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 .................................. Error! Bookmark not defined.

1.1.3.

Hệ thống an toàn ................................... Error! Bookmark not defined.

1.2.

Bình điều áp lò phản ứng AP000 ............. Error! Bookmark not defined.

1.2.1.

Cấu tạo bình điều áp ............................. Error! Bookmark not defined.

1.2.2.

Van an toàn của bình điều áp ................ Error! Bookmark not defined.

1.2.3.

Hệ thống van giảm áp tự động ADS ..... Error! Bookmark not defined.

1.2.4.

Sự cố bình điều áp ................................ Error! Bookmark not defined.

2. CHƢƠNG 2. CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THỦY NHIỆT RELAP5 Error!
Bookmark not defined.
2.1.

Giới thiệu về chƣơng trình RELAP5 ....... Error! Bookmark not defined.

2.2.

Cấu trúc của chƣơng trình RELAP5 ........ Error! Bookmark not defined.

2.2.1.

Cấu trúc của chƣơng trình..................... Error! Bookmark not defined.

2.2.2.

Cấu trúc tệp dữ liệu đầu vào ................. Error! Bookmark not defined.

2.2.3.

Dữ liệu mô tả bài toán ........................... Error! Bookmark not defined.

2.2.4.

Chíp điều khiển ..................................... Error! Bookmark not defined.

2.2.5.

Dữ liệu cấu trúc thủy động ................... Error! Bookmark not defined.

2.2.6.

Thành phần điều khiển hệ thống ........... Error! Bookmark not defined.

2.3.

Dữ liệu đầu vào của bình điều áp ............. Error! Bookmark not defined.


2.3.1.

Mô hình hóa bình điều áp của lò phản ứng AP1000 . Error! Bookmark

not defined.
2.3.2.

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

Bookmark not defined.
2.3.3.

Dữ liệu đầu vào của van an toàn ........... Error! Bookmark not defined.

2.3.4.

Dữ liệu đầu vào của van giảm áp tự động .......... Error! Bookmark not

defined.

2.3.5.

Dữ liệu đầu vào của hệ thống phun giảm áp ...... Error! Bookmark not

defined.
3. CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN ............. Error! Bookmark not defined.
3.1.

Kết quả trạng thái dừng ............................ Error! Bookmark not defined.

3.2.

Kết quả ở trạng thái chuyển tiếp .............. Error! Bookmark not defined.

KẾT LUẬN ............................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................3
PHỤ LỤC .................................................................. Error! Bookmark not defined.


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 ...... Error! Bookmark not defined.
Bảng 1.3 Các thông số thiết kế của van an toàn của bình điều áp . Error! Bookmark
not defined.
Bảng 1.4 Áp suất kích hoạt của các van ADS .......... Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.1 Định dạng thẻ trong RELAP5 ................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.2Thẻ dữ liệu đầu vào cho các thành phần thủy động . Error! Bookmark not
defined.
Bảng 2.3 Thông số hình học của bình điều áp .......... Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.4 Thông số thủy nhiệt của bình điều áp ........ Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.5 Tính độ giảm áp dọc theo bình điều áp ..... Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.6Dữ liệu hình chiếu trên mặt cắt ngang của các đoạn ống cong(*): ...... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2.7Dữ liệu hình chiếu trên mặt cắt ngang của các đoạn ống thẳng(*): ..... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2.8 Chiều dài 4 đoạn theo độ dốc củađƣờng ống nối bình điều áp.......... Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2.9Các thông số hình học khác củađƣờng ống nối bình điều áp ............. Error!
Bookmark not defined.
Bảng 2.10 Thông số thủy nhiệt củađƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.11 Độ giảm áp dọc theo đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng ... Error!

Bookmark not defined.
Bảng 2.12 Thông số hình học của van an toàn ......... Error! Bookmark not defined.
Bảng 2.13 Thông số thủy nhiệt của van an toàn ....... Error! Bookmark not defined.


Bảng 2.14 Thông số hình học của van giảm áp tự động ......... Error! Bookmark not
defined.
Bảng 2.15 Thông số thủy nhiệt của van giảm áp tự động ....... Error! Bookmark not
defined.
Bảng 2.16 Dữ liệu bể chứa nƣớc thay đảo nhiên liệu (IRWST) .... Error! Bookmark
not defined.
Bảng 2.17 Thông số hình học của hệ thống phun giảm áp ..... Error! Bookmark not
defined.
Bảng 2.18 Thông số thủy nhiệt của hệ thống phun giảm áp ... Error! Bookmark not
defined.
Bảng 3.1 Diễn biến các sự cố .................................... Error! Bookmark not defined.
Bảng 3.2 Lựa chọn điều kiện biên (lối vào chân nóng) .......... Error! Bookmark not
defined.


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nhà máy điện hạt nhân AP1000 ................ Error! Bookmark not defined.
Hình 1.2 Hệ thống làm mát lò phản ứng AP1000 ..... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.3 Hệ thống an toàn thụ động ......................... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.4 So sánh tần số nóng chảy vùng hoạt .......... Error! Bookmark not defined.
Hình 1.5 Bình điều áp lò AP1000 ............................. Error! Bookmark not defined.
Hình 1.6 Hệ thống giảm áp thụ động trong lò phản ứng AP1000 Error! Bookmark
not defined.
Hình 2.1 Cấu trúc chƣơng trình RELAP5 ................. Error! Bookmark not defined.
Hình 2.2 Mô hình hóa bình điều áp của lò phản ứng AP1000 Error! Bookmark not

defined.
Hình 2.3 Sơ đồ nút hóa bình điều áp trong REALAP5 ........... Error! Bookmark not
defined.
Hình 2.4 Sơ đồ chia lƣới đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng .............. Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.1 Áp suất bình điều áp ở trạng thái dừng ...... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.2 Nhiệt độ nƣớc và hơi trong bình điều áp ở trạng thái dừng ............... Error!
Bookmark not defined.
Hình 3.3 Áp suất bình điều áp sự cố mở van an toàn (theo tính toán của luận văn)
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.4 Áp suất bình điều ápsự cố mở van an toàn (theo tính toán của U.S NRC)
................................................................................... Error! Bookmark not defined.
Hình 3.5 Nhiệt độ hơi nƣớc và nƣớc trong bình điều áp ........ Error! Bookmark not
defined.
Hình 3.6 Tốc độ dòng qua van an toàn bình điều áp Error! Bookmark not defined.


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


TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Idaho Nationl Engineering Laboratory (1995),RELAP5/MOD3 Code Manual
Vol II, Washington.
2. Westinghouse Electric Company (2011), AP1000 Design Control Document
Rev.19, America.
3. Westinghouse Electric Company (2011), AP1000 PWR Reactor Coolant
Pumps, America.
4. Westinghouse Electric Company (2003), The Westinghouse AP1000 Advanced
Nuclear Plant, America.

3