Nghiên cứu, tính toán sự cố bình điều áp lò phản ứng AP1000

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trƣơng Thành Đạt

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN SỰ CỐ BÌNH ĐIỀU ÁP
LÒ PHẢN ỨNG AP1000

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Trƣơng Thành Đạt

NGHIÊN CỨU, TÍNH TOÁN SỰ CỐ BÌNH ĐIỀU ÁP
LÒ PHẢN ỨNG AP1000
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. LÊ CHÍ DŨNG

Hà Nội – 2015

Lời cảm ơn
Trong thời gian làm luận văn, em đã nhận được nhiều sự giúp đỡ, quan tâm
từ các thầy cô, gia đình và bạn bè. Qua đây, em xin gửi lời cảm ơn chân thành và
sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS. Lê Chí Dũng (Hội đồng An toàn hạt nhân quốc gia,
nguyên Cục phó Cục An toàn bức xạ và hạt nhân) đã tận tình giúp em hoàn thành
luận văn này.
Em xin được cảm ơn Th.S Nguyễn An Trung, Th.S Trần Thị Trang, Th.S
Nguyễn Hoàng Anh, Th.S Trương Công Thắng và các anh chị trong phòng an toàn
hạt nhân (Cục an toàn và bức xạ hạt nhân) đã giúp đỡ em trong quá trình em làm
luận văn ở phòng.
Em cũng xin chân thành cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ của các thầy cô trong
bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học tự nhiên (Đại học
Quốc gia Hà Nội) đã đạy dỗ và động viên em trong suốt thời gian em học tập tại
trường.
Tác giả


MỤC LỤC
Lời cảm ơn
MỤC LỤC
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DANH MỤC BẢNG BIỂU
DANH MỤC HÌNH VẼ
MỞ ĐẦU .....................................................................................................................1
1. CHƢƠNG 1. LÒ PHẢN ỨNG AP1000, BÌNH ĐIỀU ÁP ..................................2
1.1.

Giới thiệu về lò phản ứng AP1000.............................................................2

1.1.1.

Giới thiệu chung .....................................................................................2

1.1.2.

Hệ thống tải nhiệt ....................................................................................5

1.1.3.

Hệ thống an toàn .....................................................................................8

1.2.

Bình điều áp lò phản ứng AP000 .............................................................11

1.2.1.

Cấu tạo bình điều áp .............................................................................11

1.2.2.

Van an toàn của bình điều áp ................................................................12

1.2.3.

Hệ thống van giảm áp tự động ADS .....................................................13

1.2.4.

Sự cố bình điều áp ................................................................................14

2. CHƢƠNG 2. CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THỦY NHIỆT RELAP5 .......16
2.1.

Giới thiệu về chƣơng trình RELAP5 .......................................................16

2.2.

Cấu trúc của chƣơng trình RELAP5 ........................................................16

2.2.1.

Cấu trúc của chƣơng trình.....................................................................16

2.2.2.

Cấu trúc tệp dữ liệu đầu vào .................................................................18

2.2.3.

Dữ liệu mô tả bài toán ...........................................................................20

2.2.4.

Chíp điều khiển .....................................................................................21

2.2.5.

Dữ liệu cấu trúc thủy động ...................................................................22

2.2.6.

Thành phần điều khiển hệ thống ...........................................................26

2.3.
2.3.1.

Dữ liệu đầu vào của bình điều áp .............................................................27
Mô hình hóa bình điều áp của lò phản ứng AP1000 ............................27


2.3.2.

Dữ liệu đầu vào của đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng .........32

2.3.3.

Dữ liệu đầu vào của van an toàn ...........................................................35

2.3.4.

Dữ liệu đầu vào của van giảm áp tự động ............................................35

2.3.5.

Dữ liệu đầu vào của hệ thống phun giảm áp ........................................36

3. CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN .............................................................38
3.1.

Kết quả trạng thái dừng ............................................................................38

3.2.

Kết quả ở trạng thái chuyển tiếp ..............................................................39

KẾT LUẬN ...............................................................................................................44
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................45
PHỤ LỤC ..................................................................................................................46


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ACC (Accumulators): Bế tích nƣớc cao áp
ADS (Automatic Depressurization System): Hệ thống giảm áp tự động.
DVI (Direct Vessel Injection): Đƣờng dẫn nƣớc trực tiếp vào thùng lò
IRWRT (In-Containment Refueling Water Storage Tank): Bể trữ nƣớc thay đảo
nhiên liệu boong-ke lò.
LOCA (SmallLoss Of Coolant Accident): Sự cố mất nƣớc làm mát nhỏ
PRHR (Passive Residual Heat Removal): Hệ thống tải nhiệt dƣ thụ động PXS
(Passive core Cooling System): Hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động.
PWR (Pressurized Water Reactor): Lò phản ứng nƣớc áp lực.
RCS (Reactor Cooling System): Hệ thống làm mát lò phản ứng.
TMI-2 (ThreeMiles Island – 2): Tổ máy thứ 2 nhà máy điện hạt nhân Three Miles
Island.
U.S NRC (United States Nuclear Regulatory Commission): Ủy ban pháp quy hạt
nhân Hoa Kỳ


