Nghiên cứu điều khiển công suất lò phản ứng VVER

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn là kết quả nghiên cứu của riêng tôi, không sao chép
của ai. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa được ai công
bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nội dung luận văn có tham khảo và sử dụng
các tài liệu ở danh mục tài liệu tham khảo.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2015

Học viên thực hiện

Trịnh Duy Anh


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN
MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH
DANH MỤC BẢNG
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LÕ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER – 1000 ..2
1.1. Tổng quan về tình hình phát triển lò phản ứng hạt nhân .....................................2
1.1.1. Vai trò của năng lượng hạt nhân trong thế giới hiện đại...................................2
1.1.2. Lịch sử phát triển lò phản ứng hạt nhân ............................................................5
1.2. Nguyên lý hoạt động của lò VVER1000 .............................................................8
1.3. Một số đặc trưng của lò VVER1000 ..................................................................11
1.3.1. Hệ thống tải nhiệt lò của lò phản ứng .............................................................11

1.3.2. Lò phản ứng ....................................................................................................11
1.4. Hệ thống điều khiển công suất lò VVER – 1000 ...............................................18
1.5. Kết luận ..............................................................................................................21
CHƢƠNG 2: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT LÕ
PHẢN ỨNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ ĐỂ NÂNG/HẠ BÓ
THANH ĐIỀU KHIỂN ...........................................................................................22
2.1. Giới thiệu động cơ không đồng bộ ba pha .........................................................22
2.1.1. Tổng quát ........................................................................................................22
2.1.2. Phương trình đặc tính cơ của động cơ không đồng bộ ...................................23
2.1.3. Mô hình động cơ không đồng bộ trong không gian vector. ............................25
2.2. Các phương pháp điều khiển động cơ không đồng bộ .......................................28
2.2.1. Điều khiển tựa từ thông – FOC .......................................................................29
2.2.2. Điều khiển trực tiếp momen – DTC ................................................................32
2.3. Xây dựng hệ thống điều khiển DTC cho động cơ không đồng bộ ....................37
2.3.1. Ước lượng từ thông stator và momen .............................................................37
2.3.2. Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh tốc độ ..........................................................38
2.4. Xây dựng hệ thống điều khiển công suất lò phản ứng hạt nhân ........................41


2.4.1. Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí ............................................................41
2.4.2. Tổng hợp mạch vòng công suất ......................................................................42
2.5. Mô hình mô phỏng vòng điều khiển công suất nhà máy điện nguyên tử ..........43
2.5.1. Mô hình mô phỏng ..........................................................................................43
2.5.2. Kết quả mô phỏng ...........................................................................................45
2.6. Kết luận ..............................................................................................................46
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHO HỆ THỐNG ĐIỀU
KHIỂN CÔNG SUẤT LÕ VVER1000..................................................................47
3.1. Tổng quan về logic mờ.......................................................................................47
3.1.1. Khái niệm về tập mờ .......................................................................................47
3.1.2. Các phép toán trên tập mờ...............................................................................50

3.1.3. Biến ngôn ngữ và các giá trị của nó ................................................................53
3.1.4. Luật hợp thành mờ ..........................................................................................53
3.1.5. Giải mờ ............................................................................................................60
3.2. Bộ điều khiển mờ động ......................................................................................62
3.2.1. Bộ điều khiển mờ theo luật I ...........................................................................62
3.2.2. Bộ điều khiển mờ theo luật PD .......................................................................63
3.2.3. Bộ điều khiển mờ theo luật PI.........................................................................63
3.3. Bộ điều khiển mờ điều khiển tốc độ động cơ không đồng bộ ...........................64
3.3.1. Xây dựng bộ điều khiển FLC cho cấu trúc DTC ............................................65
3.3.2. Mô phỏng hệ thống hệ thống điều khiển nhà máy điện hạt nhân với bộ điều
khiển FLC ..................................................................................................................67
3.4. Kết luận ..............................................................................................................69
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................71


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Sản lượng điện thế giới năm 2008 ..............................................................3
Hình 1.2.Sơ đồ giản lược về nguyên lý chuyển hóa năng lượng của .........................8
lò VVER-1000 ............................................................................................................8
Hình 1.3. Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng VVER-1000.............................................11
Hình 1.4. Sơ đồ thiết kế lò VVER-1000 ...................................................................12
Hình 1.5. Cấu tạo vùng hoạt của lò VVER-1000......................................................13
Hình 1.6. Cấu trúc bó nhiên liệu lò VVER-1000 .....................................................14
Hình 1.7. Hệ thống thanh điều khiển được đặt trên nắp lò .......................................15
Hình 1.8. Cấu tạo bình sinh hơi của lò VVER-1000 ................................................17
Hình 1.9. Vị trí thanh điều khiển trong lò phản ứng .................................................19
Hình 1.10. Vòng điều khiển công suất lò phản ứng ..................................................20
Hình 2.1. Động cơ không đồng bộ. a) Rotor lồng sóc, b) Rotor dây quấn ...............22
Hình 2.2. Sơ đồ thay thế động cơ không đồng bộ .....................................................23

Hình 2.3. Đặc tính cơ động cơ không đồng bộ .........................................................25
Hình 2.4. Đặc tính cơ ĐC KĐB khi điều chỉnh tần số ..............................................29
Hình 2.5. Sơ đồ vector của động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ     và hệ
trục tọa độ (d –q) .......................................................................................................30
Hình 2.6. Mô hình động cơ không đồng bộ trên hệ trục tọa độ quay (d – q) rotor ...31
Hình 2.7. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển tựa từ thông - FOC ...................32
Hình 2.8. Sơ đồ thay đổi góc tải ................................................................................33
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý phương pháp điều khiển trực tiếp momen DTC ............34
Hình 2.10. Bộ điều khiển băng trễ. a) Hai mức; b) Ba mức .....................................34
Hình 2.11. Các sector trong phương pháp DTC .......................................................35
Hình 2.12. Sự thay đổi của vector từ thông theo vector điện áp ...............................36
Hình 2.13. Quỹ đạo từ thông stator. ..........................................................................36
Hình 2.14. Sơ đồ DTC với vòng điều khiển tốc độ bên ngoài ..................................39
Hình 2.15. Vòng điều chỉnh tốc độ ...........................................................................39
Hình 2.16. Mô hình điều khiển công suất lò phản ứng hạt nhân ..............................41
Hình 2.18. Vòng điều khiển công suất ......................................................................42
Hình 2.19. Mô hình hệ thống điều khiển công suất lò phản ứng hạt nhân ...............43


