Khảo sát hoạt động của hệ thống điều khiển độ phản ứng lò CANDU

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN


KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘ PHẢN ỨNG LÒ CANDU KHI XẢY RA SỰ CỐ
RỚT MỘT NHÓM THANH HẤP THỤ TRONG LÕI LÒ
BẰNG PHẦN MỀM CANDU-9 COMPACT SIMULATOR

SVTH:

ĐÀO ĐẠI ĐỒNG

GVHD: ThS. NGUYỄN HOÀNG ANH
GVPB:

ThS. PHAN LÊ HOÀNG SANG

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN



KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

ĐỀ TÀI:

KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
ĐỘ PHẢN ỨNG LÒ CANDU KHI XẢY RA SỰ CỐ
RỚT MỘT NHÓM THANH HẤP THỤ TRONG LÕI LÒ
BẰNG PHẦN MỀM CANDU-9 COMPACT SIMULATOR

SVTH:

ĐÀO ĐẠI ĐỒNG

GVHD: ThS. NGUYỄN HOÀNG ANH
GVPB:

ThS. PHAN LÊ HOÀNG SANG

Thành phố Hồ Chí Minh – Năm 2015


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên em xin gửi lời cảm ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trường Đại học
Khoa học Tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh, quý Thầy Cô khoa Vật lý – Vật lý Kỹ
thuật, quý Thầy Cô cùng anh chị cán bộ trẻ Bộ môn Vật lý Hạt nhân đã dạy dỗ, truyền
đạt những kiến thức vô cùng quý báu, không chỉ là kiến thức sách vở mà cả kiến thức
trong cuộc sống dành cho sinh viên chúng em trong suốt 4 năm học đại học.
Em vô cùng biết ơn và xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giáo viên đã trực tiếp

hướng dẫn em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này, đó là cô Nguyễn Hoàng Anh. Cô
đã đưa ra những định hướng và luôn có những lời nhắc nhở, góp ý vô cùng quý báu
dành cho em. Bên cạnh đó, cô còn luôn kề cận, trực tiếp chỉ dạy em, hướng dẫn em
từng chi tiết giúp em hiểu rõ rất nhiều điều trong suốt thời gian em thực hiện khoá
luận này.
Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến thầy Phan Lê Hoàng Sang, thầy đã dành thời
gian để đọc và giúp em chỉnh sửa khoá luận. Bên cạnh đó thầy cũng cho em những
gợi ý, nhắc nhở quan trọng giúp em hoàn thành khoá luận tốt nghiệp này.
Xin cảm ơn bạn bè đã luôn ở bên cạnh chia sẻ và có những lời động viên tinh
thần.
Đặc biệt, cảm ơn gia đình luôn quan tâm, dạy dỗ và tạo mọi điều kiện học tập
để con học tập tốt và đạt được thành quả như ngày hôm nay.
Xin cảm ơn!
TP.HCM, tháng 6 năm 2015
Đào Đại Đồng


MỤC LỤC

MỤC LỤC .................................................................................................................. i
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................ iii
DANH MỤC BẢNG BIỂU .......................................................................................v
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .......................................................................... vi
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC NẶNG CANDU........2
Tổng quan về lò phản ứng CANDU ..............................................................2
1.1.1. Phân bố lò CANDU trên thế giới............................................................2
1.1.2. Lịch sử lò phản ứng CANDU .................................................................3
1.1.2.1.

Thời kì đầu .......................................................................................3

1.1.2.2.

Thiết kế 600MWe ............................................................................3

1.1.2.3.

Thiết kế 900MWe ............................................................................4

1.1.2.4.

Thế hệ III+ .......................................................................................4

1.1.3. Một số đặc trưng của lò CANDU ...........................................................5
1.1.3.1.

Lõi lò dạng ống áp lực .....................................................................6

1.1.3.2.

Nhiên liệu .........................................................................................8

1.1.3.3.

Thay nhiên liệu “on-power” .............................................................9

1.1.3.4.

Nước nặng trong lò CANDU ...........................................................9

1.1.3.5.

“Giàu neutron” ...............................................................................10

1.1.3.6.

Đặc tính an toàn cao của thiết kế CANDU ....................................11

1.1.4. Ưu điểm của lò CANDU ......................................................................12
Điều khiển độ phản ứng của lò CANDU .....................................................13
1.2.1. Điều khiển vùng chất lỏng – Liquid Zone Controllers (LZC) ..............14
1.2.2. Thanh hấp thụ - Mechanical Control Absorbers (MCA) ......................15
1.2.3. Thanh điều khiển – Adjuster Rods .......................................................16
1.2.4. Chất vô hiệu – Moderator Poison .........................................................17
1.2.5. Hệ thống dập lò đặc biệt SDS ...............................................................18
Lò phản ứng cải tiến ACR-1000..................................................................19

i


CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG CANDU-9 COMPACT
SIMULATOR ..........................................................................................................21
Tổng quan phần mềm CANDU-9 Compact Simulator ...............................21
2.1.1. Khởi chạy phần mềm ............................................................................21
2.1.2. Mô tả tổng quan màn hình hiển thị của phần mềm...............................21
Các giao diện mô phỏng của phần mềm CANDU-9 Compact Simulator ...23
2.2.1. Trang thông số tổng quan lò (Plant Overview) ....................................24
2.2.2. Trang thanh dập lò (Shutdown Rods) ...................................................26
2.2.3. Trang điều khiển độ phản ứng (Reactivity Control) .............................27

