Mô phỏng cơ chế mất nước làm mát lò phản ứng nước áp lực PWR bằng phần mềm PCTran

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

NGUYỄN MINH NHẬT

MÔ PHỎNG SỰ CỐ MẤT NƯỚC LÀM MÁT
LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC ÁP LỰC BẰNG
PHẦN MỀM PCTRAN

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

TP. HỒ CHÍ MINH – 2012


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

NGUYỄN MINH NHẬT

MÔ PHỎNG SỰ CỐ MẤT NƯỚC LÀM MÁT
LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC ÁP LỰC BẰNG
PHẦN MỀM PCTRAN
Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử, Hạt nhân và Năng lượng cao
Mã số: 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Người hướng dẫn khoa học: TS. VÕ HỒNG HẢI

TP. HỒ CHÍ MINH - 2012

i

LỜI CẢM ƠN
Luận văn này là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu tại trường 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 20
chuyên ngành Vật lý hạt nhân.
Đặc biệt tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS Võ
Hồng Hải, người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tác giả nghiên cứu đề tài và hoàn
chỉnh luận văn.
Xin cảm ơn thầy PGS. TS Châu Văn Tạo, trưởng bộ môn Vật lý hạt nhân
trường Đại học Khoa học tự nhiên Thành phố Hồ Chí Minh. Người đã có những ý
kiến đóng góp và tạo mọi điều kiện, môi trường làm việc tốt để tác giả hoàn thành
luận văn.
Xin cảm ơn Th.S Nguyễn Quang Duy đã hỗ trợ cho tác giả nhiều tài liệu quan
trọng trong luận văn.
Mặc dù bản thân đã rất cố gắng nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi
những thiếu sót, rất mong được nhận những ý kiến đóng góp bổ sung của quý thầy
cô.

Thành phố Hồ Chí Minh, ngày 15 tháng 09 năm 2012
Tác giả luận văn
Nguyễn Minh Nhật


ii

MỤC LỤC
Trang

LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................. i
MỤC LỤC.................................................................................................................. ii
DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT.................................................................. vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................ vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. viii
MỞ ĐẦU................................................................................................................... xi
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN VÀ CƠ SỞ LÝ
THUYẾT VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ...................................................1
1.1. Tình hình về năng lượng điện hạt nhân trên thế giới nói chung và ở Việt Nam
nói riêng.......................................................................................................................1
1.1.1. Trên thế giới....................................................................................................1
1.1.2. Việt Nam .........................................................................................................4
1.2. Lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ áp lực hai vòng .................................................5
1.2.1. Giới thiệu về lò nước nhẹ áp lực hai vòng......................................................5
1.2.2. Cấu trúc lò phản ứng nước nhẹ áp lực hai vòng .............................................7
1.2.2.1. Nguyên tắc thiết kế nhà máy .....................................................................7
1.2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nhà máy ...........................................9
1.3. Vật lý lò phản ứng hạt nhân ...............................................................................23
1.3.1. Neutron..........................................................................................................23
1.3.2. Tán xạ và hấp thụ neutron.............................................................................25
1.3.3. Phản ứng phân hạch hạt nhân .......................................................................26
1.3.4. Phản ứng dây chuyền ....................................................................................29


iii

1.3.4.1. Khái niệm.................................................................................................29
1.3.4.2. Điều khiển phản ứng dây chuyền ............................................................30
1.3.4.3. Chu trình neutron và công thức 6 hệ số ...................................................31
1.4. Cơ sở vật lý trong điều khiển lò phản ứng .........................................................34

1.4.1. Độ phản ứng..................................................................................................34
1.4.2. Động học lò phản ứng...................................................................................35
1.4.2.1. Những đáp ứng của lò phản ứng với sự thay đổi từng bước độ phản ứng
dương ....................................................................................................................35
1.4.2.2. Chu kỳ lò phản ứng..................................................................................35
1.4.2.3. Vai trò của neutron trễ .............................................................................36
1.4.2.4. Phương trình động học lò điểm ...............................................................38
1.4.3. Sự thay đổi của độ phản ứng do ảnh hưởng của nhiệt độ và khoảng trống..38
1.4.3.1. Độ phản ứng như một hàm của công suất lò ...........................................38
1.4.3.2. Cơ sở vật lí do những ảnh hưởng của nhiệt độ tới độ phản ứng..............39
1.4.4. Nhiễm độc của sản phẩm phân hạch.............................................................41
1.4.4.1. Những ảnh hưởng của nhiễm độc sản phẩm phân hạch tới độ phản ứng 42
1.4.4.2. Sự tích tụ độ phản ứng Xenon .................................................................42
1.4.4.3. Sự tích tụ của Iốt và Xenon tới hàm lượng cân bằng ..............................43
1.4.4.4. Những hiệu ứng tức thời của Xenon........................................................45
CHƯƠNG 2 - GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG PCTRAN PWR CỦA
MICRO SIMULATION TECHNOLOGY PHIÊN BẢN 4.0.8 ................................46
2.1. Giới thiệu phần mềm PCTRAN- 4.0.8...............................................................46
2.2. Hệ thống nhà máy nước áp lực hai vòng trong phần mềm PCTRAN PWR,
phiên bản 4.0.8 ..........................................................................................................47


iv

2.2.1. Hệ thống nhà máy PWR trong PCTRAN .....................................................52
2.2.2. Kiểm soát công suất lò ..................................................................................52
2.2.3. Kiểm soát mực nước bình điều áp ................................................................52
2.2.4. Kiểm soát áp suất bình điều áp .....................................................................53
2.2.5. Kiểm soát bình sinh hơi ................................................................................53
2.2.6. Hệ thống bảo vệ lò ........................................................................................54

