Vận hành và khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR v3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT
N VẬT

ẠT N

N

--------------------------------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

ẬN
N
T Ự Ố
T N Đ
N TR NG
P N
NG
R
NG P N
P
NG
BWR_V3

T
G

N
T

GVPB: ThS. P

---------------------------------TP HỒ CHÍ MINH – 2014

T



LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Lê Bảo Trân người đã
hết lòng giúp đỡ tôi trong việc nghiên cứu, hỗ trợ tài liệu cũng như hướng dẫn tôi hoàn
thành tốt khóa luận này đúng tiến độ với kết quả khả quan nhất.
Đồng thời cũng xin gửi lời cảm ơn đến ThS. Phan Lê Hoàng Sang đã có những
ý kiến đóng góp và những nhận xét quý báu về nội dung cũng như hình thức để khóa
luận được hoàn chỉnh hơn.
Chân thành gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô Bộ Môn Vật Lý Hạt Nhân
khoa Vật Lý – Vật Lý Kỹ Thuật trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Thành Phố Hồ
Chí Minh, những người đã tạo điều kiện tốt nhất cho tôi về môi trường cũng như
những ý kiến đóng góp quý báu để hoàn thành khóa luận.
Xin cảm ơn tất cả thầy cô cũng như bạn bè và gia đình đã giúp đỡ ủng hộ về mặt
tinh thần cũng như kiến thức cần thiết trong suốt thời gian hoàn thành khóa luận.
Khóa luận có thể còn những thiếu sót nên mong nhận được những ý kiến đóng
góp thêm từ quý thầy cô.

Thành Phố Hồ Chí Minh tháng 7 năm 2014
Tác giả khóa luận
Lê Nguyễn Huy Hoàn

i


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................i
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................ v
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................ vi
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................. viii
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN ................................ 1
1.1. Tình hình năng lượng nguyên tử thế giới và Việt Nam ............................................ 1
1.2. Phân loại các lò phản ứng hiện nay........................................................................... 4
1.2.1. Thế hệ lò phản ứng I ........................................................................................... 4
1.2.2. Thế hệ lò phản ứng II .......................................................................................... 5
1.2.3. Thế hệ lò phản ứng III và III+ ............................................................................ 5
1.2.4. Thế hệ lò phản ứng IV ........................................................................................ 6
CHƯƠNG 2: VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN .............................................. 7
2.1. Phản ứng phân hạch hạt nhân.................................................................................... 7
2.2. Làm chậm neutron................................................................................................... 10
2.3. Độ phản ứng ............................................................................................................ 12
CHƯƠNG 3: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CỦA LÒ PHẢN
ỨNG NƯỚC SÔI BWR ............................................................................................... 13
3.1. Tổng quan và lịch sử lò phản ứng hạt nhân BWR .................................................. 13
3.2. Cấu tạo chi tiết lò phản ứng BWR .......................................................................... 15
3.2.1. Hệ thống nhà lò BWR ................................................................................... 15
3.2.2. Thùng lò phản ứng ........................................................................................ 15

ii

3.2.3. Hệ thống thanh nhiên liệu ............................................................................. 17
3.2.4. Hệ thống thanh điều khiển............................................................................. 18
3.2.5. Hệ thống tuần hoàn lưu lượng nước trong lò ................................................ 19
3.2.6. Hệ thống an toàn lò phản ứng BWR ............................................................. 21
3.2.6.1. Hệ thống thông gió lò phản ứng ............................................................. 21
3.2.6.2. Hệ xử lý khí thải dự phòng ..................................................................... 22
CHƯƠNG 4: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN BWR_V3
VÀ MÔ PHỎNG SỰ CỐ THANH ĐIỀU KHIỂN ................................................... 24
4.1. Giới thiệu chung về phần mềm BWR_V3 .............................................................. 24
4.1.1. Giới thiệu phần mềm ..................................................................................... 24
4.1.2. Chạy chương trình mô phỏng ........................................................................ 24
4.1.3. Các đặc điểm chung của phần mềm .............................................................. 25
4.1.4. Các giao diện màn hình hiển thị chính .......................................................... 27
4.1.4.1. Màn hình kiểm soát công suất / Bản đồ lưu lượng BWR ....................... 27
4.1.4.2. Màn hình độ phản ứng và kiểm soát BWR ............................................. 28
4.1.4.3. Màn hình turbine máy phát điện BWR ................................................... 29
4.1.4.4. Màn hình nước cấp và sự chia tách hơi ................................................. 30
4.2. Mô phỏng sự cố ở thanh điều khiển ........................................................................ 31
4.2.1. Rút thanh điều khiển không chủ đích ............................................................ 31
4.2.1.1. Mô tả sự cố .............................................................................................. 31
4.2.1.2. Thiết lập mô phỏng sự cố........................................................................ 31
4.2.1.3. Kết quả mô phỏng ................................................................................... 32

iii


4.2.1.4. Phân tích kết quả ..................................................................................... 35
4.2.2. Chèn thanh điều khiển không chủ đích ......................................................... 36
4.2.2.1. Mô tả sự cố .............................................................................................. 36
4.2.2.2. Thiết lập mô phỏng ................................................................................. 36

