden-1

 Lò phản ứng nước sôi

thương mại đầu tiên

 Bắt đầu xây dựng vào năm

 Nhiên liêu: hợp kim

Uranium UO2 làm giàu cao

Công suất tổng: 207 MW Hình 1.2: Lò phản ứng Dresden-1

1.2.1.2 Thế hệ II

Bắt đầu vận hành vào những năm 1970 và bao gồm phần lớn trong số trên

400 lò phản ứng vận hành thương mại kiểu nước dưới áp lực (PWR) và kiểu nước sôi (BWR) Các lò phản ứng này, thường được gọi là lò phản ứng nước nhẹ (LWR),

sử dụng các phương pháp an toàn “chủ động” truyền thống bao gồm các tác động điện hoặc cơ khí thực hiện theo lệnh Một số hệ thống theo thiết kế còn vận hành kiểu thụ động (ví dụ: sử dụng van giảm áp) và làm việc không cần đến người điều khiểnhoặc mất nguồn điện tự dùng Gồm các kiểu lò PWR (Pressurized Water Reactor – lò phản ứng áp lực) và BWR (Boiled Water Reactor – lò phản ứng nước sôi) của châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật; WER và RBMK (của Nga); Candu nước nặng (của Canada, Ấn Độ), HTGR (High Temperature Helium Gas), LMFR (Liquid metal cooled reactor)

 Lò nước sôi

Đối với kiểu lò này thì chỉ duy trì có một hệ thống nước Nước vừa hấp thụ nhiệt từ các phản ứng hạt nhân trong lò để biến nước thành hơi nước và hơi nước với áp suất được dẫn thẳng đến tuabin để quay máy phát điện Trong loại lò phản ứng này, nước được truyền qua lõi lò phản ứng, hoạt động như những dung dịch trung hòa và môi trường làm nguội, là nguồn hơi nước để làm quay tuabin Lò BWR hoạt động ở điều kiện áp suất 70 atm, ở đó nhiệt độ sôi của nước là 285oC Môi trường nhiệt độ này làm cho hiệu suất Carnot chỉ đạt được 42%, thực tế nguồn điện năng sinh ra chỉ có khoảng 32%, thấp hơn so với loại lò nước áp lực (PWR)

Hình 1.3: Mô hình lò phản ứng hạt nhân nước sôi

Bơm tuần hoàn

Thùng lò

Nước cấp Hơi nước

Máy bơm

Bộ ngưng tụ

Tuabin Tách và

làm khô

 Lò nước nhẹ áp lực

Gồm hai hệ thống nước tách biệt và nước không pha trộn vào nhau Hệ thống chính có nhiệm vụ hấp thụ nhiệt từ các phản ứng trong lò dưới áp suất rất cao và dòng nước nóng này được chảy qua hệ thống ống trong bình giải nhiệt Tại đây, nhiệt được hệ thống nước thứ hai nhận và biến nước thành hơi nước Dưới áp suất cao, dòng hơi nước này được dẫn vào tuabin để chạy máy phát điện Lợi thế của loại lò này là sự rò rỉ nhiên liên sẽ không xảy ra ở hệ thống chứa chạy vào tuabin và máy nén

1.2.1.3 Lò thế hệ III và III+

Các lò chuyển tiếp thế hệ III được phát triển trong những năm 1990 với ưu thế đặc thù là khả năng tự động cao hơn thế hệ II, công nghệ nhiên liệu được cải tiến, năng suất nhiệt cao, thiết kế gọn hơn, độ an toàn cao hơn Nó vận hành mà không cần đòi hỏi sự can thiệp của người vận hành Thêm vào đó, các thiết kế trọng lực hoặc đối lưu tự nhiên nâng cao khả năng tự bảo vệ của chúng dưới tác động của các sự cố đột ngột xảy ra mà vẫn cho hiệu suất điện cao hơn Nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng thế hệ III được xây dựng đầu tiên ở Nhật Bản Phần Lan

là nước duy nhất ở EU đang xây dựng một nhà máy điện hạt nhân thế hệ III EPR, mua của Pháp với giá ban đầu dự toán 2.5 tỷ Euro, sau đó vì lý do an toàn phải chấp nhận tăng giá lên 4 tỷ Euro và chậm tiến độ 3 năm Ngoài ra, hiện chỉ có Điện lực Pháp có dự kiến đặt mua một số lò thế hệ III EPR để thay thế các lò hết thời hạn vận hành vào khoảng các năm 2017-2022

