LUẬN VĂN KHẢO SÁT SỰ CỐ MÁY BƠM TẢI NHIỆT CHÍNH CỦA LÒ WWER 1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG PHẦN mềm mô PHỎNG WWER – 1000

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

PHÙNG ÂN HƢNG

KHẢO SÁT SỰ CỐ MÁY BƠM TẢI NHIỆT CHÍNH
CỦA LÒ WWER-1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG
PHẦN MỀM MÔ PHỎNG WWER – 1000

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2013


II

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

PHÙNG ÂN HƢNG

KHẢO SÁT SỰ CỐ MÁY BƠM TẢI NHIỆT CHÍNH
CỦA LÒ WWER-1000 NGƢNG HOẠT ĐỘNG BẰNG
PHẦN MỀM MÔ PHỎNG WWER – 1000

Chuyên ngành.VẬT LÝ NGUYÊN TỬ, HẠT NHÂN VÀ NĂNG LƢỢNG CAO
Mã số chuyên ngành. 60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC.

TS. VÕ HỒNG HẢI

TP. HỒ CHÍ MINH, NĂM 2013


III

LỜI CẢM ƠN
Gửi đến Ba Mẹ tôi nghiên cứu đầu tiên trong cuộc đời. Cảm ơn Ba Mẹ đã
sinh thành, nuôi nấng và dạy bảo nên ngƣời.
Luận văn là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu tại bộ môn Vật Lý
Hạt Nhân, khoa Vật Lý, trƣờng Đại Học Khoa Học Tự Nhiên TP. HCM. Thông qua
đây tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô đã dầy công dạy dỗ
bằng tất cả tấm lòng của ngƣời thầy giáo.
Đặc biệt, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến thầy hƣớng dẫn TS Võ Hồng
Hải, ngƣời đã có công giúp đỡ tác giả rất nhiều trong quá trình hoàn thành luận văn,
ngƣời đã khích lệ tinh thần và hƣớng dẫn tận tình chia sẽ những kinh nghiệm quý
báu cho tác giả trong quá trình nghiên cứu cũng nhƣ có những góp ý chân tình, hợp
lý và đúng đắn nhất những lúc tƣởng nhƣ bế tắc trong quá trình thực hiện luận văn.
Xin gửi lời cảm ơn PGS. TS Châu Văn Tạo, trƣởng Bộ Môn Vật Lý Hạt
Nhân, ngƣời đã cung cấp kiến thức cho các học viên khóa 21 và tạo điều kiện thuận
lợi cho chúng em hoàn thành luận văn tại Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân.
Mặc dù đã cố gắng rất nhiều trong quá trình hoàn thiện luận văn nhƣng chắc
chắn luận văn còn nhiều sai sót, rất mong nhận đƣợc những ý kiến đóng góp của
quý thầy cô. Tác giả chân thành cảm ơn.

TP. HCM, Ngày 25 tháng 8 năm 2013
Tác giả luận văn

Phùng Ân Hƣng

IV

MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................ iii
MỤC LỤC

...................................................................................................................iv

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT ..............................................................vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ................................................................................ viii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ.........................................................................................ix
MỞ ĐẦU

.................................................................................................................... 1

CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG HẠT NHÂN VÀ CƠ SỞ
LÝ THUYẾT VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ............................ 4
1.1. Tình hình về năng lƣợng 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. Giới thiệu lò phản ứng WWER - 1000 .................................................................. 7
1.2.1. Cấu tạo của NMĐHN ...................................................................................... 7
1.2.2. Những đặc tính chung của lò phản ứng WWER – 1000 ................................. 9
1.2.3. Lịch sử phát triển của nhà máy điện WWER ................................................ 10
1.2.4. Nguyên lý hoạt động chung của lò phản ứng WWER – 1000 ...................... 11
1.2.5. Cấu tạo lò phản ứng WWER – 1000 ............................................................. 13
1.3. Vật lý lò phản ứng ............................................................................................... 21
1.3.1. Neutron .......................................................................................................... 21

1.3.2. Tán xạ và hấp thụ neutron ............................................................................. 22
1.3.3. Phản ứng phân hạch hạt nhân ........................................................................ 23
1.3.4. Phản ứng dây chuyền .................................................................................... 25
1.4. Cơ sở vật lý trong điều khiển lò phản ứng .......................................................... 28
1.4.1. Độ phản ứng .................................................................................................. 28
1.4.2. Nhiễm độc của sản phẩm phân hạch ............................................................. 29
1.5. Ảnh hƣởng của boron và nhóm thanh điều khiển đến độ phản ứng ................... 32
CHƢƠNG 2 GIỚI THIỆU PHẦN MỀM MÔ PHỎNG WWER – 1000...................... 34
2.1. Những sự cố đƣợc thiết kế có thể xảy ra đối với lò WWER – 1000 và
những sự cố đã thiết kế trong phần mềm WWER – 1000 .................................. 34