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các thông số chính của lò AP1000 ..............................................................2
Bảng 1.2 Các thông số thiết kế của bình điều áp ......................................................13
Bảng 1.3 Các thông số thiết kế của van an toàn của bình điều áp ............................14
Bảng 1.4 Áp suất kích hoạt của các van ADS ..........................................................14
Bảng 2.1 Định dạng thẻ trong RELAP5 ...................................................................19
Bảng 2.2Thẻ dữ liệu đầu vào cho các thành phần thủy động ...................................23
Bảng 2.3 Thông số hình học của bình điều áp ..........................................................29
Bảng 2.4 Thông số thủy nhiệt của bình điều áp ........................................................31
Bảng 2.5 Tính độ giảm áp dọc theo bình điều áp .....................................................31
Bảng 2.6Dữ liệu hình chiếu trên mặt cắt ngang của các đoạn ống cong(*): ..............32
Bảng 2.7Dữ liệu hình chiếu trên mặt cắt ngang của các đoạn ống thẳng(*): .............33
Bảng 2.8 Chiều dài 4 đoạn theo độ dốc củađƣờng ống nối bình điều áp..................33
Bảng 2.9Các thông số hình học khác củađƣờng ống nối bình điều áp .....................34
Bảng 2.10 Thông số thủy nhiệt củađƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng ......34
Bảng 2.11 Độ giảm áp dọc theo đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng ...........34
Bảng 2.12 Thông số hình học của van an toàn .........................................................35
Bảng 2.13 Thông số thủy nhiệt của van an toàn .......................................................35
Bảng 2.14 Thông số hình học của van giảm áp tự động ...........................................35
Bảng 2.15 Thông số thủy nhiệt của van giảm áp tự động .........................................35
Bảng 2.16 Dữ liệu bể chứa nƣớc thay đảo nhiên liệu (IRWST) ...............................36
Bảng 2.17 Thông số hình học của hệ thống phun giảm áp .......................................36
Bảng 2.18 Thông số thủy nhiệt của hệ thống phun giảm áp .....................................37
Bảng 3.1 Diễn biến các sự cố ....................................................................................39
Bảng 3.2 Lựa chọn điều kiện biên (lối vào chân nóng) ............................................42


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nhà máy điện hạt nhân AP1000 ..................................................................3
Hình 1.2 Hệ thống làm mát lò phản ứng AP1000 .......................................................7

Hình 1.3 Hệ thống an toàn thụ động ...........................................................................9
Hình 1.4 So sánh tần số nóng chảy vùng hoạt ..........................................................10
Hình 1.5 Bình điều áp lò AP1000 .............................................................................11
Hình 1.6 Hệ thống giảm áp thụ động trong lò phản ứng AP1000 ...........................12
Hình 2.1 Cấu trúc chƣơng trình RELAP5 .................................................................17
Hình 2.2 Mô hình hóa bình điều áp của lò phản ứng AP1000 ..................................27
Hình 2.3 Sơ đồ nút hóa bình điều áp trong REALAP5 .............................................28
Hình 2.4 Sơ đồ chia lƣới đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng ......................32
Hình 3.1 Áp suất bình điều áp ở trạng thái dừng ......................................................38
Hình 3.2 Nhiệt độ nƣớc và hơi trong bình điều áp ở trạng thái dừng .......................39
Hình 3.3 Áp suất bình điều áp sự cố mở van an toàn (theo tính toán của luận văn) 40
Hình 3.4 Áp suất bình điều ápsự cố mở van an toàn (theo tính toán của U.S NRC) 40
Hình 3.5 Nhiệt độ hơi nƣớc và nƣớc trong bình điều áp ..........................................43
Hình 3.6 Tốc độ dòng qua van an toàn bình điều áp ................................................43


MỞ ĐẦU
Do nhu cầu điện năng tăng cao, năm 2009, Quốc hội đã phê duyệt chủ
trƣơng xây dựng hai nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở nƣớc ta, ở Ninh Thuận, theo
công nghệ do Liên bang Nga (gọi là Ninh Thuận 1) và Nhật Bản (gọi là Ninh Thuận
2) đề xuất. Dự kiến công nghệ đề xuất cho Ninh Thuận 2 có thể là AP1000. Vì vậy,
Luận văn này đã chọn một nội dung nghiên cứu liên quan đến AP1000.
AP1000 là lò phản ứng hạt nhân thuộc loại PWR (lò nƣớc áp lực) của Tập
đoàn Westinghouse.Đây là loại lò có nhiều cải tiến theo hƣớng an toàn thụ động
(Advanced Passive)có mức độ an toàn cao. AP1000 có bình điều áp với thể tích gần
gấp đôi các loại lò cùng công suất.
Nhà máy điện hạt nhân là loại hình sử dụng năng lƣợng với hiệu suất cao,
nhƣng khi tai nạn xảy ra thì thiệt hại vô cùng lớn, nên vấn đề an toàn luôn đƣợc đặt
lên hàng đầu. Bất cứ cải tiến nào cũng yêu cầu phải có sự chú ý nghiên cứu phù
hợp. Vì vậy, Luận văn này đề xuất nghiên cứu về bình điều áp và sự cố bình điều áp

có thể xảy ra đối với lò phản ứng AP1000. Sự cố đƣợc mô phỏng tính toán bằng
phần mềm RELAP5 – một phần mềm đƣợc sử dụng tƣơng đối phổ cập hiện nay
trong tính toán an toàn nhà máy điện hạt nhân nói chung, cũng nhƣ đƣợc sử dụng để
mô phỏng các sự cố giả định đối với các bộ phận, hệ thống của nhà máy điện hạt
nhân nói riêng.
Do vấn đề an toàn của nhà máy điện hạt nhân đƣợc xem xét chủ yếu trên cơ
sở phân tích các sự cố giả định của lò phản ứng hạt nhân. Vì vậy, dƣới đây, trong
luận văn này, tác giả sẽ dùng cụm từ “nhà máy điện hạt nhân AP1000” với cùng ý
nghĩa nhƣ cụm từ “lò phản ứng hạt nhân AP1000”.

