LUẬN VĂN KHẢO SÁT SỰ CỐ MÁY BƠM TẢI NHIỆT CHÍNH CỦA LÒ WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000

LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000 LUẬN văn KHẢO sát sự cố máy bơm tải NHIỆT CHÍNH của lò WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

II

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy hướng dẫn TS Võ Hồng Hải, người đã có công giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận văn, người đã khích lệ tinh thần và hướng dẫn tận tình chia sẽ những kinh nghiệm quý báu cho tác giả trong quá trình nghiên cứu cũng như có những góp ý chân tình, hợp

lý và đúng đắn nhất những lúc tưởng như bế tắc trong quá trình thực hiện luận văn

Xin gửi lời cảm ơn PGS TS Châu Văn Tạo, trưởng Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân, người đã cung cấp kiến thức cho các học viên khóa 21 và tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành luận văn tại Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân

Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong quá trình hoàn thiện luận văn nhưng chắc chắn luận văn còn nhiều sai sót, rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của quý thầy cô Tác giả chân thành cảm ơn

TP HCM, Ngày 25 tháng 8 năm 2013

Tác giả luận văn

Phùng Ân Hưng

IV

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ix

MỞ ĐẦU 1

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

LÝ THUYẾT VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 4

1.1 Tình hình về 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 Giới thiệu lò phản ứng WWER - 1000 7

1.2.1 Cấu tạo của NMĐHN 7

1.2.2 Những đặc tính chung của lò phản ứng WWER – 1000 9

1.2.3 Lịch sử phát triển của nhà máy điện WWER 10

1.2.4 Nguyên lý hoạt động chung của lò phản ứng WWER – 1000 11

1.2.5 Cấu tạo lò phản ứng WWER – 1000 13

1.3 Vật lý lò phản ứng 21

1.3.1 Neutron 21

1.3.2 Tán xạ và hấp thụ neutron 22

1.3.3 Phản ứng phân hạch hạt nhân 23

1.3.4 Phản ứng dây chuyền 25

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

1.4.1 Độ phản ứng 28

1.4.2 Nhiễm độc của sản phẩm phân hạch 29

1.5 Ảnh hưởng của boron và nhóm thanh điều khiển đến độ phản ứng 32

CHƯƠNG 2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG WWER – 1000 34

2.1 Những sự cố được thiết kế có thể xảy ra đối với lò WWER – 1000 và

những sự cố đã thiết kế trong phần mềm WWER – 1000 34

V

2.2 Trang CPS (Reactivity Control Page) – Trang điều khiển độ phản ứng 36

2.3 Trang thông báo và hiển thị sự cố (TAB) (Enunciators page) 38

2.4 Trang mô phỏng vòng sơ cấp (1C) (primary circulation circuit page) 39

2.5 Trang hệ thống cung cấp và thoát (TK) (Feed and Bleed System Page) 41

2.6 Trang hiển thị vòng thứ cấp (2C) 42

2.7 Trang vẽ đồ thị GRP (Trends Page) 43

2.7.1 Cách lưu dữ liệu 43

2.7.2 Cách chọn và thay đổi thông số để vẽ 44

CHƯƠNG 3 THIẾT LẬP VÀ PHÂN TÍCH VÀ KHẮC PHỤC SỰ CỐ

MÁY BƠM TẢI NHIỆT CHÍNH NGƯNG HOẠT ĐỘNG

BẰNG PHẦN MỀM WWER – 1000 45

3.1 Sự cố một trong bốn máy bơm chính ngưng hoạt động 45

3.1.1 Mô tả tiến trình sự cố máy bơm tải nhiệt chính RCP – 2 ngưng hoạt động bằng phần mềm WWER – 1000 45

3.1.2 Phân tích sự cố máy bơm RCP – 2 ngưng hoạt động 51

3.2 Khắc phục sự cố máy bơm tải nhiệt chính RCP – 2 ngưng hoạt động bằng cách điều chỉnh nồng độ boron trong lò 60

3.2.1 Mô tả tiến trình diễn ra sự cố và khắc phục sự cố 60

3.2.2 Phân tích các thông số của quá trình mô phỏng khắc phục sự cố

máy bơm RCP - 2 bị ngưng hoạt động 64

3.3 Khắc phục sự cố máy bơm chính RCP – 2 ngưng hoạt động bằng cách

tác động trực tiếp đến nhóm thanh điều khiển CR 10 68

3.3.1 Mô tả tiến trình khắc phục 68

3.3.2 Phân tích sự cố 71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 77

TÀI LIỆU THAM KHẢO 78

PHỤ LỤC A LIST OF ITEMS AT THE ALARM PANEL FOR WWER-1000 REACTOR SIMULATOR 80

PHỤC LỤC B LIST OF VARIABLES FOR WWER-1000 REACTOR SIMULATOR 83

Injection

Hệ thống phun an toàn áp suất cao

Agency

Cơ quan năng lƣợng nguyên tử quốc tế

Injection

Hệ thống phun an toàn áp suất thấp

regulator

Máy điều chỉnh giới hạn công suất

VII

moderated Reactor

VIII

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Phân bố điện hạt nhân trên thế giới (Tính đến 31/12/2011) 5

Bảng 1 2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của WWER – 1000 10

Bảng 1 3 Tóm tắt lịch sử phát triển của lò WWER 10

Bảng 1 4 Tiết diện tán xạ, hấp thụ và phân hạch của một số hạt nhân 22

Bảng 1 5 Năng lƣợng ngƣỡng và năng lƣợng liên kết của một số hạt nhân 24

IX

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ mặt cắt tòa nhà lò phản ứng 8