Hình 2.20. Khối ước lượng momen, từ thông và xác định vị trí sector ....................44
Hình 2.22. Khối chuyển đổi tọa độ abc  αβ...........................................................44
Hình 2.23. Cấu trúc bộ nghịch lưu ............................................................................45
Hình 2.24. Đáp ứng công suất lò phản ứng hạt nhân ................................................45
Hình 2.25. Đáp ứng vị trí ..........................................................................................46
Hình 2.26. Đáp ứng tốc độ ........................................................................................46
Hình 3.1. Miền tin cậy và miền xác định của tập mờ ...............................................48
Hình 3.2. Hàm liên thuộc hình tam giác ...................................................................49
Hình 3.3. Hàm liên thuộc dạng hình thang ...............................................................50
Hình 3.4. Hàm liên thuộc Gauss ...............................................................................50
Hình 3.5. Phương pháp giải mờ cực đại....................................................................60

Hình 3.6. Phương pháp giải mờ điểm trọng tâm .......................................................61
Hình 3.7. Hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ theo luật I ......................63
Hình 3.8. Hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ theo luật PD ..................63
Hình 3.9. Hệ thống điều khiển sử dụng bộ điều khiển mờ theo luật PI ....................64
Hình 3.10. Hệ thống điều khiển công suất nhà máy điện hạt nhân sử dụng bộ điều
khiển FLC ..................................................................................................................64
Hình 3.11. Các hàm liên thuộc của biến đầu vào sai lệch E .....................................65
Hình 3.12. Các hàm liên thuộc của biến đầu vào vi phân sai lệch DE .....................65
Hình 3.13. Hàm liên thuộc của biến đầu ra CONTROL ...........................................66
Hình 3.14. Mô phỏng luật hợp thành và giải mờ trong Matlab/Simulink ................67
Hình 3.15. Cấu trúc điều khiển DTC sử dụng bộ điều khiển FLC ...........................68
Hình 3.16. Bộ điều khiển tốc độ FLC .......................................................................68
Hình 3.17. Đáp ứng công suất lò phản ứng khi sử dụng bộ điều khiển PI và bộ điều
khiển FLC khi momen tải không đổi ........................................................................68
Hình 3.18. Đáp ứng công suất lò phản ứng khi sử dụng bộ điều khiển PI và bộ điều
khiển FLC khi momen tải thay đổi ...........................................................................69


DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1. Số lượng phân bố các nhà máy điện nguyên tử trên thế giới .....................4
Bảng 1.2. Thống kê số lượng và chủng loại các loại lò xây dựng trên thế giới..........7
Bảng 1.3. Thông số lò phản ứng VVER1000 .............................................................9
Bảng 2.1. Bảng lựa chọn vector điện áp ...................................................................37
Bảng 3.1. Ký hiệu hàm liên thuộc đầu vào sai lệch ..................................................65
Bảng 3.2. Luật hợp thành ..........................................................................................66


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

ABWR

Advanced Boiling Water Reactor

VVER

Voda-Vodyanoi Energrtichesky Reaktor

PWR

Pressurized Water Reactor

BWR

Boiled Water Reactor

ĐC KĐB

Động cơ không đồng bộ ba pha

DTC

Direct Torque Control

PID

Proportional Integral Derivative

FLC

Fuzzzy Logic Control


LỜI MỞ ĐẦU
Năng lượng điện hạt nhân đang đóng vai trò quan trọng trong nguồn cung cấp
năng lượng cho nhân loại. Cũng giống như nhà máy thủy điện, nhà máy nhiệt điện
việc điều khiển công suất cho nhà máy điện hạt nhân sinh ra đóng một vai trò quan
trọng. Công suất lò phản ứng được điều khiển thông qua hai phương pháp: bằng
cách nâng hạ các bó thanh điều khiển bên trong lò phản ứng hoặc thay đổi lưu
lượng nước chảy qua tâm lò. Luận văn đi nghiên cứu sử dụng động cơ không đồng
bộ rotor lồng sóc để nâng hạ các bó thanh điều khiển để điều chỉnh công suất lò.
Luận văn được chia làm 3 chương:
Chương 1: Tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER1000.
Chương 2: Xây dựng hệ thống điều khiển công suất lò phản ứng sử dụng
động cơ không đồng bộ để nâng/hạ bó thanh điều khiển.
Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển mờ cho hệ thống điều khiển công suất lò
VVER1000.
Để hoàn thành luận văn này em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy
giáo TS. Nguyễn Huy Phương đã tận tình hướng dẫn và đưa ra các ý kiến quý báu
để em hoàn thành luận văn này.
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2015

