Phân tíh và đánh giá an toàn thanh nhiên liệu tvs 2006 của lò phản ứng aes 2006 trong quá trình vận hành khi có sự cố

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

ĐỖ NGỌC ĐIỆP

Phân tích và đánh giá an tồn thanh nhiên liệu TVS-2006 của
lò phản ứng AES-2006 trong quá trình vận hành khi có sự cố
Chun ngành: KỸ THUẬT HẠT NHÂN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. TRẦN KIM TUẤN

Hà Nội – 2018

Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113840161000000


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình khoa học chưa được cá nhân hoặc tổ
chức nào công bố. Tất cả các số liệu trong luận văn đều trung thực, khách quan và
có nguồn gốc rõ ràng. Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu,
phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam.
Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.
Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về cơng trình nghiên cứu của riêng mình!
Hà Nội, ngày

tháng năm 2018

Tác giả Luận văn

Đỗ Ngọc Điệp


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn các giảng viên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã
truyền đạt cho tác giả kiến thức trong thời gian học ở trường, cảm ơn Cục Năng lượng
nguyên tử đã tạo điều kiện cho tơi trong q trình thực hiện Luận văn. Xin cảm ơn
nhóm thực hiện đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của q trình vận hành đến tính chất
của nhiên liệu và vỏ thanh nhiên liệu trong lò phản ứng VVER-1000” gồm TS. Trần
Đại Phúc và một số cá nhân khác đã giúp đỡ tơi trong q trình thực hiện Luận văn.
Xin chân thành cảm ơn TS. Trần Kim Tuấn đã tận tình hướng dẫn tơi hồn
thành tốt Luận văn này!
Tác giả Luận văn
Đỗ Ngọc Điệp


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

MỤC LỤC
DANH MỤC CC BẢNG BIU ............................................................................. 2
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................................................... 6
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 8
A. Cơ sở thực hiện Luận văn ...................................................................................... 8
B. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ............................................................................ 8
C. Cấu trúc của Luận văn ............................................................................................ 9
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN.................................................................................. 10
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu về nhiên liệu hạt nhân .................................... 10

1.2. Tổng quan sự cố LOCA ..................................................................................... 11
1.3. Mô tả diễn biến của sự cố LOCA....................................................................... 13
1.4. Tình trạng nhiên liệu trong từng giai đoạn LOCA ............................................. 22
1.5. Những tác động làm biến đổi nhiên liệu trong sự cố LOCA ............................. 23
CHƯƠNG 2 – TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU TVS-2006 VÀ CHƯƠNG
TRÌNH TÍNH TỐN FRAPTRAN1.5 .................................................................. 50
2.1. Giới thiệu lị phản ứng AES-2006...................................................................... 50
2.2. Đặc điểm thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 của lò phản ứng AES-2006 ...... 53
2.3. Các tiêu chuẩn an tồn liên quan đến lị phản ứng VVER [6] ........................... 56
2.4. Chương trình FRAPTRAN1.5 ........................................................................... 63
CHƯƠNG 3 – TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH AN TỒN THANH NHIÊN
LIỆU TVS-2006 ....................................................................................................... 87
3.1. Phương pháp và các điều kiện biên trong phân tích an tồn thanh nhiên liệu
TVS-2006 .................................................................................................................. 87
3.2. Lựa chọn mơ hình hóa........................................................................................ 91
3.3. Tính tốn và phân tích an tồn thanh nhiên liệu TVS-2006 trong điều kiện vận
hành khi có sự cố ....................................................................................................... 91
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 125
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 127
PHỤ LỤC INPUT CHƯƠNG TRÌNH FRAPTRAN1.5 .................................... 129

1


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

DANH MỤC CC BẢNG BIU

Bảng 1.1. Các hiện tượng hóa lý liên quan đến nhiên liệu khi tăng nhiệt độ ...... 47
Bảng 2.1. Các thơng số thiết kế của lị phản ứng AES-2006 ............................... 51
Bảng 2.2. Các thông số thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 ............................... 54
Bảng 3.1. Phân bố công suất theo dọc trục của thanh nhiên liệu sử dụng trong
việc đánh giá an toàn ............................................................................................ 88
Bảng 3.2. Các biến cố diễn ra trong quá trình vận hành khi xảy ra sự cố ........... 92
Bảng 3.3. Các sự kiện diễn ra trong quá trình vận hành khi xảy ra sự cố. ........ 106
Bảng 3.4. Một số kết quả thu được từ chương trình FRAPTRAN1.5 trong sự cố
LOCA vỡ lớn ...................................................................................................... 121
Bảng 3.5. So sánh kết quả từ FRAPTRAN với PSAR....................................... 123

