Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3

Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3 Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT

N VẬT ẠT N N - -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

-

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Lê Bảo Trân người đã

hết lòng giúp đỡ tôi trong việc nghiên cứu, hỗ trợ tài liệu cũng như hướng dẫn tôi hoàn thành tốt khóa luận này đúng tiến độ với kết quả khả quan nhất

Đồng thời cũng xin gửi lời cảm ơn đến ThS Phan Lê Hoàng Sang đã có những

ý kiến đóng góp và những nhận xét quý báu về nội dung cũng như hình thức để khóa luận được hoàn chỉnh hơn

Chân thành gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân khoa Vật Lý – Vật Lý Kỹ Thuật trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Thành Phố Hồ Chí Minh, những người đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi về môi trường cũng như những ý kiến đóng góp quý báu để hoàn thành khóa luận

Xin cảm ơn tất cả thầy cô cũng như bạn bè và gia đình đã giúp đỡ ủng hộ về mặt tinh thần cũng như kiến thức cần thiết trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận

Khóa luận có thể còn những thiếu sót nên mong nhận được những ý kiến đóng góp thêm từ quý thầy cô

Thành Phố Hồ Chí Minh tháng 7 năm 2014

Tác giả khóa luận

Lê Nguyễn Huy Hoàn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

DANH MỤC BẢNG BIỂU v

DANH MỤC HÌNH VẼ vi

LỜI MỞ ĐẦU viii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN 1

1.1 Tình hình năng lượng nguyên tử thế giới và Việt Nam 1

1.2 Phân loại các lò phản ứng hiện nay 4

1.2.1 Thế hệ lò phản ứng I 4

1.2.2 Thế hệ lò phản ứng II 5

1.2.3 Thế hệ lò phản ứng III và III+ 5

1.2.4 Thế hệ lò phản ứng IV 6

CHƯƠNG 2: VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 7

2.1 Phản ứng phân hạch hạt nhân 7

2.2 Làm chậm neutron 10

2.3 Độ phản ứng 12

CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CỦA LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC SÔI BWR 13

3.1 Tổng quan và lịch sử lò phản ứng hạt nhân BWR 13

3.2 Cấu tạo chi tiết lò phản ứng BWR 15

3.2.1 Hệ thống nhà lò BWR 15

3.2.2 Thùng lò phản ứng 15

3.2.3 Hệ thống thanh nhiên liệu 17

3.2.4 Hệ thống thanh điều khiển 18

3.2.5 Hệ thống tuần hoàn lưu lượng nước trong lò 19

3.2.6 Hệ thống an toàn lò phản ứng BWR 21

3.2.6.1 Hệ thống thông gió lò phản ứng 21

3.2.6.2 Hệ xử lý khí thải dự phòng 22

CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN BWR_V3 VÀ MÔ PHỎNG SỰ CỐ THANH ĐIỀU KHIỂN 24

4.1 Giới thiệu chung về phần mềm BWR_V3 24

4.1.1 Giới thiệu phần mềm 24

4.1.2 Chạy chương trình mô phỏng 24

4.1.3 Các đặc điểm chung của phần mềm 25

4.1.4 Các giao diện màn hình hiển thị chính 27

4.1.4.1 Màn hình kiểm soát công suất / Bản đồ lưu lượng BWR 27

4.1.4.2 Màn hình độ phản ứng và kiểm soát BWR 28

4.1.4.3 Màn hình turbine máy phát điện BWR 29

4.1.4.4 Màn hình nước cấp và sự chia tách hơi 30

4.2 Mô phỏng sự cố ở thanh điều khiển 31

4.2.1 Rút thanh điều khiển không chủ đích 31

4.2.1.1 Mô tả sự cố 31

4.2.1.2 Thiết lập mô phỏng sự cố 31

4.2.1.3 Kết quả mô phỏng 32

4.2.1.4 Phân tích kết quả 35

4.2.2 Chèn thanh điều khiển không chủ đích 36

4.2.2.1 Mô tả sự cố 36

4.2.2.2 Thiết lập mô phỏng 36

4.2.2.3 Kết quả 36

4.2.2.4 Phân tích kết quả 40

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 42

1 Kết luận 42

2 Kiến nghị 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

PHỤ LỤC 45

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thống kê số lượng lò phản ứng trên thế giới và công suất điện đóng góp

……… 3

Bảng 1.2 Đặc tính và thông số của các lò thế hệ IV đang được nghiên cứu ………… 6

Bảng 2.1 Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết của một số hạt nhân……… 8

Bảng 3.1 Một số thông số chính của loại lò BWR - 1100 MW……… 14

Bảng 4.1 Các thông số lò khi hoạt động bình thường……… 31

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Các thế hệ lò phản ứng phát triển theo thời gian 4

