luận văn tính toán và đánh giá các thông số vật lý của lò phản ứng hạt nhân AP 1000

Đây là Công nghệ lò phản ứng hạt nhân mới nhất của Mỹ sử dụng trên thế giới trong vận hành và điều khiển các Nhà máy điện hạt Nhân hàng đầu trên thế giới. Luận văn thạc sỹ kgoa học này rất bổ ích và cân thiết cho các học sinh, sinh viên chuyên ngành Vật lý hạt nhân, công nghệ hạt nhân, kỹ thuật hạt nhân, Điện hạt nhân, cho những ai đam mê về vật lý hoc, khoa học, Vật lý đại cương, ....và những nhà khoa học và các chuyên gia hạt nhân và Điện hạt nhân trong nước cũng như trên thế giới nghiên cứu tìm hiểu tham khảo để phục vụ cho lĩnh vực chuyên môn của mình cũng như công việc và niềm đam mê và yêu thích môn vật lý hạt nhân , cũng như lĩnh vực điện hạt nhân mới mẻ đang ngày càng phát triển trên thế giới...

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình học tập tại Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, tôi đã được sự giảng dạy tận tình của các thầy cô Ở đây tôi đã được bổ sung kiến thức và giúp tôi trưởng thành hơn trong học tập và nghiên cứu khoa học Cho tôi gửi lời biết ơn đến tất cả các thầy cô đã giảng dạy tôi trong suốt thời gian học tại trường

Đầu tiên, tôi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn Viện trưởng Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường – TS Trần Kim Tuấn đã định hình cho tôi lựa chọn đề tài và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Kế đến, tôi muốn gửi lời cảm ơn đến ThS Trần Thùy Dương và bạn Nguyễn Ngọc Hưng đã có những ý kiến đóng góp quý báu và nhiệt tình trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Tôi cũng chân thành cảm ơn tập thể các giảng viên, các cán bộ của Viện

Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường đã cung cấp cho tôi những tài liệu quan trọng giúp tôi có thể hoàn thành luận văn

Xin được phép gửi lời cảm ơn đến các thầy trong Hội đồng đã đọc, nhận xét và giúp tôi hoàn chỉnh luận văn

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè luôn ủng hộ, động viên giúp đỡ tôi trong suốt khóa học

LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn thạc sỹ khoa học: “ Tính toán và đánh giá các thông số vật lý của lò phản ứng hạt nhân AP-1000” được hoàn thành tại Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Đặng Công Khanh

MỤC LỤC

Trang

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC BẢNG 6

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 8

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG I : TRẠNG THÁI TỚI HẠN CHO LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 13

1.1 Trạng thái tới hạn của lò phản ứng 13

1.2 Phương trình thông lượng nơtrôn của lò phản ứng hạt nhân 15

CHƯƠNG II : CHƯƠNG TRÌNH MCNP 5.0 ỨNG DỤNG TRONG

TÍNH TOÁN TỚI HẠN 16

2.1 Cơ sở vật lý áp dụng của chương trình MCNP để tính toán hệ số

tới hạn trong lò 17

2.2 Các lệnh quan trọng MCNP 5.0 sử dụng trong quá trình mô phỏng

tới hạn lò phản ứng hạt nhân 20

2.3 Các câu lệnh MCNP cần thiết cho tính toán tới hạn, phân bố thông lượng, phân bố công suất trong lò phản ứng hạt nhân 24

2.4 Đánh giá về sai số của phương pháp Monte- Carlo trong MCNP 27

CHƯƠNG III : CẤU TRÚC VÙNG HOẠT LÒ PHẢN ỨNG AP-1000 VÀ CÁC BÀI TOÁN MÔ PHỎNG 30

3.1 Cấu trúc vùng hoạt của lò AP-1000 30

3.1.1 Giới thiệu về lò AP-1000 30

3.1.2 Hình dạng, cấu trúc và thành phần của vùng hoạt lò AP-1000 31

3.1.3 Các thông số vật lý mô phỏng lò AP-1000 45

3.2 Các bài toán mô phỏng để đưa ra kết quả tính toán cho lò AP-1000 52

3.2.1 Bài toán 1 56

3.2.2 Bài toán 2 57

3.3.3 Bài toán 3 61

CHƯƠNG IV : KẾT QUẢ TÍNH TOÁN, ĐÁNH GIÁ VÀ THẢO

LUẬN 64

4.1 Bài toán 1 64

4.2 Bài toán 2 71

4.3 Bài toán 3 78

CHƯƠNG V : KẾT LUẬN 102

TÀI LIỆU THAM KHẢO 104

PHỤ LỤC 106

Phụ lục : Chương trình tính toán keff cho một thanh nhiên liệu 106

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

k∞ Hệ số nhân nơtrôn ở môi trường vô hạn

keff Hệ số nhân hiệu dụng

L Chiều dài khuếch tán

m Khối lượng nơtrôn

 Tiết diện vận chuyển

Ф Thông lượng hạt (nơtrôn/cm2)

Các chữ viết tắt

AO Nhóm điều khiển AO

BOC Bắt đầu chu kỳ

EOC Kết thúc chu kỳ

FA Thanh Nhiên liệu

GRCA Thanh điều khiển loại GRCA

HEU Nhiên liệu Uranium độ làm giầu cao

IAEA Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế

IFBA Thanh chất độc có thể đốt toàn phần

ZircaloyTM Hợp kim Zirconium TM

LEU Nhiên liệu Uranium độ làm giầu thấp

MA Nhóm điều khiển loại A

MB Nhóm điều khiển loại B

MC Nhóm điều khiển loại C

MD Nhóm điều khiển loại D

M1 Nhóm điều khiển loại 1

M2 Nhóm điều khiển loại 2

MCNP Chương trình vận chuyển bức xạ dùng phương pháp Monte Carlo MTU Metric tấn của Uranium