2.2.7. Hệ làm mát vùng hoạt khẩn cấp....................................................................54
2.2.8. Hệ thống nhà lò .............................................................................................54
CHƯƠNG 3 - MÔ TẢ SỰ CỐ VÀ PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG LÒ PWR- 2
VÒNG BẰNG PHẦN MỀM PCTRAN....................................................................55
3.1. Sự cố hệ thống máy bơm nước cấp cho bình sinh hơi ngừng hoạt động...........56
3.1.1. Mô tả sự cố....................................................................................................56
3.1.2. Thiết lập điều khiển mô phỏng .....................................................................57
3.1.3. Chạy mô phỏng .............................................................................................57
3.2. Sự cố hệ thống máy bơm nước cấp cho bình sinh hơi ngừng hoạt động và hai
van cung cấp nước bị khóa........................................................................................59
3.2.1. Mô tả sự cố....................................................................................................59
3.2.2. Thiết lập điều khiển mô phỏng .....................................................................59
3.2.3. Chạy mô phỏng .............................................................................................59
3.3. Sự cố hệ thống máy bơm nước cấp cho bình sinh hơi ngừng hoạt động, hai van
cung cấp nước bị khóa và hai máy bơm tải nhiệt chính (RCP) bị hỏng ...................60
3.3.1. Mô tả sự cố....................................................................................................60
3.3.2. Thiết lập điều khiển mô phỏng .....................................................................60
3.3.3. Chạy mô phỏng .............................................................................................61


v

CHƯƠNG 4 - PHÂN TÍCH KẾT QUẢ MÔ PHỎNG .............................................62
4.1. Sự cố hệ thống máy bơm nước cấp cho bình sinh hơi bị ngừng hoạt động.......63
4.1.1. Kết quả mô phỏng .........................................................................................63
4.1.2. Phân tích kết quả mô phỏng sự cố hệ thống máy bơm nước cấp cho bình
sinh hơi bị ngừng hoạt động ...................................................................................70
4.2. Sự cố hệ thống máy bơm nước cấp cho bình sinh hơi ngừng hoạt động và hai
van cung cấp nước bị khóa........................................................................................71
4.2.1. Kết quả mô phỏng .........................................................................................71

4.2.2. Phân tích kết quả mô phỏng sự cố hệ thống máy bơm nước cấp cho bình
sinh hơi ngừng hoạt động và hai van cung cấp nước bị khóa.................................78
4.3. Sự cố hệ thống máy bơm nước cấp ngừng hoạt động, hai van cung cấp nước bị
khóa và hai máy bơm tải nhiệt chính (RCP) bị hỏng ................................................79
4.3.1. Kết quả mô phỏng .........................................................................................79
4.3.2. Phân tích kết quả mô phỏng sự cố hệ thống máy bơm nước cấp cho bình
sinh hơi ngừng hoạt động, hai van cung cấp nước bị khóa và hai máy bơm tải nhiệt
chính (RCP) bị hỏng ...............................................................................................87
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ...................................................................................88
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC .............................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................92
PHỤ LỤC..................................................................................................................93
Phụ lục 1: Bảng các thông số trong PCTRAN..........................................................93
Phụ lục 2: Hình mẫu các thiết bị trong lò áp lực nước nhẹ của Westinghouse ........95


vi

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
ACC

Accumulators

Bộ tích trữ

BWR

Boiling Water Reactor

Lò phản ứng nước sôi

CANDU

Canada Deuterium Uranium

CVCS

Chemical and Volume Control System

ECCS

Emergency Core Cooling Systems

HPSI

High Pressure Safety Injection

IAEA

International Atomic Energy Agency

Cơ quan NLNT quốc tế

IC

Initial Conditions

Điều kiện ban đầu

LPSI

Low Pressure Safety Injection

MST

Micro Simulation Technology

NMĐHN

Nhà máy điện hạt nhân

PCTRAN Personal Computer Transient Analyzer
PHWR

Pressurized Heavy- Water- moderated
Reactor

Hệ thống kiểm soát hóa
chất
Hệ làm mát vùng hoạt khẩn
cấp
Hệ thống phun an toàn áp
suất cao

Hệ thống phun an toàn áp
suất thấp
Công ty sản xuất phần
mềm

Phần mềm mô phỏng

Lò nước nặng

PRZ

Pressurizer

Bình điều áp

PWR

Pressurized Water Reactor

Lò nước áp lực

RCP

Reactor Coolant Pumps

Máy bơm chất tải nhiệt

RWST

Refueling Water Storage Tank

Bể lưu trữ dự phòng

SG

Steam Generator

Bình sinh hơi

TBV

Turbine Bypass Valve

Van vòng tuốc bin

TCV

Turbine Control Valve

Van điều khiển tuốc bin


vii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1: Phân bố điện hạt nhân trên thế giới (Tính đến 31.12.2011) .....................3
Bảng 1.2: Tiết diện tán xạ, hấp thụ và phân hạch của một số hạt nhân ..................26
Bảng 1.3: Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết của một số hạt nhân ..........27
Bảng 3:

