Tính toán thủy nhiệt bình điều áp lò phản ứng AP1000 trong trạng thái dừng và chuyển tiếp bằng RELAP5

MỤC LỤC

1


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 boongke lò.
LOCA (Small Loss 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

2


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”.

3


1.
1.1.

CHƯƠNG 1. LÒ PHẢN ỨNG AP1000, BÌNH ĐIỀU ÁP

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 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)
Hệ số tuyến tính nhiệt, kw / ft

5.71

3
3
Lưu lượng nhiệt thùng lò 10m /h(10 gpm)
2 2
Diện tích bề mặt máy tạo hơi nước, m (Ft )
Thể tích bình điều áp, m

3

4.3 (14)

3
(Ft )

68,1 (300)
11.600 (125.000)
59,5 (2100)

4

Hình 1.1 Nhà máy điện hạt nhân AP1000

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 (Passive Core Cooling System) 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 (Core Make-up Tank), bể
tích nước cao áp ACC (Accumulators) và bể tích nước thay đảo nhiên liệu IRWST (In-containment
Refueling Water Storage Tank).
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. CMT cung cấp nước trộn với
axit boric dưới áp suất cao và dẫn dung dịch axitboric 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

5


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 1.2 Hệ thống làm mát lò phản ứng AP1000
PXS còn có hệ thống tải nhiệt dư thụ động PRHR (Passive Residual Heat Removal), 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

6


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 (Passive Containment System), 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.

1.2.

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 1.3 Bình điều áp lò AP1000
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,

7


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 17,23MPa).

Hình 1.4 Hệ thống giảm áp thụ động trong 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 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 (Automatic Depressurization System). Các van giảm áp tự động

8


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 (In-Containment Refueling Water
Storage Tank). 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.
Bảng 1.2 Các thông số thiết kế của bình điều áp
Bình điều áp
Thể tích (ft3)

2.100

Thể tích nước (ft3)

1.000

Đường kính trong (in.)

90

Chiều cao (in.)

607

Áp suất thiết kế (MPa)

17,23

Nhiệt độ thiết kế (°F)

680

Đường kính đường nối bình điều áp với chân nóng (in)

18

Chiều dày thành đường nối bình điều áp với chân nóng (in)

1,78

Đường kính đường ống phun giảm áp (in)

4

Áp suất van phun giảm áp (bắt đầu mở, MPa)

15,68

Áp suất van phun giảm áp (mở hoàn toàn, MPa)

16,03

Bảng 1.3 Các thông số thiết kế của van an toàn của bình điều áp
Số lượng

2

Đường kính đầu van an toàn (in.)

14

Khả năng xả yêu cầu tối thiểu cho mỗi van (lb/h)
Áp suất thiết lập (MPa)

17,23 ± 0,27

Nhiệt độ thiết kế (0F)

680

Dung dịch

2.

750.000

Hơi bão hòa

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

9

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 quy chế năng
lượng nguyên tử Hoa Kỳ - U.S Nuclear Regulatory Commission (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.
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 RELAP5 có cấu trúc “trên – xuống” và được tổ chức theo dạng mô-đun thể
hiện trong Hình 2.1

Hình 2.5 Cấu trúc chương trình RELAP5
Cấu trúc chương trình ở mức cao nhất được chia thành 3 khối:

+

INPUT: Có nhiệm vụ đọc file Input,kiểm tra và xử lý dữ liệu nhập vào (New, Restart,
Initialization…)

10


+

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.

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…Các thẻ trong tệp dữ liệu đầu vào của
RELAP5 được tóm tắt trong Bảng 2.1
Bảng 2.4 Định dạng thẻ trong RELAP5
Thẻ
1 – 199

