Khảo sát sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi của lò PWR bằng PCTRAN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-------- -------

THÁI THỊ THỦY TIÊN

KHẢO SÁT SỰ CỐ MẤT CHẤT TẢI NHIỆT Ở CHÂN
NÓNG, CHÂN LẠNH, SỰ CỐ VỠ ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT
BÌNH SINH HƠI BẰNG PHẦN MỀM PCTRAN PWR
PHIÊN BẢN 4.0.8

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

------------------TP. Hồ Chí Minh – 2015


LỜI CẢM ƠN
  

Trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự
quan tâm, giúp đỡ vô cùng quý giá của nhiều người.
Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô đã hết lòng dạy
dỗ, truyền đạt những kiến thức vô cùng quý báo trong suốt thời gian qua.
Xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến TS. Lê Bảo Trân. Cô đã hướng dẫn tận
tình, góp ý, hỗ trợ, truyền đạt những kinh nghiệm quý giá trong quá trình nghiên
cứu và tạo mọi điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành luận văn này.
Xin cảm ơn hội đồng bảo vệ đã dành thời gian đọc và góp ý luận văn.
Xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ tôi trong thời gian
học tập.
Mặc dù bản thân đã rất cố gắng nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi

những thiếu sót. Rất mong nhận được những ý kiến đóng góp, bổ sung của quý thầy
cô để giúp luận văn hoàn thiện hơn.

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 09 năm 2015
Thái Thị Thủy Tiên

i


MỤC LỤC
--------------  --------------

Trang
TRANG PHỤ BÌA ........................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................i
MỤC LỤC .........................................................................................................................i
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ........................................................................iv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ..................................................................................vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ...................................................................................... viii
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
Chương -1. TỔNG QUAN VÀ CẤU TẠO LÒ ............................................................... 4
1.1. Tình hình năng lượng điện hạt nhân trên thế giới và ở Việt Nam ........................ 4
1.1.1. Trên thế giới.................................................................................................... 4
1.1.2. Ở Việt Nam ..................................................................................................... 6
1.2. Lò phản ứng nước áp lực ....................................................................................... 7
1.2.1. Lịch sử phát triển của lò phản ứng nước áp lực ............................................. 7
1.2.2. Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng nước áp lực PWR ............................. 8
1.2.3. Cấu trúc nhà máy điện hạt nhân sử dụng loại lò PWR ................................... 9
Chương - 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT ................................................................................ 20
2.1. Vật lý lò phản ứng hạt nhân ................................................................................ 20

2.1.1. Neutron trong lò phản ứng ............................................................................ 20
2.1.2. Tán xạ và hấp thụ neutron ............................................................................ 20
2.1.3. Phản ứng phân hạch hạt nhân ....................................................................... 21

ii


2.1.4. Phản ứng dây chuyền .................................................................................... 26
2.2. Cơ sở vật lý trong điều khiển lò phản ứng .......................................................... 28
2.2.1. Động học lò phản ứng................................................................................... 28
2.2.2. Độ phản ứng.................................................................................................. 29
2.2.3. Hiệu ứng công suất của độ phản ứng............................................................ 30
2.2.4. Sự thay đổi của độ phản ứng do ảnh hưởng của nhiệt độ và khoảng rỗng ... 31
2.4.5. Nhiễm độc của 135Xe..................................................................................... 36
Chương - 3. PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PCTRAN PWR PHIÊN BẢN 4.0.8 .............. 40
3.1. Giới thiệu phần mềm PCTRAN phiên bản 4.0.8 ................................................ 40
3.2. Lò phản ứng nước áp lực hai vòng trong phần mềm PCTRAN PWR 4.0.8 ....... 41
3.2.1. Giao diện phần mềm PCTRAN PWR phiên bản 4.0.8 ................................. 41
3.2.2. Các thao tác sử dụng phần mềm ................................................................... 44
Chương - 4. KHẢO SÁT SỰ CỐ LÒ PWR 2 VÒNG BẰNG PHẦN MỀM
PCTRAN ........................................................................................................................ 48
4.1. Sự cố mất chất tải nhiệt ở chân nóng, chân lạnh ................................................. 48
4.1.1. Mô tả sự cố ................................................................................................... 48
4.1.2. Thiết lập điều khiển mô phỏng ..................................................................... 50
4.1.3. Phân tích kết quả mô phỏng trong sự cố mất chất tải nhiệt ở chân nóng,
chân lạnh ................................................................................................................. 51
4.1.4. Đánh giá sự cố mất chất tải nhiệt do vỡ ở chân nóng, chân lạnh ................. 61
4.2. Sự cố vỡ ống bình sinh hơi .................................................................................. 63
4.2.1. Mô tả sự cố ................................................................................................... 63
4.2.2. Thiết lập điều khiển mô phỏng ..................................................................... 64