Các thông số của lò phản ứng trong điều kiện hoạt động bình thường ............ 56

Bảng 4 :

Kịch bản mô phỏng 3 sự cố lần lượt theo thời gian .......................................... 62

viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1:

Sơ đồ cấu trúc của hệ thống lò phản ứng nước áp lực PWR- 2 vòng .....6

Hình 1.2:

Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân PWR- 2 vòng ...........................................7

Hình 1.3:

Sơ đồ cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân .....................................8

Hình 1.4:

Cấu tạo của bình sinh hơi ......................................................................14

Hình 1.5:

Cấu tạo của máy bơm tải nhiệt ..............................................................15

Hình 1.6:

Cấu tạo của bình điều áp .......................................................................17

Hình 1.7:

Hệ thống bơm nước an toàn ..................................................................20

Hình 1.8:

Hệ thống phun làm mát thùng bao ........................................................21

Hình 1.9:

Kích thước và cấu tạo nguyên tử...........................................................24

Hình 1.10: Sơ đồ phân rã beta của neutron .............................................................24
Hình 1.11: Sơ đồ đơn giản của nguyên lý phản ứng phân hạch ..............................28
Hình 1.12: Hình vẽ biểu diễn sơ đồ hệ số nhân trong chu trình neutron.................33
Hình 2.1:

Các trạng thái của máy bơm trên giao diện hệ thống ............................47

Hình 2.2:

Các trạng thái của van trên giao diện hệ thống .....................................48

Hình 2.3:

Các trạng thái của quạt làm mát trên giao diện hệ thống ......................48

Hình 2.4:

Các trạng thái của máy bơm trên giao diện hệ thống ............................48

Hình 2.5:

Giao diện chính của phần mềm .............................................................49

Hình 3.1:

Menu Restart/ Initial Condition.............................................................57

Hình 3.2:

Danh sách các điều kiện ban đầu trong cửa sổ IC.................................57

Hình 3.3:

Máy bơm chính chuyển từ hoạt động sang ngừng hoạt động ...............58

Hình 3.4:

Danh sách vẽ các biểu đồ ......................................................................58

Hình 3.5:

Van cung cấp nước đang hoạt động chuyển sang ngừng hoạt động .....60

Hình 3.6:

Máy bơm RCP đang hoạt động chuyển sang ngừng hoạt động ............61

Hình 4.1:

Giao diện phần mềm mô phỏng tai nạn trong 720 giây ........................63

Hình 4.3:

Lưu lượng nước bay hơi trong bình sinh hơi A (WSTA)......................66

Hình 4.2:

Lưu lượng nước bơm vào bình sinh hơi A (WFWA)............................66

Hình 4.5:

Áp suất trong bình sinh hơi A (PSGA) .................................................66

Hình 4.4:

Mực nước trong bình sinh hơi A (LSGA) .............................................66


ix

Hình 4.7:

Lưu lượng nước bơm vào lò từ máy bơm áp lực cao (WHPI) ..............66

Hình 4.6:

Lưu lượng nước bơm vào của máy bơm làm mát khẩn cấp (WECS) ...66

Hình 4.8:

Độ biến đổi công suất nhiệt của lõi (PWR)...........................................67

Hình 4.9:

Độ biến đổi mực nước bình điều áp (LVPZ).........................................67

Hình 4.10: Nhiệt độ của chân nóng (THA) và nhiệt độ của chân lạnh (TCA) của
bình sinh hơi A ......................................................................................67
Hình 4.11: Thông lượng neutron sinh ra (PWNT) ..................................................67
Hình 4.12: Nhiệt độ cao nhất của nhiên liệu (TFPK) và của vỏ bọc nhiên liệu
(TPCT)...................................................................................................68
Hình 4.13: Hoạt độ của các đồng vị Iốt sinh ra trong hệ thống sơ cấp khi lò hoạt
động bình thường...................................................................................68
Hình 4.14: Hoạt độ của các đồng vị Iốt sinh ra trong hệ thống sơ cấp ...................68
Hình 4.15: Hoạt độ của các đồng vị Xenon sinh ra trong hệ thống sơ cấp khi lò
hoạt động bình thường...........................................................................69
Hình 4.16: Hoạt độ của các đồng vị Xenon sinh ra trong hệ thống sơ cấp .............69
Hình 4.17: Hoạt độ của các đồng vị Krypton sinh ra trong hệ thống sơ cấp khi lò
hoạt động bình thường...........................................................................69
Hình 4.18: Hoạt độ của các đồng vị Krypton sinh ra trong hệ thống sơ cấp ..........69
Hình 4.19: Giao diện phần mềm mô phỏng tai nạn trong 10000 giây ....................71
Hình 4.20: Lưu lượng nước bay hơi trong bình sinh hơi A (WSTA)......................73
Hình 4.21: Lưu lượng nước bơm vào bình sinh hơi A (WFWA)............................73
Hình 4.22: Nhiệt độ của chân nóng (THA) và nhiệt độ của chân lạnh (TCA) của
bình sinh hơi A ......................................................................................73
Hình 4.23: Áp suất trong bình sinh hơi A (PSGA) .................................................73
Hình 4.24: Lưu lượng nước bơm vào của máy bơm làm mát khẩn cấp (WECS) ...74
Hình 4.25: Độ biến đổi mực nước bình điều áp (LVPZ).........................................74
Hình 4.26: Lưu lượng nước bơm vào lò từ máy bơm áp lực cao (WHPI) ..............74
Hình 4.27: Thể tích chất lỏng trong hệ thống làm mát lò (VOL)............................74

