Khảo sát sự cố mất nước và mất nhiệt trong lò phản ứng nước sôi (BWR) bằng phần mềm BWR v3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

NGÔ PHÁT THƯƠNG

ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT SỰ CỐ MẤT NƯỚC VÀ MẤT NHIỆT
TRONG LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC SÔI (BWR)
BẰNG PHẦN MỀM BWR_V3

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Tp. Hồ Chí Minh năm 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
----------

NGÔ PHÁT THƯƠNG

ĐỀ TÀI:
KHẢO SÁT SỰ CỐ MẤT NƯỚC VÀ MẤT NHIỆT
TRONG LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC SÔI (BWR)
BẰNG PHẦN MỀM BWR_V3

CHUYÊN NGÀNH: VẬT LÝ HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ VÀ NĂNG LƯỢNG CAO
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VÕ HỒNG HẢI

Tp. Hồ Chí Minh năm 2013



i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu tại trƣờng Đại
Học Khoa Học Tự Nhiên Thành phố Hồ Chí Minh. Với tình cảm chân thành, tác giả
xin gửi lời tri ân đến quý thầy cô giáo đã tham gia giảng dạy lớp cao học khóa 21
chuyên ngành Vật lý hạt nhân nguyên tử và năng lƣợng cao.
Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy TS. Võ Hồng Hải,
ngƣời đã tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ tác giả nghiên cứu đề tài và hoàn chỉnh luận
văn này.
Xin cảm ơn thầy PGS. TS. Châu Văn Tạo, Phó hiệu trƣởng - trƣởng bộ môn
Vật lý hạt nhân nguyên tử và năng lƣợng cao - trƣờng Đại học Khoa Học Tự Nhiên
Thành phố Hồ Chí Minh. Ngƣời đã có những ý kiến đóng góp cũng nhƣ tạo mọi
điều kiện, môi trƣờng làm việc tốt nhất để tác giả hoàn thành luận văn.
Xin cảm ơn chân thành đến cha mẹ, gia đình, bạn bè đã tạo điều kiện thuận lợi và
giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Mặc dù bản thân đã rất cố gắng nhƣng chắc chắn luận văn không tránh khỏi
những thiếu sót, rất mong đƣợc nhận những ý kiến đóng góp bổ sung của quý thầy
cô.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 09 năm 2013
Tác giả luận văn

ii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU …………………………………………………………………………....1
CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG HẠT NHÂN VÀ CƠ SỞ LÝ
THUYẾT VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN……………………...………... 3
1.1

Tình hình về năng lƣợng điện hạt nhân trên thế giới nói chung và ở Việt Nam

nói riêng.......................................................................................................................3
1.1.1

Trên thế giới ............................................................................................3

1.1.2

Việt Nam .................................................................................................8

1.2

Lò phản ứng hạt nhân nƣớc sôi .........................................................................9

1.2.1

Giới thiệu về sự hình thành và phát triển của lò nƣớc sôi ......................9

1.2.2

Phân loại các loại lò phản ứng hạt nhân nƣớc sôi.................................14

1.2.3

Công nghệ lò phản ứng nƣớc sôi ..........................................................15

1.2.4

Nguyên tắc hoạt động chung của nhà máy nƣớc sôi ............................16

1.2.5

Cấu tạo lò phản ứng nƣớc sôi ...............................................................16

1.2.6

Ƣu và nhƣợc điểm của lò phản ứng nƣớc sôi .......................................25

1.3

Vật lý lò phản ứng hạt nhân ............................................................................26

1.3.1

Neutron trong lò phản ứng ....................................................................27

1.3.2

Tán xạ và hấp thụ neutron.....................................................................28

1.3.3

Phản ứng phân hạch hạt nhân ...............................................................29

1.3.4

Phản ứng dây chuyền ............................................................................32

1.4

Cơ sở vật lý trong điều khiển lò phản ứng ......................................................37

1.4.1

Độ phản ứng ..........................................................................................40

1.4.2

Động học lò phản ứng ...........................................................................38

1.4.3

Sự thay đổi của độ phản ứng do ảnh hƣởng của nhiệt độ và khoảng

trống………………………………………………………………………….…….43


iii

1.4.4

Nhiễm độc của sản phẩm phân hạch………………………………....46

CHƢƠNG 2 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG LÒ NƢỚC SÔI BWR_V3 ……………51
2.1

Giới thiệu phần mềm BWR_V3......................................................................51

2.2

Cách chạy chƣơng trình mô phỏng. ................................................................51

2.3

Hiển thị các tính năng chung trong mô phỏng BWR_V3. ..............................52

2.4

Các màn hình hiển thị mô phỏng BWR_V3 ...................................................55

2.4.1

Màn hình tổng quan nhà máy BWR_V3 (BWR Plant Overview) .......55

2.4.2

Màn hình vòng kiểm soát BWR_V3 ( BWR control loops screen) .....58

2.4.3

Kiểm soát công suất / Bản đồ lƣu lƣợng BWR_V3 (BWR power/flow

Map & Controls) ...………………………………………………………………...60
2.4.4

Màn hình độ phản ứng và kiểm soát BWR_V3 (BWR Reactivity &

controlsscreen)………........…………………………………………………….….61
2.4.5

Màn hình các thông số dập tắt BWR_V3 (BWR scram parameters

screen)………………… ...........................................................................................62
2.4.6