Hình 1.2 Sơ đồ chung nhà máy điện hạt nhân với lò áp lực 8

Hình 1.3 Những bộ phận chính trong vòng sơ cấp lò WWER 9

Hình 1 4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò WWER 12

Hình 1.5 Lò phản ứng 13

Hình 1.6 Thanh nhiên liệu và bó nhiên liệu 15

Hình 1.7 Bó thanh nhiên liệu cắt ngang 15

Hình 1.8 Sơ đồ bố trí nhóm điều khiển trong lò phản ứng 16

Hình 1.9 Bình điều áp và các bộ phận 18

Hình 1.10 Bình sinh hơi 19

Hình 1.11 Hệ thống làm lạnh khẩn cấp 20

Hình 1.12 Sơ đồ đơn giản của nguyên lý phản ứng phân hạch 25

Hình 1.13 Hình vẽ biểu diễn sơ đồ hệ số nhân trong chu trình neutron 27

Hình 2 1 Danh sách của các mô phỏng sự cố và các tập tin hiển thị ………35

Hình 2 2 Màn hình trang CPS 37

Hình 2 3 Thanh điều khiển mô phỏng 38

Hình 2 4 Bảng điều khiển tỉ lệ thời gian mô phỏng so với thực tế 38

Hình 2 5 Trang thông báo và hiển thị sự cố xảy ra 39

Hình 2 6 Trang hiển thị vòng sơ cấp 40

Hình 2 7 các thiết bị mô phỏng trong trang TK 41

Hình 2 8 Các thiết bị được mô phỏng của trang 2C 42

Hình 2 9 Trang đồ thị GRP 43

Hình 2 10 Lựa chọn lưu dữ liệu các thông số đã chọn vẽ 43

Hình 2 11 Hộp thoại lựa chọn và thay đổi các thông số để khảo sát 44

Hình 3 1 Lựa chọn chế độ hoạt động bình thường của lò WWER – 1000……….46

Hình 3 2 Các thông số của lò phản ứng khi đang ở chế độ hoạt động

bình thường 47

X

Hình 3 3 Tín hiệu cảnh báo sự cố xảy ra khi máy bơm RCP – 2

ngưng hoạt động 47

Hình 3 4 Cảnh báo ở bình sinh hơi SG – 2 49

Hình 3 5 Những cảnh báo khi lò đã bị dập hoàn toàn 50

Hình 3 6 Trạng thái các thông số của lò phản ứng khi lò bị dập hoàn toàn 51

Hình 3 7 Các số thông số bên trong lò phản ứng 53

Hình 3 8 Các thông số liên quan đến bình sinh hơi 56

Hình 3 9 Nhiệt độ chất làm mát ở chân nóng và chân lạnh 59

Hình 3 10 Máy bơm và các van dẫn boron đến lò trước khi khắc phục sự cố 60

Hình 3 11 Điều khiển máy bơm chính RCP – 2 61

Hình 3 12 Trạng thái đang hoạt động của máy bơm và các van dẫn boron 61

Hình 3 13 Sự thay đổi của nồng độ boron, độ phản ứng và vị trí nhóm CR10 62

Hình 3 14 Tắt máy bơm dẫn boron vào lò 62

Hình 3 15 Pha loãng nồng độ boron trong lò bằng cách đưa nước sạch vào lò 63

Hình 3 16 Trạng thái lò sau khi đã khắc phục sự cố 64

Hình 3 17 Một số thông số của lò trong trường hợp có khắc phục sự cố

bằng cách điều chỉnh boron 65

Hình 3 18 Trạng thái lò khi chưa tiến hành khắc phục sự cố 69

Hình 3 19 Tắt chế độ ACP và rút thanh điều khiển CR10 69

Hình 3 20 Chế độ ACP đã được mở trở lại 70

Hình 3 21 Một số thông số của lò trong trường hợp khắc phục sự cố

bằng cách di chuyển nhóm điều khiển 72

MỞ ĐẦU

Năm 2013, năng lượng điện hạt nhân vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong việc sản xuất điện năng trên toàn thế giới Mặc dù tai nạn tại nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) Fukushima Daiichi năm 2011 ở Nhật Bản đã gây ra nỗi ám ảnh, nguy hiểm trên thế giới, nhưng không phủ nhận vai trò quan trọng điện hạt nhân trong việc thúc đẩy nền kinh tế phát triển

Theo số liệu mới nhất công bố 31/12/2011 của Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), hiện nay trên toàn cầu có 435 tổ máy điện hạt nhân đang vận hành, với tổng công suất điện là 369 GW(e), lượng điện phát điện hạt nhân chiếm 12,3 % sản lượng điện toàn cầu Trong đó có 79 NMĐHN sử dụng loại lò WWER và có khoảng 65 tổ máy điện hạt nhân đang tiến hành xây dựng Thứ tự các quốc gia có nhiều tổ máy điện hạt nhân nhất: Mỹ 104 tổ máy, Pháp 58, Nhật Bản 50, Nga 33, Hàn Quốc 21, Ấn Độ 20, Anh 18, Canada 18, Trung Quốc 16, Ukraine 15, Đức 9 Châu Á đang là khu vực có nhịp độ phát triển điện hạt nhân cao nhất [8]

Vấn đề đặt ra về an toàn NMĐHN, sự vận hành, độ an toàn phóng xạ, cách quản lý, đội ngũ vận hành các sự cố có thể xảy ra,… Nó quyết định sự thành bại của chương trình điện hạt nhân

Việc đào tạo nguồn nhân lực hạt nhân phục vụ trong nhà điện hạt nhân là một trong những rất cần thiết và nghiên túc Để thực hiện hiện những vấn đề đó, có một

số phương pháp để học tập, tập huấn cũng như nghiên cứu, đó là việc sử dụng các phần mềm chuyên dụng thực hiện mô phỏng quá trình hoạt động của lò phản ứng, cũng như của NMĐHN nói chung Nó cho phép chúng ta dự đoán các sự cố và từ

đó đưa ra phương pháp giải quyết - điều mà khó thực nghiệm trên nhà máy thực Hiện nay có nhiều phần mềm mô phỏng về hoạt động lò phản ứng như CASSIM, CATHARE, PCTRAN, WWER – 1000,…