4.2.3. Phân tích kết quả mô phỏng sự cố vỡ ống bình sinh hơi A .......................... 64

iii


4.2.4. Khảo sát thời gian dập lò, suất liều cho tuyến giáp tại vùng EAB ứng với
các tỉ lệ vỡ khác nhau của ống trao đổi nhiệt bình sinh hơi ................................... 72
4.2.5. Đánh giá sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt bình sinh hơi ...................................... 73
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 76
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 78

iv


DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

ACC

Accumulators

Bộ tích trữ

BWR

Boiling Water Reactor

Lò phản ứng nước sôi

BWST

Borate Water Storage Tank

Bồn chứa nước Borate

CRDM

Control Rod Drive Mechanism

CVCS

Chemical and Volume Control System

DTHY

Dose Rate EAB Thyroid

EAB

Exclusion Area Boundary

Vùng biên khu vực quanh lò

ECCS

Emergency Core Cooling Systems

Hệ làm mát lõi khẩn cấp

FBR

Fast Breeder Reactor

Lò tái sinh nhanh

FWIV

Feedwater Isolation Valves

Van nước cấp

FWP

Feedwater Pump

Máy bơm nước cấp

GCR

Gas Cooled Reactor

Lò khí graphit

HPSI

High Pressure Safety Injection

HTR

Power Pressurizer heater

IAEA

International Atomic Energy Agency

IC

Initial Condition

Điều kiện ban đầu

LOCA

Loss Of Coolant Accident

Tai nạn mất chất tải nhiệt

LPSI

Low Pressure Safety Injection

LSGA

Level SG A wide range

Cơ cấu dịch chuyển thanh
điều khiển
Hệ thống kiểm soát hóa chất
và thể tích
Suất liều cho tuyến giáp tại

vùng biên khu vực quanh lò

Hệ thống phun an toàn áp
suất cao
Công suất bộ gia nhiệt trong
bình điều áp
Cơ quan năng lượng nguyên
tử quốc tế

Hệ thống phun an toàn áp
suất thấp
Mực nước bình sinh hơi A

v


LVPZ

Level Pressurizer

Mực nước bình điều áp

LWGR

Light Water Graphite Reactor

Lò graphit nước nhẹ

MDAFWP

Motor Driven Auxiliary Feedwater
Pump

Máy bơm nước cấp phụ

MFWP

Main Feedwater Pump

Máy bơm nước cấp chính

MSIV

Main Steam Isolation Valves

Van ống hơi chính

NMĐHN

Nhà máy điện hạt nhân

P

Press RCS

Áp suất hệ thống tải nhiệt

PCTRAN

Personal Computer Transient Analyzer

Phần mềm mô phỏng

PHWR

Pressurized Heavy Water Reactor

Lò nước nặng áp lực

PRB

Press Reactor building

Áp suất nhà lò

PRZ

Pressurizer

Bình điều áp

PWNT

Power Neutron Flux

Thông lượng neutron

PWR

Pressurized Water Reactor

Lò phản ứng nước áp lực

QMWT

Power Total megawatt thermal

Công suất nhiệt toàn phần

RBS

Reactor Buiding Spray pump

Máy bơm phun hơi nhà lò

RCP

Reactor Coolant Pumps

Máy bơm chất tải nhiệt

RHR

Residual Heat Removal pump

Máy bơm loại bỏ nhiệt dư

RPS

Reactor Protection System

Hệ thống bảo vệ lò

RV

Reactor Vessel

Thùng lò

RWST

Refueling Water Storage Tank

Bể lưu trữ nước dự phòng

SG

Steam Generator

Bình sinh hơi

TAVG

Temperature RCS average

TBV

Turbine Bypass Valve

Van nhánh tuốc bin

TCA

Temperature Cold leg A

Nhiệt độ chân lạnh A

TCV

Turbine Control Valve

Van điều khiển tuốc bin

THA

Temperature Hot leg A

Nhiệt độ chân nóng A

Nhiệt độ trung bình của hệ
thống tải nhiệt

vi


Nhiệt độ cao nhất của nhiên

TFPK

Temp Peak fuel

TPCT

Temp Peak clad

Nhiệt độ cao nhất của vỏ bọc

TRB

Temp Reactor building

Nhiệt độ nhà lò

VOL

Volume RCS liquid

WCFT

Flow Accumulator

Dòng từ bộ tích trữ

WCHG

Flow Charging

Dòng Charging

WFWA

Flow SG A feedwater

WHPI

Flow HPI

Dòng áp suất cao

WLPI

Flow Low pressure injection

Dòng tiêm áp suất thấp

WLR

Flow RCS leak

WRCA

Flow Reactor coolant loop A

WSTA

Flow SG A steam

WTRA

Flow SG A tube leak

liệu

Thể tích chất lỏng trong hệ
thống tải nhiệt

Dòng nước cấp cho bình
sinh hơi A

Dòng rò rỉ khỏi hệ thống tải
nhiệt
Dòng nước ở vòng tuần hoàn
nối với bình sinh hơi A
Dòng hóa hơi tại bình sinh
hơi A
Dòng rò rỉ do vỡ ống bình
sinh hơi A

vii


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1. Số lượng và công suất điện của các NMĐHN trên thế giới đang vận
hành và đang xây dựng tính đến 21/1/2015 ................................................. 4
Bảng 1.2. Các loại công nghệ lò phản ứng đang được sử dụng trên thế giới
tính đến 21/1/2015 ........................................................................................ 5
Bảng 2.1. Tiết diện tán xạ, hấp thụ và phân hạch của một số hạt nhân tại năng
lượng neutron 0,025 eV ............................................................................... 21
Bảng 2.2. Năng lượng ngưỡng Eng và năng lượng liên kết B đối với các hạt
nhân phân hạch ............................................................................................ 23