Màn hình tuabin máy phát điện BWR_V3 (BWR turbine generator

screen)……………… ...............................................................................................63
2.4.7

Màn hình nƣớc cấp và sự chia tách dòng hơi BWR_V3 (BWR

feedwater and extraction steam screen) ....................................................................64
2.4.8

Màn hình nhà lò BWR_V3 (BWR Containment screen) .....................66

2.4.9

Màn hình đồ thị BWR_V3 (BWR Trends screen)................................69

CHƢƠNG 3 MÔ TẢ SỰ CỐ VÀ PHÂN TÍCH ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ…..…......68
3.1

Mất nƣớc cung cấp – cả hai máy bơm (Feedwater pumps) ngƣng hoạt

động..... ......................................................................................................................69
3.1.1

Mô tả sự cố............................................................................................69

3.1.2

Thiết lập điều khiển mô phỏng. ............................................................70


iv

3.1.3

Chạy mô phỏng. ....................................................................................71

3.1.4

Kết quả mô phỏng. ................................................................................72

3.1.5

Phân tích kết quả mô phỏng..................................................................76

3.2

Mất nƣớc cung cấp – một máy bơm (Feedwater pumps) ngƣng hoạt động.

.…………………………………………………………………….…………...…..….......77
3.2.1

Mô tả sự cố............................................................................................80

3.2.2

Thiết lập điều khiển mô phỏng. ............................................................80

3.2.3

Chạy mô phỏng. ....................................................................................81

3.2.4

Kết quả mô phỏng. ................................................................................81

3.2.5

Phân tích kết quả mô phỏng..................................................................81

3.3

Sự cố mất nƣớc cung cấp tải nhiệt (Loss of feedwater heating). ....................84

3.3.1

Mô tả sự cố............................................................................................84

3.3.2

Thiết lập điều khiển mô phỏng. ............................................................84

3.3.3

Chạy mô phỏng. ....................................................................................85

3.3.4

Kết quả mô phỏng. ................................................................................86

3.3.5

Phân tích kết quả mô phỏng..................................................................93

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ………………………………………..…………. 95
1. Kết luận .................................................................................................................95
2. Kiến nghị ...............................................................................................................96
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC.....…………………………..…….………... 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………..……………………………….…. 98
PHỤ LỤC

