KHẢO sát DAO ĐỘNG OFFSET dọc TRỤC CHO lò PHẢN ỨNG WWER 1000 sử DỤNG PHẦN mềm WWER 1000

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

II-P-1.3
KHẢO SÁT DAO ĐỘNG OFFSET DỌC TRỤC CHO LÒ PHẢN ỨNG WWER-1000 SỬ
DỤNG PHẦN MỀM WWER-1000
Nguyễn Thị Thanh Tuyền, Lưu Diễm Miên, Võ Hồng Hải, Phan Lê Hoàng Sang
Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật
Trường Đại học Khoa Học Tự nhiên, ĐHQG Tp.HCM
Email:
TÓM TẮT
Trong hoạt động của các lò phản ứng neutron nhiệt, thường luôn có sự xuất hiện của các dao
động xenon không gian. Bản chất của các dao động này là phần lớn công suất sẽ tập trung tại một vị
trí nhỏ trong thể tích lõi lò, làm phá vỡ tính cân bằng của các phân bố công suất trong các vùng không
gian lõi lò. Đại lượng đặc trưng cho sự phân bố công suất theo chiều cao lõi lò là offset dọc trục.
Trong đề tài này, nguyên nhân hình thành dao động offset dọc trục và các đặc trưng của chúng được
xem xét. Chúng tôi tiến hành khảo sát dao động offset dọc trục ở đầu (BOC) và cuối (EOC) chu trình
nhiên liệu ở các độ làm giàu loading 1 và loading 5 trong lò phản ứng WWER-1000, sử dụng phần
mềm WWER-1000 được cung cấp bởi IAEA. Kết quả đạt được đó là: (1) sự hình thành dao động
offset dọc trục được giải thích là do sự chênh lệch tuần hoàn giữa nồng độ tĩnh i-ốt, xenon và thông
lượng neutron ở nửa trên lõi lò diễn ra sớm hơn so với nửa dưới lõi lò, khi đưa nhóm điều khiển số 1
vào đáy lõi lò; (2) sự khác nhau về bản chất và các đặc trưng của dao động offset dọc trục cũng được
nêu rõ về mặt định tính, cụ thể là trong cùng một độ làm giàu nhiên liệu, ở đầu chu trình, offset dọc
trục sẽ dao động lớn hơn và tắt dần chậm hơn so với cuối chu trình. Đối với hai độ làm giàu nhiên liệu
khác nhau, ở độ làm giàu cao, offset dọc trục sẽ dao động nhỏ hơn và tắt dần nhanh hơn so với độ
làm giàu thấp.
Từ khoá: Dao động offset, phân bố công suất, nhiễm độc xenon, lò phản ứng WWER-1000.
MỞ ĐẦU
Dao động xenon không gian là sự phân bố lại công suất trong những vùng không gian lõi lò, nguyên nhân
do sự chênh lệch tuần hoàn giữa phân bố tĩnh của i-ốt, xenon và mật độ thông lượng neutron. Dao động xenon
không gian gồm các dạng: dao động dọc trục (axial), dao động toả tròn (radial), dao dộng xuyên tâm (diametral)
và dao động phương vị (azimuthal).

Đối với lò phản ứng WWER-1000, quá trình dịch chuyển thanh điều khiển lên xuống dọc theo chiều cao
lõi lò đã tạo ra sự chênh lệch công suất giữa nửa trên và nửa dưới lõi lò. Đại lượng đặc trưng cho sự chênh lệch
này là offset dọc trục.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Lý thuyết tổng quan
Các sản phẩm phân hạch như Xe135, Sm149 có tiết diện hấp thụ neutron lớn, gây mất mát độ phản ứng
không mong muốn, gây ra hiện tượng nhiễm độc lò phản ứng. Hiện tượng nhiễm độc lò phản ứng này chỉ thể
hiển rõ trong các loại lò phản ứng neutron nhiệt, còn trong các loại lò phản ứng neutron trung gian xảy ra yếu và
hầu như không xảy ra trong các lò phản ứng neutron nhanh. Vì chỉ có Xe135 mới gây ra các dao động công suất
trong không gian lõi lò nên chỉ xét nhiễm độc xenon. Quá trình sinh và huỷ xenon được biểu diễn trên hình 2.1

Xe136

p = 0,003
235

U
(n,f
135
Ba
)
p = 0,056

135-

Te β

2 phút

n

β

- I135

6,57 h

β

-

Xe

135

9,14 h

β-

Cs135

2,6x106 năm

Hình 2.1. Sơ đồ động học của các đồng vị Xe135
Nồng độ i-ốt được xác định như sau:

dNI
= pI Σf Φ - λI NI
dt
ISBN: 978-604-82-1375-6

(1.1)

