Tìm hiểu hệ mô phỏng lò phản ứng hạt nhân nước sôi trong nhà máy điện hạt nhân

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

PHAN THỊ NGỌC HƢƠNG

TÌM HIỂU VÀ KHAI THÁC HỆ MÔ PHỎNG LÒ PHẢN
ỨNG NƢỚC SÔI TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ

Tp. Hồ Chí Minh – năm 2013


ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
PHAN THỊ NGỌC HƢƠNG

TÌM HIỂU VÀ KHAI THÁC HỆ MÔ PHỎNG LÒ PHẢN
ỨNG NƢỚC SÔI TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN

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 TRẦN QUỐC DŨNG

Tp. Hồ Chí Minh, Năm 2013

1

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy Trần Quốc Dũng đã tạo
điều kiện, hƣớng dẫn và chỉ bảo tận tình những kiến thức tôi còn thiếu sót trong quá
trình nhận và thực hiện đề tài.
Chân thành cảm ơn đến các bạn trong nhóm đã hỗ trợ để tôi có thể hoàn
thành tốt đề tài đƣợc giao.
Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới các thầy cô trong Bộ môn Vật Lý
Hạt Nhân – Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia TPHCM,
những ngƣời đã đem lại cho tôi các kiến thức bổ trợ, có ích trong hai năm học qua.
Cuối cùng tôi xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, những ngƣời đã luôn
bên cạnh, động viên và khuyến khích tôi trong quá trình thực hiện đề tài nghiên cứu
của mình.
TP Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 09 năm 2013
Học viên
Phan Thị Ngọc Hƣơng

2


MỤC LỤC
Trang phụ bìa .............................................................................................................. 1
Lời cảm ơn .................................................................................................................. 2
Mục lục........................................................................................................................ 3
Danh mục các kí hiệu .................................................................................................. 6
Danh mục các chữ viết tắt .......................................................................................... 7
Danh mục các bảng ..................................................................................................... 8
Danh mục các hình vẽ ................................................................................................. 9
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 12
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BWR VÀ HỆ MÔ PHỎNG BWR ...................... 14

1.1. Tổng quan về lò phản ứng nƣớc sôi (BWR) ...................................................14
1.2. Tổng quan về hệ mô phỏng lò phản ứng nƣớc sôi (BWR) .............................16
CHƢƠNG 2: HỆ MÔ PHỎNG BWR 1300MW (E) ................................................ 17
2.1. Yêu cầu về phần cứng .....................................................................................17
2.2. Khởi động phần mềm mô phỏng .....................................................................17
2.3. Khởi tạo mô phỏng..........................................................................................18
2.4. Danh sách các màn hình hiển thị của chƣơng trình mô phỏng BWR .............18
2.5. Đặc điểm chung của các màn hình mô phỏng BWR ......................................19
2.6. Các màn hình hiển thị mô phỏng ....................................................................22
2.6.1. Màn hình hiển thị tổng quan nhà máy BWR ............................................22
2.6.2. Màn hình các vòng điều khiển BWR ........................................................25
2.6.3. Màn hình bản đồ công suất/lƣu lƣợng và điều khiển ................................28
2.6.4. Màn hình độ phản ứng và điểm cài đặt của BWR ....................................36
2.6.5. Màn hình các tham số hãm BWR .............................................................39
2.6.6. Màn hình máy phát tuabin ........................................................................40
2.6.7. Màn hình cấp nƣớc và tách hơi nƣớc ........................................................42
3


2.6.8. Màn hình khuynh hƣớng BWR .................................................................43
CHƢƠNG 3: MÔ HÌNH TRẠNG THÁI CÂN BẰNG............................................ 44
3.1. Mục đích..........................................................................................................44
3.2. Sự cân bằng khối lƣợng và năng lƣợng của lò nƣớc sôi .................................44
CHƢƠNG 4: BÀI TẬP ............................................................................................. 47
4.1. Bài tập giới thiệu .............................................................................................47
4.1.1. Sự giảm công suất .....................................................................................47
4.1.2. Đóng tuabin và phục hồi ...........................................................................49
4.1.3. Dừng khẩn cấp lò phản ứng (Reactor Scram) và phục hồi .......................52
4.2. Bài tập sự cố ....................................................................................................56
4.2.1. Mất nƣớc cung cấp – đóng cả hai bơm cung cấp nƣớc.............................56

4.2.2. Tăng lƣu lƣợng vùng hoạt do điều khiển dòng hỏng ................................57
4.2.3. Giảm lƣu lƣợng vùng hoạt do điều khiển dòng hỏng ...............................59
4.2.4. Lƣu lƣợng hơi từ mái vòm giảm do điều khiển áp suất hỏng ...................62
4.2.5. Dừng tuabin vì van đƣờng vòng không đóng ...........................................65
4.2.6. Vô tình cô lập lò phản ứng ........................................................................68
4.2.7. Mất nƣớc cấp nhiệt....................................................................................71
4.2.8. Đƣờng hơi nƣớc bị vỡ trong giếng khô ....................................................75
4.2.9. Sự chèn không chủ định một nhóm thanh điều khiển ...............................79
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .................................................................................. 82
1. Kết luận ..............................................................................................................82
1.1. Ƣu điểm........................................................................................................82
1.2. Nhƣợc điểm ..................................................................................................82
2. Kiến nghị ............................................................................................................83