Hình 3.1 Cấu tạo thùng lò phản ứng BWR 16

Hình 3.2 Bó nhiên liệu và viên nhiên liệu 18

Hình 3.3 Sơ đồ hệ thống tuần hoàn nước 20

Hình 3.4 Sơ đồ hệ thống xử lý khí thải dự phòng 23

Hình 4.1 Các báo động trạng thái lò trong phần mềm 25

Hình 4.2 Các thông số chính 26

Hình 4.3 Giao diện BWR Power / Flow Map & Controls 27

Hình 4.4 Giao diện BWR Reactivity & Setpoints 28

Hình 4.5 Giao diện BWR Turbine Generator 29

Hình 4.6 Giao diện BWR Power / Flow Map & Controls 30

Hình 4.7 Công suất lò phản ứng (%) 32

Hình 4.8 Công suất nhiệt (%) 33

Hình 4.9 Công suất máy phát (%) 33

Hình 4.10 Lưu lượng nước trong lõi (kg/s) 34

Hình 4.11 Áp suất lò (kPa) 34

Hình 4.12 Công suất lò phản ứng (%) 37

Hình 4.13 Công suất nhiệt (%) 37

Hình 4.14 Công suất máy phát (%) 38

Hình 4.15 Áp suất lò (kPa) 38

Hình 4.16 Lưu lượng nước trong lõi (kg/s) 39

Hình 4.17 Chiều dài sôi (m) 39

Hình PL.1 Giao diện BWR Control Loops 45

Hình PL.2 Giao diện BWR Scram Parameters 46

Hình PL.3 Giao diện BWR Trend 47

LỜI MỞ ĐẦU

Hiện nay ta đang sống trong thế kỷ 21, một thế kỷ mà các hoạt động sống, sinh hoạt, các nhu cầu của con người ngày càng tăng cao khi dân số thế giới đạt mốc 7 tỷ người Đi cùng với việc dân số tăng nhanh thì sự phát triển của xã hội, khoa học kỹ thuật của loài người càng diễn ra với tốc độ nhanh Chính vì sự phát triển đó đã gây ra

sự thiếu hụt về năng lượng phục vụ cho con người ở thời điểm hiện tại

Đối với vấn đề năng lượng, ta có khá nhiều phương pháp để chuyển hóa nhiên liệu thành năng lượng ta cần Tuy vậy vấn đề về trữ lượng và môi trường mới là những trở ngại cần lưu tâm nhất Bên cạnh các nhiên liệu hóa thạch hay dùng ta không thể phủ nhận năng lượng hạt nhân tuy là một loại năng lượng mới nhưng sản lượng mà nó đóng góp cho đời sống hiện nay là không hề nhỏ

Điện hạt nhân là một kỹ thuật mới đem lại những lợi ích cho chúng ta mà không gây hại nhiều đến môi trường cũng như chất lượng phục vụ cũng khá cao Nhưng để hiểu hết các vấn đề liên quan đến điện hạt nhân thực sự là một vấn đề khó khăn, nhân lực có các kỹ năng xử lý, kiến thức cần biết khi sử dụng nguồn năng lượng này cũng không nhiều Lợi ích là không thể phủ nhận nhưng an toàn vẫn là phần quan trọng nhất

và đối với điện hạt nhân thì vấn đề an toàn lại càng được bảo đảm tuyệt đối

Những việc ta cần làm hiện nay là tìm hiểu thấu đáo về cách thức hoạt động, cấu tạo cũng như kỹ năng xử lý các vấn đề về điện hạt nhân, đó là lý do tác giả chọn đề tài

“Khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR_V3”.Trong khóa luận này ta sẽ phân tích về một số sự cố của lò nước sôi BWR trên phần mềm mô phỏng BWR_V3 để hiểu thêm về các hiện tượng khi có sự

cố

Khóa luận này sẽ bao gồm các phần chính:

Chương 1: Tổng quan năng lượng hạt nhân, ở đây ta sẽ tìm hiểu về lịch sử ra đời và phát triển của các nhà máy điện hạt nhân Bên cạnh đó ta sẽ sơ lược qua các thế hệ lò phản ứng đã và đang phát triển

Chương 2: Lý thuyết lò phản ứng hạt nhân, trong chương này ta sẽ tập trung tìm hiểu về lý thuyết của neutron cùng các phản ứng trong lò phản ứng hạt nhân

Chương 3: Cấu tạo lò phản ứng nước sôi BWR, chương này sẽ bao gồm cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của một lò phản ứng hạt nhân loại nước sôi

Chương 4: Phần mềm mô phỏng lò phản ứng hạt nhân BWR_V3 và Mô phỏng sự cố thanh điều khiển Ta sẽ dùng phần mềm BWR_V3 để khảo sát hai sự cố liên quan đến

hệ thống thanh điều khiển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN 1.1 Tình hình năng lượng nguyên tử thế giới và Việt Nam

Cuộc sống xung quanh ta đang có những bước phát triển liên tục về nhiều mặt kinh tế, văn hóa, xã hội, công nghệ… và đi kèm với sự phát triển đó là vấn đề về nhiên liệu cho các hoạt động sống và sản xuất Hiện nay để phụcvụ cho đời sống, con người đang sử dụng nhiều nguồn nhiên liệu khác nhau như than đá, dầu mỏ, các nguồn khí đốt khác… Tuy vậy đối với những loại nhiên liệu không thể tái sinh này thì chúng chỉ

có thể duy trì trong khoảng thời gian không lâu vì sự khai thác và sử dụng quá mức của con người ( than đá 5 tỉ tấn/ năm, dầu mỏ 30 tỷ thùng/ năm…)