Trong đề tài này, chúng tôi thực hiện mô phỏng một số sự cố cho NMĐHN loại lò nước nhẹ áp lực WWER-1000, với tên đề tài là “Khảo sát sự cố máy bơm tải

nhiệt chính ngừng hoạt động của lò phản ứng WWER – 1000 bằng phần mềm WWER – 1000” Sự cố chúng tôi khảo sát là một trong bốn máy bơm tải nhiệt chính ngừng hoạt động (vị trí máy bơm số 2 RCP - 2) 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 tải nhiệt chính số 2 ngưng hoạt động ở giây thứ 30 Chúng tôi thực hiện khảo sát cho trường hợp máy bơm tải nhiệt chính có thể khắc phục và không thể khắc phục Đối với trường hợp máy bơm có thể khắc phục, chúng tôi thực hiện điều khiển để công suất lò trở về 100% Việc điều khiển công suất chúng tôi sử dụng hai phương pháp: (1) điều chỉnh nồng độ boron vào lò phản ứng và (2) điều chỉnh nhóm thanh điều khiển CR10 ở chế độ điều khiển bằng tay

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

20000 giây Phần mềm chúng tôi sử dụng trong đề tài này là phần mềm

WWER-1000, được cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA tài trợ, dùng trong giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực NMĐHN tại trường đại học Khoa học Tự nhiên –

TP HCM

Trong đề tài này, chúng tôi cũng trình bày về cơ sở lý thuyết về lò phản ứng, nguyên lý hoạt động, các thông số lò, thiết bị,… loại lò WWER-1000, và chi tiết về phần mềm WWER-1000

Luận văn được phân bố thành 3 chương chính:

Chương 1 trình bày tổng quan về năng lượng hạt nhân và cơ sở lý thuyết lò phản ứng Trong chương này, độc giả sẽ 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 WWER – 1000 được trình bày ở chương này

Chương 2 giới thiệu về phần mềm mô phỏng WWER – 1000, chúng tôi trình bày 7 giao diện chính của phần mềm bao gồm các trang chọn sự cố, trang CPS –

trang điều khiển độ phản ứng, trang TAB – trang thông báo sự cố, trang 1C – trang

mô phỏng các thiết bị và thông số bên trong vòng sơ cấp, trang 2C – trang mô phỏng các thiết bị và thông số của vòng thứ cấp, trang TK – trang mô phỏng các hệ thống cấp và thoát, trang GRP – trang đồ thị các thông số được chọn

Chương 3 trình bày quá trình thiết lập và phân tích sự cố máy bơm tải nhiệt chính ngưng hoạt động trong trường hợp lò không được khắc phục, các đại lượng được đề cập bao gồm Công suất neutron, công suất lò, vị trí nhóm thanh điều khiển, nồng độ boron, độ phản ứng, áp suất của lò, nhiệt độ các chân nóng và các chân lạnh của lò Ngoài ra, quá trình khắc phục sự cố và phân tích các thông số cũng 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 WWER – 1000 để khảo sát sự cố từ khi cho chương trình chạy mô phỏng đến khoảng giây thứ 20000 lúc dừng lò, những ưu điểm cũng như hạn chế của phần mềm sẽ được đề cập Đồng thời đưa ra những kết luận về sự an toàn của lò khi sự cố máy bơm chính ngưng hoạt động trong trường hợp không khắc phục cũng như có khắc phục sự cố

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 và ở Việt Nam

1.1.1 Trên thế giới

Điện hạt nhân (ĐHN) đã có lịch sử phát triển trên 50 năm kể từ ngày NMĐHN đầu tiên trên thế giới được đưa vào vận hành ở Liên Xô cũ năm 1954 Kể từ đó đến nay ngành ĐHN đã đạt được những thành tựu đáng kể, nhưng cũng gặp phải những rủi ro nặng nề, đã có những thời kỳ phát triển rực rỡ và những bước thăng trầm 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 ĐHN ngày càng được nâng cao thì xu hướng phát triển ĐHN đã có những thay đổi tích cực Những dự báo tin cậy đều cho thấy sự tăng rất lớn về nhu cầu năng lượng toàn cầu trong 50 năm tới chủ yếu do tăng dân số và tăng mức sống trong các nước đang phát triển, mặc dù một số nước phát triển trong khối Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế (OECD) có thể giảm việc

sử dụng năng lượng do áp dụng các công nghệ mới tiêu tốn ít năng lượng

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, BWR và PHWR Tỷ

lệ về số lượng của các loại công nghệ như sau [2]

- Lò phản ứng nước áp lực (PWR) : 60%

- Lò nước nặng CANDU (PHWR) : 7%

Bảng 1 1 Phân bố điện hạt nhân trên thế giới (Tính đến 31/12/2011) [8]

Quốc gia

Nhà máy điện hạt nhân đang vận hành

Nhà máy điện hạt nhân đang xây dựng

Điện hạt nhân cung cấp trên thế giới năm 2011

Số lƣợng

Lƣợng điện cung cấp MW(e)

Số lƣợng

Lƣợng điện cung cấp MW(e)

TW-h

Tỷ lệ phần trăm cung cấp

Thực tế đã chứng tỏ rằng sử dụng năng lượng hạt nhân vào mục đích hoà bình

đã và đang mang lại những lợi ích to lớn cho nhân loại Đối với Việt Nam, trong những năm qua khoa học và kỹ thuật hạt nhân đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực góp phần vào sự phát triển kinh tế - xã hội, nâng cao tiềm lực khoa học và công nghệ của đất nước và chất lượng cuộc sống của nhân dân Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã hoạt động an toàn và được khai thác hiệu quả trong hơn 20 năm qua kể từ khi được khôi phục và nâng cấp năm 1984 Hiện nay, ngoài việc nghiên cứu và đào tạo cán bộ, lò phản ứng hàng năm sản xuất hơn 20 loại đồng vị và dược chất phóng xạ phục vụ cho chẩn đoán và điều trị hàng trăm nghìn bệnh nhân