Học viên thực hiện

Trịnh Duy Anh

1


CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ LÕ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER – 1000
Điện năng thông thường được sản xuất bằng các nhà máy thủy điện hoặc
nhiệt điện. Nhà máy thủy điện sử dụng thủy năng làm quay tuabin để kéo máy phát
quay, nhà máy thủy điện có công suất phụ thuộc nhiều vào lượng nước hàng năm
được tích vào hồ chứa. Nhà máy nhiệt điện sử dụng các nhiên liệu hóa thạch sinh ra
nhiệt năng làm nước bốc hơi, sử dụng hơi nước để làm quay tuabin, nhà máy nhiệt
điện đòi hỏi một lượng nhiên liệu hóa thạch lớn để hoạt động và thường gây ô
nhiễm môi trường. Nhà máy điện hạt nhân là giải pháp quan trọng để khắc phục
nhược điểm của các nhà máy nhiệt điện cũng như thủy điện. Chỉ bằng một lượng
nhỏ nhiên liệu hạt nhân, nhà máy điện hạt nhân có thể sản xuất ra một năng lượng
điện rất lớn. Trong chương này luận văn đi nghiên cứu lịch sử phát triển của các thế
hệ lò phản ứng hạt nhân và cấu trúc, nguyên lý hoạt động lò phản ứng hạt nhân
VVER1000.
1.1. Tổng quan về tình hình phát triển lò phản ứng hạt nhân
1.1.1. Vai trò của năng lƣợng hạt nhân trong thế giới hiện đại
Các nhà khoa học dự báo, trong thế kỷ 21 con người chưa cần lo lắng về việc
cạn kiệt các nguồn năng lượng hóa thạch. Trữ lượng dầu mỏ của thế giới còn
khoảng 140 tỷ tấn, trữ lượng than đá khoảng 15000 tỷ tấn và trữ lượng khí đốt còn
khoảng 600000 m3 . Nhưng các tác hại đến môi trường do việc sử dụng các nguồn
năng lượng hóa thạch đang là một vấn đề toàn cầu. Sản phẩm của quá trình đốt cháy
các nhiên liệu có nguồn gốc hữu cơ được thải trực tiếp vào bầu khí quyển. Trong số
đó có nhiều chất thải tồn tại dưới dạng khí, quan trọng nhất là CO 2. Mỗi năm các
chất thải từ nhiên liệu hóa thạch đã đưa thêm 25 tỉ tấn CO2 vào khí quyển. Các nhà
khoa học thừa nhận, việc gia tăng khí CO2 là nguyên nhân trực tiếp gây lên hiện
tượng nóng lên của trái đất
Các nước đang phát triển với gánh nặng dân số và phát triển kinh tế, nên có

nhu cầu sử dụng điện năng rất lớn. Hơn nữa, một yếu tố quan trọng là các nguồn
năng lượng này phải rẻ tiền và không phụ thuộc quá nhiều vào các nước giàu tài
nguyên năng lượng.
Với nhưng lý do trên, đòi hỏi tìm ra một nguồn năng lượng mới thay thế các
nguồn năng lượng hóa thạch là một yêu cầu cần thiết. Con người cần đưa vào sử
2


dụng gấp những công nghệ năng lượng mới, tạo ra ít khí thaỉ như năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, địa nhiệt,…Nhưng thực tế nghiên cứu cho thấy, khả năng thay
thế các nguồn năng lượng này trong thời gian tới còn rất hạn chế.
Giống như các nguồn năng lượng thay thế đang hướng tới, năng lượng hạt
nhân cũng không tạo ra các khí thải tác động đến khí hậu trái đất, và hiện tại là giải
pháp duy nhất đáp ứng một cách ổn định nhu cầu năng lượng khổng lồ của con
người.
Hiện nay, có khoảng 430 lò phản ứng hạt nhân thương mại đang hoạt động ở
31 nước với công suất trên 370000MW. Khoảng 70 lò phản ứng hạt nhân đang
được xây dựng. Các nhà máy điện hạt nhân cung cấp hơn 13.4% sản lượng điện
năng của thế giới một cách liên tục , không gây phát thải khí CO2.

Hình 1.1. Sản lƣợng điện thế giới năm 2008
Có 16 nước phụ thuộc vào năng lượng hạt nhân để sản xuất ít nhất một phần
tư sản lượng điện của đất nước. Pháp sản xuất khoảng ba phần tư điện năng từ năng
lượng hạt nhân, Bỉ, Cộng hòa Czech, Hungary, Slovakia, Thụy Điển, Thụy Sỹ,
Slovenia và Ukraina sản xuất trên một phần ba. Hàn Quốc, Bungari và Phần Lan
thường có trên 30% điện năng từ năng lượng hạt nhân; Hoa Kỳ, Anh, Tây Ban Nha
và Liên Bang Nga có gần một phần năm điện năng từ năng lượng hạt nhân. Nhật
Bản từng dựa vào năng lượng hạt nhân với hơn một phần tư sản lượng điện và dự
kiến sẽ quay trở lại mức đó.

3


Bảng 1.1. Số lƣợng phân bố các nhà máy điện nguyên tử trên thế giới

4


1.1.2. Lịch sử phát triển lò phản ứng hạt nhân
Lịch sử phát triển của ngành năng lượng hạt nhân được mở đầu từ năm 1895,
khi Ronghen phát hiện ra tia X. Những phát minh lien tiếp của các nhà khoa học
như Becquerel,Thompson,Albert Einstrin …. Đặt nền móng cho ngành công nghiệp
năng lượng hạt nhân sau này. Nhưng chỉ sau ngày 27/6/1954, khi nhà máy điện hạt
nhân đầu tiên trên thế giới công suất 5 MW ở Obninck (ở Liên Xô cũ ) mới thực sự
mở đầu cho thời kì sử dụng năng lượng hạt nhân vì mục đích hòa bình.
Vào thập liên 50 của thế kỉ trước với sự phát triển của thành tựu khoa học kĩ
thuật trong lĩnh vực vật lí hạt nhân, lớp phản ứng hạt nhân đầu tiên thế hệ I ra đời
với tên là Magnox do 3 nhà Vật lí người Anh là TS.Ion, TS.Khalil, TS. Mag Wood
sang chế và tung ra thị trường .Các thế hệ lò phản ứng được phát triển trên thế giới
là
a. Lò phản ứng thế hệ I (1950 – 1960)
Các lò phản ứng thế hệ thứ nhất được xây dựng vào những năm 1955-1965,
tập trung chủ yếu ở Hoa Kỳ, Liên Xô, Nhật Bản, Thụy Điển và Vương quốc Anh.
Các lò thuộc thế hệ này bắt nguồn từ những mẫu thiết kế ban đầu được phát triển để
sử dụng trên tàu biển cuối những năm 1940. Thiết kế ban đầu có công suất khoảng
5.000 KW. Bao gồm những nguyên mẫu ban đầu lò phản ứng hạt nhân từ những
năm 1950 và 1960, ví dụ như Shippingport, Dresden-1, Magnox và Calder Hall-1 ở
Vương quốc Anh.
b. Lò phản ứng thế hệ II
Bắt đầu vận hành vào những năm 1970 và bao gồm phần lớn trong số trên