Bảng 2.3. Số neutron trung bình trên một phân hạch ................................................... 24
Bảng 3.1. Trạng thái hoạt động của các thiết bị trên giao diện chính của
PCTRAN ...................................................................................................... 42
Bảng 4.1. Báo cáo tiến trình hoạt động của lò trong sự cố mất chất tải nhiệt
xảy ra ở chân nóng, chân lạnh với diện tích lỗ thủng 100 cm2.................... 50
Bảng 4.2. Báo cáo tiến trình hoạt động của lò trong sự cố vỡ ống bình sinh hơi
với tỉ lệ vỡ 100%.......................................................................................... 64

viii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Tỉ lệ đóng góp của điện hạt nhân vào sản lượng điện từng quốc gia
năm 2014 ....................................................................................................... 6
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò phản ứng nước áp lực (PWR)................... 8
Hình 1.3. Sơ đồ khối nhà máy điện hạt nhân loại lò áp lực PWR .................................. 9
Hình 1.4. Hệ thống phun hơi trong nhà lò loại lò áp lực PWR ..................................... 10
Hình 1.5. Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng áp lực PWR 2 vòng ..................................... 10
Hình 1.6. Cấu trúc thùng lò ........................................................................................... 12
Hình 1.7. Sơ đồ mặt cắt bình sinh hơi ........................................................................... 13
Hình 1.8. Hệ thống điều chỉnh áp suất trong bình điều áp ............................................ 14
Hình 1.9. Hệ thống làm mát lõi lò khẩn cấp ................................................................. 18
Hình 2.1. Cơ chế phân hạch hạt nhân ........................................................................... 22
Hình 2.2. Mô hình phát triển phản ứng dây chuyền của U235 ....................................... 27
Hình 2.3. Sự giãn nở của đỉnh cộng hưởng do hiệu ứng Doppler ................................ 33
Hình 2.4. Sơ đồ động học của các đồng vị Xe135 .......................................................... 36
Hình 3.1. Giao diện phần mềm PCTRAN PWR 2 vòng phiên bản 4.0.8 ..................... 41
Hình 3.2. Thanh trạng thái của phần mềm PCTRAN PWR 2 vòng ............................. 42
Hình 3.3. Menu Restart\Initial Condition ..................................................................... 44
Hình 3.4. Danh sách các điều kiện ban đầu trong cửa sổ Initial Conditions ................ 44

Hình 3.5. Menu Code Control\Malfunctions ................................................................ 45
Hình 3.6. Cửa sổ danh sách các sự cố ........................................................................... 45
Hình 3.7. Cửa sổ thiết lập trạng thái sự cố .................................................................... 46
Hình 3.8. Cửa sổ Plot Variable Selection ..................................................................... 46
Hình 3.9. Cửa sổ lựa chọn định dạng dữ liệu xuất ra.................................................... 47
Hình 3.10. Hệ thống kiểm soát bức xạ và phân bố liều mô phỏng trên phần mềm
PCTRAN PWR 2 vòng ................................................................................ 47
Hình 4.1. Giao diện PCTRAN PWR 4.0.8 vào giây 107 khi xảy ra sự cố mất chất
tải nhiệt xảy ra ở chân nóng nối với bình sinh hơi A .................................. 49

ix


Hình 4.2. Giao diện PCTRAN PWR 4.0.8 vào giây 107 khi xảy ra sự cố mất chất
tải nhiệt xảy ra ở chân lạnh nối với bình sinh hơi A ................................... 49
Hình 4.3. Độ phản ứng của nhiên liệu, thanh điều khiển, boron, chất làm chậm,
độ phản ứng toàn phần trong sự cố vỡ chân nóng ....................................... 51
Hình 4.4. Độ phản ứng của nhiên liệu, thanh điều khiển, boron, chất làm chậm,
độ phản ứng toàn phần trong sự cố vỡ chân lạnh ........................................ 51
Hình 4.5. Thông lượng neutron trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh ......................... 52
Hình 4.6. Công suất nhiệt trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh ................................. 52
Hình 4.7. Dòng charging (WCHG) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh .................... 52
Hình 4.8. Lưu lượng nước bơm vào lò từ máy bơm áp lực cao (WHPI) trong sự
cố vỡ chân nóng, chân lạnh ......................................................................... 52
Hình 4.9. Lưu lượng nước từ bồn tích trữ (WCFT) đi vào hệ thống tải nhiệt trong
sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh ..................................................................... 53
Hình 4.10. Lưu lượng nước bơm vào lò từ máy bơm áp lực thấp (WLPI) trong sự
cố vỡ chân nóng, chân lạnh ......................................................................... 53
Hình 4.11. Nhiệt độ chân nóng, nhiệt độ chân lạnh, nhiệt độ trung bình vòng sơ
cấp trong sự cố xảy ra ở chân nóng ............................................................. 53

