Phân tích các đặc trưng của thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân VVER AES 2006 (TT)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

--------------------------

ĐINH VĂN CHIẾN

PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƯNG
CỦA THANH NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER AES-2006
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60 44 0106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
(TÓM TẮT)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN ĐẠI PHÚC

Hà Nội - 2015


Lời cảm ơn
Luận văn này là kết quả của quá trình học tập tại Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội và quá trình thực tập tại Cục Năng lượng nguyên tử
(NLNT). Trong đó, đặc biệt là quá trình tham gia Đề tài độc lập cấp
Nhà nước “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình vận hành đến tính
chất của nhiên liệu và vỏ thanh nhiên liệu trong lò phản ứng VVER1000“ do Cục NLNT chủ trì và thời gian đào tạo dưới sự hướng dẫn
của TS Jinzhao Zhang tại cơ quan kỹ thuật năng lượng điện
TRACTEBEL (GDF SUEZ - Vương quốc Bỉ).
Với tình cảm chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến quý thầy cô giáo đã
tham gia giảng dạy lớp cao học khóa 2011-2013, chuyên ngành Vật lý nguyên tử, các

thầy cô Khoa Sau đại học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, lãnh đạo Cục Năng
lượng nguyên tử đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và
hoàn thành luận văn này.
Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Đại Phúc - Cố vấn khoa
học Cục NLNT, người đã có hơn 40 năm kinh nghiệm làm việc tại các cơ quan hàng
đầu trong lĩnh vực công nghệ điện hạt nhân trên thế giới (Canada, Pháp Mỹ, Bỉ,...) đã
định hướng và truyền đạt những kiến thức chuyên môn, những kinh nghiệm vô cùng
quý báu trong nghiên cứu khoa học giúp em thực hiện và hoàn thành luận văn này.
Mặc dù bản thân đã rất cố gắng nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi
những thiếu sót, rất mong được nhận những ý kiến đóng góp bổ sung của quý thầy cô.
Hà Nội, tháng 4 năm 2015
Học viên
Đinh Văn Chiến


MỞ ĐẦU
Từ những năm 80 của thế kỷ XX cho đến nay, các thiết kế thanh nhiên liệu sử
dụng trong lò phản ứng hạt nhân không ngừng được cải tiến nhằm tối ưu hóa các
đặc trưng vận hành trong vùng hoạt lò phản ứng. Trong suốt quá trình cải tiến nhiên
liệu, các thay đổi chủ yếu tập trung vào hình dạng của thanh nhiên liệu cũng như
các đặc điểm của viên gốm nhiên liệu và lớp vỏ bọc như tăng độ làm giàu nhiên liệu
(lên tới 5%), sử dụng các viên gốm nhiên liệu UO 2-Gd2O3, sử dụng vỏ bọc làm bằng
hợp kim Zr-1%Nb,… Các thay đổi về vật liệu, cấu trúc và kích thước này nhằm đáp
ứng các điều kiện vận hành khác nhau của lò phản ứng như mức công suất cao
(1000 - 1600 MWe), tăng giới hạn công suất 110% công suất danh định, tăng độ
cháy nhiên liệu (60 - 70 MWd/kgU) và kéo dài chu kỳ nhiên liệu (chu kỳ nhiên liệu
từ 12 đến 18 tháng).
Do đó, các dự đoán sát với thực tế hơn về hiệu năng nhiên liệu trở nên rất
quan trọng đối với việc thiết kế và đánh giá an toàn thanh nhiên liệu hạt nhân
(TNLHN). Điều này cho phép vận hành nhà máy điện hạt nhân một cách hiệu quả

và an toàn nhất; cũng như cải thiện biên dự trữ vận hành an toàn, tăng hiệu quả kinh
tế và quản lý nhiên liệu một cách linh hoạt hơn.
Các kết quả nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn này sẽ trình bày những hiểu
biết cần thiết về đặc điểm công nghệ lò phản ứng, các đặc trưng thiết kế, cũng như
ảnh hưởng của quá trình vận hành đối với các bộ phận trong vùng hoạt lò phản ứng,
đặc biệt là thanh nhiên liệu nhằm tăng cường năng lực phân tích an toàn, phục vụ
cho việc phân tích, đánh giá an toàn nhà máy điện hạt nhân mà cụ thể là về đặc
trưng nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 (thanh nhiên
liệu TVS-2006).
Luận văn gồm các phần sau:
- Phần mở đầu: Giới thiệu khái quát về đề tài, mục đích nghiên cứu, nhiệm
vụ nghiên cứu,…
- Phần kết quả nghiên cứu: Gồm 4 chương