2.2.4. Trang thông số vòng nước sơ cấp (PHT Main Circuit) ........................28
2.2.5. Trang máy phát điện (Turbine Generator) ............................................30
2.2.6. Trang chế độ RRS/DPR ........................................................................31
2.2.7. Trang chế độ UPR.................................................................................33
2.2.8. Trang đồ thị (Trend) .............................................................................34
CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ
PHẢN ỨNG KHI XẢY RA SỰ CỐ RỚT MỘT NHÓM THANH HẤP THỤ
TRONG LÕI LÒ. ....................................................................................................35
Các khái niệm ..............................................................................................35
Các bước chạy phần mềm............................................................................39
Kết quả .........................................................................................................41
Phân tích và nhận xét ...................................................................................44
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................47
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................49
PHỤ LỤC A. DANH SÁCH CÁC LÒ PHẢN ỨNG CANDU TẠI CANADA ..50
PHỤ LỤC B. CHẤT THẢI TRITIUM .................................................................51
PHỤ LỤC C. CÁC GIAO DIỆN MÔ PHỎNG KHÁC CỦA PHẦN MỀM
CANDU-9 COMPACT SIMULATOR..................................................................52

ii


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết
tắt
ACR

AECL

ASDV

CANDU
CSDV

Tiếng Anh

Tiếng Việt

Advanced CANDU Reactor

Lò phản ứng CANDU thế hệ
mới

Atomic Energy of Canada

Viện Năng lượng Nguyên Tử

Limited

Canada

Atmospheric Steam Discharge
Valve
Canadian Deuterium Uranium
Condenser Steam Discharge
Valve

Van an toàn xả ra môi trường
Lò phản ứng nước nặng Canada
Van thoát dòng hơi hệ ngưng tụ

CV

Control Valve

Van điều lượng

DPR

Demanded Power Routine

Lịch trình năng lượng yêu cầu

Direct Use of Pressurized
DUPIC

Water Reactor Spent Fuel in
CANDU

ECCS
FP
HPCV

Emergency Core Cooling
System

Dùng nhiên liệu qua sử dụng của
lò nước nhẹ cho lò CANDU

Hệ thống làm mát khẩn cấp
Công suất tối đa

Full Power
High Pressure Turbine Control
Valve

Van cao áp chính

HPHX

High Pressure Heater

Máy tạo nhiệt cao áp

LOCA

Lost Of Coolant Accident

Tai nạn mất chất tải nhiệt

LZC

Liquid Zone Controllers

Hệ thống điều khiển vùng lỏng

MCA

Mechanical Control Absorbers

Hệ thanh hấp thụ

MSR

Moisture Separator and
Reheater

iii

Máy tách ẩm và tái tạo nhiệt


MSSV

Main Steam Safety Valve

Van an toàn dòng hơi chính

MSV

Main Steam Valve

Van hơi chính

MV

Motorized Valve

Van điều khiển

NPD

Nuclear Power Demonstration

Lò hạt nhân dùng cho giảng dạy

NRU

National Research Universal

Tên của lò phục vụ nghiên cứu

NRX

National Research

Tên của lò phục vụ nghiên cứu

Experimental

PCV

Pressure Control Valve

Van điều áp

PHT

Primary Heat Transport

Hệ thống truyền nhiệt sơ cấp

RIH

Reactor Inlet Header

Đầu điều hướng dòng vào

ROH

Reactor Outlet Header

Đầu điều hướng dòng ra

RRS

Reactor Regulating System

SDS

Shutdown System

Hệ thống dập lò khẩn cấp

SG

Steam Generator

Bình sinh hơi

SP

Set Point

Mức thiết lập

UPR

Unit Power Regulator control

Hệ thống quản lý năng lượng lò

ZEEP

Zero Energy Experimental Pile

iv

Hệ thống điều khiển độ hoạt
động

Tên lò phản ứng nước nặng đầu
tiên tại Canada


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Phân bố lò phản ứng CANDU trên thế giới [5] .........................................2
Bảng 1.2. Các hệ thống điều khiển độ phản ứng lò [7] ............................................14

v

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Giản đồ của nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng CANDU [3] .....5
Hình 1.2. Sơ đồ lõi lò CANDU-9 ...............................................................................6
Hình 1.3. Giản đồ mặt cắt ngang của lõi lò CANDU [3] ...........................................7
Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống quản lý vùng chất lỏng ....................................................14
Hình 1.5. Phân bố hệ thống điều khiển độ phản ứng qua mặt cắt ngang lõi lò ........16
Hình 2.1. Các thông tin tổng quan trên giao diện hiển thị của phần mềm ...............22
Hình 2.2. Giao diện trang Plant Overview ...............................................................24
Hình 2.3. Giao diện trang Shutdown Rods ...............................................................26
Hình 2.4. Giao diện trang Reactivity Control ..........................................................27
Hình 2.5. Giao diện trang PHT Main Circuit ...........................................................28
Hình 2.6. Giao diện trang Turbine Generator ..........................................................30
Hình 2.7. Giao diện trang chế độ RRS/DPR ............................................................31
Hình 2.8. Giao diện trang chế độ UPR .....................................................................33
Hình 2.9. Giao diện trang đồ thị ...............................................................................34
Hình 3.1. Đồ thị vùng hoạt động của hệ thống điều khiển vùng lỏng......................37
Hình 3.2. Đồ thị vùng hoạt động của hệ thống thanh điều khiển .............................38
Hình 3.3. Đồ thị vùng hoạt động của hệ thống thanh hấp thụ ..................................39
Hình 3.4. Danh sách các sự cố và tai nạn lò .............................................................40
Hình 3.5. Giao diện trang Reactivity Control sau khi nhập sự cố ............................41
Hình 3.6. Đồ thị vị trí của điểm hoạt động trong quá trình tai nạn lò ......................42
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi năng lượng lò ở giai đoạn đầu của tai nạn ..43
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi năng lượng lò ở giai đoạn duy trì điểm hoạt
động trong vùng P.E = 0 ...........................................................................................43
Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi năng lượng lò sau khi các thanh điều khiển bị
rút ra hoàn toàn ..........................................................................................................43