400 lò phản ứng vận hành thương mại kiểu nước dưới áp lực (PWR) và kiểu nước
sôi (BWR). Các lò phản ứng này, thường được gọi là lò phản ứng nước nhẹ (LWR),
sử dụng các phương pháp an toàn “chủ động” truyền thống bao gồm các tác động
điện hoặc cơ khí thực hiện theo lệnh. Một số hệ thống theo thiết kế còn vận hành
kiểu thụ động (VD: sử dụng van giảm áp) và làm việc không cần đến người điều
khiển hoặc mất nguồn điện tự dùng. Gồm các kiểu lò PWR (Pressurized Water
Reactor – lò phản ứng áp lực) và BWR (Boiled Water Reactor – lò phản ứng nước
sôi) của châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật; WER và RBMK (của Nga); Candu nước nặng (của
Canada, Ấn Độ), HTGR (High Temperature Helium Gas), LMFR (Liquid metal
cooled reactor).
 Lò nƣớc sôi:
Chỉ duy trì có một hệ thống nước.Nước vừa hấp thụ nhiệt từ các phản ứng hạt
nhân trong lò để biến nước thành hơi nước và hơi nước với áp suất được dẫn thẳng
5


đến tuabin để quay máy phát điện. Trong loại lò phản ứng này, nước được truyền
qua lõi lò phản ứng, hoạt động như những dung dịch trung hòa và môi trường làm
nguội, là nguồn hơi nước để làm quay tuabin. Lò BWR hoạt động ở điều kiện áp
suất 70 atm, ở đó, nhiệt độ sôi của nước là 285oC. Môi trường nhiệt độ này làm
cho hiệu suất Carnot chỉ đạt được 42%, thực tế nguồn điện năng sinh ra chỉ có
khoảng 32%, thấp hơn so với loại lò nước dưới áp suất (PWR).
 Lò nƣớc áp suất:
Gồm hai hệ thống nước tách biệt và nước không pha trộn vào nhau. Hệ thống
chính có nhiệm vụ hấp thụ nhiệt từ các phản ứng trong lò dưới áp suất rất cao và
dòng nước nóng này được chảy qua hệ thống ống trong bình giải nhiệt.Tại đây,
nhiệt được hệ thống nước thứ hai nhận và biến nước thành hơi nước.Dưới áp suất
cao, dòng hơi nước này được dẫn vào tuabin để chạy máy phát điện.Lợi thế của loại
lò này là sự rò rỉ nhiên liên sẽ không xảy ra ở hệ thống chứa chạy vào tuabin và máy
nén.

c. Lò phản ứng thế hệ III và III+
Các lò chuyển tiếp thế hệ III được phát triển trong những năm 1990 với ưu
thế đặc thù là khả năng tự động cao hơn thế hệ II, công nghệ nhiên liệu được cải
tiến, năng suất nhiệt cao, thiết kế gọn hơn, độ an toàn cao hơn. Nó vận hành mà
không cần đòi hỏi sự can thiệp của người vận hành. Thêm vào đó, các thiết kế trọng
lực hoặc đối lưu tự nhiên nâng cao khả năng tự bảo vệ của chúng dưới tác động của
các sự cố đột ngột xảy ra mà vẫn cho hiệu suất điện cao hơn. Nhà máy điện hạt
nhân sử dụng lò phản ứng thế hệ III được xây dựng đầu tiên ở Nhật Bản. Phần Lan
là nước duy nhất ở EU đang xây dựng một nhà máy điện hạt nhân thế hệ III EPR,
mua của Pháp với giá ban đầu dự toán 2,5 tỷ Euro, sau đó, vì lý do an toàn phải
chấp nhận tăng giá lên 4 tỷ Euro và chậm tiến độ 3 năm. Ngoài ra, hiện chỉ có Điện
lực Pháp có dự kiến đặt mua một số lò thế hệ III EBR để thay thế các lò hết thời hạn
vận hành vào khoảng các năm 2017-2022.
Một số kiểu lò điển hình:
 Ap600
AP600 là một mô hình tương đối nhỏ, nhà máy điện hạt nhân công suất 600
MWe được thiết kế bởi Công ty Westinghouse Electric. AP600 này có các tính năng
an toàn thụ động đặc trưng như các thế hệ lò phản ứng III.
 ABWR (Advanced Boiling Water Reactor)
Là lò phản ứng thế hệ thứ ba dựa trên lò phản ứng nước sôi, khởi đầu do
General Electric (GE) thiết kế. Thiết kế chuẩn của nhà máy sử dụng lò ABWR có

6


công suất khoảng 1.350 MW điện. Các bơm tuần hoàn bên trong bể áp suất lò phản
ứng (RPV) là một cải tiến quan trọng so với các thiết kế nhà máy lò phản ứng GE
trước đó, thay thế toàn bộ hệ thống bơm phun nằm ngoài có khả năng rò rỉ. Các lò
phản ứng đầu tiên ứng dụng công nghệ bơm tuần hoàn trong do ASEA-Atom thiết
kế (giờ đây do Toshiba sở hữu) và xây dựng ở Thuỵ Điển. Nhờ loại bỏ hệ thống

bơm ngoài, nhà máy đạt hiệu suất cao hơn, tiết giảm chi phí và an toàn hơn.
Bảng 1.2. Thống kê số lƣợng và chủng loại các loại lò xây dựng trên thế giới

