Xác định độ cháy của thanh nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân bằng phương pháp tỷ số đồng vị
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.64 MB, 118 trang )
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Đinh Văn Thìn
XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÁY CỦA THANH NHIÊN LIỆU
TRONG LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỶ SỐ ĐỒNG VỊ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
Hà Nội – 2015
ĐINH VĂN THÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------
Đinh Văn Thìn
XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÁY CỦA THANH NHIÊN LIỆU
TRONG LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỶ SỐ ĐỒNG VỊ
Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử và Hạt nhân
Mã số: 60440106
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BÙI VĂN LOÁT
Hà Nội - 2015
ĐINH VĂN THÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
LỜI CẢM ƠN
Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, tôi đã được gặp gỡ, học hỏi và làm việc cùng
những giảng viên rất nhiệt tình và tâm huyết với nghiên cứu khoa học, đặc biệt là
các thầy cô đang công tác tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý. Vì thế, tôi xin
gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy, cô, xin chúc các thầy cô luôn mạnh
khỏe để tiếp tục thắp sáng ngọn lửa tri thức dẫn lối cho lớp lớp sinh viên trên con
đường nghiên cứu khoa học.
Để hoàn thành được nội dung nghiên cứu trong cuốn luận văn này, tôi xin
bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Bùi Văn Loát, người thầy đã trực tiếp dìu
dắt và hướng dẫn khoa học cho tôi trong nhiều năm qua. Tôi đã học hỏi ở thầy
không chỉ về kiến thức chuyên môn mà còn cả lòng yêu nghề và sự tâm huyết với
khoa học. Tôi xin chúc thầy và gia đình luôn mạnh khỏe, hạnh phúc và mong
muốn thầy sẽ tiếp tục cống hiến nhiều hơn nữa cho sự nghiệp giáo dục và đào tạo
cho các thế hệ tương lai của đất nước.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Trường Đại học Điện lực, Phòng
Tổ chức Cán bộ và Bộ môn Điện Hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi
hoàn thành khóa học này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể người thân, bạn bè của tôi,
những người đã luôn quan tâm, động viên tôi vượt qua mọi khó khăn trong cuộc
sống. Tôi xin hứa sẽ cố gắng, nỗ lực nhiều hơn nữa để không phụ lòng tin của tất
cả mọi người.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày……..tháng……..năm…………
Đinh Văn Thìn
ĐINH VĂN THÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU………………...……………………………………………...….1
CHƢƠNG
I:
CƠ
THUYẾT……………………………………….2
SỞ
LÝ
1.1. Độ cháy và mối liên hệ với các đại lƣợng quan trọng trong lò phản
ứng hạt nhân. ...……………………………………………………………………2
1.1.1. Độ cháy ............................................................................................. 2
1.1.2. Liên hệ giữa độ cháy và các đại lượng quan trọng trong lò phản ứng
hạt nhân ..................................................................................................................... 2
1.1.2.1. Các đại lượng nhiệt động học ..................................................... 2
1.1.2.2. Các tiêu chí an toàn đối với nhiên liệu hạt nhân ......................... 4
1.2. Các phƣơng pháp xác định độ cháy .................................................. 12
1.2.1. Xác định độ cháy bằng phương pháp hóa học ................................ 13
1.2.2. Xác định độ cháy bằng phương pháp khối phổ kế.......................... 14
1.2.3. Xác định độ cháy bằng phương pháp không phá hủy mẫu ............. 19
1.3. Lý thuyết lò phản ứng hạt nhân ........................................................ 22
1.3.1. Tương tác của notron với hạt nhân ................................................. 22