4.2.2.3. Kết quả .................................................................................................... 36
4.2.2.4. Phân tích kết quả ..................................................................................... 40
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 42
1. Kết luận ................................................................................................................... 42
2. Kiến nghị................................................................................................................. 43
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 44
PHỤ LỤC ..................................................................................................................... 45

iv


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Thống kê số lượng lò phản ứng trên thế giới và công suất điện đóng góp
……………………………………………………………………………...................... 3
Bảng 1.2 Đặc tính và thông số của các lò thế hệ IV đang được nghiên cứu …………...6
Bảng 2.1 Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết của một số hạt nhân…………… 8
Bảng 3.1 Một số thông số chính của loại lò BWR - 1100 MW………………………. 14
Bảng 4.1 Các thông số lò khi hoạt động bình thường………………………………… 31

v


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Các thế hệ lò phản ứng phát triển theo thời gian ............................................. 4
Hình 3.1. Cấu tạo thùng lò phản ứng BWR ................................................................... 16
Hình 3.2. Bó nhiên liệu và viên nhiên liệu..................................................................... 18
Hình 3.3. Sơ đồ hệ thống tuần hoàn nước ...................................................................... 20
Hình 3.4. Sơ đồ hệ thống xử lý khí thải dự phòng ......................................................... 23
Hình 4.1. Các báo động trạng thái lò trong phần mềm .................................................. 25
Hình 4.2. Các thông số chính ......................................................................................... 26

Hình 4.3. Giao diện BWR Power / Flow Map & Controls ............................................ 27
Hình 4.4. Giao diện BWR Reactivity & Setpoints ........................................................ 28
Hình 4.5. Giao diện BWR Turbine Generator ............................................................... 29
Hình 4.6. Giao diện BWR Power / Flow Map & Controls ............................................ 30
Hình 4.7. Công suất lò phản ứng (%)............................................................................. 32
Hình 4.8. Công suất nhiệt (%) ........................................................................................ 33
Hình 4.9. Công suất máy phát (%) ................................................................................. 33
Hình 4.10. Lưu lượng nước trong lõi (kg/s) ................................................................... 34
Hình 4.11. Áp suất lò (kPa) ............................................................................................ 34
Hình 4.12. Công suất lò phản ứng (%)........................................................................... 37
Hình 4.13. Công suất nhiệt (%) ...................................................................................... 37
Hình 4.14. Công suất máy phát (%) ............................................................................... 38
Hình 4.15. Áp suất lò (kPa) ............................................................................................ 38
Hình 4.16. Lưu lượng nước trong lõi (kg/s) ................................................................... 39

vi


Hình 4.17. Chiều dài sôi (m) .......................................................................................... 39
Hình PL.1. Giao diện BWR Control Loops ................................................................... 45
Hình PL.2. Giao diện BWR Scram Parameters ............................................................. 46
Hình PL.3. Giao diện BWR Trend ................................................................................. 47

vii


LỜI MỞ ĐẦU
Hiện nay ta đang sống trong thế kỷ 21, một thế kỷ mà các hoạt động sống, sinh
hoạt, các nhu cầu của con người ngày càng tăng cao khi dân số thế giới đạt mốc 7 tỷ
người. Đi cùng với việc dân số tăng nhanh thì sự phát triển của xã hội, khoa học kỹ

thuật của loài người càng diễn ra với tốc độ nhanh. Chính vì sự phát triển đó đã gây ra
sự thiếu hụt về năng lượng phục vụ cho con người ở thời điểm hiện tại.
Đối với vấn đề năng lượng, ta có khá nhiều phương pháp để chuyển hóa nhiên
liệu thành năng lượng ta cần. Tuy vậy vấn đề về trữ lượng và môi trường mới là những
trở ngại cần lưu tâm nhất. Bên cạnh các nhiên liệu hóa thạch hay dùng ta không thể
phủ nhận năng lượng hạt nhân tuy là một loại năng lượng mới nhưng sản lượng mà nó
đóng góp cho đời sống hiện nay là không hề nhỏ.
Điện hạt nhân là một kỹ thuật mới đem lại những lợi ích cho chúng ta mà không
gây hại nhiều đến môi trường cũng như chất lượng phục vụ cũng khá cao. Nhưng để
hiểu hết các vấn đề liên quan đến điện hạt nhân thực sự là một vấn đề khó khăn, nhân
lực có các kỹ năng xử lý, kiến thức cần biết khi sử dụng nguồn năng lượng này cũng
không nhiều. Lợi ích là không thể phủ nhận nhưng an toàn vẫn là phần quan trọng nhất
và đối với điện hạt nhân thì vấn đề an toàn lại càng được bảo đảm tuyệt đối.
Những việc ta cần làm hiện nay là tìm hiểu thấu đáo về cách thức hoạt động, cấu
tạo cũng như kỹ năng xử lý các vấn đề về điện hạt nhân, đó là lý do tác giả chọn đề tài
“Khảo sát sự cố do thanh điều khiển trong lò phản ứng BWR bằng phần mềm mô
phỏng BWR_V3”. Trong khóa luận này ta sẽ phân tích về một số sự cố của lò nước sôi
BWR trên phần mềm mô phỏng BWR_V3 để hiểu thêm về các hiện tượng khi có sự
cố.