Các thành phần được mô tả
Dữ liệu mô tả bài toán

200 – 299

Điều khiển bước thời gian

301- 399

Hiệu chỉnh lỗi nhỏ

407 – 799 hoặc 20600000 –

Đóng, ngắt

20620000
801 – 899

Dữ liệu ảnh hưởng

1001 – 1999

Yêu cầu đóng/ ngắt hoặc so sánh tập tin kết xuất

CCCXXNN

Dữ liệu cấu trúc thủy động

1CCCGXNN

Dữ liệu cấu trúc nhiệt

6SSNNXXX

Mô hình bức xạ

201MMMNN

Thuộc tính của cấu trúc nhiệt

202TTTNN
20300000 – 20349999

Bảng dữ liệu chung
Hình vẽ yêu cầu

205CCCNN

Thành phần điều khiển hệ thồng

30000NNN

Dữ liệu động học lò

11


2.3. Dữ liệu đầu vào của bình điều áp
2.3.1. Mô hình hóa bình điều áp của lò phản ứng AP1000

Hình 2.6 Mô hình hóa bình điều áp của lò phản ứng AP1000
Các bộ phận của bình điều áp lò phản ứng AP1000 được mô hình hóa thành các phần như
trong Hình 2.2 và được mô phỏng bằng RELAP như trong Hình 2.3:



P501 – Đường nối bình điều áp với chân nóng;



SJ502 – Nút giữa bình điều áp với đường nối bình điều áp với chân nóng;



P503 – Bình điều áp, được mô phỏng bằng một mô-đun dạng ống;



V540 – Van an toàn của bình điều áp;



TV541 – Bể chứa nước sau van an toàn của bình điều áp;



V550, V551, V552 – Các van giảm áp tự động giai đoạn 1, 2 và 3 của bình điều áp;



TV553, TV554, TV555 – Bể chứa nước sau van xả an toàn của bình điều áp;



V511 – Van của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp;



TV510 – Đường ống của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp;

12



SJ509 – Nút giữa đường ống của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp với chân
lạnh;

Hình 2.7 Sơ đồ nút hóa bình điều áp trong REALAP5



101 – Chân nóng gắn với bình điều áp, được mô phỏng bằng một mô-đun dạng đơn
khối phụ thuộc thời gian;



500 – Nút giữa chân nóng và đường nối bình điều áp với chân nóng, được mô phỏng
bằng một mô-đun dạng nút đơn phụ thuộc thời gian;



501 – Đường nối bình điều áp với chân nóng, được mô phỏng bằng một mô-đun dạng
ống;



502 – Nút giữa bình điều áp với đường nối bình điều áp với chân nóng, được mô
phỏng bằng một mô-đun dạng nút đơn;



503 – Bình điều áp, được mô phỏng bằng một mô-đun dạng ống. Đoạn bình hình trụ

chứa nước được chia thành 6 đoạn có chiều cao như nhau và đoạn bình hình trụ chứa
hơi nước được chia thành 7 đoạn có chiều cao như nhau;



540 - Van an toàn của bình điều áp, được mô phỏng bằng một mô-đun dạng van điều
khiển;

13




541 - Bể chứa nước sau van an toàn của bình điều áp, được mô phỏng bằng một môđun dạng đơn khối phụ thuộc thời gian;



550, 551, 552 – Các van giảm áp tự động giai đoạn 1, 2 và 3 của bình điều áp, được
mô phỏng bằng các mô-đun dạng van mô-tơ;



553, 554, 555 – Bể chứa nước sau van xả an toàn của bình điều áp, được mô phỏng
bằng một mô-đun dạng đơn khối phụ thuộc thời gian;



511 – Van của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp, được mô phỏng bằng một môđun dạng van điều khiển;



510 – Đường ống của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp, được mô phỏng bằng
một mô-đun dạng ống;



509 – Nút giữa đường ống của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp với chân lạnh,
được mô phỏng bằng một mô-đun dạng nút đơn;



141 – Chân lạnh (cấp nước cho hệ thống phun giảm áp), được mô phỏng bằng một
mô-đun dạng đơn khối phụ thuộc thời gian.

Để mô phỏng bình điều áp, chia bình thành 3 phần: đáy bình (phần hình chỏm cầu cụt ở đáy
bình), thân bình (phần bình hình trụ) và nắp bình (phần hình chỏm cầu ở đỉnh bình). Đáy bình và
nắp bình sẽ được quy đổi sang hình trụ với cùng độ cao, các thông số thu nhập và quy đổi được cho
ở Bảng 2.3
Bảng 2.5 Thông số hình học của bình điều áp
Giá trị thông số
Thông số

Giá trị thu

Giá trị đổi đơn vị

thập
Chiều cao

607 in.

H = 607 inch = 15,4178 m

Đường kính trong

90 in.