1


1. CHƢƠNG 1. LÒ PHẢN ỨNG AP1000, BÌNH ĐIỀU ÁP
1.1.

Giới thiệu về lò phản ứng AP1000

1.1.1. Giới thiệu chung
Lò phản ứng hạt nhân AP1000 có công suất 1117 MWe, trong luận văn này,
tác giả thống nhất gọi tắt là AP1000. Dựa trên 20 năm nghiên cứu và phát triển,
AP1000 đƣợc xây dựng và cải tiến dựa trên các công nghệ đã có từ các bộ phận
đang đƣợc sử dụng trong các thiết kế của Westinghouse. Bao gồm bình sinh hơi,
bình điều áp, thiết bị điều khiển – đo đạc, nhiên liệu và thùng lò đƣợc sử dụng rộng
rãi trên toàn thế giới và đƣợc kiểm chứng qua nhiều năm với độ tin cậy cao khi vận
hành. Các thành phần chính của AP1000 đƣợc giới thiệu ở Hình 1.1
AP1000 thiết kế hƣớng tới sự an toàn cao và hiệu suất tối ƣu. Hệ thống an
toàn đƣợc thụ động hóa bằng việc sử dụng các lực tự nhiên: Áp suất, trọng lực và
đối lƣu. Bên cạnh đó các tác động điều hành phức tạp để điều khiển sự an toàn
đƣợc giảm thiểu.

Vùng hoạt AP1000 bao gồm 157 bó nhiên liệu, chiều dài 4.3 m, sắp xếp theo
mảng 1717. Vùng hoạt AP1000 gồm ba lớp xuyên tâm có độ giàu khác nhau; độ
giàu của nhiên liệu theo dải từ 2.35 đến 4,8%. Thiết kế một chu kỳ nhiên liệu của
vùng hoạt là 18 tháng với yếu tố công suất là 93%, tốc độ trung bình lớp phát ra
cao cỡ 60000 MWD/t, các thông số chính của AP1000 đƣợc chỉ ra ở Bảng 1.1.
Bảng 1.1 Các thông số chính của lò AP1000
Thông số

AP1000

Công suất điện, MWe

1117

Công suất nhiệt, MWt

3400

Áp suất vận hành lò phản ứng, MPa

15.5

Nhiệt độ chân nóng, °C (°F)

321 (610)

Số bó nhiên liệu

157

Kiểu bó nhiên liệu

17x17

Chiều dài hoạt động thanh nhiên liệu, m (ft)

4.3 (14)

2


Hệ số tuyến tính nhiệt, kw / ft

5.71

Lƣu lƣợng nhiệt thùng lò 10m3/h(103gpm)

68,1 (300)

Diện tích bề mặt máy tạo hơi nƣớc, m2(Ft2)

11.600
(125.000)

Thể tích bình điều áp, m 3 (Ft 3)

59,5 (2100)

Hình 1.1Nhà máy điện hạt nhân AP1000
Thùng lò: Thùng lò hình trụ, đầu trên và dƣới hình bán cầu, có mặt bích và có

thể tháo rời phục vụ cho việc sửa chữa bên trong hoặc thay đảo nhiên liệu. Thùng lò
chứa vùng hoạt, kết cấu đỡ vùng hoạt, thanh điều khiển và các bộ phận khác trực
tiếp liên quan đến vùng hoạt. Thùng lò còn có các chi tiết bên trong lò phản ứng,
cụm đầu tích hợp (head packager), đƣờng ống và đƣợc đỡ trên cấu trúc bê tông tòa
nhà lò.

3


Thùng lò có lối vào (chân lạnh) và lối ra (chân nóng) đặt tại 2 bề mặt ngang
giữa mặt bích và đỉnh của vùng hoạt. Chân lạnh đƣợc đặt trong thùng lò nhằm cung
cấp vận tốc dòng ngang đủ lớn cho lối ra và tạo điều kiện tối ƣu cho thiết bị hệ
thống tải nhiệt lò phản ứng. Chân nóng và chân lạnh đƣợc sắp xếp lệch nhau, chất
tải nhiệt vào thùng thông qua chân lạnh và chảy xuống phía dƣới vùng hoạt
(downcomer), rẽ ở đáy và chảy lên qua vùng hoạt đến chân nóng.
Bình sinh hơi: Có hai cái bình sinh hơi kiểu Delta-125 đƣợc sử dụng trong
AP1000. Dựa trên thiết kế đã đƣợc chứng minh và qua sự cải tiến, bình sinh hơi có
thiết kế đáng tin cậy cao, hoạt động trên cả quá trình xử lý bay hơi hóa học của
vùng nƣớc thứ cấp.
Thiết kế cải tiến của bình sinh hơi bao gồm sự mở rộng của các đƣờng ống,
đƣờng ống đƣợc làm từ hợp kim nhiệt 690 niken, cờ rôm, sắt chứa trong các tấm
bảng đục lỗ, cải thiện thanh chống rung, nâng cấp máy chia độ ẩm sơ cấp và thứ
cấp, nâng cao tính năng bảo trì và thiết kế một đầu kênh sơ cấp để truy cập dễ dàng
và bảo trì bởi công cụ máy móc. Tất cả các đƣờng ống trong bình sinh hơi có thể sử
dụng ống lót trong khi cần thiết.
Bơm nƣớc làm mát: Có sự quán tính cao, đáng tin cậy, hoạt động ổn định,
động cơ máy bơm đƣợc bao kín do đó chu trình nƣớc làm mát chỉ xuyên qua vùng
hoạt, đƣờng ống và bình sinh hơi. Kích thƣớc động cơ giảm thiểu qua việc dùng
biến điều khiển tốc độ để làm giảm yêu cầu động cơ nguồn. Hai máy bơm gắn trực
tiếp vào đầu kênh của mỗi bình sinh hơi. Cấu hình này nhằm tối thiểu sự giảm áp;

đơn giản hoá các nền tảng và hỗ trợ của hệ thống cho bình sinh hơi, máy bơm và
đƣờng ống; và giảm các khả năng rò rì vùng hoạt trong sự cố mất nƣớc làm mát nhỏ
LOCA (SmallLoss Of Coolant Accident). Máy bơm nƣớc làm mát không có hệ
thống dự báo, loại bỏ các khả năng dự báo LOCA sai, điều đó có ý nghĩa nâng cao
sự an toàn và giảm bảo trì máy bơm. Máy bơm dùng một loại bánh xe (flywheel)
làm tăng quán tính quay để đảm bảo khi mất điện máy hơm vẫn có thể tự quay
thêm một thời gian nữa.

