TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ THỦY NHIỆT TRONG HỆ THỰC NGHIỆM KS1 VỚI MÔ HÌNH HỞ MỘT PHẦN VÙNG HOẠT LÒ PHẢN ỨNG VVER1000 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH RELAPSCDAPSIM

1
TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ THỦY NHIỆT TRONG
HỆ THỰC NGHIỆM KS-1 VỚI MÔ HÌNH HỞ MỘT PHẦN VÙNG
HOẠT LÒ PHẢN ỨNG VVER-1000 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH
RELAP/SCDAPSIM

LÊ THỊ THƯ, LÊ TRÍ DÂN

Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân
Số 179, Hoàng Quốc Việt, Nghĩa Đô, Cầu Giấy, Hà Nội
Email:

Tóm tắt: Hệ thực nghiệm KS-1 được thiết kế với mục đích nghiên cứu quá trình thủy
nhiệt diễn ra trong vùng hoạt lò VVER-1000 dưới điều kiện xảy ra sự cố mất chất tải
nhiệt (SBLOCA-small break loss of coolant accident).
Mục đích của bài báo là mô phỏng hệ thực nghiệm KS-1 với mô hình hở một phần vùng
hoạt lò VVER-1000 bằng chương trình RELAP/SCDAPSIM, tính toán và phân tích diễn
biến các thông số thủy nhiệt tương ứng với thời gian đo đạc thí nghiệm (250 giây) trong
điều kiện công suất nguồn nhiệt nhỏ (14.5 kW). Các thông số thủy nhiệt như áp suất,
nhiệt độ thanh nhiên liệu, nhiệt độ nước tại lối vào vùng hoạt, mức nước trong vùng
hoạt… chịu ảnh hưởng bởi quá trình đối lưu tự nhiên được tính toán và so sánh với số
liệu thực nghiệm số KS-1-18-2.
Từ khóa: VVER-1000, KS-1, RELAP/SCDAPSIM.
I. GIỚI THIỆU
Sự cố mất chất tải nhiệt do vết vỡ nhỏ (SBLOCA - small break loss of coolant accident)
là sự cố mà chất tải nhiệt rò rỉ ra ngoài hệ thống tải nhiệt lò phản ứng qua vết vỡ có diện tích
vỡ nhỏ trên hệ thống tải nhiệt lò phản ứng. Trong suốt quá trình xảy ra sự cố SBLOCA, áp
suất của hệ thống tải nhiệt sơ cấp (RCS) giảm chậm hơn quá trình xảy ra sự cố mất chất tải
nhiệt do vết vỡ lớn (LBLOCA – large break loss of coolant accident). Trong những giây đầu
tiên của quá trình giảm áp, nước ngay lập tức sẽ đạt trạng thái bão hòa, dòng hai pha xuất hiện
nên sự truyền nhiệt diễn ra trong dòng hai pha. Mức nước trong thùng lò phản ứng giảm