…………………………………………………………………… 100


v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

STT

Nội dung

Trang

Bảng thống kê về nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động

5

Chỉ số
bảng

1

1.1

trên thế giới
2

1.2

Bảng thống kê số lò phản ứng hạt nhân dừng dài hạn

6

3

1.3

Bảng thống kê số lƣợng lò phản ứng hạt nhân trên thế giới

6

4

1.4

Bảng thống kê số lò phản ứng hạt nhân dừng dài hạn trên

6

thế giới
5

1.5

Tên và kí hiệu các loại lò phản ứng thông dụng trên thế

7

giới
6

1.6

Các phần tử chính, vật liệu sử dụng và chức năng của

20

chúng
7

1.7

Bảng thống kê các dạng nhiên liệu thông thƣờng

29

8

1.8

Tiết diện tán xạ, hấp thụ và phân hạch của một số hạt nhân

32

9

1.9

Năng lƣợng ngƣỡng và năng lƣợng liên kết của một số hạt

33

nhân
10

1.10

Bảng năng lƣợng của các hạt sau phản ứng phân hạch

35

11

3.1

Các thông số của lò phản ứng trong điều kiện hoạt động

72

bình thƣờng


vi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
STT

Chỉ số

Nội dung

Trang

hình

1

1.1

Lò phản ứng Shippingport

9

2

1.2

Lò phản ứng Dresden-1

10

3

1.3

Mô hình lò phản ứng hạt nhân nƣớc sôi

11

4

1.4

Cấu tạo thùng lò sôi BWR

24

5

1.5

Sơ đồ đơn giản của nguyên lý phản ứng phân hạch

34

6

1.6

Hình vẽ biểu diễn sơ đồ hệ số nhân trong chu trình

39

neutron
7

2.1

Các trạng thái của máy bơm trên giao diện hệ thống

58

8

2.2

Các trạng thái của van trên giao diện hệ thống

58

9

2.3

Giao diện chính của phần mềm BWR Plant Overview

59

10

2.4

Giao diện BWR Control Loops của phần mềm

61

11

2.5

Giao diện BWR Power / Flow Map & Controls của phần

63

mềm

12

2.6

Giao diện BWR Reactivity & Setpoints của phần mềm

64

13

2.7

Giao diện BWR Scram Parameters của phần mềm

65

14

2.8

Giao diện BWR Turbine Generator của phần mềm

66

15

2.9

Giao diện BWR Power / Flow Map & Controls của phần

67

mềm
16

2.10

Hình vẽ mô tả mực nƣớc trong lò

68

17

2.11

Giao diện BWR Containment của phần mềm

69

18

2.12

Giao diện BWR Trends của phần mềm

70

19

3.1

Danh sách các điều kiện ban đầu trong cửa sổ IC

73


vii

20

3.2

Giao diện cửa sổ pop-up khi ta thiết lập sự cố

74

21

3.3

Máy bơm chính chuyển từ hoạt động sang ngừng hoạt

74

động
22

3.4

Giao diện màn hình khi đang mô phỏng sự cố

75

23

3.5

Mực nƣớc trong lò

77

24

3.6

Vị trí thanh điều khiển trong vùng hoạt

77

25

3.7

Độ phản ứng lò

77

26

3.8

Thông lƣợng neutron lò

77

27

3.9

Nhiệt độ nhiên liệu trong lò

78

28

3.10

Công suất nhiệt lò

78

29

3.11

Nhiệt độ hơi nƣớc vào tuabin

78

30

3.12

Áp suất trong lò

78

31

3.13

Dòng chảy qua lõi lò

79

32

3.14

Nhiệt độ nƣớc cấp vào lò

79

33

3.15

Giao diện màn hình khi ta thiết lập sự cố

81

34

3.16

Giao diện màn hình khi đang mô phỏng sự cố

82

35

3.17

Dòng chảy qua lõi lò

83

36

3.18

Nhiệt độ nƣớc cấp vào lò

83

37

3.19

Mực nƣớc trong lò

84

38

3.20

Vị trí thanh điều khiển trong vùng hoạt

84

39

3.21

Độ phản ứng

84

40

3.22

Thông lƣợng neutron

84

41

3.23

Nhiệt độ nhiên liệu trong lò

85

42

3.24

Công suất nhiệt lò

85


viii

43

3.25

Nhiệt độ hơi nƣớc vào tuabin

85

44

3.26

Áp suất trong lò

85

45

3.27

Giao diện cửa sổ pop-up khi ta thiết lập sự cố

87

46

3.28

Giao diện màn hình khi đang mô phỏng sự cố

88

47

3.29

Mực nƣớc lò

90

48

3.30

Nhiệt độ nƣớc cấp vào lò

90

49

3.31

Vị trí thanh điều khiển trong vùng hoạt

91

50

3.32

Độ phản ứng lò

91

51

3.33

Nhiệt độ hơi nƣớc vào tuabin

91

52

3.34

Thông lƣợng neutron lò

91

53

3.35

Nhiệt độ nhiên liệu trong lò

92

54

3.36

Công suất nhiệt lò

92

55

3.37

Dòng chảy qua lõi lò

92

56

3.38

Áp suất trong lò

92


1

MỞ ĐẦU
Bƣớc sang thế kỉ 21, sự phát triển lớn mạnh của các nền kinh tế trên thế giới
đã thúc đẩy nhu cầu sử dụng năng lƣợng tăng vọt. Cùng với sự gia tăng các hiện
tƣợng bất thƣờng của khí hậu đã cảnh báo các quốc gia cần giảm thiểu tiến tới loại
trừ nguồn năng lƣợng có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch vốn cũng sắp cạn kiệt.
Chính vì vậy, năng lƣợng điện hạt nhân vẫn đã và đang đóng vai trò quan trọng
trong việc giải quyết vấn đề năng lƣợng trên toàn thế giới.
Nhƣng sau thảm họa hạt nhân tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl
(26/4/1986) cùng với một số các tai nạn nghiêm trọng do rò rỉ phóng xạ khác nhƣ
vụ TMI (28/3/1979) tại Mỹ, Tokaimura (30/9/1999) tại Nhật… và mới đây nhất là
sự cố Fukushima xảy ra vào tháng 3 năm 2011 tại Nhật đã khiến dƣ luận thế giới
vẫn còn hoài nghi về tính an toàn của nhà máy điện hạt nhân.
Yêu cầu đặt ra là phải có những nhà máy điện hạt nhân có tính an toàn cao
hơn. Bên cạnh đó, vấn đề đào tạo nguồn nhân lực có kinh nghiệm và chuyên môn
cao để vận hành và ứng phó với các tình huống khẩn cấp là hết sức quan trọng. Việc
đào tạo trong các lĩnh vực lò phản ứng, nhà máy điện hạt nhân có thể thực hiện trên
các lò nghiên cứu, cũng nhƣ có thể sử dụng các phần mềm mô phỏng chuyên dụng.
Đối với các phần mềm mô phỏng, hiện nay có nhiều phần mềm nghiên cứu về hoạt
động lò phản ứng cho loại lò nƣớc nhẹ áp lực cũng nhƣ loại lò nƣớc sôi, nhƣ:

CASSIM, PCTRAN, BWR_V3, WWER-1000…
Trong đề tài này, chúng tôi thực hiện mô phỏng một số sự cố cho nhà máy điện
hạt nhân. Loại lò khảo sát là lò nƣớc sôi BWR (Boiling Water Reactor). Phần mềm
sử dụng là BWR_V3, đây là phần mềm đƣợc cơ quan năng lƣợng nguyên tử quốc tế
IAEA tài trợ năm 2012, dùng trong giảng dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực nhà máy
điện hạt nhân tại trƣờng đại học Khoa Học Tự Nhiên- Thành phố Hồ Chí Minh.
Các sự cố chúng tôi khảo sát bao gồm (1) sự cố mất nƣớc cấp do máy bơm chính
bị hỏng và (2) sự cố mất nhiệt nƣớc cấp khi nƣớc đƣợc bơm vào lò. Ban đầu lò


2

đƣợc giả định hoạt động với công suất 100% (hoạt động bình thƣờng), kế đó chúng
tôi thiết lập sự cố cho máy bơm chính ngƣng hoạt động ở giây thứ 60. Các thông số
trong lò phản ứng, cũng nhƣ các thông số thủy nhiệt học đƣợc ghi nhận lại từ đó
đánh giá kết quả. Thời gian khảo sát đƣợc thực hiện trong khoảng 18000 giây.
Trong đề tài này, chúng tôi cũng trình bày các vấn đề về cơ sở lý thuyết về lò
phản ứng, nguyên lý hoạt động, các thông số lò, thiết bị,… loại lò BWR, và chi tiết
về phần mềm BWR_V3.
Luận văn đƣợc phân bố thành 3 chƣơng chính:
Chƣơng 1: Tổng quan về năng lƣợng hạt nhân và cơ sở lý thuyết lò phản ứng hạt
nhân. Trong chƣơng này, sẽ trình bày có cái nhìn tổng thể về tình hình năng lƣợng
hạt nhân trên thế giới và ở nƣớc ta. Phần lịch sử phát triển, nguyên lý hoạt động các
bộ phận và cấu tạo của lò phản ứng nƣớc sôi BWR đƣợc trình bày ở chƣơng này.
Chƣơng 2: Phần mềm mô phỏng BWR_V3, chúng tôi trình bày 9 giao diện chính
của phần mềm. Qua đó chúng ta sẽ có thể biết đƣợc phần mềm này, các giao diện
cũng nhƣ các thông số vật lý, thủy nhiệt động học….
Chƣơng 3: Mô tả sự cố và phân tích đánh giá kết quả. Trong chƣơng này chúng tôi
sẽ thiết lập sự cố mất nƣớc và mất nhiệt nƣớc cấp. Qua đó các thông số vật lý nhƣ:
thông lƣợng neutron, công suất lò, vị trí nhóm thanh điều khiển, độ phản ứng, áp

suất của lò, nhiệt độ thanh nhiên liệu... Ngoài ra, quá trình khắc phục sự cố và phân
tích các thông số đƣợc đề cập ở chƣơng này.
Phần kết luận và kiến nghị nói lên nhận xét riêng của tác giả trong quá trình
sử dụng phần mềm BWR_V3 để khảo sát sự cố từ khi cho chƣơng trình chạy mô
phỏng đến 1800 giây, những ƣu điểm cũng nhƣ những hạn chế của phần mềm sẽ
đƣợc đề cập. Đồng thời tác giả cũng đƣa ra những kết luận, kiến nghị về phần mềm
BWR_V3.


3

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG HẠT NHÂN VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT
VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
1.1 Tình hình về năng lƣợng điện hạt nhân trên thế giới nói chung và ở Việt
Nam nói riêng
1.1.1 Trên thế giới
Ngày nay, năng lƣợng nguyên tử hạt nhân đóng vai trò rất to lớn và dù muốn
hay không năng lƣợng nguyên tử hạt nhân cũng tồn tại và sẽ phát triển mạnh mẽ để
cung cấp một khối lƣợng lớn năng lƣợng mà nhân loại đang cần. Nhƣ chúng ta đã
biết, dân số thế giới hiện nay là gần 7 tỷ ngƣời và đƣợc dự đoán sẽ tăng lên 90 triệu
ngƣời vào năm 2050[25]. Dân số tăng điều tất yếu sẽ dẫn tới tăng mức tiêu thụ năng
lƣợng.
Hiện nay, nguồn năng lƣợng mà con ngƣời sử dụng chủ yếu lấy từ các nguồn
năng lƣợng hoá thạch nhƣ: than đá, dầu mỏ và khí thiên nhiên… Ngƣời ta tranh
luận rất nhiều xung quanh vấn đề nguyên liệu hoá thạch còn tồn tại đƣợc bao
lâu.Mọi ngƣời đều biết rằng nguồn năng lƣợng hoá thạch thì có giới hạn và mất rất
nhiều thời gian nó mới có thể hình thành. Theo tính toán của các chuyên gia năng
lƣợng quốc tế thì than đá, mặc dù có trữ lƣợng tƣơng đối phong phú, nhƣng cũng
chỉ khai thác đƣợc trong vòng 230 năm là cạn kiệt, còn dầu mỏ là 43 năm và khí