MWd/t Mêga oát ngày trên tấn

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Các loại tally lấy ra 21

Bảng 3.1: Các thông số vật lý mô phỏng cho lò AP-1000 45

Bảng 3.2: Thành phần vật liệu của thanh nhiên liệu, thanh điều khiển,

nguồn phát 51

Bảng 3.3: Khối lượng riêng của các vật liệu ở 308 oC và 15,5 Mpa 52

Bảng 3.4: Vật liệu mô phỏng trong bó theo mầu 58

Bảng 3.5: Vật liệu mô phỏng trong lò AP-1000 63

Bảng 4.1: Kết quả bài toán 1 với một thanh nhiên liệu vô hạn theo độ

làm giầu 65

Bảng 4.2: Kết quả bài toán 1 với một thanh nhiên liệu hữu hạn theo độ

làm giầu 68

Bảng 4.3: Kết quả bài toán 2 với một bó nhiên liệu vô hạn theo độ làm

giầu 72

Bảng 4.4: Kết quả bài toán 2 với một bó nhiên liệu hữu hạn theo độ làm

giầu 74

Bảng 4.5: Kết quả keff khi bố trí nhiên liệu giống vùng 1 như hình 3.21

điền đầy lò với độ làm giầu khác nhau 81

Bảng 4.6: Kết quả keff khi bố trí nhiên liệu giống vùng 2 như hình 3.22

điền đầy lò với độ làm giầu khác nhau 82

Bảng 4.7: Kết quả keff khi bố trí nhiên liệu giống vùng 3 như hình 3.23

điền đầy lò với độ làm giầu khác nhau 83

Bảng 4.8: Kết quả vùng hoạt với toàn bộ lò được điền đầy bởi 3 vùng

nhiên liệu 87

Bảng 4.9: Giá trị keff so sánh với dữ liệu điều khiển thiết kế và chương

trình tính Scale 88

Bảng 4.10: Thông lượng tương đối nơtrôn dọc theo chiều cao vùng hoạt

AP-1000 với 1 nguồn nơtrôn 90 Bảng 4.11: Thông lượng tương đối nơtrôn dọc theo chiều cao vùng hoạt AP-1000 với 2 nguồn nơtrôn 92 Bảng 4.12: Sự thay đổi nồng độ Boron hòa tan với keff và độ phản ứng 94 Bảng 4.13: So sánh keff giữa dữ liệu điều khiển thiết kế và chương trình MCNP 5.0 với cùng nồng độ boron hòa tan đưa vào 95 Bảng 4.14: Giá trị keff khi rút nhóm các thanh điều khiển theo chiều cao với nồng độ boron hòa tan 1574 ppm đưa vào 97

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 3.1: Mô hình cấu trúc mặt cắt dọc thanh nhiên liệu AP-1000 32

Hình 3.2: Ma trận các thanh nhiên liệu và thanh điều khiển trong bó

nhiên liệu 33

Hình 3.3: Hình ảnh chi tiết bó thanh điều khiển loại RCCA 34

Hình 3.4: Hình ảnh chi tiết một thanh điều khiển 35

Hình 3.5: Mặt cắt A-A và chi tiết bó thanh điều khiển hấp thụ mầu xám GRCA 36

Hình 3.6: Cấu tạo bó thanh chất độc cháy một phần 37

Hình 3.7: Cấu tạo bó thanh chất độc cháy toàn phần (IFBA) 38

Hình 3.8: Cấu tạo bó nguồn chính 39

Hình 3.9: Cấu tạo bó nguồn thứ cấp 40

Hình 3.10: Mô hình sắp xếp 24, 9, 12 thanh Pyrex Rods trong một bó

nhiên liệu 41

Hình 3.11: Mô hình sắp xếp 28, 44, 72 và 112 thanh IFBA trong một bó

nhiên liệu 42

Hình 3.12: Mô hình sắp xếp 88 thanh chất độc IFBA trong một bó nhiên

liệu 42

Hình 3.13: Mô hình sắp xếp các bó nhiên liệu trong vùng hoạt theo độ

làm giầu 43

Hình 3.14: Mô hình sắp xếp các bó nhiên liệu điều khiển, bó chất độc và

bó nguồn 44

Hình 3.15: Mặt cắt chi tiết của thùng lò AP-1000 45

Hình 3.16: Phân bố độ làm giầu nhiên liệu trong vùng hoạt 54

Hình 3.17: Mô phỏng vị trí của các nhóm điều khiển loại RCCA và loại GRCA 55

Hình 3.18: Mô hình mặt cắt ngang và dọc của thanh nhiên liệu UO2 57

Hình 3.19: Mô hình mặt cắt ngang và dọc của bó chứa các thanh nhiên liệu UO2 58 Hình 3.20: Hình phóng to mặt cắt dọc và ngang của bó thanh nhiên liệu

UO2 59 Hình 3.21: Vùng nhiên liệu 1 với độ làm giầu 2,35% gồm các bó (UO2 và

bó 88I ) giầu 2,35% 59 Hình 3.22: Vùng nhiên liệu 2 với độ làm giầu 3,4% gồm các bó((23P-28I)

và (24P - 28I) và (24P - 44I) và (24P - 88I) và UO2) giầu 3,4% 60 Hình 3.23: Vùng nhiên liệu 3 với độ làm giầu 4,45% gồm các bó (112I và (9P - 88I) và (12P - 88I) và (24P - 72I) và UO2) giầu 4,45% 61 Hình 3.24: Mô hình mặt cắt ngang và dọc của vùng hoạt của lò AP-1000 với một loại nhiên liệu làm giầu 62 Hình 3.25: Hình phóng to mặt cắt ngang của các bó thanh nhiên liệu UO2

trong vùng hoạt lò AP-1000 62 Hình 3.26: Mặt cắt ngang và dọc của vùng hoạt lò AP-1000 với đầy đủ 3 vùng làm giầu 2,35% ; 3,4% và 4,45% 63 Hình 4.1: Sự tương quan keff,ρvà độ làm giầu của thanh nhiên liệu vô hạn 67 Hình 4.2: Sự tương quan keff, ρvà độ làm giầu của thanh nhiên liệu hữu hạn 70 Hình 4.3: Sự tương quan keff, ρvà độ làm giầu của bó nhiên liệu vô hạn 73 Hình 4.4: Sự tương quan keff, ρvà độ làm giầu của bó nhiên liệu hữu hạn 77 Hình 4.5: Tương quan sản phẩm đồng vị và nhiên liệu cháy trong lò AP-1000 80 Hình 4.6: Sự tương quan keff, ρvà độ làm giầu sắp xếp giống vùng 1 trong

lò AP-1000 84

lò AP-1000 86

Hình 4.9: Sự tương quan giữa độ cao vùng hoạt và thông lượng nơtrôn

trong lò AP-1000 với một nguồn nơtrôn 89

Hình 4.10: Sự tương quan giữa độ cao vùng hoạt và thông lượng nơtrôn

trong lò AP-1000 với hai nguồn nơtrôn 91

Hình 4.11: Sự tương quan nồng độ boron hòa tan và keff,ρtrong vùng hoạt

lò AP-1000 96

Hình 4.12: Sự thay đổi của keff theo chiều cao của các nhóm các thanh

điều khiển 98

Hình 4.13: Sự phân bố tỉ số công suất của ½ bó nhiên liệu của lò

AP-1000 99

Hình 4.14: Sự phân bố tỉ số công suất của 1/8 vùng hoạt của lò AP-1000… 100

Hình 4.15: Sự phân bố tỉ số công suất vùng hoạt lò AP-1000 100

MỞ ĐẦU

Cùng với xu thế vận động và phát triển không ngừng của Khoa học và Công nghệ hiện đại ngày nay nói chung, thì ngành Kỹ thuật Hạt nhân cũng không ngừng phát triển Sự phát triển này đang dần đáp ứng được nhu cầu năng lượng ngày một tăng cao trong xã hội Theo các số liệu thống kê, khoảng vài triệu năm trước chỉ khoảng 2000 kcal/ngày năng lượng được tiêu thụ nhưng sau cuộc cách mạng công nghiệp vào thế kỷ 19 được tiến hành thì nhu cầu về năng lượng đã tăng nhanh chóng Theo các nhà khoa học dự đoán lượng dầu hỏa chỉ còn sử dụng được 42 năm, lượng than đá đủ trong 122 năm tới, và khoảng 60 năm nữa thì các loại năng lượng do khí đốt tự nhiên cũng cạn kiệt Và câu hỏi đặt ra ở đây liệu 100 năm nữa thì nhiên liệu sử dụng để thỏa mãn nhu cầu năng lượng sẽ ra sao Như chúng ta đã biết, sau cuộc chiến tranh thế giới lần thứ hai thì những nước sở hữu vũ khí hạt nhân thấy rằng năng lượng do hạt nhân đem lại là vô cùng lớn Chính vì thế các nước này đã chuyển đổi dần năng lượng hạt nhân vì mục đích quân sự sang mục đích dân

