Tóm tắt luận án: Nghiên cứu tính toán vật lý nơtron, thủy nhiệt và quản lý vùng hoạt để vận hành an toàn và sử dụng hiệu quả lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM
------------------------------------

NGUYỄN KIÊN CƯỜNG
NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN VẬT LÝ, THỦY NHIỆT VÀ QUẢN LÝ
VÙNG HOẠT ĐỂ VẬN HÀNH AN TỒN VÀ SỬ DỤNG HIỆU QUẢ
LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ

HÀ NỘI – 2023
1


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUN TỬ VIỆT NAM
------------------------------------

NGHIÊN CỨU TÍNH TỐN VẬT LÝ, THỦY NHIỆT VÀ QUẢN LÝ
VÙNG HOẠT ĐỂ VẬN HÀNH AN TỒN VÀ SỬ DỤNG HIỆU QUẢ
LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

LUẬN ÁN TIẾN SỸ
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân

Mã số: 9.44.01.06

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN NHỊ ĐIỀN

HÀ NỘI - 2023
2


3


MỤC LỤC

MỞ ĐẦU...........................................................................................................2
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN............................................................................4
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới......................................................4
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước........................................................6
CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH TÍNH TỐN CHO LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
ĐÀ LẠT SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU ĐỘ GIÀU THẤP.................................10
2.1. Mơ hình tính tốn vật lý và thủy nhiệt..............................................10
2.2. Mơ hình tính tốn cho chương trình PARCS....................................13
2.3. Chương trình MCDL..........................................................................13
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.................................................16
3.1. Kết quả tính tốn vật lý và thủy nhiệt...............................................16
3.2. Kết quả tính tốn chuyển tiếp bằng chương trình PARCS..............20
3.3. Kết quả tính tốn cháy nhiên liệu bằng chương trình MCDL.........21
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................24

1

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Sau khi thực hiện thành công việc chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu
độ giàu thấp vào tháng 11 năm 2011, các chương trình tính tốn xác định các
thơng số vật lý, thủy nhiệt cũng như phân tích an tồn chi tiết, tính tốn cháy
nhiên liệu để quản lý vùng hoạt và nhiên liệu rất cần thiết phải được hiệu lực
hóa và đưa vào sử dụng. Các chương trình tính tốn có vai trị quan trọng trong
việc tính tốn thiết kế các thí nghiệm, thay đảo nhiên liệu phục vụ cho vận
hành an toàn và khai thác có hiệu quả Lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt
(PƯHNĐL).
Việc hiệu lực hóa các chương trình tính tốn liên quan đến vật lý và
thủy nhiệt được tiến hành và thể hiện chi tiết trong các kết quả của luận án. Các
thơng số đặc trưng vật lý, an tồn thủy nhiệt ở trạng thái vận hành ổn định được
xác định cho vùng hoạt sử dụng 92 bó nhiên liệu (BNL) độ giàu thấp.
Các nghiên cứu tính tốn phân tích an tồn cho Lị PƯHNĐL trước đây
chỉ tập trung chính vào sử dụng mơ hình tính tốn động học Lị điểm nên khó
phản ảnh việc ảnh hưởng đến khơng gian, cũng như thay đổi độ phản ứng của
thanh điều khiển đưa vào như bù trừ hoặc tự động. Chương trình PARCS có
khả năng tính tốn động học 3 chiều, nhiều nhóm năng lượng neutron có kết
hợp thủy nhiệt nên được sử dụng trong cả phân tích an tồn. Hằng số nhóm cho
chương trình PARCS được chuẩn bị từ chương trình Serpent 2 hoặc các
chương trình tính tốn ơ mạng khác như PIJ (SRAC) hay GENMAXS.
Với cấu trúc hình học phức tạp như Lị PƯHNĐL khi có mặt các kênh
ngang, cột nhiệt, tính tốn cháy nhiên liệu dựa vào các chương trình sử dụng
phương pháp Monte Carlo thường cho kết quả hợp lý, tin cậy về thông lượng,
tốc độ phản ứng cũng như hệ số nhân hiệu dụng. Kết hợp với module tính tốn
cháy nhiên liệu có tích hợp tính tốn nhiễm độc berily, chương trình MCDL
(Monte Carlo Depetion Light water reactor) được phát triển, đáp ứng yêu cầu
về chính xác với sai số 10 -12 đối với nồng độ hạt nhân. Dễ dàng sử dụng với khả