1


• Chương 1: Lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006
• Chương 2: Đặc trưng của thanh nhiên liệu hạt nhân
• Chương 3: Chương trình tính toán nhiên liệu FRAPCON-3.5
• Chương 4: Phân tích đặc trưng thanh nhiên liệu TVS-2006
- Phần kết luận và kiến nghị.
- Tài liệu tham khảo.

2


CHƯƠNG 1. LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-AES2006
1.1. Quá trình phát triển công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER
VVER hay WWER (Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor, Water-Cooled

Water-Moderated Energy Reactor) là loại lò phản ứng nước áp lực được các nhà
thiết kế Liên Bang Nga nghiên cứu và chế tạo từ những năm 60 của thế kỷ trước.
Trong các phiên bản của thế hệ lò VVER được thiết kế có mức công suất điện từ
300 MWe đến 1700 MWe, sử dụng nước nhẹ là chất làm chậm và đồng thời là chất
tải nhiệt, tương tự như loại lò phản ứng nước áp lực PWR. Tuy nhiên, VVER không
phải là một phiên bản của lò PWR do mang những đặc trưng riêng khác biệt trong
thiết kế và vật liệu sử dụng [18].
Thế hệ lò VVER đầu tiên được xây dựng từ những năm 1960 ở Liên Xô cũ.
Sau đó, các lò phản ứng VVER-440 và VVER-1000 được thiết kế và tiếp tục xây
dựng ở Liên Xô cũ và một số nước Đông Âu khác, trong đó phiên bản VVER440/V230 với mức công suất điện 440 MWe là thiết kế phổ biến nhất. Sau năm
1975, các nhà thiết kế Liên Bang Nga đã cho ra đời phiên bản VVER-1000 với các
cải tiến đáng kể hơn so với các phiên bản VVER trước đó. Các thiết kế lò phản ứng
VVER-1000 được xây dựng kết hợp giữa các hệ thống kiểm soát an toàn chủ động,
các hệ thống an toàn thụ động và các hệ thống an toàn tòa nhà lò theo liên kết quy
chuẩn với các lò phản ứng hạt nhân thuộc thế hệ III của các nước phương Tây.
Phiên bản VVER-1200 (VVER-AES2006) hiện tại đang là cải tiến mới nhất
của thế hệ VVER. Thiết kế VVER-AES2006 đáp ứng mức công suất điện 1.200
MWe với việc tối ưu hóa áp dụng công nghệ an toàn chủ động và thụ động. Điểm
khác biệt quan trọng của thiết kế VVER-AES2006 đó là khả năng thực hiện độc lập
các chức năng an toàn và khả năng hoạt động hài hòa giữa hai hệ thống an toàn chủ
động và thụ động.
Hình 1.1 mô tả các thế hệ phát triển lò phản ứng hạt nhân VVER.

3


Hình 1. 1. Các thế hệ phát triển lò phản ứng hạt nhân VVER [22]
1.2. Đặc điểm lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006
Lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 là phiên bản thiết kế thuộc thế hệ III+
được hoàn thiện dựa trên cơ sở tích lũy kinh nghiệm thiết kế, kinh nghiệm vận hành

các lò phản ứng VVER-1000/V-320 ở Nga, cũng như kinh nghiệm xây dựng, vận
hành NMĐHN VVER ở Ấn Độ, Trung Quốc và nhiều quốc gia khác (Hình 1.2).
Hai phiên bản thiết kế của lò phản ứng VVER-AES2006 là V491 và V392M hoàn
toàn tương tự nhau và cũng mang các đặc trưng của loại lò VVER với thiết kế bình
sinh hơi nằm ngang, bó thanh nhiên liệu hình lục lăng (Hình 1.3), ô lưới nạp tải
vùng hoạt dạng kênh tam giác.
Bảng 1.1 trình bày một số đặc điểm thiết kế của lò phản ứng hạt nhân VVERAES2006.
Bảng 1. 1. Một số thông số thiết kế lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 [22]
STT