4


Đƣờng ống nƣớc làm mát chính: Đƣờng ống của hệ thống nƣớc làm mát lò
phản ứng RCS đƣợc cấu hình từ hai hệ thống đơn giống hệt nhau, mỗi cái sử dụng
một chân nóng có đƣờng kính trong 790 mm (31-inch) để vận chuyển nƣớc làm
mát lò phản ứng đến bình sinh hơi. Cả hai vòi của máy bơm nƣớc làm mát lò phản
ứng đƣợc hàn trực tiếp đến các kênh lối ra ở đáy của bình sinh hơi. Hai ống chân
lạnh có đƣờng kính trong 560 mm (22-inch) trong mỗi hệ thống đơn vận chuyển
nƣớc làm mát lò phản ứng trở lại thùng lò phản ứng để hoàn thiện một vòng kín.
Máy bơm nƣớc làm mát gắn trực tiếp vào đầu kênh của mỗi bình sinh hơi cho
phép máy bơm và bình sinh hơi có thể dùng cấu trúc hỗ trợ giống nhau, hệ thống hỗ
trợ rất đơn giản và cung cấp nhiều không gian hơn cho quá trình bảo trì. Đầu kênh
bình sinh hơi chỉ có một khối với sự chế tạo và kiểm tra lợi thế hơn hệ thống đa
mảnh hợp thành mối hàn. Sự kết hợp của đầu hút máy bơm vào đáy dƣới của đầu
kênh bình sinh hơi loại bỏ sự chéo ngang qua các chân lạnh, nhƣ vậy tránh các khả
năng rò rỉ vùng hoạt trong sự cố mất nƣớc làm mát nhỏ.
Dễ thấy, cách sắp xếp tập trung của RCS cũng cung cấp những lợi ích khác:
Hai dòng chân lạnh của hai hệ thống đơn giống hệt nhau (ngoại trừ thiết bị đo đạc
và các dòng kết nối nhỏ) bao gồm các khúc uốn cong có độ dẻo để cung cấp một
hƣớng dòng chảy có sự cản trở thấp để chịu đƣợc sự dãn nở khác nhau giữa các ống
kênh nóng và lạnh; Các đƣờng ống đƣợc tôi luyện trƣớc sau đó uốn cong, điều đó sẽ

làm giảm chi phí và các yêu cầu kiểm tra khi đang vận hành. Cấu hình hệ thống đơn
và sự lựa chọn vật liệu đƣờng ống phải có sự uốn cong đủ thấp để cho chu trình sơ
cấp và các đƣờng ống phụ lớn đáp ứng đƣợc yêu cầu rò rĩ trƣớc khi vỡ (leak-beforebreak).
1.1.2. Hệ thống tải nhiệt
Hệ thống tải nhiệt AP1000 bao gồm hai hệ thống đơn, mỗi hệ thống đơn có
một chân nóng và hai chân lạnh, bình sinh hơi, hai máy hơm nƣớc đặt ở chân lạnh
của bình sinh hơi và chỉ một bình điều áp cho cả hai hệ thống đơn.
Hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động PXS đảm bảo quá trình làm mát vùng
hoạt khi xảy ra những sự cố. PXS tải nhiệt dƣ từ vùng hoạt, bơm nƣớc cấp cứu và

5


giảm áp suất mà không cần dùng một thiết bị tác động nào nhƣ máy bơm hay nguồn
điện. PXS dùng 3 nguồn nƣớc để làm mát vùng hoạt là bể bù nƣớc vùng hoạt CMT,
bể tích nƣớc cao áp ACC và bể tích nƣớc thay đảo nhiên liệu IRWST.
Hệ thống CMT thay thế hệ thống phun an toàn áp suất cao HPSI (High
Pressure Safety Injection) của những loại lò phản ứng hạt nhân PWR thông thƣờng.
CMT cung cấp nƣớc trộn với axit boric dƣới áp suất cao và dẫn dung dịch axit boric
theo hai đƣờng song song. CMT đƣợc thiết kế để hoạt động dƣới mọi áp suất của hệ
thống sơ cấp nhờ sự tác động của trọng lực do đƣợc đặt cao hơn những đƣờng ống
của hệ thống làm mát lò phản ứng RCS. Một đƣờng điều chỉnh áp suất nối chân
lạnh với đỉnh của CMT và đƣờng ống ra kết nối phần dƣới của CMT qua đƣờng dẫn
nƣớc trực tiếp vào thùng lò DVI (Direct Vessel Injection).
ACC của AP1000 giống nhƣ ACC của những lò phản ứng hạt nhân PWR
thông thƣờng. ACC có dạng hình cầu chứa ¾ nƣớc lạnh có axit boric và chịu áp
suất nén bởi khí nitơ. Đƣờng ống ra của ACC đƣợc kết nối với hệ thống DVI. Một
cặp van kiểm tra (check valves) ngăn chặn nƣớc trong ACC khi vận hành bình
thƣờng. Khi áp suất giảm xuống dƣới áp suất của ACC (cộng với áp suất của van
kiểm tra), nƣớc sẽ đƣợc đƣa vào phần dƣới của vùng hoạt - downcomer qua DVI.