2


năng thay đổi vị trí thanh điều khiển trong quá trình tính tốn cháy, cũng như
có báo cáo tổng hợp các vùng và BNL theo bước thời gian tính cháy.
Thơng qua kết quả nghiên cứu, định hướng nghiên cứu tiếp theo tập
trung vào việc kết hợp tính tốn động học 3 chiều cùng với chương trình tính
tốn thủy nhiện mơ tả được cả hệ thống như chương trình RELAP5. Từ đó có
thể áp dụng tốt cho phân tích an tồn của Lò PƯHNĐL cũng như Lò phản ứng
nghiên cứu mới công suất cao đa mục tiêu trong tương lai.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu
Các kết quả nghiên cứu chính từ luận án đã có những đóng góp như sau:
-

Tính tốn vật lý và thủy nhiệt trong quản lý vùng hoạt và nhiên liệu đối
với Lò PƯHNĐL để vận hành an toàn và khai thác hiệu quả. Đặc biệt
là việc đánh giá, xác định được các thông số vật lý đặc trưng của vùng
hoạt sau các đợt vận hành dài ngày cũng như thay đảo nhiên liệu.

-

Sử dụng chương trình động học 3 chiều PARCS khảo sát và đánh giá
an tồn Lị PƯHNĐL trong tình huống chuyển tiếp và sự cố độ phản
ứng. Kết quả nghiên cứu này là tiền đề để tiến hành việc kết hợp với
chương trình RELAP5 nhằm có thể có được phân tích an tồn chính
xác hơn cho Lị PƯHNĐL cũng như Lị nghiên cứu mới trong tương
lai.

-

Xây dựng chương trình tính tốn cháy nhiên liệu có ghép nối với tính
tốn nhiễm độc berily đồng thời có thể cập nhật được chương trình
MCNP và thư viện tính tốn để áp dụng cho Lị PƯHNĐL trong việc
xác định phân bố cháy nhiên liệu ba chiều. Chương trình được sử dụng
nhằm mục tiêu chính là quản lý nhiên liệu, tính tốn các phương án
thay đảo nhiên liệu và áp dụng tốt cho Lò PƯHNĐL cũng như Lị phản
ứng có vật liệu berily trong vùng hoạt.
Kết hợp với hoạt động của Trung tâm tính tốn, các chương trình tính

tốn này được dùng là bộ cơng cụ chính cho cơng tác quản lý vùng hoạt và
nhiên liệu Lị PƯHNĐL. Ngồi ra, bộ chương trình này sẽ sử dụng trong tính
3


tốn thiết kế và phân tích an tồn cho Lị nghiên cứu mới công suất cao đa mục
tiêu.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Các chương trình tính tốn quản lý vùng hoạt và nhiên liệu xác định
các thơng số vật lý và an tồn thủy nhiệt đối với các lị phản ứng nghiên cứu
ln được quan tâm do ảnh hưởng trực tiếp đến q trình tính tốn thiết kế
cũng như đảm bảo an tồn trong vận hành, hiệu quả trong khai thác sử dụng.
Các chương trình tính tốn Vật lý hiện nay phát triển theo xu hướng dùng
phương pháp Monte Carlo vì sẽ có kết quả chính xác, hơn nữa tài nguyên máy
tính hiện này đáp ứng tốt về nhu cầu sử dụng. Tuy nhiên, các chương trình
dùng các phương pháp tất định vẫn cịn ngun giá trị khi cần thiết phải có kết
quả nhanh hoặc phải tính tốn với số lượng lớn như trong tính toán động học,
tối ưu thay đảo nhiên liệu. Các chương trình tính tốn được áp dụng cho hầu
hết các lị phản ứng nghiên cứu trên thế giới đều cần phải tiến hành hiệu lực
hóa khi so sánh với số liệu thực nghiệm hoặc kết quả từ bài toán chuẩn, chẳng

hạn như kết quả tính tốn từ các chương trình Monte Carlo. Có thể thấy rằng
các chương trình tính tốn vật lý hiện nay trên thế giới đều cho kết quả tính
tốn có độ tin cậy cao, đặc biệt là các chương trình dùng phương pháp Monte
Carlo. Bên cạnh đó thư viện tính tốn cũng ln được cập nhật, nâng cấp là
điều kiện tốt để tiệm cận với giá trị thực nghiệm. Hơn nữa, thuật tốn tính tốn
nhanh, kết hợp nhiều phương pháp cũng đang được phát triển nhằm đáp ứng
yêu cầu trong tính tốn thiết kế và quản lý vận hành lò phản ứng. Tuy nhiên,
việc tiến hành hiệu lực hóa các chương trình tính tốn ln là vấn đề được quan
tâm vì đặc tính của các lị phản ứng khác nhau, việc khai thác sử dụng đa dạng
cũng như có những yêu cầu đặc biệt trong thiết kế với loại nhiên liệu mới.
Đối với các nước có nền cơng nghiệp về cơng nghệ lị phản ứng phát
triển, các chương trình tính tốn về vật lý và thủy nhiệt đã được chứng thực qua
4