Thông số

1

Công suất nhiệt, MWt

2

Công suất điện tổ lò, MWe

Giá trị
3.200
1.198,8

4


3

Tuổi thọ lò phản ứng, năm

60

4

Độ khả dụng, %

5

Số vòng tuần hoàn, vòng

4

6

Áp suất vòng sơ cấp, MPa

16,2

7

Nhiệt độ chất làm mát lối vào, oC

298,6

8

Nhiệt độ chất làm mát lối ra, oC

329,7

9

Lưu lượng chất làm mát, m3/h

85.600±2.900

10

Công suất 1 bình sinh hơi, t/h

1.602+112

11

Áp suất hơi, MPa

12

Nhiệt độ nước cấp, oC

13

Số bó thanh nhiên liệu (FA) trong vùng hoạt

163

14

Số bó thanh nhiên liệu chứa thanh hấp thụ CPSAR

121

15

Áp suất chất làm mát ở lối ra, MPa

16,2±0.3

16

Nhiệt độ chất làm mát ở lối vào, oС

298,2+2-4

17

Nhiệt độ chất làm mát ở lối ra, oС

328,9±5

18

Khoảng cách giữa các bó thanh nhiên liệu, m

19

Lưu lượng chất làm mát (tại nhiệt độ lối vào), m3/hr

20

Tiết diện thủy động vùng hoạt, m2

4,14

21

Chiều cao cột nhiên liệu (ở trạng thái lạnh), m

3,73

0,92

7,0
225±5

5

0,236
83.420±2.900


Hình 1. 2. Mô hình tổ hợp thiết bị vòng sơ cấp lò phản ứng VVER-AES2006 [22]

Hình 1. 3. Bó thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 [12]

6


CHƯƠNG 2. ĐẶC TRƯNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN

2.1. Đặc điểm thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân [9] [15] [16]
Về cơ bản thì hình dạng, thành phần cấu trúc của thanh nhiên liệu sử dụng
trong lò phản ứng nước áp lực của các thiết kế là như nhau. Trong đó, thanh nhiên
liệu có dạng hình trụ, các viên gốm nhiên liệu UO 2/UO2-Gd2O3 được làm giàu đồng
vị (235U) ở mức thấp và nạp vào trong ống vỏ bọc bằng hợp kim zirconi, sau khi khí
heli được nạp vào thì hai đầu ống được hàn kín. Bên trong thanh có bộ phận lò xo
bằng thép không gỉ giúp ổn định cột nhiên liệu trong quá trình vận chuyển hoặc nạp
tải vào vùng hoạt. Tuy nhiên, theo hình dạng bó thanh nhiên liệu được lắp ráp và
cấu trúc nạp tải ô lưới nhiên liệu trong vùng hoạt, có thể tạm chia thiết kế của thanh
nhiên liệu hạt nhân thành 2 xu hướng đó là: Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa
Kỳ-Châu Âu (PWR) bao gồm các nước Hoa Kỳ, Pháp, Bỉ, Đức, Nhật Bản, Hàn
Quốc và thanh nhiên liệu theo thiết kế của Liên Bang Nga (VVER).
Hình 2.1, Hình 2.2 mô tả thiết kế thanh và bó thanh nhiên liệu hạt nhân theo
thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu [9] [15].

Hình 2. 1. Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (KSPN-Hàn Quốc)

7


Hình 2. 2. Bó thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (Westinghouse)
Hình 2.3 mô tả đặc điểm của thanh nhiên liệu hạt nhân tiêu chuẩn sử dụng
trong lò phản ứng VVER-1000 [15].

