[Đồ án] Phân tích sự cố Loga 10 kenh nóng trong thực nghiệm ROSALSTF sử dụng chương trình Relap 5

1
Lời cảm ơn
Đồ án này là kết quả nghiên cứu trong suốt thời gian tôi tham gia học tập tại
Viện kỹ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường - Đại học Bách Khoa Hà Nội và thời gian
nghiên cứu tại Phòng An toàn hạt nhân – Cục an toàn bức xạ và hạt nhân.
Lời đầu tiên, tôi xin bày bỏ lòng biết ơn sâu sắc tới nhà trường cùng toàn thể
các thầy cô giáo đã tận tình hướng dẫn tôi học tập tại Viện kỹ thuật hạt nhân và Vật lý
môi trường - Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Th.S Lưu Nam Hải đã tận tình giúp đỡ
tôi hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các anh, chị tại Phòng An toàn hạt
nhân – Cục an toàn bức xạ và hạt nhân đã tạo điều kiện và cho tôi một môi trường làm
việc lý tưởng khi tôi nghiên cứu tại Phòng.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên và cổ vũ
tôi cũng như tạo điều kiện cho tôi học tập và hoàn thành Đồ án tốt nghiệp này.
Hà Nội, tháng 6 năm 2011
Sinh Viên
Phùng Khắc Toàn
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
2
DANH MỤC TỪ NGỮ VIẾT TẮT
Thuật ngữ
viết tắt
Thuật ngữ tiếng Anh Thuật ngữ tiếng Việt
ACC Accumulator Bình nước dự trữ
AM Accident management Quản lý sự cố
AFS Auxiliary feedwater Hệ thống cấp nước phụ
ECCS Emergency core coolant system Hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp
HPSI High pressure injection system Hệ thống bơm an toàn áp suất cao
LPSI Low pressure injection system Hệ thống bơm an toàn áp suất thấp
LB-LOCA Large break loss of coolant

accident
Sự cố mất nước tải nhiệt kích thước
lớn
LSFT Large scale Test Facility Cơ sở thử nghiệm quy mô lớn
MSIV Main steam isolation valve Van cô lập dòng hơi chính
LOCA Loss of coolant accident Sự cố mất nước tải nhiệt
PORV Power operated relief valves Hệ thống các van an toàn của bình
điểu áp
PWR Pressure water reactor Lò phản ứng nước áp lực
SB-LOCA Small break loss of coolant
accident
Sự cố mất nước tải nhiệt kích thước
nhỏ
SCRAM Safety control Reactor Axe Dập lò khẩn cấp
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
3
Man
RV Relief valves Van xả
SG Steam Generator Bình sinh hơi
MỤC LỤC Trang
Lời cảm ơn 1
DANH MỤC TỪ NGỮ VIẾT TẮT 2
MỤC LỤC Trang 3
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ 5
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
4
Lời mở đầu 7
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THỦY NHIỆT 8
1.1. Mô hình thủy động hỗn hợp hai thành phần 9

1.1.1. Phương trình bảo toàn khối lượng 9
1.1.2. Phương trình bảo toàn động lượng 11
1.1.3. Phương trình bảo toàn năng lượng 12
1.1.4. Phương trình vận chuyển Boron 13
1.2. Mô hình dẫn nhiệt một chiều 14
1.3. Mô hình động học lò điểm 15
1.4. Kết luận 16
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SỰ CỐ LOCA TRONG LÒ PWR 17
2.1. Giới thiệu về sự cố LOCA 17
2.2. Các hiện tượng vật lý trong sự cố LOCA 18
2.3. Các bộ phận giảm nhẹ hậu quả sự cố LOCA của lò phản ứng PWR 18
2.4. Sự cố LB-LOCA 20
2.4.1.Giai đoạn giảm mực nước ( blowdown) 21
2.4.2. Giai đoạn lấp đầy lại ( refill ) 22
2.4.3. Giai đoạn làm ngập trở lại ( reflood ) 22
2.5. Sự cố SB-LOCA 23
CHƯƠNG 3: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THỦY NHIỆT RELAP5 26
3.1. Tổng quan về chương trình RELAP5 26
3.1.1. Sơ lược lịch sử phát triển của chương trình RELAP5 26
3.1.2. Những đặc trưng chính 27
3.1.3. Phạm vi áp dụng 27
3.2. Cấu trúc của chương trình RELAP5 28
3.2.1. Cấu trúc của chương trình 28
3.2.2. Cấu trúc file input 29
3.2.3. Dữ liệu mô tả bài toán 31
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
5
3.2.4. Minor Edits và Trips 33
3.2.5. Dữ liệu cấu trúc thủy động 34
3.2.6. Dữ liệu cấu trúc nhiệt 40