4


DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................. 84
PHỤ LỤC .................................................................................................................. 85

5


DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU

STT

Kí hiệu

dm

dt

Tên gọi
Lƣu lƣợng khối lƣợng

1

m 

2

h

Enthalpy riêng

3

H

Độ cao cột nƣớc sôi của vùng hoạt

4

md

Lƣu lƣợng nƣớc cấp

5

hd

Enthalpy nƣớc cấp

6

mi

Lƣu lƣợng chất tải nhiệt ở lối vào vùng hoạt

7

hi

Enthalpy chất tải nhiệt ở lối vào vùng hoạt

8

mg

Lƣu lƣợng hơi bão hòa

9

hg

Enthalpy dòng hơi bão hòa

10

mf

Lƣu lƣợng chất lỏng tái tuần hoàn

11

hf

Enthalpy dòng chất lỏng tái tuần hoàn

6


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BWR
CEP

CRDH
ECC
FMCRD

Lò phản ứng nƣớc sôi

The boiling water reactor
Condenser and condensate

Thiết bị ngƣng tụ và bơm ngƣng tụ

extraction pump
The control rod drive hydraulic

subsystem

Phân hệ thủy lực điều khiển
Dòng làm nguội vùng hoạt khẩn cấp

Emergency core cooling
The fine motion control rod drive

Hệ thống điều khiển thanh điều
khiển chuyển động chính xác

Full power

Công suất toàn phần.

FWP

Feedwater pumps

Bơm cấp nƣớc

HCU

The hydraulic control unit

Hệ thống thiết bị điều khiển thủy lực

HPHX

The high pressure heaters

Đun áp suất cao

IAEA

Internation atomic energy agency

LOCA

Loss of Coolant accident

Sự cố mất chất tải nhiệt

LPHX

The low pressure heaters

Đun áp suất thấp

MSR

Moisture separator and reheater

Bộ tách ẩm và nung lại

NPP

Nuclear power plant

Nhà máy điện hạt nhân.

PWR

Pressurized Water Reactor

Lò nƣớc áp lực

RIP

Reactor internal pumps

Bơm nội bộ

RPC

The reactor pressure control

Bộ điều khiển áp suất lò phản ứng

RPS

The reactor protection system

Hệ thống bảo vệ lò phản ứng

RPV

The reactor pressure vessel

Van điều khiển áp suất lò phản ứng

SRV

The safety relife valves

Van cứu trợ

FP

7

Cơ quan năng lƣợng nguyên tử quốc
tế.


DANH MỤC CÁC BẢNG

STT

Bảng

1

4.1

2

4.2

3

4.3

4

4.4

Tên bảng
Các thông số của lò BWR trong quá trình
giảm và tăng công suất.
Các thông số của BWR khi xảy ra sự cố vô
tình cô lập lò phản ứng
Các thông số của BWR khi xảy ra sự cố mất
nƣớc cấp nhiệt
Các thông số của BWR khi xảy ra sự cố
đƣờng hơi nƣớc bị vỡ trong giếng khô

8

Trang
47

69

72

76


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tên hình vẽ

STT

Hình

1

1.1

2

2.1

3

2.2

Các thông số bên dƣới của màn hình mô phỏng

19

4

2.3

Hộp thoại gọi các màn hình

21

5

2.4

Màn hình hiển thị tổng quan nhà máy BWR

22

6

2.5

Màn hình hiển thị các vòng điều khiển của nhà máy BWR

25

7

2.6

Màn hình bản đồ công suất/lƣu lƣợng và điều khiển

29

8

2.7

Màn hình độ phản ứng và cài đặt

36

9

2.8

Màn hình các tham số dừng lò tức thời

39

10

2.9

Màn hình máy phát tuabin

40

11

2.10

Màn hình cấp nƣớc và tách hơi nƣớc

42

12

2.11

Màn hình khuynh hƣớng của BWR

43

13

3.1

Cấu tạo của một nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản
ứng nƣớc sôi.
Hệ thống báo động và thông báo phía trên màn hình hiển
thị hệ mô phỏng.

Sơ đồ đơn giản về sự biến đổi năng lƣợng và khối lƣợng
của lò BWR.