viii


Khóa luận này sẽ bao gồm các phần chính:
Chương 1: Tổng quan năng lượng hạt nhân, ở đây ta sẽ tìm hiểu về lịch sử ra đời và
phát triển của các nhà máy điện hạt nhân. Bên cạnh đó ta sẽ sơ lược qua các thế hệ lò
phản ứng đã và đang phát triển.
Chương 2: Lý thuyết lò phản ứng hạt nhân, trong chương này ta sẽ tập trung tìm hiểu
về lý thuyết của neutron cùng các phản ứng trong lò phản ứng hạt nhân.
Chương 3: Cấu tạo lò phản ứng nước sôi BWR, chương này sẽ bao gồm cấu tạo cũng

như nguyên lý hoạt động của một lò phản ứng hạt nhân loại nước sôi.
Chương 4: Phần mềm mô phỏng lò phản ứng hạt nhân BWR_V3 và Mô phỏng sự cố
thanh điều khiển. Ta sẽ dùng phần mềm BWR_V3 để khảo sát hai sự cố liên quan đến
hệ thống thanh điều khiển.

ix


CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN
1.1. Tình hình năng lượng nguyên tử thế giới và Việt Nam
Cuộc sống xung quanh ta đang có những bước phát triển liên tục về nhiều mặt
kinh tế, văn hóa, xã hội, công nghệ… và đi kèm với sự phát triển đó là vấn đề về nhiên
liệu cho các hoạt động sống và sản xuất. Hiện nay để phục vụ cho đời sống, con người
đang sử dụng nhiều nguồn nhiên liệu khác nhau như than đá, dầu mỏ, các nguồn khí
đốt khác… Tuy vậy đối với những loại nhiên liệu không thể tái sinh này thì chúng chỉ
có thể duy trì trong khoảng thời gian không lâu vì sự khai thác và sử dụng quá mức của
con người ( than đá 5 tỉ tấn/ năm, dầu mỏ 30 tỷ thùng/ năm…).
Các nhiên liệu trên có đóng góp rất to lớn trong các ngành nghề hiện tại đặc biệt
là trong công nghiệp vì có trữ lượng lớn và hiệu quả sử dụng cao nhưng chính những
loại nguyên liệu hóa thạch lại là nguyên nhân gây ra hiện tượng nóng lên toàn cầu do
lượng khí cacbonic mà chúng thải ra khi ta sử dụng. Ước tính mỗi năm lượng khí
cacbonic do các nhiên liệu hóa thạch thải ra đạt 21,3 tỉ tấn và có thể tăng hơn so với
những năm trước đó. Điều này làm cho sự ô nhiễm môi trường trên toàn thế giới đến
mức đáng báo động, ảnh hưởng rất xấu đến sức khỏe cũng như tính mạng con người.
Hiện tại dân số thế giới đã đạt hơn 7 tỉ người, điều đó có nghĩa nhu cầu về năng lượng
nhiều hơn bao giờ hết và bài toán về nguồn năng lượng lại được đặt ra khi mà những
nhiên liệu trên đang trên đà cạn kiệt. Và nguồn năng lượng mới mà thế giới đang
hướng tới ở thời điểm hiện tại là năng lượng nguyên tử, một loại năng lượng được con
người phát minh ra vào những năm của thế kỉ 20 nhằm thay thế cho những nguồn năng

lượng cũ. Năng lượng hạt nhân là một nguồn năng lượng mới ra đời sau nhưng nó
mang lại những lợi ích to lớn phục vụ cho xã hội và cuộc sống con người. Đi đầu là sự
xuất hiện của những nhà máy tạo ra nguồn điện hạt nhân từ nguồn nhiên liệu là