136


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
Nồng độ xenon được xác định như sau:

dNXe
= pI Σf Φ + λI NI - σXe NXe Φ - λXe NXe
dt

(1.2)

Trong đó:






NI , NXe : nồng độ i-ốt và xenon
pI , pXe: hiệu suất phát i-ốt và xenon từ phản ứng phân hạch
λI , λXe (1/giờ): hằng số phân rã của i-ốt và xenon
Σf (1/cm): tiết diện phân hạch vĩ mô
σXe (cm2 ): tiết diện hấp thụ vi mô của xenon
 Φ (1/(s.cm2 )): thông lượng neutron nhiệt tại công suất định mức.
Khi thông lượng neutron lớn, nồng độ xenon tĩnh chỉ phụ thuộc vào độ làm giàu nhiên liệu như sau:

NXe0 ≈

(pI + pXe )Σf

(1.3)

σXe

Với Σa (1/cm) là tiết diện hấp thụ vĩ mô của nhiên liệu, độ nhiễm độc xenon tĩnh cực đại là:

qmax
=
Xe0

(pI + pXe )Σf

(1.4)

Σa

Tương ứng, độ mất mát độ phản ứng do nhiễm độc xenon tuân theo phương trình 1.5, với θ =

ΣU
ΣU +Σvật liệu

là

hệ số sử dụng neutron nhiệt.

ρXe = -qXe θ = -

Σf
θ(pI + pXe )
Σa

(1.5)

Vì θ ≤ 1 nên đại lượng độ mất mát độ phản ứng có thể gần như bằng với đại lượng độ nhiễm độc xenon và
trái dấu.
Ta thấy sự hấp thụ neutron của Xe135 đã gây ra một độ phản ứng âm không có lợi cho hoạt động của lò.
Việc kiểm soát độ phản ứng âm này được thực hiện bởi thanh điều khiển hoặc điều tiết lượng boron bên trong lõi
lò. Tuy nhiên, việc dịch chuyển thanh điều khiển sẽ gây ra các dao động xenon không gian. Phương trình dao
động xenon có dạng:

y(t)=A0 exp(-αt) sin (

2πt
) [10]
T

(1.6)

Với: 𝐴0 , 𝑡, 𝛼, 𝑇 lần lượt là biên độ, thời gian, hệ số tắt và chu kỳ dao động của xenon.
Phần mềm mô phỏng WWER-1000
Trong đề tài này, các quá trình khảo sát được thực hiện trên phần mềm mô phỏng WWER-1000. Đây là
phần mềm được hỗ trợ bởi cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế IAEA để phục vụ cho việc giảng dạy và đào
tạo trong lĩnh vực nhà máy điện hạt nhân. Phần mềm giúp người dùng làm quen với các cấu tạo, nguyên lý hoạt
động trong lò phản ứng hạt nhân WWER-1000. Từ đó, có những nghiên cứu sâu rộng hơn về các diễn biến xảy
ra trong lõi lò. Hình 2.2 và hình 2.3 biểu diễn các trang giao diện mô phỏng của phần mềm WWER-1000.

ISBN: 978-604-82-1375-6

137


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

Hình 2.2. Trang giao diện mô phỏng chính

Hình 2.3. Trang báo tín hiệu sự cố mô phỏng

Diễn biến mô phỏng
Lúc đầu lò hoạt động bình thường với công suất gần 100%.
Sau đó, nhóm điều khiển số 1 được kích hoạt đưa nhanh vào đáy lõi lò (giây thứ 13). Đồng thời, lõi lò cũng
bị cô lập hoàn toàn với các chế độ kiểm soát lõi lò. Điều này đã kích phát các dao động xenon xảy ra và sự dao
động diễn ra hoàn toàn theo đặc trưng vốn có của chúng.
Các dao động được ghi nhận lại ở các đầu chu trình (BOC) và cuối chu trình (EOC) nhiên liệu của độ làm
giàu nhiên liệu loading 1 và loading 5 trong thời gian 400 giờ. Hình 3 và hình 4 biểu diễn mật độ phân bố độ làm
giàu nhiên liệu ở hai độ làm giàu loading 1 và loading 5.

Hình 2.4. Phân bố mật độ làm giàu nhiên liệu ở độ làm
giàu loading 1

Hình 2.5. Phân bố mật độ làm giàu nhiên liệu ở độ
làm giàu loading 5

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Các thông số được quan tâm bao gồm: 1) thông lượng neutron (N-Power), 2) Offset và 3) độ phản ứng
(Reactivity). Kết quả được thể hiện trên hình 3.1 (Load1, BOC), hình 3.2 (Load1, EOC), hình 3.3 (Load5, BOC)
và hình 3.4 (Load5, EOC). Bảng 3.1 là kết quả fit hệ số tắt và chu kỳ dao động của Offset dọc trục và thông
lượng neutron theo phương trình dao động xenon (1.6).