Trang
14

19

44

Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow & Controls” khi
14

4.1

công suất lò vƣợt quá đƣờng lƣu lƣợng – công suất cực

49

đại trong trƣờng hợp tăng công suất trở lại 100%.
15

4.2

16

4.3

17

4.4

Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow & Controls” khi
“Turbine trip”
Ảnh chụp màn hình “Turbine Generator” ghi nhận số liệu
khi tốc độ tuabin đạt 5 vòng/phút.
Ảnh chụp màn hình “Turbine Generator” ghi nhận trạng
thái tuabin hồi phục

9

50

51

52

Ảnh chụp màn hình “BWR Feedwater & Extraction
18

4.5

Steam” sự cố mất nƣớc cung cấp do cả hai bơm cung cấp

56

nƣớc đều đóng.
19

4.6

20

4.7

Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow Map & Controls”
sự cố tăng lƣu lƣợng vùng hoạt do điều khiển dòng hỏng.
Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow Map & Controls”
sự cố giảm lƣu lƣợng vùng hoạt do điều khiển dòng hỏng

58

60

Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow Map & Controls”
21

4.8

sự cố lƣu lƣợng hơi từ mái vòm giảm do điều khiển áp

62

suất hỏng.
Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow Map & Controls”
22

4.9

sự cố lƣu lƣợng hơi từ mái vòm giảm do điều khiển áp
suất hỏng thể hiện sự di chuyển của con trỏ vàng trên màn

64

hình sơ đồ lƣu lƣợng/công suất.
23

4.10

24

4.11

25

4.12

26

4.13

27

4.14

28

4.15

29

4.16

30

4.17

Ảnh chụp màn hình “BWR Turbine Generator” sự cố
dừng tuabin vì van đƣờng vòng không đóng
Ảnh chụp màn hình “BWR Turbine Generator” việc mở
van SRV để mở hồ triệt áp
Ảnh chụp màn hình “BWR Turbine Generator” cho thấy
áp suất thùng lò tăng cao.
Ảnh chụp màn hình xác nhận thông số dập lò khẩn cấp
Ảnh chụp màn hình “BWR Turbine Generator” sự cố vô
tình cô lập lò phản ứng

Ảnh chụp màn hình xác nhận thông số dập lò khẩn cấp
trong sự cố vô tình cô lập lò phản ứng
Ảnh chụp màn hình “BWR Feedwater & Extraction
Steam” sự cố mất nƣớc cấp nhiệt
Ảnh chụp màn hình “BWR Feedwater & Extraction
Steam” sự cố mất nƣớc cấp nhiệt với các van hơi nƣớc
10

65

66

67
67
68

70

71

72


chiết ra đều đóng
Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow & Controls” sự
31

4.18

cố mất nƣớc cấp nhiệt khi con trỏ di chuyển lên phía trên

73

của đƣờng công suất – lƣu lƣợng cực đại
Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow & Controls” sự
32

4.19

cố mất nƣớc cấp nhiệt khi con trỏ trở lại đƣờng lƣu lƣợng

74

– công suất cực đại.
33

4.20

34

4.21

Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow Map & Controls”
sự cố mất nƣớc cấp nhiệt.
Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow Map & Controls”
sự cố mất nƣớc cấp nhiệt khi công suất lò phản ứng giảm

75

77

Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow Map & Controls”
35

4.22

sự cố mất nƣớc cấp nhiệt khi hệ thống làm nguội khẩn cấp

78

ECC hoạt động.
36

4.23

Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow Map & Controls”
sự cố chèn không chủ định một nhóm thanh điều khiển.

79

Ảnh chụp màn hình “BWR Power/Flow Map & Controls”
37

4.24

sự cố chèn không chủ định một nhóm thanh điều khiển

80

khi chuông báo động “Reactor Pressure Low” bật sáng.

Ảnh chụp màn hình “BWR Turbine Generator” sự cố
38

4.25

chèn không chủ định một nhóm thanh điều khiển khi
tuabin chạy “turbine runback”.

11

81


MỞ ĐẦU
Theo số liệu công bố tháng 1 năm 2011 của cơ quan Năng lƣợng nguyên tử
quốc tế, hiện nay trên thế giới có 442 lò phản ứng hạt nhân năng lƣợng đang đƣợc
vận hành tại 31 nƣớc và lãnh thổ chiếm khoảng 16% sản lƣợng điện toàn thế giới.
Điều đó cho thấy sự phát triển của các nhà máy điện hạt nhân có ý nghĩa rất to lớn
đối với tƣơng lai của nhân loại, nhất là khi nguồn năng lƣợng hóa thạch (năng lƣợng
từ than đá, dầu mỏ…) đang ngày càng cạn kiệt.
Công nghệ lò phản ứng hạt nhân đã đƣợc phát triển rất phong phú và đa
dạng. Hiện có khoảng 10 loại lò đang đƣợc sử dụng. Tuy vậy có ba loại chính là lò
nƣớc áp lực (PWR và VVER): 59,5%; lò nƣớc sôi (BWR): 20,8%; và lò nƣớc nặng
áp lực (PHWR): 7,7%; các loại khác chiếm hơn 10%.
Bên cạnh đó, Việt Nam quyết định sẽ xây dựng nhà máy điện hạt nhân, dự
kiến chính thức hoạt động vào năm 2020. Vấn đề của Việt Nam lại là số lƣợng
chuyên viên đủ để vận hành một nhà máy điện hạt nhân đang rất thiếu.
Vì tầm quan trọng và khả năng phát triển mạnh trong tƣơng lai mà chúng ta
cần trang bị những hiểu biết về lò phản ứng hạt nhân nói chung cũng nhƣ lò phản
ứng nƣớc sôi nói riêng để xây dựng nền tảng tiếp nhận các công nghệ lò phản ứng