1


Uranium 235 (U-235). Những nhà máy nhỏ đầu tiên do Hoa Kỳ sản xuất chủ yếu để
phục vụ trong các mục đích quân sự.
Năm 1954 nhà máy điện hạt nhân đầu tiên được xây dựng và đi vào họat động tại
Obninsk (Matxcova – Liên Xô cũ) với công suất hoạt động 5MW cung cấp đủ cho nhu
cầu sinh hoạt và sản xuất của 2000 hộ dân tại thời điểm đó.
Và lò phản ứng hạt nhân dùng cho mục đích thương mại đầu tiên được xây dựng
tại thung lũng Calder, và chính thức đi vào họat động vào ngày 17/10/1956. Bảng 1.1
cho chúng ta số liệu thống lê số lượng lò phản ứng được sử dụng trên thế giới tính đến
ngày 26-2-2012.
Sau những lợi ích mà điện hạt nhân mang lại các nước trên thế giới cũng có
những hoạt động về sử dụng năng lượng hạt nhân với những nhà máy điện hạt nhân
mới được xây dựng ở nhiều nơi trên thế giới với mục đích phục vụ đời sống con người.
Và đi cùng trong đó có Việt Nam chúng ta với dự án xây dựng hai nhà máy điện hạt
nhân đầu tiên cho mục đích phát điện ở xã Phước Dinh và xã Vĩnh Hải tỉnh Ninh
Thuận và đưa vào lưới điện quốc gia vào năm 2020 ( nay đã lùi thời điểm khởi công).
Đến thời điểm hiện tại với dân số hơn 90 triệu người và nhu cầu về điện sẽ còn tăng
cao trong thời gian tới thì điện hạt nhân cũng là một cách giải quyết tối ưu cho nước ta
hiện nay. Theo tính toán của Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN) tổ máy đầu tiên được
đưa vào vận hành sẽ cung cấp khoảng 1% tổng lượng điện tiêu thụ trong cả nước và
đến khi hoàn thành toàn bộ, hai nhà máy này sẽ cung cấp lượng điện tăng dần, từ 6%
tổng lượng điện cả nước vào năm 2030 lên 20 - 25% vào năm 2050. Như vậy lượng
điện năng mà nhà máy điện hạt nhân đóng góp vào chiếm một phần không hề nhỏ cho
nhu cầu điện của nước ta. Mặc dù vậy, hiện nay nhà nước đã quyết định lùi thời gian

thi công để có thời gian chuẩn bị và ổn định vấn đề chuyên môn và nhân lực cho nhà
máy điện hạt nhân.

2


Bảng 1.1. Thống kê số lượng lò phản ứng trên thế giới và
công suất điện đóng góp [6]
Quốc gia

Số lượng

Hoa Kỳ
Pháp
Nhật Bản
Liên bang Nga
Hàn Quốc
Ấn Độ
Canada
Vương quốc Anh
Trung Quốc
Ukraina
Thụy Điển
Đức
Tây Ban Nha
Bỉ
Cộng Hòa Séc
Thụy Sỹ
Phần Lan
Hungary

Slovakia
Pakistan
Argentina
Brazil
Bulgaria
Mexico
Romania
Nam Phi
Armenia
Iran
Hà Lan
Slovenia
Tổng

104
58
50
33
23
20
18
18
16
15
10
9
8
7
6
5

4
4
4
3
2
2
2
2
2
2
1
1
1
1
437

3

Tổng công suất
(MW)
101240
63130
44215
23643
20671
4391
12624
9920
11688
13107

9326
12068
7567
5927
3766
3263
2736
1889
1816
725
923
1884
1906
1300
1300
1830
375
915
482
688
370345


1.2. Phân loại các lò phản ứng hiện nay
Các loại lò phản ứng trên thế giới được gọi tên theo cấu tạo, nguyên lý hoạt động,
ở đây ta sẽ chú ý vào một số loại lò được sử sụng với số lượng nhiều nhất và công suất
cao trên thế giới bao gồm PWR (Pressurized Water Reactor), BWR,… Để hiểu rõ hơn
về các lò phản ứng theo thời gian ta chia các loại lò này ứng với mỗi thế hệ khác nhau.
Chung quy lại từ những năm 50 của thế kỷ 20 thì có thể coi có bốn thế hệ lò phản ứng
chính là các thế hệ I, II, III và IV.

Hình 1.1. Các thế hệ lò phản ứng phát triển theo thời gian
1.2.1. Thế hệ lò phản ứng I
Như đã nói đến, các lò phản ứng được dùng cho mục đích phát điện đầu tiên được
vận hành vào những năm 50 thế kỷ 20 như lò ở Obninsk (Liên Xô) năm 1954 hay ở
thung lũng Calder năm 1956 đều là những lò thuộc thế hệ đầu tiên. Những lò phản ứng
ở thế hệ này có công suất hoạt động khá thấp được xây dựng chủ yếu ở các nước như
Mỹ, Liên Xô, Anh…Các lò này có thiết kế khác nhau tùy theo mỗi nước nhưng về
nguyên lý hoạt động thì tương đồng như nhau.

4


Các lò tiêu biểu của thế hệ này có thể kể đến là Shippingport của Mỹ, Dresden-1,
Magnox và Calder Hall-1 của Anh… Ở đây ta thấy có thể tuy cùng một thế hệ nhưng
đã có sự khác nhau về thiết kế Shippingport là loại lò áp lực sử dụng chất làm chậm
nước nhẹ với công suất khoảng 60 MW, Dresden-1 là lò nước sôi BWR cũng dùng chất
làm chậm là nước nhẹ và công suất khoảng 207 MW…
1.2.2. Thế hệ lò phản ứng II
Thế hệ thứ hai được cải tiến và phát triển từ thế hệ nguyên mẫu về các thiết kế
cũng như có thêm những thiết kế lò mới để nâng cao hiệu quả sử dụng. Các lò ở thế hệ
này bắt đầu được sử dụng từ khoảng năm 1970 chủ yếu phục vụ mục đích thương mại.
Sử dụng nhiên liệu là Uranium dioxide với độ làm giàu khoảng từ 0,7% đến 4% và
được bọc bởi hợp kim Zirconium. Ngoài ra điểm nổi bật ở giai đoạn này người ta đã
bắt đầu sử dụng công nghệ điều khiển lò phản ứng không cần người điều khiển bằng cơ
khí hay điện năng.
1.2.3. Thế hệ lò phản ứng III và III+
Thế hệ lò này được xây dựng và phát triển vào năm 1990 với những ưu điểm vượt
trội so với thế hệ trước về tính an toàn và tự động cao. Các lò trong thế hệ này có thiết
kế gọn hơn mà vẫn đạt được hiệu suất cao kết hợp với khả năng bảo vệ khi có sự cố