V

2.2. Trang CPS (Reactivity Control Page) – Trang điều khiển độ phản ứng ............. 36
2.3. Trang thông báo và hiển thị sự cố (TAB) (Enunciators page) ............................ 38
2.4. Trang mô phỏng vòng sơ cấp (1C) (primary circulation circuit page) ................ 39
2.5. Trang hệ thống cung cấp và thoát (TK) (Feed and Bleed System Page) ............ 41
2.6. Trang hiển thị vòng thứ cấp (2C). ....................................................................... 42
2.7. Trang vẽ đồ thị GRP (Trends Page) .................................................................... 43
2.7.1. Cách lƣu dữ liệu ............................................................................................ 43
2.7.2. Cách chọn và thay đổi thông số để vẽ ........................................................... 44
CHƢƠNG 3 THIẾT LẬP VÀ PHÂN TÍCH VÀ KHẮC PHỤC SỰ CỐ
MÁY BƠM TẢI NHIỆT CHÍNH NGƢNG HOẠT ĐỘNG
BẰNG PHẦN MỀM WWER – 1000 ...................................................... 45
3.1. Sự cố một trong bốn máy bơm chính ngƣng hoạt động ...................................... 45
3.1.1. Mô tả tiến trình sự cố máy bơm tải nhiệt chính RCP – 2 ngƣng hoạt động
bằng phần mềm WWER – 1000 .................................................................... 45
3.1.2. Phân tích sự cố máy bơm RCP – 2 ngƣng hoạt động.................................... 51
3.2. Khắc phục sự cố máy bơm tải nhiệt chính RCP – 2 ngƣng hoạt động bằng

cách điều chỉnh nồng độ boron trong lò.............................................................. 60
3.2.1. Mô tả tiến trình diễn ra sự cố và khắc phục sự cố ......................................... 60
3.2.2. Phân tích các thông số của quá trình mô phỏng khắc phục sự cố
máy bơm RCP - 2 bị ngƣng hoạt động. ......................................................... 64
3.3. Khắc phục sự cố máy bơm chính RCP – 2 ngƣng hoạt động bằng cách
tác động trực tiếp đến nhóm thanh điều khiển CR 10......................................... 68
3.3.1. Mô tả tiến trình khắc phục ............................................................................. 68
3.3.2. Phân tích sự cố............................................................................................... 71
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 74
DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ .............................................................. 77
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 78
PHỤ LỤC A. LIST OF ITEMS AT THE ALARM PANEL FOR WWER-1000
REACTOR SIMULATOR....................................................................... 80
PHỤC LỤC B. LIST OF VARIABLES FOR WWER-1000 REACTOR
SIMULATOR .......................................................................................... 83


VI

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Thuật

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ngữ
ACC

Accumulator

AUU

Accelerated Unit Unloading

BWR

Boiling Water Reactor

Lò phản ứng nƣớc sôi

CANDU

Canada Deuterium Uranium

NMĐHN CANDU

CPS

Reactivity Control Page

Trang điều khiển độ phản ứng

CR

Control Rod

Thanh điều khiển

ĐHN

Bộ tích trữ

Điện hạt nhân

EP

Emergency Protection

Bảo vệ khẩn cấp

FA

Fuel Assemblies

Bó nhiên liệu

GRP

Trends page

Trang chiều hƣớng

HPSI

High Pressure Safety

Hệ thống phun an toàn áp suất cao

Injection

IAEA

International Atomic Energy

Cơ quan năng lƣợng nguyên tử quốc tế

Agency
LPSI

Low Pressure Safety

Hệ thống phun an toàn áp suất thấp

Injection
MCS

Main steam collector

Bộ thu gom hơi chính

MSV

Main steam valves

Những van hơi chính

MSIV

Main steam isolating valve

Van xả hơi chính

NMĐHN
PCR

Nhà máy điện hạt nhân
Power level limiting

Máy điều chỉnh giới hạn công suất

regulator
PP

Preventive protection

Bảo vệ ngăn ngừa

PWR

Pressurized Water Reactor

Lò phản ứng nƣớc áp lực

PHWR

Pressurized Heavy- Water-

Lò phản ứng áp lực nƣớc nặng

VII

moderated Reactor
SG

Steam Generator

Bình sinh hơi

TAB

Enunciators Page

Giao diện hiển thị cảnh báo sự cố

TBxxBxx

Ký hiệu thùng chứa boron

TBxxDxx

Ký hiệu bơm boron

TBxxSxx

Ký hiệu van dẫn boron

TK

Feed and Bleed System Page

Giao diện cấp-thoát
Ký hiệu van dẫn nƣớc sạch đến lò

TKxxSxx
RCP

Reactor coolant pump

Bơm tải nhiệt chính

VVER

Voda-Vodyanoi

Lò phản ứng hạt nhân nƣớc - nƣớc

Energetichesky Reaktor

(tiếng Nga)