hạt nhân mới trên thế giới. Đây chính là lí do tôi chọn đề tài “Tìm hiểu và khảo sát
hệ mô phỏng lò phản ứng nƣớc sôi trong nhà máy điện hạt nhân”.
Mục đích nghiên cứu của luận văn này là tìm hiểu xem hệ mô phỏng có cấu
trúc nhƣ thế nào, vận hành ra sao, khả năng giải quyết các sự cố trong mô phỏng,
cũng nhƣ là ƣu và nhƣợc điểm của hệ mô phỏng này.
Đối tƣợng nghiên cứu là cấu trúc của hệ mô phỏng, mô phỏng các sự cố
trong nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng nƣớc sôi.
Phạm vi nghiên cứu là hệ mô phỏng lò phản ứng nƣớc sôi trong nhà máy
điện hạt nhân phiên bản 2 (Generic Boiling Water Reactor Simulator version 2
copyright 2006) đƣợc phát triển bởi Cassiopeia Technologies Inc (Canada); CTI
Simulation International Corporation (Mỹ).

12


Phƣơng pháp nghiên cứu: Tiếp cận cơ sở lý thuyết tổng quát về cấu tạo và
cách thức hoạt động của các lò nƣớc sôi. Trên cơ sở đó tìm hiểu phần mềm mô
phỏng trên máy tính nhằm mô tả các hoạt động của lò phản ứng và nhà máy điện
hạt nhân trong các điều kiện hoạt động bình thƣờng cũng nhƣ có sự cố.
Cấu trúc của luận văn gồm 4 chƣơng:
 Chƣơng 1: Tổng quan về BWR và hệ mô phỏng BWR. Gồm 2 mục:
 Mục 1 giới thiệu tổng quan nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng
nƣớc sôi về lịch sử phát triển, cấu tạo thƣờng gặp và các đặc trƣng của lò
phản ứng nƣớc sôi.
 Mục 2 giới thiệu hệ mô phỏng lò phản ứng nƣớc sôi về tác giả và mục
đích của hệ mô phỏng.
 Chƣơng 2: Hệ mô phỏng BWR 1300MW (E). Gồm 5 mục:
 Mục 1 là yêu cầu về phần cứng của một máy tính để chạy chƣơng trình
mô phỏng.
 Mục 2 và mục 3: các thao tác khởi động và khởi tạo mô phỏng sau khi

cài đặt thành công phần mềm.
 Mục 4 trình bày các đặc điểm chung cũng nhƣ cách kí hiệu các thông số
của màn hình hệ mô phỏng.
 Mục 5 trình bày cụ thể cấu trúc, chức năng, cách thức tƣơng tác và ý
nghĩa của các màn hình trong hệ mô phỏng.
 Chƣơng 3 trình bày các trạng thái cân bằng điển hình trong lò phản ứng
BWR để hiểu những thao tác cơ bản trên hệ mô phỏng lò BWR.
 Chƣơng 4: Bài tập. Gồm 2 mục: bài tập giới thiệu và bài tập sự cố. Nội dung
của chƣơng là tiến hành thao tác trên hệ mô phỏng, quan sát và ghi nhận các
thông số; giải thích diễn tiến của các sự cố và các kế hoạch phản hồi của nhà
máy đối với các sự cố cụ thể.

13


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BWR VÀ HỆ MÔ PHỎNG BWR
1.1. Tổng quan về lò phản ứng nước sôi (BWR)
Lò phản ứng nƣớc sôi đƣợc thiết kế vào những năm 1950 và đƣợc đƣa vào
hoạt động từ đầu những năm 1960, chúng tạo thành một nguồn điện đáng kể từ
phân hạch hạt nhân. Nhiều lò phản ứng nƣớc sôi đã đƣợc xây dựng và vận hành một
cách an toàn trên toàn thế giới. Từ đó đến nay, mặc dù đã có những thay đổi và cải
tiến trong các thiết kế BWR nhƣng các khái niệm cơ bản về bản chất là không thay
đổi kể từ thiết kế BWR đầu tiên đƣợc đề xuất bởi General Electric.
BWR sử dụng nƣớc khử khoáng (nƣớc nhẹ - light water) làm chất tải nhiệt
và chất làm chậm neutron. Nhiệt sinh ra tại tâm lò phản ứng sẽ làm cho nƣớc bay
hơi, hơi nƣớc sinh ra đƣợc chuyển trực tiếp tới tuabin và làm quay máy phát điện,
sau đó sẽ đƣợc ngƣng tụ thành chất lỏng (dạng nƣớc) và chuyển trở lại tâm lò phản
ứng. Nƣớc tải nhiệt đƣợc duy trì ở 75atm (7.6MPa) vì vậy nƣớc sôi ở tâm lò phản
ứng có nhiệt độ khoảng 2850C (5500F).