6


Hình 1.2 Hệ thống làm mát lò phản ứng AP1000
PXS còn có hệ thống tải nhiệt dƣ thụ động, đƣợc thiết kế để tải nhiệt dƣ của
RCS trong quá trình sự cố. PRHR nằm trong IRWST ở chiều cao trên vùng hoạt.
Đƣờng ống dẫn vào của PRHR đƣợc kết nối với một chân nóng trong khi đó đƣờng
ống ra đƣợc kết nối với đầu ra của một trong hai bình sinh hơi. Đƣờng ống vào
đƣợc mở với áp suất nhƣ của RCS, đƣờng ống ra thƣờng bị đóng bởi hai van cô lập
song song để thỏa mãi tiêu chí “sai hỏng đơn”. Trong quá trình vận hành bình
thƣờng, nƣớc trong đƣờng ống của PRHR cân bằng với IRWST. Khi tín hiệu bơm
an toàn SI (Safety Injection) đƣợc kích hoạt sau một sự cố, những van cô lập trên sẽ
mở và do đó nhiệt dƣ của RCS sẽ đƣợc truyền đi theo cơ chế đối lƣu tự nhiên. Để
gia tăng sự đối lƣu tự nhiên, máy bơm sẽ bị ngắt khi tín hiệu SI khởi động.
Hệ thống nƣớc làm mát thụ động boong-ke lò PCS, tải nhiệt đối lƣu tự nhiên
qua bể tích nƣớc làm mát boong-ke lò thụ động PCCWST (Passive Containment

7


Cooling Water Storage Tank) bằng trọng lực. Nó tải nhiệt qua hệ thống bồn nhiệt
cuối cùng UHS (Ultimate Heat Sink) trong trƣờng hợp áp suất của boong-ke lò gia
tăng quá cao.
1.1.3. Hệ thống an toàn
Hệ thống an toàn của AP1000 bao gồm bơm an toàn thụ động, loại bỏ nhiệt
dƣ thụ động và làm mát boong-ke lò thụ động. Tất cả những hệ thống thụ động đáp
ứng tiêu chuẩn của Ủy ban pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ (U.S NRC) và các tiêu chuẩn
gần đây khác. Hệ thống đƣợc thụ động và sử dụng những thành phần đã đƣợc kiểm
chứng, đơn giản hóa toàn bộ hệ thống nhà máy, thiết bị, hoạt động và bảo trì. Sự

đơn giản hóa hệ thống nhà máy làm giảm nhiều tác động phụ thuộc vào sự điều
hành khi gặp sự cố. Hệ thống thụ động chỉ dùng lực tự nhiên nhƣ là lực hấp dẫn, lƣu
thông tự nhiên và nén khí – đây là những nguyên tắc vật lý đơn giản chúng ta tin
cậy hàng ngày. Không có máy bơm, quạt, động cơ diesel, máy làm lạnh, hoặc máy
móc làm quay nào khác trong hệ thống an toàn. Điều này loại bỏ các nhu cầu cho hệ
thống an toàn cần tới nguồn điện xoay chiều. Một vài van đơn giản liên kết hệ thống
an toàn thụ động, khi đó các van đƣợc khởi động một cách tự động. Trƣờng hợp đặc
biệt, những van này bị "lỗi an toàn". Chúng cần năng lƣợng để trở lại trạng thái bình
thƣờng. Trong tất cả trƣờng hợp, sự vận động của các van này là sử dụng năng
lƣợng lƣu trữ từ lò xo, nén khí hoặc pin.
Thiết kế của AP1000 cung cấp nhiều mức bảo vệ trong việc giảm nhẹ tai nạn
(bảo vệ chiều sâu), kết quả là xác suất hƣ hại vùng hoạt vô cùng thấp trong khi giảm
thiểu sự cố. Bảo vệ chiều sâu đƣợc thiết kế cho toàn bộ nhà máy AP1000, với vô số
tính năng riêng có khả năng cung cấp một số mức độ bảo vệ an toàn của nhà máy.
Có sáu khía cạnh của thiết kế AP1000 góp phần bảo vệ chiều sâu:

8


Hình 1.3 Hệ thống an toàn thụ động
Ổn định hoạt động: Trong hoạt động bình thƣờng, mức căn bản nhất của bảo
vệ chiều sâu đảm bảo rằng nhà máy có thể đƣợc hoạt động ổn định và đáng tin cậy.
Điều này đạt đƣợc qua sự lựa chọn vật liệu, qua sự bảo đảm chất lƣợng trong khi
thiết kế và xây dựng, qua sự đào tạo tốt ngƣời điều hành, qua hệ thống điều khiển
tiên tiến và thiết kế nhà máy, cung cấp gia số đáng kể cho hoạt động của nhà máy
trƣớc khi tiếp cận giới hạn an toàn.
Ngăn chặn bức xạ: Một trong những khía cạnh quan trọng nhất để nhận diện
bảo vệ chiều sâu là bảo vệ an toàn môi trƣờng qua việc ngăn chặn bức xạ từ nhà
máy. Các tia bức xạ đƣợc ngăn chặn trực tiếp bởi các lớp bảo vệ này gồm vỏ nhiên
liệu, thùng lò, boong-ke lò và nhà lò.