xảy ra trong quá trình hoạt động. Thời gian xây dựng và chi phí cũng giảm đi nhiều so
với trước đồng thời việc bảo trì cũng đơn giản hơn. Loại lò đặc trưng nên nhắc đến là
ABWR ( Advanced Boiling Water Reactor) được phát triển và xây dựng ở Nhật Bản,
APWR (Advanced Pressurized Water Reactor) do Westinghouse thiết kế,… Các loại lò
này đã được sử dụng rộng rãi trên cả thế giới do những ưu điểm của chúng. Bên cạnh
đó là sự phát triển thêm của thế hệ lò III+ bằng việc đưa vào các hệ thống thụ động tự
duy trì trạng thái an toàn mà không cần điều khiển để đạt độ an toàn nhất định.

5


1.2.4. Thế hệ lò phản ứng IV
Theo sau sự phát triển về khoa học công nghệ thì những khái niệm đầu tiên về thế
hệ lò mới này cũng dần hình thành và bù đắp cho những khuyết điểm của các thế hệ cũ.
Xu hướng của các lò phản ứng này là hạn chế khí thải ra từ các phản ứng hạt nhân tạo
thành một vòng khép kín tái chế các chất thải ra, đạt độ an toàn tối đa và hoàn toàn tự
động. Sử dụng chất hấp thụ có thể cháy được để tăng thời gian sử dụng nhiên liệu. Đặc
tính và thông số của một số lò phản ứng trong thế hệ này được ghi trong bảng 1.2.
Bảng 1.2. Đặc tính và thông số của các lò thế hệ IV đang được nghiên cứu [8]
Phổ
neutron

Chất
làm
mát

Công
Nhiệt
độ, C
o

Áp suất

Nhiên

suất

liệu
(MW)

Lò phản ứng
Nhanh

Hêli

Lò phản ứng

Trên

Muối

muối nóng chảy

nhiệt

florua

Lò phản ứng

Nhiệt

siêu tới hạn làm

hoặc

mát bằng nước

nhanh

nhanh làm mát

850

Cao

700-800

Thấp

U-238

288

bằng khí

Lò phản ứng
nhiệt độ rất cao

Nước 510-550 Rất cao

UF6 trong
muối

UO2

1.000

1.500

UO2 (lăng
Nhiệt

Hêli

Sản phẩm

1.000

Cao

trụ hoặc
viên)

6

250

Điện,
hyđro

Điện,
hyđro

Điện

Điện,
hyđro


CHƯƠNG 2
VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
2.1. Phản ứng phân hạch hạt nhân
Trong vật lý lò phản ứng, phản ứng phân hạch hạt nhân là phản ứng quan trọng
nhất. Trong phản ứng này khi một neutron va chạm với một hạt nhân nguyên tố nặng
sẽ khiến hạt nhân nặng bị chia thành hai hạt nhân con có khối lượng nhỏ hơn, phát ra từ
các bức xạ tia gamma (γ), hạt beta (β), hạt alpha (α). Phản ứng phân hạch kéo theo một
năng lượng lớn được giải phóng, đồng thời có hai hoặc ba neutron được tạo ra. Các
neutron này sẽ tiếp tục va chạm với các hạt nhân khác và quá trình đó cứ thế tiếp diễn.
Như vậy là xuất phát từ một sự phân hạch trong khối nhiên liệu, nếu ta không khống
chế các neutron, thì có thể sinh ra ít nhất là hai sự phân hạch. Những phân hạch thành
chuỗi như vậy được sẽ tạo nên phản ứng dây chuyền, đây là phản ứng chính trong sự
hoạt động của nhà máy điện hạt nhân.
Cơ chế của phản ứng này được miêu tả bằng mô hình mẫu giọt [1]. Hạt nhân
được coi là “một giọt chất lỏng” mang điện tích dương tồn tại do sự cân bằng giữa lực
đẩy Coulomb của các proton với lực hút hạt nhân và sức căng mặt ngoài. Sự phân hạch
hạt nhân xảy ra khi chỗ nối bị đứt. Điều kiện phân hạch là năng lượng kích thích
E* > Eng. Trong đó Eng là mức năng lượng ngưỡng đặc trưng của mỗi hạt nhân để xảy
ra phản ứng phân hạch. Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết của các hạt nhân
được mô tả trong bảng 2.1. Quá trình phân hạch xảy ra đối với hạt nhân có A > 80. Tuy
nhiên trong lò phản ứng chỉ xảy ra sự phân hạch của các hạt nhân có số khối

90 ≤ A ≤ 97. Thông thường, trong các lò phản ứng sử dụng các hạt nhân: Th-232
(Thorium), U-233 , U-235, U-238, Pu-239 (Plutonium). Khi hấp thụ neutron, hạt nhân
tạo thành hạt nhân hợp phần tương ứng.