chậm, vùng hoạt của lò phản ứng có bị hở hay không còn phụ thuộc vào kích thước vỡ, vị trí
vỡ và sự hoạt động của hệ thống làm mát tâm lò khẩn cấp (ECCS). Quá trình dập lò và khởi
động hệ tiêm cao áp (HPSI) của hệ thống ECCS được bắt đầu vào khoảng 20 đến 60 giây sau
khi xảy ra sự cố, quá trình này được thực hiện theo tín hiệu áp suất cao trong nhà chứa lò sơ
cấp, mức nước thấp trong bình điều áp hoặc áp suất thấp trong thùng chịu áp của lò phản ứng
hạt nhân.
Sau khi dập lò phản ứng, tất cả các bơm tải nhiệt chính ngừng hoạt động, dòng chất tải
nhiệt suy giảm. Tải nhiệt dư trong lò phản ứng được diễn ra với nhiều quá trình vật lý khác
nhau, trong đó quá trình đối lưu tự nhiên là một trong những quá trình đóng vai trò quan
trọng. Đối lưu tự nhiên là một quy tắc quan trong trong các sự cố hạt nhân khi các bơm tải
nhiệt ngừng hoạt động. Sự chênh lệch mật độ của chất tải nhiệt tại vị trí chân nóng và vị trí
cao hơn trong ống hình chữ U của bình sinh hơi tạo ra dòng lưu thông thụ động bên trong hệ
thống tải nhiệt.
Với mục đích nghiên cứu các quá trình nhiệt và thủy động học diễn ra trong vùng hoạt
lò VVER trong điều kiện xảy ra sự cố SBLOCA, Viện nghiên cứu Kuchatov (Nga) đã xây
dựng hệ thực nghiệm KS-1 [2].
2
Hệ thực nghiệm KS-1 là một trong những hệ thực nghiệm được thực hiện trên mô hình
thực nghiệm KS tại Viện nghiên cứu Kurchatov (Nga). Năm 1991, các nghiên cứu về truyền
nhiệt trong mô hình hở một phần vùng hoạt được thực hiện trên hệ thực nghiệm KS-1. Các
kết quả trong sáu lần tiến hành thí nghiệm được lựa chọn lập thành bài toán chuẩn 4 của dự án
số 6 [1] (dự án về hiệu chỉnh các chương trình tính toán cho phân tích an toàn của lò phản ứng
kiểu VVER được hợp tác bởi U.S và Trung tâm An toàn Hạt nhân quốc tế Minatom, Nga –
RMINSC) để đánh giá sự thích hợp của chương trình RELAP5 sử dụng trong việc mô hình
hóa trong điều kiện vùng hoạt bị hở một phần với điều kiện công suất nhiệt dư. Các thí
nghiệm được lựa chọn là thí nghiệm số KS-1-18-1, KS-1-18-2, KS-1-19-1, KS-1-19-2, KS-
133-1, KS-1-34-1. Các số liệu được đo trong quá trình tiến hành các thí nghiệm như là: áp
suất tại lối ra của mô hình vùng hoạt, độ sụt áp tại những miền khác nhau trong hệ thống thực
nghiệm, nhiệt độ chất tải nhiệt tại lối vào và lối ra của mô hình vùng hoạt, nhiệt độ tại 33 vị trí
đặt các cặp nhiệt trong mô hình bó nhiên liệu.

Mục tiêu của quá trình tiến hành đo đạc thí nghiệm là có được số liệu thực nghiệm về
phân bố nhiệt độ của các vị trí dọc theo trục và bán kính của thanh nhiên liệu. Và xác định
ảnh hưởng của các quá trình nhiệt và thủy động học tới mô hình vùng hoạt.
Trong bài báo này, nhóm tác giả sử dụng chương trình RELAP/SCDAPSIM mô phỏng
hệ thống thực nghiệm KS-1 với việc sử dụng các số liệu thủy nhiệt của thí nghiệm số KS-1-
18-2. Một số kết quả tính toán được so sánh với số liệu thực nghiệm.
II. MÔ HÌNH HÓA HỆ THỰC NGHIỆM KS-1
1. Dữ liệu hình học của hệ thực nghiệm KS-1
Cấu tạo của hệ thực nghiệm KS-1 bao gồm tám bộ phận chính: mô hình khe biên
(downcomer model - 1), mô hình khoang bên dưới (lower pleum model - 2), mô hình vùng
hoạt (core model – 3), mô hình khoang bên trên (upper pleum model – 5), mô hình bình sinh
hơi nằm ngang (horizontal steam generator tube bundle simulator - 6, 7), mô hình chân nguội
(loop cold leg model - 8), và các đường ống nối nằm phía dưới (lower pipeline – 9). Hình 1
minh họa sơ đồ cấu tạo của hệ thực nghiệm KS-1.

Hình 1: Sơ đồ hệ thực nghiệm KS-1
3
Các số liệu hình học của hệ thống thực nghiệm KS-1 được minh họa trong hình 1 (đơn
vị đo là mm). Một số số liệu liên quan tới mô hình vùng hoạt được liệt kê trong bảng số liệu
sau:
Bảng 1: Số liệu hình học của mô hình vùng hoạt [1,2]
Thành phần Số liệu Đơn vị (SI)
Số thanh đốt nhiệt 19

Chiều dài đốt nhiệt 2505 mm
Đường kính ngoài của thanh nhiên liệu 9,0 mm
Tổng diện tích truyền nhiệt của bó nhiên liệu 1,345 m
2

Khoảng cách giữa 2 thanh nhiên liệu 12,75 mm

Kích thước của cạnh hexa 59 mm
Diện tích mặt cắt ngang của kênh nhiên liệu 0,001806 m
2

Chiều cao vành xuyến xung quanh vùng hoạt 2560 mm
Phân bố công suất Đồng nhất
2. Sơ đồ node hóa
Sơ đồ node hóa của hệ thực nghiệm KS-1 trong phần mềm RELAP/SCDAPSIM được
biểu diễn trong hình 2. Toàn bộ hệ thống của thí nghiệm KS-1 được mô hình hóa bởi các
thành phần thủy lực và các cấu trúc nhiệt. Hệ thống thủy lực của mô hình vùng hoạt (C300)
được chia làm 20 thể tích kiểm soát (CV) dọc theo trục thẳng đứng của vùng hoạt.