sự Do vậy điện hạt nhân được lựa chọn và ứng dụng thành công từ những năm 50 của thế kỷ 20

Theo xu thế chung của thế giới đến nay nước ta đã bắt đầu tiến trình xây dựng nhà máy điện hạt nhân Đến năm 2014, tại tỉnh Ninh Thuận, Nga

và Nhật sẽ giúp đỡ Việt Nam khởi công xây dựng hai nhà máy điện hạt nhân đầu tiên Do vậy vấn đề nhân lực về điện hạt nhân cần được đào tạo bài bản, quy củ và có tính kế thừa trong giai đoạn này Tuy ở nước ta lò nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt với công suất nhiệt 0,5 MW đã được tính toán và đưa vào

cứu và tính toán nhưng chưa có nhiều kinh nghiệm thực tế về nó Theo số liệu thống kê thì các lò nước áp lực đại diện cho gần 76% các lò nước nhẹ trên thế giới, và 67% lò nước áp lực trên thế giới làm việc dựa trên công nghệ thiết kế

lò áp lực của Công ty Điện lực Westinghouse [1,12] Đề tài này được lựa chọn với mục đích vì lò phản ứng hạt nhân AP-1000 có thể được cung cấp cho Việt Nam Lò AP-1000 là một lò nước áp lực hiện đại với năng lượng nhiệt 3400MW và năng lượng điện 1115MW được thiết kế nâng cấp từ lò AP-600 của Công ty Điện lực Westinghouse Điểm ưu việt hơn của nó hơn so với các lò khác là: có hệ thống an toàn thụ động được đơn giản hóa, cụ thể như hệ thống cấp nước thụ động Vì vậy bản luận văn này nghiên cứu cơ bản

về cách tính toán các thông số hạt nhân trong lõi lò, mà tiêu biểu ở đây là lò AP-1000 để chuẩn bị kiến thức phát triển cho khoa học điện hạt nhân sau này Với mục đích nêu trên, luận văn này được thực hiện nhằm nghiên cứu tính toán, đưa ra các đánh giá về các thông số hạt nhân trong lò phản ứng AP-

1000 bằng cách sử dụng chương trình tính toán mô phỏng MCNP 5.0

Bố cục của luận văn ngoài phần mở đầu và kết luận gồm có 4 chương:

 Chương I: Giới thiệu về trạng thái tới hạn và phương trình thông lượng nơtrôn của lò phản ứng hạt nhân

 Chương II: Giới thiệu chương trình MCNP 5.0 ứng dụng trong tính toán tới hạn trong lò

 Chương III: Cấu trúc vùng hoạt lò phản ứng AP-1000 và các bài toán

mô phỏng cho lò AP-1000

 Chương IV: Kết quả tính toán, đánh giá và thảo luận

Nội dung của các chương sẽ được trình bày trong các phần sau

CHƯƠNG I TRẠNG THÁI TỚI HẠN CHO LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

1.1 Trạng thái tới hạn của lò phản ứng

Do tiết diện phân hạch của nơtrôn nhiệt lớn hơn hàng trăm lần so với

nơtrôn nhanh nên người ta thường cấu tạo môi trường nhân nơtrôn có nhiều chất làm chậm để làm chậm nơtrôn đến năng lượng nhiệt [2, 4, 7] Môi trường này chính là vùng hoạt của lò phản ứng nơtrôn nhiệt, với lò sử dụng nhiên

liệu 235U, với nhiên liệu này ngoài đồng vị 235U thường có mặt thêm đồng vị

238

U

Khả năng nhân nơtrôn của lò phản ứng hạt nhân được đặc trưng bởi hệ

số nhân được định nghĩa như sau:

i+1

i

nkn

 (1.1)

với ni là số nơtrôn sinh ra trong thế hệ thứ i, ni+1 là số nơtrôn sinh ra trong thế

hệ sau đó Từ hệ số nhân ba đại lượng sau được sử dụng:

a Độ dư của hệ số nhân hiệu dụng δk

b Độ phản ứng

Độ phản ứng được định nghĩa như sau:

i+1 i

n1

dự trữ ρdự trữ là khả năng dự trữ nhiên liệu của lò phản ứng Thường thì vùng hoạt có hệ số nhân kdự trữ khá lớn hơn 1 và khi cho lò hoạt động đưa các thanh hấp thụ vào vùng hoạt để giảm hệ số nhân hiệu dụng đến 1 Độ phản ứng dự trữ được xác định kdự trữ khi đưa hết các thanh hấp thụ ra ngoài vùng hoạt Do

kdự trữ lớn nên Δk lớn dẫn đến ρdự trữ cũng khá lớn

c Công thức tính hệ số nhân

Đối với lò nhiệt có kích thước vô hạn thì hệ số nhân được tính như sau:

k ηεpf (1.5) trong đó η là số nơtrôn phân hạch sinh ra khi hạt nhân uran hấp thụ 1 nơtrôn nhiệt, ε là hệ số phân hạch nhanh (lượng nơtrôn nhanh sinh ra khi tính sự phân hạch 238U do nơtrôn nhanh), p là xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng (phần nơtrôn nhanh được làm chậm đến nơtrôn nhiệt và không bị hấpthụ trong miền năng lượng cộng hưởng), f là hệ số sử dụng nhiệt (phần nơtrôn nhiệt được uran hấp thụ so với số nơtrôn nhiệt bị toàn bộ vật liệu trong vùng hoạt hấp thụ)

Đối với vùng hoạt của lò phản ứng có kích thước hữu hạn, ta cần quan tâm đến hệ số nhân hiệu dụng vì sự phát triển của phản ứng dây chuyền phụ thuộc vào hệ số nhân hiệu dụng keff

keff=k∞.P (1.6) với P<1 là xác suất tránh rò nơtrôn khỏi môi trường hữu hạn

Đối với lò nhiệt có kích thước giới hạn thì có hiện tượng rò nơtrôn nhanh trong quá trình làm chậm và nơtrôn nhiệt do quá trình khuếch tán Do