việc sử dụng cho nhiều lò phản ứng nghiên cứu khác nhau. Có thể phân ra các
ứng dụng chính cho các loại lị phản ứng nghiên cứu có nhiên liệu khác nhau
như nhiên liệu MTR, nhiên liệu lò TRIGA và nhiên liệu dáng ống đồng trục
của Nga sản xuất như VVR-M2, VVR-KN và IR-4M. Hầu hết các chương trình
dùng phương pháp Monte Carlo trong tính tốn vật lý khơng gặp khó khăn
trong mơ tả hình học. Riêng đối với các chương trình tính tốn thủy nhiệt thì
đặc biệt hơn do tùy thuộc vào dạng hình học để có hệ số thủy nhiệt hợp lý.
Chương trình MCNP vẫn ln được xem là chương trình phù hợp nhất cho tính
tốn vật lý của các lị phản ứng. Cịn các chương trình thủy nhiệt cần phải có
hình học riêng nên khác đặc thù và hai loại phổ biến là dạng tấm và dạng hình
trụ.
Tính tốn động học 3 chiều được xem là vấn đề quan trọng đặc biệt đối
với các lò phản ứng nghiên cứu cơng suất cao và các lị cơng suất. Chương
trình PARCS được dùng là cơng cụ thuộc bộ chương trình của cơ quan cấp
phép NRC Hoa Kỳ có đầy đủ các tính năng tính tốn từ phân tích an tồn kết

hợp động học 3 chiều đến việc tính tốn cháy nhiên liệu. Đối với lị nghiên cứu,
tính tốn động học thường ít được quan tâm và thường được dùng các chương
trình tính cho lị cơng suất. Tuy nhiên, những tính tốn động học 3 chiều ln
rất quan trọng nhằm đánh giá chính xác q trình xảy ra chuyển tiếp hay sự cố
của Lò phản ứng với việc cập nhật nhanh phân bố công suất chi tiết trong vùng
hoạt theo mơ hình tính tốn. Chương trình động học 3 chiều có thể áp dụng tốt
cho tính tốn tối ưu sử dụng nhiên liệu, mơ phỏng lị Phản ứng. Các chương
trình như RELAP5 cũng đã kết hợp với chương trình PARCS để ghép nối tính
tốn động học 3 chiều với tính toán thủy nhiệt. Và đây cũng là hướng sẽ được
phát triển đối với các lò phản ứng nghiên cứu.
Các chương trình tính tốn cháy nhiên liệu của châu Âu, Hoa kỳ hay
Nhật bản đều có thể áp dụng tốt cho Lị PƯHNĐL. Tuy nhiên, các chương
trình cần có thay đổi để phù hợp với cấu trúc, loại nhiên liệu cũng như nhiễm
độc berily như Lị PƯHNĐL. Chương trình REBUS-MCNP được xem là phù
5


hợp với tính tốn cháy nhiên liệu cho Lị PƯHNĐL. Ngồi ra, các chương trình
tính tốn khác như MVP-Burn, MCNP6 hoặc Serpent 2 cũng có thể sử dụng
được nhưng cần phải có điều chỉnh phù hợp.
Có thể thấy rằng, sự phát triển của các chương trình tính tốn cho lị
phản ứng nghiên cứu cũng như lị cơng suất trên thế giới ln phát triển và
từng bước tích hợp khả năng phù hợp với nhiều loại lò phản ứng khác nhau.
Tuy nhiên, để có bộ chương trình tính tốn phù hợp với đối tượng lị phản ứng
cụ thể, cần phải có hiệu lực hóa khi so sánh với kết quả thực nghiệm cũng như
tư số liệu tính tốn của các chương trình khác. Hơn nữa, đánh giá thư viện tính
tốn cũng là cần thiết để có lựa chọn tốt nhất để có kết quả đáng tin cậy.
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Lò PƯHNĐL đã vận hành được gần 40 năm sau khi được nâng cấp và
mở rộng sử dụng nhiên liệu VVR-M2 độ giàu cao 36% U-235 từ năm 1984 và

độ giàu thấp 19,75% U-235 từ năm 2012. Nhiều thí nghiệm liên quan đến xác
định các thông số vật lý, thủy nhiệt đặc trưng của vùng hoạt sử dụng hai loại
nhiên liệu khác nhau đã được thực hiện. Những số liệu thực nghiệm thu được
ngoài việc dùng trong quản lý, vận hành và khai thác sử dụng lò phản ứng cịn
được sử dụng để hiệu lực hóa các chương trình tính tốn cũng như các chương
trình tự phát triển tại đơn vị. Các chương trình tính tốn từng bước được sử
dụng trên Lò PƯHNĐL với xuất phát điểm là các chương trình sử dụng
phương pháp sai phân hữu hạn (HEXAGAII, III), phương pháp nodal
(HEXNOD23) 2 và 3 chiều cùng với các chương trình tính tốn ơ mạng
WIMS-D5, LEOPAD để xác định hằng số nhóm. Các chương trình này được
dùng để tính tốn và xác định các thơng số chính là hệ số nhân và thơng lượng
neutron theo nhóm năng lượng. Tính tốn cháy nhiên liệu và thay đảo nhiên
liệu cũng được thực hiện bằng các chương trình như HEXA-BURNUP,
HEXNOD23. Tiếp theo hệ thống chương trình SRAC được sử dụng để tính
tốn quản lý nhiên liệu và vùng hoạt bằng việc sử dụng các chương trình tính
tốn chính là PIJ, CITATION và CORE-BN. Các kết quả tính tốn từng bước
6


