Nghiên cứu về bình điều áp và sự cố bình điều áp có thể xảy ra đối với lò phản ứng AP1000

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


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ACC (Accumulators): Bế tích nước cao áp
ADS (Automatic Depressurization System): Hệ thống giảm áp tự động.
DVI (Direct Vessel Injection): Đường dẫn nước trực tiếp vào thùng lò
IRWRT (In-Containment Refueling Water Storage Tank): Bể trữ nước thay đảo
nhiên liệu boong-ke lò.
LOCA (SmallLoss Of Coolant Accident): Sự cố mất nước làm mát nhỏ
PRHR (Passive Residual Heat Removal): Hệ thống tải nhiệt dư thụ động PXS
(Passive core Cooling System): Hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động.
PWR (Pressurized Water Reactor): Lò phản ứng nước 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


DANH MỤC HÌNH VẼ


MỞ ĐẦU
Do nhu cầu điện năng tăng cao, năm 2009, Quốc hội đã phê duyệt chủ
trương xây dựng hai nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở nước 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 nước áp lực) của Tập
đoàn Westinghouse.Đây là loại lò có nhiều cải tiến theo hướng 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 lượng với hiệu suất cao,
nhưng khi tai nạn xảy ra thì thiệt hại vô cùng lớn, nên vấn đề an toàn luôn được 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 được mô phỏng tính toán bằng
phần mềm RELAP5 – một phần mềm được sử dụng tương đối phổ cập hiện nay
trong tính toán an toàn nhà máy điện hạt nhân nói chung, cũng như được 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 được xem xét chủ yếu trên cơ
sở phân tích các sự cố giả định của lò phản ứng hạt nhân. Vì vậy, dưới đây, trong
luận văn này, tác giả sẽ dùng cụm từ “nhà máy điện hạt nhân AP1000” với cùng ý
nghĩa như cụm từ “lò phản ứng hạt nhân AP1000”.

6


1. CHƯƠNG 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 được xây dựng và cải tiến dựa trên các công nghệ đã có từ các bộ phận
đang được 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 được sử dụng rộng
rãi trên toàn thế giới và được kiểm chứng qua nhiều năm với độ tin cậy cao khi vận
hành. Các thành phần chính của AP1000 được giới thiệu ở Hình 1.1
AP1000 thiết kế hướng tới sự an toàn cao và hiệu suất tối ưu. Hệ thống an
toàn được thụ động hóa bằng việc sử dụng các lực tự nhiên: Áp suất, trọng lực và
đối lưu. Bên cạnh đó các tác động điều hành phức tạp để điều khiển sự an toàn
được 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 được chỉ ra ở Bảng 1.1.
Bảng 1. Các thông số chính của lò AP1000
Thông số
Công suất điện, MWe
Công suất nhiệt, MWt
Áp suất vận hành lò phản ứng, MPa
Nhiệt độ chân nóng, °C (°F)
Số bó nhiên liệu
Kiểu bó nhiên liệu
Chiều dài hoạt động thanh nhiên liệu, m (ft)
Hệ số tuyến tính nhiệt, kw / ft
3
3
Lưu lượng nhiệt thùng lò 10m /h(10 gpm)
2 2
Diện tích bề mặt máy tạo hơi nước, m (Ft )

7

AP1000
1117
3400
15.5
321 (610)
157
17x17
4.3 (14)
5.71
68,1 (300)
11.600

(125.000)


Thể tích bình điều áp, m

3

3
(Ft )

59,5 (2100)

Hình 1.Nhà máy điện hạt nhân AP1000
Thùng lò: Thùng lò hình trụ, đầu trên và dưới 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), đường ống và được đỡ trên cấu trúc bê tông tòa
nhà lò.
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 được đặt trong thùng lò nhằm cung
cấp vận tốc dòng ngang đủ lớn cho lối ra và tạo điều kiện tối ưu cho thiết bị hệ
thống tải nhiệt lò phản ứng. Chân nóng và chân lạnh được sắp xếp lệch nhau, chất