ISBN: 978-604-82-1375-6

138


Thông lượng neutron (%)

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
300
250
200
150
100
50
0
-50 0

100

200

300

400

500

400

500

400

500

Thời gian (h)
40

Offset (%)

20
0
-20 0

100

200

300

-40
-60
-80
-100

Độ phản ứng (%∆K/K)

Thời gian (h)
0.5

0
-0.5 0
-1
-1.5
-2
-2.5
-3
-3.5

100

200

300

Thời gian (h)
Hình 3.1. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi của các thông số ở đầu chu trình nhiên liệu với độ làm giàu loading 1
Khi nhóm điều khiển số 1 được đưa dọc vào lõi lò, thông lượng neutron giảm từ trên xuống dưới, thoạt đầu
nồng độ xenon tăng lên cực đại do tốc độ sinh xenon lớn hơn tốc độ huỷ xenon (𝑇𝑖−ố𝑡 < 𝑇𝑥𝑒𝑛𝑜𝑛 ). Sau đó, nồng
độ xenon giảm  thông lượng neutron sẽ tăng lên  nồng độ xenon tiếp tục được tích luỹ và tăng đến cực đại
hấp thụ neutron  thông lượng neutron giảm. Quá trình như trên lặp lại nhiều lần tạo ra các sóng dao động
xenon.
Đồng thời, tại một thời điểm bất kỳ, thông lượng neutron ở nửa trên lõi lò giảm sớm hơn và tăng sớm hơn
ở nửa dưới lõi lò  Offset dao động.
Theo đó, độ phản ứng cũng dao động tương ứng.
Giải thích tương tự cho các hình 3.2 – 3.4.

ISBN: 978-604-82-1375-6

139

Thông lượng neutron (%)

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0

100

200

300

400

500

400

500

400

500

Thời gian (h)
40

Offset (%)

20
0
-20

0

100

200

300

-40
-60
-80

Thời gian (h)

Độ phản ứng (%∆K/K)

0.2

0
-0.2 0

100

200

300

-0.4

-0.6
-0.8
-1
-1.2

Thời gian (h)

Hình 3.2. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi của các thông số ở cuối chu trình nhiên liệu với độ làm giàu loading 1
Tuy nhiên, sự dao động của các dao động ở đầu chu trình và cuối chu trình xảy ra khác nhau. Ở độ làm
giàu loading 1, đầu chu trình, hình 3.1, có độ làm giàu nhiên liệu cao hơn cuối chu trình, hình 3.2  Offset ở
đầu chu trình sẽ dao động lớn hơn cuối chu trình. Kết quả tương tự ở độ làm giàu loading 5, hình 3.3 – 3.4.

ISBN: 978-604-82-1375-6

140


Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM

Thông lượng neutron (%)

160
140
120
100
80
60
40
20
0
0

100

200

300

400

500

400

500

400

500

Offset (%)

Thời gian (h)
20
10
0
-10 0
-20
-30
-40
-50
-60

100

200

300

Độ phản ứng (%∆K/K)

Thời gian (h)
0.1
0.05
0
-0.05 0

100

200

300

-0.1
-0.15
-0.2
-0.25
Thời gian (h)

Hình 3.3. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi của các thông số ở đầu chu trình nhiên liệu với độ làm giàu loading 5

ISBN: 978-604-82-1375-6

141


Thông lượng neutron (%)

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
120
100
80

60
40
20
0
0

100

200
300
Thời gian (h)

400

500

0

100

200

400

500

400

500

20

Offset (%)

10
0

-10

300

-20
-30
Thời gian (h)

Độ phản ứng (%∆K/K)

0.05
0
-0.05

0

100

200

300

-0.1
-0.15
-0.2

Thời gian (h)
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi của các thông số ở cuối chu trình nhiên liệu với độ làm giàu loading 5
Xét hai độ làm giàu khác nhau, độ làm giàu loading 5 có mật độ làm giàu nhiên liệu đồng đều hơn nhiều so
với độ làm giàu loading 1, hình 2.4 và hình 2.5. Do đó, sự phân hạch Urani diễn ra trong mức làm giàu loading 5

sẽ đồng đều hơn so với mức làm giàu loading 1  sự chênh lệch mật độ thông lượng neutron ở mức làm giàu
loading 5 sẽ thấp hơn mức làm giàu loading 1  Offset ở loading 5, hình 3.4 – 3.4, sẽ dao động nhỏ hơn và tắt
dần sớm hơn so với loading 1, hình 3.1 và 3.2.
Các hệ số tắt và chu kỳ dao động của thông lượng neutron và offset dọc trục được biểu diễn trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Kết quả fit hệ số tắt và chu kỳ dao động của thông số Offset dọc trục và thông lượng neutron
Thông lượng neutron
-1