2


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1. Hiện tượng đi tắt của dịng nước làm mát vùng hoạt khẩn cấp ........... 12
Hình 1.2. Các giai đoạn trong sự cố LB-LOCA ..................................................14
Hình 1.3. Xu hướng thay đổi nhiệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu tính được trong sự
cố LB-LOCA ở lị phản ứng PWR ....................................................................... 14
Hình 1.4. Sự đi tắt của nước được bơm từ hệ thống ECCS ................................. 16
Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống lị phản ứng ở cuối giai đoạn lấp đầy trở lại và đầu giai
đoạn làm ngập trở lại ............................................................................................ 17
Hình 1.6. Sự rơi của màng chất lỏng và nhúng lạnh bề mặt lớp vỏ thanh nhiên
liệu ........................................................................................................................ 17
Hình 1.7. Áp suất vịng sơ cấp và thứ cấp tính được đối với vết vỡ 7,62 cm trong

lị phản ứng PWR ................................................................................................. 20
Hình 1.8. Vùng hoạt bắt đầu khơng có nước bao bọc .......................................... 21
Hình 1.9. Biến đổi nhiên liệu tương ứng với ba giai đoạn LB-LOCA ................ 22
Hình 1.10. Tình trạng lớp vỏ dưới tác dụng oxi hóa ............................................ 25
Hình 1.11. Q trình oxi hóa trong điều kiện thường và trong điều kiện LOCA 26
Hình 1.12. Khối lượng hạt đối với lớp vỏ E110 trong hơi ở áp suất khí quyển .. 28
Hình 1.13. Q trình oxi hóa hơi E110 trong khoảng nhiệt độ 800-1200°C ....... 28
Hình 1.14. Q trình oxi hóa ở nhiệt độ cao dưới một lớp oxit dạng nốt hình
thành trong q trình oxi hóa. .............................................................................. 33
Hình 1.15. Tác động của “tiền-hydro hóa” đến q trình oxi hóa nhiệt độ cao
Zircaloy-4 với t lệ Sn thấp.................................................................................. 36
Hình 1.16. Vi cấu trúc trong lớp vỏ Zircaloy sau quá trình oxi hóa gần 1200°C 39
Hình 1.17. Sự phân bố oxy trong oxit, lớp ổn định α và lớp β-trước trong lớp vỏ
Zircaloy sau q trình oxi hóa gần 1200°C..........................................................40
Hình 1.18. Đặc trưng của thanh nhiên liệu PWR trong quá trình làm mát vùng
hoạt lị phản ứng khi có sự cố LOCA ..................................................................42

3


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

Hình 1.19. Quá trình chuyển đổi từ dẻo – giịn phụ thuộc vào q trình oxi hóa
và hàm lượng hydro. ............................................................................................ 43
Hình 1.20. Tính bất đẳng hướng của vật liệu lớp vỏ thanh nhiên liệu................. 44
Hình 1.21. Hình lớp vỏ bị phồng vỡ .................................................................... 46
Hình 2.1. Bó thanh nhiên liệu sử dụng trong lị phản ứng AES-2006 ................. 50
Hình 2.2. Thanh nhiên liệu sử dụng trong lị phản ứng AES-2006 ..................... 53