Các nhiên liệu trên có đóng góp rất to lớn trong các ngành nghề hiện tại đặc biệt

là trong công nghiệp vì có trữ lượng lớn và hiệu quả sử dụng cao nhưng chính những loại nguyên liệu hóa thạch lại là nguyên nhân gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu do lượng khí cacbonic mà chúng thải ra khi ta sử dụng Ước tính mỗi năm lượng khí cacbonic do các nhiên liệu hóa thạch thải ra đạt 21,3 tỉ tấn và có thể tăng hơn so với những năm trước đó Điều này làm cho sự ô nhiễm môi trường trên toàn thế giới đến mức đáng báo động, ảnh hưởng rất xấu đến sức khỏe cũng như tính mạng con người Hiện tại dân số thế giới đã đạt hơn 7 tỉ người, điều đó có nghĩa nhu cầu về năng lượng nhiều hơn bao giờ hết và bài toán về nguồn năng lượng lại được đặt ra khi mà những nhiên liệu trên đang trên đà cạn kiệt Và nguồn năng lượng mới mà thế giới đang hướng tới ở thời điểm hiện tại là năng lượng nguyên tử, một loại năng lượng được con người phát minh ra vào những năm của thế kỉ 20 nhằm thay thế cho những nguồn năng lượng cũ Năng lượng hạt nhân là một nguồn năng lượng mới ra đời sau nhưng nó mang lại những lợi ích to lớn phục vụ cho xã hội và cuộc sống con người Đi đầu là sự xuất hiện của những nhà máy tạo ra nguồn điện hạt nhân từ nguồn nhiên liệu là

Uranium 235 (U-235) Những nhà máy nhỏ đầu tiên do Hoa Kỳ sản xuất chủ yếu để phục vụ trong các mục đích quân sự

Năm 1954 nhà máy điện hạt nhân đầu tiên được xây dựng và đi vào họat động tại Obninsk (Matxcova – Liên Xô cũ) với công suất hoạt động 5MW cung cấp đủ cho nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của 2000 hộ dân tại thời điểm đó

Và lò phản ứng hạt nhân dùng cho mục đích thương mại đầu tiên được xây dựng tại thung lũng Calder, và chính thức đi vào họat động vào ngày 17/10/1956 Bảng 1.1 cho chúng ta số liệu thống lê số lượng lò phản ứng được sử dụng trên thế giới tính đến ngày 26-2-2012

Sau những lợi ích mà điện hạt nhân mang lại các nước trên thế giới cũng có những hoạt động về sử dụng năng lượng hạt nhân với những nhà máy điện hạt nhân mới được xây dựng ở nhiều nơi trên thế giới với mục đích phục vụ đời sống con người

Và đi cùng trong đó có Việt Nam chúng ta với dự án xây dựng hai nhà máy điện hạt nhân đầu tiên cho mục đích phát điện ở xã Phước Dinh và xã Vĩnh Hải tỉnh Ninh Thuận và đưa vào lưới điện quốc gia vào năm 2020 ( nay đã lùi thời điểm khởi công) Đến thời điểm hiện tại với dân số hơn 90 triệu người và nhu cầu về điện sẽ còn tăng cao trong thời gian tới thì điện hạt nhân cũng là một cách giải quyết tối ưu cho nước ta hiện nay Theo tính toán của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) tổ máy đầu tiên được đưa vào vận hành sẽ cung cấp khoảng 1% tổng lượng điện tiêu thụ trong cả nước và đến khi hoàn thành toàn bộ, hai nhà máy này sẽ cung cấp lượng điện tăng dần, từ 6% tổng lượng điện cả nước vào năm 2030 lên 20 - 25% vào năm 2050 Như vậy lượng điện năng mà nhà máy điện hạt nhân đóng góp vào chiếm một phần không hề nhỏ cho nhu cầu điện của nước ta Mặc dù vậy, hiện nay nhà nước đã quyết định lùi thời gian thi công để có thời gian chuẩn bị và ổn định vấn đề chuyên môn và nhân lực cho nhà máy điện hạt nhân

Bảng 1.1 Thống kê số lượng lò phản ứng trên thế giới và

công suất điện đóng góp [6]

1.2 Phân loại các lò phản ứng hiện nay

Các loại lò phản ứng trên thế giới được gọi tên theo cấu tạo, nguyên lý hoạt động,

ở đây ta sẽ chú ý vào một số loại lò được sử sụng với số lượng nhiều nhất và công suất cao trên thế giới bao gồm PWR (Pressurized Water Reactor), BWR,… Để hiểu rõ hơn về các lò phản ứng theo thời gian ta chia các loại lò này ứng với mỗi thế hệ khác nhau Chung quy lại từ những năm 50 của thế kỷ 20 thì có thể coi có bốn thế hệ lò phản ứng chính là các thế hệ I, II, III và IV