Hình 2. 3. Thanh nhiên liệu tiêu chuẩn sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000

8


2.2. Đặc trưng bức xạ đối với thanh nhiên liệu [13] [16]

Có thể thấy rằng, lò phản ứng hạt nhân là một nguồn rất mạnh các loại bức xạ
năng lượng cao. Khi tương tác với nhiên liệu và vỏ bọc thanh nhiên liệu, bức xạ làm
thay đổi các tính chất vật lý, hóa học và cơ học của nhiên vật liệu, ảnh hưởng rất lớn
đến độ bền vững và chức năng nguồn nhiệt của nhiên liệu. Ảnh hưởng bức xạ tới
zirconi và hợp kim của nó xảy ra trên bình diện vĩ mô là sự thay đổi các đặc trưng
cơ học của vật liệu này dưới ảnh hưởng của nơtron nhanh và bởi sự giòn hóa vật
liệu, có liên quan với sự hấp thụ hydro và kết tủa zirconi hydrua.
Nhìn chung, dưới tác dụng của bức xạ năng lượng cao, trong vỏ bọc hợp kim
có tạo thành hai dạng hư hại bức xạ chính đó là hư hại do thiếu hụt (các vùng trống,
các lỗ trống, lệch mạng thiếu hụt, cụm lệch mạng dạng lỗ trống) hoặc hư hại do dư
thừa nguyên tử mạng lưới tinh thể (các nguyên tử vật liệu xen mạng, cụm lệch
mạng kiểu chèn) (Hình 2.4).

Hình 2. 4. Các khuyết tật trong mạng lưới làm thay đổi tính chất vật liệu [13]

9


2.3. Đặc trưng cơ nhiệt đối với thanh nhiên liệu
2.3.1. Sự phân bố nhiệt độ trong thanh nhiên liệu [7]
Trong quá trình vận hành một lượng lớn năng lượng phát ra trong nhiên liệu
và truyền cho chất tải nhiệt. Giả thiết năng lượng phát ra trong một đơn vị thể tích
nhiên liệu là hằng số và thanh nhiên liệu dài tới mức độ dẫn nhiệt theo chiều dài
được bỏ qua, phân bố nhiệt độ có thể tính được từ công suất (p, W/m 3) theo phương
trình sau:
T(r) = T(rf) + p.(rf2 – r2).(4.kf)-1

(2.3)

Trong đó, T(r) là nhiệt độ (oC) tại bán kính r (m) bên trong thanh nhiên liệu,

T(rf) là nhiệt độ tại bề mặt viên, r f là bán kính ngoài viên gốm (m) và kf là độ dẫn
nhiệt bên trong viên nhiên liệu (W.m-1K-1).

Hình 2. 5. Phân bố nhiệt độ giữa nhiên liệu và chất làm mát
phụ thuộc công suất nhiệt tuyến tính [19]

10


2.3.2. Sự thay đổi cấu trúc viên gốm nhiên liệu [8] [19]
Tốc độ sinh nhiệt lớn trong khi độ dẫn nhiệt của viên gốm UO 2 và (U,Pu)O2
thấp, làm gradien nhiệt độ theo hướng tâm viên gốm có trị số rất lớn, thường từ
2.000 - 4.000 oC/cm. Từ tâm viên gốm đến bề mặt viên hình thành các khu vực
nhiệt độ khác nhau (Hình 2.6): Vùng >1.600 oC; vùng từ 1.300 oC đến 1.600 oC;
vùng từ 1.100 oC đến khoảng 1.300 oC và vùng <1.100 oC. Hậu quả là ứng suất nhiệt
cục bộ tạo ra nứt nẻ, phồng nở và áp lực lớn tác dụng trên các lỗ thiêu kết làm
chúng chuyển dịch ngược với gradien nhiệt độ, tạo thành lỗ trống trung tâm và làm
thay đổi cấu trúc vật liệu.