vi

LỜI MỞ ĐẦU
Quá trình phát triển thời kỳ hiện đại của đất nước Canada gắn liền với sự thành
công của công nghệ lò phản ứng hạt nhân nước nặng CANDU. Lò phản ứng CANDU
đã trải qua bề dày nghiên cứu và phát triển trong hơn 60 năm qua với các ứng dụng
lớn nhất là cung cấp điện năng thương mại và phục vụ trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là
trong các nghiên cứu điều trị bệnh ung thư. Tại Canada, điện hạt nhân dần trở thành
ngành công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong sự phát triển của nền kinh tế.
Những đặc tính thiết kế riêng biệt của lò phản ứng CANDU so với các kiểu lò
khác đem lại nhiều lợi thế về tính an toàn hơn, được mệnh danh là một trong những
loại lò phản ứng hạt nhân an toàn nhất trên thế giới khi xét về hệ thống an toàn của
nhà máy cũng như an toàn chất thải phóng xạ. Mặc dù lò phản ứng CANDU yêu cầu
một lượng lớn nước nặng, đồng nghĩa với việc tốn kém tiền bạc để tinh lọc đủ lượng
nước nặng cần thiết để vận hành lò, nhưng ưu thế sử dụng uranium tự nhiên đem đến
sự cân bằng về mặt thuận lợi và khó khăn.
Trong khóa luận này, chúng tôi đã tìm hiểu về lịch sử phát triển lò phản ứng
nước nặng, nghiên cứu các thành phần chính trong hệ thống của nhà máy điện hạt
nhân sử dụng thế hệ lò phản ứng nước nặng CANDU-6 và CANDU-9 cũng như tìm
hiểu nguyên lý hoạt động của chúng. Ngoài ra, chúng tôi cũng tìm hiểu cách vận hành
các hệ thống chính của một lò phản ứng CANDU thông qua phần mềm mô phỏng
CANDU-9 Compact Simulator.
Khoá luận này được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về lò phản ứng nước nặng CANDU.
Chương 2: Giới thiệu phần mềm mô phỏng CANDU-9 Compact Simulator.
Chương 3: Khảo sát hoạt động của hệ thống điều khiển độ phản ứng khi xảy
ra sự cố rớt một nhóm thanh hấp thụ trong lõi lò.

1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC NẶNG CANDU
Tổng quan về lò phản ứng CANDU
CANDU là từ viết tắt được lấy từ tên đầy đủ “CANadian Deuterium Uranium”
của lò phản ứng hạt nhân nước nặng. Đây là loại lò phản ứng đặc biệt so với các loại
lò áp lực thông thường nhờ vào việc sử dụng nước nặng (𝐷2 𝑂) để làm chất làm chậm
và chất tải nhiệt, nhờ đó cho phép sử dụng nhiên liệu uranium tự nhiên không cần qua
làm giàu.
Các nghiên cứu về lò phản ứng nước nặng tại Canada được bắt đầu từ thời kì
Thế Chiến Thứ II và dần trở thành hướng đi duy nhất của Canada. Hiện tại, nhiều thế
hệ lò phản ứng nước nặng đã được phát triển và đi vào hoạt động nhằm phục vụ
nghiên cứu cũng như cung cấp điện năng tại một số quốc gia trên thế giới, phần lớn
các lò phản ứng loại này nằm tại Canada.
1.1.1. Phân bố lò CANDU trên thế giới
Hiện tại, Canada có tổng cộng 19 lò CANDU đang hoạt động tại các nhà máy
điện hạt nhân Bruce Power, Pickering, Darlington và Point Lepreau. Ngoài ra, Canada
đã xuất khẩu công nghệ lò CANDU sang nhiều nước trên thế giới bao gồm Argentina,
Trung Quốc, Ấn Độ, Pakistan, Romania và Hàn Quốc. Hiện có tổng cộng 31 lò
CANDU đang hoạt động bên ngoài lãnh thổ Canada, chưa tính đến 16 lò do Ấn Độ
tự xây dựng dựa trên thiết kế nguyên bản của CANDU.
Bảng 1.1. Phân bố lò phản ứng CANDU trên thế giới [5]
Quốc gia

Số lượng

Argentina
Canada
Trung Quốc
Ấn Độ
Pakistan
Romania

Hàn Quốc

1
19
2
2 + 16
1
2
4

2

Tổng công suất điện
(MWe)
600
13.513
1.280
277 + 3.480
125
1.305
2.579


1.1.2. Lịch sử lò phản ứng CANDU
Sự phát triển của lò phản ứng nước nặng CANDU trải qua 4 thời kì chính.
Thời kì đầu chỉ là các loại lò thử nghiệm và nguyên mẫu với công suất hạn chế. Sau
đó chúng được phát triển lên thế hệ công suất điện năng 500-600MWe (CANDU-6)
và loại lớn hơn với công suất 900MWe (CANDU-9). Hiện tại, thiết kế lò đã phát triển
đến thế hệ cải tiến ACR.
1.1.2.1. Thời kì đầu