Hình 2. Sơ đồ node hóa hệ thực nghiệm KS-1
4
3. Số liệu thực nghiệm của thí nghiệm số KS-1-18-2
Thời gian tiến hành thí nghiệm số KS-1-18-2 là 250 giây. Công suất tại mô hình bó
nhiên liệu là không đổi (14,5 kW) trong suốt thời gian tiến hành thí nghiệm. Một số dữ liệu đo
đạc được trong thí nghiệm KS-1-18-2 được biểu diễn trong bảng số liệu sau:
Bảng 2: Số liệu đo đạc tại thí nghiệm số KS-1-18-2 [1]
Thông số Giá trị Đơn vị (SI)
Công suất bó nhiên liệu 14,5 kW
Nhiệt độ nước tại lối vào vùng hoạt, T
Finlet
(t
0
) 479,15 K
Áp suất tại lối ra vùng hoạt, P
outlet
(t
0

) 6,02 Mpa
Tốc độ thay đổi áp suất, dP
outlet
/dt 2,8 kPa/s
Mức nước trong mô hình bó nhiên liệu, L
m
(t
0
) 1,78 m
Ghi chú: t
0
là thời điểm ban đầu của quá trình tiến hành thí nghiệm
III. PHÂN TÍCH KẾT QUẢ
Xây dựng input cho hệ thống thực nghiệm KS-1 với mô hình hở một phần vùng hoạt lò
VVER-1000 được tiến hành từ việc xây dựng các thông số hình hình học tới các thông số
thủy nhiệt ban đầu. Tại thời điểm ban đầu công suất vùng hoạt là bằng không. Từ thời điểm
100 giây tới 500 giây của quá trình tính toán, công suất của mô hình vùng hoạt tăng dần tới
14,5kW. Thời điểm 500 đủ để toàn bộ hệ thống hoạt động ổn định so với thời điểm t
0
của quá
trình tiến hành thí nghiệm.
Một số điều kiện ban đầu như lượng hơi (vapor quality), x, trong miền hơi của hệ thống
thực nghiệm; mức nước ban đầu trong mô hình bó nhiên liệu, L
m
; mức nước trong vành
xuyến, H
m,
cần được xây dựng và lựa chọn sao cho tại thời điểm 500 giây của quá trình tính
toán thu được kết quả các thông số thủy nhiệt sao cho phù hợp với số liệu đo đạc trong thực
nghiệm. Một vài kết quả với những lựa chọn các thông số ban đầu này được xác định trong

các trường hợp:
 Trường hợp 1: giá trị x = 1, L
m
= 1,5 m và H
m
= 0,144 m.
 Trường hợp 2: giá trị x = 0,7, L
m
= 1,5 m và H
m
= 0,144 m.
 Trường hợp 3: giá trị x = 0,7, L
m
= 1,25 m và H
m
= 0,144 m.
Quá trình tải nhiệt từ mô hình bó nhiên liệu được thực hiện hoàn toàn bằng đối lưu tự
nhiên. Thông số lượng hơi (x) là một trong những thông số ảnh hưởng tới nhiệt độ của mô
hình bó nhiên liệu trong suốt quá trình tiến hành thí nghiệm. Thông số mức nước ban đầu
(L
m
) trong vùng hoạt cao hay thấp ảnh hưởng đến việc tính toán tổng lượng nước thay đổi
trong hệ thực nghiệm. Điều này dẫn đến thay đổi mức nước trong mô hình bó nhiên liệu là
khác nhau.
Trong trường hợp 1, với lượng hơi bằng 1 dẫn đến diễn biến nhiệt độ của thanh nhiên
liệu tại những vị trí không được bao trùm bởi nước cao hơn so với đo đạc thực nghiệm. Kết
quả này được biểu diễn trong hình 3. Trong hình 3 miêu tả nhiệt độ tại bề mặt bên trong dọc
theo chiều dài của thanh nhiên liệu. Nhiệt độ tính toán được trong trường hợp 1 và trường hợp
2 (tại thời điểm 500 giây) được so sánh với số liệu thực nghiệm tại thời điểm t
0