Hình 1.1: Cấu tạo của một nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng nước sôi
14


Ưu điểm:
-

Lớp vỏ lò phản ứng và các phần tử liên kết với nó đƣợc vận hành ở áp suất
thấp hơn (khoảng 75 lần so với áp suất khí quyển) so với lò nƣớc áp lực
(PWR) (khoảng 158 lần so với áp suất khí quyển).

-

Nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ thấp hơn.

-

Không có thiết bị sinh hơi.

-

Rủi ro gãy nứt do thiếu hụt chất tải nhiệt ít hơn so với PWR và rủi ro hƣ
hỏng tâm lò cũng ít hơn.

-

Việc đo lƣờng mực nƣớc trong lớp vỏ áp lực ở điều kiện vận hành bình
thƣờng và khẩn cấp là giống nhau, các kết quả thu đƣợc sẽ trực quan và dễ
đánh giá hơn.

-

Có thể vận hành thấp hơn mật độ công suất ở tâm lò nhờ sử dụng hệ thống
tuần hoàn tự nhiên, không cần dòng cƣỡng bức.

-

Lò BWR đƣợc thiết kế vận hành mà chỉ sử dụng hệ thống tuần hoàn tự
nhiên, vì vậy các bơm tuần hoàn kín đƣợc loại bỏ hoàn toàn.

-

BWR không sử dụng Axit Boric để điều khiển phản ứng phân hạch, do đó
làm giảm khả năng ăn mòn bên trong lò phản ứng và trong các đƣờng ống.

Nhược điểm:
-

Các tính toán phức tạp về việc quản lý tiêu thụ nhiên liệu hạt nhân trong suốt
quá trình vận hành cả giai đoạn hơi và nƣớc tại phần trên của tâm lò. Nó đòi
hỏi nhiều thiết bị đo hơn trong tâm lò phản ứng.

-

Cùng một công suất thiết kế nhƣng BWR đòi hỏi lớp vỏ áp lực lớn hơn nhiều
so với PWR, do đó giá thành sẽ cao hơn (tuy nhiên giá thành tổng lại giảm
do BWR không có hệ thống sinh hơi và các đƣờng ống liên kết).

-

Do không có vòng thứ hai nên tuabin sẽ bị nhiễm xạ trong thời gian vận
hành.

-

Các thanh điều khiển đƣợc lắp từ bên dƣới của lò phản ứng. Có hai nguồn
thủy lực đẩy trục điều khiển vào tâm lò khi có tình huống khẩn cấp, một là từ
15


nguồn tích năng thủy lực đƣợc thiết kế riêng, hai là từ chính nguồn áp lực
của lò phản ứng, cả hai nguồn này đều có khả năng điều khiển từng trục một.
1.2. Tổng quan về hệ mô phỏng lò phản ứng nước sôi (BWR)
Cơ quan Năng lƣợng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) đã tiến hành nghiên cứu và
phát triển các hệ mô phỏng nhà máy điện hạt nhân để hỗ trợ các quốc gia thành viên
trong lĩnh vực đào tạo nhân lực. Mục tiêu là cung cấp cái nhìn sâu sắc về thực hành,
đặc tính, hoạt động, nhiễu loạn và các tình huống tai nạn có thể xảy ra khi vận hành
lò phản ứng hạt nhân thông qua tƣơng tác với hệ mô phỏng. Một trong số đó là phần
mềm mô phỏng lò phản ứng nƣớc sôi (BWR): “Generic Boiling Water Reactor
Simulator version 2 copyright 2006” do W.K. Lam, của Cassiopeia Technologies
Incorporated phát triển.
Mục đích của việc mô phỏng nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng
nƣớc sôi 1300MW(E) là phục vụ cho giáo dục: cung cấp công cụ dạy học hiệu quả
cho các giảng viên ở trƣờng đại học và các kỹ sƣ trong những bài giảng về năng
lƣợng hạt nhân. Ngoài ra, các kỹ sƣ hạt nhân, các nhà khoa học, giáo viên trong
công nghiệp hạt nhân có thể tìm thấy những mô phỏng hữu ích này để mở rộng hiểu
biết của mình về động lực NPP lò nƣớc sôi.
Mô phỏng có thể thực hiện đƣợc trên máy tính cá nhân (PC), vận hành cơ
bản trong thời gian thực, và có một đáp ứng động lực học tƣơng ứng với độ tin cậy
đủ để cung cấp cho nhà máy BWR trong suốt thời gian hoạt động bình thƣờng và

trƣờng hợp có sự cố. Nó có giao diện cho phép ngƣời sử dụng bắt chƣớc theo bảng
điều khiển thật, và quan trọng hơn là nó cho phép ngƣời sử dụng tƣơng tác với bộ
mô phỏng trong quá trình vận hành nhà máy BWR mô phỏng.