8


tải nhiệt vào thùng thông qua chân lạnh và chảy xuống phía dưới 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 được sử dụng trong

AP1000. Dựa trên thiết kế đã được 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 nước thứ cấp.
Thiết kế cải tiến của bình sinh hơi bao gồm sự mở rộng của các đường ống,
đường ống được 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 đường ống trong bình sinh hơi có thể sử
dụng ống lót trong khi cần thiết.
Bơm nước làm mát: Có sự quán tính cao, đáng tin cậy, hoạt động ổn định,
động cơ máy bơm được bao kín do đó chu trình nước làm mát chỉ xuyên qua vùng
hoạt, đường ống và bình sinh hơi. Kích thước 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
đường ống; và giảm các khả năng rò rì vùng hoạt trong sự cố mất nước làm mát nhỏ
LOCA (SmallLoss Of Coolant Accident). Máy bơm nước 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.
Đường ống nước làm mát chính: Đường ống của hệ thống nước làm mát lò
phản ứng RCS được cấu hình từ hai hệ thống đơn giống hệt nhau, mỗi cái sử dụng
một chân nóng có đường kính trong 790 mm (31-inch) để vận chuyển nước làm
mát lò phản ứng đến bình sinh hơi. Cả hai vòi của máy bơm nước làm mát lò phản
ứng được hàn trực tiếp đến các kênh lối ra ở đáy của bình sinh hơi. Hai ống chân

9

lạnh có đường kính trong 560 mm (22-inch) trong mỗi hệ thống đơn vận chuyển
nước làm mát lò phản ứng trở lại thùng lò phản ứng để hoàn thiện một vòng kín.
Máy bơm nước 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 dưới của đầu
kênh bình sinh hơi loại bỏ sự chéo ngang qua các chân lạnh, như vậy tránh các khả
năng rò rỉ vùng hoạt trong sự cố mất nước 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
hướng dòng chảy có sự cản trở thấp để chịu được sự dãn nở khác nhau giữa các ống
kênh nóng và lạnh; Các đường ống được tôi luyện trước 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 đường ống phải có sự uốn cong đủ thấp để cho chu trình sơ
cấp và các đường ống phụ lớn đáp ứng được yêu cầu rò rĩ trước 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 nước 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 dư từ vùng hoạt, bơm nước cấp cứu và
giảm áp suất mà không cần dùng một thiết bị tác động nào như máy bơm hay nguồn
điện. PXS dùng 3 nguồn nước để làm mát vùng hoạt là bể bù nước vùng hoạt CMT,
bể tích nước cao áp ACC và bể tích nước 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 thường.

10

CMT cung cấp nước trộn với axit boric dưới áp suất cao và dẫn dung dịch axit boric
theo hai đường song song. CMT được thiết kế để hoạt động dưới mọi áp suất của hệ
thống sơ cấp nhờ sự tác động của trọng lực do được đặt cao hơn những đường ống
của hệ thống làm mát lò phản ứng RCS. Một đường điều chỉnh áp suất nối chân
lạnh với đỉnh của CMT và đường ống ra kết nối phần dưới của CMT qua đường dẫn
nước trực tiếp vào thùng lò DVI (Direct Vessel Injection).
ACC của AP1000 giống như ACC của những lò phản ứng hạt nhân PWR
thông thường. ACC có dạng hình cầu chứa ¾ nước lạnh có axit boric và chịu áp
suất nén bởi khí nitơ. Đường ống ra của ACC được kết nối với hệ thống DVI. Một
cặp van kiểm tra (check valves) ngăn chặn nước trong ACC khi vận hành bình
thường. Khi áp suất giảm xuống dưới áp suất của ACC (cộng với áp suất của van
kiểm tra), nước sẽ được đưa vào phần dưới của vùng hoạt - downcomer qua DVI.