x

Hình 4.28: Nhiệt độ cao nhất của nhiên liệu (TFPK) và của vỏ bọc nhiên liệu
(TPCT)...................................................................................................76
Hình 4.29: Nhiệt độ trung bình của hệ thống làm mát lò (TAVG) .........................76
Hình 4.30: Thông lượng neutron sinh ra (PWNT) ..................................................76
Hình 4.31: Độ biến đổi công suất nhiệt của lõi (PWR)...........................................76
Hình 4.32: Hoạt độ của các đồng vị Xenon sinh ra trong hệ thống sơ cấp .............77
Hình 4.33: Hoạt độ của các đồng vị Iốt sinh ra trong hệ thống sơ cấp ...................77
Hình 4.34: Hoạt độ của các đồng vị Krypton sinh ra trong hệ thống sơ cấp ..........77
Hình 4.35: Giao diện phần mềm mô phỏng tai nạn trong 13717,5 giây chuyển sang
màu cam.................................................................................................80
Hình 4.36: Giao diện phần mềm mô phỏng tai nạn trong 14436 giây ....................80
Hình 4.37: Áp suất trong bình sinh hơi A (PSGA) .................................................81
Hình 4.38: Lưu lượng nước bơm vào bình sinh hơi A (WFWA)............................81
Hình 4.39: Nhiệt độ của chân nóng (THA) và nhiệt độ của chân lạnh (TCA) của
bình sinh hơi A ......................................................................................81
Hình 4.40: Lưu lượng dòng chảy làm mát lò qua vòng A (WRCA) .......................83
Hình 4.41: Thể tích chất lỏng trong hệ thống làm mát lò (VOL)............................83
Hình 4.42: Nhiệt độ trung bình của hệ thống làm mát lò (TAVG) .........................83
Hình 4.43: Độ biến đổi mực nước bình điều áp (LVPZ).........................................84
Hình 4.44: Lưu lượng nước bơm vào lò từ máy bơm áp lực cao (WHPI) ..............84
Hình 4.45: Thông lượng neutron sinh ra (PWNT) ..................................................84
Hình 4.46: Lưu lượng nước bơm vào của máy bơm làm mát khẩn cấp (WECS) ...84
Hình 4.47: Độ nóng chảy của vỏ bọc nhiên liệu (FRCL)........................................85
Hình 4.48: Nhiệt độ cao nhất của nhiên liệu (TFPK) và của vỏ bọc nhiên liệu
(TPCT)...................................................................................................85
Hình 4.49: Khối lượng khí H2 sinh ra từ phản ứng Zr - H2O (MH2).....................85
Hình 4.50: Hoạt độ của các đồng vị Xenon sinh ra trong hệ thống sơ cấp .............86

Hình 4.51: Hoạt độ của các đồng vị Iốt sinh ra trong hệ thống sơ cấp ...................86
Hình 4.52: Hoạt độ của các đồng vị Krypton sinh ra trong hệ thống sơ cấp ..........86


xi

MỞ ĐẦU
Năm 2012, năng lượng điện hạt nhân vẫn tiếp tục đóng vai trò quan trọng
trong việc sản xuất điện năng trên toàn thế giới. Mặc dù tai nạn tại nhà máy điện hạt
nhân Fukushima Daiichi năm 2011 ở Nhật Bản đã gây ra nỗi ám ảnh, nguy hiểm
trên thế giới, nhưng cũng không phủ nhận vai trò quan trọng điện hạt nhân trong
việc thúc đẩy nền kinh tế phát triển. Theo số liệu mới nhất công bố 31/12/2011 của
Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), hiện nay trên toàn cầu có 435 tổ
máy điện hạt nhân đang vận hành, với tổng công suất điện là 369 GW(e), lượng
điện phát điện hạt nhân chiếm 12,3 % sản lượng điện toàn cầu và có khoảng 65 tổ
máy điện hạt nhân đang tiến hành xây dựng. Thứ tự các quốc gia có nhiều tổ máy
điện hạt nhân nhất: Mỹ 104 tổ máy, Pháp 58, Nhật Bản 50, Nga 33, Hàn Quốc 21,
Ấn Độ 20, Anh 18, Canada 18, Trung Quốc 16, Ukraine 15, Đức 9. Châu Á đang là
khu vực có nhịp độ phát triển điện hạt nhân cao nhất [10].
Cùng với xu hướng phát triển điện hạt nhân trên thế giới, Việt Nam đã có dự
án xây nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở Ninh Thuận và đang được tiến hành, dự
kiến đến năm 2020 sẽ chính thức đưa vào hoạt động.
Vấn đề đặt ra để xây dựng cũng như quản lý nhà máy điện hạt nhân
(NMĐHN) là đào tạo nguồn nhân lực, sự vận hành, độ an toàn, các sự cố có thể xảy
ra. Nó quyết định sự thành, bại của chương trình điện hạt nhân.
Bên cạnh vai trò tích cực của điện hạt nhân thì sự an toàn của nhà máy, đề
phòng các sự cố xảy ra và quản lý nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng cũng là một
vấn đề cần phải được quan tâm.
Vì vậy, việc sử dụng phần mềm để mô phỏng hoạt động của lò phản ứng để
học tập và nghiên cứu trở nên cần thiết. Nó cho phép chúng ta dự đoán các sự cố và