Hình 1.1 Các thế hệ lò phản ứng phát triển theo thời gian 1.2.1 Thế hệ lò phản ứng I

Như đã nói đến, các lò phản ứng được dùng cho mục đích phát điện đầu tiên được vận hành vào những năm 50 thế kỷ 20 như lò ở Obninsk (Liên Xô) năm 1954 hay ở thung lũng Calder năm 1956 đều là những lò thuộc thế hệ đầu tiên Những lò phản ứng

ở thế hệ này có công suất hoạt động khá thấp được xây dựng chủ yếu ở các nước như

Mỹ, Liên Xô, Anh…Các lò này có thiết kế khác nhau tùy theo mỗi nước nhưng về nguyên lý hoạt động thì tương đồng như nhau

Các lò tiêu biểu của thế hệ này có thể kể đến là Shippingport của Mỹ, Dresden-1, Magnox và Calder Hall-1 của Anh… Ở đây ta thấy có thể tuy cùng một thế hệ nhưng

đã có sự khác nhau về thiết kế Shippingport là loại lò áp lực sử dụng chất làm chậm nước nhẹ với công suất khoảng 60 MW, Dresden-1 là lò nước sôi BWR cũng dùng chất làm chậm là nước nhẹ và công suất khoảng 207 MW…

1.2.2 Thế hệ lò phản ứng II

Thế hệ thứ hai được cải tiến và phát triển từ thế hệ nguyên mẫu về các thiết kế cũng như có thêm những thiết kế lò mới để nâng cao hiệu quả sử dụng Các lò ở thế hệ này bắt đầu được sử dụng từ khoảng năm 1970 chủ yếu phục vụ mục đích thương mại

Sử dụng nhiên liệu là Uranium dioxide với độ làm giàu khoảng từ 0,7% đến 4% và được bọc bởi hợp kim Zirconium Ngoài ra điểm nổi bật ở giai đoạn này người ta đã bắt đầu sử dụng công nghệ điều khiển lò phản ứng không cần người điều khiển bằng cơ khí hay điện năng

1.2.3 Thế hệ lò phản ứng III và III+

Thế hệ lò này được xây dựng và phát triển vào năm 1990 với những ưu điểm vượt trội so với thế hệ trước về tính an toàn và tự động cao Các lò trong thế hệ này có thiết

kế gọn hơn mà vẫn đạt được hiệu suất cao kết hợp với khả năng bảo vệ khi có sự cố xảy ra trong quá trình hoạt động Thời gian xây dựng và chi phí cũng giảm đi nhiều so với trước đồng thời việc bảo trì cũng đơn giản hơn Loại lò đặc trưng nên nhắc đến là ABWR ( Advanced Boiling Water Reactor) được phát triển và xây dựng ở Nhật Bản, APWR (Advanced Pressurized Water Reactor) do Westinghouse thiết kế,… Các loại lò này đã được sử dụng rộng rãi trên cả thế giới do những ưu điểm của chúng Bên cạnh đó là sự phát triển thêm của thế hệ lò III+ bằng việc đưa vào các hệ thống thụ động tự duy trì trạng thái an toàn mà không cần điều khiển để đạt độ an toàn nhất định

1.2.4 Thế hệ lò phản ứng IV

Theo sau sự phát triển về khoa học công nghệ thì những khái niệm đầu tiên về thế

hệ lò mới này cũng dần hình thành và bù đắp cho những khuyết điểm của các thế hệ cũ

Xu hướng của các lò phản ứng này là hạn chế khí thải ra từ các phản ứng hạt nhân tạo thành một vòng khép kín tái chế các chất thải ra, đạt độ an toàn tối đa và hoàn toàn tự động Sử dụng chất hấp thụ có thể cháy được để tăng thời gian sử dụng nhiên liệu Đặc tính và thông số của một số lò phản ứng trong thế hệ này được ghi trong bảng 1.2

Bảng 1.2 Đặc tính và thông số của các lò thế hệ IV đang được nghiên cứu [8]

Phổ neutron

Chất làm mát

Nhiệt

độ, o C Áp suất Nhiên

liệu

Công suất (MW)

Muối florua 700-800 Thấp UF6 trong

muối 1.000

Điện, hyđro

Lò phản ứng

siêu tới hạn làm

mát bằng nước

Nhiệt hoặc nhanh

Nước 510-550 Rất cao UO2 1.500 Điện

Lò phản ứng

nhiệt độ rất cao Nhiệt Hêli 1.000 Cao

UO2 (lăng trụ hoặc viên)

250 Điện,

hyđro

CHƯƠNG 2 VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 2.1 Phản ứng phân hạch hạt nhân