Water Water Energy Reactor

Lò phản ứng hạt nhân nƣớc - nƣớc

WWER


VIII

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Phân bố điện hạt nhân trên thế giới (Tính đến 31/12/2011) ......................... 5
Bảng 1. 2. Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của WWER – 1000 ....................................... 10
Bảng 1. 3. Tóm tắt lịch sử phát triển của lò WWER .................................................... 10
Bảng 1. 4. Tiết diện tán xạ, hấp thụ và phân hạch của một số hạt nhân ....................... 22
Bảng 1. 5. Năng lƣợng ngƣỡng và năng lƣợng liên kết của một số hạt nhân. .............. 24


IX

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Sơ đồ mặt cắt tòa nhà lò phản ứng ............................................................8
Hình 1.2. Sơ đồ chung nhà máy điện hạt nhân với lò áp lực ....................................8
Hình 1.3. Những bộ phận chính trong vòng sơ cấp lò WWER .................................9
Hình 1. 4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò WWER .............................................12
Hình 1.5. Lò phản ứng .............................................................................................13
Hình 1.6. Thanh nhiên liệu và bó nhiên liệu ...........................................................15
Hình 1.7. Bó thanh nhiên liệu cắt ngang .................................................................15
Hình 1.8. Sơ đồ bố trí nhóm điều khiển trong lò phản ứng .....................................16
Hình 1.9. Bình điều áp và các bộ phận ....................................................................18
Hình 1.10. Bình sinh hơi .........................................................................................19
Hình 1.11. Hệ thống làm lạnh khẩn cấp ..................................................................20
Hình 1.12 Sơ đồ đơn giản của nguyên lý phản ứng phân hạch ................................ 25
Hình 1.13 Hình vẽ biểu diễn sơ đồ hệ số nhân trong chu trình neutron...................27
Hình 2. 1. Danh sách của các mô phỏng sự cố và các tập tin hiển thị. ……………35
Hình 2. 2. Màn hình trang CPS ................................................................................37
Hình 2. 3. Thanh điều khiển mô phỏng ....................................................................38
Hình 2. 4. Bảng điều khiển tỉ lệ thời gian mô phỏng so với thực tế.........................38
Hình 2. 5. Trang thông báo và hiển thị sự cố xảy ra ................................................39
Hình 2. 6. Trang hiển thị vòng sơ cấp ......................................................................40

Hình 2. 7. các thiết bị mô phỏng trong trang TK .....................................................41
Hình 2. 8. Các thiết bị đƣợc mô phỏng của trang 2C ...............................................42
Hình 2. 9. Trang đồ thị GRP.....................................................................................43
Hình 2. 10. Lựa chọn lƣu dữ liệu các thông số đã chọn vẽ ......................................43
Hình 2. 11. Hộp thoại lựa chọn và thay đổi các thông số để khảo sát .....................44
Hình 3. 1. Lựa chọn chế độ hoạt động bình thƣờng của lò WWER – 1000……….46
Hình 3. 2. Các thông số của lò phản ứng khi đang ở chế độ hoạt động
bình thƣờng .............................................................................................47


X

Hình 3. 3. Tín hiệu cảnh báo sự cố xảy ra khi máy bơm RCP – 2
ngƣng hoạt động ......................................................................................47
Hình 3. 4. Cảnh báo ở bình sinh hơi SG – 2.............................................................49
Hình 3. 5. Những cảnh báo khi lò đã bị dập hoàn toàn ............................................50
Hình 3. 6. Trạng thái các thông số của lò phản ứng khi lò bị dập hoàn toàn ...........51
Hình 3. 7. Các số thông số bên trong lò phản ứng ...................................................53
Hình 3. 8. Các thông số liên quan đến bình sinh hơi................................................56
Hình 3. 9. Nhiệt độ chất làm mát ở chân nóng và chân lạnh ...................................59
Hình 3. 10. Máy bơm và các van dẫn boron đến lò trƣớc khi khắc phục sự cố .......60
Hình 3. 11. Điều khiển máy bơm chính RCP – 2 .....................................................61
Hình 3. 12. Trạng thái đang hoạt động của máy bơm và các van dẫn boron ...........61
Hình 3. 13. Sự thay đổi của nồng độ boron, độ phản ứng và vị trí nhóm CR10 ......62
Hình 3. 14. Tắt máy bơm dẫn boron vào lò.............................................................. 62
Hình 3. 15. Pha loãng nồng độ boron trong lò bằng cách đƣa nƣớc sạch vào lò .....63
Hình 3. 16. Trạng thái lò sau khi đã khắc phục sự cố ..............................................64
Hình 3. 17. Một số thông số của lò trong trƣờng hợp có khắc phục sự cố
bằng cách điều chỉnh boron ..................................................................65
Hình 3. 18. Trạng thái lò khi chƣa tiến hành khắc phục sự cố .................................69

Hình 3. 19. Tắt chế độ ACP và rút thanh điều khiển CR10 .....................................69
Hình 3. 20. Chế độ ACP đã đƣợc mở trở lại ............................................................70
Hình 3. 21. Một số thông số của lò trong trƣờng hợp khắc phục sự cố
bằng cách di chuyển nhóm điều khiển...................................................72