thiên nhiên là 62 năm. Trong khi đó, nhiên liệu Uran nếu tái xử lý có thể sử dụng
hàng ngàn năm, chƣa kể Thori cũng có thể dùng làm nhiên liệu cho nhà máy điện
hạt nhân.Vấn đề sử dụng các dạng năng lƣợng mới nhƣ gió, mặt trời, thuỷ triều,
nhiệt điện … cũng đã và đang đƣợc nghiên cứu. Tuy nhiên, các nguồn năng lƣợng
này cũng chỉ chiếm một tỷ lệ rất nhỏ.
Vì vậy, để trả lời câu hỏi về giải pháp nguồn năng lƣợng mới thay thế nguồn
năng lƣợng hóa thạch ngày càng cạn kiệt. Và năng lƣợng hạt nhân là một phát minh
quan trọng của con ngƣời trong thế kỷ 20, đã dần thay thế nguồn năng lƣợng hóa
thạch. Từ một phát minh thuần túy của vật lý, năng lƣợng hạt nhân đã trở thành một


4

ngành khoa học góp phần quan trọng phục vụ phát triển kinh tế - xã hội trên hai lĩnh
vực là ứng dụng bức xạ, đồng vị phóng xạ và giải quyết thiếu hụt nguồn năng lƣợng
điện cho con ngƣời.
Kể từ ngày nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên thế giới đƣợc đƣa vào vận
hành ở Liên Xô cũ năm 1954 cho đến nay ngành điện hạt nhân đã đạt đƣợc những
thành tựu to lớn, nhƣng cũng gặp phải những sự cố rủi ro, đã ảnh hƣởng lớn đến
tâm lý của nhiều ngƣời dân.
Bƣớc sang thế kỷ 21 khi mà yếu tố môi trƣờng toàn cầu và an ninh năng
lƣợng trở nên có ý nghĩa quyết định và công nghệ điện hạt nhân ngày càng đƣợc
nâng cao thì xu hƣớng phát triển điện hạt nhân đã có những thay đổi tích cực, hứa
hẹn một tƣơng lai tốt đẹp trên phạm vi toàn cầu.
Hiện nay, công nghệ lò phát triển rất phong phú, đa dạng và có trên 10 loại lò
đang đƣợc sử dụng, nghiên cứu phát triển. Rất khó có thể đánh giá ƣu thế tuyệt đối
của loại lò này so với loại lò khác, việc mỗi quốc gia sử dụng và phát triển loại lò
nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
Cho đến nay, thực chất mới có ba loại lò đƣợc công nhận là những công
nghệ đã đƣợc kiểm chứng và đƣợc phát triển nhiều nhất, đó là PWR (Pressurized

Water Reactors), BWR (Boiling Water Reactor) và PHWR (Pressurised Heavy
Water Reactor). Tỷ lệ về số lƣợng của các loại công nghệ nhƣ sau [3]:
- Lò phản ứng nƣớc áp lực (PWR)

: 60%.

- Lò phản ứng nƣớc sôi (BWR)

: 21%.

- Lò nƣớc nặng kiểu CANDU (PHWR) : 7%.
- Các loại lò khác

: 12%

THỐNG KÊ SỐ LƢỢNG LÒ PHẢN ỨNG TRÊN THẾ GIỚI
Theo Cơ quan năng lƣợng nguyên tử thế giới IAEA, tính đến ngày
26/02/2012, trên thế giới có 437 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động (bao gồm cả
6 lò phản ứng của Đài Loan - Trung Quốc).


5

Bảng 1.1: Bảng thống kê về nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động trên thế giới
[12]

Quốc gia
Argentina
Armenia
Bỉ

Brazil
Bulgaria
Canada
Trung Quốc
CH Séc
Phần Lan
Pháp
Đức
Hungary
Ấn Độ
Iran
Nhật Bản
Hàn Quốc
Mexico
Hà Lan
Pakistan
Romania
Liên bang Nga
Slovakia
Slovenia
Nam Phi
Tây Ban Nha
Thụy Điển
Thụy Sỹ
Ukraina
Vƣơng quốc Anh
Hoa Kỳ
Tổng

Số lƣợng

2
1
7
2
2
18
16
6
4
58
9
4
20
1
50
23
2
1
3
2
33
4
1
2
8
10
5
15
18
104

437

Tổng công suất
thuần
(MW)
923
375
5927
1884
1906
12624
11688
3766
2736
63130
12068
1889
4391
915
44215
20671
1300
482
725
1300
23643
1816
688
1830
7567

9326
3263
13107
9920
101240
370345


6

Bảng 1.2: Bảng thống kê số lò phản ứng hạt nhân dừng dài hạn [12]
Quốc gia

Số lƣợng

Tổng công suất thuần
(MW)

Canada

4

2726

Nhật

1

246

Bảng 1.3: Bảng thống kê số lƣợng lò phản ứng hạt nhân trên thế giới [12]
Loại lò

Số lƣợng

Tổng công suất thuần
(MW)

BWR

84

77664

FBR

2

580

GCR

17

8732

LWGR

15

10219

PHWR

47

23160

PWR

272

249990

Tổng

437

370345

Bảng 1.4: Bảng thống kê số lò phản ứng hạt nhân dừng dài hạn trên thế giới [12]

Loại lò

Số lƣợng

Tổng công suất thuần
(MW)