từ đó đưa ra phương pháp giải quyết - điều mà khó thực nghiệm trên nhà máy thực.
Hiện nay có rất nhiều phần mềm mô phỏng về hoạt động lò phản ứng như:
CASSIM, RELAP, CATHARE, PCTRAN… Trong đề tài này, chúng tôi chọn phần
mềm PCTRAN (Personal Computer Transient Analyzer) [6] để thực hiện mô phỏng
sự cố mất nước làm mát do tuốc bin chính bị ngừng hoạt động trong lò phản ứng.


xii

Điểm đặc biệt của phần mềm này là PCTRAN chú trọng mô phỏng về tai nạn đối
với lò phản ứng. Chúng tôi thực hiện cho loại lò áp lực nước nhẹ (PWR) 2 vòng đây là loại lò mà Việt Nam dự định sử dụng cho nhà máy điện hạt nhân. Phần mềm
PCTRAN/PWR được sử dụng trong đề tài này là một trong những phần mềm mô
phỏng lò phản ứng đã và đang sử dụng ở nhiều nước trên thế giới như: Germany,
Switzerland, Pakistan, Japan, India, Korea, Taiwan…


1

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN
VÀ CƠ SỞ LÝ THUYẾT VẬT LÝ LÒ PHẢN
ỨNG HẠT NHÂN
1.1. Tình hình về năng lượng điện hạt nhân trên thế giới nói chung và ở Việt
Nam nói riêng
1.1.1. Trên thế giới
Năng lượng hạt nhân là một phát minh quan trọng của con người trong thế kỷ
20. Từ một phát minh thuần túy của vật lý cơ bản. Năng lượng hạt nhân đã trở thành
một ngành khoa học góp phần quan trọng phục vụ phát triển kinh tế - xã hội trên hai
lĩnh vực là ứng dụng bức xạ và đồng vị phóng xạ trong các ngành kinh tế - xã hội và
giải quyết thiếu hụt nguồn năng lượng điện cho con người.

Điện hạt nhân (ĐHN) đã có lịch sử phát triển 50 năm kể từ ngày nhà máy
ĐHN đầu tiên trên thế giới được đưa vào vận hành ở Liên Xô cũ năm 1954. Kể từ
ngày đó đến nay ngành ĐHN đã đạt được những thành tựu đáng kể, nhưng cũng gặp
phải những rủi ro nặng nề, đã có những thời kỳ phát triển rực rỡ, nhưng cũng có
những bước thăng trầm.
Bước sang thế kỷ 21 khi mà yếu tố môi trường toàn cầu và an ninh năng lượng
trở nên có ý nghĩa quyết định và công nghệ ĐHN ngày càng được nâng cao thì xu
hướng phát triển ĐHN đã có những thay đổi tích cực, hứa hẹn một tương lai tốt đẹp
trên phạm vi toàn cầu. Nhiều dự báo về nhu cầu năng lượng đã được tiến hành. Tuy
nhiên, tất cả các dự báo tin cậy đều cho thấy sự tăng rất lớn về nhu cầu năng lượng
toàn cầu trong 50 năm tới chủ yếu do tăng dân số và tăng mức sống trong các nước
đang phát triển, mặc dù một số nước phát triển trong khối Tổ chức hợp tác và phát
triển kinh tế (OECD) có thể giảm việc sử dụng năng lượng do áp dụng các công
nghệ mới tiêu tốn ít năng lượng.


2

Những lý do mà thế giới xem điện hạt nhân là công nghệ phát triển bền vững
bởi vì:
-

Chỉ số an toàn của điện hạt nhân cao hơn nhiều so với chỉ số an toàn của các

phương thức sản xuất điện phổ biến khác.
-

Sử dụng điện hạt nhân hầu như không gây ra ô nhiễm môi trường.

-

Ðiện hạt nhân giúp bảo toàn những nguồn nhiên liệu hóa thạch cho các thế

hệ tương lai.
-

Chi phí điện hạt nhân có tính cạnh tranh và đang ngày càng giảm.

-

Chất thải của điện hạt nhân có thể được bảo quản ổn định và lâu dài.
Hiện nay, công nghệ lò phát triển rất phong phú và đa dạng. Hiện có trên 10

loại lò đang được sử dụng và nghiên cứu phát triển. Rất khó có thể đánh giá ưu 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. Mặc dù số loại lò nhiều như vậy nhưng đa
số hoặc đã bị loại bỏ khỏi xu hướng phát triển hoặc đang ở trạng thái thử nghiệm.
Cho đến nay, thực chất mới có ba loại lò được công nhận là những công nghệ
đã được kiểm chứng và được phát triển nhiều nhất, đó là PWR, BWR và PHWR. Tỷ
lệ về số lượng của các loại công nghệ như sau [3]:
-

Lò phản ứng nước áp lực (PWR): 60%.