3.2.7. Thuộc tính nhiệt của cấu trúc nhiệt 42
3.2.8. Thành phần điều khiển hệ thống 45
3.2.9. Dữ liệu động học lò 45
3.3. Cách chạy chương trình RELAP5 48
CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH SỰ CỐ LOCA VỠ 10% KÊNH NÓNG TRONG THỰC NGHIỆM ROSA/LSTF SỬ
DỤNG CHƯƠNG TRÌNH RELAP5 49
4.1. Tìm hiểu về cơ sở thực nghiệm LSFT (Large scale test facility) – Nhật Bản và dự án ROSA 49
4.1.1. Tổng quan về LSTF trong dự án ROSA 49
4.1.2. Mục đích của chương trình ROSA 50
4.1.3. Những bài toán cho ROSA /LSTF 50
4.1.4. Thiết kế của LSTF 51
4.2. Phân {ch sự cố LOCA vỡ 10% kênh nóng trong thực nghiệm ROSA/LSTF sử dụng chương trình
RELAP5 52
4.2.1. Phân tích bài toán 52
4.2.2. Phân tích kết quả bài toán 60
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73
TÀI LIỆU THAM KHẢO 75
[3] SCIENTECH, Inc.Rockville, Maryland, Idaho Falls, Idaho: RELAP5/MOD3.2 Code manual volume I
Code structure; system models; and solu‰on methods; volume II: User’ guide and input requirements;
volume V user’s guidelines. Washington, DC 03/1998 75
[5] U.S. EPR: Final safety analysic report Tier 2 Revision 0, Mỹ 2008 75
PHỤ LỤC 76
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
6
Hình 2.1 Hệ thống ECCS của lò phản ứng PWR………………………………… 19
Hình 3.1 Cấu trúc chương trình RELAP5……………………………………… 28
Hình 3.2 Cách chia mắt lưới trong cấu trúc nhiệt ……………………………… 43
Hình 4.1 Mô tả vết vỡ 10% kênh nóng………………………………………… 59
Hình 4.2 Mô phỏng LOCA vỡ 10% kênh nóng trong thực nghiệm ROSA/LSTF

bằng chương trình RELAP5……………………………………………………….60
Hình 4.3 Công suất vùng hoạt………………………………………………………61
Hình 4.4 Áp suất bên sơ cấp và thứ cấp……………………………………………63
Hình 4.5 Tốc độ dòng chảy qua vết vỡ…………………………………………….64
Hình 4.6 Tốc độ dòng của ACC tại các vòng………………………………………65
Hình 4.7 Tốc độ dòng của HPSI tại các vòng…………………………………… 66
Hình 4.8 Tốc độ dòng tại các vòng……………………………………………… 67
Hình 4.9 Mực nước tại kênh nóng………………………………………………… 69
Hình 4.10 Độ chênh lệch áp suất trong SG A…………………………………… 70
Hình 4.11 Mực nước tại Upper Plenum…………………………………………….71
Hình 4.12 Mực nước tại vùng hoạt…………………………………………………71
Hình 4.13 Nhiệt độ bề mặt thanh nhiên liệu……………………………………… 72
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1: Định dạng Card trong RELAP5………………………………………… 31
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
7
Bảng 2: Các card input cho các thành phần thủy động…………………………… 37
Bảng 3: Các card input cho cấu trúc nhiệt………………………………………… 43
Bảng 4: Bảng điều khiển các biến Logic……………………………………………55
Bảng 5: Thông số ban đầu bên sơ cấp………………………………………………56
Bảng 6: Thông số ban đầu của bình điều áp……………………………………… 57
Bảng 7: Thông số ban đầu của bình sinh hơi……………………………………….57
Bảng 8: Thông số ban đầu của hệ thống ECCS…………………………………….58
Lời mở đầu
Trong cuộc sống hiện đại với sự phát triển kinh tế nhanh chóng, năng lượng là
nhu cầu vô cùng thiết yếu đối với con người. Trong hoàn cảnh thế giới đang tiến vào
một cuộc khủng hoảng năng lượng mới khi các nguồn tài nguyên hóa thạch đang dần
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
8
cạn kiệt, con người cần khai thác nguồn năng lượng khác, bổ sung để có thể đáp ứng

cho nhu cầu cuộc sống trong tương lai. Năng lượng nguyên tử là một nguồn như vậy.
Ngày 25/11/2009, Quốc Hội đã phê duyệt báo cáo đầu tư xây dựng nhà máy điện hạt
nhân đầu tiên tại Việt Nam tại Ninh Thuận.
Một trong các công việc quan trọng trong thẩm định an toàn nhà máy điện hạt
nhân là đánh giá phân tích an toàn thủy nhiệt. Phân tích an toàn thủy nhiệt lò phản ứng
là tính toán, xem xét và đánh giá các tham số nhiệt động của lò phản ứng trong các quá
trình chuyển tiếp, các trạnh thái hoạt động bình thường của lò phản ứng cũng như khi
xảy ra tai nạn, sự cố từ đó đề xuất các phương án xử lý.
Để giải quyết bài toán này, hiện nay có rất nhiều phần mềm tính toán thủy nhiệt
khác nhau. Đồ án tốt nghiệp này sẽ sử dụng chương trình RELAP5/Mod3.2. Đây là
chương trình hiện được nhiều nước trên thế giới có nhà máy điện hạt nhân đã và đang
sử dụng
Đồ án tốt nghiệp được thực hiện với mục tiêu cung cấp những kiến thức cơ bản
về phân tích an toàn thủy nhiệt lò phản ứng và tiếp cận, làm chủ chương trình
RELAP/Mod3.2.
Đồ án này sẽ là cơ hội để người thực hiện được nâng cao trình độ, năng lưc,
sớm đáp ứng được các yêu cầu công việc sau khi tốt nghiệp.
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN THỦY NHIỆT
Tính toán thủy nhiệt là phản ứng là xác định các thông số nhiệt tại các vị trí
khác nhau của hệ thống lò phản ứng. Trong đó có 8 tham số nhiệt động là: nhiệt độ (T),
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
9
áp suất (P), nội năng hơi nước (U
v
), nội năng của nước (U
l
), vận tốc dòng trong cả hai
trạng thái nước (V
l
), và hơi nước (V