.
5

Hình 3: Nhiệt độ bên trong vỏ thanh nhiên liệu (K)
Diễn biến thay đổi áp suất tại lối ra vùng hoạt trong trường hợp 2 và trường hợp 3 được
mô tả trong hình 4 như sau:

Hình 4: Áp suất tại lối ra vùng hoạt
Áp suất tại lối ra vùng hoạt giảm dần theo thời gian (từ 500 giây tới 750 giây). Điều này
phù hợp với số liệu đo đạc thực nghiệm. Áp suất tại lối ra vùng hoạt là 60,2 bar (6,02 MPa)
tại thời điểm t
0
và áp suất là 53,3 bar (5,33 MPa) tại thời điểm 250 giây (tốc độ giảm áp suất
trong vòng 250 giây là dP
out
/dt = -0,028 bar/s).
Áp suất của hệ thống giảm dần chứng tỏ khả năng làm mát mô hình vùng hoạt bằng đối
lưu tự nhiên với công suất nguồn là 14,5 kW. Trong trường hợp 2, áp suất lối ra vùng hoạt tại
thời điểm 500 giây là 5,97 MPa và thời điểm 750 giây là 5,24 MPa. Trong trường hợp 3, áp
suất lối ra vùng hoạt tại thời điểm 500 giây là 5,96 MPa và thời điểm 750 giây là 5,23 MPa.
Diễn biến thay đổi nhiệt độ tại bề mặt bên trong của thanh nhiên liệu trong trường hợp 2
và trường hợp 3 được miêu tả trong hình 5 và hình 6. Vị trí tại các nốt 16, 17, 18, 19, 20 là vị
trí trên thanh nhiên liệu mà tại đó thanh nhiên liệu bị hở nên nhiệt độ tại những vị trí này là
cao hơn tại các vị trí khác cùng trên thanh nhiên liệu đó. Nhiệt độ tại nốt 16 và 17 giảm xuống
trước là do mức nước trong vùng hoạt dâng lên làm ngập nước tại 2 vị trí này trước so với vị
trí nốt 18, 19 và 20. Trong trường hợp 3, mức nước trong mô hình bó nhiên liệu tại thời điểm
500 là thấp hơn trong trường hợp 2 nên nhiệt độ tại nốt 17 trong trường hợp 3 là giảm chậm
hơn so với trường hợp 2.
6

Hình 5: Nhiệt độ bên trong vỏ thanh nhiên liệu, trường hợp 2

Hình 6: Nhiệt độ bên trong vỏ thanh nhiên liệu, trường hợp 3
Diễn biến thay đổi nhiệt độ nước tại lối vào vùng hoạt trong hai trường hợp 2 và 3 được
so sánh với số liệu thực nghiệm trong hình 9. Giá trị nhiệt độ của nước tại lối vào vùng hoạt tại
thời điểm t
0
của quá trình tiến hành thí nghiệm là 479.15 K và nhiệt độ tại lối vào vùng hoạt
trong trường hợp 2 tại thời điểm 500 giây là 479.23 K và trong trường hợp 3 là 478.04 K.

Hình 7: Nhiệt độ của nước tại lối vào vùng hoạt
Việc lựa chọn giá trị mức nước ban đầu trong input file của mô hình bó nhiên liệu có
ảnh hưởng tới tính toán diễn biến mức nước trong mô hình bó nhiên liệu theo thời gian. Kết
quả tính toán mức nước, L
m
, trong hai trường hợp 2 và 3 được miêu tả trong hình 8 như sau:
7

Hình 8: Thay đổi mức nước trong mô hình bó nhiên liệu
Mức nước trong mô hình bó nhiên liệu tăng dần tính từ thời điểm 500 giây, giá trị này là
1,76 m trong trường hợp 2 và 1,69 m trong trường hợp 3. Mức nước tại thời điểm 500 giây
của quá trình tính toán được so sánh với mức nước tại thời điểm t
0
của quá trình tiến hành thí
nghiệm là 1,78 m.
Bảng 3: Bảng so sánh một số tham số thủy nhiệt tại thời điểm t
0
và thời điểm t
0
+250 giây