7


Bảng 2.1. Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết của một số hạt nhân. [1]
Hạt nhân

Năng lượng ngưỡng
(MeV)

Hạt nhân hợp phần

Năng lượng liên
kết (MeV)

Th-232

5,9

Th-233

5,07

U-233

5,5

U-234

6,77

U-235

5,75

U-236

6,4

U-238

5,85

U-239

4,76

Pu-239

5,5

Pu-240

6,38

Theo số liệu trên ta thấy được đối với các hạt nhân U-233, U-235, Pu-239 có thể
được phân hạch bởi các neutron có năng lượng bất kỳ. Vậy nên có thể nói các hạt nhân

với số lẻ neutron được sử dụng cho phản ứng phân hạch. Hiện nay Uranium là nhiên
liệu được sử dụng nhiều trong nhà máy điện hạt nhân, tuy vậy Uranium trong thiên
nhiên thì U-235 chỉ chiếm khoảng 0,714%. Vì vậy để sử dụng Uranium làm nhiên liệu
ta cần phải tăng độ giàu Uranium lên trước khi sử dụng, tức là tăng nồng độ hạt nhân
U-235 lên. Sau mỗi phản ứng phân hạch là sự xuất hiện của các mảnh vỡ phân hạch,
lượng tử γ, các neutron mới sinh ra và neutrino. Các sản phẩm phân hạch này đóng góp
một phần năng lượng tạo nên một năng lượng khoảng 200 MeV khi phản ứng phân
hạch xảy ra.
Trong lò phản ứng hạt nhân sự hoạt động của lò là dựa trên phản ứng dây chuyền.
Đây là phản ứng dựa trên nguyên tắc của phản ứng phân hạch hạt nhân. Để duy trì hoạt
động ổn định của lò ta dựa trên hệ số nhân neutron k. Đây là hệ số cho ta biết tỉ số
neutron sinh ra ở thế hệ i+1 so với thế hệ i. Từ đó ta đưa ra phương án xử lý để đảm
bảo cho sự hoạt động của lò.

8


Hệ số nhân k có ba trường hợp:
 k = 1 đây là lò đã đạt trạng thái tới hạn và cũng là chế độ hoạt động mà ta mong
muốn đạt được. Ở trạng thái này ta dễ dàng kiểm soát được quá trình hoạt động
của lò, lượng neutron sinh ra đủ để duy trì phản ứng dây chuyền nhưng không
tăng vọt lên.
 k > 1 trạng thái này lò đạt trên tới hạn. Đây là giai đoạn khá nguy hiểm vì công
suất sẽ tăng mạnh dẫn đến mất kiểm soát.
 k < 1 phản ứng dưới tới hạn, không thể xảy ra phản ứng dây chuyền.
Để tính toán hệ số nhân k ta đưa ra công thức bốn thừa số [1]:
k= ηµpf

(2.1)

Trong đó các thừa số có ý nghĩa:
 Hệ số tái sinh neutron ():
Là tỷ số giữa số lượng neutron sinh ra từ phân hạch với số lượng neutron nhiệt bị
hấp thụ trong nhiên liệu. Đối với Uranium tự nhiên giá trị đặc trưng này là 1,2.
=

σf5 N5 
σ5 N5 +σ8 N8 

Với: σ5 và σ8 là tiết diện vi mô hấp thụ neutron nhiệt đối với U-235 và U-238.
N5 và N8 lần lượt là nồng độ U-235 và U-238.
σf5 là tiết diện phân hạch của U-235 với neutron nhiệt.
: là số neutron trung bình sinh ra trên phân hạch nhiệt.

9

(2.2)


 Hệ số phân hạch nhanh (µ):
Là hệ số biểu diễn sự tăng số lượng neutron nhanh do phân hạch nhanh của U238. Đối với Uranium tự nhiên giá trị đặc trưng này là 1,03.
μ=

Số neutron phân hạch nhiệt + số neutron phân hạch nhanh
Số neutron phân hạch nhanh

(2.3)

 Xác suất thoát cộng hưởng (p):
Là xác suất neutron sẽ không trải qua quá trình bắt cộng hưởng trong U-238 trong

quá trình làm chậm từ neutron nhanh xuống neutron nhiệt. Với Uranium tự nhiên giá
trị đặc trưng này là 0,9.
p=

Số neutron trong khoảng năng lượng cộng hưởng bay ra
Số neutron trong khoảng năng lượng cộng hưởng đi vào

(2.4)