Di = 90 inch = 2,286 m

Tiết diện

Giá trị đưa
vào RELAP
15,4178 m
2,286 m

S = Di2 x π /4 = 4,1022 m2

4,1022 m2

Thể tích

2.100ft3

V = 2.100 ft3 = 59,4654 m3

59,4653 m3

Thể tích nước

1.000ft3

Vnước = 1.000 ft3 = 28,3168 m3

28,3168 m3

Thể tích hơi nước

1.100ft3

Vhơi=1.100 ft3 = 31,1485m3

31.1485 m3

Bán kính nắp (Rn)

1,26m

1,26 m

Chiều cao nắp (Hn)

1,2295m

1,2295 m

Thể tích nắp

Vn= [(3Rn-Hn)Hn2] π /3 = 4,0354 m3

14

4,0354m3


Tiết diện quy đổi(*)
Đường kính nắp quy
đổi(*)
Chiều cao phần thân
chứa hơi nước
Chiều cao phần thân
và nắp

Sn = Vn/Hn = 3,2821 m2

3,2821m2

Dn= (4Sn/3,14)1/2 = 2,0448 m

2.0448m

Hhơ i= (Vhơi-Vn)/S = 6,6094 m

6,6094m

14,192m

14,192m
Htn = 14,192 – Hhơi – Hn

Chiều cao phần thân
chứa nước

6,3531m

= 6,3531 m
Vtn = Htn x S

Thể tích phần thân
chứa nước

= 26,0617 m

26,0617m3

3

Vđ = Vnước – Vtn

Thể tích đáy

= 2,2551 m

Chiều cao đáy
Tiết diện đáy quy
đổi(*)
Đường kính đáy quy
đổi(*)

2,2551 m3

3

Hđ = 15,4178 – 14,192 = 1,2258m

1,2258m

Sđ=Vđ/Hđ=3,3742 m2

3,3742 m2

Dđ=(4Sđ/3,14)1/2 = 2,0732 m

2,0732 m

(*)

: Các thông số của nắp và đáy bình điều áp sau khi đã được quy đổi thành hình trụ với

thể tích và chiều cao của nắp và đáy bình điều áp không đổi.
Trong mô phỏng, đoạn ống hình trụ chứa nước được chia thành 6 đoạn nhỏ hơn có chiều
cao như nhau và đoạn ống hình trụ chứa hơi nước được chia thành 7 đoạn nhỏ hơn có chiều cao
như nhau.
Chiều cao mỗi đoạn nhỏ của phần chứa nước là: hn =6,3531 /6 = 1,0589m
Chiều cao mỗi đoạn nhỏ của phần chứa hơi nước là: hh = 6,6094/7 = 0,9442m

Bảng 2.6 Thông số thủy nhiệt của bình điều áp
Giá trị thông số

Thông số

Nhiệt độ
vào bình điều áp)
Áp suất

(lối

Đơn vị gốc

Đơn vị trong RELAP

653oF(*)

T1=618,15 K(*)

2.241 psig

P1=15451150,437Pa

15


(lối vào bình điều áp)
(*)

: Vì luận văn lựa chọn đơn vị tính toán trong RELAP5 là hệ SI
Bảng 2.7 Tính độ giảm áp dọc theo bình điều áp

Đoạn

(kg/m3)

∆H

∆P (Pa)

P (Pa)

T (K)

1

594,89

0,6129

3646,0808

15447504,3562

617,6

2

595,05

1,14235

6797,5537

15440706,8025

617,60

3

595,18

1,0589

6302,3610

15434404,4415

617,57

4

595,30

1,0589

6303,6317

15428100,8098

617,54

5

595,41

1,0589

6304,7965

15421796,0133

617,50

6

595,53

1,0589

6306,0672

15415489,9461

617,47

7

595,65

1,0589

6307,3379

15409182,6083

617,44

8

595,76

0,9442

5625,1659

15403557,4424

617,40

9

595,87

0,9442

5626,2045

15397931,2378

617,37

10

595,97

0,9442

5627,1487

15392304,0891

617,34

11

596,07

0,9442

5628,0929

15386675,9961

617,32

12

596,18

0,9442

5629,1316

15381046,8646

617,29

13

596,28

0,9442

5630,0758

15375416,7888

617,26

14

596,38

0,9442

5631,0200

15369785,7689

617,23

15

596,49

1,1442

6825,0386

15362960,7303

617,20

2.3.2. Dữ liệu đầu vào của van an toàn
Bảng 2.8 Thông số hình học của van an toàn
Giá trị thông số
Thông số

Giá trị

Giá trị đổi đơn vị

thu thập
Đường kính trong
Tiết diện

14 in.