Trong vật lý lò phản ứng, phản ứng phân hạch hạt nhân là phản ứng quan trọng nhất Trong phản ứng này khi một neutron va chạm với một hạt nhân nguyên tố nặng

sẽ khiến hạt nhân nặng bị chia thành hai hạt nhân con có khối lượng nhỏ hơn, phát ra từ các bức xạ tia gamma (γ), hạt beta (β), hạt alpha (α) Phản ứng phân hạch kéo theo một năng lượng lớn được giải phóng, đồng thời có hai hoặc ba neutron được tạo ra Các neutron này sẽ tiếp tục va chạm với các hạt nhân khác và quá trình đó cứ thế tiếp diễn Như vậy là xuất phát từ một sự phân hạch trong khối nhiên liệu, nếu ta không khống chế các neutron, thì có thể sinh ra ít nhất là hai sự phân hạch Những phân hạch thành chuỗi như vậy được sẽ tạo nên phản ứng dây chuyền, đây là phản ứng chính trong sự hoạt động của nhà máy điện hạt nhân

Cơ chế của phản ứng này được miêu tả bằng mô hình mẫu giọt [1] Hạt nhân được coi là “một giọt chất lỏng” mang điện tích dương tồn tại do sự cân bằng giữa lực

đẩy Coulomb của các proton với lực hút hạt nhân và sức căng mặt ngoài Sự phân hạch

hạt nhân xảy ra khi chỗ nối bị đứt Điều kiện phân hạch là năng lượng kích thích

E* > Eng Trong đó Eng là mức năng lượng ngưỡng đặc trưng của mỗi hạt nhân để xảy

ra phản ứng phân hạch Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết của các hạt nhân được mô tả trong bảng 2.1 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

90 ≤ A ≤ 97 Thông thường, trong các lò phản ứng sử dụng các hạt nhân: Th-232

(Thorium), U-233 , U-235, U-238, Pu-239 (Plutonium) Khi hấp thụ neutron, hạt nhân tạo thành hạt nhân hợp phần tương ứng

Bảng 2.1 Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết của một số hạt nhân [1]

Hạt nhân Năng lượng ngưỡng

(MeV) Hạt nhân hợp phần Năng lượng liên

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

5,07 6,77 6,4 4,76 6,38

Theo số liệu trên ta thấy được đối với các hạt nhân U-233, U-235, Pu-239 có thể được phân hạch bởi các neutron có năng lượng bất kỳ Vậy nên có thể nói các hạt nhân với số lẻ neutron được sử dụng cho phản ứng phân hạch Hiện nay Uranium là nhiên liệu được sử dụng nhiều trong nhà máy điện hạt nhân, tuy vậy Uranium trong thiên nhiên thì U-235 chỉ chiếm khoảng 0,714% Vì vậy để sử dụng Uranium làm nhiên liệu

ta cần phải tăng độ giàu Uranium lên trước khi sử dụng, tức là tăng nồng độ hạt nhân U-235 lên Sau mỗi phản ứng phân hạch là sự xuất hiện của các mảnh vỡ phân hạch, lượng tử γ, các neutron mới sinh ra và neutrino Các sản phẩm phân hạch này đóng góp một phần năng lượng tạo nên một năng lượng khoảng 200 MeV khi phản ứng phân hạch xảy ra

Trong lò phản ứng hạt nhân sự hoạt động của lò là dựa trên phản ứng dây chuyền Đây là phản ứng dựa trên nguyên tắc của phản ứng phân hạch hạt nhân Để duy trì hoạt động ổn định của lò ta dựa trên hệ số nhân neutron k Đây là hệ số cho ta biết tỉ số neutron sinh ra ở thế hệ i+1 so với thế hệ i Từ đó ta đưa ra phương án xử lý để đảm bảo cho sự hoạt động của lò

Hệ số nhân k có ba trường hợp:

 k = 1 đây là lò đã đạt trạng thái tới hạn và cũng là chế độ hoạt động mà ta mong muốn đạt được Ở trạng thái này ta dễ dàng kiểm soát được quá trình hoạt động của lò, lượng neutron sinh ra đủ để duy trì phản ứng dây chuyền nhưng không tăng vọt lên

 k > 1 trạng thái này lò đạt trên tới hạn Đây là giai đoạn khá nguy hiểm vì công suất sẽ tăng mạnh dẫn đến mất kiểm soát

 k < 1 phản ứng dưới tới hạn, không thể xảy ra phản ứng dây chuyền

Để tính toán hệ số nhân k ta đưa ra công thức bốn thừa số [1]:

Trong đó các thừa số có ý nghĩa:

 Hệ số tái sinh neutron ():

Là tỷ số giữa số lượng neutron sinh ra từ phân hạch với số lượng neutron nhiệt bị hấp thụ trong nhiên liệu Đối với Uranium tự nhiên giá trị đặc trưng này là 1,2

σ5N5+σ8N8 (2.2)

Với: σ5và σ8 là tiết diện vi mô hấp thụ neutron nhiệt đối với U-235 và U-238

N5 và N8 lần lượt là nồng độ U-235 và U-238

σf5 là tiết diện phân hạch của U-235 với neutron nhiệt

: là số neutron trung bình sinh ra trên phân hạch nhiệt

 Hệ số phân hạch nhanh (µ):

Là hệ số biểu diễn sự tăng số lượng neutron nhanh do phân hạch nhanh của

U-238 Đối với Uranium tự nhiên giá trị đặc trưng này là 1,03

μ =Số neutron phân hạch nhiệt + số neutron phân hạch nhanh

Số neutron phân hạch nhanh (2.3)