đó hệ số nhân trở thành:

keff=k∞.PτPL (1.7) trong đó Pτ là xác suất tránh rò nơtrôn nhanh trong quá trình làm chậm, PL là xác suất tránh rò nơtrôn nhiệt do quá trình khuếch tán

Điều kiện để phản ứng dây chuyền được duy trì là hệ số nhân hiệu dụng phải bằng 1 (keff = 1) Khi đó vùng hoạt ở trạng thái tới hạn, còn khối lượng vật liệu phân hạch và kích thước vùng hoạt tương ứng ở trạng thái tới hạn gọi

là khối lượng tới hạn và kích thước tới hạn Khi hệ số nhân hiệu dụng keff <1 vùng hoạt ở trạng thái dưới tới hạn, khi đó phản ứng dây chuyền tự tắt Khi hệ

số nhân hiệu dụng keff >1 vùng hoạt ở trạng thái trên tới hạn, phản ứng dây chuyền phát triển mạnh, gây ra tăng công suất lò, tăng số nơtrôn được sinh ra

1.2 Phương trình thông lượng nơtrôn của lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân khi hoạt động phải giữ ở trạng thái tới hạn Khi thiết kế tới hạn cho lò, người ta phải đánh giá tới hệ số nhân keff Khi lò ở trạng thái tới hạn thì số lượng nơtrôn mất đi trên một đơn vị thể tích bằng số lượng nơtrôn sinh ra ở phản ứng phân hạch:

2 f

a eff

CHƯƠNG II CHƯƠNG TRÌNH MCNP 5.0 ỨNG DỤNG TRONG TÍNH TOÁN TỚI

HẠN

Để giải quyết bài toán vận chuyển hạt nơtrôn trong lò phản ứng có hai phương pháp cơ bản được đưa ra [5, 6, 10] Đó là phương pháp tính toán tất định và phương pháp tính toán ngẫu nhiên Phương pháp tất định là thiết lập

và giải phương trình vận chuyển nơtrôn dưới dạng phương trình Boltzmann, phương pháp này chỉ dùng với một số bài toán đơn giản, với bài toán thực tế trong lò gặp rất nhiều khó khăn Phương pháp tính toán ngẫu nhiên hay chính

là phương pháp Monte-Carlo là phương pháp tiếp cận vấn đề vận chuyển hạt

ở cấp độ từng hạt nơtrôn Đây là một phương pháp số giải bài toán bằng việc

mô phỏng các đại lượng ngẫu nhiên, sử dụng loạt các giá trị lựa chọn của các đại lượng ngẫu nhiên từ các phân bố khác nhau với mật độ cho trước Phương

pháp Monte-Carlo không giải phương trình vận chuyển hạt một cách tường

minh mà nhận các kết quả bằng mô phỏng các hạt riêng rẽ và ghi lại một số tương tác của hạt theo tính chất ngẫu nhiên của tương tác hạt với hạt nhân có xác suất tương tác đã biết Khi các hạt nơtrôn được gieo ngẫu nhiên tại một vị trí, theo một hướng phát, năng lượng bất kỳ…sau đó mô phỏng tương tác các hạt nơtrôn khi chúng đi qua môi trường vật chất Với phương pháp này không cần phải giải phương trình mà vẫn có được bức tranh toàn cảnh về nơtrôn trong lò từ lúc sinh ra đến khi mất đi do bị hấp thụ hay thoát khỏi môi trường vật chất Trạng thái trung bình của các hạt trong hệ vật lý khi đó được rút ra

từ trạng thái trung bình của các hạt mô phỏng theo các định luật thống kê Phương pháp Monte- Carlo rất thích hợp để giải các bài toán phức tạp

ba chiều Độ chính xác của phương pháp Monte Carlo được xác định bởi số các nơtrôn được kiểm nghiệm Thường số nơtrôn kiểm nghiệm càng lớn, độ chính xác của kết quả tính toán càng cao

Chương trình MCNP (Monte-Carlo N- Particle Code) là chương trình

mô phỏng vận chuyển bức xạ đa năng dựa trên phương pháp Monte- Carlo, được xây dựng ở phòng thí nghiệm Los Almos của Mỹ và phát triển từ năm

1963 đến nay [3, 7, 10, 11] Đây là chương trình lớn, một công cụ tính toán mạnh MCNP xử lý cấu hình các vật liệu ba chiều tùy ý trong các khối hình học được giới hạn bởi các mặt bậc nhất bậc hai và một số mặt bậc bốn Chương trình có thể sử dụng để mô phỏng vận chuyển các hạt nơtrôn, photon, hay electron riêng rẽ hoặc kết hợp các loại hạt với nhau Năng lượng nơtrôn

từ 10-11 MeV đến 20 MeV đối với tất cả các loại đồng vị và tới 150 MeV đối với một số loại đồng vị đặc biệt Năng lượng của photon từ 1 keV tới 100 GeV, còn đối với electron thì năng lượng từ 1 keV đến 1 GeV Đồng thời MCNP còn được sử dụng để tính toán tới hạn ở trạng thái ban đầu của lò phản ứng hạt nhân đối với nơtrôn phân hạch trong lò

2.1 Cơ sở vật lý áp dụng của chương trình MCNP để tính toán hệ số tới hạn trong lò

Để tính toán hệ số tới hạn trong lò phản ứng thì cần giải quyết tốt vấn

đề vận chuyển hạt nơtrôn được gieo ngẫu nhiên theo vị trí, hướng phát, năng lượng …có trong vùng hoạt lò phản ứng [3, 5, 6, 10, 11] Do vậy hướng tiếp cận là sử dụng phương pháp Monte- Carlo kết hợp khả năng của máy tính sử dụng chương trình MCNP để thực hiện mô phỏng các tương tác của nơtrôn khi chúng đi qua môi trường vật chất, tương tác với các loại vật liệu chứa trong vùng hoạt của lò có hình học xác định, nên ta có thể lấy kết quả vật lý tại từng vị trí cụ thể trong lò Các kết quả thu được bằng mô phỏng sẽ được ghi nhận dưới dạng ý nghĩa xác suất mà hạt nơtrôn đi qua vị trí nào đó trong không gian và tham gia phản ứng nào đó Từ những giá trị xác suất này sẽ đưa

Trong bài toán tính toán tới hạn để mô phỏng một quá trình vận chuyển nơtrôn cần phải biết số nơtrôn trong một thế hệ đầu tiên, vị trí phát ra ban đầu Giả thiết rằng trong bài toán tính toán tới hạn có N hạt nơtrôn được gieo vào