Hình 1. Hệ thống làm mát lò phản ứng AP1000

11


PXS còn có hệ thống tải nhiệt dư thụ động, được thiết kế để tải nhiệt dư của
RCS trong quá trình sự cố. PRHR nằm trong IRWST ở chiều cao trên vùng hoạt.
Đường ống dẫn vào của PRHR được kết nối với một chân nóng trong khi đó đường
ống ra được kết nối với đầu ra của một trong hai bình sinh hơi. Đường ống vào
được mở với áp suất như của RCS, đường ống ra thường bị đóng bởi hai van cô lập
song song để thỏa mãi tiêu chí “sai hỏng đơn”. Trong quá trình vận hành bình
thường, nước trong đường ống của PRHR cân bằng với IRWST. Khi tín hiệu bơm
an toàn SI (Safety Injection) được kích hoạt sau một sự cố, những van cô lập trên sẽ
mở và do đó nhiệt dư của RCS sẽ được truyền đi theo cơ chế đối lưu tự nhiên. Để
gia tăng sự đối lưu tự nhiên, máy bơm sẽ bị ngắt khi tín hiệu SI khởi động.

Hệ thống nước làm mát thụ động boong-ke lò PCS, tải nhiệt đối lưu tự nhiên
qua bể tích nước làm mát boong-ke lò thụ động PCCWST (Passive Containment
Cooling Water Storage Tank) bằng trọng lực. Nó tải nhiệt qua hệ thống bồn nhiệt
cuối cùng UHS (Ultimate Heat Sink) trong trường 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
dư 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 được thụ động và sử dụng những thành phần đã được 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 như là lực hấp dẫn, lưu
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 được khởi động một cách tự động. Trường hợp đặc
biệt, những van này bị "lỗi an toàn". Chúng cần năng lượng để trở lại trạng thái bình

12


thường. Trong tất cả trường hợp, sự vận động của các van này là sử dụng năng
lượng lưu 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 hư hại vùng hoạt vô cùng thấp trong khi giảm
thiểu sự cố. Bảo vệ chiều sâu được 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:

Hình 1. Hệ thống an toàn thụ động
Ổn định hoạt động: Trong hoạt động bình thường, mức căn bản nhất của bảo
vệ chiều sâu đảm bảo rằng nhà máy có thể được hoạt động ổn định và đáng tin cậy.
Điều này đạt được qua sự lựa chọn vật liệu, qua sự bảo đảm chất lượng trong khi
thiết kế và xây dựng, qua sự đào tạo tốt người 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
trước 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 trường qua việc ngăn chặn bức xạ từ nhà
máy. Các tia bức xạ được ngăn chặn trực tiếp bởi các lớp bảo vệ này gồm vỏ nhiên
liệu, thùng lò, boong-ke lò và nhà lò.

13


Hệ thống an toàn, hệ thống liên quan an toàn thụ động:Được 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 được cung cấp qua các chức năng giảm nhẹ khác nhau. Điều này tồn tại đa
dạng, ví dụ như chức năng loại bỏ nhiệt dư. Trong trường hợp có nhiều lỗi của hệ
thống loại bỏ nhiệt dư, bảo vệ chiều sâu được 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.
Hư hại vùng hoạt:Thiết kế AP1000 cung cấp hoạt động điều khiển với khả
năng đưa nước vào lò phản ứng trong các sụ kiện mà vùng hoạt bị rò rỉ và nóng
chảy. Điều này ngăn ngừa hư 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 hư hại boong-ke lò và phóng xạ vào môi trường.

Hình 1. 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, được 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 hư hại vùng hoạt, giả định không có tác động phục hồi. Lượng

14


thời gian này cung cấp hiệu suất tác động quản lý sự cố để hạn chế sự cố và phòng
ngừa hư 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.

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 dưới hình bán cầu. Trong vận hành bình thường, nước chiếm khoảng
một nửa dung tích bình điều áp. Phần nước này được đun nóng đến nhiệt độ bão
hòa bằng bộ gia nhiệt trong suốt quá trình vận hành bình thường. Nước và hơi nước
trong bình duy trì ở điều kiện bão hòa cân bằng.