Hình 2. 6. Sự thay đổi vi cấu trúc nhiên liệu UO2 phụ thuộc nhiệt độ
và độ cháy nhiên liệu [19]
2.3.3. Quá trình mỏi và rão hóa vật liệu [8] [11]
Phần lớn các sự cố kỹ thuật gây ra bởi quá trình mỏi của vật liệu. Hư hỏng do
mỏi được định nghĩa là xu hướng của một vật liệu bị gãy hỏng do các vết nứt phát
triển khi lặp lại ứng suất có cường độ thấp hơn nhiều so với ứng suất phá hỏng. Ở
nhiệt độ cao và ứng suất hoặc tải trọng không đổi, nhiều vật liệu tiếp tục biến dạng
với tốc độ chậm. Hiện tượng này được gọi là rão vật liệu. Tại một ứng suất và nhiệt
độ không đổi, tốc độ rão gần như không đổi trong một thời gian dài.

11

2.4. Đặc trưng thủy nhiệt động đối với thanh nhiên liệu
Những vấn đề nhiệt thủy lực cơ bản trong lò phản ứng thường được nhắc tới
là:
- Chế độ dòng chảy đối với chất lỏng hai pha;
- Thông lượng nhiệt tới hạn (CHF);
- Lưu lượng tới hạn hai pha (TPCF);
- Các nguyên lý nhiệt động học;
- Các phương trình mô phỏng và thuật toán giải chúng.
Khả năng tải nhiệt vùng hoạt của chất lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
hình dạng của nhiên liệu, các tính chất của chất lỏng (hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung
riêng, mật độ, độ nhớt), các tính chất dòng chảy (vận tốc của chất lỏng, sự phân bố
của chất lỏng), vật liệu làm nhiên liệu (hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, entanpy)
….
2.5. Đặc trưng quá trình oxy hóa và hydro hóa đối với thanh nhiên liệu [2]
2.5.1. Quá trình oxy hóa
Cơ chế oxy hóa vỏ bọc tương tự như với kim loại nói chung được đưa ra trong
Hình 2.7 dưới đây.
Vì tác nhân oxy hóa chủ yếu là nước (dạng hơi), phản ứng oxy hóa tạo ra một
lượng lớn khí hydro. Tốc độ sinh nhiệt do phản ứng oxy hóa trong vỏ bọc trở thành
đáng kể ở nhiệt độ cao hơn 1.200 oC. Tại nhiệt độ này, nhiệt oxy hóa trở thành lớn
hơn nhiệt phân rã để trở thành nguyên nhân chính làm tăng nhiệt độ nhiên liệu.
Phản ứng oxy hóa bên trong lớp vỏ thanh làm tăng nhanh nhiệt độ trong nhiên liệu
và chuyển vỏ bọc về dạng oxit ZrO2. Sự tăng trưởng nhanh màng oxit và sự hòa tan
gia tăng của oxi trong pha β-Zr tại nhiệt độ trên 1.200 oC làm mất tính dẻo trong vỏ
bọc là cơ sở đặt ra giới hạn chuẩn nhiệt độ vỏ bọc tối đa trong sự cố LOCA cơ sở là

12

1.204 oC, đồng thời mức độ oxy hóa cực đại trong lớp vỏ thanh nhiên liệu được giới
hạn là 17% độ dày ban đầu của nó.

Hình 2. 7. Sơ đồ diễn biến quá trình oxy hóa kim loại vỏ bọc [2]

13


2.5.2. Quá trình hydro hóa
Do độ hòa tan thấp của hydro trong nền hợp kim zirconi (khoảng 100 ppm
khối lượng tại nhiệt độ vận hành lò phản ứng), hầu hết hydro thoát ra do quá trình
ăn mòn giữa hơi nước/nước và hợp kim zirconi có thể kết tủa dưới dạng hydrua.
Pha hydrua này nói chung giòn và khi hợp kim zirconi chứa một lượng đủ lớn
zirconi hydrua thì các chức năng cơ học của kim loại bị suy thoái. Do chức năng cơ
học chịu tác động lớn của trạng thái ứng suất và tốc độ biến dạng, nên bắt buộc phải
kể đến các thông số này trong phương pháp thử nghiệm và mẫu phải được lựa chọn
đồng dạng về mặt hình học với hoàn cảnh đặc biệt trong lò phản ứng. Một trong các
thông số vật liệu quan trọng nhất phải được đánh giá trong các thử nghiệm cơ học là
độ dẻo vật liệu, tức là khả năng của vật liệu biến dạng dẻo mà không bị hư hỏng.
Thường thì sự tăng tốc độ biến dạng và giảm nhiệt độ thử nghiệm sẽ làm giảm độ
dẻo của vật liệu.