v
), mật độ Boron (C
B
), tỉ lệ khối lượng khí không
ngưng tụ trên tổng khối lượng khí (X
n
).
Để tính toán thủy nhiệt lò phản ứng, việc mô hình hóa phải sử dụng một số lý
thuyết sau:
+ Đối với nước và hơi nước trong hệ thống lò phản ứng sử dụng mô hình thủy
động hỗn hợp hai thành phần.
+ Với các thành phần chất rắn trong lò như ống dẫn nước, vỏ thùng lò, vỏ bình
sinh hơi,…sử dụng mô hình dẫn nhiệt một chiều.
+ Với lò phản ứng ta dử dụng mô hình động học lò điểm.
1.1. Mô hình thủy động hỗn hợp hai thành phần
Nước trong tự nhiên tồn tại ở 3 trạng thái cơ bản là rắn, lỏng và khí tùy thuộc
vào nhiệt độ và áp suất của nước. Do đó, trong tính toán cần phải xác định nước đang ở
trạng thái nào và sử dụng hệ phương trình chuyển động của chất lỏng hỗn hợp nhiều
trạng thái.
Trong mô hình tính toán chúng ta chỉ xem xét hệ thủy động ở hai trạng thái
nước và hơi nước. Khi không ngưng tụ được xem xét trong trạng thái hơi nước. Bão
hòa tan không bay hơi được xem xét trong trạng thái nước.
Hệ phương trình chuyển động của chất lỏng
1.1.1. Phương trình bảo toàn khối lượng
Mọi chất lỏng đều có một tính chất cơ bản là khối lượng.
Trong thể tích dV khối lượng là:
m =
1 2 3
V
( , , ) Vx x x d

ρ
∫∫∫
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
10
Theo định luật bảo toàn khối lượng, khối lượng chất lỏng không đổi trong quá
trình chuyển động.
1 2 3
V
( , , ) V 0
dm d
x x x d
dt dt
ρ
= =
∫∫∫
Hay :
Do thể tích V là tùy ý nên:
0
i
i
d
v
dt x
ρ
ρ
∂
+ =
∂
Hay:
V 0

d
div
dt
ρ
ρ
+ =
Giả sử trong hỗn hợp, nồng độ và vận tốc trung bình hỗn hợp có thể xác định
theo công thức:

1
N
i
i
ρ ρ
=
=
∑

1
N
i i
i
v v
ρ ρ
=
=
∑
Khi đó phương trình bảo toàn khối lượng dạng tổng quát có dạng:
1,
V

N
n
i
i i ji
j j i
t
s V
dV v dS J dV
ρ
ρ
= ≠
∂
= − +
∂
∑
∫ ∫ ∫
Trong đó
ij
J
là cường độ trao đổi khối lượng từ pha j sang pha i trong một đơn
vị thể tích và một đơn vị thời gian.
Áp dụng phép biến đổi Gauss – Ostrogradski, phương trình vi phân khối lượng
cho mỗi pha thành phần có thể viết lại như sau:
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
V
( ) V 0
i
i
d
v

d
dt x
ρ
ρ
∂
+ =
∂
∫∫∫
11
ij
1
N
i
i i
j
t
v J
ρ
ρ
=
∂
+ ∇ =
∂
∑
Do mô hình tính toán của chúng ta chỉ xem xét hệ thủy động trong hai trạng tái
là nước và hơi nước nên phương trình (1) tương đương với hai phương trình :

l: chất lỏng

υ
: chất khí.
Phương trình bỏa toàn khối lượng với chất khí không ngưng tụ

0 (3)
n
n n
v
t
ρ
ρ
∂
+∇ =
∂
1.1.2. Phương trình bảo toàn động lượng
Phương trinh bảo toàn động lượng được viết dưới dạng:

ij
σ
là ứng suất mặt.
Với chất lỏng nhớt ứng suất mặt có dạng :
ij ij ij
p
σ δ τ
=− +
Phương trình bảo toàn động lượng cho mỗi pha có thể viết dưới dạng như sau:
ij
, 1
N
n n

i i
i i i i i i i
j i j
V S S V V
p E
dV p E v dS c dS g v dV E dV
t
ρ
= ≠
∂
= − + + +
∂
∑
∫ ∫ ∫ ∫ ∫
i=1,2,….,N
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
1
1 1
(1)
vl
v J
t
ρ
ρ
∂
+∇ =
∂
(2)
v
v v lv

v J
t
ρ
ρ
∂
+∇ =
∂
ij
( )
i i
j i
j j
v v
p v K
t x x
σ
ρ
∂
∂ ∂
+ = +
∂ ∂ ∂
12
Trong đó thành phần đầu ở vế phải là động lượng bổ sung vào pha i qua bề mặt
giới hạn S. Thành phần thứ 2 và thứ 3 là động lượng do lực mặt ngoài và lực khối tác
động lên pha i được kí hiệu tenso
ikl
σ
và véc tơ
i
g

;

ij
P

là cường độ trao đổi động lượng giữa phạ và pha i. Do động lượng được
bảo toàn, nên ta có:
ij
, 0
ji ii
P P P= − =
Sử dụng phép biến đổi Gauss – Ostrogradski, chúng ta thu được phương trình
vi phân động lượng cho mỗi pha sau:
1
N
k k k k
i i
i i i i i i ji
i
p v
v v g P
t
ρ σ ρ
=
∂
+∇ = ∇ + +
∂
∑
i =1,2,3,4…,N
Phương trình này có thể viết lại dưới dạng:

1.1.3. Phương trình bảo toàn năng lượng
Khi định nghĩa khái niện năng lượng riêng E của hỗn hợp, chúng ta giả thiết
rằng nó bao gồm nội năng U và động năng K.
Nội năng U của hỗn hợp được xác định thông qua nội năng của từng pha thành
phần như sau:

1
N
i i
i
u u
ρ ρ
=
=
∑
trong đó
i
U
là nội năng riêng của pha i
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
1
( ) (4)
N
k k
i i
i i i i ji ji i
i
d v
p g P J v

dt
σ ρ
=
= ∇ + + −
∑
( ) 0 (6)
B
B l
B B l
v
t Z
C
ρ
ρ
ρ ρ
∂
∂
+ =
∂ ∂
=
13
Động năng của hỗn hợp cũng được xác định tương tự qua chuyển động của từng
pha thành phần.
1
2
N
i i
i
v
K

ρ
ρ
=
=
∑
Khi đó năng lượng của hỗn hợp được xác định như sau :

2
1 1
( )
2
N N
i
i i i i
i i
v
u E
ρ ρ
= =
+ =
∑ ∑

2
( )
2
i
i i
v
E u
= +

Phương trình bảo toàn năng lượng cho mỗi pha thành phần cùa hỗn hợp có
dạng :
ij
, 1
(5)
i = 1,2,3, ,N

N
n n n
i i
i i i i i i i i
j i j
V S S V V S
p E
dV p E v dS c dS g v dV E dV q dS
t
ρ
= ≠
∂
=− + + + −
∂
∑
∫ ∫ ∫ ∫ ∫ ∫
1.1.4. Phương trình vận chuyển Boron

B
C
là tỉ lệ mật độ boron trên mât độ chất lỏng
Tóm lại phương trinhg (1), (2), (3) cùng với hai phương trình bỏa toàn động
lượng (4), hai phương trình bảo toàn năng lượng (5), phương trình vận chuyển Boron

Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
14
(6) và các điều kiện biên là cơ sở để giải 8 biến tương ứng với 8 tham số nhiệt động
của hệ.
1.2. Mô hình dẫn nhiệt một chiều
Áp dụng cho vật liệu dẫn nhiệt là chất rắn trong hệ thống lò như: thành ống dẫn
nước, vỏ bình sinh hơi, vỏ thùng lò, các thanh nhiên liệu…
Giả sử nhiệt độ là hàm của tọa độ và thời gian : T =f(x,t) ,
Ta có :
( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , )
V S V
T
T x x t dV k T x T T x ds S x t dV
t
ρ
∂
= ∇ +
∂
∫∫∫ ∫∫ ∫∫∫
Trong đó S(x,t) là nguồn nhiệt.
Áp dụng phép biến đổi Gauss – Ostrogradski và chú ý V là thể tích bất kỳ ta
được:
( , ) ( , ) ( , ) ( , ) ( , )
T
T x x t k T x x t S x t
t
ρ
∂
= ∇∇ +
∂

Hay viết dưới dạng một chiều quen thuộc:
2
i xx
S
T T
P
α
= +
Phương trình dẫn nhiệt cùng với hệ các điều điện biên là cơ sở để tính toán
nhiệt độ phụ thuộc thời gian tại mọi điểm trên hệ dẫn nhiệt.
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
15
1.3. Mô hình động học lò điểm
Mô hình động học lò điểm dùng để tính toán trạng thái công suất của lò phản
ứng hạt nhân. Mô hình động học lò tính toán cả năng lượng trực tiếp từ phản ứng phân
hạch và năng lượng do sự phân rã của các sản phẩm phóng xạ.
Nơtron tức thời: là nơtron sinh ra trực tiếp từ phản ứng phân hạch.
Nơtron trễ: là nơtron sinh ra từ các sản phẩm con của phản ứng phân hạch.
Giả sử số nơtron trung bình sinh ra từ phản ứng phân hạch là
υ
,
Số nơtron tức thời là:
(1 )v
β
−
Số nơtron trễ là:
v
β
Với mô hình 6 nhóm nơtron trễ:

tỉ lệ số nơtron sinh ra của nhóm
Để đơn giản trong tính toán ta sử dụng mô hình động học lò điểm. Trong mô
hình động học lò điểm sự biến thiên mật độ nơtron trong lò được diễn tả bằng hệ
phương trình:
6
1
( )
( )
( )
( ) ( )
i i
i
i t
i
i i
dn t
n t C
dt l
dC
n t C t
dt l
ρ β
λ
β
λ
=
−
= +
= −
∑

Với :