Đánh giá vai trò quan trọng và sự cần thiết phát triển và sử dụng năng lượng nguyên tử, Chính phủ Việt Nam đã xác định Nghiên cứu, phát triển và sử dụng

năng lượng nguyên tử vì mục đích hoà bình là một trong những hướng trọng điểm của Chiến lược phát triển Khoa học và Công nghệ của Việt Nam Với xu thế công nghệ lò áp lực chiếm tỷ lệ cao nhất trong các loại lò phổ biến hiện nay, được nhiều hãng cung cấp thiết bị công nghệ và nhiên liệu, có bề dày kinh nghiệm xây dựng, vận hành, bảo dưỡng, có nhiều kết quả nghiên cứu và thử nghiệm, có đông đảo đội ngũ chuyên gia quốc tế… nên Việt Nam lựa chọn công nghệ lò áp lực nước nhẹ để xây dựng

1.2 Giới thiệu lò phản ứng WWER - 1000

WWER là từ viết tắt của Water Water Energy Reactor (nước Nga kí hiệu là VVER (Voda Voda Energo Reactor)) có nghĩa loại lò phản ứng này dùng nước thường vừa làm chất tải nhiệt vừa làm chất làm chậm Loại lò này sử dụng nhiên liệu là Uranium với độ giàu 3,92% chu kỳ nhiên liệu là 3 năm [10], là loại lò áp lực nước cải tiến với công suất điện 1000 MWe Lò phản ứng bao gồm bốn vòng tuần hoàn và hệ thống điều áp được nối với một chân nóng, mỗi vòng tuần hoàn có 1 bình sinh hơi đặt nằm ngang, một máy bơm tuần hoàn và hệ thống làm lạnh bị động tức thời (accumulator) Lò phản ứng chứa hệ thống bảo vệ và điều khiển lò, đường bao an toàn, hệ thống phụ trợ, hệ thống chứa và giữ nhiên liệu, … [9],[10]

1.2.1 Cấu tạo của NMĐHN

 Nhà lò (Containment Building) Toàn bộ lò phản ứng chứa trong bể này gồm 1 thùng lò, 4 bình sinh hơi, 1 bình điều áp, 4 máy bơm tải nhiệt chính

 Nhà chứa turbine phát điện (Turbine Building) Bao gồm toàn bộ turbine và

hệ thống cung cấp nước cho lò phản ứng

 Hệ thống phụ trợ (Auxiliary Buiding) Giúp bảo vệ hệ thống an toàn cho lò gồm Hệ thống phun an toàn áp suất cao (The high pressure safety injection system- HPSI), hệ thống phun an toàn áp suất trung gian (The intermediate pressure safety injection system), bộ tích trữ (The accumulators- ACC) và hệ thống phun an toàn áp suất thấp (The low pressure safety injection system- LPSI)

Tháp ngƣng

tụ

Tòa nhà turbine Tòa nhà phụ trợ

Hình 1.3 Những bộ phận chính trong vòng sơ cấp lò WWER [10]

1 Thùng lò; 2 Bình sinh hơi; 3 Máy bơm tuần hoàn chính; 4 Bình điều áp;

5 Bình ngưng hơi giảm áp suất; 6 Hệ thống làm lạnh lõi bị động tức thời

1.2.2 Những đặc tính chung của lò phản ứng WWER – 1000

Lò phản ứng là phần cơ bản của tổ máy NMĐHN, nơi sẽ diễn ra phản ứng

dây chuyền và sản sinh năng lượng Đây là loại lò phản ứng nước – nước không

đồng nhất, được hiện đại hóa, hoạt động với neutron nhiệt, có chất tải nhiệt và chất

làm chậm bằng nước [1] Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của lò phản ứng được đưa ra

trong Bảng 1.2

Bảng 1 2 Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của WWER – 1000 [1],[9],[10]

Tốc độ chất tải nhiệt vòng sơ cấp [m/s]

- Qua các bó nhiên liệu

- Trong các ống của lò phản ứng

5.6

10

Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình chất tải nhiệt ở chân nóng và chân lạnh

1.2.3 Lịch sử phát triển của nhà máy điện WWER

Có thể tóm tắt sự phát triển của NMĐ sử dụng loại lò WWER theo Bảng 1.3 Hiện tại trên 50 lò phản ứng hạt nhân loại VVER – 440 và WWER – 1000 đang hoạt động ở Nga, Ukraine, Armenia, Finland, Bulgaria, Hungary, Czech, Slovakia, China, Iran [4],[7]

Bảng 1 3 Tóm tắt lịch sử phát triển của lò WWER [2]

1956 - 1970 V – 230 Công suất 444 MW, các hệ thống an toàn có độ dư gấp 2

1970 – 1976 V – 213 Công suất 444 MW, các hệ thống an toàn có độ dư gấp 3

1970 – 1980 WWER

- 1000

Công suất 1000 MW, ứng phó được với sự cố cùng lúc vỡ ống đường kính lớn, động đất theo thiết kế cơ bản và mất điện hoàn toàn [2],[7]

Sau tai nạn Chernobyl

trường hợp mất điện kéo dài 24 h; kiểm soát lượng Hydro sinh ra trong lò;…

Công suất 1000 MWe, thế hệ thứ 3+, có tính kinh tế cao

và hoàn thiện triệt để vấn đề an toàn, xác suất nóng chảy

toàn chủ động và an toàn thụ động trên cơ sở kinh nghiệm từ AES – 91 và AES – 92

1.2.4 Nguyên lý hoạt động chung của lò phản ứng WWER – 1000

Lò phản ứng WWER – 1000 là loại lò áp lực nước có thiết kế với bốn bình sinh hơi, một bình điều áp và bốn máy bơm tải nhiệt chính nối giữa thùng lò với bình sinh hơi Lò phản ứng sử dụng nước thường làm chất tải nhiệt và làm chậm Thiết kế khác biệt mang tính điển hình của loại lò này là dùng nước trong vòng sơ cấp đi qua tâm lò với áp suất rất cao và truyền nhiệt lượng cho nước ở vòng thứ cấp tạo thành hơi, hơi được sinh ra để chạy turbine

Hình 1 4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò WWER [4]

A-vòng tuần hoàn sơ cấp chất làm mát; B1-hơi từ bình sinh hơi; B2-nước cung cấp; C-nước làm lạnh