7


1.2. Nguyên lý hoạt động của lò VVER1000
Sơ đồ giản lƣợc về nguyên lý chuyển hóa năng lƣợng của lò VVER1000

Hình 1.2.Sơ đồ giản lƣợc về nguyên lý chuyển hóa năng lƣợng của
lò VVER-1000
Nguyên lý hoạt động của toàn bộ nhà máy đƣợc trình bày nhƣ sau:
Nhiệt được sinh ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân trong nhiên liệu và được
lấy đi bởi chất tải nhiệt. Sau khi đi ra khỏi vùng hoạt, chất tải nhiệt được truyền đi
dọc theo các bộ phận của vòng tải nhiệt sơ cấp (vòng tuần hoàn thứ nhất) đến các
bình sinh hơi và trao đổi nhiệt với nước trong bình sinh hơi để tạo thành hơi. Phần
lớn hơi được truyền đến tuabin làm quay tuabin phát điện, còn một phần nhỏ được
trích ra để gia nhiệt cho nước cấp vào thùng lò. Sau bình sinh hơi, chất tải nhiệt
được truyền qua các bộ phận của vòng tải nhiệt thứ cấp rồi được bơm trở lại thùng
lò bởi các bơm tải nhiệt gắn trên các bộ phận của vòng tải nhiệt thứ cấp. Sau khi hơi
qua tuabin làm quay tuabin, hơi sẽ đi đến bình ngưng và được ngưng tụ lại. Từ bình
ngưng, nước được truyền theo các bộ phận vòng tải nhiệt thứ cấp (hay vòng tuần
hoàn thứ 2) rồi được bơm trở lại bình sinh hơi.
Lò VVER-1000 có bốn nhánh tuần hoàn trong vòng tải nhiệt sơ cấp, trên mỗi
nhánh có lắp 1 bơm tuần hoàn chính (hay còn gọi là bơm tải nhiệt).
Thông số lò phản ứng VVER1000 được đưa ra ở bảng 1.3.

8

Bảng 1.3. Thông số lò phản ứng VVER1000
Thông số

Giá trị
Công suất nhiệt
3000 MWt
Công suất nhiệt, giới hạn cho phép (có tính đến độ không chính xác 3210 MWt
của phép đo, giới hạn điều chỉnh, các thiết bị bảo vệ, sai số động)
Công suất điện
1000 MW
Áp suất chất tải nhiệt ở đầu ra của lò phản ứng
160 kg/cm2
Số lượng bó nhiên liệu trong vùng hoạt lò phản ứng
16361
thanh
Lưu lượng chất tải nhiệt qua lò phản ứng khi 4 bơm tuần hoàn chính 84800 m3/h
hoạt động
Tốc độ chất tải nhiệt vòng sơ cấp:
 Giữa các bó nhiên liệu
5,6 m/s
 Trong các đường ống của lò
10 m/s
Thời gian trung bình chất tải nhiệt chảy qua tâm lò phản ứng khi 4
bơm tuần hoàn chính hoạt động
4s
Tăng nhiệt trung bình của chất tải nhiệt qua tâm lò phản ứng khi 4
bơm tuần hoàn chính hoạt động
30°C
Rò nhiệt từ vỏ lò phản ứng và các thùng chứa bó thanh điều khiển 700 KWt
trong trạng thái nóng

Chênh lệch nhiệt độ cực đại trong vòng sơ cấp khi 4 bơm tuần hoàn 30,5°C
chính cùng hoạt động
Cường độ năng lượng thể tích trung bình của vùng hoạt
115 KW/lít
Số lượng kênh đo mức thoát năng lượng trong lò phản ứng
64 kênh
Số lượng kênh đo nhiệt độ trong lò phản ứng
98 kênh
Tốc độ dịch chuyển các bó thanh điều khiển trong chế độ điều khiển 2 cm/s
Đường kính vỏ ngoài của lò phản ứng
4535 mm
Chiều cao lò phản ứng đã lắp ráp
19137 mm
Thể tích vòng sơ cấp
300 m3
Thể tích vùng hoạt
29,2 m3
a. Vòng làm mát sơ cấp (primary cooling circuit)
Nước trong vòng sơ cấp được giữ dưới áp suất không đổi để tránh làm sôi
nước. Do nước có chức năng vận chuyển toàn bộ nhiệt từ vùng hoạt và bị chiếu xạ
nên tính toàn vẹn của vòng sơ cấp là điều cốt yếu nhất. Vòng sơ cấp gồm thùng lò
phản ứng và bốn vòng làm mát tuần hoàn Mỗi vòng tuần hoàn chứa các bơm chất
tải nhiệt, các đường ống tuần hoàn chính và bình sinh hơi. Bình điều áp được nối
với một trong bốn vòng tuần hoàn để duy trì áp suất của nước được qui định trong
hệ thống.
9


Thùng lò phản ứng: chứa vùng hoạt được lấp đầy các thanh nhiên liệu hình
lục lăng, các yếu tố cấu trúc để tổ chức cho dòng làm mát lưu thông bên trong thùng