Lò phản ứng nước nặng đầu tiên tại Canada mang tên ZEEP được đi vào hoạt
động sau Thế Chiến thứ II. ZEEP cùng với vài lò thử nghiệm khác như NRX (1947)
và NRU (1957) đã giúp Canada nắm vững khoa học công nghệ để phát triển lò hạt
nhân nước nặng cho riêng mình.
Thiết kế đích thực của lò phản ứng CANDU ra đời và được thử nghiệm với
mô hình NPD đạt công suất 22MWe. Nó được xem như nhà máy phát điện hạt nhân
đầu tiên tại Canada và hoạt động rất thành công vào khoảng thời gian 1962-1987. Lò
CANDU thứ hai là Douglas Point (1968) với thiết kế công suất đạt 200MWe [9].
Sau đó, nhiều thử nghiệm khác nhau được thực hiện nhằm đưa ra thiết kế tối
ưu và tăng công suất lò (tăng nhiệt năng đầu ra và giảm áp suất ống áp lực, sử dụng
chất tải nhiệt khác như dầu hữu cơ…). Lò Gentilly-1 được xây dựng nhằm thử nghiệm
cho một loại thiết kế khác sử dụng nước nhẹ làm chất tải nhiệt cho các kênh nhiên
liệu thẳng đứng. Tuy nhiên, lò phản ứng này sau đó được xem là không hiệu quả và
bị dừng sau 7 năm hoạt động [9].
1.1.2.2. Thiết kế 600MWe
Thành công của NPD và Douglas Point đã dẫn đến quyết định xây dựng tổ hợp
lò phản ứng tại nhà máy Pickering, Ontario. Pickering A (1971) và Pickering B (1983)
với tổng cộng 8 tổ máy cho công suất điện lên đến 4120 MWe [9].
Sau đó, nhiều cải tiến được đem vào thiết kế ban đầu của Pickering dẫn đến
thiết kế hoàn chỉnh CANDU-6, được xem là thiết kế quy chuẩn dùng để áp dụng cho

3


các nhà máy đơn lò. CANDU-6 được áp dụng tại các nhà máy Gentilly-2 và Point
Lepreau (đều chỉ có một lò phản ứng). Đây cũng là loại thiết kế chủ đạo của Canada
khi hợp tác xây dựng lò phản ứng hạt nhân tại các nước khác như Argentina, Trung
Quốc, Romania và Hàn Quốc.
1.1.2.3. Thiết kế 900MWe
Với nhu cầu tiêu thụ năng lượng tăng trưởng không ngừng, thế hệ thiết kế tiếp

theo chủ yếu nhắm đến tăng công suất bằng cách tăng kích thước lõi lò. Thế hệ lò
theo thiết kế mới đạt mức công suất khoảng 900 - 1000MWe.
Nhà máy Pickering trải qua quá trình nâng cấp kéo dài từ 1970 đến 1987 và
trở thành cơ sở điện hạt nhân lớn nhất Bắc Mỹ, lớn thứ hai thế giới lúc bấy giờ.
Pickering sở hữu 8 lò phản ứng cho công suất 800MWe mỗi tổ máy, tổng công suất
điện đạt trên 6000MWe. Sau đó, việc nâng cấp kích thước lò cũng được áp dụng cho
nhà máy Darlington, giúp nâng công suất mỗi tổ máy lên 880MWe [9].
Cũng tương tự việc nâng cấp Pickering dẫn đến thiết kế hoàn chỉnh của
CANDU-6, thiết kế của nhà máy Bruce sau này cũng được cải tiến để đi đến thiết kế
hoàn chỉnh của CANDU-9. CANDU-6 và CANDU-9 nhìn chung là những chuẩn
thiết kế được đóng gói lại để có thể phù hợp cho việc xây dựng nhà máy lò đơn. Hiện
nay vẫn chưa có lò CANDU-9 nào được xây dựng trên thế giới.
1.1.2.4. Thế hệ III+
Khoảng thời gian sau này, sự phát triển của CANDU hầu như chỉ nằm ở khâu
cải tiến một số yếu tố chứ không có gì đột phá (hệ thống an toàn, tập trung vào yếu
tố kinh tế và tổng hiệu năng). Sự đột phá thực sự thuộc về thế hệ III+ trong khoảng
thời gian những năm đầu thế kỷ 21 [9].
Thiết kế lò ACR-700 được hoàn thành dựa trên nền tảng CANDU-6 và
CANDU-9 trước đây với mức công suất thiết kế 700MWe. Việc nâng cấp quy mô
cũng được áp dụng cho ACR-700 dẫn đến thiết kế ACR-1000 với mức công suất thiết
kế đạt 1200MWe [9].

4


Hiện nay, nhiều cải tiến cũng đã được áp dụng cho các lò CANDU-6 cũ dưới
tên gọi Enhanced CANDU6 (CANDU6e hay EC6). Đây là thiết kế nâng cấp của
CANDU-6 với công suất điện đầu ra lên đến 740MWe mỗi tổ máy. Các lò này đều
được thiết kế với tuổi đời 50 năm, trong đó bắt buộc phải trải qua quá trình thay mới
linh kiện giữa vòng đời.

1.1.3. Một số đặc trưng của lò CANDU
Khác biệt lớn nhất của lò phản ứng CANDU so với các loại lò phản ứng hạt
nhân khác là sử dụng nước nặng làm chất làm chậm và chất tải nhiệt trong lõi lò. Các
phản ứng phân hạch dây chuyền xảy ra trong lõi lò được giữ ở mức tới hạn (k=1), lõi
lò sẽ sinh nhiệt và được chất tải nhiệt chảy tuần hoàn trong vòng sơ cấp hấp thụ sau
đó truyền nhiệt sang vòng nước nhẹ thứ cấp trong các bình sinh hơi nhằm tạo ra dòng
khí áp suất cao làm quay turbine, sản sinh điện năng (minh họa như trong hình 1.1).