Hệ thống an toàn, hệ thống liên quan an toàn thụ động:Đƣợc thiết lập đầy đủ
tính tự động và duy trì làm mát vùng hoạt và toàn bộ boong-ke lò trong một giai
đoạn không giới hạn thời gian. Sau đó thiết kế các sự kiện cơ sở giả định hạn chế
nhất các lỗi đơn, không cần tác động điều hành và không cần sử dụng nguồn điện.
Đa dạng trong hệ thống an toàn, hệ thống liên quan an toàn:Mức bảo vệ bổ
sung đƣợc cung cấp qua các chức năng giảm nhẹ khác nhau. Điều này tồn tại đa
dạng, ví dụ nhƣ chức năng loại bỏ nhiệt dƣ. Trong trƣờng hợp có nhiều lỗi của hệ

9


thống loại bỏ nhiệt dƣ, bảo vệ chiều sâu đƣợc cung cấp bởi sự bơm an toàn thụ động
và chức năng tự động giảm áp của hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động.
Hƣ hại vùng hoạt:Thiết kế AP1000 cung cấp hoạt động điều khiển với khả
năng đƣa nƣớc vào lò phản ứng trong các sụ kiện mà vùng hoạt bị rò rỉ và nóng
chảy. Điều này ngăn ngừa hƣ hại thùng lò và tiếp theo là sự di chuyển các mảnh vỡ
nóng chảy vùng hoạt vào boong-ke lò. Ngăn chặn các mảnh vụn trong thùng lò làm
giảm đáng kể sai số khi đánh giá hƣ hại boong-ke lò và phóng xạ vào môi trƣờng.

Hình 1.4 So sánh tần số nóng chảy vùng hoạt
Tính năng bảo vệ theo chiều sâu của AP1000 nâng cao sự an toàn nên không
có sự phóng xạ nghiêm trọng từ sản phẩm phân hạch, đƣợc dự đoán tới lúc xảy ra từ
trạng thái ban đầu nguyên vẹn của boong-ke lò vào khoảng hơn 100 giờ sau sự công
kích mạnh mẽ bởi hƣ hại vùng hoạt, giả định không có tác động phục hồi. Lƣợng
thời gian này cung cấp hiệu suất tác động quản lý sự cố để hạn chế sự cố và phòng
ngừa hƣ hại boong-ke lò. Tần số nóng chảy vùng hoạt dự đoán qua tài liệu phân tích
xác suất rủi ro PRA (Probabilistic Risk Assessment) là 1,95x10-8 lò phản ứng/năm,
thấp hơn nhiều với nhà máy khác Hình 1.4.

10

1.2.

Bình điều áp lò phản ứng AP000

1.2.1. Cấu tạo bình điều áp
Bình điều áp của lò phản ứng AP1000 là bộ phận chính của hệ thống kiểm
soát áp suất chất làm mát lò phản ứng. Bình điều áp là một thùng hình trụ đứng có
đầu trên và đầu dƣới hình bán cầu. Trong vận hành bình thƣờng, nƣớc chiếm
khoảng một nửa dung tích bình điều áp. Phần nƣớc này đƣợc đun nóng đến nhiệt độ
bão hòa bằng bộ gia nhiệt trong suốt quá trình vận hành bình thƣờng. Nƣớc và hơi
nƣớc trong bình duy trì ở điều kiện bão hòa cân bằng.

Hình 1.5 Bình điều áp lò AP1000
Một đầu phun giảm áp, 2 đầu ra van an toàn và van giảm áp đƣợc đặt ở đầu
trên, bộ gia nhiệt dùng điện đƣợc bố trí ở đầu dƣới và có thể tháo rời để thay thế.
Đầu dƣới bao gồm một vòi gắn với đƣờng nối bình điều áp với chân nóng. Trong
quá trình co và giãn nở nhiệt hệ thống chất làm mát, dòng chất làm mát đi vào và đi

11


ra khỏi bình điều áp thông qua đƣờng nối này. Cấu tạo bình điều áp lò phản ứng
AP1000 đƣợc thể hiện qua Hình 1.5.
1.2.2. Van an toàn của bình điều áp
Hai van an toàn của bình điều áp là loại van tự dẫn động, tải lò xo có chức
năng giảm áp. Các van này đƣợc đặt ở nắp bình điều áp. Khi áp suất hệ thống vƣợt
quá áp suất phát động của các van này, thì áp suất sẽ đƣợc xả vào boong-ke lò. Áp
suất phát động của van là 17,23 MPa. Áp suất phát động và khả năng kết hợp của

chúng đƣợc thiết lập dựa trên nguyên tắc áp suất hệ thống chất làm mát lò phản ứng
không đƣợc vƣợt quá giới hạn áp suất tối đa trong điều kiện vận hành mức B - mất
tải nhất thời (110% của 17,23 MPa).

Hình 1.6 Hệ thống giảm áp thụ độngtrong lò phản ứng AP1000
Kích thƣớc van an toàn của bình điều áp đƣợc thiết kế dựa trên phân tích sự cố
mất toàn bộ dòng hơi nƣớc đến tua-bin khi lò phản ứng đang vận hành ở công suất
102%. Tốc độ xả của van đƣợc yêu cầu ít nhất là bằng tốc độ dòng lớn nhất từ
đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng vào bình điều áp trong suốt quá trình
chuyển tiếp sự cố này.