14


CHƯƠNG 3. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIÊN LIỆU FRAPCON-3.5
3.1. Tổng quan chương trình FRAPCON-3.5 [3] [4]
3.1.1. Mục tiêu tính toán của chương trình FRAPCON-3.5
FRAPCON-3.5 là code được phát triển bởi Phòng Thí nghiệm Quốc gia Tây

Bắc Thái Bình Dương dưới sự quản lý của US.NRC để tính toán các đặc trưng của
thanh nhiên liệu LWR trong trạng thái dừng của lò phản ứng. Với các nội dung tính
toán trên, chương trình FRAPCON-3.5 được áp dụng với mục đích:
- Thẩm định độc lập các thiết kế thanh nhiên liệu của nhà chế tạo;
- Thẩm định độc lập các kết quả phân tích an toàn trong trường hợp
LOCA/RIA của nhà chế tạo nhiên liệu và đưa ra đánh giá an toàn;
- Cung cấp thư viện dữ liệu đầu vào của thanh nhiên liệu cho các chương trình
tính toán nơtronic hoặc phân tích chuyển tiếp;
- Nghiên cứu tính khả thi về việc tăng công suất và độ cháy nhiên liệu;
- Hỗ trợ vận hành.
3.1.2. Các giới hạn của chương trình FRAPCON-3.5
a. Mô hình hóa nhiên liệu của chương trình chỉ áp dụng được cho viên gốm
làm giàu urani (UO2; UO2-PuO2 (MOX) và UO2-Gd2O3) với vỏ bọc hợp kim zirconi
dưới các điều kiện của lò nước nhẹ và nước nặng.
b. Các mô hình nhiệt của chương trình dựa trên các phương trình và các điều
kiện trạng thái ổn định và tính toán với dòng nhiệt một chiều theo phương bán kính
(xuyên tâm).
c. Code FRAPCON-3.5 chỉ tính toán với các biến dạng nhỏ của lớp vỏ bọc
(<5% biến dạng).
d. Code đánh giá các biến dạng lớp vỏ bọc do PCMI dựa trên dữ liệu nhảy
mức công suất.

15


3.2. Cấu trúc và phương pháp tính toán của code FRAPCON-3.5
3.2.1. Cấu trúc của code
Cấu trúc của code FRAPCON-3.5 bao gồm trên 200 thủ tục con được nhóm
thành 3 khối (Bảng 3.1).
Bảng 3. 1. Các khối chính của code FRAPCON-3.5 [3]

Khối

Mô tả

FRPCON

Phần chính của code, bao gồm các mô hình cơ - nhiệt

FRACAS-I

Chứa các thủ tục con của mô hình cơ học FRACAS-I

MATPRO

Khối thuộc tính vật liệu MATPRO

3.2.2. Cấu trúc input đầu vào
Tệp input đầu vào của code FRAPCON-3.5 được chia thành 4 mô-đun:
- Mô đun điều khiển ($FRPCN);
- Mô-đun mô tả thiết kế và vận hành ($FRPCON);
-Mô-đun các tùy chọn mô hình đánh giá ($EMFPCN);
- Mô-đun phân bố đồng vị plutoni ($FRPMOX).
3.2.3. Mô hình chính của code FRAPCON-3.5
Các mô hình chính trong code FRAPCON-3.5 sử dụng để tính toán các đặc
trưng của thanh nhiên liệu trong quá trình vận hành. Trong đó, bao gồm mô hình cơ
học, mô hình nhiệt động, mô hình phát tán khí phân hạch và mô hình oxy hóa hydro hóa của lớp vỏ bọc. Trong từng mô hình của code có thể có nhiều tùy chọn
mô hình khác nhau nhưng trong giới hạn luận văn này chỉ trình bày về các mô hình
được lựa chọn sử dụng trong áp dụng tính toán cụ thể.