Hình 4.12. Nhiệt độ chân nóng, nhiệt độ chân lạnh, nhiệt độ trung bình vòng sơ
cấp trong sự cố xảy ra ở chân lạnh .............................................................. 53
Hình 4.13. Áp suất vòng sơ cấp trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh ......................... 54
Hình 4.14. Lưu lượng nước rò rỉ khỏi vòng sơ cấp (WLR) trong sự cố vỡ chân
nóng, chân lạnh ........................................................................................... 54
Hình 4.15. Lưu lượng nước bơm vào bình sinh hơi A (WFWA) trong sự cố vỡ
chân nóng, chân lạnh .................................................................................. 54
Hình 4.16. Lưu lượng nước hóa hơi ở bình sinh hơi A (WSTA) trong sự cố vỡ
chân nóng, chân lạnh ................................................................................... 54
Hình 4.17. Mực nước trong bình sinh hơi A (LSGA) trong sự cố vỡ chân nóng,
chân lạnh ..................................................................................................... 55

x


Hình 4.18. Suất liều cho tuyến giáp (DTHY) tại vùng EAB trong sự cố vỡ chân
nóng, chân lạnh ............................................................................................ 55
Hình 4.19. Nhiệt độ nhà lò (TRB) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh ..................... 55
Hình 4.20. Áp suất nhà lò (PRB) trong sự cố vỡ chân nóng, chân lạnh ...................... 55
Hình 4.21. Nhiệt độ cao nhất của nhiên liệu (TFPK) và nhiệt độ cao nhất của vỏ
bọc nhiên liệu (TPCT) trong sự cố vỡ chân nóng ....................................... 56
Hình 4.22. Nhiệt độ cao nhất của nhiên liệu (TFPK) và nhiệt độ cao nhất của vỏ
bọc nhiên liệu (TPCT) trong sự cố vỡ chân lạnh......................................... 56
Hình 4.23. Giao diện PCTRAN PWR 4.0.8 vào giây 170 trong sự cố vỡ ống
bình sinh hơi A ............................................................................................ 63
Hình 4.24. Độ phản ứng của nhiên liệu (RHFL), thanh điều khiển (RHRD),
boron (RHBR), chất làm chậm (RHMT) và độ phản ứng toàn phần
(RH) ............................................................................................................. 65
Hình 4.25. Thông lượng neutron (PWNT) .................................................................... 65
Hình 4.26. Công suất nhiệt (QMWT) ........................................................................... 65

Hình 4.27. Dòng charging (WCHG) ............................................................................. 65
Hình 4.28. Lưu lượng nước từ máy bơm áp lực cao bơm vào vòng sơ cấp
(WHPI) ........................................................................................................ 66
Hình 4.29. Lưu lượng nước ở vòng tuần hoàn A .......................................................... 66
Hình 4.30. Lưu lượng nước rò rỉ tại chổ vỡ của ống trao đổi nhiệt của bình sinh
hơi A (WTRA) ............................................................................................. 66
Hình 4.31. Thể tích nước trong vòng sơ cấp (VOL) ..................................................... 66
Hình 4.32. Nhiệt độ chân nóng (THA), nhiệt độ chân lạnh (TCA), nhiệt độ trung
bình vòng sơ cấp (TAVG) ........................................................................... 67
Hình 4.33. Áp suất của vòng sơ cấp (P) ........................................................................ 67
Hình 4.34. Công suất của bộ gia nhiệt trong bình điều áp (HTR) ................................ 67
Hình 4.35. Mực nước trong bình điều áp (LVPZ) ........................................................ 67
Hình 4.36. Lưu lượng nước cấp cho bình sinh hơi A (WFWA) ................................... 68
Hình 4.37. Lưu lượng nước hóa hơi trong bình sinh hơi A (WSTA) ........................... 68

xi


Hình 4.38. Mực nước trong bình sinh hơi A (LSGA) ................................................... 68
Hình 4.39. Nhiệt độ cao nhất của nhiên liệu (TFPK) và của vỏ bọc nhiên liệu
(TPCT) ......................................................................................................... 68
Hình 4.40. Khoảng thời gian dập lò ứng với các tỉ lệ vỡ 30%, 40%, 50%, 100%,
200%, 500%, 1000% của ống trao đổi nhiệt .............................................. 72
Hình 4.41. Suất liều cho tuyến giáp tại vùng EAB với các tỉ lệ vỡ 30%, 40%,
50%, 100%, 200%, 500%, 1000% của ống trao đổi nhiệt........................... 72

xii


MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với xu hướng phát triển của thế giới, nhu cầu sử dụng điện ngày
càng tăng. Nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch (than đá, dầu mỏ..) đang ngày
càng cạn kiệt. Các nguồn năng lượng tái tạo (năng lượng mặt trời, năng lượng gió)
và các nguồn năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch không thể đáp ứng đủ nhu cầu
năng lượng ngày càng cao. Năng lượng nguyên tử đã trở thành một nguồn năng
lượng quan trọng của nhân loại. Bên cạnh việc đáp ứng tốt nhu cầu về điện, điện hạt
nhân có tuổi thọ kéo dài, góp phần giải quyết vấn đề môi trường. Trong khi các
dạng nhiên liệu hoá thạch truyền thống phát thải một khối lượng lớn các khí gây ô
nhiễm môi trường, gây hiệu ứng nhà kính. Điện hạt nhân cung cấp nguồn năng
lượng sạch và có khả năng mở rộng trên quy mô lớn để cung cấp nguồn điện ổn
định, liên tục. Bên cạnh đó, nguồn nguyên liệu uranium dùng cho lò phản ứng hạt
nhân còn phong phú và triển vọng điện hạt nhân cung cấp điện với giá ổn định.
Tính đến 2015, theo thống kê của IAEA trên toàn thế giới đã có 439 tổ máy
điện hạt nhân đang hoạt động tại 31 quốc gia và vùng lãnh thổ với tổng công suất
điện khoảng 377 GWe [16]. Điện hạt nhân là bộ phận cấu thành quan trọng của
ngành công nghiệp điện lực thế giới. Đối với nhiều quốc gia, điện hạt nhân chính là
động lực cho quá trình công nghiệp hoá và hiện đại hoá đất nước.
Ở Việt Nam, dựa trên các yếu tố đánh giá về nguồn năng lượng ở nước ta, hiện
các tiềm năng phát triển thủy điện đang dần cạn kiệt, nhiệt điện đã phải nhập khẩu
than, trong khi phát triển năng lượng điện từ gió rất tốn kém, cần nhiều kinh phí. Do
đó, cần phải tìm ra một nguồn năng lượng mới phù hợp với xu thế và đáp ứng nhu
cầu phát triển của đất nước. Điện hạt nhân có thể xem là lựa chọn cho mục tiêu
chiến lược về an ninh năng lượng trong tương lai. Việc phát triển điện hạt nhân giúp
tạo nguồn điện mới theo hướng chủ động hơn, giảm sự phụ thuộc vào thiên nhiên.
Cùng với xu hướng phát triển điện hạt nhân trên thế giới, dự án xây dựng nhà
máy điện nguyên tử đầu tiên ở nước ta đang được triển khai, tiến hành ở Ninh
Thuận. Trong đó vấn đề đào tạo nhân lực để xây dựng và vận hành nhà máy là