1 Lò phản ứng; 2 Bình sinh hơi; 3 Bơm tuần hoàn chính; 4 Van cách ly chính; 5 Bình điều áp; 6 Thùng chứa làm nguội bình điều áp; 7 Bộ đun nhiệt điện; 8 Bộ phun điều áp; 9 Lõi lò; 10 Thanh nhiên liệu; 11 Thiết bị điều khiển; 12 Phần hấp thụ của thanh điều khiển; 13 Phần kiểm tra nhiên liệu của thanh điều khiển; 14 Turbine áp suất cao; 15 Turbine áp suất thấp; 16 Máy phát điện; 17 Máy biến thế;

18 Bộ phận chia hơi – làm nóng; 19 Bình ngưng chính; 20 Máy bơm nước ngưng

tụ (1); 21 Bộ xử lý hóa nước; 22 Máy bơm nước ngưng tụ (2); 23 Bộ nung áp suất thấp; 24 Bình chứa nước cung cấp chính; 25 Bơm nước đầu vào; 26 Bộ nung áp suất cao; 27 Tháp làm mát; 28 Bơm làm mát

Ở vòng sơ cấp, nước nhận nhiệt lượng từ những bó nhiên liệu và được dẫn truyền đến trao đổi nhiệt với bình sinh hơi Nước tải nhiệt của vòng tuần hoàn này được đẩy tuần hoàn cưỡng bức nhờ các máy bơm chính Lò cũng được thiết kế để

có thể tuần hoàn theo hiện tượng đối lưu tự nhiên khi các máy bơm bị ngắt Ngoài

ra nước trong vòng sơ cấp còn có vai trò của chất làm chậm, nên khi nước trở thành hơi trong lò phản ứng thì làm cho phản ứng phân hạch sẽ giảm xuống Để không cho nước thành hơi, trong vòng sơ cấp người ta gắn thêm bình điều áp để làm cho

nước trong vòng sơ cấp có áp suất cao và không bị sôi mặc dù nhiệt độ trong đó

Ở vòng thứ cấp, nước được duy trì ở áp suất thấp hơn và nước sẽ sôi trong các

bộ trao đổi nhiệt của thiết bị sinh hơi Hơi nước làm quay turbine máy phát để sản xuất điện, sau đó lại được làm ngưng tụ thành nước với nhiệt độ thấp hơn và qua các bộ trao đổi nhiệt để quay trở lại vòng sơ cấp

Yêu cầu độ sạch của nước ở vòng thứ cấp rất cao, do vậy để bảo đảm các chỉ tiêu kinh tế, tất cả hơi nước sau khi sinh công ở turbine đều được ngưng tụ và đưa trở lại chu trình công nghệ Do vậy, vòng thứ cấp của NMĐHN cũng là một chu trình kín, nước bổ sung là một lượng nhỏ để bù hao hụt do rò thoát

1.2.5 Cấu tạo lò phản ứng WWER – 1000

a Thùng lò phản ứng

Nhiệm vụ của thiết kế thùng lò là phải đảm bảo lò phản ứng tin cậy trong nhiều năm - hoạt động trong các điều kiện khác nhau (ít nhất 30 năm) Vỏ lò phản ứng đặt trong các điều kiện rất khắc nghiệt - áp suất và nhiệt độ cao, thông lượng các bức xạ mạnh, hoạt động trong môi trường có tính ăn mòn mạnh

Bó điều khiển Dây ra của thiết bị đo kiểm Điều khiển bó điều khiển

Vỏ lò phản ứng có dạng hình trụ thẳng đứng, đáy elip Phần trên của vỏ lò có các ống nối để dẫn chất tải nhiệt vào lò khi có sự cố hở vòng sơ cấp [1] Ngoài ra còn có hệ thống ống dẫn để đƣa chất tải nhiệt vào lõi lò (chân lạnh) và ra khỏi lò (chân nóng) để trao đổi nhiệt

b Nhiên liệu hạt nhân

Rất nhiều hợp chất đƣợc biết đến là có khả năng phân hạch nhƣ các hợp chất

khuyết điểm Sau khi dung hòa những yêu cầu của nhiên liệu lò phản ứng và các

phản ứng hạt nhân

– 2,0 – 2,4 – 3,0 – 3,6 – 4,0 – 4,4 – 5)% Tổng chiều dài của cột chứa viên nhiên liệu là 3530 mm và của thanh nhiên liệu là 3800 mm [1],[9]

Khi lựa chọn dạng nhiên liệu và cách bố trí nhiên liệu trong lò phản ứng cần phải chú ý đến một số yêu cầu sau [1]:

- Chế tạo đƣợc một khối lƣợng tới hạn nhiên liệu cho phản ứng dây chuyền trong một khoảng thời gian dài;

- Bảo đảm sự tỏa nhiệt của nhiên liệu;

- Giữ đƣợc sản phẩm phóng xạ của quá trình phân hạch trong lòng nhiên liệu;

- Tính kinh tế và một số vấn đề khác

 Bó nhiên liệu hạt nhân

Có tổng cộng 163 bó nhiên liệu trong lõi lò phản ứng, trong đó có 61 bó chứa các thanh điều khiển Các bó nhiên liệu được đặt cách nhau 236 mm (các thanh nhiên liệu thì được đặt cách nhau 12,75 mm) [9], khoảng cách giữa các thanh ≥ 0,8

mm để đảm bảo điều kiện làm nguội vỏ thanh Trong mỗi bó có chứa 312 thanh, 18 ống dành cho các thanh hấp thụ neutron của hệ thống điều khiển và bảo vệ, 1 ống trung tâm, 15 mạng định vị [1],[9]

Hình 1.6 Thanh nhiên liệu và bó nhiên liệu [10]

Hình 1.7 Bó thanh nhiên liệu cắt ngang [9]