 Xác suất thoát cộng hưởng (p):

Là xác suất neutron sẽ không trải qua quá trình bắt cộng hưởng trong U-238 trong quá trình làm chậm từ neutron nhanh xuống neutron nhiệt Với Uranium tự nhiên giá trị đặc trưng này là 0,9

p = Số neutron trong khoảng năng lượng cộng hưởng bay ra

Số neutron trong khoảng năng lượng cộng hưởng đi vào (2.4)

σi là tiết diện hấp thụ neutron đối với vật liệu loại i

với hệ số làm chậm của chúng khá cao Khi va chạm với các hạt nhân của chất làm chậm, các neutron tán xạ trên chúng và truyền cho chúng một phần năng lượng của mình Vì vậy, sau mỗi lần va chạm, năng lượng của neutron giảm dần, đến khi neutron đạt đến vùng neutron nhiệt Quá trình giảm năng lượng từ từ này của các neutron do nhiều lần va chạm với các hạt nhân của chất làm chậm được gọi là quá trình làm chậm neutron

Khi va chạm hạt nhân chất làm chậm, giả sử lúc đầu năng lượng neutron nhanh là

E thì sau một va chạm năng lượng trung bình của neutron đó sẽ được tính theo công thức [2]:

(2.6)

Với: E ̅ ′ là năng lượng mất trung bình trong mỗi va chạm

A là số khối hạt nhân bia

Ta đặt đại lượng ξ = ln E

E′là độ mất năng lượng logarit trung bình, đại lượng này được

sử dụng để phản ánh hai đại lượng quan trọng để chọn lựa chất làm chậm là khả năng làm chậm và hệ số làm chậm

Khả năng làm chậm là ξ s và hệ số làm chậm là ξ s/a Trong đó a và s

lần lượt là tiết diện hấp thụ và tiết diện tán xạ neutron của chất làm chậm Ta thấy được

sự làm chậm càng lớn khi s càng lớn và thông thường ta lựa chọn chất làm chậm dựa trên hệ số làm chậm càng lớn Theo các nghiên cứu [1] ta thấy nước nặng là chất có hệ

số làm chậm tốt nhất tuy nhiên việc sử dụng nước nặng còn hạn chế nhiều do khó sản xuất, giá thành cao Vì thế nên trong các lò phản ứng hạt nhân ta sử dụng nước thường thay cho các vật liệu khác vì giá thành rẻ, dễ sản xuất và quản lý

Độ phản ứng có thể có giá trị dương hoặc âm biểu thị cho ta biết công suất lò sẽ tăng hay giảm Thanh điều khiển là bộ phận hấp thụ neutron sinh ra khi đưa vào vùng hoạt và khiến công suất lò giảm xuống có nghĩa là thanh điều khiển khi đưa vào lò sẽ tạo ra độ phản ứng âm và khi rút ra là độ phản ứng dương cho lò Ngoài ra còn có một

số yếu tố khác có thể ảnh hưởng độ phản ứng trong lò như sự nhiễm độc xenon, sự tạo xỉ trong lò, hệ số nhiệt độ, hiệu ứng công suất… Đa số các quá trình này đều gây ra độ phản ứng âm trong lò [1]

Ở đây ta sẽ tập trung vào sự thay đổi độ phản ứng do hiệu ứng bọt hơi gây ra vì khi thực hiện mô phỏng sự cố chèn thanh điều khiển trong khóa luận này thì hệ số có đóng góp khá lớn trong việc thay đổi độ phản ứng Các bọt hơi sinh ra do sự sôi của nước trong vùng hoạt của lò khiến cho hiệu ứng này xảy ra Những bọt hơi này càng nhiều sẽ khiến cho khả năng làm chậm neutron của nước giảm đi Điều này có nghĩa là

số neutron nhiệt sinh ra cũng giảm xuống do nước không làm chậm được neutron nhanh sinh ra từ phản ứng phân hạch khiến công suất lò giảm xuống Vì vậy ta chú ý rằng hiệu ứng bọt hơi sẽ thêm vào vùng hoạt lò độ phản ứng âm Hệ số đặc trưng của hiệu ứng này là hệ số bọt hơi phụ thuộc vào tỉ số lượng hơi pha trong nước trên thể tích tổng của hơi và nước trong vùng hoạt của lò Như đã nói hiệu ứng bọt hơi khiến cho công suất lò giảm nên khi hệ số bọt hơi càng tăng thì công suất sẽ giảm xuống với tốc

độ càng tăng

CHƯƠNG 3 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CỦA

LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC SÔI BWR 3.1 Tổng quan và lịch sử lò phản ứng hạt nhân BWR

BWR là viết tắt của Boiling Water Reactor hay còn gọi là lò phản ứng nước sôi

Như đã nói ở trên lò phản ứng BWR thuộc thế hệ lò phản ứng thứ II được sử dụng vì mục đích hòa bình là phát điện BWR được nghiên cứu và phát triển bởi phòng thí nghiệm quốc gia Hoa Kỳ Idaho và công ty General Electric vào những năm 50 của thế

kỷ 20 Nhà sản xuất chính của kiểu lò này hiện nay là General Electric Hitachi Nuclear Energy, bao gồm công đoạn thiết kế và xây dựng Lò phản ứng BWR được đưa vào sử dụng thực tế vào khoảng năm 1960 Hiện nay số lượng lò BWR chiếm khoảng 20% tổng số lò phản ứng hạt nhân trên thế giới