1

nhiệm vụ cấp bách hiện nay. Chính phủ Việt Nam đã đưa ra và triển khai nhiều
chương trình đào tạo nhân lực phục vụ cho dự án này trong đó có một số dự án có
kết hợp việc sử dụng các phần mềm mô phỏng lò phản ứng hạt nhân do cơ quan
Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) tài trợ. Do trên thực tế đào tạo, việc tiếp cận
nhà máy điện còn gặp nhiều khó khăn và chưa đảm bảo an toàn trong khi vấn đề an
toàn hạt nhân luôn được đặt lên hàng đầu. Vì thế, việc sử dụng phần mềm mô
phỏng hoạt động của lò phản ứng để học tập và nghiên cứu trở nên cần thiết. Phần
mềm cung cấp thông tin về thiết kế, các đặc trưng vận hành, hệ thống điều khiển độ
phản ứng, hệ thống an toàn và các tình huống tai nạn đối với các loại nhà máy điện
hạt nhân. Thêm vào đó, phần mềm có thể hoạt động trên máy tính cá nhân nên
thuận lợi cho người dùng.
Nhà máy điện sử dụng lò phản ứng nước áp lực chiếm 63% [16] số lượng các
nhà máy điện trên thế giới. Việc trang bị những kiến về lò phản ứng hạt nhân nói
chung cũng như lò phản ứng nước áp lực nói riêng để xây dựng nền tảng tiếp nhận
các công nghệ lò phản ứng hạt nhân mới rất cần thiết. Vì vậy trong đề tài này,
chúng tôi chọn phần mềm PCTRAN (Personal Computer Transient Analyzer) [6] để
thực hiện mô phỏng sự cố mất nước tải nhiệt và sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt trong
bình sinh hơi của lò PWR. Chúng tôi thực hiện cho loại lò phản ứng nước áp lực
(PWR) 2 vòng tuần hoàn với chu trình sơ cấp gồm 2 bình sinh hơi.
Mục tiêu của luận văn là khảo sát sự cố mất chất tải nhiệt lần lượt xảy ra ở chân
nóng, chân lạnh của vòng sơ cấp với diện tích lỗ thủng 100 cm2 trong 3000 giây. Từ
đó, phân tích, đánh giá kết quả mô phỏng, so sánh sự cố xảy ra giữa chân nóng và
chân lạnh. Tiếp đến, chúng tôi tiến hành mô phỏng sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt bình
sinh hơi A. Với tỉ lệ vỡ 100%, chúng tôi mô phỏng sự cố trong 2000 giây rồi phân
tích, đánh giá các thông số hoạt động của lò. Chúng tôi cũng mô phỏng sự cố vỡ
ống trao đổi nhiệt bình sinh hơi A với các tỉ lệ vỡ khác nhau để khảo sát thời gian
dập lò, suất liều cho tuyến giáp tại vùng biên khu vực bao quanh lò. Các sự cố đều
xảy ra ở giây 100.

2


Đối tượng nghiên cứu là phần mềm PCTRAN cho lò phản ứng nước áp lực
PWR 2 vòng tuần hoàn với chu trình sơ cấp gồm 2 bình sinh hơi.
Luận văn gồm bốn chương:
Chương một trình bày về tình hình năng lượng điện hạt nhân trên thế giới và kế
hoạch phát triển điện hạt nhân ở Việt Nam, lịch sử phát triển, nguyên tắc hoạt động
và cấu tạo của lò PWR.
Chương hai trình bày vật lý lò phản ứng và cơ sở vật lý trong điều khiển lò.
Chương ba giới thiệu chung về phần mềm và hướng dẫn các thao tác sử dụng
phần mềm.
Chương bốn mô phỏng và phân tích sự cố lò PWR hai vòng bằng phần mềm
PCTRAN. Trong chương bốn chúng tôi mô phỏng, phân tích sự cố mất chất tải
nhiệt lần lượt xảy ra ở chân nóng, chân lạnh của vòng sơ cấp với diện tích lỗ thủng
100 cm2 trong 3000 giây. Tiếp đến, chúng tôi mô phỏng sự cố vỡ ống trao đổi nhiệt
bình sinh hơi A với tỉ lệ vỡ 100% trong 3000 giây. Cuối cùng mô phỏng sự cố vỡ
ống trao đổi nhiệt bình sinh hơi A với các tỉ lệ vỡ khác nhau. Từ đó đánh giá các kết
quả đạt được.