Hình 1.1. Giản đồ của nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng CANDU [3]

5


1.1.3.1. Lõi lò dạng ống áp lực
Trong lò CANDU, lõi lò được thiết kế dạng ống áp lực thay vì nồi áp lực
(hình 1.2). Với thiết kế này, lõi lò (còn có tên calandria) là một bình chứa lớn dạng
hình trụ nằm ngang và có vỏ bằng kim loại. Trong calandria có chứa nước nặng ở
điều kiện áp suất thấp và các kênh nhiên liệu được phân bố đều. Lõi của lò phản ứng
nước nặng phổ biến có tổng cộng 380 kênh nhiên liệu (CANDU-6) hoặc 480 kênh
nhiên liệu (CANDU-9). Ống áp lực chứa các bó nhiên liệu và được đặt bên trong ống
lõi, ngăn cách với ống lõi bằng một lớp khí gas. Các ống lõi tiếp xúc với nước nặng
và được cố định vào nắp ngoài ở 2 đầu calandria (hình 1.3). Bằng thiết kế ống áp lực,
việc tạo áp lực cho chất tải nhiệt theo từng kênh nhỏ sẽ hiệu quả hơn và giúp thu nhỏ
kích thước lõi lò hơn cách tạo áp lực cho cả lõi lò như kiểu lò nước nhẹ [6].

Hình 1.2. Sơ đồ lõi lò CANDU-9

6

Theo thiết kế CANDU-6, lõi lò được bao bọc hoàn toàn bằng tường bê tông,
khoảng không ở giữa được lấp đầy bằng nước nhẹ để làm chất giải nhiệt trong trường
hợp tai nạn lò. Với CANDU-9, lõi lò được bao quanh bằng một bồn đồng tâm có chứa
nước nhẹ [6].

Hình 1.3. Giản đồ mặt cắt ngang của lõi lò CANDU [3]
Ngoài chất làm chậm là nước nặng, chất tải nhiệt trong vòng nước sơ cấp cũng
là nước nặng. Nước nặng chảy qua các kênh nhiên liệu với áp suất cao (10MPa) để
nước không bị sôi. Chất tải nhiệt ở vòng sơ cấp tuần hoàn đi vào lõi lò và thoát ra ở
đầu kia của kênh nhiên liệu (nhiệt độ nước đầu vào đạt 260𝑜 C và ở đầu ra là 310𝑜 C).
Một vòng nước trọn vẹn sẽ đi qua hai ống áp lực nằm liền kề nhau, dòng nước
nặng đi qua lõi lò đến một đầu điều hướng để dẫn đến máy sinh hơi. Tại đây, nước
nặng sẽ truyền nhiệt làm sôi nước nhẹ của vòng thứ cấp trong máy tạo hơi, dòng hơi
sinh ra (áp suất ~5MPa) được dẫn đến làm quay turbine phát điện. Chất tải nhiệt sau

7


khi truyền nhiệt cho nước nhẹ sẽ quay trở lại lõi lò, đi qua hướng đối diện của một
ống áp lực liền kề, tiếp tục được nhận nhiệt lượng và chảy qua máy tạo hơi thứ hai.
Phần lớn năng lượng nhiệt sinh ra trong lõi lò được truyền sang chất tải nhiệt ở vòng
sơ cấp, chỉ một lượng nhỏ năng lượng nhiệt thất thoát vào chất làm chậm. Lượng
nhiệt này được loại bỏ bởi vòng làm mát độc lập dành riêng cho chất làm chậm.
1.1.3.2. Nhiên liệu
Nhiên liệu của lò CANDU không cần trải qua quá trình làm giàu vì lò có thể
sử dụng uranium tự nhiên. Quặng uranium được khai thác từ các mỏ lộ thiên hoặc
dưới lòng đất, sau đó được nghiền ra để tách các thành phần tạp chất, trải qua quá
trình oxy hoá để trở thành dạng “bánh vàng” U3 O8 . Nhiên liệu thô này tiếp tục trải
qua một quá trình khác để chuyển thành UO3 và các quá trình hậu kì để có thể đem
ra thị trường [10].

Đối với thị trường uranium làm giàu, UO3 được chuyển sang dạng khí
hexaflouride và xuất khẩu. Riêng đối với lò CANDU, UO3 tiếp tục qua thêm một quá
trình nữa để trở thành UO2 dạng bột đen và được nén lại dưới dạng viên trụ đường
kính khoảng 1cm và dài 1cm [10].
Những viên nhiên liệu đó được xếp dọc theo một thân ống hợp kim zircaloy
có chiều dài khoảng 50cm. Các ống nhiên liệu được xếp thành bó tròn hàn cố định
bằng hai tấm zircaloy ở hai đầu (bó nhiên liệu của lò CANDU-6 có 28 ống nhiên liệu,
CANDU-9 có 37 ống). Mỗi kênh nhiên liệu trong lõi lò được lấp đầy bởi 12 bó nhiên
liệu xếp nối nhau với tổng chiều dài 6m [10].
Lò phản ứng CANDU có thể trở nên linh động với nhiều phương án nhiên liệu
khác nhau và loại nhiên liệu thường sẽ được quyết định trước khi xây dựng lò.
CANDU có thể sử dụng nhiên liệu trực tiếp từ chất thải của lò phản ứng nước nhẹ
(thông qua quá trình DUPIC), vòng nhiên liệu thorium, uranium làm giàu...