Hình 1. Bình điều áp lò AP1000

15

Một đầu phun giảm áp, 2 đầu ra van an toàn và van giảm áp được đặt ở đầu
trên, bộ gia nhiệt dùng điện được bố trí ở đầu dưới và có thể tháo rời để thay thế.
Đầu dưới bao gồm một vòi gắn với đường 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
ra khỏi bình điều áp thông qua đường nối này. Cấu tạo bình điều áp lò phản ứng
AP1000 được 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 được đặt ở nắp bình điều áp. Khi áp suất hệ thống vượt
quá áp suất phát động của các van này, thì áp suất sẽ được 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 được thiết lập dựa trên nguyên tắc áp suất hệ thống chất làm mát lò phản ứng
không được vượt 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. Hệ thống giảm áp thụ độngtrong lò phản ứng AP1000
Kích thước van an toàn của bình điều áp được thiết kế dựa trên phân tích sự cố
mất toàn bộ dòng hơi nước đến tua-bin khi lò phản ứng đang vận hành ở công suất

16


102%. Tốc độ xả của van được yêu cầu ít nhất là bằng tốc độ dòng lớn nhất từ
đường ống nối bình điều áp với chân nóng vào bình điều áp trong suốt quá trình
chuyển tiếp sự cố này.
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
được thiết kế dựa trên việc giảm áp của hệ thống chất làm mát lò phản ứng. Chức

năng này được thực hiện nhờ các van giảm áp thụ động ADS. Các van giảm áp tự
động gắn với bình điều áp được sắp xếp thành 6 bộ song song, mỗi bộ gồm 2 van
nối tiếp mở theo 3 giai đoạn. Khi áp suất hệ thống vượt quá áp suất phát động của
các van này, thì hơi nước sẽ được xả vào bể chứa trữ nước tiếp nhiên liệu trong
boong-ke lò IRWRT. Ngoài ra, một bộ van giảm áp tự động giai đoạn thứ 4 được
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 nước được 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 được sắp
xếp để mở van theo thứ tự định trước dựa vào mức nước bể bổ sung nước cho vùng
hoạt CMT và bộ định giờ. Các van ADS thứ 1,2 và 3 được phát động khi mực nước
trong bể bổ sung nước cho vùng hoạt giảm đến 67.5% và van ADS thứ tư phát động
khi mực nước trong bể bổ sung nước cho vùng hoạt giảm đến 20%.
Bảng 1. Các thông số thiết kế của bình điều áp
Bình điều áp
3

Thể tích (ft )
Thể tích nước (ft3)
Đường kính trong (in.)
Chiều cao (in.)
Áp suất thiết kế (MPa)
Nhiệt độ thiết kế (°F)
Đường kính đường nối bình điều áp với chân nóng (in)
Chiều dày thành đường nối bình điều áp với chân nóng (in)
Đường kính đường ống phun giảm áp (in)
Áp suất van phun giảm áp (bắt đầu mở, MPa)
Áp suất van phun giảm áp (mở hoàn toàn, MPa)

17

2.100
1.000
90
607
17,23
680
18
1,78
4
15,68
16,03


Bảng 1. Các thông số thiết kế của van an toàn của bình điều áp
Số lượng
Đường kính đầu van an toàn (in.)
Khả năng xả yêu cầu tối thiểu cho mỗi van (lb/h)
Áp suất thiết lập (MPa)
Nhiệt độ thiết kế (0F)
Dung dịch

2
14
750.000
17,23 ± 0,27
680
Hơi bão hòa

Bảng 1. Áp suất kích hoạt của các van ADS

P Thông thường

Van ADS giai đoạn thứ nhất
Van cô lập ADS giai đoạn thứ nhất
Van ADS giai đoạn thứ 2
Van cô lập ADS giai đoạn thứ 2
Van ADS giai đoạn thứ 3
Van cô lập ADS giai đoạn thứ 3

(MPa) (a)
MỞ
ĐÓNG
15,51
15,51(b,c)
15,51
15,51
8,38
0,79(b)
8,38
0,79
3,55
0,79
3,55
0,79

P Thiết kế
(MPa)
MỞ
ĐÓNG
17,23

17,23
17,23
17,23
17,23
8,38
2.485
8,38
2.485
8,38
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 nhưng 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
Three Miles Island đặt gần Harrisburg, Pennsylvania Mỹ. Nó có hai lò phản ứng áp
lực nước. Đầu tiên là một PWR với công suất 800MWe và được đưa vào sử dụng
năm 1974. Tổ máy thứ hai là PWR 906MWe và gần như là thương hiệu mới.