MỞ ĐẦU
Năm 2013, năng lƣợng 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 (NMĐHN) Fukushima Daiichi năm 2011 ở Nhật Bản đã gây ra nỗi ám ảnh,
nguy hiểm trên thế giới, nhƣng 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 lƣợng 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), lƣợng điện phát điện hạt nhân chiếm 12,3 %
sản lƣợng điện toàn cầu. Trong đó có 79 NMĐHN sử dụng loại lò WWER 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 [8].
Vấn đề đặt ra về an toàn NMĐHN, sự vận hành, độ an toàn phóng xạ, cách
quản lý, đội ngũ vận hành các sự cố có thể xảy ra,…. Nó quyết định sự thành bại
của chƣơng trình điện hạt nhân.
Việc đào tạo nguồn nhân lực hạt nhân phục vụ trong nhà điện hạt nhân là một
trong những rất cần thiết và nghiên túc. Để thực hiện hiện những vấn đề đó, có một
số phƣơng pháp để học tập, tập huấn cũng nhƣ nghiên cứu, đó là việc sử dụng các
phần mềm chuyên dụng thực hiện mô phỏng quá trình hoạt động của lò phản ứng,
cũng nhƣ của NMĐHN nói chung. Nó cho phép chúng ta dự đoán các sự cố và từ
đó đƣa ra phƣơng pháp giải quyết - điều mà khó thực nghiệm trên nhà máy thực.
Hiện nay có nhiều phần mềm mô phỏng về hoạt động lò phản ứng nhƣ. CASSIM,

CATHARE, PCTRAN, WWER – 1000,…
Trong đề tài này, chúng tôi thực hiện mô phỏng một số sự cố cho NMĐHN
loại lò nƣớc nhẹ áp lực WWER-1000, với tên đề tài là “Khảo sát sự cố máy bơm tải

1


nhiệt chính ngừng hoạt động của lò phản ứng WWER – 1000 bằng phần mềm
WWER – 1000” . Sự cố chúng tôi khảo sát là một trong bốn máy bơm tải nhiệt
chính ngừng hoạt động (vị trí máy bơm số 2 RCP - 2). Ban đầu lò đƣợc giả định
hoạt động với công suất 100% (hoạt động bình thƣờng), kế đó chúng tôi thiết lập sự
cố cho máy bơm tải nhiệt chính số 2 ngƣng hoạt động ở giây thứ 30. Chúng tôi thực
hiện khảo sát cho trƣờng hợp máy bơm tải nhiệt chính có thể khắc phục và không
thể khắc phục. Đối với trƣờng hợp máy bơm có thể khắc phục, chúng tôi thực hiện
điều khiển để công suất lò trở về 100%. Việc điều khiển công suất chúng tôi sử
dụng hai phƣơng pháp: (1) điều chỉnh nồng độ boron vào lò phản ứng và (2) điều
chỉnh nhóm thanh điều khiển CR10 ở chế độ điều khiển bằng tay.
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
20000 giây. Phần mềm chúng tôi sử dụng trong đề tài này là phần mềm WWER1000, đƣợc cơ quan năng lƣợng nguyên tử quốc tế IAEA tài trợ, dùng trong giảng
dạy và nghiên cứu trong lĩnh vực NMĐHN tại trƣờng đại học Khoa học Tự nhiên –
TP. HCM.
Trong đề tài này, chúng tôi cũng trình bày về cơ sở lý thuyết về lò phản ứng,
nguyên lý hoạt động, các thông số lò, thiết bị,… loại lò WWER-1000, và chi tiết về
phần mềm WWER-1000.
Luận văn đƣợc phân bố thành 3 chƣơng chính:
Chƣơng 1 trình bày tổng quan về năng lƣợng hạt nhân và cơ sở lý thuyết lò
phản ứng. Trong chƣơng này, độc giả sẽ 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 WWER – 1000 đƣợc trình bày ở

chƣơng này.
Chƣơng 2 giới thiệu về phần mềm mô phỏng WWER – 1000, chúng tôi trình
bày 7 giao diện chính của phần mềm bao gồm các trang chọn sự cố, trang CPS –

2


trang điều khiển độ phản ứng, trang TAB – trang thông báo sự cố, trang 1C – trang
mô phỏng các thiết bị và thông số bên trong vòng sơ cấp, trang 2C – trang mô
phỏng các thiết bị và thông số của vòng thứ cấp, trang TK – trang mô phỏng các hệ
thống cấp và thoát, trang GRP – trang đồ thị các thông số đƣợc chọn.
Chƣơng 3 trình bày quá trình thiết lập và phân tích sự cố máy bơm tải nhiệt
chính ngƣng hoạt động trong trƣờng hợp lò không đƣợc khắc phục, các đại lƣợng
đƣợc đề cập bao gồm. Công suất neutron, công suất lò, vị trí nhóm thanh điều
khiển, nồng độ boron, độ phản ứng, áp suất của lò, nhiệt độ các chân nóng và các
chân lạnh của lò... Ngoài ra, quá trình khắc phục sự cố và phân tích các thông số
cũng 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 WWER – 1000 để khảo sát sự cố từ khi cho chƣơng trình chạy mô
phỏng đến khoảng giây thứ 20000 lúc dừng lò, những ƣu điểm cũng nhƣ hạn chế
của phần mềm sẽ đƣợc đề cập. Đồng thời đƣa ra những kết luận về sự an toàn của lò
khi sự cố máy bơm chính ngƣng hoạt động trong trƣờng hợp không khắc phục cũng
nhƣ có khắc phục sự cố.