Một số kiểu lò điển hình

AP600 là một mô hình tương đối nhỏ, nhà máy điện hạt nhân công suất 600

MWe được thiết kế bởi Công ty Westinghouse Electric AP600 này có các tính năng

antoàn thụ động đặc trưng như các thế hệ lò phản ứng III

ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) là lò phản ứng thế hệ thứ ba dựa

trênlò phản ứng nước sôi, khởi đầu do General Electric (GE) thiết kế Thiết kế chuẩn của nhà máy sử dụng lò ABWR có công suất khoảng 1.350 MW điện Các bơm tuần hoàn bên trong bể áp suất lò phản ứng (RPV) là một cải tiến quan trọng so với các thiết kế nhà máy lò phản ứng GE trước đó, thay thế toàn bộ hệ thống bơm phun nằm ngoài có khả năng rò rỉ Các lò phản ứng đầu tiên ứng dụng công nghệ bơm tuần hoàn trong do ASEA-Atom thiết kế (giờ đây do Toshiba sở hữu) và xây dựng ở Thụy Điển Nhờ loại bỏ hệ thống bơm ngoài, nhà máy đạt hiệu suất cao hơn,

tiết giảm chi phí và an toàn hơn

1.2.1.4 Lò thế hệ IV

Về ý tưởng thiết kế, lò phản ứng thế hệ IV có mọi đặc điểm của các lò thế hệ III+, cộng thêm khả năng hỗ trợ sản xuất hyđro, thu hồi nhiệt và thậm chí cả việc khử muối mặn trong nước Các lò tương lai này có khuynh hướng tiến tới chu kỳ kín, nghĩa là các lò phải có khả năng đốt cháy phần lớn chất thải (lò nhanh) để đáp ứng 4 tiêu chuẩn chính là tiết kiệm tài nguyên; tiết kiệm về chu kỳ nhiên liệu; hạn chế chất thải phóng xạ; hạn chế sự lan rộng vũ khí nguyên tử Ngoài ra, các thiết kế này còn bao gồm việc quản lý các nguyên tố actinit Actinit là các nguyên tố hoá học có số thứ tự nguyên tử từ 89 (Actini) tới 103 (Lôrenxi); thuật ngữ này thường

áp dụng cho các nguyên tố nặng hơn Uran, còn được gọi là các chất siêu Uran Các nguyên tố actinit đều là chất phóng xạ, thường có chu kỳ bán rã dài và chiếm tỉ lệ đáng kể trong nhiên liệu thải từ các lò LWR

Nhìn chung, các hệ thống thế hệ IV bao gồm việc tái chế hoàn toàn các nguyên tố Actinit và các công trình chu kỳ nhiên liệu tại chỗ, dựa trên các phương

án xử lý tiên tiến dùng nước (Aqueous), nhiệt luyện kim (pyrometallurgical) hoặc phương pháp khô khác Tái xử lý tại chỗ cho phép giảm vận chuyển vật liệu hạt nhân, một vấn đề làm tăng rủi ro phổ biến hạt nhân

1.2.2 Phân loại các loại lò phản ứng hạt nhân nước sôi

Có nhiều cách phân loại lò phản ứng hạt nhân, dưới đây là cách phân loại phổ biến nhất, dựa vào các chất làm chậm và chất truyền nhiệt sử dụng trong lò phản ứng

1.2.2.1 Lò phản ứng nước – nước

Các thanh nhiên liệu được xếp trong hộp đặt trong vùng phản ứng.Nước vừa làm chất truyền nhiệt, vừa làm chất làm chậm Nước làm chất truyền nhiệt được đưa vào bên trong lò phản ứng, chạy dọc theo vùng phản ứng từ dưới lên trên Áp suất trong lò phản ứng nước-nước khoảng 1-2MPa