 Hệ số sử dụng neutron nhiệt (f):
Là tỉ số neutron nhiệt bị hấp thụ bởi nhiên liệu so với tất cả số neutron nhiệt bị
hấp thụ trong toàn phản ứng. Đối với Uranium tự nhiên giá trị này là 0,94.
f=

σu N u
σu N u + ∑ σi N i

(2.5)

Với: 𝜎𝑢 là tiết diện hấp thụ neutron đối với Uranium.
σi là tiết diện hấp thụ neutron đối với vật liệu loại i.
2.2. Làm chậm neutron
Các neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch có 99% là neutron nhanh trong khi
đó để lò hoạt động ta thường sử dụng neutron nhiệt tức là neutron được làm chậm lại.
Do đó, người ta đặt vào lõi lò phản ứng các môi trường vật liệu nhẹ, ví dụ như nước
thường, nước nặng, hoặc cacbon… Các chất như vậy được gọi là các chất làm chậm
10


với hệ số làm chậm của chúng khá cao. Khi va chạm với các hạt nhân của chất làm

chậm, các neutron tán xạ trên chúng và truyền cho chúng một phần năng lượng của
mình. Vì vậy, sau mỗi lần va chạm, năng lượng của neutron giảm dần, đến khi neutron
đạt đến vùng neutron nhiệt. Quá trình giảm năng lượng từ từ này của các neutron do
nhiều lần va chạm với các hạt nhân của chất làm chậm được gọi là quá trình làm chậm
neutron.
Khi va chạm hạt nhân chất làm chậm, giả sử lúc đầu năng lượng neutron nhanh là
E thì sau một va chạm năng lượng trung bình của neutron đó sẽ được tính theo công
thức [2]:

E̅′ =

𝐴−1 2
) ]
𝐴+1
2

E [1 + (

(2.6)

Với: E̅′ là năng lượng mất trung bình trong mỗi va chạm.
A là số khối hạt nhân bia.
Ta đặt đại lượng ξ = ln

E
E′

là độ mất năng lượng logarit trung bình, đại lượng này được

sử dụng để phản ánh hai đại lượng quan trọng để chọn lựa chất làm chậm là khả năng

làm chậm và hệ số làm chậm.
Khả năng làm chậm là ξ  s và hệ số làm chậm là ξ  s/  a. Trong đó  a và  s
lần lượt là tiết diện hấp thụ và tiết diện tán xạ neutron của chất làm chậm. Ta thấy được
sự làm chậm càng lớn khi  s càng lớn và thông thường ta lựa chọn chất làm chậm dựa
trên hệ số làm chậm càng lớn. Theo các nghiên cứu [1] ta thấy nước nặng là chất có hệ
số làm chậm tốt nhất tuy nhiên việc sử dụng nước nặng còn hạn chế nhiều do khó sản
xuất, giá thành cao. Vì thế nên trong các lò phản ứng hạt nhân ta sử dụng nước thường
thay cho các vật liệu khác vì giá thành rẻ, dễ sản xuất và quản lý.

11


2.3. Độ phản ứng
Như đã nói trong quá trình hoạt động của một lò phản ứng hạt nhân ta cần quan
tâm đến hệ số nhân k trong lò. Để lò hoạt động ổn định, hệ thống phải duy trì sao cho
hệ số nhân k luôn bằng 1 nghĩa là phản ứng dây chuyền đang xảy ra. Tuy vậy có thể vì
một lý do nào đó trong quá trình vận hành có thể khiến cho hệ số k lệch khỏi giá trị 1
khiến lò lệch trạng thái tới hạn. Để kiểm soát và điều chỉnh vấn đề này ta đưa ra một
đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi hệ số nhân k trong lò là độ phản ứng.
Độ phản ứng có thể có giá trị dương hoặc âm biểu thị cho ta biết công suất lò sẽ
tăng hay giảm. Thanh điều khiển là bộ phận hấp thụ neutron sinh ra khi đưa vào vùng
hoạt và khiến công suất lò giảm xuống có nghĩa là thanh điều khiển khi đưa vào lò sẽ
tạo ra độ phản ứng âm và khi rút ra là độ phản ứng dương cho lò. Ngoài ra còn có một
số yếu tố khác có thể ảnh hưởng độ phản ứng trong lò như sự nhiễm độc xenon, sự tạo
xỉ trong lò, hệ số nhiệt độ, hiệu ứng công suất… Đa số các quá trình này đều gây ra độ
phản ứng âm trong lò [1].
Ở đây ta sẽ tập trung vào sự thay đổi độ phản ứng do hiệu ứng bọt hơi gây ra vì
khi thực hiện mô phỏng sự cố chèn thanh điều khiển trong khóa luận này thì hệ số có
đóng góp khá lớn trong việc thay đổi độ phản ứng. Các bọt hơi sinh ra do sự sôi của
nước trong vùng hoạt của lò khiến cho hiệu ứng này xảy ra. Những bọt hơi này càng