BWR là loại lò sử dụng nước nhẹ vừa là chất tải nhiệt vừa là chất làm chậm trong vùng hoạt lò phản ứng Khác với lò phản ứng nước áp lực PWR sử dụng hệ thống hai vòng tuần hoàn sơ cấp và thứ cấp, lò BWR sử dụng công nghệ một vòng tuần hoàn trực tiếp đơn giản hơn Từ phía ngoài các máy bơm thông qua các vòi phun sẽ đưa lượng nước cần thiết vào thùng lò phản ứng Lượng nước này di chuyển ở khoảng giữa vách ngăn thùng lò và vùng hoạt theo chiều từ trên xuống đi vào vùng hoạt lò phản ứng theo chiều từ dưới lên Tại vùng hoạt các thanh nhiên liệu được đốt cháy sinh ra một lượng nhiệt lớn Khi lò hoạt động thì nhiệt sinh ra tại tâm lò sẽ làm cho lượng nước cấp trong lõi lò bay hơi Lượng hơi sinh ra sẽ theo các ống dẫn đến các ngăn sấy và được sấy khô, tuy nhiên lượng hơi này có mang theo khá nhiều phóng xạ nên trên đường dẫn hơi luôn có các hệ thống an toàn để lọc và khử phóng xạ Lượng hơi này sẽ được dẫn đến quay turbine máy phát điện, sau đó sẽ được ngưng tụ lại và sẽ được đưa quay lại vòng tuần hoàn chính của lò So với lò phản ứng nước áp lực thì thùng lò BWR có hình thức gần giống nhưng có các thông số khác hơn khi so sánh giữa 2 lò có công suất tương

đương Ở đây lò BWR cũng sử dụng nhiên liệu phân hạch là Uranium và hoạt động ở điều kiện nước tải nhiệt ở áp suất 7599,375 kPa và nhiệt độ nước ở tâm lò khoảng

2850C với hiệu suất hoạt động đạt khoảng từ 30 đến 40% Các thông số chính của lò BWR công suất 1000 MW được cho trong bảng 3.1

Bảng 3.1 Một số thông số chính của loại lò BWR - 1100 MW [6]

Thông số cơ bản của lò BWR Công suất nhiệt 3293 MW Công suất điện 1100 MW Đường kính vùng hoạt 4,75 m

Độ làm giàu nhiên liệu 2,2 %

Số bó nhiên liệu 764 Chiều dài thanh nhiên liệu 3,71 m Tổng chiều dài bó nhiên liệu 4,46 m Trọng lượng nhiên liệu 142 tấn

Số thanh điều khiển 185 thanh Áp suất trong lò 6962,721 kPa Chất tải nhiệt H2O Chất làm chậm neutron H2O Lưu lượng chất tải nhiệt qua lò 48.103 t/h Nhiệt độ chất tải nhiệt vào/ra lò 216/2860 C

Vào thời điểm hiện tại BWR vẫn là một trong hai loại lò được sử dụng nhiều nhất trên thế giới (sau PWR) BWR là loại lò phản ứng hạt nhân có nguyên lý hoạt động một vòng tuần hoàn trực tiếp đơn giản hơn các loại khác mà vẫn đem lại lợi ích

kinh tế lớn cho xã hội Tuy có ưu điểm đơn giản nhưng ta cũng phải đặc biệt chú ý đến vấn đề an toàn của nhà máy trước các yếu tố ngoại cảnh hay vấn đề con người Thiết kế BWR được ứng dụng ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima I, hiện nhà máy này đang bị

hư hỏng trong trận động đất và sóng thần vào tháng 3 năm 2011 Qua đó ta có thể thấy được tầm quan trọng của việc điều khiển cũng như đối phó với các sự cố ngoài ý muốn trong quá trình hoạt động của nhà máy điện hạt nhân

3.2 Cấu tạo chi tiết lò phản ứng BWR

3.2.1 Hệ thống nhà lò BWR

Tòa nhà lò là một kết cấu được thiết kế bằng thép hoặc bê tông cốt thép, bao bọc

lò phản ứng Tòa nhà lò phản ứng nước sôi được thiết kế để chứa một lượng chất phóng xạ thoát ra tại áp suất cực đại trong dải từ 410 - 1400 kPa tại bất kỳ trường hợp

sự cố nào Kết cấu tòa nhà lò có thể hoặc là thép đơn độc hoặc được áp thêm lớp che chắn bê tông Tòa nhà lò đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ không cho chất phóng xạ rò rỉ ra môi trường ngoài