1.3.1.1. Tiết diện phản ứng ................................................................... 22
1.3.1.2. Phản ứng tán xạ notron ............................................................. 24
1.3.1.3. Phản ứng chiếm bắt notron ....................................................... 25
1.3.1.4. Phản ứng phân hạch hạt nhân .................................................. 25
1.3.2. Lý thuyết khuếch tán notron đa nhóm và trạng thái tới hạn của lò
phản ứng hạt nhân. .................................................................................................. 29
1.3.3. Quá trình biến đổi thành phần nhiên liệu hạt nhân ......................... 35
CHƢƠNG II. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU…...41
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ........................................................................ 41
2.1.1. Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ........................................................ 41
2.1.1.1. Cấu trúc của lò phản ứng ........................................................... 41
2.1.1.2. Thanh nhiên liệu ........................................................................ 43
ĐINH VĂN THÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................. 44
2.2.1. Xác định các hằng số nhóm và sản phẩm phân hạch ..................... 44
2.2.2. Tiến hành thực nghiệm ....................................................................... 49
2.2.2.1. Cấu tạo của một hệ đo bức xạ ..................................................... 49
2.2.2.2. Thực nghiệm ................................................................................ 51
2.2.2.3. Các thông số của sản phẩm phân hạch được sử dụng.................. 52
2.2.3. Phần mềm lập trình MATLAB ........................................................... 54
CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………..55
3.1. Kết quả ................................................................................................. 55
3.1.1. Phân bố công suất trong tâm lò phản ứng ...................................... 55
3.1.2. Biến thiên số hạt nhân theo thời gian của bó nhiên liệu số 62 ....... 57
3.1.3. Biến thiên số hạt nhân theo thông lượng của bó nhiên liệu số 62 .. 59
3.1.4. Biến thiên của độ cháy theo thời gian chiếu xạ và thông lượng
notron đối với bó nhiên liệu số 62 .......................................................................... 61
3.1.5.
Xây
đường
dựng
cong
hiệu
suất
ghi
tương
đối…………………….62
3.1.6.
Tỷ
số
đồng
vị
Cs134
và
Cs137……………………………………….64
3.1.7.
Độ
cháy
của
bó
nhiên
liệu
số
62…………………………………...65
3.2. Thảo luận ............................................................................................. 70
KẾT LUẬN ................................................................................................. 71
TÀI
LIỆU
KHẢO………………………………………………..72
ĐINH VĂN THÌN
THAM
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
PHỤ LỤC…………………………………………………………………75
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1: Giá trị giới hạn an toàn của một số nước đang sử
dụng.….................6
Bảng 2: Các đồng vị đặc trưng phù hợp với phương pháp khối phổ
kế……17
Bảng 3: Năng lượng ngưỡng và kích thích đối với một số hạt
nhân.……….26
Bảng 4: Phân bố năng lượng theo sản phẩm phân hạch đối với
235
92U .….…27
Bảng 5: Số notron trung bình được sinh ra sau mỗi phản ứng phân
hạch.…28
Bảng 6: Một số đặc trưng của các notron trễ đối với các hạt nhân nặng.…29
Bảng 7: Suất lượng phân hạch của các sản phẩm phân hạch từ
235
92U
……36
Bảng
8:
Các
thông
số
liên
quan
đến
bó
nhiên
liệu
số
62……………………44
Bảng
9:
Các
thông
số
đối
với
số
đối
với
Cs134.………………………….…………….53
Bảng
10:
Các
thông
Cs137.………………………………………53
ĐINH VĂN THÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
Bảng
11:
Các
thông
số
đối
Eu154.……………………....