Giá trị đưa
vào RELAP

Di=14 inch =0,3556 m

0,3556 m

S = Di2*π/4 = 0,0993 m2

0,0993m2

Bảng 2.9 Thông số thủy nhiệt của van an toàn

16


Thông số
Nhiệt độ
Áp suất mở hoàn toàn

Giá trị thông số
Đơn vị gốc

Đơn vị trong RELAP

680oF

633,15 K

2.575 psia

17.753.999,996 Pa

17

3.

CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

3.1. Kết quả trạng thái dừng
Trước khi thực hiện tính toán quá trình chuyển tiếp sự cố mở vô ý van xả an toàn của bình
điều áp, trạng thái dừng được thiết lập và kiểm tra. Trạng thái dừng của lò phản ứng tính toán bằng
chương trình RELAP5 được chỉ ra trong các hình dưới đây. Các kết quả này chỉ ra rằng lò đã đạt
trạng thái dừng (là trạng thái nhà máy hoạt động bình thường, các thông số ổn định theo thời gian)
và sẵn sàng cho việc tính toán quá trình chuyển tiếp sự cố.

Hình 3.8 Áp suất bình điều áp ở trạng thái dừng
Sau khoảng 30 giây thì áp suất trong bình điều áp đã đạt được trạng thái dừng. Áp suất
bình điều áp ở trạng thái dừng cỡ 15,47 MPa phù hợp với giá trị lý thuyết là 15,51 MPa Hình 3.1.
Nhiệt độ nước và hơi bão hào trong bình điều áp cỡ 617,75 độ K Hình 3.2. Ngoài ra, xem xét hoạt
động của các van tiêm, van an toàn, van giảm áp thụ động thì chúng được đóng hoàn toàn.

18


Hình 3.9 Nhiệt độ nước và hơi trong bình điều áp ở trạng thái dừng

3.2. Kết quả ở trạng thái chuyển tiếp
Bảng 3.10 Diễn biến các sự cố
Sự kiện

Thời gian (giây)

Van an toàn bình điều áp mở vô ý

0.0

Áp suất giảm đến tín hiệu dập lò

18.55

Hạ thanh điều khiển dập lò

20.55

Bắt đầu bơm nước vào vùng hoạt

23.23

Kết thúc thời gian nghiên cứu

35

19


Hình 3.10 Áp suất bình điều áp sự cố mở van an toàn (theo tính toán của luận văn)

Hình 3.11 Áp suất bình điều ápsự cố mở van an toàn (theo tính toán của U.S NRC)

20


Tại thời điểm 0 giây sự cố bắt đầu xảy ra, van an toàn bình điều áp vô ý mở, nước làm mát
trong vòng sơ cấp thất thoát qua van an toàn làm áp suất trong bình điều áp giảm. Khi áp suất giảm