18


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 tương đối nhỏ trong hệ thống nước làm mát thứ cấp
làm cho nhiệt độ nước làm mát sơ cấp tăng. Tại thời điểm đó, một van xả của bình
điều áp vô ý mở, nhưng không được phát hiện, rất nhiều nước làm mát trong hệ
thống nước 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 nước làm mát, bơm cao áp tự động bơm nước thay thế vào lò
phản ứng. Khi nước và hơi nước thoát qua van xả, thì nước thay thế vào bình điều
áp tăng, nâng cao mực nước trong đó. Các kỹ thuật viên được đào tạo rằng mực
nước trong bình điều áp là dấu hiệu đáng tin cậy nhất của lượng nước làm mát trong
hệ thống. Do đó họ nghĩ rằng nước làm mát trong vòng sơ cấp vẫn còn đầy, nên họ
đã dừng hệ thống bơm nước cấp cứu áp suất cao (HPIS) trong khi thực tế thì nước
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 hưởng tới cả môi trường xung quanh, nhưng may mắn là không có ai
bị ảnh hưởng với phóng xạ.
Luận văn lựa chọn nghiên cứu mô phỏng sự cố tương tự như 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. Nước làm mát thất thoát ra ngoài theo van van toàn này dẫn đến việc
tăng nhiệt độ và giảm áp suất hệ thống nước làm mát. Sau đó tín hiệu dập lò được
khởi phát đi kèm với các tín hiệu an toàn thụ động. Luận văn chỉ tập trung nghiên
cứu các hiện tượng liên quan tới bình điều áp như áp suất, nhiệt độ, lưu lượng dòng
các các van của bình điều áp.

19


2. CHƯƠNG 2. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THỦY NHIỆT RELAP5
2.1. Giới thiệu về chương 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 được phát triển và chỉnh sửa tại phòng
thí nghiệm quốc gia Mỹ Idaho Nationl Engineering Laboratory (INEEL). Tới phiên
bản RELAP5/Mod3 được 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 được dùng phân tích trong Luận
văn này ra đời vào những năm 90 của thế kỷ trước.
Đặc trưng của RELAP5 là chương trình thủy nhiệt một chiều để mô phỏng
các hệ thống hạt nhân hoặc phi hạt nhân gồm hỗn hợp nước,hơi nước, khí không
ngưng tụ và chất tan. Mô hình thủy nhiệt được phát triển và đánh giá qua chương
trình đánh giá chương trình quốc tế ICAP. Ngoài ra, RELAP5 có thể được 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 được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều loại van, trao đổi
nhiệt và máy bơm.
RELAP5 tạo nên từ hệ sáu phương trình cơ bản là phương trình bảo toàn
khối lượng, động lượng và năng lượng cho hai pha nước và hơi/khí trong hệ thống
không cân bằng. Trong trường hợp cụ thể, kết hợp với điều kiện biên các phương
trình cơ bản được 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 lượng pha (αg, αf), vận tốc dòng các pha
(Vg, Vf), chất lượng hơi (Xn) và nồng độ Boron (ρb).

2.2. Cấu trúc của chương trình RELAP5

2.2.1. Cấu trúc của chương trình
Chương trình RELAP5có cấu trúc “trên – xuống”và được tổ chức theo dạng
mô-đun thể hiện trong Hình 2.1

20


Hình 2. Cấu trúc chương trình RELAP5
Cấu trúc chương trình ở mức cao nhất được 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: Được thực thi khi TRAN kết thúc chương 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 như mọi thời
gian được thực thi trong khối này, tiêu tốn nhiều bộ nhớ nhất và gần như
mọi khối dữ liệu động phải ở trong bộ nhớ trung tâm và bộ nhớ yêu cầu
khởi tạo; lưu trữ thường xuyên. Tổ chức thấp hơn của TRAN là:

o DTSTEP: Quyết định kích cỡ của bước thời gian. Trong suốt thồi
gian chương trinh thực hiện, mô-đun này hiển thị lên màn hình