FBR

1

246

PHWR

4

2726

Tổng

5

2972


7

Bảng 1.5: Tên và kí hiệu các loại lò phản ứng thông dụng trên thế giới [3]
Tên các loại lò

Kí hiệu

BWR

Advanced Boiling
Water Reactor
Advanced Gas-Cooled

Reactor
Boiling Water Reactor

FBR

Fast Breeder Reactor

GCR

Gas-Cooled Reactor

HTGR

High Temperature
Gas-Cooled Reactor

HWGCR

Heavy Water Gas
Cooled Reactor

HWLWR

Heavy Water Light
Water Reactor

ABWR
AGR

Ghi chú

Lò nƣớc sôi cải tiến.
Lò cải tiến, dùng Graphite làm chất
làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.
Lò nƣớc sôi
Lò phản ứng sử dụng neutron kích
họat năng lƣợng lớn (neutron nhanh)
Lò phản ứng dùng Graphite làm chất
làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt.
Lò nhiệt độ cao, truyền nhiệt bằng
khí gas, với Graphite làm chất làm
chậm.
Lò phản ứng dùng nƣớc nặng làm
chất làm chậm, gas làm chất truyền
nhiệt.
Lò phản ứng dùng nƣớc nhẹ làm chất
truyền nhiệt, nƣớc nặng làm chất làm
chậm.
Lò phản ứng dùng Graphite làm chất
làm chậm, nƣớc nhẹ làm chất dẫn
nhiệt.

РБМК

PHWR

Pressurised Heavy
Water Reactor

Lò phản ứng áp lực, dùng nƣớc nặng
làm chất truyền nhiệt và làm chậm.

PWR

Pressurized Water
Reactors

Lò phản ứng áp lực, dùng nƣớc nhẹ
làm chất truyền nhiệt.

SGHWR

Steam Generating
Heavy Water Reactor

Lò phản dùng nƣớc nặng làm chất
truyền nhiệt.

ВВЭР

Lò phản ứng nƣớc-nƣớc (kiểu Nga,
tƣơng đƣơng lò PWR).


8

1.1.2 Việt Nam
Việt Nam là nƣớc đang phát triển, đang trong giai đoạn thực hiện quá trình công
nghiệp hóa-hiện đại hóa đất nƣớc nên vấn đề năng lƣợng rất cấp bách và là vấn đề
mang tính quốc gia. Vấn đề này đã đƣợc Quốc hội thảo luận xin ý kiến các đại biểu
về việc xây dựng Nhà máy điện hạt nhân ở Việt Nam, dự án đang đƣợc triển khai

xây dựng ở Ninh Thuận và dự kiến đến năm 2020 sẽ chính thức đƣa vào hoạt động.
Ngoài ra, điện hạt nhân sẽ đóng góp rất lớn vào sự nghiệp công nghiệp hóahiện đại hóa đất nƣớc, góp phần nâng cao trình độ khoa học, công nghệ và công
nghiệp của quốc gia. Phát triển điện hạt nhân dẫn đến phát triển cơ sở hạ tầng, đào
tạo phát triển đội ngũ cán bộ khoa học kỹ thuật và đội ngũ công nhân với trình độ
kỹ thuật cao, thúc đẩy phát triển các cơ quan nghiên cứu triển khai và nhiều ngành
sản xuất công nghiệp, xây dựng. Đây cũng là những đòi hỏi của sự nghiệp công
nghiệp hóa-hiện đại hóa đất nƣớc. Các cƣờng quốc trên thế giới nhƣ Mỹ, Nga,
Trung Quốc, Nhật...đều thông qua chƣơng trình phát triển điện hạt nhân để nâng
cao tiềm lực khoa học, công nghệ và công nghiệp quốc gia. Và mục tiêu của Việt
Nam là phát triển ngành năng lƣợng điện hạt nhân an toàn, hòa bình và bền vững,
để vừa cung cấp đủ năng lƣợng điện cho quốc gia, vừa học tập kinh nghiệm và hợp
tác với những đối tác có nhiều kinh nghiệm trên về lĩnh vực nhà máy điện hạt nhân
trên thế giới. Vấn đề lại đặt ra ở đây là về quản lý nhà máy điện hạt nhân và chủ yếu
là đào tạo nguồn nhân lực để vận hành lò, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho lò.
Với xu thế công nghệ lò nƣớc sôi BWR chiếm tỷ lệ khá cao (khoảng 21%)
trong các loại lò khá phổ biến hiện nay, đƣợc nhiều nƣớc trên thế giới sử dụng có
nhiều kinh nghiệm trong xây dựng, vận hành, bảo dƣỡng, có nhiều kết quả nghiên
cứu và thử nghiệm mộ hình…. Trong luận văn này, chúng ta sẽ tìm hiểu loại lò
nƣớc sôi BWR cũng nhƣ mô phỏng các sự cố có thể xảy ra đối với lò này.