16

3.2.4. Lưu đồ tính toán của code
Hình 3.1 chỉ ra lưu đồ tính toán của code FRAPCON-3.5, được bắt đầu từ
phần thiết lập đầu vào (input), sau đó là các tính toán theo vòng lặp hội tụ và kết
thúc là truy xuất kết quả đầu ra (output).

Hình 3. 1. Lưu đồ tính toán của code FRAPCON-3.5 [3]

17


CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG THANH NHIÊN LIỆU TVS-2006
4.1. Đặc điểm thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006
Về cơ bản, cấu trúc thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 không có nhiều thay
đổi so với các thiết kế sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000, trong đó bao gồm
các phần đầu trên, đầu dưới và phần thân ống bằng lớp vỏ hợp kim zirconi E110
(Zr-1%Nb) (Hình 4.1).
Bảng 4.1 trình bày một số thông số thiết kế và Hình 4.1 mô tả đặc điểm của
thanh nhiên liệu TVS-2006.
Bảng 4. 1. Các thông số thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 [12]
Thông số

Giá trị

Viên gốm nhiên liệu UO2
Độ làm giàu (U235), %

1,6-2,0-2,4-3,0-3,6-4,0-4,4

Tỷ số O/U

2,000-2,015

Mật độ nhiên liệu UO2, g/cm3

10,4-10,7

Kích thước hạt tinh thể, µm

10-20

Hình dạng viên gốm,

Hình trụ rỗng với lỗ trống ở tâm

Đường kính ngoài viên gốm, mm

7,6-0,03

Đường kính lỗ trống ở tâm, mm

1,2+0,2

Chiều cao viên gốm, mm

9,0-12,0

Lớp vỏ bọc nhiên liệu (Zr-1%Nb, E110)
Thành phần hợp kim:

Zr, % khối lượng

98,67-98,87

Nb, % khối lượng

0,9-1,1

O, % khối lượng

< 0,1

N, C, Si, Al, Mo, Ni, Fe, % khối lượng

< 0,13

18


Đường kính ngoài, mm

9,1±0,04

Đường kính trong, mm

7,73+0,06

Tính chất vật liệu (điều kiện tiêu chuẩn):
Nhiệt dung riêng, kJ/kg.oC

0,25

Hệ số dẫn nhiệt, W/m.oC

17,2

Mật độ, g/ cm3

6,55
9,4x104

Mô-đun Young, MPa
Tỷ số Poison, (theo trục/theo bán kính)

0,346/0,354

Giới hạn kéo đứt (theo trục/theo bán kính), MPa

380-440/360-420

Giới hạn đàn hồi (theo trục/theo bán kính), MPa

210-260/320-390

Thanh nhiên liệu
Hình dạng thiết kế

Xem Hình 4.1

Tổng chiều dài thanh, mm

4033,0

Chiều cao cột nhiên liệu, mm

3730

Khối lượng nhiên liệu trong thanh, kg

1,712

Chiều cao vùng trống trong thanh, mm

252

Áp suất khí ban đầu, MPa

2,1

Thành phần khí:
He, % thể tích

> 99,99

Tạp chất, % thể tích

< 0,01

Vòng đệm:

Thép không gỉ 12X18H10T

Số vòng

40

Đường kính ngoài, mm

7,5692

Đường kính dây xoắn, mm

1,00076

19


Hình 4. 1. Thanh nhiên liệu hạt nhân TVS-2006 [12]
4.2. Tiêu chuẩn chấp nhận sử dụng trong phân tích [12]
Trong nội dung luận văn này trình bày các tiêu chuẩn chấp nhận của Liên
Bang Nga sử dụng để đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu và cơ bản được đưa ra theo
4 tiêu chuẩn giới hạn bao gồm: Tiêu chuẩn về độ bền (Strength Criteria - SC), tiêu
chuẩn về độ biến dạng (Deformation Criteria - DC), tiêu chuẩn về nhiệt - vật lý
(Thermal physic Criteria - TC) và tiêu chuẩn về ăn mòn (Corrosion Criteria - KC).
4.3. Phương pháp phân tích và mô hình hóa [10] [24]
4.3.1. Phương pháp phân tích
- Xây dựng mô hình hóa FRAPCON-3.5 đối với thanh nhiên liệu TVS-2006
sử dụng dữ liệu thiết kế từ Hồ sơ phân tích an toàn sơ bộ PSAR-AES2006;
- Giả định hoặc lấy xấp xỉ các thông số chưa đầy đủ trong input đầu vào và
thực hiện tính toán sử dụng chương trình FRAPCON-3.5;