đã đa dạng hơn và có độ tin cậy cao hơn. Đồng thời hệ thống chương trình
WIMS-5D và CITATION được khai thác cho tính tốn vật lý và cháy đối với
Lị PƯHNĐL. Các chương trình MCNP và MVP từng bước được sử dụng cho
Lị PƯHNĐL trong tính tốn vật lý và cho kết quả chính xác khi so sánh với
kết quả thực nghiệm. Hệ chương trình WIMS-ANL và REBUS cũng như
REBUS-MCNP được sử dụng chủ yếu cho tính tốn thiết kế vùng hoạt độ giàu
thấp và chuyển đổi nhiên liệu. Các chương trình này cho thấy có độ tin cậy cao
và phù hợp với lò nghiên cứu sử dụng nhiên liệu do Liên bang Nga sản xuất.
Cịn chương trình thủy nhiệt trước đây áp dụng cho Lò PƯHNĐL được phát
triển tại đơn vị qua tính tốn giải tích, sau đó sử dụng chương trình COOLOD
nhưng mơ hình khơng thật sự phù hợp với loại nhiên liệu và cấu trúc vùng hoạt

có giếng hút như Lị PƯHNĐL. Trong q trình tính toán chuyển đổi nhiên liệu
cũng như khởi động vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp, chương trình
PLTEMP4.2 cho thấy có khả năng áp dụng tốt cho Lị PƯHNĐL với cơ chế đối
lưu tự nhiên, có hệ thức thủy nhiệt phù hợp nhiên liệu do Nga sản xuất và mơ
hình có giếng hút phía trên vùng hoạt. Và chương trình hồn tồn đáp ứng tốt
u cầu trong tính tốn an toàn thủy nhiệt ở trạng thái dừng khi tiến hành thiết
lập các cấu hình vùng hoạt trong thiết kế và thay đảo nhiên liệu. Viện Nghiên
cứu hạt nhân (NCHN) có BNL độ giàu cao gắn cặp nhiệt điện và được sử dụng
để hiệu lực hóa chương trình tính tốn PLTEMP, kết quả cho thấy sai khác
giữa kết quả tính tốn và thực nghiệm là khơng đáng kể, dưới 3 0C.
Tính tốn cháy nhiên liệu cho Lị PƯHNĐL được thực hiện bằng
chương trình CORE-BN trong hệ SRAC cho kết quả tương đối tốt nhưng còn
thiếu hiệu chỉnh nhiễm độc berily, sau đó cũng được thực hiện bằng cách cập
nhật hằng số nhóm các vật liệu có berily bị chiếu xạ neutron trong q trình
vận hành lị phản ứng. Hệ chương trình WIMS-ANL và REBUS sau đó là
REBUS-MCNP được dùng để tính tốn cháy nhiên liệu cho Lị PƯHNĐL có
tính đến nhiễm độc berily. Tuy nhiên, các chương trình này khi áp dụng cho
đối tượng lò phản ứng nghiên cứu khác với nhiên liệu khác thì phải tính tốn
7


thư viện cho chương trình tính cháy REBUS và khá phức tạp khi sử dụng. Loại
trừ khả năng này, chương trình MCDL được phát triển với input đơn giản, có
thể đáp ứng cho các lại nhiên liệu lò phản ứng nghiên cứu khác nhau. Các
chương trình MVP-Burn, MCNP6 và Serpent cũng được sử dụng cho tính tốn
cháy nhiên liệu nhưng hiệu quả nhất là chương trình Serpent vì tiện lợi, hiệu
quả. Việc đo đạc độ cháy của 106 BNL độ giàu cao trước khi chuyển về Liên
bang Nga là số liệu rất quan trọng để có thể hiệu lực hóa các chương trình tính
tốn.
Luận án “ Nghiên cứu thực nghiệm các đặc trưng vật lý neutron trong

Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt” của TS Hà Văn Thông thực hiện năm 1990
được thực hiện nhằm xác định các thông số Vật lý vùng hoạt sử dụng nhiên
liệu độ giàu cao. Trong luận án, tác giả đã nghiên cứu các vấn đề về động học
Lò phản ứng mà chủ yếu là sự có mặt của photoneutron sinh ra do sự có mặt
của vật liệu berily tại vành phản xạ, bẫy neutron cũng như các thanh berily. Các
thông số tĩnh học của vùng hoạt độ giàu cao trong giai đoạn khởi động được
xác định chủ yếu thông qua thực nghiệm như phân bố trường neutron theo
chiều cao và bán kính vùng hoạt, hệ số không đồng đều của phân bố trường
neutron, Laplacien, kích thước hiệu dụng và độ dài ngoại suy. Kết quả của luận
án góp phần tăng thêm hiểu biết và ứng dụng triển khai trên Lò PƯHNĐL như
sản xuất đồng vị phóng xạ, phân tích kích hoạt, vận hành an toàn.
Luận án nghiên cứu đối với vùng hoạt nhiên liệu độ giàu cao đã được
thực hiện của PGS. TS. Đỗ Quang Bình năm 1996 “Nghiên cứu các đặc trưng
động học và bố trí nhiên liệu tối ưu cho Lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt ” cũng
tập trung vào nghiên cứu động học lò trong thực nghiệm bao gồm xác định cấu
hình vị trí các thanh điều khiển thấp nhất để Lị đạt tới hạn, mức cơng suất tới
hạn tối thiểu, mức công suất nguồn, đáp ứng của mật độ neutron trong các
trạng thái dưới tới hạn và tới hạn. Các thơng tin này có ý nghĩa quan trọng
trong việc đảm bảo vận hành Lị an tồn. Từ đó cũng đề xuất phương án đo độ
cháy BNL trong vùng hoạt thông qua sự phụ thuộc độ phản ứng và độ cháy
8


theo hàm tuyến tính. Đồng thời, luận án cũng đề cập đến việc xây dựng các
chương trình tính tốn Vật lý, cháy nhiên liệu (2 chiều), tính tốn dự báo cháy
nhiên liệu và bố trí nhiên liệu tối ưu cho Lị phản ứng. Các kết quả cũng tập
trung chính vào vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu cao.
Luận án “ Phát triển mơ hình tính tốn Vật lý và tối ưu quản lý nhiên
liệu vùng hoạt (HEU) của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt” của NCS Phan Thị
Thùy Giang năm 2021 thực hiện các nội dung: Xây dựng và hiệu lực mơ hình

tính tốn vật lý neutron cho các phân tích tới hạn và cháy nhiên liệu của Lị
PƯHNĐL sử dụng chương trình SRAC. Đánh giá định lượng ảnh hưởng của
các thư viện dữ liệu hạt nhân ENDF/B-VII.0, JENDL-3.3 và JENDL-4.0 lên
kết quả tính tốn tới hạn và giá trị thanh điều khiển tự động trong so sánh với
các tính tốn từ mơ hình MCNP5 và số liệu thực nghiệm. Phát triển phương
pháp quản lý nhiên liệu vùng hoạt mới sử dụng thuật tốn tiến hóa vi phân rời
rạc (DE) áp dụng cho Lò PƯHNĐL nạp tải nhiên liệu VVR-M2 loại HEU. Các
kết quả của luận án đã tạo ra nền tảng cho tính tốn Vật lý, cháy nhiên liệu và
thay đảo nhiên liệu tối ưu cho vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu cao.
Các luận án đã thực hiện nghiên cứu cho đối tượng chính là Lị
PƯHNĐL bao gồm tính tốn và thực nghiệm đối với vùng hoạt sử dụng nhiên
liệu độ giàu cao trong giai đoạn 1984 đến trước năm 2007. Các kết quả từ các
luận án là bước đi cơ bản trong quá trình tiếp cận và làm chủ về cơng nghệ Lị
phản ứng. Ngồi ra, những kết quả này hồn tồn có thể áp dụng cho vùng hoạt
sử dụng hoàn toàn nhiên liệu độ giàu thấp từ năm 2012 đến hiện nay.
Động học 3 chiều chưa được áp dụng cho Lò PƯHNĐL mà chỉ áp
dụng động học lị điểm trong chương trình RELAP 5 cũng như chương trình
DRSIM tự phát triển. Các chương trình này được hiệu lực hóa bằng cách so
sánh với kết quả thực nghiệm khi đưa vào độ phản ứng nhỏ hơn 10 cent theo
bước. Các tính tốn động học lị 3 chiều cần phải áp dụng vì có tính đến không
gian và liên tục cập nhật thông tin về phân bố cơng suất của vùng hoạt trong
q trình khảo sát theo bước thời gian.
9


Có thể thấy rằng các chương trình tính tốn hiện đại trong quản lý vùng
hoạt và nhiên liệu cũng như phân tích an tồn từng bước được áp dụng và là kết
quả của nghiên cứu nhiều năm. Từ đó hình thành được hệ thống chương trình
sử dụng trong quản lý, vận hành và khai thác hiệu quả Lò PƯHNĐL.
CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH TÍNH TỐN CHO LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