Hình 2.3. Giản đồ thuật tốn của FRAPTRAN1.5...............................................66
Hình 2.4. Giản đồ mơ hình nhiệt độ nhiên liệu và lớp vỏ thanh nhiên liệu ......... 67
Hình 2.5. Mối liên hệ giữa thơng lượng nhiệt bề mặt và nhiệt độ bề mặt ........... 70
Hình 2.6. Mơ tả mơ hình BALON2 ..................................................................... 78
Hình 2.7. Ứng lực Hoop tại vị trí nổ vỡ được xác định bằng mơ hình BALON278
Hình 2.8. Phân bố áp suất bên trong thanh nhiên liệu với mơ hình dịng khí ...... 82
Hình 2.9. Ví dụ về một mơ hình thanh nhiên liệu nốt hóa ................................... 85
Hình 2.10. Mơ hình hóa TNLHN trong FRAPTRAN. ........................................ 86
Hình 3.1. Vị trí bó thanh nhiên liệu hạt nhân trong vùng hoạt ở chu kỳ thứ nhất 88
Hình 3.2. Vị trí bó thanh nhiên liệu hạt nhân trong vùng hoạt ở chu kỳ cân bằng 89
Hình 3.3. Năng lượng lưu giữ trong nhiên liệu ở trạng thái vận hành ngay trước
khi xảy ra sự cố .................................................................................................... 89
Hình 3.4. Hàm lượng hydro chứa trong lớp vỏ thanh nhiên liệu ở trạng thái ngay
trước khi xảy ra sự cố ........................................................................................... 90
Hình 3.5. Độ dày lớp oxit trên lớp vỏ thanh nhiên liệu trong điều kiện vận hành
ngay trước khi xảy ra sự cố .................................................................................. 90
Hình 3.6. Hệ số phát tán cơng suất trong vùng hoạt ............................................ 93
Hình 3.7. Áp suất trong vùng hoạt và bình điều áp ............................................. 94
Hình 3.8. Dịng làm mát trong lị phản ứng ......................................................... 94
Hình 3.9. Nhiệt độ chất làm mát trong vùng hoạt ................................................ 95
Hình 3.10. Enthalpy nhiên liệu ............................................................................ 95
Hình 3.11. Áp suất chất làm mát của hệ thống sơ cấp ......................................... 96

4


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

Hình 3.12. Cơng suất thanh nhiên liệu trung bình ............................................... 97
Hình 3.13. Nhiệt độ tâm nhiên liệu ...................................................................... 98
Hình 3.14. Nhiệt độ trung bình trên lưới phân chia thanh nhiên liệu .................. 99
Hình 3.15. Độ giãn dài theo trục của lớp vỏ thanh nhiên liệu ............................. 99
Hình 3.16(a) Nhiệt độ trung bình của lớp vỏ thanh nhiên liệu (FRAPTRAN) . 100
Hình 3.16(b) Nhiệt độ trung bình lớp vỏ thanh nhiên liệu (PSAR) ................... 100
Hình 3.17(b) Enthalpy nhiên liệu theo phương bán kính (FRAPTRAN) .......... 101
Hình 3.18. Độ biến dạng tiếp tuyến trên lớp vỏ thanh nhiên liệu ...................... 102
Hình 3.19. Ứng suất tác động trên lớp vỏ thanh nhiên liệu ............................... 103
Hình 3.20. Độ dày lớp oxit................................................................................. 104
Hình 3.21. Mật độ chất làm mát trong vùng hoạt .............................................. 105
Hình 3.22. Hệ số phát tán cơng suất trong vùng hoạt ........................................ 108
Hình 3.23. Áp suất trong vùng hoạt và bình điều áp ......................................... 108
Hình 3.24. Tốc độ dòng làm mát trong vùng hoạt. ............................................ 109
Hình 3.25. Nhiệt độ nước làm mát trong vùng hoạt. ......................................... 109
Hình 3.26. Áp suất chất làm mát của hệ thống sơ cấp ....................................... 110
Hình 3.27. Cơng suất trung bình của thanh nhiên liệu....................................... 111
Hình 3.29. Nhiệt độ trung bình trên lưới phân chia thanh nhiên liệu ................ 113
Hình 3.30 Nhiệt độ trung bình của vỏ thanh nhiên liệu ..................................... 114
Hình 3.31. Độ biến dạng tiếp tuyến trên lớp vỏ thanh nhiên liệu ...................... 115
Hình 3.32. Độ biến dạng tiếp tuyến trên bề mặt nhiên liệu ............................... 116
Hình 3.33. Ứng suất tác động trên lớp vỏ thanh ................................................ 116
Hình 3.34. Ứng suất tiếp tuyến trên lớp vỏ thanh .............................................. 117
Hình 3.35. Áp suất khí bên trong khoảng cách nhiên liệu–lớp vỏ..................... 118
Hình 3.36. Độ giãn dài của lớp vỏ thanh nhiên liệu .......................................... 118
Hình 3.37. Độ gia tăng enthalpy nhiên liệu sau trạng thái ổn định.................... 119
Hình 3.38. Độ dày lớp oxit................................................................................. 120