ρ
=(k-1)/k là độ phản ứng của lò.
l: thời gian sống của nơtron
8 3
10 10
− −
→
(s)
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
6
1
:
i i
i
β β β
=
=
∑
16

i
λ
: hằng số phân rã của nhóm nơtron.
Giải phương trình nên ta được:
7 7
0 ij
1 1
( ) , C ( )

i i
i i
j i jo
j j
n t n A e t C B e
ω ω
= =
= =
∑ ∑
Với
i
ω
là nghiệm của phương trình “giờ ngược”
6
1
i
i
i
t
β ω
ρ ω
ω λ
=
= +
+
∑
1.4. Kết luận
Lý thuyết tính toán thủy nhiệt giúp chúng ta có cái nhìn đầu tiên về thủy nhiệt
động trong lò phản ứng hạt nhân. Việc xác định các thông số thủy nhiệt động trong quá
trình chuyển tiếp trong lò phản ứng hạt nhân rất quan trọng, đòi hỏi chính xác.Lý

thuyết tính toán thủy nhiệt này chính là cơ sở cho các chương trình tính toán thủy nhiệt
áp dụng để việc tính toán có thể dễ dàng và chính xác hơn.
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
17
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ SỰ CỐ LOCA TRONG LÒ PWR
2.1. Giới thiệu về sự cố LOCA
LOCA là viết tắt tiếng Anh của cụm từ “ Loss of coolant accident ” – sự cố mất
chất tải nhiệt. Sự cố LOCA thường được khởi phát bởi sự kiện vỡ ống nước tải nhiệt
của vòng sơ cấp. Người ta phân loại sự cố LOCA theo kích thước vỡ ống: LOCA kích
thước nhỏ (SB-LOCA) có diện tích vỡ nhỏ hơn hoặc bằng 465 cm
2
(0,5 ft
2
) và LOCA
kích thước lớn (LB-LOCA) có kích thước từ 465 cm
2
đến hai lần tiết diện ngang của
ống lớn nhất của hệ thống nước tải nhiệt.
Lò phản ứng nước nhẹ sử dụng nước thường vừa làm chất tải nhiệt, vừa làm
chất làm chậm. Khi xảy ra sự cố mất nước, khả năng làm chậm nơtron giảm sẽ đưa lò
xuống dưới tới hạn. Do đó, đặc trưng an toàn của lò phản ứng nước nhẹ là tự động
dừng khi bị mất nước.
Khi mất nước tải nhiệt, nhiệt tích trữ trong các thanh nhiên liệu được phân bố
lại. Nhiệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu tăng, trong khi nhiệt độ tại đường xuyên tâm của
các viên nhiên liệu giảm xuống. Mặc dù nhiệt sinh ra do phân rã phóng xạ sau khi dập
lò chỉ vào khoảng vài phần trăm so với nhiệt khi lò ở mức công suất vận hành, nhưng
do không được tải đi nên lượng nhiệt này có thể làm nóng chảy vỏ thanh nhiên liệu.
Khi vỏ thanh nhiên liệu bị nóng quá mức sẽ bị oxy hóa bởi nước và hơi nước.
Tốc độ của phản ứng kim loại – nước là không đáng kể ở nhiệt độ thấp, nhưng tăng
nhanh ở nhiệt độ khoảng 1000

0
C. Phản ứng oxy hóa làm sinh nhiệt, đóng góp thêm vào
sự tăng nhiệt độ của vỏ thanh nhiên liệu.
Hệ thống ECCS được thiết kế nhằm duy trì việc tải nhiệt vùng hoạt trong trường
hợp sự cố LOCA, cung cấp nước vào tiếp xúc với nhiên liệu, ngăn việc tăng nhiệt độ
quá mức của vỏ thanh nhiên liệu.
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
18
2.2. Các hiện tượng vật lý trong sự cố LOCA
Đối với sự cố LOCA, một số hiện tượng vật lý điển hình xảy ra kèm theo như sau:
Hiện tượng đi tắt của dòng nước cấp cứu chỉ ra hiện tượng xảy ra khi bơm nước
làm mát vùng hoạt khẩn cấp vào kênh lạnh của một trong các nhánh làm mát của vòng
sơ cấp. Thông thường nước làm mát được mong đợi chảy vào trong khoang lưu hồi và
lấp đầy thùng lò. Nhưng thay vì chảy xuống và lấp đầy khoang lưu hồi, nước lại chảy
vòng quanh vách ngăn vùng hoạt và đi thẳng ra ngoài vết vỡ. Hơi nước sinh ra trong
thùng lò sẽ dâng lên trong khoang lưu hồi và thoát ra ngoài vết vỡ
Hiện tượng sôi của dòng nước cấp cứu khi tiếp xúc với vách ngoài của
khoang lưu hồi(vỏ thùng lò) và vách trong của khoang lưu hồi(vách ngăn vùng
hoạt), tạo ra hơi nước bổ sung làm cản trở nước cấp cứu đi vào khoang dưới vùng
hoạt.
Hiện tượng ngưng tụ do tiếp xúc trực tiếp của hơi nước trong kênh lạnh ở gần
điểm bơm và trong khoang lưu hồi với nước cấp cứu lạnh hơn. Sự ngưng tụ của hơi
nước trong khoang lưu hồi làm giảm lượng hơi nước, dẫn đến làm giảm dòng ECCS đi
tắt ra ngoài vết vỡ.
2.3. Các bộ phận giảm nhẹ hậu quả sự cố LOCA của lò phản ứng PWR
Đặc trưng thiết kế của lò phản ứng PWR cho việc làm giảm nhẹ hậu quả của sự
cố LOCA là hệ thống ECCS, bao gồm một số hệ thống phụ là các bình trữ nước trong
hệ thống nước tải nhiệt. Ba thành phần chính của hệ thống ECCS là hệ thống bơm an
toàn áp suất cao(HPSI), các bình nước dự trữ(ACC) và hệ thống bơm an toàn áp suất
thấp(LPSI) hình 2.1

Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
19
Hình 2.1 Hệ thống ECCS của lò phản ứng PWR
Hệ thống HPSI gồm các bơm ly tâm áp suất cao kết hợp với các ống và các van
để bơm nước vào các kênh lạnh của hệ thống nước tải nhiệt hoặc bơm trực tiếp vào
khoang lưu hồi tùy theo thiết kế của từng loại lò PWR. Có 3 bơm HPSI và ít nhất 2
trong 3 bơm này được khởi động bằng tín hiệu phát động bơm an toàn. Áp suất ngắt
của các bơm này từ xấp xỉ 8.6 - 20.7 MPa tùy theo thiết kế.
Hệ thống LPSI được thiết kế để đảm bảo tải nhiệt vùng hoạt lâu dài sau khi áp
suất hệ thống nước tải nhiệt giảm đến xấp xỉ 0,7 MPa . Các bơm LPSI có dung tích lớn,
các bơm ly tâm áp suất thấp. Nhìn chung, hệ thống LPSI có 2 bơm, cả 2 bơm đều có
thể tải toàn bộ nhiệt phân rã sau xấp xỉ 20 phút(kể từ lúc dập lò).
Các bình trữ nước ACC được giữ ở mức áp suất nhất định. Các bình được đặt ở
trên cao trong nhà lò, nhằm tận dụng áp suất thủy tĩnh cực đại kết hợp với áp suất do
nitơ trong việc xả nước. Các bình này có thể tích xấp xỉ 28,3 - 42,5m
3
và tự động xả
khi áp suất của hệ thống nước tải nhiệt giảm đến 1,38 – 4,14 Mpa, tùy theo thiết kế.
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
20
Hệ thống cấp nước phụ( AFS): hệ thống cấp nước phụ thực hiện bởi bơm ly
tâm, tự phát động theo tín hiệu mực nước thấp trong SG.
Hệ thống các van an toàn của bình điểu áp (PORV): phát động khi không có
nguồn nước cung cấp cho SG.
2.4. Sự cố LB-LOCA
Vết vỡ trong sự cố LB-LOCA có 2 loại: vết vỡ tách rời 2 đầu ống (DEGB)
và vết vỡ gập 2 đầu ống (DESB). Vết vỡ DEGB có diện tích bằng một đến hai lần
tiết diện của đường ống lớn nhất của hệ thống tải nhiệt. Vết vỡ DESB có kích
thước từ kích thước vỡ lớn nhất đối với sự cố SB-LOCA đến toàn bộ tiết diện của
ống lớn nhất của hệ thống nước tải nhiệt lò phản ứng. Đối với một sự cố LB-LOCA,

vết vỡ nghiêm trọng nhất xảy ra với đoạn ống của kênh lạnh ở giữa bơm vòng sơ cấp
và thùng lò.
Các hiện tượng thủy nhiệt xảy ra trong sự cố LB- LOCA: Các hiện tượng thủy
nhiệt trong sự cố LB-LOCA bao gồm quá trình bay hơi và ngưng tụ, ma sát và suy
giảm áp suất, truyền sóng áp suất, tách pha và hiện tượng giới hạn dòng thuận nghịch
(CCFL).
+ Bay hơi khi giảm áp và gia nhiệt : sự bay hơi xảy ra khi áp suất hệ thống
giảm, làm giảm nhiệt bão hòa của chất tải nhiệt. Bên cạnh đó, vùng hoạt và các vách
thùng lò tăng nhiệt làm nhiệt của chất tải nhiệt trong PV tăng cao dẫn đến sự bay hơi
càng mạnh.
+ Ngưng tụ khi tăng áp và tải nhiệt : quá trình các hệ thống an toàn hoạt động
làm tăng áp và tải nhiệt nên hơi ngưng tụ.
+ Suy giảm áp suất và các hiện tượng ma sát: do ma sát giữa các bề mặt với
chất tải nhiệt làm cho sự suy giảm áp suất không liên tục.
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
21
+ Lan truyền sóng áp suất: sóng áp suất gây ra biến dạng vỏ của thùng lò, làm
giảm khả năng tải nhiệt ở vùng hoạt hoặc di chuyển không kiểm soát các thanh điều
khiển.
+ Tách pha: trong quá trình đối lưu cưỡng bức, sự chênh lệch vẫn tốc giữa pha
lỏng và khí gia tăng khi các bơm ngừng hoạt động. Đối lưu tự nhiện thiết lập gây hiện
tượng tách pha.
+ Hiện tượng giới hạn dòng thuận nghịch: hiện tượng dòng nước chảy xuống
dưới tác dụng của trọng lực trong các đoạn ống thẳng hay trong các khoang chứa bị hơi
nước từ dưới lên cản trở. Hiện tượng này làm giảm khả năng cấp nước cho vùng hoạt
Các giai đoạn xảy ra trong LB-LOCA
2.4.1.Giai đoạn giảm mực nước ( blowdown)
Tính từ thời điểm bắt đầu xảy ra sự cố cho đến khi bắt đầu bơm chất làm mát vùng
khẩn cấp.
+ Dòng tải nhiệt chảy ra ngoài vết vỡ với tốc độ cao.