-

Lò phản ứng nước sôi (BWR): 21%.

-

Lò nước nặng kiểu CANDU (PHWR): 7%.


3

Bảng 1.1: Phân bố điện hạt nhân trên thế giới (Tính đến 31.12.2011) [10]
Nhà máy điện hạt

Nhà máy điện hạt

Điện hạt nhân

nhân đang vận

nhân đang xây

cung cấp trên thế

hành

dựng

giới năm 2011

Quốc gia
Số
lượng

Lượng
điện cung

cấp MW(e)

ARGENTINA

2

935

ARMENIA

1

BỈ

Số
lượng
1

Lượng
điện cung

Tỷ lệ phần
TW-h

cấp MW(e)

cấp
5,9

5,0

375

2,4

33,2

7

5927

45,9

54,0

BRAZIL

2

1884

1

1245

14,8

3,2

BULGARIA

2

1906

2

1906

15,3

32,6

CANADA

18

12604

88,3

15,3

TRUNG QUỐC

16

11816

82,6

1,9

CH CZECH

6

3766

26,7

33,0

PHẦN LAN

4

2736

1

1600

22,3

31,6

PHÁP

58

63130

1

1600

423,5

77,7

ĐỨC

9

12068

102,3

17,8

HUNGARY

4

1889

14,7

43,3

ẤN ĐỘ

20

4391

29,0

3,7

IRAN

1

915

NHẬT BẢN

50

44215

2

2650

156,2

18,1

HÀN QUỐC

21

18751

5

5560

147,8

34,6

MEXICO

2

1300

9,3

3,6

HÀ LAN

1

482

3,9

3,6

PAKISTAN

3

725

3,8

3,8

ROMANIA

2

1300

10,8

19,0

26

7

692

trăm cung

26620

4824

0,1

2

630


4

NGA

33

23643

10

8188

162,0

17,6

SLOVAKIA

4

1816

2

782

14,3

54,0

SLOVENIA

1

688

5,9

41,7

NAM MỸ

2

1830

12,9

5,2

TÂY BAN NHA

8

7567

55,1

19,5

THỤY ĐIỂN

10

9326

58,1

39,6

THỤY SĨ

5

3263

25,7

40,9

UKRAINE

15

13107

84,9

47,2

ANH

18

9953

62,7

17,8

MỸ

104

101465

1

1165

790,4

19,3

TỔNG

435

368791

65

61962

2518

12,3%

2

1900

1.1.2. Việt Nam
Việt Nam là nước có gần 100 triệu dân và đang phát triển kinh tế với mức độ
cao. Không thể thiếu năng lượng được, đặc biệt là điện năng cần có đủ và chất
lượng cao ổn định không bị mất điện. Phải bớt dựa vào thủy điện, giới hạn nhà máy

điện than vì ô nhiễm làm hỏng tiềm năng vô tận về quốc gia du lịch của Việt Nam.
Với đà phát triển kinh tế tăng trưởng hơn 8% như hiện nay, Việt Nam cần một khối
lượng điện rất lớn. Điểm xuất phát của Hàn Quốc chỉ bằng nửa nước ta nhưng trong
20 năm qua, họ đã xây dựng 20 nhà máy điện nguyên tử và đang tiếp tục xây dựng
thêm 10 nhà máy nữa cũng mới chỉ đáp ứng được 40 – 50% nhu cầu, thế nhưng vị
thế của Hàn Quốc đã được khẳng định như thế nào chúng ta đã rõ. Vậy Việt Nam
chắc chắn 20 năm tới phải cần ít nhất là 20 nhà máy điện hạt nhân mới bảo đảm
được đủ điện năng cho sự phát triển kinh tế làm yên tâm các nhà đầu tư về điểm
then chốt này.
Mục tiêu của Việt Nam là hợp tác với đối tác giỏi nhất thế giới để xây dựng
chiến lược đường dài để vừa đủ điện cho quốc gia vừa học tập kinh nghiệm và hợp
tác với những đối tác hàng đầu trong ngành điện tử của thế giới đi xây dựng các nhà
máy điện hạt nhân trên thế giới- giống như Hàn Quốc đang làm với Westinghouse.


5

Với xu thế công nghệ lò áp lực chiếm tỷ lệ cao nhất trong các loại lò phổ biến
hiện nay, được nhiều hãng cung cấp thiết bị công nghệ và nhiên liệu, có bề dày kinh
nghiệm xây dựng, vận hành, bảo dưỡng, có nhiều kết quả nghiên cứu và thử
nghiệm, có đông đảo đội ngũ chuyên gia quốc tế… nên Việt Nam lựa chọn công
nghệ lò áp lực nước nhẹ để xây dựng.
Trong đề tài này, chúng ta sẽ tìm hiểu loại lò này cũng như mô phỏng các sự
cố có thể xảy ra đối với lò.
1.2. Lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ áp lực hai vòng
1.2.1. Giới thiệu về lò nước nhẹ áp lực hai vòng
Lò nước nhẹ áp lực hai vòng có thiết kế cơ bản gồm hai bình sinh hơi, một
bình điều áp và hai máy bơm tải nhiệt chính. Chúng sử dụng nước thường làm chất
tải nhiệt và làm chậm. Thiết kế khác biệt mang tính điển hình của loại lò này là
dùng nước trong vòng sơ cấp đi qua tâm lò với áp suất rất cao và truyền nhiệt lượng

