Vận hành nhà máy điện

Độ phản ứng tỷ lệ mật độ chất làm chậm / nhiên liệu ở các nồng độ boron khác nhau HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG... Các yếu tố của công thức 4 thành phầnRBMK và CANDU luôn bị quá tới hạn • Điều này c

ĐIỀU KHIỂN LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Nhóm SV : Phạm Văn Phong Nguyễn Cao Đà Nguyễn Văn Kiên Bùi Thanh Xuân Dương Chí Tư Nguyễn Xuân Hoàng Ngô Trí Dũng

ĐỘ PHẢN ỨNG

GIỚI HẠN NHIỆT ĐỘ VÀ HỆ SỐ MẤT CÂN BẰNG CHẤT ĐỘC Xe, Sm

LÒ PHẢN ỨNG NHƯ LÀ NGUỒN PHÓNG XẠ, KHẢO SÁT ÁP LỰC THÙNG

LÒ

ĐIỀU KHIỂN ĐỘ PHẢN ỨNG VÀ DETECTOR TRONG VÀ NGOÀI LÒ

NỘI DUNG

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

Các yếu tố của công thức 4 thành phần và tỷ lệ làm chậm

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

Độ phản ứng theo tỷ lệ chất làm chậm

Sự khác biệt rất quan trọng!

Trong trường hợp

• dưới tới hạn: vận hành an toàn

• quá tới hạn: không an toàn!

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

Các đường cong của độ phản ứng với mật độ chất làm chậm khác nhau

Đường cong độ phản ứng với nồng độ boron khác nhau

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

Hai cách để đạt được cùng một hệ số nhân

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

• Do cháy, U-235 giảm và ngày

càng nhiều Pu được tạo ra

• Sự hiện diện của Pu làm lệch

đường cong suy giảm sang

Độ phản ứng tỷ lệ mật độ chất làm chậm / nhiên liệu ở các nồng độ boron khác

nhau

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

Các yếu tố của công thức 4 thành phần

RBMK và CANDU luôn bị quá tới hạn

• Điều này có thể được giảm đi chút ít

bằng cách :

• • Sửa đổi lưới nhiên liệu

• • Áp dụng chất độc cháy được

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

• Giá trị Ʃ của hệ số làm chậm của WWER-440 theo nhiệt độ chất làm chậm

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

• Hệ số nhiệt độ của chất làm chậm theo nhiệt độ của

chất làm chậm đối với nồng độ axitboric khác nhau

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

Hệ số nhiệt độ của chất làm chậm cho các trạng thái hoạt động khác nhau của WWER-440

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

• Hệ số Doppler của một PWR có tác dụng điều chỉnh nhiệt độ hiệu dụng của nhiên liệu lúc bắt đầu và kết thúc

của chu kỳ (BOC và EOC)

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

Hệ số Doppler cho các trạng thái hoạt động khác nhau của WWER-440

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

• Hệ số phản ứng đẳng nhiệt cho các trạng thái hoạt động khác nhau của WWER-440

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

• Hệ số công suất cho các trạng thái hoạt động khác nhau của WWER-440

HỆ SỐ ĐỘ PHẢN ỨNG

II GIỚI HẠN NHIỆT ĐỘ VÀ SỰ PHÂN BỐ CHẤT ĐỘC XE, SA KHÔNG ĐỀU HIỆU ỨNG

KHÔNG GIAN

1 GIỚI HẠN NHIỆT ĐỘ

• Tại sao giới hạn nhiệt độ lại quan trọng ? Tại những vị trí nóng

• 2 loại : giới hạn sơ cấp và giới hạn thứ cấp

Giới hạn sơ cấp:

Nhiệt cao nhất của nhiên liệu

Nhiệt cao nhất của vỏ nhiên liệu

Dòng nhiệt trên bề mặt vỏ

Tỷ số dời điểm sôi nhân

Tất cả đều không đo được

1 GIỚI HẠN NHIỆT ĐỘ

Giới hạn thứ cấp

Mật độ năng lượng tuyến tính

Toàn bộ năng lượng

Nhiệt tỏa ra từ chất làm mát

Mất cân bằng

• Các số liệu cho thấy phân bố không đồng đều của chất độc trong lõi lò

• Không đồng đều

 Giữa các bó nhiên liệu với nhau

 Bên trong bó nhiên liệu, giữa các viên nhiên liệu

 Bên trong viên nhiên liệu

Mất cân bằng

• Theo đó, 3 kiểu của hệ số mất cân bằng được định nghĩa:

• Có sử dụng chúng để tính số liệu vật lí tại các điểm nóng từ các giá trị trung bình

• Nếu các điểm nóng mà không vượt quá giới hạn thì các điểm khác cũng không vượt quá

• Phân phối càng nhiều thêm trong khi cháy

Lò VVER 1000 :

Phân bố năng lượng lò VVER 1000

Phân bố năng lượng trong các trường hợp bình thường của lõi lò PWR

Phân bố năng lượng ở lò PWR trong trường hợp rò rỉ nhỏ chất tải nhiệt trong lõi

Phân bố nhiên liệu ở lò VVER -440 cho trường hợp rò rỉ thấp

ở lõi

Phân bố không gian của thông lượng Neutron và mật độ năng lượng ở lân cận thanh điều khiển lò VVER -440

Phân bố viên nhiên liệu trong trường hợp bên trong hoặc bên ngoài bó nhiên liệu

Các phương pháp khác nhau của định hình bó nhiên liệu và hiệu ứng của nó lên năng lượng cực đại

Đường phân bố năng lượng của bó nhiên liệu lò VVER -440 trong trường hợp thu hồi 125, 175 cm thanh điều khiển

Đường phân bố năng lượng của lò VVER-440 tại 3 thời điểm trong chu trình cháy

Đường phân bố năng lượng của lò VVER-440 tại 3 thời điểm trong chu trình cháy và sự khác bó nhiên liệu

Bó 50

Bó 41

Sự thay đổi thông lượng nhiệt và DNBR dọc viên Nhiên Liệu

Sự khác nhau thể tích theo thời gian và chu trình cháy

Phân bố chuyển động quay của mật độ năng lượng bên trong viên Nhiên Liệu

Nhiễm độc Xenon và Samarium

Tiết diện hấp thụ n nhiệt của 135Xe

- Là đồng vị có tiết diện hấp thu n nhiệt cao nhất

- Xác xuất ra khi phân hạch là cao nhất

-Do đó nó cũng là chất độc mạnh nhất lò phản ứng

- Có ảnh hưởng rất mạnh đến độ phản ứng

Ảnh hưởng của Xe lên độ phản ứng phụ thuộc vào năng lượng lò phản ứng

Bản đồ phân bố sự cháy do bó nhiên liệu

Mất cân bằng giữa các bó nhiên liệu

Phân bố nồng độ xenon trương đối

Nhiễm độc Xenon sau khởi động dẫn đến sự khác nhau của giá trị năng lượng ở cuối chu trình

Mật độ của I, Xe phụ thuộc thời gian sau khi thay đổi công suất

Mật độ của I, Xe phụ thuộc thời gian sau khi tắt lò

Nồng độ I , Xe phụ thuộc theo thời gian trong suôt quá trình tắt

lò và sau đó khởi động lại

Thay đổi công suất kép

Công suất thay đổi trong chương trình giả định

Đường phân bố năng lượng của lò PWR tại 2 thời điểm khác nhau 21.5 giờ

Không kiểm soát được sự dao động của Xe

Điều khiển sự dao động dòng neutron Điều khiển dao động tập trung của Iode Điều khiển dao động tập trung của Xe

Kết quả của Xe dao động quanh trục trong trường hợp COAC :D điều khiển

Tiết diện hấp thụ của Sm-149 phụ thuốc năng lượng Sự khởi đầu lò phản ứng đến sự khác nhau của các mức năng

lượng

Nhiễm độc Samarium trong trường hợp thay đổi công suất khác nhau tại các trạng thái khác nhau

Năng lượng thay đổi từ 100% đến 50% và ngược lại

Nhiễm độc Samarium sau khi tắt lò

3.1.2.Nguồn phóng xạ trong trường hợp lò tắt

 Nguồn neutron:

- Neuton phân hạch từ quá trình phân hạch tự phát

- Neutron từ phản ứng (anpha,n);( gamma,n)

3.1 Lò phản ứng như 1 nguồn phóng xạ

3.1.2.Nguồn phóng xạ trong trường hợp lò tắt

 Nguồn photon gamma

- Photon từ quá trình phân rã của sản phẩm phân hạch

- Photon từ phân rã của vật liệu đã được kích hoạt

• Phần lớn nhiệt dư được tạo ra bởi phân rã của sản phẩm phân hạch(nhiệt beta hoặc gammma)