20


- Phân tích các kết quả sử dụng đánh giá theo các tiêu chuẩn thiết kế được
chấp nhận.
4.3.2. Mô hình hóa thanh nhiên liệu TVS-2006
Thanh nhiên liệu TVS-2006 được mô hình hóa sử dụng chương trình
FRAPCON-3.5 dựa trên các thông số thiết kế, dữ liệu tham chiếu trong vận hành
thử nghiệm ở các tổ lò VVER-1000 và dữ liệu được đưa ra từ PSAR-AES2006.
4.4. Đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006
4.4.1. Kết quả tính toán cơ - nhiệt
Các phân tích kết quả tính toán cơ - nhiệt của thanh nhiên liệu TVS-2006 bao
gồm các tham số đặc trưng tin cậy về cơ - nhiệt đó là nhiệt độ cực đại của nhiên
liệu, tỷ lệ phát tán khí phân hạch và áp suất bên trong thanh nhiên liệu do các sản
phẩm khí phân hạch sinh ra.
Từ các kết quả tính toán và so sánh với kết quả từ PSAR và tiêu chuẩn cho
phép về đặc trưng cơ - nhiệt của thanh nhiên liệu TVS-2006 cho thấy các kết quả
theo tính toán đáp ứng khá tốt các tiêu chuẩn đưa ra và phù hợp tin cậy cơ - nhiệt
học của thanh nhiên liệu TVS-2006 trong vận hành. Tuy nhiên, áp suất trong thanh
nhiên liệu và độ bất định của nhiệt độ bề mặt bên ngoài lớp vỏ bọc là khá thấp. Điều
này có thể là do các thông tin không đầy đủ về lịch sử công suất thiết kế và các độ
bất định trong PSAR-AES2006. Do đó, kết quả này cần phải được xem xét thêm.
Ngoài ra, theo như giá trị áp suất được chỉ ra trong Bảng 4.2 thì giá trị áp suất bên
trong thanh nhiên liệu đưa ra trong PSAR là khá cao theo phản hồi kinh nghiệm vận
hành cũng như theo thiết kế với chiều dài cột nhiên liệu dài hơn. Thông số này
thường có giá trị nằm trong khoảng 10 - 12 MPa sau 4 chu kỳ vận hành chứ không
phải là 15,2 MPa. Điều này cần phải được đánh giá lại với các tính toán bổ sung
theo lịch sử công suất có độ tin cậy cao hơn.
Các kết quả tính toán về nhiệt độ, áp suất và tỷ lệ phát tán khí phân hạch được

đưa ra trong Bảng 4.2 và Hình 4.2 - 4.6.

21


Bảng 4. 2. Các kết quả tính toán cơ - nhiệt thanh nhiên liệu TVS-2006
Tham số

Hiệu
dụng

Độ bất
định

Nhiệt độ nhiên
liệu, K

1551,84

Nhiệt độ bề mặt
ngoài vỏ bọc, K

Cực đại PSAR

Giá trị
giới
hạn

Biên dự
trữ an

toàn, K*

Biên
an
toàn
chuẩn,
[K]

467,84 1710,53 1860,15 3113,14

1,82

1,1

601,56

277,67

606,08

628,15

628,15

1,04

-

FGR, %

2,44

1,14

3,58

3

-

-

-

Áp suất trong
thanh, MPa

4,97

0,72

5,69

15,9

16,2

2,85

1,1

* K= Giá trị giới hạn/Cực đại

Hình 4. 2. Nhiệt độ trung bình tâm nhiên liệu theo chiều dọc thanh nhiên liệu

22


Hình 4. 3. Nhiệt độ bề mặt bên ngoài lớp vỏ bọc theo chiều dọc thanh nhiên liệu

Hình 4. 4. Lưới nhiệt độ trung bình của thanh nhiên liệu

23