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VÀ CẤU TẠO LÒ
1.1. Tình hình năng lƣợng điện hạt nhân trên thế giới và ở Việt Nam
1.1.1. Trên thế giới
Tính đến 21/1/2015, theo thống kê của IAEA trên toàn thế giới đã có 439 nhà
máy điện hạt nhân (NMĐHN) đang vận hành với tổng công suất điện được thiết lập
khoảng 377 GW và có 69 NMĐHN đang trong quá trình xây dựng với tổng công
suất được thiết lập khoảng 66 GW [16]. Số lượng và công suất điện của các

NMĐHN trên thế giới được nêu trong bảng 1.1.
Bảng 1.1. Số lượng và công suất điện của các NMĐHN trên thế giới đang vận
hành và đang xây dựng tính đến 21/1/2015 [16]
Quốc gia
Achentina
Acmenia
Belarus
Bỉ
Brazin
Bungari
Canada
Trung Quốc
Cộng hòa Séc
Phần Lan
Pháp
Đức
Hungari
Ấn Độ
Iran
Nhật Bản
Hàn Quốc
Mexico
Hà Lan
Pakistan
Rumani
Nga
Cộng hòa Slovak
Slovenia
Nam Phi

NMĐHN đang vận hành
Số lượng
Công suất điện
thực, GW
3
1,627
1
0,375
7
5,927
2
1,884
2
1,906
19
13,500
24
20,056
6
3,884
4
2,752
58
63,130
9
12,068
4
1,889
21
5,308

1
0,915
48
42,388
23
20,721
2
1,330
1
0,482
3
0,690
2
1,300
34
24,654
4
1,815
1
0,688
2
1,860
4

NMĐHN đang xây dựng
Số lượng Công suất điện
thực, GW
1
0,025
2

2,218
1
1,245
25
24,756
1
1,600
1
1,630
6
3,907
2
1,325
5
6,370
2
0,630
9
7,371
2
0,880
-


Bảng 1.1. (Tiếp theo)
Quốc gia
Tây Ban Nha
Thụy Điển
Thụy Sĩ
Đài Loan

Ukraina
Các tiểu vương quốc Ả
rập thống nhất
Anh
Mỹ
Tổng cộng

NMĐHN đang vận hành
Số lượng
Công suất điện
thực, GW
7
7,121
10
9,470
5
3,333
6
5,032
15
13,107
16
99
439

9,243
98,476
376,931

NMĐHN đang xây dựng

Số lượng Công suất điện
thực, GW
2
2,600
2
1,900
3

4,035

69

5,633
66,125

Trong số 439 NMĐHN đang vận hành trên thế giới, lò áp lực (PWR) là kiểu lò
phổ biến nhất, được sử dụng chủ yếu với 278 lò [16]. Loại lò này chiếm 63% về số
lượng và 68% về công suất điện. Sau đó là lò nước sôi (BWR) chiếm 18% về số
lượng và 20% về công suất điện. Bảng 1.2 cho biết đóng góp về số lượng và công
suất điện của các loại lò phản ứng đang được sử dụng.
Bảng 1.2. Các loại công nghệ lò phản ứng đang được sử dụng trên thế giới tính
đến 21/1/2015 [16]
Loại lò phản ứng
Lò áp lực (PWR)
Lò nước sôi (BWR)
Lò nước nặng áp lực (PHWR)
Lò khí graphit (GCR)
Lò graphit nước nhẹ (LWGR)
Lò tái sinh nhanh (FBR)
Tổng cộng

Số lƣợng
278
80
49
15
15
2
439

Công suất điện GW
258,142
75,353
24,592
8,045
10,219
0,58
376,931

Cùng với xu hướng phát triển của thời đại, điện hạt nhân ngày càng đóng góp
quan trọng vào tổng sản lượng điện trong từng quốc gia. Tỉ lệ đóng góp của điện hạt
nhân vào sản lượng điện từng quốc gia trong năm 2014 được cho trong hình 1.1.

5


Hình 1.1. Tỉ lệ đóng góp của điện hạt nhân vào sản lượng điện từng quốc gia
năm 2014 [15]
Theo hình 1.1, năm 2014, Pháp đứng đầu với điện hạt nhân chiếm hơn 70% sản
lượng điện nước này. Mỹ tuy đứng đầu thế giới về số lượng NMĐHN nhưng điện

hạt nhân chỉ đóng góp gần 20% cho sản lượng điện quốc gia, đứng thứ 16 trong số
31 quốc gia.
1.1.2. Ở Việt Nam
Hòa vào xu hướng phát triển điện hạt nhân trên thế giới, Việt Nam đang trong
giai đoạn chuẩn bị nhân lực và công nghệ để xây dựng dự án nhà máy điện hạt
nhân. Dự án điện hạt nhân Ninh Thuận, gồm 2 nhà máy, mỗi nhà máy có 2 tổ máy
với tổng công suất 4000 MW, được Quốc hội thông qua vào tháng 11/2009 [4]. Nhà
máy Ninh Thuận 1 nhận công nghệ và đầu tư từ Nga và nhà máy Ninh Thuận 2 sẽ