9

1.2 Lò phản ứng hạt nhân nƣớc sôi
1.2.1 Giới thiệu về sự hình thành và phát triển của lò nƣớc sôi
1.2.1.1 Thế hệ I (1950 – 1960)
Các lò phản ứng thế hệ thứ nhất đƣợc xây dựng vào những năm 1955-1965,
tập trung chủ yếu ở Hoa Kỳ, Liên Xô, Nhật Bản, Thụy Điển và Vƣơng quốc Anh.
Các lò thuộc thế hệ này bắt nguồn từ những mẫu thiết kế ban đầu đƣợc phát triển để
sử dụng trên tàu biển cuối những năm 1940. Thiết kế ban đầu lò 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: Shippingport, Dresden-1, Magnox và Calder Hall-1 ở Vƣơng quốc
Anh.Một số lò phản ứng điển hình của các lò thế I.
Shippingport
 Lò phản ứng Shippingport
đƣợc đƣa vào vận hành năm
1957

tại

Shippingport,

Pennsylvania, Hoa Kỳ và hoạt
động tới năm 1982. Là lò phản
ứng nƣớc áp lực.
 Làm chậm và làm lạnh bằng
nƣớc nhẹ H2O.
 Nhiên

liệu:

hợp

Uranium UO2 làm giàu cao.
 Công suất 60 MW.

Hình 1.1: Lò phản ứng Shippingport

kim

10

Dresden-1
 Lò phản ứng nƣớc sôi
thƣơng mại đầu tiên.
 Bắt đầu xây dựng vào năm
1956 và đƣợc nối với mạng
diện vào năm 1960.
 Ngƣng hoạt động ngày
31/10/1978.
 Làm chậm và làm lạnh
bằng nƣớc nhẹ H2O.
 Nhiên

liêu:

hợp

kim

Uranium UO2 làm giàu cao.
Công suất tổng: 207 MW.

Hình 1.2: Lò phản ứng Dresden-1

1.2.1.2 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 thƣơng mại kiểu nƣớc dƣới áp lực (PWR) và kiểu nƣớc

sôi (BWR). Các lò phản ứng này, thƣờng đƣợc gọi là lò phản ứng nƣớc nhẹ (LWR),
sử dụng các phƣơng 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 (ví dụ: sử dụng van giảm áp) và làm việc không cần đến ngƣời điều
khiểnhoặc 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 nƣớc
sôi) của châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật; WER và RBMK (của Nga); Candu nƣớc nặng (của
Canada, Ấn Độ), HTGR (High Temperature Helium Gas), LMFR (Liquid metal
cooled reactor).


11



Lò nƣớc sôi
Đối với kiểu lò này thì chỉ duy trì có một hệ thống nƣớc. Nƣớc vừa hấp thụ

nhiệt từ các phản ứng hạt nhân trong lò để biến nƣớc thành hơi nƣớc và hơi nƣớc
với áp suất đƣợc dẫn thẳng đến tuabin để quay máy phát điện. Trong loại lò phản
ứng này, nƣớc đƣợc truyền qua lõi lò phản ứng, hoạt động nhƣ những dung dịch
trung hòa và môi trƣờng làm nguội, là nguồn hơi nƣớc để làm quay tuabin. Lò
BWR hoạt động ở điều kiện áp suất 70 atm, ở đó nhiệt độ sôi của nƣớc là 285oC.
Môi trƣờng nhiệt độ này làm cho hiệu suất Carnot chỉ đạt đƣợc 42%, thực tế nguồn
điện năng sinh ra chỉ có khoảng 32%, thấp hơn so với loại lò nƣớc áp lực (PWR).

Hơi nƣớc
Thùng lò
Tách và
làm khô

Nƣớc cấp

Tuabin

Máy
bơm

Bơm tuần hoàn

Bộ ngƣng tụ

Hình 1.3: Mô hình lò phản ứng hạt nhân nƣớc sôi


12



Lò nƣớc nhẹ áp lực
Gồm hai hệ thống nƣớc tách biệt và nƣớc không pha trộn vào nhau. Hệ thống

chính có nhiệm vụ hấp thụ nhiệt từ các phản ứng trong lò dƣới áp suất rất cao và
dòng nƣớc nóng này đƣợc chảy qua hệ thống ống trong bình giải nhiệt. Tại đây,
nhiệt đƣợc hệ thống nƣớc thứ hai nhận và biến nƣớc thành hơi nƣớc. Dƣới áp suất
cao, dòng hơi nƣớc này đƣợc 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.
1.2.1.3 Lò thế hệ III và III+
Các lò chuyển tiếp thế hệ III đƣợc phát triển trong những năm 1990 với ƣu
thế đặc thù là khả năng tự động cao hơn thế hệ II, công nghệ nhiên liệu đƣợc 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 ngƣời vận hành. Thêm vào đó, các thiết kế trọng
lực hoặc đối lƣu tự nhiên nâng cao khả năng tự bảo vệ của chúng dƣới 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 đƣợc xây dựng đầu tiên ở Nhật Bản. Phần Lan
là nƣớc 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 EPR để thay thế các lò hết thời hạn
vận hành vào khoảng các năm 2017-2022.
Một số kiểu lò điển hình
AP600 là một mô hình tƣơng đối nhỏ, nhà máy điện hạt nhân công suất 600
MWe đƣợc thiết kế bởi Công ty Westinghouse Electric. AP600 này có các tính năng
antoàn thụ động đặc trƣng nhƣ các thế hệ lò phản ứng III.