đến 18,55 giây thì tín hiệu dập lò sẽ được kích hoạt (lúc này áp suất giảm đến điểm đặt áp suất dập
lò). Đến khoảng 21 giây sau khi có tín hiệu dập lò thì các thanh điều khiển dập lò được hạ xuống,
vùng hoạt ngừng hoạt động và không sinh thêm nhiệt mà chỉ còn nhiệt dư. Tín hiệu bơm nước làm
mát khẩn cấp vào vùng hoạt được phát động.
Từ 0 giây đến khoảng 21 giây áp suất bình điều áp giảm đều Hình 3.3 đường áp suất gần
như là một đường thẳng có độ dốc vừa phải, giai đoạn này áp suất giảm đều do van an toàn bình
điều áp vô ý mở. Tại thời gian khoảng 21 giây, lúc này tín hiệu dập lò đã được kích hoạt, vùng hoạt
đã ngừng hoạt động nên nhiệt độ nước làm mát giảm nhanh, dẫn đến áp suất trong bình điều áp
cũng giảm nhanh. Sau khoảng 23 giây trở đi, khi nước làm mát khẩn cấp bắt đầu được bơm vào
vùng hoạt, nhiệt độ bình điều áp tiếp tục giảm nhanh Hình 3.5, ở giai đoạn này áp suất bình điều áp
cũng giảm nhanh hơn giai đoạn trước nên đường cong áp suất có độ dốc lớn hơn Hình 3.3.
So sánh kết quả tính toán sự cố vô ý mở van an toàn bình điều áp của của luận văn và tính
toán của U.S NRC[2] ta hai kết quả là khá giống nhau Hình 3.3 và Hình 3.4. Cụ thể đường đồ thị áp
suất trong cả hai kết quả có dạng tương đồng, ta có thể phân tích thành 3 đoạn theo thời gian. Đầu
tiên, từ 0 giây đến khoảng 23 giây đường đồ thị áp suất giảm đều. Thứ hai, từ 23 giây trở đi tới
khoảng 28 giây thì áp suất giảm mạnh hơn – đường đồ thị áp suất dốc hơn đoạn trước đó. Thứ ba,
từ giây thứ 28 tới khi kết thúc thời gian khảo sát (35 giây) áp suất vẫn giảm nhưng không còn giảm
nhanh như trước đó nữa, đường đồ thị đỡ dốc hơn. Ngoài ra, đường đồ thị áp suất của luận văn
Hình 3.3 không hoàn toàn trơn và có sai lệch không đáng kể so với đường đồ thị áp suất của NRC
Hình 3.4 vì trong luận văn chỉ mô phỏng được riêng bình điều áp mà chưa mô phỏng được các
thành phần khác của nhà máy. Luận văn xem các thông số liên quan tới các thành phần khác là điều
kiện biên và các điều kiện biên được lựa chọn theo Bảng 3.2.
Bảng 3.11 Lựa chọn điều kiện biên (lối vào chân nóng)
Thời gian (s)

Nhiệt độ (K)

Áp suất (MPa)

0

617

15,61

23

604

13,11

28

580

10,79

32

570

10,22

35

560

9,64

21

Tuy đó, ta cũng thấy có sự sai khác nhau trong kết quả tính toán của luận văn hình 3.4 và
của U.S NRC hình 3.5. Đầu tiên là đơn vị tính toán thang đo áp suất trong luận văn là Pascal (Pa)
còn trong U.S NRC là psia với cách chuyển đổi 1 psia = 6895 Pa. Tại thời điểm 0 giây, áp suất theo
tính toán của luận văn là 15,61 MPa còn theo US.NRC là khoảng 2250 psia, trong khi 2250 psia =
15,51 MPa, ta thấy có sai số cỡ 0,1 MPa. Tại các thời điểm sau đó, sau khi chuyển đổi ta cũng thấy
có sai số nhỏ giữa tính toán của luận văn và của U.S NRC. Sai số này là do điều kiện ban đầu, điều
kiện biên và phần mềm tính trong luận văn và U.S NRC.

Hình 3.12 Nhiệt độ hơi nước và nước trong bình điều áp

22


KẾT LUẬN
Luận văn đã mô phỏng thành công bình điều áp lò AP1000 bằng chương trình tính toán
thủy nhiệt RELAP5 tại trạng thái dừng và trạng thái chuyển tiếp khi xảy ra sự cố vô ý mở van an
toàn.
Luận văn đã thực hiện được các tính toán liên quan đến áp suất, nhiệt độ của bình điều áp
trong trạng thái dừng và chuyển tiếp.
Kết quả tính toán cho thấy, dữ liệu đầu vào của bình điều áp là phù hợp với kết quả của
những nghiên cứu trước đó, có thể sử dụng làm cơ sở để hoàn thiện xây dựng dữ liệu đầu vào cho
toàn bộ lò AP1000 và thực hiện các phân tích an toàn khác.
Kiến nghị: Tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện mô phỏng toàn bộ lò AP1000, để có thể hỗ
trợ công tác thẩm định an toàn nếu công nghệ AP1000 được chính thức đề xuất cho dự án điện hạt
nhân Ninh Thuận 2.

23

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.

24