8


1.1.3.3. Thay nhiên liệu “on-power”
Một tính năng đặc trưng của lò phản ứng CANDU là khả năng thay nhiên liệu
“on-power”, nghĩa là không phải dừng hoạt động lò nếu cần thay nhiên liệu. Việc
thay nhiên liệu được thực hiện bằng một hệ thống bao gồm hai chiếc máy hoạt động
cùng lúc tại hai đầu của lõi lò. Một máy sẽ đẩy các bó nhiên liệu mới vào ống nhiên
liệu trong khi chiếc còn lại ở đầu bên kia sẽ nhận lấy các bó nhiên liệu bị đẩy ra sau
đó chuyển chúng đến một khu vực bể chứa ngập nước.
Hai máy thay nhiên liệu đều có thể thực hiện chức năng đẩy nhiên liệu mới
vào hoặc nhận nhiên liệu cũ bị đẩy ra. Vì theo nguyên tắc thay nhiên liệu, nhiên liệu
mới phải được đẩy vào theo chiều của dòng nước trong ống áp lực nhưng các ống
nằm cạnh nhau lại có chiều nước ngược nhau.
1.1.3.4. Nước nặng trong lò CANDU
Ưu điểm chính của việc dùng nước nặng làm chất làm chậm là giúp giảm lượng

neutron bị hấp thụ để duy trì phản ứng dây chuyền. Điều này nhờ vào đặc điểm tiết
diện hấp thụ của nước nặng đối với neutron nhiệt rất nhỏ so với nước thường.
Tuy nhiên, vì có khối lượng lớn hơn nước thường nên nước nặng làm chậm
neutron không hiệu quả như nước thường. Neutron mất ít năng lượng hơn sau mỗi va
chạm với nước nặng so với khi va chạm với nước thường, do đó cần nhiều va chạm
hơn và neutron cũng phải đi xa hơn để được làm chậm đến mức năng lượng lý tưởng
để gây ra phản ứng phân hạch tiếp theo. Chính lý do này đòi hỏi một lượng lớn nước
nặng nằm giữa các thanh nhiên liệu, do đó lõi lò CANDU thường phải xây dựng to
hơn so với lõi các lò nước nhẹ. Ngoài ra, chất làm chậm trong lò CANDU còn có
nhiệt độ thấp hơn so với chất làm chậm trong các thiết kế khác, giúp giảm tốc độ của
các phần tử chất làm chậm. Điều này cũng góp phần giúp cho hầu hết các neutron
sinh ra đều được làm chậm để có khả năng tham gia phản ứng khác.
Nước nặng còn giúp các phản ứng dây chuyền trong lò có độ ổn định cao hơn.
Hạt nhân deuterium không những đã có sẵn nhiều hơn một neutron mà còn có xu
hướng hấp thụ neutron ít hơn nhiều so với hydro. Các nucleon trong deuterium có
9


năng lượng liên kết thấp (2,2MeV) cho phép một số neutron năng lượng cao và đặc
biệt là các tia gamma phá vỡ liên kết để tạo ra thêm nhiều neutron. Các tia gamma
tạo ra trực tiếp từ phản ứng phân hạch hay từ phân rã của các sản phẩm phân hạch
đều đủ năng lượng để phá vỡ liên kết [9].
Mặt khác, với một lượng lớn chất làm chậm, các neutron phân hạch thường
được làm chậm trước khi chúng có thể chạm đến thanh nhiên liệu tiếp theo, sẽ mất
thời gian hơn để neutron có thể đi từ khu vực này sang khu vực khác của lõi lò. Nếu
phản ứng dây chuyền gia tăng tại một phần trong lõi lò, sự thay đổi sẽ được lan truyền
ra một cách rất chậm rãi đến các khu vực khác của lõi lò. Hiệu ứng chậm giúp kéo
dài thời gian cho việc điều khiển trong trường hợp khẩn cấp.
Sự độc lập của năng lượng neutron cho dù nhiên liệu được sử dụng là gì cho
phép các lò phản ứng CANDU có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu khác nhau. Mỗi

bó nhiên liệu sẽ nằm trong điều kiện môi trường giống nhau và tương tác tạo ra môi
trường kéo theo giống nhau, cho dù nhiên liệu là U-235, U-233 hay plutonium.
Nhược điểm lớn nhất đó là vòng nước sơ cấp trong thiết kế CANDU có nhiệt
độ đầu ra chưa đủ cao để tạo ra dòng hơi có nhiệt độ và áp lực như ở lò nước nhẹ. Do
đó, hiệu năng nhiệt động lực của lò CANDU chỉ vào khoảng 28%-30% cho dù đã áp
dụng turbine lớn với thiết kế đặc biệt. Để hạn chế những rắc rối này, nhiều thử nghiệm
chất tải nhiệt khác đã được nghiên cứu như nước nhẹ hay chất lỏng hữu cơ. Chúng
đều cho dòng nhiệt ra lớn hơn so với nước nặng tuy nhiên lại có nhược điểm là hấp
thụ lượng lớn neutron sinh ra trong lõi lò. Nói chung, không có loại chất tải nhiệt nào
hiệu quả hơn nước nặng [6].
1.1.3.5. “Giàu neutron”
Một trong những đặc trưng của thiết kế lò CANDU đó là “giàu neutron”. Đây
là một trong những yếu tố cần thiết nhất để có thể sử dụng vòng nhiên liệu uranium
tự nhiên. Trong một lò phản ứng CANDU thì yếu tố này được gia tăng tối đa bằng
cách:

10


 Sử dụng một lượng lớn chất làm chậm và giữ ở áp suất thấp, nhiệt độ thấp
(khoảng 70o C) cho phép làm chậm neutron hiệu quả. Nước nặng cũng đóng
vai trò là nguồn cung neutron.
 Áp dụng các quy tắc nghiêm ngặt nhằm kiểm soát lượng tạp chất trong vật liệu
lò.
 Dùng hợp kim zircaloy làm vật liệu chính cho lõi lò nhằm giảm thiểu sự hấp
thụ neutron.
1.1.3.6. Đặc tính an toàn cao của thiết kế CANDU
Toàn bộ hệ thống lò CANDU được xem là điển hình của một hệ thống lò hạt
nhân an toàn. Hệ thống dập lò tự động có thể dập lò chỉ trong vòng 2-3 giây mà không
chịu sự phụ thuộc hay can thiệp của người điều hành lò. Lõi lò còn được thiết kế với