Lò nước áp lực tạo hơi gián tiếp: chất tải nhiệt vòng sơ cấp, được giữ ở trạng thái lỏng dưới áp suất cao, mang nhiệt từ lò hạt nhân tới thiết bị sinh hơi, tại đây diễn ra trao đổi nhiệt với vòng thứ cấp và hơi được tạo ra rồi dẫn tới tuabin

Lò nước sôi sinh hơi trực tiếp bằng cách làm sôi chất tải nhiệt trong lò Hơi được tách ra khỏi chất lỏng trong một thiết bị phân tách đặt phía trên vùng hoạt động, sau đó được đưa tới tuabin

1.2.2.3 Lò phản ứng sử dụng neutron kích hoạt năng lượng lớn (neutron

nhanh)

Nguyên liệu sử dụng trong lò là hỗn hợp U-235 và Pu-239 được làm giàu (15%) Phản ứng dây truyền xảy ra dưới tác động kích hoạt của các neutron nhanh Bao quanh vùng phản ứng là các tấm U-238 hoặc Th-232 có nhiệm vụ hấp thu toàn

bộ các hạt neutron nhanh, còn gọi là vùng tái sinh nguyên liệu Các tấm U-238 và Th-232 khi hấp thụ neutron sẽ trở thành Pu-239, U-233, nó sẽ tách ra trong quá trình tái chế.Trong lò phản ứng sử dụng neutron nhanh kích hoạt, không cần dùng chất làm chậm neutron, kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt Lò phản ứng sử dụng neutron nhanh kích hoạt không cần chất làm chậm, sử dụng các thanh nguyên liệu được làm giàu, và sắp xếp gần nhau, nên

nhiệt lượng tỏa ra rất lớn (1000 kW/l), do đó công suất của loại lò phản ứng này

lớn Chất truyền nhiệt phải có khả năng trao đổi nhiệt nhanh, thường được sử dụng

là kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt Cũng do sử dụng nguyên liệu là các thanh Uran được làm giàu nên mức độ an toàn cũng thấp hơn các loại lò khác

1.2.2.4 Lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng tải nhiệt bằng khí gas, với graphite làm

chất làm chậm

Loại lò này vẫn chưa được vận hành thương mại, là một phương án thay thế cho thiết kế thông thường Lò dùng Graphite là chất làm chậm và khí Helium là chất tải nhiệt Đặc điểm nổi bật của HTGR (High Temperature Gas-Cooled Reactor)

là có độ an toàn cao Nhiên liệu của chúng được bọc trong lớp vỏ gốm chịu được nhiệt độ trên 1.600oC trong khi nhiệt độ làm việc hiệu quả của lò là 95oC Helium được dẫn trực tiếp tới tuabin

1.2.3 Công nghệ lò phản ứng nước sôi

Các lò phản ứng nước sôi (BWR) là một loại lò phản ứng hạt nhân được sử dụng cho các thế hệ năng lượng điện Đây là loại thông dụng thứ hai của lò phản ứng phát điện hạt nhân sau lò phản ứng nước áp lực (PWR) Lò phản ứng nước sôi thuộc loại lò phản ứng nước nhẹ LWR BWR là một loại lò phản ứng nước-nước

thuộc thế hệ lò phản ứng thứ hai, sử dụng nước khử khoáng như là một chất làm mát và điều tiết neutron Nhiệt là sản phẩm của phân hạch hạt nhân trong lõi lò phản ứng, và điều này làm cho nước lạnh được đun sôi sản xuất ra hơi nước Hơi nước được trực tiếp sử dụng để làm quay một tuabin, sau đó nó được làm nguội trong một bình ngưng và được chuyển tới lò phản ứng hạt nhân theo một vòng chu kỳ chuyển đổi liên tục

Ở lò nước sôi BWR, nước được đun sôi rồi mới chuyển qua hệ thống làm tăng áp suất Làm như thế, phương pháp này rút ngắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nước trong khi chuyển số nhiệt lượng qua các tuabin để biến thành điện năng Lò BWR sử dụng nhiên liệu là Uranium được làm giàu từ 2-5%