Offset
-1

BOC 1

αΦ (h )
0,0018

TΦ (h)
43,2

αAop (h )
2,45E-8

TAop (h)
43,4

EOC 1

0,0115

26,9

0,0109

27,0

BOC 5

0,0377

31,2

0,0124

33,0

EOC 5

0,0544

34,5

0,0438

35,8

ISBN: 978-604-82-1375-6

142

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM
KẾT LUẬN
Với sự kết hợp cả lý thuyết và sử dụng phần mềm mô phỏng WWER-1000, chúng tôi đã tìm ra nguyên
nhân, giải thích được cơ chế hình thành và nêu ra bản chất của dao động offset dọc trục. Qua đó, ta thấy rằng,
dao động Offset dọc trục xảy ra lớn là điều không mong muốn, do đó cần tìm ra các giải pháp để triệt tiêu hoặc
làm giảm sự giao động của chúng.
Lời cám ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên ĐHQG-HCM,
đặc biệt là Bộ môn Vật lý – kỹ thuật hạt nhân đã tạo mọi điều kiện để chúng tôi thực hiện công trình nghiên cứu
này.

STUDY ON AXIAL OFFSET OSCILLATION FOR WWER-1000 REACTOR BY USING
WWER-1000 SIMULATOR
Nguyen Thi Thanh Tuyen, Luu Diem Mien, Vo Hong Hai, Phan Le Hoang Sang
Nuclear Engineering Physics Department, Faculty of Physics and Engineering Physics
VNU HCM – University of Science
Email:
ABSTRACT
In the operation of thermal neutron reactors, it is known that the spatial xenon oscillations arise
frequently. The nature of these oscillations is the most of power concentrate just at a small region in
the reactor core volume. The characteristic parameter for the axial power distribution is axial offset. In
this subject, the cause of axial offset oscillation and its characteristics are studied. We investigate axial
offset oscillation in begin of fuel cycle (BOC) and end of fuel cycle (EOC) of loading 1 enrichment and
loading 5 enrichment for WWER-1000 reactor, using WWER-1000 reactor simulation program that
was originally developed by IAEA. The results are: (1) the formation of axial offset oscillation is due to
periodic deviation from an equilibrium distribution of iodine, xenon and neutron flux density between
the upper half and the lower half of the reactor core, when the control group number 1 is inserted into
the bottom of reactor core; (2) regarding the same fuel enrichment, in BOC, offset oscillates with larger
amplitude and slower damping than in EOC. On the other hand, in higher fuel enrichment, offset
oscillates with smaller amplitude and quicker damping than in lower fuel enrichment.
Keywords: offset oscillation, power distribution, xenon poison, WWER-1000 reactor.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, Nhà xuất bản Khoa Học và Kỹ Thuật, TP Hồ Chí Minh.
[2]. Ngô Quang Huy (2004), Vật lý lò phản ứng hạt nhân, Nhà xuất bản Đại Học Quốc Gia Hà Nội.
[3]. Nguyễn Tấn Đạt (2013), Tìm hiểu lò phản ứng WWER-1000 và khảo sát thông số offset ở đầu chu trình
(BOC) và cuối chu trình (EOC) của lò phản ứng WWER bằng phần mềm WWER-1000, Khoá luận tốt
nghiệp đại học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, TP Hồ Chí Minh.
[4]. Nguyễn Võ Thông, Hoàng Mạnh (2011), Các công nghệ lò phản ứng và yêu cầu an toàn đối với nhà
máy điện nguyên tử, Viện KHCN Xây dựng.
[5]. Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam – Trung tâm đào tạo hạt nhân (2012), Nhà máy điện hạt nhân sử
dụng lò phản ứng WWER-1000, Hà Nội.
[6]. Gustaf Olsson (1969), Spatial xenon instability in thermal reactors, Lund Institute of Technology
Division of Automatic Control, report 6910.
[7]. International Atomic Energy Agency IAEA (2011), WWER-1000 Reactor Simulator, Vienna.
[8]. Paul L.Roggenkamp (2000), The influence of Xenon-135 on Reactor Operation, WSRC-MS-200000061.
[9]. P.E.Filimonov and S.P.Aver’yanova (2001), “Maitaining an equilibrium offset as an effective method
for suppressing xenon oscillations in VVER-1000”, Atomic Energy, Vol. 90, (No. 3), 1 – 4.
[10]. V.A.Tereshonok, V.S.Stepanov, A.P.Povaro, O.V.Lebedev, and V.V.Makeev (2002), “Xenon
oscillations in a VV É R-1000 core”, Atomic Enerdy, Vol.93, (No. 4), 1 – 7.

ISBN: 978-604-82-1375-6

143