ĐÀ LẠT SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU ĐỘ GIÀU THẤP
2.1. Mơ hình tính tốn vật lý và thủy nhiệt
Các chương trình tính tốn vật lý cho Lị phản ứng có thể chia làm hai
loại chính là sử dụng phương pháp tất định và phương pháp Monte Carlo. Các
chương trình sử dụng phương pháp tất định thường được tiến hành theo hai
bước bao gồm: tính tốn hằng số nhóm thơng qua việc giải phương trình vận
chuyển để có được các thơng số như hệ số khuếch tán, các tiết diện; tiếp theo là
tính tốn tồn Lị bằng các phương pháp như sai phân hữu hạn, nodal để giải
phương trình khuếch tán 2 hoặc 3 chiều với số liệu hằng số nhóm đã chuẩn bị.
Thơng số thu nhận chính trong tính tốn tồn lị là hệ số nhân, phân bố thông
lượng neutron hoặc công suất. Các hệ chương trình tính tốn sử dụng phương
pháp tất định hiện đang sử dụng chính cho Lị PƯHNĐL dùng nhiên liệu độ
giàu thấp là hệ chương trình SRAC2006, WIMS-ANL và REBUS. Các chương
trình tính tốn hằng số nhóm được sử dụng chủ yếu là PIJ và WIMS-ANL với
mô hình cho nhiên liệu, các thanh điều khiển và phần nhơm đi theo phía dưới,
các kênh chiếu xạ, bẫy neutron, các ơ mạng phía biên vùng hoạt, các ơ mạng
trên vành phản xạ graphite có cả mâm quay, kênh ngang và cột nhiệt. Tổng số
các ô mạng cần chuẩn bị hằng số nhóm vào khoảng 45 loại. Số nhóm năng
lượng được co lại và dùng cho các chương trình tồn Lị như CITATION,
REBUS khoảng 7 nhóm năng lượng.

10
a

b

c


Hình 2.1. Mơ hình tính tốn cho nhiên liệu loại VVR-M2 của Lị PƯHNĐL

(Mơ hình tính tốn bằng chương trình a)MCNP, b)PIJ và c)WIMS-ANL)
Đối với các thanh điều khiển bù trừ với sự có mặt của vật liệu hấp thụ
neutron lớn nên tỉ số dịng neutron trên thơng lượng neutron tại biên ô mạng
được xác định và sử dụng trong tính tốn tồn lị.
Các chương trình tính tốn tồn Lị được sử dụng dựa trên hình học lục
giác. Theo chiều cao, đối với chương trình CITATION, các ơ mạng chia đều
theo chiều cao và có sự đồng nhất hóa vật liệu một số vùng nhất định. Ngược
lại, trong chương trình REBUS, chiều cao của ô mạng được phân chia tùy theo
vùng vật liệu cũng như u cầu của bài tốn.

a
b
Hình 2.2. Mơ hình tính tốn cho Lị PƯHNĐL bằng chương trình REBUS (a)
và CITATION (b)
Các chương trình tính tốn sử dụng phương pháp Monte Carlo như
MCNP, MVP hoặc Serpent 2, mơ hình tính tốn hồn tồn được mơ tả gần như
thực tế, ngoại trừ phần hình học phía đầu và đi BNL khá phức tạp nên được
đồng nhất hóa.

11


Hình 2.3. Mơ hình tính tốn cho Lị PƯHNĐL bằng chương trình MCNP
Các chương trình tính tốn dùng phương pháp Monte Carlo hồn tồn
có thể mơ phỏng với hình học phức tạp như Lò PƯHNĐL bao gồm cả cấu trúc
kênh ngang, cột nhiệt cũng như chi tiết các kênh chiếu xạ trong vùng hoạt, các
khối berily tại bẫy và xung quanh vùng hoạt. Thư viện tính tốn được dùng với
dạng gần như liên tục và hồn tồn có thể chủ động xây dựng khi dùng chương
trình NJOY2016 để xử lý các số liệu từ nguồn ENDF/B, JEFF hoặc JENDL.
Tính tốn thủy nhiệt cho Lò PƯHNĐL được thực hiện chủ yếu bằng

chương trình PLTEMP4.2. Chương trình đã được hiệu lực hóa bằng cách so
sánh trực tiếp với số liệu thực nghiệm sử dụng BNL thí nghiệm có cặp nhiệt
điện đối với vùng hoạt sử dung nhiên liệu độ giàu cao 36% U-235. Với đặc
điểm nhiên liệu dạng đồng trục, phía trên vùng hoạt có giếng hút và sử dụng cơ
chế đối lưu tự nhiên để tải nhiệt mơ hình tính tốn hồn tồn được mơ tả hợp lý
bằng chương trình PLTEMP4.2. Hơn nữa, các hệ thức thủy nhiệt dùng cho
nhiên liệu VVR-M2 được cho sẵn trong chương trình.
Ơ 4-5

a
)

b
)