nhiều đầu dò và luôn đi kèm 1-2 đầu dò dự phòng cung cấp dữ liệu cho hệ thống dập
lò.
Bên cạnh đó, tính an toàn hệ thống của lò CANDU còn nằm trong nhiều yếu
tố khác tạo nên sự khác biệt so với các thiết kế lò phản ứng hạt nhân phổ biến khác.
Một số tính năng an toàn đặc trưng nhất:
 Sự tách biệt của hai vòng nước sơ cấp, thứ cấp cùng với hàng trăm ống áp lực
tách biệt cho phép hạn chế ảnh hưởng trong một phần lõi lò, tránh hiệu ứng
kéo theo độ phản ứng nếu xảy ra tai nạn mất chất tải nhiệt (LOCA).
 Hệ thống làm mát sơ cấp độc lập cho phép giữ lại chất làm mát, không cho các
sản phẩm phân hạch thoát ra môi trường trong trường hợp rò rỉ nhiên liệu.
 Bất kì sự rò rỉ nào trong ống áp lực có thể được phát hiện thông qua các thông
số đo của lớp khí nằm giữa ống áp lực và ống lõi. Các ống áp lực bị hư hỏng
có thể được thay thế một cách đơn giản.
 Thế tích lớn chất làm chậm dưới áp suất thấp và nhiệt độ thấp bao quanh các
ống áp lực cũng đóng vai trò giải nhiệt trong trường hợp xảy ra tai nạn, giảm
thiểu nguy cơ lõi lò tan chảy (mặc dù khả năng ngăn chặn thấp nếu xảy ra tai
nạn).
11


 Chất làm chậm cũng tạo ra môi trường áp suất thấp cho các thanh điều khiển,
tránh khả năng xảy ra hiện tượng đẩy ngược thanh điều khiển trong một số tai
nạn hiếm gặp ở lò áp lực nước nhẹ. Thêm vào đó, các thiết bị đo hoạt độ
neutron đặt trong môi trường chất làm chậm có thể tránh khỏi sự quá nhiệt hay
quá áp như với các lò nước nhẹ.
 Động năng neutron trong môi trường nước nặng được làm chậm thành nhiều
mức hơn so với sử dụng nước nhẹ, giảm thiểu sự không liên tục giữa các
neutron chậm và neutron tức thời giúp việc điều khiển dễ dàng hơn.
 Khả năng thay nhiên liệu on-power cho phép việc quản lý phân bố năng lượng
dễ đạt trạng thái cân bằng, việc phân tích độ phản ứng lõi lò cũng trở nên đơn

giản hơn.
 Trong một số trường hợp tai nạn, hệ thống làm mát khẩn cấp (ECCS) dẫn nước
nhẹ thẳng vào các ống áp lực nhằm giải nhiệt đồng thời hấp thụ bớt neutron,
ngăn chặn phản ứng dây chuyền.
1.1.4. Ưu điểm của lò CANDU
Các lò phản ứng CANDU đặc biệt vì chúng sử dụng nhiên liệu uranium tự
nhiên không cần làm giàu. Trong một vài loại lò tuỳ biến, có thể sử dụng uranium
làm giàu nhẹ, các loại nhiên liệu hỗn hợp hoặc thậm chí thorium. CANDU là loại lò
lý tưởng để tận dụng nhiên liệu từ các loại vũ khí hạt nhân được tháo gỡ, giúp giảm
thiểu số lượng vũ khí hạt nhân toàn cầu.
Lò CANDU có thể được thay nhiên liệu khi đang hoạt động mà không cần
phải dừng lò, trong khi các loại lò khác bắt buộc phải dừng hoạt động lò nếu cần thay
đổi nhiên liệu. Điều này cũng cho phép việc thay thế nhiên liệu diễn ra liên tục để
duy trì mức năng lượng tối ưu của lò thay vì phải đợi toàn bộ lõi lò đạt đến mốc tối
thiểu mới có thể thay nhiên liệu như ở lò nước nhẹ. Đặc biệt, việc không cần phải làm
giàu uranium làm cho giá nhiên liệu của lò CANDU giảm.
Hệ thống an toàn của các lò phản ứng CANDU trên toàn cầu cũng được đánh
giá là thuộc dạng an toàn nhất. Hệ thống an toàn được thiết kế tách biệt so với phần

12


còn lại của nhà máy và mỗi phần trong hệ thống an toàn đều được trang bị từ 2 đến 3
phương án dự phòng. Điều này không chỉ cho phép gia tăng tính an toàn của toàn bộ
lò mà còn cho phép việc thử nghiệm hệ thống an toàn diễn ra dễ dàng trong khi lò
vẫn hoạt động hết công suất.
Việc sử dụng nước nặng với vai trò chất làm chậm và chất tải nhiệt trong đa
phần các thiết kế CANDU là một ưu điểm về mặt tính năng và tạo ra đặc trưng lớn
nhất của lò CANDU. Tuy nhiên, đây cũng là yếu tố gây tốn kém vì đòi hỏi một lượng
lớn nước nặng.

Điều khiển độ phản ứng của lò CANDU
 Định nghĩa độ phản ứng
Với điều kiện hoạt động bình thường của một lò phản ứng ở mức tới hạn hoặc
gần tới hạn thì hệ số nhân neutron k gần bằng 1. Độ lệch của k khỏi giá trị 1 sẽ làm
thay đổi công suất của lò. Từ đó, công thức hệ số độ lệch của k hay còn gọi là độ phản
ứng được cho như sau:
𝜌=

𝑘−1
𝑘

(1.1)

Trong điều kiện thông thường k ở gần giá trị 1 nên công thức (1.1) có thể viết
lại dưới dạng:
𝛿𝑘 = k − 1

(1.2)

Vì những thay đổi về độ phản ứng trong điều kiện bình thường là khá nhỏ nên
đơn vị thường dùng của k là mili-k, viết tắt mk.
 Điều khiển độ phản ứng
Có tổng cộng 6 hệ thống riêng biệt có thể làm thay đổi độ phản ứng lò, 4 trong
số đó thuộc hệ thống điều khiển RRS (Reactor Regulating System), có chức năng
điều khiển độ phản ứng ở điều kiện bình thường. Hai hệ thống còn lại thuộc hệ thống
dập lò SDS (Shutdown System), có chức năng dập lò khẩn cấp nếu xảy ra tai nạn.