lò và lắp đặt các thiết bị kiểm soát độ phản ứng.
Bơm chất tải nhiệt: đảm bảo sự lưu thông thích hợp của nước/chất tải nhiệt
trong hệ thống. Bơm chất tải nhiệt còn được gọi là bơm tuần hoàn
Các đường ống dẫn tuần hoàn: được nối với thùng lò bằng các ống vào và
ống ra Qua ống vào nước/chất tải nhiệt chảy giữa giếng lò và thành lò theo hướng
từ trên xuống đáy thùng lò sau đó theo hướng đi lên qua vùng hoạt để khử nhiệt tỏa
ra từ các thanh nhiên liệu và theo ống ra đi đến bình sinh hơi.
Bình sinh hơi: là bình hình trụ chứa hai hệ sơ cấp và thứ cấp. Trong bình sinh
hơi nhiệt từ nước trong ống dẫn của vòng sơ cấp được sử dụng để làm sôi nước
trong vòng thứ cấp.
Do nước/chất tải nhiệt bị chiếu xạ trong lò phản ứng nên vòng sơ cấp chứa
chất phóng xạ. Hệ thống vòng sơ cấp được bao bọc kín trong vỏ bằng bê tông có
ứng suất trước Trong trường hợp có sự điều áp lò và các đường ống khẩn cấp đột
ngột thì toàn bộ chất phóng xạ được khu trú bên trong vỏ bọc để ngăn chặn sự thất
thoát chất phóng xạ ra ngoài môi trường.
b. Vòng thứ cấp (secondary circuit)
Vòng thứ cấp không chứa chất phóng xạ và gồm bình sinh hơi (chung cho cả
hai hệ sơ cấp và thứ cấp). các đường ống hơi, các bộ đốt tách ẩm, tuốc bin hơi, máy
phát, các bộ gia nhiệt, bình ngưng tụ, bộ khử khí, bơm cấp.
Bình sinh hơi: Trong bình sinh hơi nước thứ cấp được làm sôi khi lấy nhiệt
của vòng sơ cấp bằng cách trao đổi nhiệt với ống dẫn nước nóng rồi hóa hơi. Hơi
bão hòa được dẫn đến tuốc bin hơi.
Bộ đốt tách ẩm: được bố trí trước tuabin hơi để tách lượng nước còn lại chưa
hóa hơi trong ống hơi nhằm tạo ra hơi khô trước khi được sử dụng cho tuabin.
Tuabin hơi: được điều khiển quay bằng hơi giãn nở và nối với một máy phát
điện. Tuabin được chia thành hai bộ phận áp suất cao và áp suất thấp. Để ngăn chặn
sự ngưng tụ (các giọt nước nhỏ với tốc độ cao gây hư hại các cánh tuabin), hơi được
gia nhiệt lại tại các bộ gia nhiệt giữa các bộ phận này.
Máy phát: sản xuất ra dòng điện.
Bình ngưng tụ: Sau khi làm tuabin quay hơi đi vào bình ngưng tụ. Tại bình

ngưng tụ hơi được làm lạnh bằng sự trao đổi nhiệt với ống dẫn nước lạnh và ngưng
tụ thành nước. Nước lại được đưa trở lại bình sinh hơi tạo thành vòng khép thứ cấp
10


khép kín. Đồng thời ống dẫn nước lạnh thu nhiệt của hơi được đưa đến tháp hoặc bể
làm mát của vòng làm mát.
Để tăng hiệu quả của quá trình, hơi từ tuốc bin được sử dụng để gia nhiệt cho
chất làm mát trước bộ khử khí và bình sinh hơi.
1.3. Một số đặc trƣng của lò VVER1000
1.3.1. Hệ thống tải nhiệt lò của lò phản ứng
Hệ thống tải nhiệt của lò phản ứng bao gồm lò phản ứng, 4 bình sinh hơi,
bình điều áp và 4 bơm tải nhiệt. Các thành phần này được nối với nhau bằng hệ
thống ống dẫn tạo ra một vòng tuần hoàn được gọi là vòng tải nhiệt sơ cấp.

Hình 1.3. Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng VVER-1000
1.3.2. Lò phản ứng
Lò phản ứng là thiết bị chính và quan trọng nhất trong toàn bộ hệ thống tải
nhiệt. Lò phản ứng gồm có thùng lò (các bộ phận bên trong thùng lò chủ yếu dùng
để lắp đặt các bó nhiên liệu, định hướng và chuyển dịch các bó thanh điều khiển),
và phía trên thùng lò là cơ cấu chuyển dịch các bó thanh điều khiển.
Lò phản ứng VVER-1000 có lối vào và lối ra của chất tải nhiệt đặt ở độ cao
khác nhau, lối vào ở dưới còn lối ra ở trên. Chất tải nhiệt (nước nhẹ đã được xử lý
hoá học và được pha thêm axít Boric) đi vào thùng lò qua các lối vào, qua vành
xuyến (annulus) giữa thùng lò và giỏ đỡ vùng hoạt, sau khi qua các lỗ khoan ở tấm
11


phẳng dưới đáy, chúng đi vào các bó nhiên liệu trong vùng hoạt. Tại vùng hoạt chất
tải nhiệt nhận nhiệt từ năng lượng sinh ra của phản ứng phân hạch hạt nhân trong

các bó nhiên liệu. Sau đó chất tải nhiệt đi qua các lỗ khoan ở tấm phẳng phía trên,
rồi qua lối ra để đi ra khỏi thùng lò đến chân nóng.

Hình 1.4. Sơ đồ thiết kế lò VVER-1000
1. Đỉnh lò; 2. Hệ thống an toàn và điều khiển; 3. Chốt đai; 4. Đường dẫn các thiết
bị đo bên trong lò; 5. Lớp đệm; 6. Thùng lò; 7. Các đường ống an toàn; 8. Hốc đai;
9. Vách ngăn; 10. Bó nhiên liệu; 11. Lớp giữ nhiệt; 12. Nắp thùng lò; 13. Thanh
điều khiển; 14. Các thanh nhiên liệu; 15. Các chốt hãm.
a. Thùng lò phản ứng.
Thùng lò là 1 thùng hình trụ chịu áp lực cao được tạo nên từ các vành thép đúc
liền được hàn lại với nhau. Gắn với thùng lò phía trên là hệ thống các thanh an toàn
và các thanh điều khiển. Xung quanh thùng lò có gắn các ống với các đường kính
khác nhau:
 8 đường ống với đường kính trong 850mm gắn trên 2 mức (4 ống trên mỗi
mức), các đường ống này được nối với 4 nhánh của vòng tải nhiệt sơ cấp.