nhiều sẽ khiến cho khả năng làm chậm neutron của nước giảm đi. Điều này có nghĩa là
số neutron nhiệt sinh ra cũng giảm xuống do nước không làm chậm được neutron
nhanh sinh ra từ phản ứng phân hạch khiến công suất lò giảm xuống. Vì vậy ta chú ý
rằng hiệu ứng bọt hơi sẽ thêm vào vùng hoạt lò độ phản ứng âm. Hệ số đặc trưng của
hiệu ứng này là hệ số bọt hơi phụ thuộc vào tỉ số lượng hơi pha trong nước trên thể tích
tổng của hơi và nước trong vùng hoạt của lò. Như đã nói hiệu ứng bọt hơi khiến cho
công suất lò giảm nên khi hệ số bọt hơi càng tăng thì công suất sẽ giảm xuống với tốc
độ càng tăng.

12


CHƯƠNG 3
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CỦA
LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC SÔI BWR
3.1. Tổng quan và lịch sử lò phản ứng hạt nhân BWR
BWR là viết tắt của Boiling Water Reactor hay còn gọi là lò phản ứng nước sôi.
Như đã nói ở trên lò phản ứng BWR thuộc thế hệ lò phản ứng thứ II được sử dụng vì
mục đích hòa bình là phát điện. BWR được nghiên cứu và phát triển bởi phòng thí
nghiệm quốc gia Hoa Kỳ Idaho và công ty General Electric vào những năm 50 của thế
kỷ 20. Nhà sản xuất chính của kiểu lò này hiện nay là General Electric Hitachi Nuclear
Energy, bao gồm công đoạn thiết kế và xây dựng. Lò phản ứng BWR được đưa vào sử
dụng thực tế vào khoảng năm 1960. Hiện nay số lượng lò BWR chiếm khoảng 20%
tổng số lò phản ứng hạt nhân trên thế giới.
BWR là loại lò sử dụng nước nhẹ vừa là chất tải nhiệt vừa là chất làm chậm trong
vùng hoạt lò phản ứng. Khác với lò phản ứng nước áp lực PWR sử dụng hệ thống hai
vòng tuần hoàn sơ cấp và thứ cấp, lò BWR sử dụng công nghệ một vòng tuần hoàn trực
tiếp đơn giản hơn. Từ phía ngoài các máy bơm thông qua các vòi phun sẽ đưa lượng
nước cần thiết vào thùng lò phản ứng. Lượng nước này di chuyển ở khoảng giữa vách
ngăn thùng lò và vùng hoạt theo chiều từ trên xuống đi vào vùng hoạt lò phản ứng theo

chiều từ dưới lên. Tại vùng hoạt các thanh nhiên liệu được đốt cháy sinh ra một lượng
nhiệt lớn. Khi lò hoạt động thì nhiệt sinh ra tại tâm lò sẽ làm cho lượng nước cấp trong
lõi lò bay hơi. Lượng hơi sinh ra sẽ theo các ống dẫn đến các ngăn sấy và được sấy
khô, tuy nhiên lượng hơi này có mang theo khá nhiều phóng xạ nên trên đường dẫn hơi
luôn có các hệ thống an toàn để lọc và khử phóng xạ. Lượng hơi này sẽ được dẫn đến
quay turbine máy phát điện, sau đó sẽ được ngưng tụ lại và sẽ được đưa quay lại vòng
tuần hoàn chính của lò. So với lò phản ứng nước áp lực thì thùng lò BWR có hình thức
gần giống nhưng có các thông số khác hơn khi so sánh giữa 2 lò có công suất tương

13


đương. Ở đây lò BWR cũng sử dụng nhiên liệu phân hạch là Uranium và hoạt động ở
điều kiện nước tải nhiệt ở áp suất 7599,375 kPa và nhiệt độ nước ở tâm lò khoảng
2850C với hiệu suất hoạt động đạt khoảng từ 30 đến 40%. Các thông số chính của lò
BWR công suất 1000 MW được cho trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Một số thông số chính của loại lò BWR - 1100 MW [6]
Thông số cơ bản của lò BWR
Công suất nhiệt

3293 MW

Công suất điện

1100 MW

Đường kính vùng hoạt

4,75 m

Độ làm giàu nhiên liệu

2,2 %

Số bó nhiên liệu

764

Chiều dài thanh nhiên liệu

3,71 m

Tổng chiều dài bó nhiên liệu

4,46 m

Trọng lượng nhiên liệu

142 tấn

Số thanh điều khiển

185 thanh

Áp suất trong lò

6962,721 kPa

Chất tải nhiệt

H2O

Chất làm chậm neutron

H2O

Lưu lượng chất tải nhiệt qua lò

48.103 t/h

Nhiệt độ chất tải nhiệt vào/ra lò

216/2860 C

Vào thời điểm hiện tại BWR vẫn là một trong hai loại lò được sử dụng nhiều
nhất trên thế giới (sau PWR). BWR là loại lò phản ứng hạt nhân có nguyên lý hoạt
động một vòng tuần hoàn trực tiếp đơn giản hơn các loại khác mà vẫn đem lại lợi ích
14