với
……………..53
Bảng 12: Phân bố công suất tại các vị trí thanh nhiên liệu trong tâm lò phản
ứng…………...…………………………………………………………….55
Bảng 13: Giá trị thực nghiệm đối với thanh nhiên liệu số
62.………………63
Bảng
14:
Giá
tính
trị
toán
đối
với
tỷ
số
đồng
vị
Cs134/Cs137………………..64
Bảng 15: Các giá trị tính toán về độ cháy trung bình của các thanh nhiên
liệu
tại
Lò
ứng
Phản
nhân
Hạt
Đà
Lạt
…………………………………………..66
Bảng 16: Các giá trị tham chiếu về độ cháy trung bình của các thanh nhiên
liệu
tại
Lò
ứng
Phản
nhân
Hạt
Đà
Lạt………………………………………68
DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình
1:
Dẫn
nhiệt
trong
thanh
nhiên
liệu
hạt
nhân
…………….……………3
Hình
Đường
2:
cong
sôi
của
UO2
theo
Ukiyama
…….……………………….….……4
Hình
3:
Độ
dẫn
……….………………….……9
ĐINH VĂN THÌN
nhiệt
của
nhiệt
độ
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
Hình 4: Sự trương nở viên nhiên liệu và rão của lớp vỏ
……………………10
Hình 5: Độ dẫn nhiệt qua khe theo độ cháy của thanh nhiên liệu PWR
……10
Hình 6: Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính theo chiều cao tâm lò phản ứng
……11
Hình 7: Tốc độ
………………………..11
sinh
nhiệt
tính
tuyến
theo
độ
cháy
Hình 8: Khối phổ kế của UO2 tự nhiên và sau khi chiếu xạ
………….……15
Hình 9: Khối phổ kế của uranium và plutonium trong mẫu trải qua chiếu
xạ…………………………………………………………………………..16
Hình
10:
Phổ
plutonium
xạ…………………….……………16
sau
khi
chiếu
Hình 11: Khối phổ kế của zirconium tự nhiên và của zirconium trong UO2
bị
chiếu
xạ
có
pha
trộn
với
dung
notron
đồng
nhất
dịch
zirconium
tự
nhiên.……………………19
Hình
12:
Bắn
chùm
đến
một
bia
mỏng
………………….23
Hình 13: Tiết diện vi mô của phân hạch giữa notron với
235
92U ……………23
Hình
14:
Bắn
chùm
notron
đồng
nhất
đến
một
bia
dày
……………………24
Hình 15: Cơ chế phân hạch hạt nhân theo mẫu giọt chất lỏng
………….…26
Hình 16: Suất lượng của sản phẩm phân hạch đối với 92U235 và 94Pu239.…27
Hình 17: Quá trình phân rã beta và sinh notron trễ của Br87 và I131………28
ĐINH VĂN THÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
Hình
18:
Chiếm
bắt
notron
trong
nhóm
bắt
notron
trong
nhóm
U235………………………………35
Hình
19:
Chiếm
U238………………………………36
Hình 20: Sơ đồ biến đổi chi tiết của các sản phẩm phân
hạch.………….…40
Hình
21:
Mặt
cắt
đứng
của
lò
phản
ứng
hạt
nhân
Đà
cắt
ngang
của
lò
phản
ứng
hạt
nhân
Đà
Lạt.…………………41
Hình
22:
Mặt
Lạt.…………………42
Hình
23:
Mặt
cắt
ngang
của
vùng
hoạt
và
vành
phản
xạ…………………..43
Hình 24: Mặt cắt ngang của bó thanh nhiên liệu loại VVRM2……………43
Hình
Sơ
25:
đồ
khối
của
đo
hệ
bức
xạ.……………………………………49
Hình 26: Cấu hình của detector HPGe loại mặt phẳng và đồng trục
………49
Hình
Độ
27:
phân
năng
giải
lượng.…………………..……………………50
Hình
28:
Cấu
hình
hệ
đo
thực
nghiệm……………………………………..51
Hình
29:
Phân
bố
công
suất
trong
tâm
lò
phản
ứng………………………...57
Hình 30: Biến thiên số hạt nhân U235 theo thời gian chiếu
xạ………………58
ĐINH VĂN THÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
Hình 31: Biến thiên số hạt nhân Cs137 theo thời gian chiếu
xạ……………...58
Hình 32: Biến thiên số hạt nhân Cs133 theo thời gian chiếu xạ……………58
Hình 33: Biến thiên số hạt nhân Cs134 theo thời gian chiếu
xạ…………….59
Hình
34:
Biến
thiên
số
hạt
nhân
U235
theo
thông
lượng
Biến
thiên
số
hạt
nhân
Cs133
theo
thông
lượng
Biến
thiên
số
hạt
nhân
Cs134
theo
thông
lượng
Biến
thiên
số
hạt
nhân
Cs137
theo
thông
lượng
notron…………….59
Hình
35:
notron……………60
Hình
36:
notron…………….60
Hình
37:
notron…………….60
Hình 38: Biến thiên số hạt nhân Cs134/Cs137 theo thông lượng notron…..61
Hình 39: Độ cháy theo thời gian chiếu xạ của bó nhiên liệu số
62………….61
Hình 40: Độ cháy theo thông lượng notron nhiệt của bó nhiên liệu số
62…62
Hình
41:
Phổ
gamma
thu
được
từ
bó
nhiên
liệu
số
62…………………...…62
Hình 42: Đường cong mô tả sự phụ thuộc của tốc độ đếm theo năng
lượng..63
Hình 43: Phân bố hoạt độ của Cs134 và Cs137 dọc theo bó nhiên liệu số
62…………………………………………………………………………..65
Hình 44: Tỷ số Cs134 và Cs137 theo các vị trí dọc theo bó nhiên liệu số
62……..........................................................................................................65
ĐINH VĂN THÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
BẢNG KÝ HIỆU CÁC CHỮ VIẾT TẮT
ĐINH VĂN THÌN
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
Ý nghĩa
STT
Ký hiệu
1
BU
2
BWR
Lò phản ứng nước sôi.