+ Lượng nước chảy ra ngoài vết vỡ từ phía thùng lò lớn hơn từ phía bơm do sự
cản trở thủy lực của bơm và các ống dẫn trong SG.
+ Áp suất giảm xuống dưới giá trị bão hòa của nước. Nước tải nhiệt bắt đầu sôi.
+ Hiện tượng sôi hạt nhân và hóa hơi xuất hiện trong vùng hoạt tạo các phần
trống. Phần trống này gây ra sự giảm công suất và giảm tốc độ giảm áp.
+ Thông lượng nhiệt trong vùng hoạt đạt tới hạn và sự truyền nhiệt thay đổi. Sự
sôi hạt chuyển dần sang sôi màng.
+ Dòng luân chuyển bị giảm gây sự tăng nhiệt vỏ thanh nhiên liệu làm hóa hơi
xuất hiện trên bề mặt lớp vỏ thanh nhiên liệu. Bên cạnh đó, nhiệt trong các viên
nhiên liệu tích lại càng làm gia tăng nhiệt vỏ thanh.
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
22
+ Phản ứng dây chuyền cơ bản bị dùng lại do mất chất làm chậm(nước thay dần
bằng hơi nước) làm cho lò xuống dưới tới hạn.
+ Áp suất suy giảm, nước qua vêt vỡ từ một pha chuyển thành hai pha: nước và
hơi, làm tốc độ dòng qua vết vỡ giảm nhanh. Sự hóa hơi xảy ra ở trong cả thùng
lò làm cản trở nước vào vùng hoạt. Lúc này, nhiệt vùng hoạt đạt cực đại và bắt
đầu giảm khi sự làm ướt trở lại của các hệ thống an toàn bắt đầu hoạt động.
Nước từ hệ thống ECCS được bơm vào kênh lạnh , ban đầu chảy ra ngoài vết
vỡ, cho đến khi ECCS của vòng không bị vỡ được phát động. Kết thúc giai đoạn
Blowdown.
2.4.2. Giai đoạn lấp đầy lại ( refill )
Ttính từ giai đoạn blowdown cho đến khi vùng hoạt bắt đầu ngập nước trở lại.
+ ECCS bơm nước lạnh vào hệ thống. Nước được bơm có thể bị chảy xuống nhờ
trọng lực hoặc bị thổi ra ngoài vết vỡ do hiện tượng giới hạn dòng thuận nghịch.
+ Sự ngưng tụ bắt đầu xảy ra khi có nước lạnh từ ECCS bơm vào, làm giảm sự
chênh lêch áp giữa thùng lò và PV. Điều này làm giảm hơi nước do nước hóa
hơi.
+ Lượng nước được phun vào khoang dưới vùng hoạt tăng trong khi dòng chảy
qua vết vỡ giảm. Dẫn đến, vùng hoạt bắt đầu được ngập nước trở lại.

+ Vùng hoạt nóng dần lên do hơi nước qua vùng hoạt giảm. Sự suy giảm tốc độ
dòng hơi này làm nước từ ECCS bị thổi tắt qua vết vỡ giảm dần. Điều này làm
cho nước từ ECCS chảy hầu như thẳng xuống khoang dưới vùng hoạt và khoang
lưu hồi.
+ Kết thúc quá trình refill khi nước ngập hết khoang dưới vùng hoạt.
2.4.3. Giai đoạn làm ngập trở lại ( reflood )
Tính từ cuối refill đến khi vùng hoạt ngập nước hoàn toàn.
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
23
+ Khi nước bắt đầu được làm ngập trở lại, các dòng hai pha trong hệ thống trở lên
rõ ràng.
+ Vùng hoạt được lấp đầy nhanh do khoang lưu hồi duy trì trạng thái ngập nước.
Bơm ECCS liên tục cấp nước và có rất ít sự cản trở trong kênh không bị vỡ do
không có hơi nước và nước bay hơi trong SG.
+ Đối với môi trường không đồng nhất nhiều trạng thái.
2.5. Sự cố SB-LOCA
Sự cố SB-LOCA là sự cố vỡ vỏ bọc áp lực (thùng lò hoặc đường ống) của lò
PWR, bao gồm các vết nứt nhỏ ở vị trí nối (xuyên) vào vỏ bọc áp lực của các van giảm
áp và van an toàn, các đường ống điều chỉnh nước vào ra, các đường ống dẫn nước tải
nhiệt và các đường dẫn thiết bị khác. Trong thực tế, sự cố SB LOCA được phân tích
theo kích thước và vị trí vỡ mà không phân tích theo nguyên nhân gây vỡ.
Sự cố SB LOCA được xem là có xác suất xuất hiện cao, nên cần yêu cầu cơ
quan vận hành kiểm tra kỹ lưỡng tác hại và có quy trình khắc phục sự cố rõ ràng.
Thông thường, sự cố SB-LOCA có diễn biến chậm để người vận hành có thể theo dõi
thông qua các thiết bị đo đạc và thực hiện các thao tác chính xác từ phòng điều khiển.
Hậu quả của sự cố SB-LOCA bao gồm sự giảm áp của hệ thống nước tải nhiệt
do nước thất thoát qua vết vỡ, giảm khả năng tải nhiệt vùng hoạt, rò rỉ phóng xạ từ
vòng sơ cấp sang vòng thứ cấp. Mức độ nghiêm trọng phụ thuộc vào thiết kế của nhà
máy, khả năng của các công cụ làm giảm nhẹ hậu quả sự cố, diện tích vỡ, vị trí vỡ và
kịch bản diễn biến. USNRC đánh giá khả năng có thể chấp nhận hậu quả của sự cố SB-