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 và ở Việt Nam
1.1.1. Trên thế giới
Điện hạt nhân (ĐHN) đã có lịch sử phát triển trên 50 năm kể từ ngày NMĐHN
đầu tiên trên thế giới đƣợc đƣa vào vận hành ở Liên Xô cũ năm 1954. Kể từ đó đến
nay ngành ĐHN đã đạt đƣợc những thành tựu đáng kể, nhƣng cũng gặp phải những
rủi ro nặng nề, đã có những thời kỳ phát triển rực rỡ và những bƣớc thăng trầm.
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 ĐHN ngày càng đƣợc nâng cao thì xu
hƣớng phát triển ĐHN đã có những thay đổi tích cực. Những dự báo tin cậy đều cho
thấy sự tăng rất lớn về nhu cầu năng lƣợng toàn cầu trong 50 năm tới chủ yếu do
tăng dân số và tăng mức sống trong các nƣớc đang phát triển, mặc dù một số nƣớc
phát triển trong khối Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế (OECD) có thể giảm việc
sử dụng năng lƣợng do áp dụng các công nghệ mới tiêu tốn ít năng lƣợng.
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, BWR và PHWR. Tỷ
lệ về số lƣợng của các loại công nghệ nhƣ sau [2].
-

Lò phản ứng nƣớc áp lực (PWR) : 60%.

-

Lò phản ứng nƣớc sôi (BWR)

-

Lò nƣớc nặng CANDU (PHWR) : 7%.

: 21%.

4


Bảng 1. 1. Phân bố điện hạt nhân trên thế giới (Tính đến 31/12/2011) [8]
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
lƣợng

Lƣợng
điện cung
cấp MW(e)

ARGENTINA

2

935

ARMENIA

1

BỈ

Số
lƣợng
1

Lƣợng
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

5

630


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. Ở Việt Nam
Việt Nam là nƣớc có gần 100 triệu dân và đang phát triển kinh tế với mức độ
cao trong nhiều năm liền, nhu cầu về điện cho sự phát triển rất lớn. Các nguồn tài
nguyên, nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, do đó điện hạt nhân là một giải
pháp khả thi cho nhu cầu hiện tại.
Thực tế đã chứng tỏ rằng sử dụng năng lƣợng hạt nhân vào mục đích hoà bình

đã và đang mang lại những lợi ích to lớn cho nhân loại. Đối với Việt Nam, trong
những năm qua khoa học và kỹ thuật hạt nhân đã đƣợc nghiên cứu và ứng dụng
rộng rãi trong nhiều lĩnh vực góp phần vào sự phát triển kinh tế - xã hội, nâng cao
tiềm lực khoa học và công nghệ của đất nƣớc và chất lƣợng cuộc sống của nhân
dân. Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt đã hoạt động an toàn và đƣợc khai thác hiệu quả
trong hơn 20 năm qua kể từ khi đƣợc khôi phục và nâng cấp năm 1984. Hiện nay,
ngoài việc nghiên cứu và đào tạo cán bộ, lò phản ứng hàng năm sản xuất hơn 20
loại đồng vị và dƣợc chất phóng xạ phục vụ cho chẩn đoán và điều trị hàng trăm
nghìn bệnh nhân.
Đánh giá vai trò quan trọng và sự cần thiết phát triển và sử dụng năng lƣợng
nguyên tử, Chính phủ Việt Nam đã xác định. Nghiên cứu, phát triển và sử dụng

6


năng lƣợng nguyên tử vì mục đích hoà bình là một trong những hƣớng trọng điểm
của Chiến lƣợc phát triển Khoa học và Công nghệ của Việt Nam. Với xu thế công
nghệ lò áp lực chiếm tỷ lệ cao nhất trong các loại lò phổ biến hiện nay, đƣợc nhiều
hãng cung cấp thiết bị công nghệ và nhiên liệu, có bề dày kinh nghiệm xây dựng,
vận hành, bảo dƣỡng, 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 nƣớc nhẹ để
xây dựng.
1.2. Giới thiệu lò phản ứng WWER - 1000
WWER là từ viết tắt của Water Water Energy Reactor (nƣớc Nga kí hiệu là
VVER (Voda Voda Energo Reactor)) có nghĩa loại lò phản ứng này dùng nƣớc
thƣờng vừa làm chất tải nhiệt vừa làm chất làm chậm. Loại lò này sử dụng nhiên
liệu là Uranium với độ giàu 3,92% chu kỳ nhiên liệu là 3 năm [10], là loại lò áp lực
nƣớc cải tiến với công suất điện 1000 MWe. Lò phản ứng bao gồm bốn vòng tuần
hoàn và hệ thống điều áp đƣợc nối với một chân nóng, mỗi vòng tuần hoàn có 1
bình sinh hơi đặt nằm ngang, một máy bơm tuần hoàn và hệ thống làm lạnh bị động