21


thông tin: thời gian chíp, thời gian bài toán,kích thước bước thời
gian.

o TRIP: Định giá trị các câu lệnh logic. Mỗi lệnh chíp là một câu
lệnh đơn giản trả về giá trị logic đúng hoặc sai. Ví dụ thành phần
van được cung cấp rằng đóng hay mở van trên cơ sở giá trị của
chíp.

o TSTATE: Phương trình trạng thái ở các thể tích biên, tính toán
trạng thái thủy lực của chất lỏng tại mỗi miền biên. Chương trình
con này tính toán vận tốc phụ thuộc vào thời gian tại mối nối.

o HTADV: Giải phương trình truyền dẫn nhiệt,nó tính toán nhiệt
truyền qua mặt chất lỏng của miền thủy động.

o HYDRO: Giải phương trình thủy động.
o RKIN: Tính toán trạng thái năng lượng trong lò phản ứng sử dụng
gần đúng động học điểm.

o CONVAR: Cung cấp cả khả năng mô phỏng hệ thống tự động sử
dụng hệ thống thủy động.
2.2.2. Cấu trúc tệp dữ liệu đầu vào
Tệp dữ liệu đầu vào của RELAP5 mô tả toàn bộ các thuộc tính của hệ thống
thủy nhiệt cần tính toán. Do đó, trước khi viết tệp dữ liệu đầu vào cần thu thập toàn
bộ số liệu và hệ thống thủy nhiệt như: vật liệu trông cấu trúc nhiệt,hệ số dẫn nhiệt
của cấu trúc nhiệt, tiết diện dòng chảy của ống dẫn nước, tốc độ bơm của bơm, chi

tiết về vùng hoạt,…
Một số lưu ý khi mô hình hóa và viết tệp dữ liệu đầu vào:

+ Việc mô hình hóa phụ thuộc vào dạng chuyển tiếp
+ Kích thước của thể tích thỏa mãn điều kiện L/D >=1
+ Tiêu đề của bài toán bắt đầu bằng dấu “=”
+ Chú thích một dòng bằng dấu “*” hoặc dấu “$”
+ Các dữ liệu khác nhau cách nhau bằng dấu “space”

22


+ Độ dài tối đa của một dòng là 96 ký tự, trong đó 80 ký tự đầu được sử
dụng, các ký tự sau để ghi chú

+ Số các dấu cách không bắt buộc
+ Mỗi dòng số liệu nhập vào đều có một thẻ mô tả số liệu gì được nhập
vào, do đó trật tự các dòng có thể thay đổi.
Các thẻ trong tệp dữ liệu đầu vào của RELAP5 được tóm tắt trong Bảng 2.1
Bảng 2. Định dạng thẻ trong RELAP5
Thẻ
1 – 199
200 – 299
301- 399

Các thành phần được mô tả
Dữ liệu mô tả bài toán
Điều khiển bước thời gian
Hiệu chỉnh lỗi nhỏ

407 – 799 hoặc 20600000 Đóng, ngắt
– 20620000
801 – 899
1001 – 1999
CCCXXNN
1CCCGXNN
6SSNNXXX
201MMMNN
202TTTNN
20300000 – 20349999
205CCCNN
30000NNN

Dữ liệu ảnh hưởng
Yêu cầu đóng/ngắt hoặc so sánh tập tin kết xuất
Dữ liệu cấu trúc thủy động
Dữ liệu cấu trúc nhiệt
Mô hình bức xạ
Thuộc tính của cấu trúc nhiệt
Bảng dữ liệu chung
Hình vẽ yêu cầu
Thành phần điều khiển hệ thồng
Dữ liệu động học lò

23


2.2.3. Dữ liệu mô tả bài toán
Thẻ 100 – kiểu bài toán và thuộc tính. Thẻ này luôn được yêu cầu phải có
trong mỗi tập tin đầu vào.