3
CHF
Thông lượng nhiệt tới hạn.
4
CRUD
Sự tích tụ của lớp oxit trên bề mặt lớp vỏ nhiên liệu.
5
DNBR
Tỷ số khoảng cách tính từ điểm sôi hạt nhân.
6
Ef
Năng lượng sinh ra trên một phân hạch.
7
h
Hệ số truyền nhiệt.
8
k
Độ dẫn nhiệt.
9
L
Chiều dài của thanh nhiên liệu.
10
LHGR
Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính.
11
LOCA
Sự cố mất chất tải nhiệt.
12
mHM
13
N
Tổng số viên nhiên liệu trong tâm lò.
14
Nf
Tổng số phân hạch đã xảy ra.
15
N HM
Số hạt nhân nặng có trong nhiên liệu tại thời điểm ban đầu.
16
r
N r
Số hạt nhân trên một đơn vị thể tích.
17
P
18
r
P( r, t )
Công suất nhiệt tại vị trí r và thời gian t.
19
PWR
Lò nước áp lực.
20
q'
ĐINH VĂN THÌN
Độ cháy.
Khối lượng của các hạt nhân nặng trong thanh nhiên liệu
tại thời điểm ban đầu.
Công suất nhiệt toàn phần.
Công suất tuyến tính.
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
Thông lượng nhiệt.
21
q ''
22
r
q ''' r
23
I
Cường độ chùm notron.
24
R
Bán kính viên nhiên liệu.
25
T
Nhiệt độ tuyệt đối.
26
Tc
Nhiệt độ bề mặt của lớp vỏ.
27
Tm
Nhiệt độ trung bình của chất làm mát.
28
V
Thể tích của viên nhiên liệu.
29
f En
30
r , En
r
ĐINH VĂN THÌN
Tốc độ sinh nhiệt thể tích.
Tiết diện phân hạch vi mô theo năng lượng notron.
Thông lượng notron theo năng lượng của notron.
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
MỞ ĐẦU
Độ cháy của nhiên liệu hạt nhân là một đại lượng đóng vai trò quan trọng
trong lĩnh vực điện hạt nhân. Xác định chính xác độ cháy của nhiên liệu là yêu cầu
cần thiết trong việc quản lý nhiên liệu, nhằm đảm bảo các tiêu chuẩn an toàn hạt
nhân và tối ưu tính kinh tế của chu trình nhiên liệu. Các tiêu chuẩn an toàn hạt
nhân có liên quan trực tiếp tới độ cháy bao gồm: Thông lượng nhiệt tới hạn, hệ số
độ phản ứng, độ giàu nhiên liệu, sự tích tụ CRUD, ứng suất, độ biến dạng và tính
mỏi, oxi hóa và hydrua, áp suất khi bên trong thanh nhiên liệu và khả năng nóng
chảy nhiên liệu [13, 14, 21].