1.2.4 Nguyên tắc hoạt động chung của nhà máy nước sôi

Các lò phản ứng nước sôi là những lò phản ứng năng lượng hạt nhân phát ra điện nhờ trực tiếp làm sôi nước nhẹ trong thùng lò phản ứng để tạo ra hơi nước Hơi nước này sẽ được chuyển tới và làm quay tuabin Sau đó, hơi nước bị ngưng tụ và được bơm trở lại bình lò phản ứng tiếp tục chu trình Tuabin được gắn liền với động

cơ của máy phát điện, khi tuabin quay làm động cơ của máy phát điện quay tạo ra năng lượng dưới dạng điện năng

1.2.5 Cấu tạo lò phản ứng nước sôi

Cấu tạo cơ bản của lò phản ứng bao gồm: nhiên liệu hạt nhân, chất làm chậm, chất tải nhiệt, thanh điều khiển, vành phản xạ, thùng lò, tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác

Bảng 1.6: Các phần tử chính, vật liệu sử dụng và chức năng của chúng [8]

3 Chất tải nhiệt H2O, D2O, CO2, He, Na Tải nhiệt làm mát lò

1.2.5.2 Hệ thống thanh nhiên liệu

Nhiên liệu dùng trong lò phản ứng lò nước sôi BWR là Uranium được làm giàu 3% Uranium được nén lại từng viên nhỏ Uranium dioxide hình trụ, mỗi viên cao khoảng 0,5 inch (1,27cm), đường kính 0,487 inch (1,24cm) Các viên UO2 được xếp chồng lên nhau trong một thanh nhiên liệu được làm bằng một hợp kim đặc biệt của Zirconium được gọi là Zircaloy, hợp kim này rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron Những thanh nhiên liệu được thiết kế nhằm ngăn chặn sự rò

rỉ các sản phẩm phân hạch và dẫn nhiệt dễ dàng.Các thanh này gộp lại thành một bó nhiên liệu, mỗi bó gồm 49 thanh nhiên liệu và trong lò phản ứng có 368 bó nhiên liệu Như vậy trong một lò phản ứng có 18032 thanh nhiên liệu chứa 178145 pounds (80975 Kg) UO2 Nhiệt trung bình trên bề mặt một thanh nhiên liệu khi hoạt động là 558oF (292oC) (Số liệu của lò BWR Vermont Yankee, năm 1972)

1.2.5.3 Hệ thống thanh điều khiển (thanh kiểm soát)

Các thanh điều khiển làm bằng các vật liệu hấp thụ neutron: Bo-cacbua (B4C) bột và các mảnh Hafnium (Hf) hấp thụ neutron Đối với những thanh điều khiển thao tác thường xuyên được làm bằng chất Hf có tuổi thọ cao Các thanh này

đóng vai trò điều tiết neutron cho phản ứng phân hạch, từ đó kiểm soát năng lượng sinh ra trong lõi lò phản ứng Các thanh này có dạng hình chữ thập được chèn vào giữa các bó nhiên liệu Chính nhờ dạng hình chữ thập mà mỗi thanh điều khiển kiểm soát được 4 bó nhiên liệu

Việc định vị (thu hồi hay chèn) các thanh kiểm soát là phương pháp thông thường để kiểm soát năng lượng trong lò phản ứng nước sôi BWR (ngoài ra còn có phương pháp thay đổi lưu lượng nước qua lõi lò) Thanh điều khiển được bộ phận thao tác thanh điều khiển đưa từ dưới lên, vì khi sôi bọt nước sẽ thoát ra ở phần trên

lò làm cho mật độ năng lượng trượt về phía dưới Khi các thanh kiểm soát được thu hồi làm giảm sự hấp thụ neutron trong vật liệu kiểm soát và tăng trong nhiên liệu, tốc độ của phản ứng phân hạch tăng dẫn đến tăng năng lượng lò phản ứng Khi các thanh điều khiển được chèn vào làm tăng sự hấp thụ neutron trong vật liệu kiểm soát và giảm trong nhiên liệu dẫn đến giảm tốc độ phản ứng phân hạch do đó năng lượng sinh ra trong lò phản ứng giảm Trong trường hợp có sự cố xảy ra, các thanh nhiên liệu được đóng lại hoàn toàn để chấm dứt nhanh chóng quá trình phân hạch diễn ra trong lò Một số lò phản ứng nước sôi BWR đầu tiên và những đề xuất cho