5

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Viết tắt
AOOs
ACC
AFWS
BDBA
BOC
BTĐK
BWR
BTNLHN
DNB
DBA
ECR
ECCS
ECP1
ECP2
FGR
HBS
HT1
HT2
HPSI
MCL
LPƯHN
LPSI
LWR
LOCA
LB-LOCA
NLHN

NMĐHN
NSSS
PWR
PCI

Đỗ Ngọc Điệp

DANH MỤC CC CHỮ VIẾT TẮT
Tiếng Anh
Tiếng Việt
Anticipated Operational
Các sự cố vận hành đã được lường
Occurrences
trước
Accumulator
Bình tích nước dự trữ
Auxiliary Feed Water System
Hệ thống cấp nước phụ trợ
Beyong Design Basis Accidents Sự cố ngoài cơ sở thiết kế
Beginning Of the reactor Cycle
Bắt đầu chu kỳ của lị phản ứng
Bó thanh điều khiển
Lị phản ứng nước sơi
Bó thanh nhiên liệu hạt nhân
Departure from Nucleate Boiling Dời khỏi sôi bọt
Design Basis Accidents
Sự cố trong cơ sở thiết kế
Equivalent Cladding Reactor
Độ dày của lớp ZrO2 so với vỏ thanh
Cycle

nhiên liệu
Emergency Core Cooling System
Hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp
Emergency Coolant Pump 1
Hệ thống làm mát khẩn cấp 1
Emergency Coolant Pump 2
Hệ thống làm mát khẩn cấp 2
Fission Gas Release
Phát tán khí phân hạch
High Burn-up Structure
Cấu trúc nhiên liệu độ cháy cao
Hệ thống 1
Hệ thống 2
High Pressure Safety Injection
Hệ thống bơm an toàn áp suất cao
Middle Cladding Lenght
Nửa độ dày lớp vỏ
Lò phản ứng hạt nhân
Low Pressure Safety Injection
Hệ thống bơm an toàn áp suất thấp
Lò phản ứng nước nhẹ
Loss Of Coolant Accidents
Sự cố mất nước làm tải nhiệt
Large Break LOCA
Sự cố mất nước làm tải nhiệt vỡ lớn

Nuclear Steam Supply System
Pellet-Cladding Interaction

Nhiên liệu hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân
Hệ thống cung cấp hơi hạt nhân
Lò phản ứng nước áp lực
Tương tác giữa viên nhiên liệu và
lớp vỏ thanh nhiên liệu hạt nhân

6


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

PCMI
PSAR
RIA
RHRS
SB-LOCA
SIT
SPPH
SPPHK
TNLHN
TDK

Pellet-Cladding Mechanical
Interaction
Preliminary Safety Analysis
Report
Reactivity Initiated Accidents
Residual Heat Removal System
Small Break LOCA
Safety Injection Tank

Đỗ Ngọc Điệp

Tương tác cơ học giữa viên nhiên liệu và
lớp vỏ thanh nhiên liệu hạt nhân
Hồ sơ phân tích an tồn sơ bộ
Sự cố gây ra do thay đổi đột ngột độ
phản ứng
Hệ thống tải nhiệt dư
Sự cố mất nước làm tải nhiệt vỡ nhỏ
Bể chứa nước bơm phun an toàn
Sản phẩm phân hạch
Sản phẩm phân hạch dạng khí
Thanh nhiên liệu hạt nhân
Thanh điều khiển

7


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

MỞ ĐẦU
A. Cơ sở thực hiện Luận văn
Sự phát triển của nền công nghiệp điện hạt nhân trên thế giới không thể tách
rời việc bảo đảm an toàn cho các nhà máy đang vận hành cũng như các nhà máy
đang được thiết kế và xây dựng. Do đó, phân tích an tồn đóng vai trò quan trọng
đối với các nhà vận hành, cơ quan quản lý, các nhà khoa học và các nhà nghiên cứu
liên quan đến nhà máy điện hạt nhân. Để phân tích chính xác các thơng số và đánh