để thực hiện tính toán Các lịch sử về các quá trình vật lý xảy ra với nơtrôn này được được ghi lại để làm số liệu xác định keff Ở vòng đầu tiên, nơtrôn được phát từ nguồn được chỉ ra trong thẻ SDEF hoặc thẻ KSRC hoặc thẻ SRCTP Ban đầu thì các nơtrôn được phát đẳng hướng Đến các vòng tính keffthì các nguồn nơtrôn được sử dụng từ dữ liệu các điểm phân hạch của vòng chạy trước Đặc biệt là số hạt gieo ở mỗi vòng vẫn không đổi là N hạt Việc

mô phỏng quá trình vận chuyển của các hạt nơtrôn được thực hiện dựa trên các bước ngẫu nhiên Chương trình MCNP sẽ thực hiện 4 bước đánh giá trong quá trình vận chuyển nơtrôn xảy ra tương tác với vật chất tại mỗi điểm va chạm cụ thể như sau:

Bước 1: Đánh giá thời gian sống tức thời của nơtrôn theo 3 phương pháp sau:

● Phương pháp đánh giá thông qua va chạm, phương pháp này sử dụng các giá trị thời điểm xảy ra các va chạm của nơtrôn từ lúc sinh ra để tính được thời gian sống của nơtrôn ở tại thời điểm va chạm đó

● Phương pháp đánh giá thông qua sự hấp thụ, phương pháp này quan tâm đến thời gian nơtrôn bị bắt hoặc thoát ra ngoài để tính được thời gian sống của nơtrôn ở tại thời điểm va chạm đó

● Phương pháp đánh giá thông qua chiều dài quãng chạy của nơtrôn, phương pháp này sử dụng chiều dài quãng chạy của nơtrôn trong vật liệu để tính được thời gian sống của nơtrôn tại thời điểm va chạm đó

Bước 2: Nếu phân hạch có khả năng xảy ra thì MCNP tiếp tục đánh giá keff

theo 3 phương pháp đánh giá thông qua: va chạm, hấp thụ, chiều dài hấp thụ

Bước 3: Nếu phân hạch có khả năng xảy ra với vị trí phân hạch nơtrôn là khác không thì MCNP lưu lại các vị trí này và sử dụng như nguồn phân hạch trong vòng kế tiếp Số vị trí phân hạch sẽ được tính như sau:

υ là số nơtrôn trung bình sinh ra trên một phân hạch;

σf là tiết diện phân hạch vi mô;

σt là tiết diện tương tác tổng cộng;

keff là giá trị hệ số nhân hiệu dụng đánh giá từ vòng trước;

M=∑n là tổng số điểm nguồn phân hạch được sử dụng cho vòng kế tiếp Bước 4: Các vị trí phân hạch được ghi nhận và tổng hợp lại để sử dụng làm

dữ liệu nguồn phát nơtrôn trong vòng sau Số điểm nguồn phát M có thể thay đổi theo mỗi vòng tuy nhiên số hạt nơtrôn phát ra trong mỗi vòng vẫn không đổi là N

Do tệp tin đầu vào của chương trình MCNP có khả năng mô tả yếu tố

hình học nên việc mô phỏng vùng hoạt lò phản ứng trở nên dễ dàng hơn, điểm mạnh nữa trong chương trình MCNP có khả năng mô tả được vật liệu cấu thành các phần của các thanh nhiên liệu, thanh hấp thụ, thanh điều khiển, môi trường chất làm chậm…và nguồn có trong vùng hoạt được mô phỏng thông qua các thẻ ô, các thẻ bề mặt và các thẻ dữ liệu

Để mô phỏng quá trình vận chuyển và phân hạch gây bởi các hạt nơtrôn trong môi trường vật liệu có khả năng phân hạch, thì cần sử dụng lệnh MODE N trong chương trình MCNP và kết hợp với phương pháp Monte-

Ngoài ra, thông qua lệnh tính toán tới hạn được nhập trong thẻ Kcode

và lệnh kết quả lấy ra được nhập trong thẻ Tally…có trong chương trình MCNP nên việc nghiên cứu và tính toán hệ số nhân hiệu dụng, phân bố xác suất thông lượng, phân bố nơtrơn, phân bố công suất…sẽ dễ dàng và thuận tiện hơn Quá trình mô phỏng để tính toán tới hạn mục đích là xác định giá trị

hệ số nhân hiệu dụng (keff) Hệ số nhân hiệu dụng là tỉ số giữa số nơtrôn ở thế

hệ sau so với số nơtrôn ở thế hệ ngay trước đó Một thế hệ nơtrôn được tính bằng thời gian sống của nơtrôn từ lúc sinh ra đến khi mất đi do bị hấp thụ, phân hạch hoặc thoát ra ngoài Công thức tính hệ số nhân hiệu dụng như sau:

eff i+1

i

nk

n

 (2.1)

với ni là số nơtrôn ở thế hệ thứ i; ni+1 là số nơtrôn ở thế hệ thứ (i+1)

Mặc dù vậy, nhưng vẫn phải cần một số thông số khác thì chương trình MCNP mới mô phỏng đầy đủ quá trình để có kết quả có độ tin cậy Để

có được thông tin cơ bản về chương trình tính toán tới hạn trong MCNP thì cần sử dụng thẻ Kcode và thẻ Tally và được chi tiết trong mục 2.2.3

2.2 Các lệnh quan trọng MCNP 5.0 sử dụng trong quá trình mô phỏng tới hạn lò phản ứng hạt nhân [3, 6, 11]

a Thẻ Tally (Tally card):

Cho phép lấy ra kết quả của quá trình tính toán, gồm các số liệu tính toán như: dòng hạt, thông lượng hạt, phân bố năng lượng, liều hấp thụ, năng lượng tích lũy trong vật liệu, năng lượng phân hạch, liều bức xạ…Các kết quả này được chuẩn hóa cho từng hạt Có 7 loại thẻ tally chuẩn (bảng 2.1) được sử dụng cho các loại bức xạ như sau: 7 loại cho nơtrôn, 6 loại cho photon, 4 loại cho electron Những dòng lệnh này không đòi hỏi nhất thiết trong dữ liệu đầu vào (input file), nhưng nếu chúng không được cung cấp thì sẽ không có các đánh giá được in ra khi bài toán chạy Khi tính toán tới hạn kcode, tally chuẩn

được lấy theo từng thế hệ nơtrôn phân hạch Thành phần đóng góp vào tally gồm có nguồn, các sự kiện va chạm ngẫu nhiên

Bảng 2.1: Các loại tally lấy ra

của Fn

Đơn vị của *Fn F1: N(P,E) Dòng tổng cộng trên mặt hạt MeV F2: N(P,E) Thông lượng trung bình trên mặt hạt/cm2 MeV/cm2 F4: N(P,E) Thông lượng trung bình trên ô mạng

F8:P(E, (P,E)) Phân bố năng lượng của xung ra ghi

trên Detector hay trong đầu dò

F8:E Điện tích được tích lũy trong

Detector

Culong C/cm3

* Lệnh đánh giá thông lượng mặt và ô mạng

Đánh giá này dùng cho F1, F2, F4, F6 hoặc F7

Cấu trúc lệnh:

Fn:pl S 1 …S i

trong đó

hoặc F7 là ô mạng sử dụng cho các cell còn đối với F1, F2 là mặt ngoài cell) Cần lưu ý là tally F2 luôn đòi hỏi phải có tổng diện tích mặt bao ngoài một cell chứ không phải một mặt nào đó, để lấy một phần của mặt cần dùng thêm thẻ FSn và SDn Những cell hoặc mặt được đặt trong ngoặc nghĩa là tally được lấy cho tổ hợp cell và mặt đó Ký hiệu T có thể được đặt sau cùng của cấu trúc lệnh và nó cho phép lấy tổng cộng kết quả trong các bin lấy tally

* Lệnh đánh giá thông lượng detector điểm hay đầu dò (F5)

● Cấu trúc lệnh cho detector có dạng điểm:

Fn:pl X Y Z R o

trong đó:

n là số tally kết thúc bằng 5;

pl là hạt nơtrôn hoặc hạt photon;

X Y Z là tọa độ của đầu dò của detector điểm;

R o là bán kính hình cầu bao quanh đầu dò điểm, với +Ro thì bán kính đơn vị

là centimet, -Ro thì bán kính đơn vị là quãng chạy tự do trung bình

● Cấu trúc lệnh cho detector có dạng nhẫn:

Fna:pl a 0 r R 0

n là số tally kết thúc bằng 5;

a là X hoặc Y hoặc Z;

pl là nơtrôn hoặc photon;

a 0 là khoảng cách dọc trục a nêu trên mà detector được đặt gần đó;

r là bán kính hình nhẫn [cm];

R 0 là bán kính cầu xung quanh một điểm trên Detector [cm]

Tally F5 cho phép lấy kết quả trên nhiều detector một lúc

* Lệnh đánh giá độ cao xung (F8)

Cấu trúc lệnh:

Fn8:q k

En8: j 1 j 2 j 3 …j m

trong đó

n8 là số tally ;

q là loại bức xạ n, p hoặc e ;

k là cell được khai báo làm đầu dò ;

j 1 j 2 j 3 j m là các giá trị năng lượng cần đánh giá độ cao xung

Tally F8 dùng để đánh giá độ cao của xung ứng với các mức năng lượng của xung khác nhau được hình thành trong đầu dò

* Các tally cho mặt, cell trong vấn đề hình học lặp và hình học lưới

Cấu trúc lệnh đơn giản:

Fn:pl S 1 … S i

Cấu trúc lệnh tổng quát:

Fn:pl S 1 (S 2 …S 3 ) ((S 4 S 5 )<(C 1 C 2 [I 1 …I 2 ])< (C 3 C 4 C 5 ))…

n : số chỉ loại tally ;

pl: N hoặc P hoặc N,P hoặc E;

Si: Các mặt lấy tally hoặc cell hoặc U= # hoặc T;

Ci: Số của cell được điền vào U hoặc U= #;

Ii: Chỉ số của phần tử lưới

b Các tùy biến cho tally

* Thẻ En

Thẻ En xác định các khoảng năng lượng cần lấy kết quả của tally Fn

tương ứng Cấu trúc của thẻ En:

En E 1 … E i

n: Số chỉ loại tally;

Đơn vị của Ei là MeV

Các Ei là biên năng lượng chặn trên của khoảng năng lượng thứ i Nếu

hợp khi cả E0 và En cùng xuất hiện thì khai báo trong thẻ En được ưu tiên sử dụng cho Fn tương ứng Trong khai báo En, thứ tự được sắp xếp tăng dần từ

E1 đến Ei Nếu Ei cuối cùng có năng lượng lớn hơn năng lượng Emax đã được chỉ ra trong thẻ PHYS thì Ei sẽ được hạ xuống thành Emax Thẻ En phải có khi thẻ EMn được sử dụng

2.3 Các câu lệnh MCNP cần thiết cho tính toán tới hạn, phân bố thông lượng, phân bố công suất trong lò phản ứng hạt nhân [3, 6]

a Lệnh tính toán tới hạn

* Lệnh kcode

kcode là tên thẻ để tính toán tới hạn;

Cú pháp của lệnh như sau:

kcode nsrck rkk ikz kct msrk knrm mrkp kc8

trong đó

nsrck là số nơtrôn cho mỗi chu kỳ;

rkk là dự đoán ban đầu cho keff;

ikz là số chu kì được bỏ qua trước khi bắt đầu tính toán tally;

kct là tổng số chu kì mà chương trình thực hiện;

msrk là số lượng nguồn điểm được đặt vào tính toán;

knrm là đơn giản hóa tally với 0 là khối lượng, 1 là lịch sử;

mrkp là số lượng lớn nhất của lượng chu kỳ cho Runtpe và MCTAL;

kc8 là tóm lược và đưa ra thông tin trung bình 0 là tất cả chu kỳ; 1 là chu kỳ

Ví dụ:

Ksrc 0 0 0 nghĩa là nguồn nơtrôn đặt tại gốc tọa độ

Ngoài cách khai báo nguồn dùng thẻ Ksrc, thì thẻ Sdef cũng được dùng để

khai báo nguồn

Cách khai báo thẻ Sdef dạng đơn giản như sau:

Sdef pos cel erg wgt tme par

Trong đó

pos là vị trí điểm đặt nguồn, mặc định là 0 0 0;

cel là cell chứa nguồn;

erg là năng lượng của nguồn nơtrôn, mặc định là 14 MeV;

wgt là trọng số hạt, mặc định bằng 1;

tme là thời gian bắt đầu phát, mặc định bằng 0;

par chỉ loại hạt bức xạ hạt phát ra, với nơtrôn thì par = 1, mặc định là nơtrôn

c Lệnh mô phỏng không gian (universe)

Mỗi Universe có thể là một lưới (lattice) hoặc một nhóm các khối (cell) thông thường Một số khác 0 được đặt vào thẻ Universe chính là tên của không gian chứa các cell đó Nếu không có lệnh Universe hoặc U=0 thì các cell đó sẽ không thuộc bất kỳ không gian nào Các cell thuộc một không gian

có thể là hữu hạn hoặc vô hạn tùy ý nhưng chúng phải được điền đầy trong các cell mà được điền vào trong không gian Universe tương ứng

Mỗi liên hệ giữa cell được điền đầy (filled cell) và không gian đang điền đầy (filling universe) là các cell được hiểu như ”một cửa sổ” đặt trên một bức tường cung cấp cho ta tầm nhìn ra ngoài không gian Các cửa sổ này như một tầng thứ hai (second level) của một cell khác trong không gian điền đầy Chúng ta thường dùng kết hợp với các lệnh cấu trúc khác như fill hay lattice

nhiên liệu của lò AP-1000 Các thanh nhiên liệu được điền đầy trong ma trận

bó nhiên liệu; đồng thời, các bó nhiên liệu được được điền đầy trong ma trận không gian tâm lò

d Lệnh phân lưới (Lattice)

Lat=1 được định nghĩa là mắt lưới được tạo thành mặt lập phương, là hình khối với sáu mặt Lat=2 được định nghĩa là mắt lưới được tạo thành mặt lục lăng, là hình khối với tám mặt