tức thời (accumulator). Lò phản ứng chứa hệ thống bảo vệ và điều khiển lò, đƣờng
bao an toàn, hệ thống phụ trợ, hệ thống chứa và giữ nhiên liệu, … [9],[10].
1.2.1. Cấu tạo của NMĐHN
 Nhà lò (Containment Building). Toàn bộ lò phản ứng chứa trong bể này
gồm. 1 thùng lò, 4 bình sinh hơi, 1 bình điều áp, 4 máy bơm tải nhiệt chính.
 Nhà chứa turbine phát điện (Turbine Building). Bao gồm toàn bộ turbine và
hệ thống cung cấp nƣớc 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).

7


Cần cẩu
Nhà chứa vòng sơ cấp
ECCS

Bình điều áp
Bình sinh hơi
Bộ khóa khí

Thùng lò

Bộ khóa khí
khẩn cấp

Hình 1.1. Sơ đồ mặt cắt tòa nhà lò phản ứng [10]

Hệ thống
làm mát

Tháp
ngƣng
tụ

Tòa nhà phụ trợ

Tòa nhà turbine

Hình 1.2. Sơ đồ chung nhà máy điện hạt nhân với lò áp lực [5],[11],[12]

8


Hình 1.3. Những bộ phận chính trong vòng sơ cấp lò WWER [10]
1. Thùng lò; 2. Bình sinh hơi; 3. Máy bơm tuần hoàn chính; 4. Bình điều áp;
5. Bình ngƣng hơi giảm áp suất; 6. Hệ thống làm lạnh lõi bị động tức thời.
1.2.2. Những đặc tính chung của lò phản ứng WWER – 1000
Lò phản ứng là phần cơ bản của tổ máy NMĐHN, nơi sẽ diễn ra phản ứng
dây chuyền và sản sinh năng lƣợng. Đây là loại lò phản ứng nƣớc – nƣớc không
đồng nhất, đƣợc hiện đại hóa, hoạt động với neutron nhiệt, có chất tải nhiệt và chất
làm chậm bằng nƣớc [1]. Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của lò phản ứng đƣợc đƣa ra
trong Bảng 1.2

9


Bảng 1. 2. Các đặc tính kỹ thuật cơ bản của WWER – 1000 [1],[9],[10]

Thông số [đơn vị]

Giá trị

Công suất trung bình [MW]

3000

Công suất giới hạn [MW]

3210

Áp suất lò phản ứng [kg/cm2]

160 ± 3

Số lƣợng bó nhiên liệu [bó]

163

Lƣu lƣợng chất tải nhiệt qua lò khi cả 4 máy bơm chính hoạt động [m3/h]

84800

Tốc độ chất tải nhiệt vòng sơ cấp [m/s]
- Qua các bó nhiên liệu

5.6

- Trong các ống của lò phản ứng

10

Độ chênh lệch nhiệt độ trung bình chất tải nhiệt ở chân nóng và chân lạnh
khi cả bốn máy bơm tuần hoàn chính hoạt động [0C]

30

Mật độ công suất trung bình của vùng hoạt [kW/lít]

115

Tốc độ dịch chuyển của các thanh điều khiển [cm/s]

2

Đƣờng kính ngoài vỏ lò phản ứng [mm]

4535

Chiều cao lò phản ứng [mm]

19137

Thể tích vòng sơ cấp (không tính bộ điều áp) [m3]

300

Thể tích vùng hoạt [m3]

29,2

1.2.3. Lịch sử phát triển của nhà máy điện WWER
Có thể tóm tắt sự phát triển của NMĐ sử dụng loại lò WWER theo Bảng 1.3.
Hiện tại trên 50 lò phản ứng hạt nhân loại VVER – 440 và WWER – 1000
đang hoạt động ở Nga, Ukraine, Armenia, Finland, Bulgaria, Hungary, Czech,
Slovakia, China, Iran [4],[7].

10


Bảng 1. 3. Tóm tắt lịch sử phát triển của lò WWER [2]
Năm

Đặc điểm

Tên lò

1956 - 1970 V – 230 Công suất 444 MW, các hệ thống an toàn có độ dƣ gấp 2.
1970 – 1976 V – 213 Công suất 444 MW, các hệ thống an toàn có độ dƣ gấp 3.
1970 – 1980 WWER
- 1000

Công suất 1000 MW, ứng phó đƣợc với sự cố cùng lúc vỡ
ống đƣờng kính lớn, động đất theo thiết kế cơ bản và mất
điện hoàn toàn [2],[7].