cho nước ở vòng thứ cấp, hơi được sinh ra để chạy tuốc bin.
Ở vòng sơ cấp, nước đóng vai trò của chất làm chậm nên nếu nước trở thành
hơi thì sẽ làm cho phản ứng phân hạch bị giảm xuống. Hiệu ứng phản hồi âm này là
một trong những đặc trưng an toàn nội tại của loại lò PWR. Hệ thống dập lò thứ cấp
thực hiện việc bổ sung thêm Bo vào vòng sơ cấp.
Ở vòng thứ cấp, nước được duy trì ở áp suất thấp hơn và nước sẽ sôi trong các
bộ trao đổi nhiệt của thiết bị sinh hơi. Hơi nước làm quay tuốc bin máy phát để sản
xuất điện, sau đó lại được làm ngưng tụ thành nước với nhiệt độ thấp hơn và qua
các bộ trao đổi nhiệt để quay trở lại vòng sơ cấp.
Yêu cầu độ sạch của nước ở vòng thứ cấp rất cao, do vậy để bảo đảm các chỉ
tiêu kinh tế, tất cả hơi nước sau khi sinh công ở tuốc bin đều được ngưng tụ và đưa
trở lại chu trình công nghệ. Do vậy, vòng thứ cấp của nhà máy ĐHN cũng là một
chu trình kín, nước bổ sung là một lượng nhỏ để bù hao hụt do rò thoát.
Thoáng nhìn người ta có cảm giác nhà máy PWR cần vốn đầu tư nhiều hơn
nhiều so với nhà máy BWR. Nhưng do yêu cầu đảm bảo an toàn phóng xạ, phải xử


6

lý (trao đổi ion) toàn bộ lưu lượng nước ngưng tụ (sau tuốc bin) đã làm cho chỉ số
quan trọng như giá công suất đặt mỗi kW của nhà máy BWR hầu như xấp xỉ với
nhà máy PWR.

Hình 1.1: Sơ đồ cấu trúc của hệ thống lò phản ứng nước áp lực PWR- 2 vòng


7

1.2.2. Cấu trúc lò phản ứng nước nhẹ áp lực hai vòng
1.2.2.1. Nguyên tắc thiết kế nhà máy

Hình 1.2: Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân PWR- 2 vòng
Một nhà máy điện PWR- 2 vòng gồm có ba bộ phận chính (xem hình 1.2):
 Nhà lò (Containment Building): toàn bộ lò phản ứng chứa trong bể này gồm:
1 thùng lò, 2 bình sinh hơi, 1 bình điều áp, 2 máy bơm tải nhiệt chính.
 Nhà chứa tuốc bin phát điện (Turbine Building): bao gồm toàn bộ tuốc bin
và hệ thống cung cấp nước cho lò phản ứng.
 Hệ thống phụ trợ (Auxiliary Buiding): giúp bảo vệ hệ thống an toàn cho lò
gồm: hệ thống phun an toàn áp suất cao (The high pressure safety injection systemHPSI), hệ thống phun an toàn áp suất trung gian (The intermediate pressure safety
injection system), bộ tích trữ (The accumulators- ACC) và hệ thống phun an toàn áp
suất thấp (The low pressure safety injection system- LPSI).


8

Hình 1.3: Sơ đồ cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân
Nhà lò phản ứng là một cấu trúc bằng thép hay bằng bê tông cốt thép, bên
trong lát tôn dày bằng thép. Đề phòng lò phản ứng nổ, toà nhà được thiết kế để chịu
đựng áp suất cao và giam hãm những chất phóng xạ. Người ta cũng gọi vỏ tòa nhà
này là tường giam hãm.
Ngoài lò phản ứng ra, những thiết bị chính trong nhà lò phản ứng gồm bộ phát
sinh hơi nước, bộ nén nước, máy bơm nước và những ống nước nối liền chúng với
lò phản ứng cộng với một số thùng, ống dẫn nước và van điều chỉnh nhiệt độ và áp
suất.
Lò phản ứng là nơi phản ứng hạt nhân diễn ra trong những bó thanh nhiên
liệu. Lõi của lò phản ứng gồm những thanh nhiên liệu và những thanh điều khiển
dùng để kiềm chế phản ứng hạt nhân.