Cấu trúc thẻ đầu vào: 100 W1 W2
W1: Kiểu bài toán,được mô tả ở dữ liệu đầu tiên trong các từ sau: NEW,
RESTART.
W2: Thuộc tính,nếu dữ liệu thứ nhất là NEW hay RESTART thì dữ liệu thứ
hai là STDY-ST hay TRANSNT (mô tả bài toán dừng hay chuyển tiếp).
Ví dụ về thẻ 100 hay dùng: 100 NEW TRANSNT
Thẻ 101 – thuộc tính kiểm tra input hay chạy.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 101 W1
W1: Dữ liệu nhập vào có thể là INP-CHK hay RUN. Nếu INP-CHK thì
chương trình sẽ dừng lại sau khi quá trình xử lý tệp tin đầu vào kết thúc. Nếu RUN
được nhập chương trình sẽ thực thi tập tin đầu vào sau quá trình xử lý dữ liệu đầu
vào.
Thẻ 102 – thẻ lựa chọn đơn vị. Thẻ này có hai dữ liệu mô tả đơn vị của dữ liệu
đầu vào và đầu ra. Đơn vị có thể dùng là hệ SI hay BRITISH.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 102 W1 W2
W1: Đơn vị của dữ liệu đầu vào.
W2: Đơn vị của dữ liệu đầu ra, nếu không được nhập thì mặc định là SI.
Thẻ 103 - điều khiển tệpdữ liệu khởi động lại.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 103 W1 W2 W3 W4 W5 W6
Thẻ này được yêu cầu nhập với mọi kiểu bài toán được mô tả trong W1 của
Thẻ 100 trừ trường hợp NEW. Nếu bài toán là kiểu NEW mà khai báo thẻ này
chương trình dễ báo lỗi.
W1: mô tả số khởi động lại.
W2 – W6: Mô tả tên hình vẽ của tập tin khởi động lại.
Thẻ 110 – thành phần khí không ngưng tụ.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 110 W1 – WN

24

Các tham số theo sau Thẻ 110 mô tả các thành phần khí không ngưng tụ sử
dụng trong bài toán.Thẻ này không được nhập trong bài toán restart. Các khí không
ngưng tụ có thể sử dụng là: ARGON, HELIUM, HYDROGEN, XENON,
KRYPTON, AIR, hoặc SF6. Thành phần khối lượng của các khí không ngưng tụ
này được mô tả trong thẻ 115.
Thẻ 200 – 299 - Điều khiển bước nhảy thời gian trong quá trình tính toán.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 2XX W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7
W1: Thời gian kết thúc việc cài đặt các tham số trong thẻ này.
W2: Bước thời gian tối thiểu.
W3: Bước thời gian tối đa.
W4: Thuộc tính điều khiển.
W5: Điều chỉnh nhỏ và tần số vẽ.
W6: Tần sốđiều chỉnh lớn.
W7: Tần số bắt đầu lại
2.2.4. Thành phần điều khiển
Để mô tả các thành phần được điều khiển trong hệ thống như: bơm, bật hay
tắt, van được mở hay đóng,…chúng ta sử dụng thành phần điều khiển. Mỗi thành
phần điều khiển bao gồm các biến và các biểu thức logic. Các biến được mô tả bằng
các thẻ 401 – 599 hoặc 20600010 – 20610000.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 501 W1 W2 W3 W4 W5 W6 W7 W8
W1,W2: Biến dữ liệu(trong ví dụ là vận tốc khối chất lỏng qua mối nối
315000000)
W4,W5: dữ liệu tương ứng với W1,W2.
W3: Quan hệ so sánh có thể là: lớn hơn (GT), nhỏ hơn (LT), bằng (EG),...
W6: Hằng số cộng thêm vào.
W7: Chỉ số chốt.
W8: Thường bằng -1,0.
Ví dụ về biến: 502 mfloj 315000000 lt null 0 19,4 l -1,0

25