- Điều này vô cùng quan trọng bởi nhiệt dư này được loại bỏ khỏi lõi lò

Phổ năng lượng neutron sinh ra bởi phân hạch của Cm-244, Cf-252, U-235

Phổ năng lượng neutron phân hạch nhanh

Số liệu của một số đồng vị tự phân rã notron

Sự phân bố năng lượng của gamma tức thời từ phân hạch

Phân bố năng lượng của gamma phát ra từ các sản phẩm phân hạch

Sự phân bố của thông lượng neutron và liều gamma quanh lõi

lò phản ứng

Tổng hoạt độ phóng xạ tồn dư của lò phản ứng có công suất

1000 MWe

Hoạt độ nguồn neutron của nhiên liệu đã qua sử dụng của lò PWR do sự phân hạch tự phát theo công suất nhiệt

Hoạt độ nguồn neutron của nhiên liệu đã qua sử dụng của lò PWR do sự phân hạch tự phát theo thời gian làm mát (tắt lò)

Lượng nhiệt còn sót lại so với lượng nhiệt khi tắt lò

3.2 Kiểm soát áp suất thùng lò (RPV)

3.2.1 Tại sao RPV lại quan trọng?

- RPV quyết định tuổi thọ của 1 nhà máy điện

- Việc thiết kế vách ngăn là điều quan trọng nhất

- Nếu như có nứt vỡ thì nó rất có khả năng gây hư hỏng lõi lò

3.2.2 Thiết kế như thế nào ?

 Tuy nhiên cần kiểm tra thường xuyên

 Hơn nữa, 1 chương trình kiểm soát RPV là rất cần thiết

3.2.3 Điều gì xảy ra với RPV trong suốt thời gian hoạt động của nó ?

- Áp suất nhiệt: gia nhiệt, tản nhiệt

- Áp lực cơ khí: áp suất cao

- Rung động, dao động

- Tuy nhiên ảnh hưởng lớn nhất là neutron nhanh

Ảnh hưởng neutron nhanh

- Vật liệu rắn có thể gãy theo 2 cách: gãy giòn hoặc gãy dẻo

- Trên 1 nhiệt độ nhất định( nhiệt độ chuyển đổi) thì vật liệu sẽ gãy theo phương thức gãy dẻo

- Bởi vì chiếu xạ bởi neutron nhanh sẽ tăng nhiệt chuyển đổi

- Ảnh hưởng phụ thuộc vào:

• thông lượng neutron nhanh cộng dồn theo thời gian

• Thông lượng notron

• Nhiệt độ

• Thành phần vật liệu trong thép

Gãy giòn và gãy dẻo

• Gãy dẻo: đặc trưng bởi biến dạng dẻo, thường được hiểu là khả năng vật liệu cho phép 1 lượng lớn biến dạng mà không gãy Nó ngược lại với gãy giòn

• Gãy giòn: xảy ra với ít hoặc không có biến dạng dẻo Đặc trưng bởi 1 lượng rất nhỏ năng lượng được hấp thụ và xuất hiện tinh thể trên bề mặt nứt gãy Gãy giòn hầu hết là kết quả của những lỗi : khuyết tật, ăn mòn, sự nứt

Sự nứt bởi neutron: sự thay đổi gãy dẻo-giòn theo chuyển đổi nhiệt độ

3.2.4.Điều gì xẩy ra với tinh thể vật liệu của bình điều áp (RPV)

• Với năng lượng E> 0.5MeV neutron bứt khỏi nguyên tử từ vị trí của nó trên mạng tinh thể

• E>40 eV: tạo nên khiếm khuyết Frankel ( 1 dạng khiếm khuyết tinh thể)

• Cường độ của hiện tượng này đặc trưng bởi sự di chuyển mỗi nguyên tử

• Xác suất sự sắp xếp lại là hàm số theo nhiệt độ của kim loại

• Vì vậy, thuận lợi là bình điều áp ở nhiệt độ cao

Sự nứt:

Các chuỗi các quá trình nứt cơ bản:

(a)tạo ra các khuyết tật gây tổn hại bức xạ ban đầu: (b) hình thành các nhóm dung môi và khuyết tật nano; (c) ghim lệch và làm cứng bằng các tính năng nano; (d) làm cứng vết nứt gãy tăng cường;

(e) một nơi nồng độ tập trung

Làm thế nào để giám sát ảnh hưởng của neutron nhanh

• Xác định năng lượng cần để 1 mảnh vật liệu kim loại gãy tại 1 nhiệt độ nhất định

• Xác định bằng cách kiểm tra thí nghiệm Charpy ( xác định năng lượng hấp thụ bởi 1 vật liệu trong quá trình nứt)