12


1.2.3. Hệ thống van giảm áp tự động ADS
Một số chức năng của hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động của lò AP1000
đƣợc thiết kế dựa trên việc giảm áp của hệ thống chất làm mát lò phản ứng. Chức
năng này đƣợc thực hiện nhờ các van giảm áp thụ động ADS. Các van giảm áp tự
động gắn với bình điều áp đƣợc sắp xếp thành 6 bộ song song, mỗi bộ gồm 2 van
nối tiếp mở theo 3 giai đoạn. Khi áp suất hệ thống vƣợt quá áp suất phát động của
các van này, thì hơi nƣớc sẽ đƣợc xả vào bể chứa trữ nƣớc tiếp nhiên liệu trong
boong-ke lò IRWRT. Ngoài ra, một bộ van giảm áp tự động giai đoạn thứ 4 đƣợc
nối với mỗi chân nóng của lò phản ứng. Mỗi bộ gồm 2 nhánh song song, mỗi nhánh
gồm 2 van đặt nối tiếp nhau. Hơi nƣớc đƣợc xả từ các van này trực tiếp ra boong-ke
lò.
Để giảm thiểu hậu quả các kịch bản sự cố khác nhau, bộ điều khiển đƣợc sắp
xếp để mở van theo thứ tự định trƣớc dựa vào mức nƣớc bể bổ sung nƣớc cho vùng
hoạt CMT và bộ định giờ. Các van ADS thứ 1,2 và 3 đƣợc phát động khi mực nƣớc
trong bể bổ sung nƣớc cho vùng hoạt giảm đến 67.5% và van ADS thứ tƣ phát động
khi mực nƣớc trong bể bổ sung nƣớc cho vùng hoạt giảm đến 20%.

Bảng 1.2 Các thông số thiết kế của bình điều áp
Bình điều áp
Thể tích (ft3)

2.100

Thể tích nƣớc (ft3)

1.000

Đƣờng kính trong (in.)

90

Chiều cao (in.)

607

Áp suất thiết kế (MPa)

17,23

Nhiệt độ thiết kế (°F)

680

Đƣờng kính đƣờng nối bình điều áp với chân nóng (in)

18

Chiều dày thành đƣờng nối bình điều áp với chân nóng (in)
Đƣờng kính đƣờng ống phun giảm áp (in)

1,78
4

Áp suất van phun giảm áp (bắt đầu mở, MPa)

15,68

Áp suất van phun giảm áp (mở hoàn toàn, MPa)

16,03

13


Bảng 1.3 Các thông số thiết kế của van an toàn của bình điều áp
Số lƣợng

2

Đƣờng kính đầu van an toàn (in.)

14

Khả năng xả yêu cầu tối thiểu cho mỗi van (lb/h)

750.000

Áp suất thiết lập (MPa)

17,23 ± 0,27

Nhiệt độ thiết kế (0F)

680

Dung dịch

Hơi bão hòa
Bảng 1.4 Áp suất kích hoạt của các van ADS
P Thông thƣờng

P Thiết kế

(MPa) (a)

(MPa)

MỞ

ĐÓNG

MỞ

ĐÓNG

Van ADS giai đoạn thứ nhất

15,51

15,51(b,c)

17,23

17,23

Van cô lập ADS giai đoạn thứ nhất

15,51

15,51

17,23

17,23

Van ADS giai đoạn thứ 2

8,38

0,79(b)

17,23

8,38

Van cô lập ADS giai đoạn thứ 2

8,38

0,79

2.485

8,38

Van ADS giai đoạn thứ 3

3,55

0,79

2.485

8,38

Van cô lập ADS giai đoạn thứ 3

3,55

0,79

2.485

8,38

Lưu ý:
a) Áp suất vận hành thông thường như kỳ vọng

b) Van được ngăn không cho đóng đến khi tín hiệu ADS được thiết lập lại
c) Van ADS giai đoạn thứ nhất có thể được kích hoạt bằng tay để có sự giảm
áp được kiểm soát hoặc thông khí.
1.2.4. Sự cố bình điều áp
Trong lịch sử, tuy chúng ta thấy không thấy có nhiều những sự cố của nhà
máy điện hạt nhân nhƣng khi đã cố sảy ra thì hậu quả vô cùng lớn. Nguyên nhân
dẫn tới sự cố thì rất nhiều, trong đó liên quan tới bình điều áp cũng là một trong
những nguyên nhân chính. Lịch sử đã chứng kiến thảm họa Three Miles Island với
hậu quả là sự nóng chảy vùng hoạt tổ máy thứ 2 của nhà máy TMI-2.Nhà máy điện

14


Three Miles Island đặt gần Harrisburg, Pennsylvania Mỹ. Nó có hai lò phản ứng áp
lực nƣớc. Đầu tiên là một PWR với công suất 800MWe và đƣợc đƣa vào sử dụng
năm 1974. Tổ máy thứ hai là PWR 906MWe và gần nhƣ là thƣơng hiệu mới.
Sự cố xảy ra tại tổ máy thứ hai của nhà máy vào hồi 4 giờ sáng ngày 28
tháng 3 năm 1979, khi lò phản ứng đang hoạt động với công suất 97%. Nguyên
nhân ban đầu là do một sự cố tƣơng đối nhỏ trong hệ thống nƣớc làm mát thứ cấp
làm cho nhiệt độ nƣớc làm mát sơ cấp tăng. Tại thời điểm đó, một van xả của bình
điều áp vô ý mở, nhƣng không đƣợc phát hiện, rất nhiều nƣớc làm mát trong hệ
thống nƣớc làm mát sơ cấp đã bị thoát đi. Khi đó, các kỹ thuật viên không thể chuẩn
đoán đúng để dập lò tự động ngoài ý muốn. Do việc thiếu thiết bị phòng điều khiển
và do quá trình đào tạo không đáp ứng đủ tình trạng khẩn cấp này.
Đáp lại sự mất nƣớc làm mát, bơm cao áp tự động bơm nƣớc thay thế vào lò
phản ứng. Khi nƣớc và hơi nƣớc thoát qua van xả, thì nƣớc thay thế vào bình điều
áp tăng, nâng cao mực nƣớc trong đó. Các kỹ thuật viên đƣợc đào tạo rằng mực
nƣớc trong bình điều áp là dấu hiệu đáng tin cậy nhất của lƣợng nƣớc làm mát trong
hệ thống. Do đó họ nghĩ rằng nƣớc làm mát trong vòng sơ cấp vẫn còn đầy, nên họ
đã dừng hệ thống bơm nƣớc cấp cứu áp suất cao (HPIS) trong khi thực tế thì nƣớc