Khi ta đặt một số khác 0 vào thẻ Lat nghĩa là các cell được bắt đầu khai báo vào trong lưới được bắt đầu từ thành phần ở vị trí (0,0,0) của lưới rồi trực tiếp tỏa ra xung quanh theo ma trận cần điền đầy Lệnh Lat thường được sử dụng cùng với lệnh fill hoặc Universe

e Lệnh điền đầy (fill)

Một số khác 0 đưa vào lệnh fill tượng trưng cho tên của không gian (universe) được điền đầy tương ứng với các cell Các số thẻ không gian giống nhau đồng nhất hóa các cell được điền đầy trong không gian Lệnh fill đưa vào có thể sử dụng tùy ý được quy định theo: Dấu ngoặc đơn cũng như sự biến đổi loại không gian hay biến đổi tại chính bản thân không gian đó Sự biến đổi có thể là giữa trục tọa độ của cell được điền đầy hay không gian điền đầy với không gian được đề cập tới trong hệ tọa độ phụ trợ

Lệnh *fill có thể sử dụng nếu ma trận vào quay một góc lệch theo đơn

vị độ cũng như Cosin Trong một file input, chúng ta không thể khai báo cả hai lệnh fill và *fill cùng lúc mà phải chia chúng ra thành các dữ liệu đầu vào (file input) khác nhau

Một mảng ma trận cho một cell được điền đầy bởi các ô lưới trong không gian ba chiều của hệ trục tọa độ Ta có thể khai báo trong lệnh fill để tạo ra các mảng hay ma trận điền đầy trong toàn không gian của một cell

2.4 Đánh giá về sai số của phương pháp Monte- Carlo trong MCNP

Sai số trong chương trình MCNP phụ thuộc vào quá trình đóng góp của

số hạt gieo Kết quả của chương trình MCNP nhận được từ các ngẫu nhiên trên đường đi và định số xi ( là năng lượng mất mát được cho bởi ngẫu nhiên thứ i) Giả sử hàm f(x) là số lịch sử hạt hàm mật độ xác suất được chọn ngẫu nhiên, x là biến ngẫu nhiên độc lập Ta có giá trị kỳ vọng E(x):

E(x)=xf x dx  (2.2) Giá trị trung bình của x được tính toán bằng công thức sau:

N i i=1

2

i i=1

N

i i=1

1 2 2 x

 Sai số từ 0,1 đến 0,2 Nghi vấn

 Sai số < 0,10 Có thể tin cậy được

 Sai số < 0,05 Có thể tin cậy được đối với detecter điểm Với các sai số cần lấy ra từ các giá trị tính toán (mean): hệ số nhân hiệu dụng keff ứng với số lịch sử nơtrôn đưa vào và số chu kỳ tính toán thông qua các tally (kết quả) cần lấy ra trong các lần chạy chương trình mà bản luận văn mong đợi, với sai số (error) ở đây là sai số của các giá trị tính toán keff Do vậy để giảm sai số tương đối do độ lặp của kết quả cần phải tăng số hạt gieo nhằm đạt được độ lặp mong muốn

Ngoài ra, không chỉ đánh giá sai số qua độ lặp của kết quả đó Kết quả vẫn có sai số lớn nếu kết quả độ lặp tốt nhưng kết quả trung bình độ lặp sai so với kết quả kỳ vọng Vì thế, cần quan tâm các nguồn gây sai số để hiệu chỉnh cho chính xác

Cụ thể là khi sử dụng chương trình MCNP 5.0, đóng góp gây sai số đầu tiên là yếu tố hình học và vật liệu khai báo trong chương trình so với kích thước và vật liệu thực tế Do vậy để độ chính xác cao thì yếu tố hình học và vật liệu khai báo càng giống với thực tế càng tốt, tuy vậy việc mô phỏng không thể giống hoàn toàn thực tế được do yếu tố hình học phức tạp và không thể biết chính xác tuyệt đối thành phần vật liệu trong thực tế Do vậy nếu kết quả của chương trình đưa ra chưa hợp lý thì cần kiểm tra hai yếu tố này trước tiên nhằm tránh khai báo sai hình học và vật liệu của bài toán Kế đến là nhiệt

độ trong tâm lò thay đổi liên tục và nhiệt độ mô phỏng lấy chỉ là tương đối cũng ảnh hưởng ít nhiều đến kết quả đo

Ngoài ra thư viện hạt nhân cũng là một nguồn gây sai số Mặc dù thư viện hạt nhân luôn cập nhật từ những phiên bản cũ xong thư viện của chương trình vẫn còn thiếu dữ liệu tiết diện của một số đồng vị và nguyên tố Đặc biệt

để xác định tiết diện phản ứng là không dễ Do vậy cần phải chú ý đến việc

chọn thư viện tiết diện phù hợp từ những bảng dữ liệu hạt nhân ở điều kiện khác nhau cho cùng một nguyên tố

Khi đánh giá trong chương trình MCNP 5.0 thì cần phải lựa chọn kiểu đánh giá phù hợp, gần với thực nghiệm nhất Bên cạnh đó chương trình còn bị hạn chế khi mô phỏng các quá trình vật lý nên dẫn đến sai số của kết quả Vì thế khi xây dựng dữ liệu đầu vào cần phải hiểu thấu đáo về các quá trình vật

lý trong các bài toán, để phát hiện nguồn gây sai số từ đó kết hợp với các chương trình khác hỗ trợ hiệu chỉnh kết quả

Tóm lại, với các sai số thống kê khi sử dụng chương trình cần chú ý chọn số hạt gieo và số chu kỳ chạy để có độ lặp cao Ngoài ra cần có hiểu biết thấu đáo về các quá trình vật lý diễn ra trong bài toán, cũng như các lệnh trong chương trình MCNP 5.0 từ đó giảm các nguồn gây sai số khác, nhằm tăng độ chính xác của kết quả đo

CHƯƠNG III CẤU TRÚC VÙNG HOẠT LÒ PHẢN ỨNG AP-1000 VÀ CÁC BÀI

TOÁN MÔ PHỎNG

3.1 Cấu trúc vùng hoạt của lò AP-1000

3.1.1 Giới thiệu về lò AP-1000

Lò AP-1000 được viết tắt là: “Advanced Passive-1000” Đây là loại lò nước áp lực cải tiến sử dụng nước là chất làm chậm và chất tải nhiệt, được lắp đặt hệ thống an toàn thụ động, số 1000 thể hiện công suất lò có thể đạt 1000MW điện Lò được thiết kế với năng lượng nhiệt 3400MW và năng lượng điện 1115MW, và làm việc dựa trên công nghệ thiết kế lò áp lực của Công ty Điện lực Westinghouse [1, 2, 11, 12, 13] Lò phản ứng hạt nhân AP-