12


 4 đường ống với đường kính trong 300mm gắn trên 2 mức (2 ống trên mỗi
mức), các đường ống này nối với 4 bình tích trữ nước của hệ thống ECCS
thụ động.
 9 đường ống có đường kính trong 250 mm cho các đường xung của hệ thống
điều khiển.
b. Vùng hoạt của lò phản ứng
Vùng hoạt lò phản ứng hạt nhân là nơi chứa nhiên liệu hạt nhân và xảy ra phản
ứng phân hạch. Vùng hoạt của lò VVER-1000 bao gồm các bó nhiên liệu có dạng
hình lục lăng không có vỏ bọc bên ngoài, chứa các thanh nhiên liệu được sắp xếp
theo mạng tam giác và các bó nhiên liệu cũng được sắp xếp trong vùng hoạt theo
mạng tam giác.

Hình 1.5. Cấu tạo vùng hoạt của lò VVER-1000
Vùng hoạt của lò VVER có 163 bó nhiên liệu, trong đó có 61 bó có thanh
điều khiển được chia thành 10 nhóm.
c. Hệ thống các thanh nhiên liệu
Thanh nhiên liệu dùng cho lò phản ứng VVER-1000 là một ống được nạp
các viên UO2, được lèn chặt bởi các chi tiết dạng vòng và hàn kín. Tổng chiều dài
của cột chứa viên trong thanh nhiên liệu là 3530mm. Tổng chiều dài của thanh
nhiên liệu là 3800mm cho nên cột tạo bởi các viên trong thanh nhiên liệu được định
vị bằng ống xẻ làm từ thép không gỉ và lò xo giúp điều hòa sự dịch chuyển do nhiệt
của thanh nhiên liệu.
Khi phản ứng dây chuyền phân hạch Urani xảy ra thì năng lượng nhiệt tỏa ra
trong toàn bộ thể tích của viên nhiên liệu với cường độ khoảng 450 W/cm3.
d. Bó nhiên liệu hạt nhân.
13


Trong các lò công suất với lượng nhiên liệu tới hàng chục tấn, hàng chục
nghìn thanh thì việc thay thế và đảo nhiên liệu khi lò làm việc dường như không
thực hiện được.Ngoài ra, cần phải giải quyết các vấn đề về cách bố trí và khả năng
hoạt động tin cậy của các hệ thống điều khiển. Do đó, để thuận lợi cho việc thay thế
và đảo liệu, đảm bảo cho các hệ thống điều khiển làm việc tin cậy thì một số thanh
nhiên liệu được tập hợp lại theo một kết cấu đặc biệt, gọi là bó nhiên liệu.
Bó nhiên liệu thường ở tư thế đứng.Khi vận chuyển, bó nhiên liệu có thể
nằm ngang nhưng phải được đặt trong contener, được kê vững và êm.
Phần chính của thanh nhiên liệu là một cụm các thanh nhiên liệu:
Mỗi bó nhiên liệu lò VVER-1000 gồm 312 thanh nhiên liệu được gắn
trêncác giá đỡ song song có dạng hình lục giác bằng thép không gỉ. Mỗi bó đều có
một ống dẫn trung tâm để đưa các thiết bị đo vào. Phần trụ phía dưới của các bó
nhiên liệu được giữ trong các hốc trên giá đỡ và phần trên được giữ bằng giá đệm.

Hình 1.6. Cấu trúc bó nhiên liệu lò VVER-1000
e. Hệ thống các bó thanh điều khiển
Hệ thống các bó thanh điều khiển được đặt phía trên hoặc phía dưới thùng lò
phản ứng. Với các lò VVER-1000 chúng được gắn vào nắp của thùng lò. Khi cần
điều chỉnh nhanh công suất của lò phản ứng hạt nhân, các bó thanh điều khiển được
hạ xuống hoặc nâng lên nằm xen kẽ với các thanh nhiên liệu. Chúng hút các neutron
tự do, làm giảm số lượng các phản ứng phân hạch, đồng nghĩa với việc công suất
của lò phản ứng hạt nhân giảm xuống.

14


Sở dĩ các bó thanh điều khiển có khả năng hấp thụ các neutron là do chúng
chứa các vật liệu có khả năng hấp thụ cao neutron là hợp kim Ag, In, Cd (ACI),
hoặc cacbure bore (B4C). Những vật liệu này được bọc trong các ống thép chống rỉ.
Một lò phản ứng hạt nhân có khoảng từ 48 đến 73 bó thanh điều khiển. Mỗi
bó lại được cấu tạo từ 24 thanh có chức năng hấp thụ neutron. Chúng được phân bố
đều trong tim của lò phản ứng.
Các bó thanh điều khiển được nâng lên hay hạ xuống để điều chỉnh một cách
hợp lý công suất của lò phản ứng. Tuy nhiên, trong trường hợp cần dừng lò khẩn
cấp, nguồn điện của các kích điều khiển sẽ bị cắt, các bó thanh điều khiển sẽ được
thả cho rơi tự do vào trong tim lò phản ứng, hấp thụ toàn bộ các neutron tự do và
làm dừng hẳn phản ứng phân hạch dây chuyền. Thời gian rơi tự do của các thanh là
khoảng 2 giây, tuy nhiên, các bó thanh điều khiển phát huy tác dụng ngay khi chúng
bắt đầu tiếp xúc với các thanh nhiên liệu.