Tòa nhà lò của BWR gồm hai hệ nhà lò sơ cấp và thứ cấp Nhà lò sơ cấp bao gồm bên trong là một bể khô chứa lò phản ứng và hệ thống tải nhiệt Trong trường hợp sự

cố có rò rỉ thì chất tải nhiệt sẽ tràn đến hơi trong bể khô để nhanh chóng điều áp Các ống thông hơi từ bể khô hướng đến hơi ở dưới mực nước trong bể ướt làm ngưng tụ hơi Cả hai bể khô và bể ướt được bao bọc bởi nhà lò thứ cấp Trong quá trình vận hành, áp suất bên trong nhà lò thứ cấp được duy trì thấp hơn so với áp suất khí quyển bên ngoài để hệ thống thông gió có thể hoạt động

3.2.2 Thùng lò phản ứng

Thùng lò phản ứng là một cấu trúc hình trụ làm bằng thép lớn bao gồm bên trong là các bộ phận như hệ thống thanh nhiên liệu, hệ thống thanh điều khiển ở trung tâm thùng lò Phía trên là các bộ phận ngưng tụ hơi để tạo hơi nước và trực tiếp dùng

hơi nước đó quay turbine phát điện Để điều khiển công suất của lò thì có các ống dẫn thanh điều khiển và các thanh điều khiển đặt ở phần dưới

Hình 3.1 Cấu tạo thùng lò phản ứng BWR

Thùng lò trong một lò phản ứng được thiết kế để có thể chịu được áp lực, chứa

vùng hoạt và chất tải nhiệt, cấu tạo của thùng lò được mô tả trong hình 3.1 Trong thực

tế, thùng lò của BWR lớn hơn được che chắn khỏi thông lượng neutron tốt hơn Vì vậy, mặc dù loại thùng lò này có chi phí chế tạo cao hơn do kích thước lớn nhưng nó có ưu

điểm là không cần xử lý nhiệt để kéo dài tuổi thọ Bộ lái thanh điều khiển được xuyên qua đầu thùng để gắn với các thanh điều khiển bên trong thùng lò Yêu cầu phát triển vật liệu của thùng lò chịu áp là có cường độ ứng suất cao thích hợp để làm giảm chiều dày của kết cấu và giới hạn nhiệt độ vận hành cao [7]

3.2.3 Hệ thống thanh nhiên liệu

Nhiên liệu mà lò phản ứng BWR sử dụng là Uranium được làm giàu tới khoảng 3% và sẽ được nén lại thành các viên Uranium dioxide (UO2) có dạng khối trụ Các viên nhiên liệu này sẽ được sắp xếp chồng lên nhau trong một thanh nhiên liệu như trong hình 3.2 Như ta đã biết, nguyên tử Uranium-235 (U-235) có khả năng phân hạch khi chúng hấp thụ một neutron Quá trình phân hạch sẽ được điều khiển bởi số neutron

là lí do xảy ra phân hạch trong nhiên liệu

Vỏ thanh nhiên liệu được chế tạo từ một loại hợp kim tái kết tinh là Zircalloy Zirconium được sử dụng làm nguyên liệu chính để làm thanh nhiên liệu vì đặc tính ít hấp thụ neutron nhiệt và không tác dụng với các môi trường trong vùng hoạt lò phản ứng Tuy vậy ở nhiệt độ quá cao (trên 10000C) thì Zirconium lại tác dụng với hơi nước gây ra phản ứng tỏa nhiệt có thể làm nứt gãy thanh nhiên liệu và gây nổ Đây là một sự

cố rất nghiêm trọng trong quá trình hoạt động lò nên nhiệt độ là một trong những thông

số cần quan tâm hàng đầu trong việc kiểm soát lò phản ứng Mỗi thanh nhiên liệu sẽ được hàn kín hai đầu và ở bên trong có chứa khí Helium Bên trong thanh được thiết kế tạo một khoảng trống giữa vỏ thanh và các viên nhiên liệu để khi các viên nhiên liệu cháy thì khí phân hạch tạo ra có không gian để tồn tại giữ cho áp suất bên trong không

bị quá tải

Nhiều thanh nhiên liệu xếp chung lại tạo thành bó nhiên liệu theo sự phát triển mà

có những loại như 7x7, 8x8, 9x9 Trong một bó nhiên liệu bao gồm các thanh nhiên liệu chứa Dioxide Uranium, các thanh cố định để tạo thành bó nhiên liệu và thanh nước

nằm giữa mỗi bó để tạo nên sự cân bằng về độ cháy giữa các thanh nhiên liệu phía ngoài và trong [5]

Hình 3.2 Bó nhiên liệu và viên nhiên liệu 3.2.4 Hệ thống thanh điều khiển

Thanh điều khiển là một hệ thống có chức năng kiểm soát công suất hoạt động của lò phản ứng hạt nhân bằng cách di chuyển vào hoặc rút ra khỏi vùng hoạt của lò Để đảm bảo cho hệ số nhân neutron k=1 tức là lò đạt trạng thái tới hạn, trong các lò phản ứng người ta dùng các thanh điều khiển được làm từ các vật liệu hấp thụ neutron như Bo-Cacbua(B4C) và các mảnh Hafnium (Hf) để hấp thụ neutron nói cách khác là ngăn chặn phản ứng phân hạch Uranium xảy ra