1000 là lò phản ứng thế hệ thứ III + có hai vòng lặp, có dạng hình trụ đứng với thiết kế được chứng nhận bởi US NRC (UNITED STATES NUCLEAR REGULATOR COMMISION) và là nhà máy điện hạt nhân đầu tiên lắp đặt hệ thống an toàn thụ động ( Passive Safety System) có khả năng ứng phó sự cố nặng và vận hành một thời gian dài sau khi sự cố đã xảy ra, giúp có thêm nhiều thời gian triển khai công tác ứng phó sự cố Hệ thống an toàn thụ động của lò AP-1000 gồm các thiết bị cho phép làm mát lò phản ứng bằng nước tản nhiệt theo cơ chế đối lưu tự nhiên với sự bố trí các bể nước trên đỉnh nhà lò Trường hợp khẩn cấp có thể sử dụng cả nước biển Ngoài việc đơn giản hóa

hệ thống an toàn và ứng phó sự cố, các hệ thống và thiết bị sử dụng cho thiết

kế AP-1000 (hệ thống kiểm soát, các thiết bị sinh hơi, bình điều áp, các van, các bơm, các cáp truyền dẫn ) cũng được đơn giản và cải tiến Các công nghệ sử dụng cho thiết kế AP-1000 đều có tính kiểm chứng cao Lò AP-1000 của Westinghouse đứng đầu thế giới về mức độ an toàn với tần suất hư hại vùng hoạt/năm: 5×10-7, hệ thống đơn giản, thể tích nhỏ (thể tích bằng một nửa thể tích lò PWR hiện tại), phí xây dựng và vận hành thấp

3.1.2 Hình dạng, cấu trúc và thành phần của vùng hoạt lò AP-1000

Trong bản luận văn này đã sử dụng các thông số kỹ thuật về thành phần

vật liệu, cấu trúc hình học của vùng hoạt lò AP-1000 có trong tài liệu của

Westinghouse AP1000 Design Control Document Rev 19 (tham khảo trên

trang website: http://pbadupws.nrc.gov/docs/ML1117/ML11171A500.html ) của US NRC Cấu trúc cơ bản của lò AP-1000 là tổ hợp của các bó nhiên liệu, mỗi bó có kích thước 21,4×21,4×368,3 cm; trong mỗi bó nhiên liệu gồm nhiều thanh nhiên liệu xếp với nhau theo ma trận 17×17 thanh nhiên liệu (289 thanh nhiên liệu) trong đó 264 thanh nhiên liệu, 24 vị trí đưa thanh điều khiển vào và một ống dẫn trung tâm [12] Hình 3.1 là cấu trúc và hình dạng của một thanh nhiên liệu AP-1000 [12]

Thanh nhiên liệu trong lò AP-1000 là loại nhiên liệu UO2 với độ làm giầu thích hợp, được phân bố khác nhau trong vùng hoạt Hình 3.2 là mặt cắt ngang của các thanh nhiên liệu trong lò được sắp xếp thành từng bó

Tại vị trí các ống dẫn trong mỗi bó nhiên liệu có thể đưa các thanh điều khiển hoặc các thanh hấp thụ có thể đốt cháy vào để điều khiển lò, với mục đích:

 Duy trì trạng thái tới hạn ở công suất định mức nhà máy và điều khiển lượng nhiệt giải phóng trong vùng hoạt

 Thay đổi công suất lò

 Bảo vệ an toàn trong tình huống khẩn cấp

Ngoài ra ống dẫn trung tâm có thể đưa các thiết bị hoặc đầu dò vào để khảo sát, nghiên cứu và có cách điều chỉnh kịp thời độ lên xuống của thanh điều khiển cho phù hợp để thỏa mãn những yêu cầu của nhà máy Hình 3.3 là cấu tạo chi tiết của bó thanh điều khiển hấp thụ loại RCCA

Hình 3.1: Mô hình cấu trúc mặt cắt dọc thanh nhiên liệu AP-1000

Hình 3.2: Ma trận các thanh nhiên liệu và thanh điều khiển trong bó

nhiên liệu

Hình 3.3: Hình ảnh chi tiết bó thanh điều khiển loại RCCA

Ngoài ra trong lò AP-1000 có các bó thanh điều khiển hấp thụ mầu xám (Gray Rod Cluster Assemplies) có vai trò giống bó thanh điều khiển, về cấu tạo và thành phần giống bó thanh điều khiển ở trên chỉ khác về đường kính, mật độ, bề dày, số bó và số lượng thanh hấp thụ trên một bó [11, 12]

Do trong các bó thanh điều khiển hấp thụ mầu xám này có chứa vật liệu cadmi (Cd) là chất hấp thụ mạnh nơtrôn nhiệt nên cũng được dùng trong các

bó thanh điều khiển với mục đích để duy trì trạng thái tới hạn ở công suất nhà máy và điều khiển lượng nhiệt giải phóng trong vùng hoạt và thay đổi công suất lò, bảo vệ an toàn trong tình huống khẩn cấp theo hệ thống nhóm các cụm (bank) điều khiển như hình 3.17 Cụ thể hình 3.4 là cấu tạo chi tiết của một thanh điều khiển Còn hình 3.5 là cấu tạo chi tiết bó thanh điều khiển loại GRCA

Hình 3.4: Hình ảnh chi tiết một thanh điều khiển

Ngoài ra trong mỗi bó nhiên liệu còn chứa các thanh hấp thụ có thể cháy (đó là những thanh chất độc) nó được chia làm hai loại là bó thanh chất độc chỉ có thể cháy một phần và bó thanh chất độc có thể cháy toàn bộ

thanh, mục đích hấp thụ bớt nơtrôn có trong vùng hoạt để tăng độ phản ứng

âm và giảm hệ số nhân hiệu dụng khi lò đạt trạng thái trên tới hạn Mô hình chi tiết cấu tạo các bó như hình 3.6 và hình 3.7

Hình 3.5: Mặt cắt A-A và chi tiết bó thanh điều khiển mầu xám GRCA

2 He 4

Hình 3.7: Cấu tạo bó thanh chất độc cháy toàn phần (IFBA)

Đối với các bài toán mô phỏng lò phản ứng trong tính toán để cho đơn giản thì chỉ cần quan tâm đến chiều dài phần hấp thụ của thanh điều khiển và

UO 2

thanh chất độc, bỏ qua phụ kiện hỗ trợ đi cùng vì nó không làm ảnh hưởng đến trường nơtrôn trong vùng hoạt

Muốn cho lò hoạt động thì không thể thiếu thanh nguồn nơtrôn, ở đây

có hai bó nguồn phát nơtrôn Thứ nhất là bó nguồn ban đầu sử dụng vật liệu là Californium, với mục đích là kích hoạt cho lò hoạt động ban đầu Thứ hai là

bó nguồn thứ cấp trong thanh nguồn thứ cấp thì phần vật liệu ở vùng tâm của thanh gồm hỗn hợp hai vật liệu được trộn đều có khả năng phát nơtrôn đó là Antimony và Berylium Hình 3.8 là cấu tạo chi tiết của bó nguồn chính

Hình 3.8: Cấu tạo bó nguồn chính