LOCA bằng việc so sánh đỉnh nhiệt độ của lớp vỏ nhiên liệu và lượng oxi hóa so với
các tiêu chuẩn an toàn: đỉnh nhiệt độ của lớp vỏ nhiên liệu trong vùng hoạt không vượt
quá 1204
0
C (2200
0
F), chiều dày lớp oxi hóa không vượt quá 17% chiều dày lớp vỏ
nhiên liệu và oxi hóa vùng hoạt không quá 1%. Nếu các tiêu chuẩn này thỏa mãn thì
các tiêu chuẩn khác như lượng hydro sinh ra (lượng hydro tạo ra từ phản ứng của lớp
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
24
vỏ thanh nhiên liệu và nước không vượt quá 1% lượng hydro sinh ra trong trường hợp
toàn bộ lớp vỏ thanh nhiên liệu bị oxi hóa), hình học của vùng hoạt, việc duy trì tải
nhiệt vùng hoạt, sự nguyên vẹn của thùng lò, sự rò rỉ phóng xạ sẽ được thỏa mãn.
Các hiện tượng vật lý trong sự cố SB-LOCA: Các hiện tượng vật lý trong sự cố
SB-LOCA liên quan đến sự suy giảm áp suất của hệ thống nước tải nhiệt và được
chiếm ưu thế bởi cơ chế chất lỏng 2 pha. Hành vi của quá trình chuyển tiếp bị ảnh
hưởng mạnh bởi sự có mặt của vùng hoạt lò phản ứng do nó tiếp tục sinh nhiệt vào
nước tải nhiệt, mô hình vật lý của vòng nước tải nhiệt và hành vi của nước bên sơ cấp
của bình sinh hơi.
+ Giai đoạn đầu sự cố, các bơm ngừng hoạt động, nước được luân
chuyển bằng các cơ chế tuần hoàn tự nhiên khác nhau. Hiện tượng dòng hai pha
xuất hiện.
+ Đối với vỡ nhỏ, tuần hoàn tự nhiên đơn pha chiếm ưu thế làm nước
luân chuyển trong hệ thống khi mà bơm giảm công suất.
+ Khả năng duy trì dòng đơn pha tuần hoàn tự nhiên phụ thuộc vào độ
cao các thành phần chính của hệ thống luân chuyển chất tải nhiệt.
+ Khi khả năng tải nhiệt của bình sinh hơi giảm thì mức nước thứ cấp
giảm, nhiệt độ nước tải nhiệt tăng, tăng áp sơ cấp và tăng dòng qua vết vỡ.
+ Khi vỡ lớn, dòng HPSI không đủ bù cho sự thất thoát nước, quá trình

chuyển tiếp đơn pha thành tuần hoàn do sự sôi vùng hoạt và sự ngưng tụ trong
bình sinh hơi.
+ Mức nước bên lạnh của hệ thống nước tải nhiệt lò giảm để duy trì cân
bằng áp suất trong vòng.
+ Các khí không ngưng tụ như hydro tạo ra từ lớp vỏ thanh nhiên liệu do
phản ứng oxy hóa làm ảnh hưởng tới vòng tuần hoàn tự nhiên.
Các trường hợp cho sự cố SB-LOCA: Sự khác biệt lớn nhất giữa một sự cố SB-
LOCA và một sự cố LB-LOCA là tốc độ thất thoát nước làm mát và sự thay đổi áp suất
theo thời gian. Nói chung, các sự kiện trong sự cố SB-LOCA xảy ra chậm hơn so với
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51
25
sự cố LB-LOCA. Điều này cho phép người vận hành có nhiều thời gian hơn và có thể
đưa ra nhiều khả năng can thiệp khác nhau. Một điểm khác nhau về nguyên lý là sự
chiếm ưu thế của hiệu ứng trọng lực trong sự cố SB-LOCA so với sự chiếm ưu thế của
hiệu ứng quán tính trong sự cố LB-LOCA.
+ Tốc độ dòng nước qua vết vỡ tăng nhanh: dòng thay đổi từ một pha
sang hai pha bão hòa, lượng hơi nước tăng dần.
+ Áp suất vòng sơ cấp giảm nhanh đến khi nước chuyển thành hơi nước lò
được dập tắt tự động. Tốc độ giảm áp thay đổi khi nước trong vùng hoạt bắt đầu hóa
hơi.
+ Mức nước trong bình điều áp giảm nhanh: sự hóa hơi vào sôi của nước ở
vùng hoạt làm xuất hiện hơi nước ở khoang trên vùng hoạt và đỉnh lò. Dòng hai pha
luân chuyển trong các vòng sơ cấp và thứ cấp.
+ Sự trao đổi nhiệt trong SG thay đổi đáng kể: dòng hai pha luân chuyển
trong sơ cấp chạy trong các ống – U tạo lên sự không đồng đều pha, làm chênh lệch
mật độ.
+ HPSI và nước từ ASF không đủ bù lượng nước bị thất thoát qua vết vỡ.
Sự ổn định áp suất cao làm cản trở nước từ các ACC đi vào thùng lò trong khi sự sôi
trong thùng lò ngày càng tăng tiếp tục làm giảm lưu lượng nước. Dẫn đến, hơi lướng ở
đỉnh lò tăng mạnh, làm giảm mực nước và vùng hoạt bắt đầu mất nước bao bọc.

+ Sự thay đổi mức nước trong vùng hoạt phụ thuộc vào dòng thất thoát và
dòng từ HPSI, ACC.
+ Ống chữ – U không còn nước và mức nước tăng lên trong vùng hoạt.
Dẫn đến áp suất sơ cấp giảm xuống thấp hơn thứ cấp. Điều này làm thay đổi hướng
truyền nhiệt trong SG.
Phùng Khắc Toàn Lớp KTHN & VLMT – K 51