6


nhận từ Nhật Bản [12]. Theo quyết định số 906/QĐ-TTg của thủ tướng chính phủ
[5], nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận I sẽ đưa tổ máy đầu tiên vận hành vào năm
2020 với công suất khoảng 1000 MW. Tổ máy 2 đưa vào vận hành năm 2021. Định
hướng đến năm 2025, tổng công suất các nhà máy điện hạt nhân khoảng 8000
MW, chiếm khoảng 7% tổng công suất nguồn điện. Năm 2030, Việt Nam sẽ có 13 tổ
máy điện hạt nhân với tổng công suất khoảng 15000 MW, chiếm khoảng 10% tổng
công suất nguồn điện.
1.2. Lò phản ứng nƣớc áp lực
1.2.1. Lịch sử phát triển của lò phản ứng nƣớc áp lực
Lò phản ứng nước áp lực (PWR) là loại lò phản ứng nước nhẹ, được sử dụng
phổ biến ở Châu Âu và Mĩ.
Ở Mỹ, PWR được thiết kế ban đầu tại Phòng thí nghiệm quốc gia Oak Ridge
của bộ năng lượng Mỹ để sử dụng cho hệ thống năng lượng của tàu ngầm hạt nhân
vào năm 1954. Các nghiên cứu và phát triển tiếp theo được thực hiện bởi phòng thí
nghiệm năng nguyên tử Knolls và Westinghouse Bettis. Trong chương trình năng
lượng phục vụ quân sự của Mỹ, những lò phản ứng nước áp lực đã được đưa vào
vận hành từ năm 1954 đến năm 1974. Nhà máy điện hạt nhân đảo Three mile được
thiết kế bởi Babcock và Wilcox, ban đầu vận hành hai nhà máy điện sử dụng công

nghệ lò PWR là TMI-1 (1974) và TMI-2 (1978). Sau vụ rò rỉ xảy ra ở TMI-2 vào
năm 1979, việc xây dựng thêm các nhà máy hạt nhân mới loại này ở Mỹ về cơ bản
đã kết thúc.
Ở Nga, các lò phản ứng nước áp lực được biết đến với tên gọi VVER hay
WWER. Các lò này được phát triển đầu tiên bởi công ty OKB Gidropress. Các thế
hệ đầu tiên của VVER được xây dựng từ trước 1970. Vào thời kỳ Xô Viết, hầu hết
các quốc gia Đông Âu đều xây dựng VVER 440 (Bungari, Hungari, Cộng hòa
Séc, Cộng hòa Slovak, Phần Lan, Đông Đức, Ukraina, Armenia).
Một số lò phản ứng sử dụng các thiết kế của PWR là Westinghouse 1 vòng
Zorita (Tây Ban Nha), Westinghouse 2 vòng Ginna (Mỹ); Krsko (Slovenia),

7


Westinghouse 3 vòng Turkey Point, Westinghouse 4 vòng San Onofre-1, AP600,
AP1000, APWR.
1.2.2. Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng nƣớc áp lực PWR
Lò sử dụng hai vòng tuần hoàn được minh họa như hình 1.2:

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò phản ứng nước áp lực (PWR)
 Vòng sơ cấp là một vòng tuần hoàn gồm 4 thành phần chính là lò phản
ứng, thiết bị sinh hơi, bình điều áp và các máy bơm tuần hoàn chính.
 Vòng thứ cấp là một vòng khép kín gồm tuốc bin-máy phát, bình ngưng tụ,
hệ thống lọc nước, bộ trao đổi nhiệt, các máy bơm nước cấp.
Ở vòng sơ cấp, nước dưới áp suất cao được bơm tuần hoàn vào lò, đi qua vùng
hoạt, nhận nhiệt sinh ra do quá trình phân rã hạt nhân trong lõi lò. Nhiệt độ của
nước tăng lên. Trong điều kiện áp suất cao, nước sẽ không sôi. Nước này được đẩy
đến thiết bị sinh hơi, tại đây nước sẽ truyền nhiệt cho nước ở vòng thứ cấp. Nhiệt độ
của nước hạ xuống và nước tiếp tục được bơm quay lại lò phản ứng. Vòng sơ cấp có
vai trò chuyển nhiệt tạo ra từ vùng hoạt đến bình sinh hơi.

Ở vòng thứ cấp, nước cấp ở áp suất thấp, được bơm vào thiết bị sinh hơi, nhận
nhiệt của nước vòng sơ cấp qua hệ thống ống trao đổi nhiệt của bình sinh hơi, hóa
hơi tại đây. Hơi nước sẽ được đưa vào quay tuốc bin máy phát để sản xuất điện. Sau
đó, hơi nước đi qua bình ngưng tụ, ngưng tụ thành nước với nhiệt độ thấp hơn.
Nước này đi qua các bộ trao đổi nhiệt và quay trở lại bình sinh hơi tiếp tục chu
trình.

8


1.2.3. Cấu trúc nhà máy điện hạt nhân sử dụng loại lò PWR
Nhà máy điện hạt nhân loại lò PWR gồm ba bộ phận chính: nhà lò (containment
building), nhà tuốc bin (turbine building), nhà phụ trợ (auxiliary building).