1 Thanh nhiên liệu; 2 Ống chứa thanh điều khiển; 3 Ống trung tâm đặt dụng cụ đo kiểm

Trong một bó nhiên liệu có 18 thanh hấp thụ [1],[9],[10] chúng là một ống

(dạng bột ép chặt), khối lượng tổng cộng của 18 thanh này là 15 kg Các thanh này được đặt trong các ống dẫn hướng (kích thước 12,6 x 0,85 mm) của bó nhiên liệu, khe hở giữa thanh hấp thụ và mặt trong của ống dẫn hướng khoảng 0,9 mm

c Các thanh điều khiển CR (Control Rod) của WWER – 1000

Các thanh điều khiển CR là bộ phận tác động rất nhanh đến độ phản ứng Các thanh có thể thực hiện được chức năng điều khiển và bảo vệ lò khi sự cố, chúng hoạt động theo chế độ điều chỉnh tự động hoặc chỉnh tay Những thanh điều khiển

CR được chia thành nhóm, có 10 nhóm CR, mỗi nhóm có 6 bó thanh điều khiển, riêng nhóm thứ 5 có 7 bó thanh [1],[9], bó thanh điều khiển có thể di chuyển riêng hay theo nhóm [9]

Hình 1.8 Sơ đồ bố trí nhóm điều khiển trong lò phản ứng [9]

Trong 10 nhóm này, các nhóm từ 1 đến 9 thực hiện chức năng bảo vệ sự cố trong đó đặc biệt nhóm số 5 thường dùng để điều hòa Xenon, riêng nhóm số 10 vừa được sử dụng để thực hiện chức năng điều chỉnh công suất lò phản ứng vừa có chức năng bảo vệ lò như các nhóm khác.Tốc độ di chuyển của nhóm điều khiển là 2 cm/s, tốc độ rơi của chúng khi khởi động hệ thống bảo vệ sự cố khoảng (1 ÷ 1,2) m/s [1]

Khi lò phản ứng hoạt động bình thường, tất cả nhóm thanh điều khiển đều ở

vị trí cao nhất trừ nhóm 10 được nhúng vào lò khoảng (10 ÷ 30)% chiều dài thanh

để bù vào sự thay đổi của độ phản ứng theo nhiệt độ, nồng độ boron, tải điện,… [9]

d Máy bơm tuần hoàn chính của vòng sơ cấp

Đây là một trong những thiết bị quan trọng nhất ở NMĐHN, nó đảm bảo sự tuần hoàn chất tải nhiệt qua lò phản ứng Máy bơm tuần hoàn chính là máy bơm li tâm thẳng đứng một trục

Yêu cầu cơ bản đối với vận hành máy bơm tuần hoàn chính là phải hoạt động với độ tin cậy cao và bền vững mà không cần bất cứ sự can thiệp nào của nhân viên điều hành trong một thời gian dài Máy bơm tuần hoàn chính được bố trí trong khu bảo vệ kín nên thực tế không có khả năng sửa chữa trong thời gian lò phản ứng hoạt động

Những đặc tính cơ bản của máy bơm tuần hoàn chính

Máy bơm tuần hoàn chính có thể hoạt động liên tục trong mọi chế độ khoảng

10000 h, thời gian làm việc trước khi hỏng ≥ 18000 h, tuổi thọ trung bình ≥ 30 năm

e Bình điều áp

Bình điều áp có nhiệm vụ tạo ra và duy trì áp suất trong vòng sơ cấp trong chế độ hoạt động bình thường của lò phản ứng và hạn chế sai lệch áp suất trong các chế độ chuyển tiếp và chế độ khẩn cấp

Khi lò hoạt động bình điều áp có nhiệm vụ không để cho chất làm mát sôi

Để nâng áp suất trong vòng sơ cấp bình điều áp sẽ khởi động hệ thống những thanh đốt ở phần đáy của bình điều áp Còn để làm giảm áp suất trong vòng tuần hoàn thì nước được phun vào phần phía trên của bình điều áp

Hình 1.9 Bình điều áp và các bộ phận [11]

Bình điều áp là một bình hình trụ thẳng đứng có đáy elip, ở phần dưới có bố trí 28 khối thanh đốt điện (heaters) với tổng công suất 2520 kW Bề mặt trong của bình điều áp được phủ một lớp thép không gỉ Mỗi khối thanh đốt điện có 9 thanh đốt dạng ống hình chữ U (đường kính ngoài 13,6 mm), công suất mỗi khối các thanh đốt là 90 kW Các khối này được chia thành 4 nhóm đặt ở đáy bình điều áp

f Bình sinh hơi

Bình sinh hơi có nhiệm vụ truyền năng lượng sinh ra từ vùng hoạt của lò phản ứng để trao đổi với vòng thứ cấp Việc truyền năng lượng này được diễn ra trên bề mặt gia nhiệt của bình sinh hơi thông qua quá trình sinh hơi của nước vòng thứ cấp, sau đó hơi này được sử dụng để sản xuất năng lượng điện bằng cách quay turbine máy phát điện

Những đặc tính cơ bản của bình sinh hơi

- Công suất nhiệt 750 MW

- Công suất sinh hơi 1470 ± 103 tấn/h

- Lưu lượng nước vòng sơ cấp qua bình sinh hơi khi hoạt động

+ Trên 4 nhánh 21200 ± 1000 tấn/h

Bình điều áp

Hệ thống làm mát (RCS)

Bộ phận giảm

áp suất bình điều áp

+ Trên 2 nhánh 26000 tấn/h

- Tốc độ chất tải nhiệt trong các đường ống 4,89 m/s

- Số lượng các ống trao đổi nhiệt 11500

- Đường kính trong của vỏ bình sinh hơi 4000 mm

Hình 1.10 Bình sinh hơi [6],[9]

Bình sinh hơi của lò WWER – 1000 đảm bảo cung cấp hơi nước bảo hòa ở

Vỏ bình

Đầu vào của nước cấp

Hình 1.11 Hệ thống làm lạnh khẩn cấp [5]

Trong các điều kiện làm việc bình thường, nhiệt độ vỏ thanh nhiên liệu

đổi nhiệt giảm đột ngột hoặc bị ngừng hẳn (do giảm lưu lượng hoặc thậm chí mất chất tải nhiệt trong lò phản ứng) thì ban đầu có thể xuất hiện các vết nứt nhỏ, nếu tiếp tục được gia nhiệt sẽ xảy ra hư hại vỏ thanh và nóng chảy nhiên liệu (sự cố NMĐHN Three Mile Island) khi đó có thể có sự phát tán phóng xạ ra bên ngoài [1]