16


CHƢƠNG 2: HỆ MÔ PHỎNG BWR 1300MW (E)
2.1. Yêu cầu về phần cứng
Cấu hình phần cứng tối thiểu cho một mô phỏng của một máy tính pentium
hoặc một thiết bị tƣơng đƣơng: tốc độ tối thiểu của CPU 1,7GHz, RAM 512Mb, ổ
cứng 30Gb, card màn hình 32Mb (có độ phân giải cao 1024x768), màn hình màu
15 inch hoặc lớn hơn với độ phân giải cao, bàn phím, chuột điều khiển. Hệ điều
hành có thể là Windows 2000 hoặc Windows XP.
Sự phát triển mô phỏng sử dụng mô hình gần đúng: mô hình cơ bản cho mỗi
loại thiết bị và quá trình đƣợc trình bày bởi thuật toán và xây dựng trên FORTRAN.
Những mô hình cơ bản là sự kết hợp của những phƣơng trình vi phân cấp 1, mối
tƣơng quan logic và đại số. Những thông số thích hợp và mối liên hệ giữa đầu ra –
đầu vào đƣợc chia ra cho mỗi mô hình đƣợc yêu cầu bởi việc áp dụng một hệ thống
cụ thể.
Sự tƣơng tác giữa ngƣời sử dụng và mô phỏng là thông qua một sự kết hợp
của màn hình, chuột và bàn phím. Thông số giám sát và hoạt động điều hành nhà
máy đƣợc trình bày một cách hầu nhƣ giống hệt trên mô phỏng. Công cụ kiểm soát
bảng điều khiển và các thiết bị kiểm soát nhƣ nút “push” và “hand-switches” (thiết
bị chuyển mạch bằng tay), đƣợc thể hiện nhƣ hình ảnh cách điệu, và đƣợc vận hành
thông qua của sổ hiển thị cụ thể và hộp thoại để ngƣời sử dụng nhập dữ liệu đầu
vào.
2.2. Khởi động phần mềm mô phỏng
-

Chọn chƣơng trình BWR, nhấp chuột mở file BWR.exe.

-

Nhấp chuột vào bất cứ nơi nào trên màn hình “BWR simulator”.

-

Nhấp “OK” để “Load Full Power IC”.

-

Phần mềm mô phỏng sẽ hiển thị màn hình “Plant Overview” với tất cả các
thông số khởi đầu từ 100% công suất đầy đủ (FULL POWER).

-

Nhấp vào “RUN” ở góc phải màn hình để bắt đầu trình mô phỏng.

-

Do là phiên bản sửa đổi của Simulator BWR S/W kết hợp đệm bộ nhớ
chuyên sâu để duy trì lịch sử hoạt động, để khởi tạo dữ liệu khi mô phỏng
17


đƣợc nhập lần đầu thì cần một khoảng thời gian nhất định. Để đẩy nhanh quá
trình này, sau khi mô phỏng đƣợc nhập lần đầu và màn hình “Plant
Overview” hiển thị, hãy mô phỏng “RUN” đầu tiên trong một vài giây, sau
đó “LOAD” 100% FP IC một lần nữa.

2.3. Khởi tạo mô phỏng
Nếu cần cho chƣơng trình mô phỏng trở về điểm khởi tạo thì tiến hành nhƣ sau:
-

“Freeze” chƣơng trình mô phỏng.

-

Nhấp chuột vào “IC”.

-

Nhấp chuột vào “Load IC”.

-

Nhấp chuột vào “FP_100.IC” đối với trạng thái 100% công suất đầy đủ ban
đầu.

-

Nhấp “OK”

-

Nhấp “YES”

-

Nhấp “Return”

-

Chọn “RUN” để bắt đầu chạy chƣơng trình mô phỏng.

2.4. Danh sách các màn hình hiển thị của chương trình mô phỏng BWR
-

Tổng quan về nhà máy BWR – “BWR Plant Overview”.

-

Các vòng điều khiển BWR – “BWR Control Loops”.

-

Bản đồ công suất/lƣu lƣợng và điều khiển – “BWR Power/Flow Map &
Controls”.

-

Độ phản ứng và điểm cài đặt của BWR – “BWR Reactivity & Setpoints”.

-

Các tham số dập lò khẩn cấp – “BWR Scram Parameters”.

-

Máy phát tuabin – “BWR Turbine Generator”.

-

Cấp nƣớc và tách hơi nƣớc – “BWR Feedwater & Extraction Steam”

-

Khuynh hƣớng BWR – “BWR Trends”.

18


2.5. Đặc điểm chung của các màn hình mô phỏng BWR
Phần mềm mô phỏng BWR có 8 màn hình hiển thị tƣơng tác. Mỗi màn hình có
cùng thông tin ở phía trên và phía dƣới màn hình nhƣ sau:

Hình 2.1: Hệ thống báo động phía trên màn hình hiển thị hệ mô phỏng
-

Phía trên cùng của màn hình có 21 hệ thống báo động và thông báo; sự thay
đổi những trạng thái quan trọng hiển thị ở các thông số yêu cầu cần phải có
sự điều khiển.