lò ESBWR (Economic Simplified Boiling Water Reactor) thiết kế chỉ sử dụng những lưu thông tự nhiên với thanh điều khiển được định vị để kiểm soát năng lượng lò phản ứng từ 0% tới 100% vì chúng không có những hệ thống tuần hoàn lò phản ứng Trong quá trình hoạt động, các thanh nhiên liệu bị ăn mòn nên cần được thay thế, vì chính sự hấp thụ neutron đã làm thay đổi cấu tạo hóa học của thanh

Ví dụ: thanh điều khiển sử dụng vật liệu Boron-10 được dùng để hấp thu neutron theo phản ứng:

1.2.5.4 Thùng lò phản ứng (RPV- Reactor Pressure Vessel)

Thùng áp lực được cấu tạo gồm 3 bộ phận: một ống hình trụ lớn, nắp thùng

và đáy bình áp lực: vỏ thùng được cấu tạo bởi các lớp thép làm bằng những hợp kim khác nhau Đường kính bên trong của ống hình trụ là 17,1 feet (5,21m) và chiều cao của thùng áp lực là 63,1 feet (19,2 m), ống hình trụ bao gồm các lớp lót dày khoảng

5 inch (13cm) được ghép với nhau; ống hình trụ, phần đỉnh và phần đáy nặng 757,17 pound (344,168 kg) Thùng lò áp lực được bọc trong một tòa nhà bảo vệ được thiết kế để vẫn còn nguyên vẹn cho dù thùng lò phản ứng bị vỡ hoặc ống dẫn hơi nước bị vỡ và nó đủ chắc chắn để giữ nước đầy bên trong cho tới khi nước tràn lên tới các ống bọt nước đặt phía trên lõi lò phản ứng

Hình 1.4: Cấu tạo thùng lò nước sôi BWR

1.2.5.5 Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng

Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng gồm các ống dẫn và các bơm tuần hoàn, có vai trò loại bỏ các sản phẩm phân hạch, các sản phẩm ăn mòn và những tạp chất ra khỏi nước trước khi cho nước này quay trở lại lõi lò phản ứng Bơm làm sạch nước lấy nước từ hệ thống tuần hoàn nước dự trữ trong lõi lò và nước ở phần đáy bình lò đưa qua bộ phận chuyển nhiệt để làm nguội dòng Sau đó, nước được chuyển tới bộ phận lọc để làm sạch Sau khi được làm sạch, nước được đưa quay trở lại bình lò phản ứng thông qua hệ thống ống dẫn nước cung cấp

1.2.5.6 Hệ thống ống dẫn hơi nước tuần hoàn

Nó gồm có các ống dẫn và những cái bơm tuần hoàn Nước sẽ được bơm từ ngoài vào một bình chứa Sau đó nhờ những chiếc bơm tuần hoàn nước sẽ được dẫn tới lõi lò phản ứng Một phần nước sẽ được chuyển vào hệ thống chứa nước dự trữ tuần hoàn, một phần sẽ được phun vào lõi lò nhờ những chiếc bơm cao phía trên lõi, nước sẽ được dẫn qua các bó nhiên liệu Tại đây, nước đóng vai trò là chất lỏng làm chậm neutron, cung cấp neutron chậm cho phản ứng phân hạch, đồng thời nó cũng đóng vai trò lấy nhiệt của các thanh nhiên liệu Nhờ nhiệt tỏa ra trên bề mặt các thanh nhiên liệu do phản ứng phân hạch gây ra nước được đun sôi Dưới áp lực của

lò, hơi nước sẽ được chuyển tới máy tách hơi nước nằm phía trên lõi, sau đó đi qua máy làm khô hơi nước Hơi nước này sẽ được dẫn qua một hệ thống ống dẫn tới tuabin và làm quay tuabin Sau khi qua tuabin nước được làm sạch và bơm trở lại lõi lò phản ứng Phần nước còn lại trong lõi lò có nhiễm các sản phẩm phân hạch sẽ được lấy ra từ đáy lò bởi các bơm làm sạch và chuyển đến bình lọc Ở đây nước được làm nguội và sau đó được chuyển lại lò Ngoài ra còn có một hệ thống ống dẫn nước làm nguội tuần hoàn