Do đó, trong cụm thiết bị lò phản ứng cần có một hệ thống đặc biệt có khả năng đảm bảo làm nguội khẩn cấp lò phản ứng khi vi phạm tuần hoàn chất tải nhiệt trong vòng sơ cấp Những tiêu chuẩn cơ bản của việc làm nguội khẩn cấp là [1]

- Loại trừ khả năng nóng chảy vỏ thanh nhiên liệu khi đứt vỡ các đường ống vòng sơ cấp kể cả đứt đột ngột đường ống tuần hoàn chính

- Đảm bảo làm nguội lò phản ứng sau sự cố

Trong trường hợp rò rỉ đáng kể, áp suất trong vòng tuần hoàn chính giảm nhanh chóng, ban đầu nước chứa boron được cấp tự động từ các bể chứa, sau đó là

18 Đun nước ngưng áp suất cao

19 Đun áp suất cao

20 Bộ tổng hơi làm mát

các máy bơm đưa chất tải nhiệt vào khi áp suất giảm Khi rò rỉ nhỏ và trung bình, lò vẫn có thể giữ được áp suất cao, để bù sự mất mát chất tải nhiệt người ta sử dụng các máy bơm áp suất cao đảm bảo cung cấp dung dịch acid boric nồng độ cao để ngăn ngừa gia tăng độ phản ứng của lò [1]

Hệ thống làm lạnh khẩn cấp cung cấp một lượng lớn chất làm mát cho lò phản ứng trong những trường hợp xảy ra sự cố rò rỉ của vòng sơ cấp Trong trường hợp tai nạn mất nước làm mát, nước chứa boron được phun vào lò phản ứng để dẫn lượng nhiệt dư ra ngoài và bảo vệ nguyên vẹn lò Hệ thống làm lanh khẩn cấp bao gồm những hệ thống con sau [10]

- Phun khẩn cấp áp suất cao

- Bộ tích trữ phun áp suất cao (hệ thống thụ động)

1.3.1 Neutron

Các neutron sinh ra trong lò phản ứng với năng lượng từ 0 đến 10 MeV Neutron được chia thành 3 loại theo 3 miền năng lượng sau

Tính chất tương tác của neutron với vật chất khác nhau trong các miền năng lượng Các neutron sinh ra trong phản ứng phân hạch đóng vai trò chính trong phản ứng dây chuyền Chúng được 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

điều khiển phản ứng dây chuyền Chúng xuất hiện khi mảnh vỡ phân hạch chủ yếu

lượng kích thích đủ lớn để phóng neutron trễ Thời gian trễ của neutron được xác

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

chạm không thay đổi

lượng kích thích của hạt nhân sau va chạm Năng lượng này sau đó được phát ra

Hấp thụ neutron: Xảy ra ở phản ứng phân hạch hạt nhân Các quá trình của phản ứng hạt nhân là các quá trình cạnh tranh nhau, nên để đặc trưng cho quá trình này người ta xét đến tiết diện phản ứng

Bảng 1 4 Tiết diện tán xạ, hấp thụ và phân hạch của một số hạt nhân [5] 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

Từ Bảng 1.4 ta thấy hạt nhân Be-9 và C-12 có tiết diện tán xạ lớn nên thường được sử dụng chất phản xạ hoặc chất làm chậm cho lò phản ứng Đối với B-10 có tiết diện hấp thụ lớn nên thường được dùng làm thanh điều khiển trong lò phản ứng Còn U-235 có tiết diện phân hạch và hấp thụ lớn nên được dùng làm nhiên liệu phân hạch

1.3.3 Phản ứng phân hạch hạt nhân

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

lượng ngưỡng) Quá trình phân hạch xảy ra đối với hạt nhân có A > 80 Tuy nhiên

Thông thường, trong các lò phản ứng sử dụng các hạt nhân Th-232, U-233, U-235, U-238, Pu-239, khi hấp thụ neutron, sẽ tạo thành hạt nhân hợp phần tương

ứng

Nếu năng lượng kích thích bằng năng lượng ngưỡng thì hạt nhân bị phân hạch Nếu năng lượng liên kết nhỏ hơn năng lượng ngưỡng thì quá trình phân hạch chỉ xảy ra khi động năng của neutron là đủ lớn để năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng ngưỡng Đối với U-235, U-238, Pu-239 có năng lượng liên kết lớn hơn năng lượng ngưỡng, trong khi đó Th-232, U-233 có năng lượng liên kết nhỏ hơn năng lượng ngưỡng, cho nên U-235, U-238, P-239 sẽ được phân hạch bởi neutron

có năng lượng bất kỳ, trong đó có cả neutron nhiệt – được gọi là các hạt nhân phân hạch, còn các hạt nhân Th-232, U-233 được gọi là nguyên liệu phân hạch

Bảng 1 5 Năng lƣợng ngƣỡng và năng lƣợng liên kết của một số hạt nhân Hạt

Th-233U-234U-236U-239Pu-240

5,07 6,77 6,4 4,76 6,38 Trong thiên nhiên tồn tại các hạt nhân Th-232, U-235 và U-238 Uranium thiên nhiên chứa khoảng 0,7% U-235 Các hạt nhân phân hạch U-233, Pu-239 đƣợc tạo nên do các phản ứng của neutron lên các hạt nhân khác

(1.1) (1.2)