Nhiên liệu

c
)

Beryllium

Ơ 10-5

Nước

Kênh khô và ướt

12

Hình 2.4. Mơ hình tính tốn thủy nhiệt cho Lị PƯHNĐL bằng chương trình
PLTEMP (a: BNL; b: Mơ hình BNL, c: Mơ hình vùng hoạt và giếng hút)
Các thơng số an tồn như tỉ số khởi điểm sơi (ONBR), tỉ số khủng
hoảng sôi (DNBR), lưu lượng chất làm nguội qua vùng hoạt, nhiệt độ nhiên
liệu, vỏ bọc được xác định với điều kiện nhiệt độ lối vào 32 0C, công suất vận
hành 500 kW. Ngồi ra, việc phân tích các hệ số bất định cũng được thực hiện
từ chương trình với các thông số cụ thể liên quan đến các tính chất thủy nhiệt
của nhiên liệu, vùng hoạt làm việc.
2.2. Mơ hình tính tốn cho chương trình PARCS
Chương trình PARCS được sử dụng trong tính tốn động học 3 chiều
dựa trên tính tốn vật lý, động học và thủy nhiệt. Hằng số nhóm sử dụng trong
tính tốn được chuẩn bị từ chương trình Serpent 2 bao gồm chi tiết các ơ mạng
tương tự như chương trình REBUS. Số nhóm trong tính tốn chủ yếu là 2 nhóm
năng lượng neutron và các thông số thủy nhiệt dùng chủ yếu từ chương trình
nên thật sự chưa phù hợp với yêu cầu như Lị PƯHNĐL.

a
b
Hình 2.5. Mơ hình tính tốn sử dụng trong chương trình PARCS (a-chiều bán
kính và b-chiều cao)
13


2.3. Chương trình MCDL
Chương trình MCDL được phát triển dựa trên việc kết hợp chương
trình MCNP và Module tính tốn cháy nhiên liệu có đánh giá nhiễm độc berily
(có sự xuất hiện các đồng vị H-3, He-3 và Li-6 khi berily bị chiếu xạ bởi
neutron). Phương trình Beteman được giải dựa trên phương pháp Runge Kutta
(RADAU II) có sai số khoảng 10-12 đối với mật độ nguyên tử trong tính tốn.

Chương trình được xây dựng với các module: Kiểm sốt chung; Chạy chương
trình MCNP thu nhận thơng lượng và tốc độ phản ứng phân hạch, bắt neutron,
sinh neutron đối với berily có phản ứng (n, α), (n, p) và (n, t); Đọc số liệu), (n, p) và (n, t); Đọc số liệu
output từ chương trình và tính tốn cháy nhiên liệu; Cập nhật số liệu để tạo
input mới cho chương trình. Chương trình có khả năng tính tốn với sự thay
đổi vị trí thanh điều khiển theo bước thời gian xác định. Input của chương trình
gồm có input chung để xác định các vùng có nhiên liệu, thể tích, thời gian vận
hành tương ứng với cơng suất và vị trí các thanh điều khiển theo bước tính
cháy. Input chi tiết của chương trình MCNP gồm các phần mơ tả vật liệu, cấu
trúc hình học. Thư viện của chương trình gồm các thông số liên quan đến 21
đồng vị nặng và 50 sản phẩn phân hạch cũng như các tỉ số sinh đồng vị từ các
đồng vị nặng. Chương trình MCNP và thư viện tính tốn hồn tồn có thể thay
đổi, cập nhật mới mà không ảnh hưởng đến kết quả tính tốn cháy từ chương
trình. Ngồi output là input được cập nhật thành phần đồng vị theo bước cháy
cho chương trình MCNP, thơng tin báo cáo độ cháy trung bình và chi tiết các
vùng nhiên liệu cũng như khối lượng các đồng vị uranium, plutonium được đưa
trong file trung gian, file tổng kết đưa ra các thông tin cuối cùng về phân bố
cháy của các vùng và toàn bộ BNL trong vùng hoạt.
Chương trình được áp dụng trong tính tốn cháy nhiên liệu cho vùng
hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu cao và độ giàu thấp. Theo chiều cao, các BNL
được chia thành 5 đến 10 phần có thể tích giống nhau để xác định độ cháy theo
thời gian vận hành Lị. Trong tính tốn thay đảo nhiên liệu cho vùng hoạt sử
dụng nhiên liệu độ giàu thấp, chương trình được sử dụng như là công cụ chủ
14