1.2.5.7 Hệ thống các bơm tuần hoàn

Hệ thống các bơm tuần hoàn bao gồm các bơm tuần hoàn gắn trên hệ thống ống dẫn để bơm nước từ ngoài vào và các bơm tuần hoàn đặt trong lò phản ứng Các bơm tuần hoàn điều khiển lưu lượng nước đi vào lõi lò phản ứng từ đó điều chỉnh công suất của lò phản ứng đây là phương pháp thông thường và thuận tiện cho việc kiểm soát năng lượng lò phản ứng

Khi rút hoàn toàn các thanh nhiên liệu ra khỏi các bó nhiên liệu, việc thay đổi lưu lượng nước qua hệ thống tuần hoàn lò phản ứng bằng việc thay đổi tốc độ của các bơm tuần hoàn có thể làm thay đổi năng lượng lò phản ứng từ 30-100% Khi dòng chảy qua lõi lò tăng lên, hơi nước thoát ra khỏi lò nhanh hơn, lượng nước lỏng trong lõi tăng Sự điều tiết neutron tăng, các thanh nhiên liệu càng hấp thụ được nhiều neutron chậm, dẫn đến năng lượng lò phản ứng tăng.Khi dòng nước chảy qua lõi lò giảm, trong lõi vẫn còn một lượng hơi nước, lượng nước lỏng trong lõi giảm, sự điều tiết neutron trong lõi giảm, nhiên liệu hấp thụ được ít neutron chậm dẫn đến năng lượng lò phản ứng giảm Như vậy tỉ số giữa nước và hơi nước tăng sẽ làm tăng sự điều tiết neutron làm tăng năng lượng sinh ra trong lõi lò

1.2.5.8 Tuabin hơi nước

Hơi nước được tạo ra trong lõi lò phản ứng truyền qua máy tách hơi nước và những thanh sấy khô đặt phía trên lõi và sau đó đi thẳng tới tuabin, là một bộ phận trong hệ thống lò phản ứng Dưới sức ép nước sẽ được bơm tới tuabin, hơi nước truyền qua van và chỉa vào các cánh quạt của tuabin làm quay tuabin Tuabin được gắn với động cơ máy phát điện, khi tuabin quay đồng thời làm quay động cơ máy phát điện Sau khi đi qua tuabin hơi nước sẽ được ngưng tụ và bơm trở lại bình áp suất và chu trình lại tiếp tục Vì hơi nước sau khi thoát ra khỏi lõi lò thường nhiễm nuclit phóng xạ nên tuabin phải được bảo vệ trong suốt quá trình hoạt động Phần lớn những tia phóng xạ trong nước chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn (chủ yếu

là N-16 có chu kỳ bán rã là 7 giây), nên thành tuabin phải được bảo trì ngay sau khi