-

Ở góc phải phía trên hiển thị trạng thái mô phỏng:
 Cửa sổ dƣới “Labview” có số đếm tăng lên khi “Labview” đang chạy;
nếu Labview bị đóng băng (nghĩa là những hiển thị không thay đổi) số
đếm sẽ không tăng lên.
 Cửa sổ hiện thị “CASSIM” sẽ có màu xanh và số đếm ở phía dƣới nó

sẽ không đếm khi phần mềm mô phỏng bị đóng băng, nó sẽ có màu
đỏ và số đếm sẽ đếm khi phần mềm mô phỏng đang chạy.

-

Để đóng băng Labview nhấp vào nút “STOP” (nút này có màu đỏ) ở góc trái
phía trên; để khởi động lại Labview, nhấp vào biểu tƣợng mũi tên () ở góc
trái phía trên.

-

Để bắt đầu mô phỏng, nhấp vào “RUN” ở góc trái phía dƣới; để ngừng mô
phỏng nhấp vào “FREEZE” ở góc phải phía dƣới.

-

Ở phía dƣới màn hình hiển thị giá trị của các thông số chính trong nhà máy

Hình 2.2: Các thông số bên dưới của màn hình mô phỏng

19


Reactor Neutron Pwr (%)

Reactor Neutron Power

Công suất nơ-tron (%)

Reactor Thermal Pwr (%)

Reactor Thermal Power

Công suất nhiệt (%)

Generator Output (%)

_

Reactor Pressure(kPa)

_

Áp suất lò (KPa)

Core Flow (Kg/s)

_

Lƣu lƣợng vùng hoạt (Kg/s)

RCTR Lvl (m)

Reactor water level

Mức nƣớc (m)

Balance of plant steam

lƣu lƣợng hơi sau van cô lập

flow

hơi chính (Kg/s).

BOP STM Flow

-

FW Flow

Feedwater flow

Fuel Temp

Fuel temperature

Công suất máy phát của
tuabin (%)

Lƣu lƣợng nƣớc cung cấp
(Kg/s)
Nhiệt độ trung bình của
nhiên liệu (Deg.C)

Ở góc trái phía dƣới cho phép hai trƣờng hợp khởi đầu:
 “Reactor Trip”
 “Turbin Trip”

-

Hộp thoại phía trên các nút ngắt hiển thị tên màn hình đang đƣợc chọn; bằng
cách nhấp chuột và giữ mũi tên trong hộp thoại này, tiêu đề của các màn hình
khác sẽ đƣợc hiển thị, và có thể chọn một màn hình khác.

20


Hình 2.3: Hộp thoại gọi các màn hình
-

Các nút chính ở góc phải phía dƣới cho phép điều khiển mô phỏng lặp lại;
lựa chọn điểm khởi động (“IC”); đƣa vào các sự cố (“MALF”); và gọi màn
hình trợ giúp (liên kết trực tuyến “HELP” lúc này chƣa có giá trị).

Theo nguyên tắc chung, tất cả những giá trị động lực hiển thị xuất hiện trong hộp
thoại hiển thị trên màn hình đƣợc qui ƣớc:
-

Các giá trị áp suất kí hiệu là P gần hộp hiển thị; đơn vị: kPa

-

Các giá trị nhiệt độ kí hiệu là T gần hộp hiển thị; đơn vị: Deg.C

-

Các giá trị lƣu lƣợng kí hiệu là F gần hộp hiển thị; đơn vị: kg/s

-

Chất lƣợng của 2 pha kí hiệu là X gần hộp hiển thị; đơn vị: %.

Trạng thái van và bơm hiển thị bằng những biểu tƣợng thiết bị đƣợc mô tả nhƣ sau:
-

Trạng thái van: màu đỏ là van mở hẳn; màu xanh là van đóng hẳn; một phần
đỏ một phần xanh cho biết van mở một phần.

-

Trạng thái bơm: màu đỏ là đang chạy; màu xanh là đang đóng.

21


2.6. Các màn hình hiển thị mô phỏng
2.6.1. Màn hình hiển thị tổng quan nhà máy BWR

Hình 2.4: màn hình hiển thị tổng quan nhà máy BWR
Màn hình này hiển thị một biểu đồ tuyến tính của hệ thống nhà máy chính và các
thông số. Dữ liệu đầu vào không đƣợc kết hợp với màn hình này. Hệ thống nhà máy
chính và các thông số hiển thị nhƣ sau (mô tả bắt đầu từ góc trái bên dƣới):
-

Lò phản ứng là một mô hình động học điểm với 6 nhóm nơ-tron trễ; mô hình
nhiệt phân rã sử dụng xấp xĩ ba nhóm; dòng 2 pha và sự truyền nhiệt. Việc
tính toán độ phản ứng bao gồm các thanh điều khiển độ phản ứng – FMCRD,
các thanh điều khiển chuyển động tốt và hiệu ứng hồi tiếp độ phản ứng do
xenon, 2-phase void trong các kênh, nhiệt độ thanh nhiên liệu và nhiệt độ

chất làm nguội (nƣớc nhẹ).