9

1.2.2.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của nhà máy
Lò phản ứng hạt nhân nói chung và lò phản ứng nước nhẹ áp lực nói riêng về
cơ bản đều có cấu trúc như sau:
 Các bó nhiên liệu
Lò phản ứng PWR- 2 vòng với chất làm chậm và chất tải nhiệt là nước nhẹ
nên nhiên liệu được dùng là Uranium Dioxit với hàm lượng U235 được làm giàu ở
2,1 đến 3,1% U235 [6], được xếp theo chiều tăng độ làm giàu, từ ngoài vào trong của
bó nhiên liệu.
Sau quá trình làm giàu Uranium, được hỗn hợp UO2, hỗn hợp này được đúc
thành dạng viên hình trụ, có đường kính khoảng 0,32 inch (0,8 cm), cao khoảng 0,6
inch (1,5 cm). Sau đó được đặt vào các ống Zircaloy với khí Heli, để tăng khả năng
dẫn nhiệt từ nhiên liệu và tạo sự chắc chắn cho thanh nhiên liệu và tính hấp thụ yếu
neutron của Zircaloy. Cuối cùng là bó các thanh nhiên liệu thành từng bó. Cấu hình
của các bó nhiên liệu là 14 x 14, tức là trong một bó nhiên liệu có 180 thanh nhiên
liệu và 16 thanh điều khiển, chiều dài của cả bó nhiên liệu là 3,5 mét và có tổng
cộng là 121 bó để cấu trúc lõi lò an toàn [10].
Chu kỳ nhiên liệu khoảng 12 – 18 tháng, nghĩa là sau khoảng thời gian này, ta
phải thay thế một phần nhiên liệu cho lò (khoảng 25% nhiên liệu lò).


10

 Các thanh điều khiển
Hệ thống các thanh điều khiển được đặt phía trên thùng lò phản ứng. Thanh
điều khiển có tác dụng hấp thụ 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. Sở
dĩ các 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 Bo Cacbua
(B4C) [7]. Những vật liệu này được bọc trong các ống thép chống rỉ. Không khí ở

bên trong ống được thay thế bằng khí He, có tác dụng làm nguội hiệu quả các chất
hút neutron kể trên. Do làm việc trong điều kiện khắc nghiệt với nhiệt độ và áp xuất
cao, các thanh điều khiển dễ bị mòn, tuổi thọ của chúng do vậy mà giảm đi. Chính
vì vậy, lớp vỏ bọc bằng thép chống rỉ phải được xử lý một cách đặc biệt nhằm làm
giảm tác dụng của ăn mòn lên bề mặt bên ngoài.
Các chùm thanh điều khiển được treo trên một thiết bị gọi là mạng nhện, cho
phép điều khiển đồng thời chuyển động của thanh điều khiển nhờ vào một thanh
dẫn duy nhất gắn trên nắp thùng lò phản ứng, hoạt động nhờ vào các kích điện từ
đặt phía bên trên nắp thùng lò. Các chùm thanh điều khiển không hoạt động riêng rẽ
mà theo từng nhóm 4 hoặc 8 chùm được bố trí đối xứng nhau trong tim lò phản ứng.
Các thanh điều khiển được nâng lên hay hạ xuống một cách từ từ theo các
bước nhỏ liên tiếp cho đến khi đạt được độ nông sâu cần thiết để điều chỉnh một
cách hợp lý công suất của lò phản ứng [7].
Tuy nhiên, trong trường hợp cần dừng lò khẩn cấp, nguồn điện của các kích
điều khiển sẽ bị cắt, các thanh điều khiển 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
thanh điều khiển phát huy tác dụng ngay khi chúng bắt đầu tiếp xúc với các thanh
nhiên liệu.


11

 Chất làm chậm neutron
Lò PWR- 2 vòng sử dụng neutron chậm để phân hạch hạt nhân Uranium. Do
đó các neutron sinh ra trong quá trình phân hạch phải được làm chậm đến năng
lượng của neutron nhiệt [2]. Trong quá trình chuyển động, các neutron va chạm
nhiều lần với các nguyên tử Hidro của chất làm chậm, nên tốc độ neutron giảm. Quá
trình này gọi là quá trình làm chậm và nước nhẹ được chọn làm chất làm chậm.
Việc sử dụng nước nhẹ làm chất làm chậm là một trong những đặc tính an toàn

trong việc thiết kế PWR. Nếu độ phản ứng trong lò tăng lên (độ phản ứng dương)
vượt mức bình thường, quá trình làm chậm neutron giảm, phản ứng dây chuyền khó
xảy ra.
 Chất tải nhiệt và chất làm mát lò
Nước nhẹ được sử dụng làm chất tải nhiệt đồng thời cũng là chất làm mát lõi
cho lò phản ứng PWR. Chu trình hoạt động của chất tải nhiệt trong thùng lò như sau
[8]:
-

Chất tải nhiệt theo chân lạnh chảy vào thùng lò nhờ máy bơm tải nhiệt chính.

-

Nước chảy vào khe hở giữa vỏ thùng lò và phần thân của lõi, nhiệt độ của

chất tải nhiệt khoảng 2750C đến 2900C.
-

Sau khi vào đến đáy của thùng lò, dòng chảy đi xuyên qua các bó nhiên liệu

và chuyển động đối lưu ngược lên trên. Và nhận nhiệt lượng của vùng hoạt, nhiệt độ
chất tải nhiệt tăng lên từ 3010C đến 3250C. Đồng thời, hệ thống nhiên liệu sẽ được
làm mát.
-

Khi chất tải nhiệt nóng được đưa lên, nước theo ống dẫn chân nóng đi đến

bình sinh hơi để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt.
Nước trong vùng hoạt có thể đạt tới nhiệt độ 3250C, khi đó nước cần phải ở
mức áp suất 150 lần áp suất khí quyển để ngăn chặn việc làm sôi nước, áp suất được

duy trì nhờ hơi trong bộ điều áp.