lò phản ứng ngưng hoạt động

1.2.5.9 Hệ thống an toàn lò phản ứng

Cũng giống như lò phản ứng nước áp lực,lõi lò phản ứng BWR tiếp tục sản xuất nhiệt từ việc phân rã phóng xạ sau khi phản ứng phân hạch đã ngừng, có thể gây ra một sự cố làm hư hỏng lõi Trong trường hợp tất cả các hệ thống an toàn đều thất bại và lõi lò phản ứng không nhận được nước làm nguội Cũng giống như lò nước áp lực, lò nước sôi có một hệ số chân không âm, do đó lượng neutron (và nhiệt) thoát ra khỏi lò phản ứng giảm khi tỉ lệ hơi nước và nước bên trong lò phản ứng tăng Tuy nhiên không giống như lò PWR, không chứa hơi nước trong lõi lò phản ứng sự tăng đột ngột áp suất hơi trong lò BWR (ví dụ: gây ra bởi việc khởi động van đường ống cô lập hơi nước với lò phản ứng (MSIV- Main steam isolation valve)) gây ra sự giảm đột ngột tỉ lệ hơi nước với nước ở thể lỏng bên trong lò phản ứng Điều đó dẫn đến sự tăng neutron điều tiết, từ đó làm tăng sản lượng điện của lò phản ứng điều này được gọi là “áp suất tức thời” Do đó lò BWR được thiết kế đặc biệt để chống lại áp suất tức thời đó, có một “áp lực đàn áp” loại thiết kế có lỗ thông hơi áp lực quá cao sử dụng van áp suất làm chốt an toàn được đặt bên dưới bề mặt của bình chứa chất lỏng được phân làm nhiều ngăn, gọi là “wetwell” hoặc “hình xuyến” Có 11 cái van áp suất trong mô hình lò BWR/1-BWR/6 và có 18 cái van áp suất trong mô hình lò ABWR, chỉ có một số trong đó có chức năng ngăn chặn sự gia tăng áp lực tức thời Ngoài ra các lò phản ứng cũng có hệ thống nhanh chóng đóng lại trước khi một tác nhân nào đó tác động đến RPV

Mỗi lò phản ứng sẽ được bao bọc bởi một tòa nhà chứa bằng thép gia cố dày 1,2 đến 2,4 m để phòng khả năng có một sự cố bất ngờ làm vô hiệu hóa tất cả hệ thống chốt an toàn Bên ngoài lò phản ứng còn được thiết kế với một hệ thống bảo

vệ tiền bê tông ngăn sự ảnh hưởng của lò với môi trường và của môi trường tới lò phản ứng

1.2.6 Ưu và nhược điểm của lò phản ứng nước sôi

1.2.6.1 Ưu điểm

Lớp vỏ lò phản ứng và các phần tử liên kết với nó được vận hành ở áp lực thấp hơn (khoảng 75 lần so với áp khí quyển) so với lò PWR (khoảng 158 lần so với

áp khí quyển)

Nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ thấp hơn Không có thiết bị sinh hơi

Rủi ro gẫy nứt do thiếu hụt chất tải nhiệt ít hơn so với PWR, và rủi ro hư hỏng tâm lò cũng ít hơn Việc đo lường mực nước trong lớp vỏ áp lực ờ điều kiện vận hành bình thường và khẩn cấp là giống nhau, các kết quả thu được sẽ trực quan

Lò BWR không sử dụng axit Boric để điều khiển phản ứng phân hạch, do đó

nó sẽ làm giảm khả năng ăn mòn bên trong lò phản ứng và trong các đường ống

Chu trình trực tiếp là một hệ thống đơn giản Nước trong lò phản ứng được đun sôi trên bề mặt của thanh nhiên liệu, sinh ra hơi nước trực tiếp chạy tua bin phát điện

Dễ điều hành: công suất có thể thay đổi và điều chỉnh dễ dàng bằng cách thay đổi dòng nước tuần hoàn trong lò [7]

Nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân là Uranium Tuy là nhiên liệu cháy, nhưng vì năng lượng nguyên tử là năng lượng phát sinh do phản ứng phân hạch, nên không cần Oxy, chính vì thế mà hoàn toàn không thải ra các chất gây ô nhiễm môi trường như các loại khí CO2, NOx, SOx

Năng lượng nguyên tử là nguồn năng lượng rất lớn, nên chỉ với một lượng nhỏ nhiên liệu mà vẫn thu được năng lượng lớn Nhiên liệu cần thiết cho một nhà máy điện hạt nhân có công suất 1000 MW vận hành trong suốt 1 năm được thể hiện trong bảng 1.7

Bảng 1.7: Bảng thống kê các dạng nhiên liệu thông thường [3]

Nhiên liệu Khối lượng Phương tiệnvận

Cùng một công suất thiết kế nhưng BWR đòi hỏi lớp vỏ áp lực lớn hơn nhiều

so với PWR, do đó giá thành sẽ cao hơn (tuy nhiên giá thành tổng lại giảm do BWR không có hệ thống sinh hơi và các đường ống liên kết)