giá theo các tiêu chí an tồn, phải hiểu rõ các hiện tượng có liên quan đến hoạt động
của các thiết bị và các phương pháp tính tốn, cơ sở lý thuyết về thiết kế an tồn,
cũng như các kết quả thí nghiệm hoặc phản hồi kinh nghiệm thu được trong quá
trình vận hành bình thường và khi có sự cố, tai nạn. Không chỉ cần cơ sở lý thuyết
vững chức và phương pháp tính tốn đúng, phân tích an tồn hiện nay cịn được hỗ
trợ bởi nhiều chương trình tính tốn đã được kiểm chứng và có độ chính xác cao.
Trong những năm gần đây, các cơ quan, viện nghiên cứu của Việt Nam đã các
nghiên cứu về lò phản ứng hạt nhân như: đề tài nghiên cứu về Sự cố nghiêm trọng
và đặc biệt nghiêm trọng; đề tài nghiên cứu về tổng quan lò phản ứng nước nhẹ của
Mỹ và Nga (cơng nghệ lị AP-1000, VVER-1000, VVER-1200), nhưng vẫn có rất ít
các nghiên cứu, phân tích an tồn về các đặc tính cơ nhiệt của thanh nhiên liệu hạt
nhân trong điều kiện vận hành bình thường và khi có sự cố. Hầu hết các chương
trình tính tốn được sử dụng hiện nay cho mục đích phân tích an tồn đa phần là về
khía cạnh thủy nhiệt (chương trình RELAP5, RELAP/SCDAP, CATHARE,
MELCOR,…) hay về khía cạnh vật lý (MCNP, MVP, SRAC,…). Các nghiên cứu
và chương trình tính tốn về nhiên liệu hạt nhân còn rất hạn chế, đặc biệt là về
nhiên liệu TVS-2006 của lò phản ứng VVER-1200 (AES-2006).
B. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu
Luận văn “Phân tích và đánh giá an tồn thanh nhiên liệu TVS-2006 của
lị phản ứng AES-2006 trong q trình vận hành khi có sự cố” đặt ra mục tiêu

8


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

áp dụng chương trình FRAPTRAN1.5 để đánh giá an tồn thanh nhiên liệu TVS2006 của lò phản ứng VVER-1200 (AES-2006), loại lò tiên tiến nhất của Liên bang
Nga hiện nay. Dựa trên những thơng tin từ Hồ sơ phân tích an tồn sợ bộ PSAR của

cơng nghệ AES-2006, luận văn sẽ phân tích kết quả tính tốn thu được từ chương
trình FRAPTRAN1.5 để kiểm chứng và đánh giá khả năng đảm bảo an tồn của
nhiên liệu TVS-2006 trong lị phản ứng VVER-1200 khi xảy ra sự cố, cụ thể là sự
cố mất nước làm tải nhiệt (LOCA).
Phạm vi tiến hành tính tốn và phân tích an tồn là giả định trường hợp lị
phản ứng VVER-1200 vận hành trong điều kiện xảy ra sự cố LOCA vỡ nhỏ và vỡ
lớn. Các đánh giá đưa ra dựa theo tiêu chí an tồn hiện hành của Liên bang Nga và
theo các thông số cơ – nhiệt của nhiên liệu TVS-2006 (nhiệt độ nhiên liệu và lớp vỏ
thanh nhiên liệu; lượng phát tán khí phân hạch; áp suất khí trong thanh nhiên liệu;
độ biến dạng và giãn dài nhiên liệu;…):
- Sự cố LOCA vỡ nhỏ trên đường ống dẫn nước vịng sơ cấp với đường kính
vết vỡ là 25 mm;
- Sự cố LOCA vỡ lớn trên đường ống dẫn nước vịng sơ cấp với đường kính
vết vỡ trên 100 mm.
C. Cấu trúc của Luận văn
Ngoài phần MỞ ĐẦU và KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ, Luận văn được trình
bày gồm 04 Chương chính:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Những tác động làm biến đổi nhiên liệu trong sự cố LOCA
Chương 3: Tổng quan về nhiên liệu TVS-2006 và chương trình tính tốn
FRAPTRAN1.5
Chương 4: Tính tốn và phân tích an toàn thanh nhiên liệu TVS-2006