yếu. Hơn nữa, việc tính tốn cập nhật độ cháy nhiên liệu, cũng như dùng cho
tính tốn thiết kế tăng cường khả năng sản xuất đồng vị I-131 trên Lò
PƯHNĐL cũng được thực hiện bằng chương trình MCDL.
Chương trình MCDL được hiệu lực hóa thơng qua việc so sánh trực

tiếp với kết quả tính tốn từ chương trình REBUS-MCNP, SRAC và số liệu
thực nghiệm đo đạc 106 BNL đã cháy có độ giàu cao trước khi chuyển trả về
Liên bang Nga vào năm 2013. So với các chương trình tính tốn cháy khác,
chương trình MCDL dễ dàng sử dụng và cập nhật, ngồi ra chương trình có thể
chạy cả trong hệ điều hành Window hoặc Linux với khả năng chạy song song
của chương trình MCNP bằng mơi trường MPI.

15


CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Kết quả tính toán vật lý và thủy nhiệt
Vùng hoạt sử dụng 92 BNL độ giàu thấp được tính tốn chi tiết các
thơng số đặc trưng bằng chương trình MCNP, REBUS bao gồm: từ tới hạn, độ
phản ứng dự trữ, độ hiệu dụng các thanh điều khiển, phân bố thông lượng
neutron, hệ số bất đồng đều công suất, các hệ số phản hồi nhiệt độ và thông số
động học. Một số các thông số quan trọng này được sử dụng trong tính tốn
thủy nhiệt bằng chương trình PLTEMP cũng như phân tích an tồn bằng
chương trình RELAP5.
BNL độ giàu cao và độ giàu thấp được đánh giá về hệ số nhân, phổ
neutron cũng như so sánh khi dùng thư viện tính tốn khác nhau. So với BNL
độ giàu cao, BNL độ giàu thấp có giá trị hệ số nhân thấp hơn, phổ neutron có
phần nhiệt thấp hơn. Do vậy làm giảm thơng lượng trung bình neutron trong
vùng hoạt cũng như tại các vị trí chiếu xạ. Bẫy neutron dó có xếp 12 thanh
berily xung quanh nên gia tăng vật liệu làm chậm neutron và duy trì được
thơng lượng neutron cao trong bẫy để có thể tiếp tục sử dụng cho sản xuất đồng
vị hiệu quả.
25 cấu hình vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp được thiết lập
trong quá trình tiến hành khởi động vật lý và năng lượng. Các cấu hình được
tính tốn cho thấy có sự ổn định từ kết quả các chương trình sử dụng phương

pháp Monte Carlo như MCNP và MVP trong khi các chương trình SRAC,
REBUS cho kết quả có bất định cao hơn. Kết quả cho thấy hệ số nhân trong
16


bình khi dùng chương trình MCNP với thư viện ENDF/BVII.1 có giá trị xấp xỉ
0,9997. Độ lệch chuẩn tính tốn hệ số nhân trong khoảng từ 0.00006 đến
0.0001 đối với chương trình MCNP, cịn các chương trình tất định khoảng
10-5. Thực nghiệm chịu sai số chủ yếu là do vị trí thanh điều khiển cũng như
nhiệt độ của nước trong bể lị và có giá trị khoảng 0.0115%.
Các thanh điều khiển được tính tốn và so sánh với kết quả thực
nghiệm sử dụng phương pháp chu kỳ tiệm cận để xác định độ hiệu dụng thanh
điều khiển tự động và phương pháp bù trừ để xác định độ hiệu dụng các thành
bù trừ. Sai khác độ phản ứng giữa tính tốn và thực nghiệm chỉ dưới 7%, cho
thấy có sự phù hợp rất tốt giữa tính tốn và thực nghiệm. Độ hiệu dụng một số
BNL, thanh berily ở các vị trí quan trọng trong vùng hoạt cũng được xác định
và cho kết quả có sai khác khơng đáng kể so với thực nghiệm.
Phân bố thông lượng neutron tại các vị trí chiếu mẫu được quan tâm
nhằm đánh giá khả năng khai thác sử dụng của Lò PƯHNĐL. So với các cấu
hình vùng hoạt trước đây khi sử dụng nhiên liệu độ giàu cao và vùng hoạt hỗn
hợp, vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp có giảm đi từ 10 đến gần 20%
ngoại trừ bẫy neutron. Phương pháp kích hoạt lá dị được sử dụng để xác định
thơng lượng nhiệt tương đối (lá dò Lu) và tuyệt đối (lá dị Au), sai khác giữa
tính tốn và thực nghiệm tối đa dưới 10%. Phân bố thông lượng neutron nhiệt
trong vùng hoạt có xu hướng lệch về phía trên vùng hoạt do có mặt cột nhiệt và
ảnh hưởng từ các kênh ngang.

17