Sau tai nạn Chernobyl
VVER – 88

Công suất 500 MWe và 1000 MWe, có thể đối phó với
trƣờng hợp mất điện kéo dài 24 h; kiểm soát lƣợng
Hydro sinh ra trong lò;…

VVER

–

(AES – 91)
VVER

–

(AES – 92)

91 Công suất 1000 MWe, thế hệ thứ 3, sử dụng các thiết bị
điều khiển phƣơng Tây.
92 Công suất 1000 MWe, thế hệ thứ 3+, có tính kinh tế cao
và hoàn thiện triệt để vấn đề an toàn, xác suất nóng chảy
vùng hoạt 5,6x10-8.

AES – 2006

Công suất 1200 MWe, kết hợp tối ƣu các hệ thống an
toàn chủ động và an toàn thụ động trên cơ sở kinh
nghiệm từ AES – 91 và AES – 92.

1.2.4. Nguyên lý hoạt động chung của lò phản ứng WWER – 1000
Lò phản ứng WWER – 1000 là loại lò áp lực nƣớc có thiết kế với bốn bình
sinh hơi, một bình điều áp và bốn máy bơm tải nhiệt chính nối giữa thùng lò với

bình sinh hơi. Lò phản ứng sử dụng nƣớc thƣờng làm chất tải nhiệt và làm chậm.
Thiết kế khác biệt mang tính điển hình của loại lò này là dùng nƣớc trong vòng sơ
cấp đi qua tâm lò với áp suất rất cao và truyền nhiệt lƣợng cho nƣớc ở vòng thứ cấp
tạo thành hơi, hơi đƣợc sinh ra để chạy turbine.

11


Hình 1. 4. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của lò WWER [4]
A-vòng tuần hoàn sơ cấp chất làm mát; B1-hơi từ bình sinh hơi; B2-nƣớc cung cấp;
C-nƣớc làm lạnh.
1. Lò phản ứng; 2. Bình sinh hơi; 3. Bơm tuần hoàn chính; 4. Van cách ly chính; 5.
Bình điều áp; 6. Thùng chứa làm nguội bình điều áp; 7. Bộ đun nhiệt điện; 8. Bộ
phun điều áp; 9. Lõi lò; 10. Thanh nhiên liệu; 11. Thiết bị điều khiển; 12. Phần hấp
thụ của thanh điều khiển; 13. Phần kiểm tra nhiên liệu của thanh điều khiển; 14.
Turbine áp suất cao; 15. Turbine áp suất thấp; 16. Máy phát điện; 17. Máy biến thế;
18. Bộ phận chia hơi – làm nóng; 19. Bình ngƣng chính; 20. Máy bơm nƣớc ngƣng
tụ (1); 21. Bộ xử lý hóa nƣớc; 22. Máy bơm nƣớc ngƣng tụ (2); 23. Bộ nung áp suất
thấp; 24. Bình chứa nƣớc cung cấp chính; 25. Bơm nƣớc đầu vào; 26. Bộ nung áp
suất cao; 27. Tháp làm mát; 28. Bơm làm mát.
Ở vòng sơ cấp, nƣớc nhận nhiệt lƣợng từ những bó nhiên liệu và đƣợc dẫn
truyền đến trao đổi nhiệt với bình sinh hơi. Nƣớc tải nhiệt của vòng tuần hoàn này
đƣợc đẩy tuần hoàn cƣỡng bức nhờ các máy bơm chính. Lò cũng đƣợc thiết kế để
có thể tuần hoàn theo hiện tƣợng đối lƣu tự nhiên khi các máy bơm bị ngắt. Ngoài
ra nƣớc trong vòng sơ cấp còn có vai trò của chất làm chậm, nên khi nƣớc trở thành
hơi trong lò phản ứng thì làm cho phản ứng phân hạch sẽ giảm xuống. Để không
cho nƣớc thành hơi, trong vòng sơ cấp ngƣời ta gắn thêm bình điều áp để làm cho
12

nƣớc trong vòng sơ cấp có áp suất cao và không bị sôi mặc dù nhiệt độ trong đó
khoảng hơn 300 0C.
Ở vòng thứ cấp, nƣớc đƣợc duy trì ở áp suất thấp hơn và nƣớc sẽ sôi trong các
bộ trao đổi nhiệt của thiết bị sinh hơi. Hơi nƣớc làm quay turbine máy phát để sản
xuất điện, sau đó lại đƣợc làm ngƣng tụ thành nƣớc với nhiệt độ thấp hơn và qua
các bộ trao đổi nhiệt để quay trở lại vòng sơ cấp.
Yêu cầu độ sạch của nƣớc ở vòng thứ cấp rất cao, do vậy để bảo đảm các chỉ
tiêu kinh tế, tất cả hơi nƣớc sau khi sinh công ở turbine đều đƣợc ngƣng tụ và đƣa
trở lại chu trình công nghệ. Do vậy, vòng thứ cấp của NMĐHN cũng là một chu
trình kín, nƣớc bổ sung là một lƣợng nhỏ để bù hao hụt do rò thoát.
1.2.5. Cấu tạo lò phản ứng WWER – 1000
a. Thùng lò phản ứng
Nhiệm vụ của thiết kế thùng lò là phải đảm bảo lò phản ứng tin cậy trong
nhiều năm - hoạt động trong các điều kiện khác nhau (ít nhất 30 năm). Vỏ lò phản
ứng đặt trong các điều kiện rất khắc nghiệt - áp suất và nhiệt độ cao, thông lƣợng
các bức xạ mạnh, hoạt động trong môi trƣờng có tính ăn mòn mạnh.