9


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu về nhiên liệu hạt nhân
Cơng nghệ chế tạo nhiên liệu lị phản ứng hạt nhân đã có lịch sử phát triển trên
50 năm. Trong suốt hơn 50 năm qua, công nghệ chế tạo nhiên liệu hạt nhân luôn
luôn được cải tiến và phát triển. Để nâng cao hiệu suất của nhiên liệu hạt nhân, các
nhà thiết kế đã chú trọng cải tiến trên mọi phương diện đối với viên nhiên liệu,
thanh nhiên liệu hạt nhân và cấu trúc của bó thanh nhiên liệu hạt nhân. Ban đầu các
lò phản ứng hạt nhân như lò PWR với thiết kế nhiên liệu 14x14, 15x15, lò VVER
với thiết kế KA-S và lò ABWR với thiết kế 6x6, nay đã được cải tiến thành thiết kế
17x17, TVS-2M và 10x10. Về độ giàu của nhiên liệu, trước kia người ta sử dụng
nhiên liệu có độ làm giàu thấp, dưới 3,5% U 235, nay độ giàu đã gia tăng lên đến 57% U 235, UO2 + GD2 O3 và MOX (UO2-PuO2).
Các loại nhiên liệu nói trên, từ cấu trúc lớp vỏ thanh nhiên liệu, màn lưới đệm,
các ống dẫn thanh điều khiển đến các cấu trúc của đầu trên và dưới của BTNLHN
đều được cải tiến liên tục. Ngồi mục đích mang lại lợi ích về mặt tài chính, những
cải tiến trên có mục đích làm tối ưu hóa hiệu suất của TNLHN và BTNLHN đối với
những hiện tượng vật lý nơtron, hiện tượng thủy nhiệt và thủy động học trong tâm
lò phản ứng.
Qua phản hồi kinh nghiệm thu được trong các loại lò phản ứng hạt nhân cùng
với những cải tiến nhằm phù hợp với những tiêu chí kỹ thuật vận hành, t lệ nứt nẻ
của TNLHN từ 10 -3 – 10-4 trong thập niên 70 đã giảm xuống còn 10-5 trong thập
niên 80. Trong thập niên 90, do kết quả nghiên cứu các hiện tượng hóa học và thủy
động học của nước làm mát, t lệ nứt nẻ TNLHN đã giảm xuống còn 10 -6. Lớp vỏ
TNLHN bằng thép không gỉ sử dụng trong thập niên 60, nay đã được thay thế bằng
những hợp kim zirconi cải tiến.
Các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành nhiều nghiên cứu để đánh giá đặc
tính của nhiên liệu trong quá trình năng lượng lưu trữ nhanh trong mơ phỏng một tai
nạn lị phản ứng. Các phương pháp dử dụng để phát triển các tiêu chuẩn cấp phép
10

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

sửa đổi bởi ngành công nghiệp kết hợp các yếu tố của các kết quả thử nghiệm và
các đánh giá phân tích để thiết lập một kiến thức cơ bản về trạng thái của nhiên liệu
trong suốt quá trình xảy ra sự cố.
Trong một số năm gần đây, Việt Nam đã có một số nghiên cứu về lò phản ứng
hạt nhân như: Đề tài nghiên cứu về Sự cố nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọng;
Đề tài nghiên cứu về tổng quan lò phản ứng VVER-1000; Đề tài nghiên cứu phân
tích, đánh giá và so sánh hệ thống công nghệ nhà máy điện hạt nhân dùng lò VVER
– 1000 giữa các loại AES – 91, AES – 92, AES 2006 nhưng chưa có nghiên cứu,
tính tốn và phân tích an tồn về các đặc tính cơ-nhiệt của thanh nhiên liệu hạt nhân
trong điều kiện vận hành khi có sự cố LOCA, đặc biệt là thanh nhiên liệu TVS-2006
của cơng nghệ lị phản ứng AES-2006. Do đó, việc nghiên cứu, tính tốn và phân
tích an toàn thanh nhiên liệu hạt nhân trong điều kiện vận hành khi có sự cố là cần
thiết, đóng góp vào cơ sở dữ liệu đối với việc nghiên cứu về nhiên liệu hạt nhân nói
chung của Việt Nam.
1.2. Tổng quan sự cố LOCA
1.2.1. Giới thiệu về sự cố LOCA
Sự cố mất nước tải nhiệt (LOCA) là sự cố rất được quan tâm trong lĩnh vực an
tồn lị phản ứng trong nhiều năm qua. Sự cố LOCA thường được khởi phát bởi sự
kiện vỡ ống nước tải nhiệt của vòng sơ cấp. Trong hầu hết các báo cáo phân tích an
toàn, các sự cố LOCA được xếp vào loại các tai nạn giả định, có nghĩa là chúng
được xem như khơng xảy ra trong suốt q trình hoạt động của nhà máy. Sự cố này
nằm trong cơ sở thiết kế bảo thủ nhằm đảm bảo rằng thiết kế đưa ra là hoàn toàn
đáp ứng được các yêu cầu an toàn.
1.2.2. Các hiện tượng vật lý trong sự cố LOCA
Các nghiên cứu về sự cố LOCA đã đưa ra một số hiện tượng vật lý có thể làm
ảnh hưởng đến khả năng tải nhiệt của các hệ thống làm mát trong LPUHN:

11


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

- Thứ nhất, hiện tượng đi tắt của dòng nước cấp cứu: Hiện tượng xảy ra khi
nước làm mát được bơm khẩn cấp vào kênh lạnh của một trong các nhánh làm mát
vòng sơ cấp (Hình 1.1). Thơng thường nước làm mát chảy vào trong khoang lưu hồi
và lấp đầy thùng lò. Tuy nhiên, một số thực nghiệm tiến hành tại phịng thí nghiệm
quốc gia của Mỹ chỉ ra rằng, 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 tràn vào bên trong khoang lưu hồi và thốt ra ngồi qua vết vỡ. Như
mô tả của các đường mũi tên trong Hình 1.1, hơi nước bốc lên trong khoang lưu hồi
ngăn cản dịng nước đi xuống. Việc tính tốn chính xác các điều kiện giới hạn đối
với dòng thuận nghịch (CCFL - Countercurrent flow limitation) trong khoang lưu
hồi là bài toán cơ học chất lỏng liên quan đến sự chuyển pha khi hơi nước nóng tiếp
xúc với dịng nước lạnh. Hiện tượng CCFL là hiện tượng dòng nước chảy xuống
dưới tác dụng của trọng lực trong một đường ống hoặc khoang dẫn thẳng đứng bị
cản trở bởi dịng hơi nước phía bên dưới đi lên [15].

Hình 1.1. Hiện tượng đi tắt của dòng nước làm mát vùng hoạt khẩn cấp [15]
- Thứ hai, hiện tượng sơi của dịng nước cấp cứu khi tiếp xúc với vách
ngoài của khoang lưu hồi (vỏ thùng lò) và vách trong của khoang lưu hồi (vách

12

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

ngăn vùng hoạt), tạo ra hơi nước bổ sung làm cản trở nước cấp đi vào khoang
dưới vùng hoạt. Hiện tượng này gọi là hiệu ứng vách nóng.
- Thứ ba, sự 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 lạnh hơn. Sự ngưng tụ của hơi
nước trong khoang lưu hồi làm giảm lượng hơi nước, dẫn đến làm giảm dịng ECCS
đi tắt ra ngồi vết vỡ.
Sự cố LOCA được phân loại theo kích thước vết vỡ, như sau:
- LOCA vỡ nhỏ có diện tích vết vỡ nhỏ hơn hoặc bằng 465 cm2 (0,5 ft 2) ;
- LOCA vỡ lớn có kích thước từ 465 cm2 đến hai lần tiết diện ngang ống lớn
nhất của hệ thống nước tải nhiệt.
1.3. Mô tả diễn biến của sự cố LOCA
a) Sự cố LOCA vỡ lớn [14]
Trong tiêu chuẩn về thiết kế hệ thống cấp hơi nước hạt nhân NSSS, sự cố LBLOCA đứng thứ 4 với hậu quả nghiêm trọng và tần suất xuất hiện 10-4 - 10-6/lò phản
ứng/năm. Vết vỡ trong sự cố LB-LOCA có 2 loại:
- Vỡ đơi ống: có diện tích bằng một đến hai l ần tiết diện của đường ống
lớn nhất c ủa hệ thống t ải nhiệt;
- Vỡ gập 2 đầu ống: có kích thước từ kích thước vỡ l ớn nhất đối với sự cố
SB-LOCA đến toàn b ộ tiết diện của ống l ớn nhấ t củ a hệ thống nước tả i nhiệt lò
phản ứng.
Sự cố LB-LOCA gồm 3 giai đoạn (Hình 1.2):

13


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

Hình 1.2. Các giai đoạn trong sự cố LB-LOCA
- Giai đoạn giảm mực nước:

Hình 1.3. Xu hướng thay đổi nhiệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu tính được trong sự cố
LB-LOCA ở lị phản ứng PWR