13

Bảng 1.2. Các hệ thống điều khiển độ phản ứng lò [7]
Hệ thống
điều khiển

RRS

SDS

Hệ thống trực thuộc

Khả năng thay đổi độ
phản ứng

Điều khiển vùng lỏng

±3 mk

Thanh điều khiển
Thanh hấp thụ
Chất vô hiệu
SDS#1

+17 mk
-9 mk
Tùy trường hợp
-68 mk

SDS#2

Dập lò hoàn toàn

Ghi chú
Gồm 14 khoang
nước riêng biệt
24 thanh/8 nhóm
4 thanh/2 nhóm
32 thanh
Tiêm chất vô hiệu
áp suất cao

1.2.1. Điều khiển vùng chất lỏng – Liquid Zone Controllers (LZC)
Hệ thống này cung cấp khả năng điều khiển độ phản ứng nhờ vào việc quản
lý các vùng lỏng trong lõi lò. Việc điều khiển vùng chất lỏng bù đắp độ phản ứng
thiếu hụt gây ra do các giá trị nhiễu loạn nhỏ. Hệ thống điều khiển vùng chất lỏng
cũng được thiết kế để kiểm soát các vùng phân bố năng lượng trong thể tích lõi.

Hình 1.4. Sơ đồ hệ thống quản lý vùng chất lỏng
14


LZC bao gồm 6 ống chạy xen kẽ giữa các kênh nhiên liệu nằm từ đỉnh đến đáy
lò theo minh họa trên hình 1.4. Mỗi ống thuộc 2 ống trung tâm được chia thành 3
khoang và mỗi ống thuộc 4 ống vùng ngoài được chia thành 2 khoang. Các khoang
được ngăn cách với nhau và nước nhẹ được đưa vào trong các khoang này nhằm hấp
thụ neutron. Tổng cộng, có 14 vùng chất lỏng độc lập được điều khiển trong lõi lò.
Thông qua việc đánh giá độ phản ứng của từng khu vực lõi, lượng nước trong mỗi
khoang được điều chỉnh nhờ vào các ống dẫn nhỏ [6].
Hệ thống này được thiết kế với khả năng điều khiển độ phản ứng trong khoảng
giá trị ±3mk. Khoảng giá trị này đủ để bù vào các nhiễu loạn độ phản ứng sinh ra do
quá trình thay nhiên liệu [3].

1.2.2. Thanh hấp thụ - Mechanical Control Absorbers (MCA)
Trong trường hợp cần điều khiển độ phản ứng lớn hơn so với giới hạn của hệ
thống LZC, hệ thống thanh điều khiển và thanh hấp thụ sẽ giúp mở rộng giới hạn điều
khiển độ phản ứng.
Hệ MCA gồm 4 thanh hấp thụ chia làm 2 nhóm với phân bố vị trí trong lõi lò
như trong hình 1.5. Hệ này sẽ đảm nhiệm vai trò điều khiển độ phản ứng theo chiều
hướng âm. Các thanh hấp thụ về mặt vật lý hoàn toàn tương tự như các thanh dập lò
nhưng được thiết kế tách biệt với hệ thống thanh dập lò. Hệ thanh hấp thụ thường
nằm hoàn toàn bên ngoài lõi lò trong điều kiện hoạt động bình thường và được giữ
bởi một hệ nam châm điện từ. Chúng được nhúng vào lõi trong trường hợp cần phải
giảm năng lượng lò một cách nhanh chóng.
MCA và LCZ có thể được dùng để giảm công suất lò xuống giá trị rất thấp mà
không cần dùng đến hệ thống dập lò khẩn cấp. Độ phản ứng âm mà hệ MCA cung
cấp có thể bù đắp cho độ phản ứng tăng lên vì giảm nhiệt trong quá trình tắt lò. Độ
phản ứng âm của hệ này có giới hạn -9mk [3].

15


Hình 1.5. Phân bố hệ thống điều khiển độ phản ứng qua mặt cắt ngang lõi lò
1.2.3. Thanh điều khiển – Adjuster Rods
Hệ thống thanh điều khiển cho phép mở rộng khả năng điều khiển độ phản
ứng của lò theo chiều dương, cao hơn nhiều so với giới hạn điều khiển dương của hệ
thống LCZ. Hệ thống thanh điều khiển trong CANDU-9 bao gồm 24 thanh làm từ vật
liệu hấp thụ neutron “nhẹ” như thép không gỉ hoặc cobalt (CANDU-6 có 21 thanh),
phân bố vị trí như hình 1.5. Các thanh điều khiển thường nằm hoàn toàn trong lõi lò
trong điều kiện hoạt động bình thường. Nếu cần nhiều độ phản ứng dương hơn mức
giới hạn của LCZ, các thanh điều khiển được rút ra khỏi lõi lò theo từng nhóm [6].
Các thanh điều khiển trong lò CANDU-9 được chia thành 8 nhóm riêng biệt
với số lượng thanh mỗi nhóm không giống nhau và được nhúng vào trong lõi lò ở

nhiều vị trí sao cho sự phân bố năng lượng là đồng đều. Thậm chí, lượng phân bố
chất hấp thụ bên trong thanh điều khiển cũng khác nhau giữa các thanh để đảm bảo
cân bằng độ phân bố năng lượng.
16