Do không có vòng thứ hai nên tuabin sẽ bị nhiễm xạ trong thời gian vận hành Ô nhiễm của động cơ tua bin làm cho tuổi thọ của các tuabin ngắn do các chất phóng xạ gây ra

Các thanh điều khiển được lắp từ bên dưới của lò phản ứng Có hai nguồn thủy lực đẩy trục điều khiển vào tâm lò khi có tình huống khẩn cấp, một là từ nguồn tích năng thủy lực được thiết kế riêng, hai là từ chính nguồn áp lực của lò phản ứng,

cả hai nguồn này đều có khả năng điều khiển từng trục một

1.3 Vật lý lò phản ứng hạt nhân [2]

Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị kỹ thuật, trong đó nhiên liệu hạt nhân và các vật liệu cấu trúc được sắp đặt sao cho phản ứng dây chuyền tự duy trì có thể điều khiển được

Năng lượng hạt nhân (dưới dạng động năng của các mảnh phân hạch, neutron, tia gamma) giải phóng trong quá trình phản ứng dây chuyền được sử dụng

Vật lý lò là sự xác định về nguyên lý của phân bố neutron trong lò phản ứng dưới các cấu hình và điều kiện vận hành cân bằng khác nhau:

- Neutron sinh ra do phân hạch

- Neutron mất đi do phản ứng bắt hoặc rò rỉ neutron

1.3.1 Neutron trong lò phản ứng

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 và neutron được chia thành 3 loại theo 3 dải năng lượng đó:

 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

Các neutron sinh ra trong phản ứng phân hạch, đóng vai trò chủ yếu trong

phản ứng dây chuyền

Giả sử trong mỗi phân hạch xuất hiện trung bình  neutron, đại lượng này là khác nhau đối với những hạt nhân khác nhau và tăng lên khi tăng năng lượng của

neutron

Các neutron của phản ứng phân hạch chia làm hai loại:

 Neutron tức thời: sinh ra tại thời điểm phân hạch và neutron trễ sinh ra muộn hơn Cỡ 99% neutron tức thời sinh ra từ các hạt nhân, kích thích chúng phân bố năng lượng theo phân bố Maxwell

 Neutron trễ: chiếm không quá 1% đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển phản ứng dây chuyền Xuất hiện khi mảnh vỡ phân hạch chủ yếu là hạt nhân Iốt và Brôm, phân rã  Hạt nhân sau khi phân rã  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 

1.3.2 Tán xạ và hấp thụ neutron

Khi neutron tương tác với hạt nhân sẽ xảy ra các quá trình tán xạ (đàn hồi, không đàn hồi) và hấp thụ neutron

- Tán xạ đàn hồi AX(n, n)AX

Z Z : động năng của các hạt tương tác trước và

sau va chạm không thay đổi

Bảng 1.8: Tiết diện tán xạ, hấp thụ và phân hạch của một số hạt nhân [6]

Hạt nhân Tiết diện tán xạ

(barn)

Tiết diện hấp thụ (barn)

Tiết diện phân hạch

(barn) Be-9

C-12

B-10

U-235

7 4,8

4

10

0,01 0,0034

1.3.3 Phản ứng phân hạch hạt nhân

Hạt nhân được coi là “một giọt hạt nhân” mang điện tích dương tồn tại do sự cân bằng giữa lực đẩy Culông 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 đến dạng có hai phần nối nhau

Sự phân hạch hạt nhân xảy ra khi chỗ nối bị đứt.Điều kiện phân hạch là năng lượng kích thích E*> Eng Quá trình phân hạch xảy ra đối với hạt nhân có A > 80 Tuy nhiên trong lò phản ứng chỉ xảy ra sự phân hạch của các hạt nhân có số khối

Thông thường, trong các lò phản ứng sử dụng các hạt nhân:Th-232, 233,

U-235, U-238, Pu-239 Khi hấp thụ neutron, hạt nhân tạo thành hạt nhân hợp phần

tương ứng