làm mát trong vùng hoạt đã bị thất thoát. Do đó dẫn đến việc tan chảy vùng hoạt và
toàn bộ tổ máy thứ hai đã bị phá hủy. Vụ tai nạn nghiêm trọng đã gây ra rất nhiều
thiệt hại ảnh hƣởng tới cả môi trƣờng xung quanh, nhƣng may mắn là không có ai
bị ảnh hƣởng với phóng xạ.
Luận văn lựa chọn nghiên cứu mô phỏng sự cố tƣơng tự nhƣ thảm họa TMI2 nói trên, cụ thể là sự cố vô ý mở van an toàn của bình điều áp. Sự cố giả định khi
nhà máy đang hoạt động ở trạng thái dừng (là trạng thái nhà máy hoạt động với các
thông số ổn định) thì van xả của bình điều áp bị mở vô ý và bị kẹt suốt trong quá
trình sự cố. Nƣớc làm mát thất thoát ra ngoài theo van van toàn này dẫn đến việc
tăng nhiệt độ và giảm áp suất hệ thống nƣớc làm mát. Sau đó tín hiệu dập lò đƣợc
khởi phát đi kèm với các tín hiệu an toàn thụ động. Luận văn chỉ tập trung nghiên
cứu các hiện tƣợng liên quan tới bình điều áp nhƣ áp suất, nhiệt độ, lƣu lƣợng dòng
các các van của bình điều áp.

15


2. CHƢƠNG 2. CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THỦY NHIỆT RELAP5
2.1. Giới thiệu về chƣơng trình RELAP5
RELAP5 (Reactor Excursion and Leak Analysis Program) là phần mềm tính
toán thủy nhiệt lò phản ứng, cho phép chúng ta phân tích an toàn, thiết kế lò phản
ứng hoặc mô phỏng các sự cố trong trạng thái dừng và chuyển tiếp của hệ thống
làm mát và vùng hoạt lò phản ứng. RELAP5 đƣợc phát triển và chỉnh sửa tại phòng
thí nghiệm quốc gia Mỹ Idaho Nationl Engineering Laboratory (INEEL). Tới phiên
bản RELAP5/Mod3 đƣợc phát triển cùng Ủy ban pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ U.S
NRC và một vài thành viên của ICAP (International Code Assessment and
Application Program). Phiên bản RELAP5/Mod3 đƣợc dùng phân tích trong Luận
văn này ra đời vào những năm 90 của thế kỷ trƣớc.
Đặc trƣng của RELAP5 là chƣơng trình thủy nhiệt một chiều để mô phỏng
các hệ thống hạt nhân hoặc phi hạt nhân gồm hỗn hợp nƣớc,hơi nƣớc, khí không
ngƣng tụ và chất tan. Mô hình thủy nhiệt đƣợc phát triển và đánh giá qua chƣơng

trình đánh giá chƣơng trình quốc tế ICAP. Ngoài ra, RELAP5 có thể đƣợc sử dụng
để giải quyết nhiều vấn đề thủy nhiệt của nhà máy. Mô hình hóa các hệ thống một
pha và hai pha có thể đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng nhiều loại van, trao đổi
nhiệt và máy bơm.
RELAP5 tạo nên từ hệ sáu phƣơng trình cơ bản là phƣơng trình bảo toàn
khối lƣợng, động lƣợng và năng lƣợng cho hai pha nƣớc và hơi/khí trong hệ thống
không cân bằng. Trong trƣờng hợp cụ thể, kết hợp với điều kiện biên các phƣơng
trình cơ bản đƣợc thiết kế để giải quyết các biến số phụ thuộc, trong đó có áp suất
(P), nội năng theo pha (Ug, Uf), tỷ lệ khối lƣợng pha (αg, αf), vận tốc dòng các pha
(Vg, Vf), chất lƣợng hơi (Xn) và nồng độ Boron (ρb).
2.2. Cấu trúc của chƣơng trình RELAP5
2.2.1. Cấu trúc của chƣơng trình
Chƣơng trình RELAP5có cấu trúc “trên – xuống”và đƣợc tổ chức theo dạng
mô-đun thể hiện trong Hình 2.1

16


Hình 2.1 Cấu trúc chương trình RELAP5
Cấu trúc chƣơng trình ở mức cao nhất đƣợc chia thành 3 khối:
+INPUT: Có nhiệm vụ đọc tệp dữ liệu đầu vào, kiểm tra và xử lý dữ liệu nhập
vào (New, Restart, Initialization…)
+STRIP: Trích dữ liệu từ tệp RESTART.
+TRNCTL: Có nhiệm vụ lựa chọn giải bài toán thủy nhiệt ở chuyển tiếp hay
trạng thái dừng. Gồm có các tổ chức thấp hơn:
-

TRANSET: Kết nối thông tin giữa các khối dữ liệu, cài đặt mảng để điều
khiển matrix giải.

-

TRANFIN: Đƣợc thực thi khi TRAN kết thúc chƣơng trình con giải
phóng không gian cho các khối dữ liệu động học.

-

TRAN: Kiểm tra sự phát triển chuyển tiếp của lời giải, gần nhƣ mọi thời
gian đƣợc thực thi trong khối này, tiêu tốn nhiều bộ nhớ nhất và gần nhƣ
mọi khối dữ liệu động phải ở trong bộ nhớ trung tâm và bộ nhớ yêu cầu
khởi tạo; lƣu trữ thƣờng xuyên. Tổ chức thấp hơn của TRAN là:
o DTSTEP: Quyết định kích cỡ của bƣớc thời gian. Trong suốt thồi
gian chƣơng trinh thực hiện, mô-đun này hiển thị lên màn hình

17