U

92 233

Hình 1.12 Sơ đồ đơn giản của nguyên lý phản ứng phân hạch

Đặc điểm của phản ứng phân hạch là giải phóng năng lƣợng cỡ 200

(MeV/phân hạch), năng lƣợng này phân bố theo các sản phẩm

Động năng mảnh vỡ phân hạch

Năng lƣợng neutron phân hạch

chiếm phóng xạ Nhƣ vậy, tổng năng lƣợng là 211 MeV, nhƣng đối với lò phản ứng

ta chỉ quan tâm tới năng lƣợng biến thành nhiệt cỡ 200 MeV

1.3.4 Phản ứng dây chuyền

Các neutron ban đầu sẽ đƣợc hấp thụ bởi hạt nhân Uranium gây ra phản ứng phân hạch Trong mỗi phân hạch của hạt nhân U-235 bởi neutron nhiệt, ngoài các

này tiếp tục tham gia vào phản ứng phân hạch kế tiếp và lại sinh ra các thế hệ neutron tiếp theo Phản ứng cứ tiếp tục diễn ra tạo thành phản ứng dây chuyền trong

phản ứng vỡ, hoặc bay ra ngoài thể tích khối Uranium… Vậy muốn có phản ứng dây chuyền, ta phải xét tới hệ số nhân neutron k của hệ

Hệ số nhân neutron k phụ thuộc vào tỷ số giữa neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch thứ i + 1 so với số neutron được sinh ra trong phản ứng phân hạch thứ i

ra các tai nạn lò phản ứng hạt nhân

mô tả định lượng về những thành phần ảnh hưởng tới hệ số nhân trong chu trình neutron [4]

ni+1

k = = p f t

fn

i

Hình 1.13 Hình vẽ biểu diễn sơ đồ hệ số nhân trong chu trình neutron

Với: µ là hệ số phân hạch nhanh

ν là số neutron trung bình sinh ra trong phân hạch

Phân hạch nhanh

Sự hấp thụ trong sản

phẩm phân hạch

Sự bắt bức xạ trong Uranium

Sự hấp thụ trong

nhiên liệu

Neutron phân hạch nhanh µN

N Neutron nhiệt bị hấp thụ bởi

nhiên liệu trong lần thứ i

𝑘 𝑁𝜇𝑝 𝑓 𝑓 𝑡

𝑁

Neutron nhanh µ  N

Rò rỉ nhanh Vùng cộng hưởng trong

µ fN

Bắt cộng hưởng

Neutron nhiệt

pµ fN

Hấp thụ không trong nhiên liệu

µ và p phụ thuộc vào bố trí thiết kế của lõi

η có thể thay đổi trong một thời gian dài bằng việc thay thế những nhiên liệu

cũ bằng những nhiên liệu mới

f là thông số được thay đổi trong điều khiển lò phản ứng trong thời gian ngắn

ở hầu hết các lò neutron nhiệt - nó có thể thay đổi bằng cách thay đổi số lượng vật liệu hấp thụ neutron trong lõi, thông thường là thanh điều khiển

Quá trình điều khiển lò phản ứng bao gồm những việc thay đổi một hoặc nhiều trong 6 hệ số để đạt được giá trị mong muốn của hệ số nhân neutron

1.4 Cơ sở vật lý trong điều khiển lò phản ứng [3]

Vì những thay đổi về độ phản ứng trong điều kiện bình thường là nhỏ nên đơn

vị của nó thông dụng nhất là milli-k, viết tắt là mk

1.4.2 Nhiễm độc của sản phẩm phân hạch

Có hai sản phẩm phân hạch dạng hạt quan trọng trong việc thiết kế và điều khiển lò là Xenon-137 và Samarium- 149 Cả hai sản phẩm phân hạch có tiết diện hấp thụ rất lớn và là nguyên nhân đáng kể làm thay đổi độ phản ứng trong một thời gian ngắn

a Những ảnh hưởng của nhiễm độc sản phẩm phân hạch tới độ phản ứng

Tất cả những sản phẩm phân hạch có thể được quan tâm như là nhiễm độc lò phản ứng bởi vì tất cả chúng đều hấp thụ neutron kéo dài và làm giảm hệ số nhân Hầu hết các sản phẩm phân hạch tích tụ chậm như sự đốt cháy của nhiên liệu,

và ảnh hưởng của chúng đơn giản là làm giảm một phần độ phản ứng như một hàm của thời gian và ảnh hưởng tới thông lượng neutron

Hai sản phẩm phân hạch, Xenon-135 và Samarium-149 có ảnh hưởng tới hệ thống hoạt động và điều khiển lò, chúng có tiết diện hấp thụ neutron lớn và được sinh ra nhiều trực tiếp từ phân hạch cũng như từ phân rã của sản phẩm phân hạch

lượng nhiệt và chiếm 6,6% sản phẩm phân hạch toàn phần; nó cũng là hạt nhân phóng xạ Nó được tạo thành từ phân hạch trực tiếp và phân rã sản phẩm phân hạch

phẩm phân hạch toàn phần và là một đồng vị bền

Ảnh hưởng của các nhiễm độc sản phẩm phân hạch làm giảm hệ số sử dụng (f), nên sự nhiễm độc này được coi như nguồn gốc của độ phản ứng âm

b Sự tích tụ độ phản ứng Xenon

Xenon-135 (Xe-135) được sinh ra trong nhiên liệu theo hai cách

- Trực tiếp từ phân hạch, Xenon-135 hình thành khoảng 0,3% toàn bộ sản

- Gián tiếp từ phân rã Iodine-135 (I-135) được hình trong cả sản phẩm phân hạch và phân rã sản phẩm phân hạch Tellurium-135 (Te-135)

Te-135 cùng với I-135 tạo thành khoảng 6,3% tất cả các sản phẩm phân hạch,

và do thời gian sống của Te-135 ngắn hơn nhiều so với I-135 vì thế chúng ta có thể

diện hấp thụ vi phân của I-135 nhỏ nên sự cháy của nó là không đáng kể

Xét một đơn vị thể tích trong lõi lò, thì tốc độ sinh và mất của I-135 và Xe-135

có thể được mô tả bằng công thức qua tốc độ sinh trừ tốc độ mất của chúng

Đối với Iodine

Và tốc độ cháy của I-135 được giả sử là không đáng kể

Đối với Xe-135 công thức này sẽ phức tạp hơn bởi vì có hai khả năng sinh (từ phân hạch và từ phân rã của Iodine) và hai cách mất (cháy và phân rã)

Sử dụng những ký hiệu tương tự như trên ta có