Khảo sát mẫu đến giám sát hư hại do bức xạ

• Gọi quá trình khảo sát mẫu là xác suất từ mẫu vật chính xác như thùng lò áp lực

• Khỏa sát là đưa vào dọc theo container với 1 cái màn lá để xác định thông lượng neutron trong suốt quá trình chiếu xạ

• Khảo sát 1 năm cho mẫu vật và 4- 11 năm vói thùng lò

Vị trí khảo sát mẫu vật

Mẫu vật liệu hàn

• Các mỗi hàn không được ở khu vực chiếu xạ nhiều nhất

• Không nên chỉ kiểm tra vật liệu cơ bản (thép thực tế của RPV)

• vật liệu hàn phải khác với vật liệu cơ bản • phải có mối hàn ở những vị trí nhất định xung quanh RPVs

• mối hàn không được ở những nơi chiếu xạ nhiều nhất

Yêu cầu đến vật liệu liên quan đến áp lực thùng lò

• Microrupture luôn luôn có mặt

• Điều này rất quan trọng bởi Microrupture phải luôn ổn định nếu không sẽ xẩy ra nguy hiểm

• Vết nứt không được trải dài hơn 3/4 chiều dày của vỏ thùng

• Thùng lò có thể được làm mới: quá trình này được gọi là ‘’TÔI”

Điều gì có thể dẫn đến nứt

đến shock nhiệt áp lực (PTS) vì vậy á lực trong RPV là cao và nhiệt độ thùng lò cũng cao

3.2.5 Kiểm tra thùng lò

• Diễn ra trong suốt kế hoạch bảo dưỡng khi nạp lại nhiên liệu

• Dịch vụ kiểm tra định kì cung cấp hầu hết liên quan đến các tiêu chí của tính nguyên vẹn

• Dò tìm các khiếm khuyết 1 cách đáng tin cậy và đo đạc thực tế., đặc trưng của chúng

• Kiểm tra không phá hủy phải được áp dụng

• Thiết bị kiểm tra siêu âm dưới nước

• Phương pháp dòng xoáy: áp dụng kiểm tra bề mặt beton

• Kiểm tả trực quan sử dụng cho bề mặt thùng lò

• Kiểm tra nâng cao dung công nghệ siêu âm áp dụng cho kiểm tra vật liệu cơ bản

• Kiểm tra không phá hủy nâng cao áp dụng cho kiểm tra mối hàn lò

Hồi tiếp độ phản ứng và điều khiển

Định nghĩa về độ phản ứng vượt mức ( ex)

• ex là độ phản ứng có thể tạo ra trong lò khi rút tất cả các chất hấp thụ notron ra khỏi lò

• Tuy nhiên, ex phụ thuộc vào trạng thái của lò

• ex có thể thay đổi được bằng cách thay đổi một số thông số vật lý trong lò

•  

• Khi lò cháy: nhiên liệu giảm dần, các sản phẩm phân hạch tang lên

• Chu trình lò: là khoảng thời gian giữa 2 lần nạp nhiên liệu liên tiếp

• Thời gian hoạt động hiệu quả:

Chu trình lò

• Trong quá trình khởi động lò, chất làm mát được làm nóng đến nhiệt độ làm việc thì độ phản ứng giảm khoảng 4%

• Trong khi tăng công suất lò từ 0-100% thì độ phản ứng giảm 1,5%

• Khi Xe đạt giá trị bão hòa sau 50-70h, thì độ phản ứng giảm 2,5-3%

• Sm làm giảm thêm 0,6-0,7%

• Tổng cộng, độ phản ứng mất khoảng một nửa sau nửa tháng đầu hoạt động

• Sau đó, mỗi tháng ex giảm khoảng 1%

•  

Độ phản ứng vượt mức trong chu trình lò

• Khi ρ=0 thì công suất lò là hằng số

• Do đó, ρex phải giảm

• Công cụ để điều khiển độ phản ứng

1.Chất độc cháy được

2.Thanh điều khiển

3.Axit boric hòa tan trong chất làm mát

(B-10 có tiết diện hấp thụ cao σ=4000b)

Hồi tiếp độ phản ứng và điều khiển

• Ban đầu chất độc cháy được che viên nhiên liệu dự trữ

• Sau đó, chất độc tương tác với notron và bị tiêu hao dần Làm lộ ra viên nhiên liệu và nhiên liệu tham gia phản ứng