Hình 1.3. Sơ đồ khối nhà máy điện hạt nhân loại lò áp lực PWR
 Nhà lò chứa hệ thống tải nhiệt lò phản ứng. Nhà lò được thiết kế để chịu áp
suất và nhiệt độ cao. Tòa nhà lò là một kết cấu kín khí bằng thép, bê tông cốt thép.
Các thiết kế hiện đại có xu hướng sử dụng vật liệu thép cho tòa nhà lò. Đối với lò
PWR, tòa nhà lò có thể là hình trụ hoặc hình vòm. Hiện nay, phần lớn các thiết kế
tòa nhà lò của PWR có sự kết hợp phần dưới là hình trụ, phần trên là nửa hình cầu.
Nhà lò có tác dụng ngăn cản các vật liệu phóng xạ thoát ra môi trường.
Nó là rào chắn cuối cùng khi có sự cố nghiêm trọng xảy ra.
Khi có sự cố mất chất tải nhiệt, để làm giảm nhiệt độ, áp suất trong nhà lò, nhà
lò được thiết kế hai hệ thống sau:
 Hệ thống quạt làm mát (the fan cooler system): tuần hoàn không khí, trao đổi
nhiệt để làm mát.
 Hệ thống phun trong nhà lò (the containment spray system).
Lượng nhiệt trong nhà lò được thải ra ngoài nhờ vào các bộ phận trao đổi nhiệt.
Khi xảy ra sự cố bên trong nhà lò, không khí trong nhà lò sẽ đầy hơi nước. Hệ
thống phun sẽ hoạt động tự động. Nước từ bể lưu trữ dự phòng được bơm vào trong

9


nhà lò, làm cho hơi nước ngưng tụ. Điều này làm giảm nhiệt độ, áp suất không khí
trong nhà lò. Khi bể lưu trữ dự phòng hết nước, hệ thống phun trong nhà lò sẽ lấy
nước từ bể chứa trong nhà lò (the containment sump).

Hình 1.4. Hệ thống phun hơi trong nhà lò loại lò áp lực PWR
 Nhà tuốc bin chứa các thiết bị ở vòng thứ cấp.
 Nhà phụ trợ chứa hệ thống phụ trợ và hệ thống an toàn như hệ thống thải
phóng xạ, hệ thống kiểm soát hóa chất và thể thích, hệ thống làm mát khẩn cấp [17].
1.2.3.1. Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng nƣớc áp lực PWR
Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng nước áp lực PWR được mô tả như hình 1.5:

Hình 1.5. Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng áp lực PWR 2 vòng
10


Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng nước áp lực PWR bao gồm các thiết bị của vòng
sơ cấp: thùng lò, bình sinh hơi, bình điều áp, bơm nước tải nhiệt, ống tải nhiệt
chính.
 Thùng lò phản ứng (The Reactor Vessel)
Thùng lò chứa lõi lò, các thiết bị liên kế hỗ trợ, thiết bị định vị. Lõi lò chứa các
bó nhiên liệu và thanh điều khiển nằm ở trung tâm.
Thùng lò cấu tạo từ một phần hình trụ với các ống vào (chân lạnh), ống ra (chân
nóng) của chất tải nhiệt . Đầu dưới hình bán cầu và một bán cầu di động ở đầu trên.
Đầu trên có thể tháo rời để tiếp nhiên liệu vào lò. Ở lò PWR, khối các ống bảo vệ và
hệ thống điều khiển được bố trí ở phía trên vùng hoạt. Hệ thống các cột chống đỡ và
các tấm định vị được lắp ở đáy thùng để thuận tiện cho việc bố trí các bó nhiên liệu,
giúp thanh điều khiển lò chuyển động dễ dàng hơn và giúp hệ thống tải nhiệt làm

việc có hiệu quả. Với mỗi vòng tải nhiệt, thùng lò có một chân nóng và một chân
lạnh.
Thùng lò có nhiệm vụ bảo vệ lõi lò, các cấu trúc bên trong lò. Thùng lò phải
chịu được áp suất cao, nhiệt độ tăng cao, ứng suất lớn, sự ăn mòn và tác dụng của
bức xạ nên được xây dựng bằng thép hợp kim Molypden Mangan. Mặt trong thùng
lò được mạ thép không gỉ. Để bảo đảm độ bền, thùng lò được làm với số mối hàn ít
nhất. Thùng lò được thiết kế để làm việc từ 40 đến 60 năm.
Thùng lò đóng vai trò là hàng rào bảo vệ thứ hai. Rào thứ nhất là vỏ bọc nhiên
liệu, rào thứ ba là tường kín của nhà lò.

11


Hình 1.6. Cấu trúc thùng lò
 Bình sinh hơi (Steam Generator - SG)
Sơ đồ mặt cắt của bình sinh hơi được mô tả trong hình 1.7. Nước ở vòng sơ cấp
có áp suất cao đi vào bình sinh hơi tại primary inlet. Nước này di chuyển lên xuống
trong hàng nghìn ống có dạng chữ U ngược, rồi ra khỏi bình sinh hơi tại primary
outlet để trở lại vòng sơ cấp. Bề mặt của những ống dạng chữ U ngược tiếp xúc với
nước có áp suất thấp của vòng thứ cấp (nước cấp). Nước cấp đi vào bình sinh hơi tại
feedwater inlet. Nhiệt từ nước ở vòng sơ cấp làm cho cho nước cấp sôi lên trong
bình sinh hơi, tạo thành hơi nước. Hơi nước ẩm ướt sinh ra, bay lên phía trên của
bình sinh hơi gọi là khu vực trụ hơi. Để làm giảm độ ẩm hơi nước, tránh thiệt hại
đến cánh tuabin, tại đây hỗn hợp hơi nước sẽ được sấy khô và tách ẩm. Sau đó, hơi

12