-

Các thông số lò:
 Khu vực mái vòm
22


 Nhiệt độ hơi nƣớc (0C)
 Áp suất (p)
 Lƣu lƣợng hơi nƣớc từ vùng hoạt (kg/s).
 Mức nƣớc trong lò (m)
 Khu vùng hoạt:
 Tốc độ công suất nơ-tron (%/s)
 Công suất nhiệt phát ra từ vùng hoạt (MW (nhiệt))
 Nhiệt độ trung bình của nhiên liệu (0C)
 Tốc độ dòng tải nhiệt ở vùng hoạt (kg/s).
 Áp suất chất tải nhiệt ở cửa ra vùng hoạt (p)
 Nhiệt độ chất tải nhiệt ở cửa ra vùng hoạt (0C)
 Chất lƣợng chất tải nhiệt ở cửa ra vùng hoạt (X%)
 Vị trí thanh điều khiển trong vùng hoạt (% tổng chiều dài của
vùng hoạt). Chú ý giá trị độ phản ứng của thanh điều khiển:
thanh điều khiển nằm hoàn toàn trong vùng hoạt thì độ phản
ứng của thanh điều khiển là -100mk; hoàn toàn ở ngoài vùng
hoạt là +70mk.
 Khu vực ống xả của lò:
 Áp suất bơm nội bộ (kPa)
 Tốc độ bơm nội bộ (RPM)
-

Phần giữa bể lò và tƣờng lò:
 Trạng thái van cô lập hơi nƣớc chính: màu đỏ là mở hoàn toàn.
 Các đƣờng hơi chính có nhánh kết nối với van cứu trợ (SRVs) để kết
nối với bể triệt áp bên trong nhà lò. Ở đây, tất cả các SRVs hiển thị
trong một biểu tƣợng van. Thực tế có 8 SRV, trong đó có 2 SRV đƣợc
ghép với mỗi đƣờng hơi chính và có 4 đƣờng hơi chính riêng biệt
nhau. Vì vậy, lƣu lƣợng hơi nƣớc hiển thị là tổng các lƣu lƣợng hơi
nƣớc đi qua tất cả các SRV.
23


 Lƣu lƣợng làm nguội vùng hoạt khẩn cấp (ECC) đƣợc hiển thị là dòng
“core spray” (bình phun vùng hoạt) trong trƣờng hợp sự cố mất chất
tải nhiệt. Nƣớc làm nguội khẩn cấp đƣợc cho ở nhiệt độ khoảng 200C.
 Chú ý: giếng khô và giếng ƣớt của lò không đƣợc làm theo trong mô
phỏng này. Nhƣng trong trƣờng hợp những tai nạn chính trong giếng
khô (nhƣ vỡ đƣờng cấp nƣớc, vỡ đƣờng hơi và thùng đáy lò) những
hỏng hóc này sẽ gây ra áp suất cao trong giếng khô, từ đó nó sẽ kích
hoạt tín hiệu LOCA. Khi đó ECC sẽ khởi động, lò sẽ bị dập khẩn cấp
và bị “cô lập”.
-

Bên ngoài nhà lò là sự cân bằng các hệ thống: máy phát tuabin, cấp nƣớc và
bộ phận tách hơi nƣớc. Các thông số và trạng thái đƣợc thể hiện nhƣ sau:
 Trạng thái của van điều khiển đƣợc nhận biết bằng màu sắc; những
van sau biểu thị cho hệ thống hơi
Van điều chỉnh tuabin mở (%)
Van thoát hơi mở (%)
 Bộ tách ẩm và bộ nung lại (MSR) lƣu lƣợng xả (kg/s).

Công suất máy phát (MW) đƣợc tính từ lƣu lƣợng hơi đến tuabin.

-

Thiết bị ngƣng tụ và bơm ngƣng tụ (CEP) không đƣợc mô phỏng nhƣng
trạng thái bơm vẫn đƣợc hiển thị.

-

Mô phỏng hệ thống cấp nƣớc đã đƣợc đơn giản hóa nhiều; các thông số hiển
thị trên màn hình chung của nhà máy là:
 Tổng lƣu lƣợng nƣớc cấp đến máy phát hơi nƣớc (kg/s)
 Nhiệt độ trung bình của nƣớc cấp sau khi đun áp suất cao (HPHX).
 Trạng thái của bơm cấp nƣớc (FWP) là màu đỏ nếu có bất cứ bơm nào
mở; là màu xanh nếu tất cả các bơm đều đóng.

Ba khuynh hƣớng của màn hình hiển thị các thông số sau:
-

Công suất nơ-tron, công suất nhiệt của lò và công suất tuabin (0-100%).

-

Lƣu lƣợng trong vùng hoạt, lƣu lƣợng hơi, lƣu lƣợng nƣớc cấp (kg/s).

-

Áp suất lò (kPa).
24