• Có tiết diện hấp thụ cao

• Không điều chỉnh được

• Có thể ảnh hưởng đến sự phân bố không gian mật độ năng lượng

• Chất độc phải phù hợp với nhiên liệu

• Có thể dùng boron, gadolinium

• Al pha B4C, borosilicate, gadolinium-oxide

Chất độc cháy được

• Là thiết bị di động

• Số lượng thanh điều khiển trong lò bị hạn chế vì lý do kỹ thuật

• Mục tiêu chính là điều khiển độ phản ứng và do đó điều khiển công suất lò

• Ảnh hưởng đến sự phân bố thông lượng notron

• Trong lò PWR, thanh điều khiển có dạng hình trụ với chiều cao giống nhau và thấp hơn lò phản ứng một chút

Thanh điều khiển

Các biện pháp khả thi cho thiết kế các nhóm thanh điều khiển trong lò PWR

Sản xuất thanh điều khiển trong lò PWR

Thanh điều khiển trong lò BWR

• Vi phân: giá trị độ phản ứng với 1cm thanh điều khiển

• Nó phụ thuộc vào thông lượng notron ở từng vị trí

• Tích phân: là tổng độ phản ứng của thanh điều khiển bên trong lò

• Tổng cộng: là giá trị độ phản ứng khi cho tất cả các thanh điều khiển vào

Giá trị độ phản ưng

• Độ hoà tan là 100g/kg nước làm mát

• Tối đa 40g/kg vì nhiều lý do khác

• Có thể làm tăng độ phản ứng vì ảnh hưởng của nhiệt độ

• Độ phản ứng thay đổi chậm hơn 15-500 lần so với thanh điều khiển

• Nồng độ axit boric đạt tới hạn có thể làm độ phản ứng giảm xuống 0

• Không gây ăn mòn hóa học , không gây kết tủa

Axit Boric

• Chu kỳ lò dài hơn

• Khoảng 1,5 năm thay vì 1 năm như trước

• Mật độ năng lượng cao hơn

• Nhiệt độ chất làm mát cao hơn

• Nồng độ axit boric không thể tăng để bù cho lượng độ phản ứng dư thừa ban đầu

• Do đó, phải sử dụng cả chất độc cháy được

Xu hướng thiết kế lò hiện nay

Detector trong và ngoài lõi lò dùng để kiểm tra, giám sát và điều khiển lò

• Đo lường các thông số vật lý là điều quan trọng trong hoạt động an toàn của lò

• Các thông số cần thiết phải đo đạc:

-Thông lượng notron ở các vị trí khác nhau ở bên trong và bên ngoài lò

-Đo nhiệt độ chất làm mát ở nhiều vị trí càng tốt

-Tốc độ dòng chất làm mát

-Áp suất chất làm mát

Các thông số đo đạc

Đo thông lượng notron với Detector bên ngoài lò

Sự khác nhau của thông lượng notron

ở các vùng khác nhau

Cấu tạo của buồng bù ion

• 1 phần nhạy với tia n+

• 1 phần chỉ nhạy với tia

Một vài loại detector

Vị trí của detector ngoài lò

• Ưu và nhược điểm:

Thông lượng đo được cao hơn nhiều so với detector bên ngoài lò

Môi trường khắc nhiệt

Nhưng ghi được bản đồ thông lượng trong lò

Hệ thống aeroball

Miniature fission chambers

• Được dùng để theo dõi mật độ thông lượng notron trong lò

• SPND là 1 nguồn, trong đó dòng điện được tạo ra do các hạt điện tích sinh ra khi notron trong lò tương tác với thành phần nhạy notron của SPND

• SPND bao gồm: emitter, collector, insulator, communication line

• Emitter dùng để thu góp các điện tích tại các phản ứng của notron

• Các hạt điện tích được tạo ra giữa emitter và collector

• Colector được nối đất

• Dòng điện đầu tiên phát ra dùng để đo đạc

• Điện áp tạo ra phụ thuộc vào điện trở tải

SPND=Self-powered Neutron Detector (detector tự hoạt động)

Cấu tạo của SPND

• Chịu được môi trường khắc nghiệt

• 36×7 SPND

• 210 cặp nhiệt điện ở trên đầu của viên nhiên liệu

• 6×2+6 cặp nhiệt kế + nhiệt kế điện trở

• Detector ngoài lò ghi tín hiệu

• Vị trí của tất cả các thanh điều khiển

• Trạng thái của các van, bơm…

• Nồng độ axit boric

• Tổng cộng: khoảng 700 analog +360 digital xử lý tín hiệu

Các phép đo trong WWER-400