Thời điểm Thông số Thực nghiệm
Tính toán
(trường hợp 3)
t
0
Công suất 14,5 kW 14,5 kW
Áp suất tại lối ra vùng hoạt 6,02 MPa 5,97 Mpa
Mức nước 1,78 m 1,69 m
Nhiệt độ nước tại lối vào
vùng hoạt
479,15 K 478,07 K
t
0
+ 250 s
Công suất 14,5 kW 14,5 Kw
Áp suất tại lối ra vùng hoạt 5,33 MPa 5,24 MPa
Thời gian tiến hành thí nghiệm là 250 giây nên diễn biến của các thông số thủy nhiệt
chưa đạt trạng thái dừng. Mức nước trong mô hình bó nhiên liệu tăng (hình 8) chỉ ra rằng
trạng thái chuyển tiếp vẫn đang tiếp tục. Mức nước trong mô hình bó nhiên liệu tăng chứng tỏ
tốc độ tải nhiệt ra khỏi vùng hoạt là tăng dần. Hay có thể nói tốc độ ngưng tụ hơi nước trong
hệ thống lớn hơn tốc độ hóa hơi của nước.
IV. KẾT LUẬN
Bài báo đã mô phỏng hệ thực nghiệm KS-1 với mô hình hở một phần vùng hoạt lò
VVER-1000 bằng chương trình RELAP/SCDAPSIM. Diễn biến thay đổi của các thông số
thủy nhiệt như nhiệt độ, áp suất, mức nước đã được tính toán và phân tích theo diễn biến
chuyển tiếp của hệ thống. So sánh các kết quả tính toán với số liệu liệu thực nghiệm của thí
nghiệm số KS-1-18-2 [1] cho thấy khả năng mô phỏng thích hợp của chương trình
RELAP/SCDAPSIM đối với mô hình vùng hoạt bị hở một phần.
Diễn biến của các thông số thủy nhiệt dưới điều kiện truyền nhiệt bằng đối lưu tự nhiên
trong toàn bộ hệ thống đảm bảo tính toàn vẹn của mô hình bó nhiên liệu lò VVER-1000. Mặc

dù trong thời gian tiến hành thí nghiệm diễn biến của các thông số thủy nhiệt chưa đạt trạng
thái dừng, nhưng với kết quả thu được ta có thể tiên đoán được mức độ an toàn của mô hình
bó nhiên liệu trong điều kiện công suất thấp (14,5 kW) và truyền nhiệt dưới điều kiện đối lưu
tự nhiên.
8
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] RELAP5/MOD3.2 Analysis of INSC Standard Problem INSCSP-V4: Investigation of Heat
Transfer for Partly Uncovered VVER-1000 Core at the Test Facility KS (RRC KI). by A. M.
Tentner and J. W. Ahrens U. S. International Nuclear Safety Center Argonne National
Laboratory 9700 South Cass Avenue Argonne, Illinois 60439 USA.
[2] Analysis of KS-1 Experimental Data on the Behavior of the Heated Rod Temperatures in the
Partially Uncovered VVER Core Model Using RELAP5/MOD3.2. V A. Vimogradov, A. Y.
Balykin. Nuclear Safety Institute Russian Research Centre "Kurchatov Institute" 123182,
Moscow Russia.

CALCULATION AND ANALYSIS OF THERMAL HYDRAULIC
PARAMETERS FOR PARTLY UNCOVERED VVER-1000 CORE
AT THE KS-1 FACILITY BY RELAP/SCDAPSIM CODE

LE THI THU and LE TRI DAN

Institute for Nuclear Science and Technology
179 Hoang Quoc Viet, Nghia Do, Cau Giay, Ha Noi
Email:

Abstract: The experiment KS-1 was designed for the purpose of studying thermal
hydraulic process happening in the reactor core VVER-1000 under the loss of coolant
accident condition.
The article aims at modeling the experiment KS-1 in Partly Uncovered VVER-1000 core
happening using RELAP/SCDAPSIM code, calculating and analyzing the behaviors of

thermal hydraulic parameters during experiment time (250s) under the low power of heat
source condition. (14.5kW). The thermal hydraulic parameters such as pressure, the
temperature of the fuel rod, core inlet water temperature, water level etc were affected by
natural convection process which was calculated and compared with the figures in the
experiment No. KS-1-18-2.
Key words: VVER-1000, KS-1, RELAP/SCDAPSIM.