13

ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) là lò phản ứng thế hệ thứ ba dựa
trênlò phản ứng nƣớc sôi, khởi đầu do General Electric (GE) thiết kế. Thiết kế
chuẩn của nhà máy sử dụng lò ABWR có 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 trƣớc 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 Thụy Điển. Nhờ loại bỏ hệ thống bơm ngoài, nhà máy đạt hiệu suất cao hơn,
tiết giảm chi phí và an toàn hơn.
1.2.1.4 Lò thế hệ IV
Về ý tƣởng thiết kế, lò phản ứng thế hệ IV có mọi đặc điểm của các lò thế hệ
III+, cộng thêm khả năng hỗ trợ sản xuất hyđro, thu hồi nhiệt và thậm chí cả việc

khử muối mặn trong nƣớc. Các lò tƣơng lai này có khuynh hƣớng tiến tới chu kỳ
kín, nghĩa là các lò phải có khả năng đốt cháy phần lớn chất thải (lò nhanh) để đáp
ứng 4 tiêu chuẩn chính là tiết kiệm tài nguyên; tiết kiệm về chu kỳ nhiên liệu; hạn
chế chất thải phóng xạ; hạn chế sự lan rộng vũ khí nguyên tử. Ngoài ra, các thiết kế
này còn bao gồm việc quản lý các nguyên tố actinit. Actinit là các nguyên tố hoá
học có số thứ tự nguyên tử từ 89 (Actini) tới 103 (Lôrenxi); thuật ngữ này thƣờng
áp dụng cho các nguyên tố nặng hơn Uran, còn đƣợc gọi là các chất siêu Uran. Các
nguyên tố actinit đều là chất phóng xạ, thƣờng có chu kỳ bán rã dài và chiếm tỉ lệ
đáng kể trong nhiên liệu thải từ các lò LWR.
Nhìn chung, các hệ thống thế hệ IV bao gồm việc tái chế hoàn toàn các
nguyên tố Actinit và các công trình chu kỳ nhiên liệu tại chỗ, dựa trên các phƣơng
án xử lý tiên tiến dùng nƣớc (Aqueous), nhiệt luyện kim (pyrometallurgical) hoặc
phƣơng pháp khô khác. Tái xử lý tại chỗ cho phép giảm vận chuyển vật liệu hạt
nhân, một vấn đề làm tăng rủi ro phổ biến hạt nhân.


14

1.2.2 Phân loại các loại lò phản ứng hạt nhân nƣớc sôi
Có nhiều cách phân loại lò phản ứng hạt nhân, dƣới đây là cách phân loại
phổ biến nhất, dựa vào các chất làm chậm và chất truyền nhiệt sử dụng trong lò
phản ứng.
1.2.2.1 Lò phản ứng nƣớc – nƣớc
Các thanh nhiên liệu đƣợc xếp trong hộp đặt trong vùng phản ứng.Nƣớc vừa
làm chất truyền nhiệt, vừa làm chất làm chậm. Nƣớc làm chất truyền nhiệt đƣợc đƣa
vào bên trong lò phản ứng, chạy dọc theo vùng phản ứng từ dƣới lên trên. Áp suất
trong lò phản ứng nƣớc-nƣớc khoảng 1-2MPa.
Lò nƣớc áp lực tạo hơi gián tiếp: chất tải nhiệt vòng sơ cấp, đƣợc giữ ở trạng
thái lỏng dƣới áp suất cao, mang nhiệt từ lò hạt nhân tới thiết bị sinh hơi, tại đây
diễn ra trao đổi nhiệt với vòng thứ cấp và hơi đƣợc tạo ra rồi dẫn tới tuabin.

Lò nƣớc sôi sinh hơi trực tiếp bằng cách làm sôi chất tải nhiệt trong lò. Hơi
đƣợc tách ra khỏi chất lỏng trong một thiết bị phân tách đặt phía trên vùng hoạt
động, sau đó đƣợc đƣa tới tuabin.
1.2.2.2 Lò phản ứng graphite
Graphite đƣợc sử dụng làm chất làm chậm, chất truyền nhiệt trong lò phản
ứng Graphite có thể là nƣớc nhẹ, nƣớc nặng, gas hoặc kim loại nóng chảy.
Các thanh nhiên liệu đƣợc xếp trong các ống dẫn cùng các chất truyền nhiệt.
Bao quanh các ống dẫn là Graphite. Ở nhiệt độ cao, Graphite xảy ra phản ứng với
không khí, do đó chất làm chậm Graphite đƣợc xếp vào trong các hộp kín làm bằng
kim loại. Lớp bảo vệ sinh học đƣợc làm bằng bê tông dày, khí trơ Heli hoặc CO2
bơm vào bên trong lò phản ứng.
1.2.2.3 Lò phản ứng sử dụng neutron kích hoạt năng lƣợng lớn (neutron
nhanh)