Điều khiển bó điều khiển

Dây ra của thiết bị đo kiểm
Bó điều khiển

Chân nóng

Thùng lò
Bó nhiên liệu
Chân lạnh
Lớp bao quanh lõi

Hình 1.5. Lò phản ứng [10]

13


Vỏ lò phản ứng có dạng hình trụ thẳng đứng, đáy elip. Phần trên của vỏ lò có
các ống nối để dẫn chất tải nhiệt vào lò khi có sự cố hở vòng sơ cấp [1]. Ngoài ra
còn có hệ thống ống dẫn để đƣa chất tải nhiệt vào lõi lò (chân lạnh) và ra khỏi lò
(chân nóng) để trao đổi nhiệt.
b. Nhiên liệu hạt nhân
Rất nhiều hợp chất đƣợc biết đến là có khả năng phân hạch nhƣ các hợp chất
hóa học của Urani và Plutoni (các oxit U3O8, UO2, PuO2, các florit và clorit UCl3,
UCl4, PuCl3, UF3, UF4, UF6 và nhiều hợp chất khác) chúng có những ƣu thế và
khuyết điểm. Sau khi dung hòa những yêu cầu của nhiên liệu lò phản ứng và các
điều kiện khác, dioxit urani (UO2) đã đƣợc chọn làm nhiên liệu hạt nhân cho các lò
phản ứng hạt nhân.
 Thanh nhiên liệu hạt nhân
Đối với lò phản ứng WWER – 1000 các viên UO2 đƣợc đặt trong các ống tạo
thành các thanh nhiên liệu. Các viên UO2 trong ống này có khối lƣợng riêng (10,4
÷10,7) g/cm3, đƣờng kính ngoài (7,57 ± 0,03) mm, dài 20 mm, lỗ ở tâm có đƣờng
kính (2,35 ± 0,2) mm, các viên UO2 đƣợc chế tạo với độ giàu U-235 khác nhau. (1,6
– 2,0 – 2,4 – 3,0 – 3,6 – 4,0 – 4,4 – 5)%. Tổng chiều dài của cột chứa viên nhiên
liệu là 3530 mm và của thanh nhiên liệu là 3800 mm [1],[9].
Khi lựa chọn dạng nhiên liệu và cách bố trí nhiên liệu trong lò phản ứng cần
phải chú ý đến một số yêu cầu sau [1]:
- Chế tạo đƣợc một khối lƣợng tới hạn nhiên liệu cho phản ứng dây chuyền trong
một khoảng thời gian dài;
- Bảo đảm sự tỏa nhiệt của nhiên liệu;
- Giữ đƣợc sản phẩm phóng xạ của quá trình phân hạch trong lòng nhiên liệu;
- Tính kinh tế và một số vấn đề khác.

14

 Bó nhiên liệu hạt nhân
Có tổng cộng 163 bó nhiên liệu trong lõi lò phản ứng, trong đó có 61 bó chứa
các thanh điều khiển. Các bó nhiên liệu đƣợc đặt cách nhau 236 mm (các thanh
nhiên liệu thì đƣợc đặt cách nhau 12,75 mm) [9], khoảng cách giữa các thanh ≥ 0,8
mm để đảm bảo điều kiện làm nguội vỏ thanh. Trong mỗi bó có chứa 312 thanh, 18
ống dành cho các thanh hấp thụ neutron của hệ thống điều khiển và bảo vệ, 1 ống
trung tâm, 15 mạng định vị [1],[9].

Hình 1.7. Bó thanh nhiên liệu cắt ngang [9]
Hình 1.6. Thanh nhiên liệu và bó nhiên liệu [10]

1. Thanh nhiên liệu; 2. Ống chứa thanh điều
khiển; 3. Ống trung tâm đặt dụng cụ đo kiểm

Trong một bó nhiên liệu có 18 thanh hấp thụ [1],[9],[10] chúng là một ống
thép không rỉ (đƣờng kính 9,1 mm, dài 3,5 m) đƣợc điền đầy cacbit boron B4C
(dạng bột ép chặt), khối lƣợng tổng cộng của 18 thanh này là 15 kg. Các thanh này
đƣợc đặt trong các ống dẫn hƣớng (kích thƣớc 12,6 x 0,85 mm) của bó nhiên liệu,
khe hở giữa thanh hấp thụ và mặt trong của ống dẫn hƣớng khoảng 0,9 mm.
c. Các thanh điều khiển CR (Control Rod) của WWER – 1000
Các thanh điều khiển CR là bộ phận tác động rất nhanh đến độ phản ứng.
Các thanh có thể thực hiện đƣợc chức năng điều khiển và bảo vệ lò khi sự cố, chúng
hoạt động theo chế độ điều chỉnh tự động hoặc chỉnh tay. Những thanh điều khiển

15