14


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

Trong khoảng thời gian mili giây sau khi vỡ ống, áp suất của vòng sơ cấp bắt
đầu giảm và mực nước trong vòng sơ cấp cũng bị giảm xuống do nước tải nhiệt bị
thất thốt ra khỏi vịng sơ cấp. Ban đầu dịng nước tải nhiệt chảy ra ngoài vết vỡ với
tốc độ cao. Lượng nước chảy ra ngồi vết vỡ từ phía lị lớn hơn so với từ phía bơm
do sự cản trở về mặt thu học của bơm và các ống của bình sinh hơi.
Trong khoảng chừng một giây, dịng trở nên bị ứ đọng, sự truyền nhiệt từ
các thanh nhiên li ệu bị giảm xuống và sự hóa hơi bắt đầu xuất hiện trên bề mặt
lớp vỏ thanh nhiên liệu. Do sự phân bố lại nhiệt được tích trữ trong các viên
nhiên liệu làm cho nhi ệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu tăng nhanh. Trong khi đó,
phản ứng dây chuyền về cơ bản đã dừng lại do nước trong vùng hoạt được thay
thế bằng hơi nước đã làm cho lị phản ứng xuống dưới tới hạn. Hình 1.3 chỉ ra xu
hướng thay đổi nhiệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu tính tốn được.
Ở cuối giai đoạn giảm mực nước, vùng hoạt và một phần của khoang dưới
vùng hoạt trở nên trống rỗng. Thanh nhiên liệu đã quá nóng và chỉ được bao quanh
bởi hơi nước. Ở thời điểm này, các hệ thống cấp nước tải nhiệt vùng hoạt khẩn cấp

phải được phát động để lấp đầy và làm ngập vùng hoạt trở lại. Trên thực tế, sự bơm
nước từ hệ thống ECCS đã được phát động ngay sau khi áp suất ở các điểm bơm
giảm xuống dưới mức áp suất được thiết lập trước của chúng.
- Giai đoạn lấp đầy trở lại:
Ban đầu hơi nước và nước từ khoang dưới vùng hoạt và khoang lưu hồi bị thốt
ra ngồi qua vết vỡ. Nước lạnh hơn từ hệ thống ECCS trộn với hơi nước trong kênh
lạnh tạo ra các dao động do hiện tượng ngưng tụ do sự tiếp xúc trực tiếp của hơi nước
với dòng nước lạnh hơn này. Khi ở trong khoang lưu hồi, nước được bơm từ hệ thống
ECCS có thể chảy xuống do trọng lực hoặc bị thổi ra ngồi qua vết vỡ theo hướng
của dịng hơi nước do hiện tượng giới hạn dòng thuận nghịch (Hình 1.4).

15


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

Hình 1.4. Sự đi tắt của nước được bơm từ hệ thống ECCS
Vùng hoạt bắt đầu nóng lên chậm do dịng hơi nước chảy qua vùng hoạt giảm
theo sự giảm áp suất và nước trong phần phía trên của khoang trên vùng hoạt
và/hoặc bình điều áp bị rút hết. Với sự suy giảm tốc độ dịng hơi nước, rất ít nước
được bơm từ hệ thống ECCS bị thổi tắt ra ngoài vết vỡ. Hầu hết nước được bơm từ
hệ thống ECCS sẽ chảy vào lấp đầy khoang lưu hồi và khoang dưới vùng hoạt. Giai
đoạn lấp đầy trở lại sẽ kết thúc khi mực nước trong khoang phía dưới chạm tới đáy
của bể lò.
- Giai đoạn làm ngập vùng hoạt trở lại:
Ở thời điểm ban đầu của giai đoạn này, vùng hoạt được lấp đầy chỉ với hơi nước
và lớp vỏ thanh nhiên liệu có thể đạt tới nhiệt độ cao cỡ 1000 0C. Khi nước tải nhiệt bắt
đầu làm ngập vùng hoạt trở lại, hầu như mọi dịng 2 pha có thể nhận biết được.

16


Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ

Đỗ Ngọc Điệp

Hình 1.5. Sơ đồ hệ thống lò phản ứng ở cuối giai đoạn lấp đầy trở lại và
đầu giai đoạn làm ngập trở lại

Hình 1.6. Sự rơi của màng chất lỏng và nhúng lạnh bề mặt lớp vỏ thanh nhiên liệu
17