Hình 1.7. Hệ thống thanh điều khiển đƣợc đặt trên nắp lò
Ngoài ra, tùy theo cơ chế hoạt động của các bó thanh điều khiển, người ta còn
phân chúng ra nhóm bó thanh điều khiển khác nhau :

 Nhóm một được nâng lên hoàn toàn trong điều kiện hoạt động bình thường,
gồm toàn các chùm loại đen, số lượng chùm được chọn sao cho khi cần thiết,
việc thả cho rơi tự do của nhóm sẽ có tác dụng dừng lò nhanh nhất.
 Nhóm hai điều khiểncông suất của lò trong điều kiện hoạt động bình thường,
gồm cả các chùm loại đen và các chùm loại xám
15


 Nhóm ba có chức năng điều hòa nhiệt độ trung bình của nước, chỉ gồm các
chùm loại xám.
Trong phản ứng phân hạch, hạt nhân hấp thụ neutron, tách ra và giải phóng
năng lượng. Đồng thời, nó cũng giải phóng ra các neutron khác. Số lượng các
neutron tăng lên nhanh chóng, đồng nghĩa với việc số lượng các phản ứng phân
hạch tăng lên. Nếu số lượng các phản ứng này không được kiểm soát, chúng
sẽ gây ra nổ lò phản ứng. Để kiểm soát công suất của lò phản ứng, người ta sử
dụng các bó thanh điều khiển được gắn bên trên lò phản ứng. Các bó thanh này,
khi được hạ xuống nằm xen kẽ với các cây nhiên liệu, có chức năng hấp
thụ các neutron, làm giảm số lượng của chúng. Trong điều kiện hoạt động bình
thường, bó thanh điều khiển được hạ xuống chỉ đủ để giữ cho số lượng neutron
không đổi, để duy trì phản ứng dây chuyền (tức là giữ cho công suất của lò không
đổi). Khi có sự cố cần dừng hẳn nhà máy, tất cả các bó thanh điều khiển sẽ được hạ
xuống. Nếu vì một lý do nào đó, các bó thanh điều khiển bị bật ra ngoài hoặc bị kẹt
không hạ xuống được, số lượng các phản ứng nhiệt hạch sẽ tăng lên nhanh
chóng theo cấp số nhân chỉ trong khoảng vài phần nghìn giây. Nhiệt độ trong
lò tăng cao. Tuy nhiên, khi nhiệt độ trong lò phản ứng tăng lên nhanh, các hạt
uranium bị dao động mạnh dẫn đến giảm khả năng hấp thụ neutron, công suất trong
lò phản ứng vì vậy mà tự giảm đi. Hiện tượng này, được gọi là hiệu ứng Doppler, có
tác dụng làm cân bằng công suất của lò phản ứng và làm giảm nguy cơ nổ.
f. Bình sinh hơi.
Bình sinh hơi là một thiết bị trao đổi nhiệt, nước trong bình sinh hơi trao đổi

nhiệt với các ống dẫn nước nóng từ thùng lò để tạo thành hơi.Bình sinh hơi lò
VVER-1000 được thiết kế nằm ngang.Một số ưu điểm và nhược điểm chính của
bình sinh hơi lò VVER-1000:
 Ƣu điểm:
- Phần thể tích chứa nước lớn – tham gia vào quá trình làm nguội tâm lò khẩn
cấp khi có sự cố.
-

Diện tích tách hơi lớn – Dễ dàng đạt được hơi có độ ẩm thấp.

-

Có ít chất đóng cặn ở đầu thu (collector).

 Nhƣợc điểm:Chiếm diện tích lớn trong nhà lò.

16


Hình 1.8. Cấu tạo bình sinh hơi của lò VVER-1000

g. Hệ thống điều áp.
Mục đích chính của hệ thống điều áp là điều hòa áp suất trong lò phản
ứng.Hệ thống điều áp có nhiệm vụ:
 Điều hòa áp suất vòng tải nhiệt sơ cấp trong suốt trạng thái ổn định và trạng
thái chuyển tiếp.
 Bảo vệ các thiết bị trong vòng tải nhiệt sơ cấp trong trường hợp quá áp.
 Tăng áp suất vòng tải nhiệt sơ cấp trong thời gian khởi động lò.
 Giảm áp suất vòng tải nhiệt sơ cấp trong thời gian dập lò.
Hệ thống điều áp gồm có các thiết bị sau:

 Bình điều áp
17


 Thùng xả áp.
 Đường trút hơi với các van xung an toàn và các van xả.
 Đường trút hỗn hợp hơi – nước từ bình điều áp đến thùng xả áp.
 Hệ thống phun nước nguội nối từ chân nguội của vòng tải nhiệt sơ cấp.
 Đường nối từ bình điều áp đến chân nóng của vòng tải nhiệt sơ cấp.
h. Hệ thống điều khiển và bảo vệ lò phản ứng
Việc điều chỉnh công suất lò và điều khiển phản ứng phân hạch dây truyền
được thực hiện bởi 2 hệ thống điều chỉnh độ phản ứng, dựa trên 2 nguyên lý khác
nhau, đó là:
 Đưa chất hấp thụ rắn vào – Hệ thống các thanh điều khiển (Hệ thống điều
khiển và bảo vệ ).
 Bơm chất hấp thụ lỏng vào – Hệ thống điều chỉnh nồng độ Boron.
Việc điều chỉnh độ phản ứng dựa trên sự thay đổi vị trí của các thanh điều
khiển và thay đổi nồng độ Boron trong chất tải nhiệt vòng tải nhiệt sơ cấp.
Hệ thống điều khiển và bảo vệ gồm các thành phần sau đây:
 Hệ thống các bó thanh điều khiển.
 Hệ thống kiểm tra thông lượng nơtron.
 Hệ thống bảo vệ khẩn cấp.
 Hệ thống bảo vệ dự phòng.
 Hệ thống điều khiển từng bó thanh điều khiển hoặc cả nhóm bó thanh điều
khiển.
i. Hệ thống an toàn
Các hệ thống an toàn của lò VVER-1000 gồm các hệ thống đặc biệt luôn ở
trạng thái sẵn sàng hoạt động, gồm:
 Hệ thống làm nguội vùng hoạt khẩn cấp (ECCS).
 Hệ thống bảo vệ vòng tải nhiệt sơ cấp trong trường hợp quá áp.

 Hệ thống bảo vệ vòng tải nhiệt thứ cấp trong trường hợp quá áp.
1.4. Hệ thống điều khiển công suất lò VVER – 1000

18