Độ cháy của nhiên liệu có thể được xác định bằng nhiều phương pháp khác
nhau như là phương pháp khối phổ kế, phương pháp phân tích hóa học hoặc là các
phương pháp phân tích không phá hủy mẫu. Phương pháp khối phổ kế và phân tích
hóa học có giá thành rất cao, tốn nhiều thời gian tiến hành và mẫu đo sẽ bị phá hủy
[13]. Để hạn chế những nhược điểm đó, trong luận văn này, tác giả sẽ sử dụng
phương pháp phân tích không phá hủy mẫu để xác định độ cháy của thanh nhiên
liệu hạt nhân. Phương pháp này dựa vào việc đo đạc hoạt độ của các sản phẩm
phân hạch thông qua các bức xạ gamma để xác định độ cháy nhiên liệu và các
thông tin về phân bố theo trục và theo bán kính của các sản phẩm phân hạch này,
cùng với sự di chuyển của chúng bên trong thanh nhiên liệu. Phương pháp cho độ
chính xác cao, thời gian phân tích nhanh, giá thành rẻ và đặc biệt là giữ được sự
toàn vẹn của thanh nhiên liệu [16].
Luận văn có tiêu đề là: “Xác định độ cháy của thanh nhiên liệu trong lò
phản ứng hạt nhân bằng phương pháp tỷ số đồng vị”. Bố cục của luận văn gồm ba
chương:
- Chương I: Cơ sở lý thuyết.
- Chương II: Đối tượng và phương pháp nghiên cứu.
- Chương III: Kết quả và thảo luận.
Trong luận văn có sử dụng 44 đồ thị, hình vẽ và 16 bảng biểu.
ĐINH VĂN THÌN
1
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
CHƢƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1.1. Độ cháy và mối liên hệ với các đại lƣợng quan trọng trong lò phản
ứng hạt nhân.
1.1.1. Độ cháy.
Độ cháy được định nghĩa là tổng năng lượng nhiệt được tạo ra trên một đơn
vị khối lượng vật liệu phân hạch ban đầu trong lò phản ứng. Đơn vị thường được
dùng đối với độ cháy là MWd/kg hoặc GWd/t, đơn vị này được sử dụng trong
trường hợp chúng ta muốn nhấn mạnh đến khía cạnh tạo ra nhiệt của nhiên liệu.
Độ cháy của nhiên liệu hạt nhân được xác định theo phương trình [16]:
BU N f
Ef
(1.1)
mHM
Độ cháy liên hệ với công suất nhiệt của lò phản ứng theo không gian và thời
r
P
(
r, t ) t
r
gian như sau [22]:
BU r , t
mHM
(1.2)
Ngoài ra, độ cháy còn được định nghĩa theo đơn vị phần trăm như sau [14]:
BU 100
Nf
(1.3)
N HM
Ở đây: BU là độ cháy của nhiên liệu; Nf là số phản ứng phân hạch đã xảy ra
trong nhiên liệu; NHM và mHM lần lượt là số hạt nhân và khối lượng của nguyên tố
r
nặng có mặt trong nhiên liệu tại thời điểm ban đầu; P( r, t ) là công suất nhiệt tại vị
trí r và thời điểm t bất kỳ.
1.1.2. Liên hệ giữa độ cháy và các đại lƣợng quan trọng trong lò phản
ứng hạt nhân.
1.1.2.1. Các đại lƣợng nhiệt động học.
Tốc độ sinh nhiệt thể tích trong một viên nhiên liệu [22]:
ĐINH VĂN THÌN
2
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
r
r
r
q ''' r E f N r f En r , En dEn
(1.4)
0
Công suất tuyến tính của một viên nhiên liệu [22]:
q'
1
r
q ''' r dV
L V
(1.5)
Thông lượng nhiệt trung bình đi qua bề mặt thanh nhiên liệu [22]:
q ''
1
r
q ''' r dV
2 RL V
(1.6)
Công suất nhiệt toàn phần của tâm lò [22]:
N
r
P q ''' r dV
(1.7)
i 1 Vi
Độ cháy của một viên nhiên liệu liên hệ với tốc độ sinh nhiệt thể tích, công
suất tuyến tính và thông lượng nhiệt đối với một viên nhiên liệu được xác định như
sau:
BU i
1
mHM
r
q ' Lt q '' 2 RLt
q ''' r dV t
V
m
mHM
HM
i
(1.8)
Độ cháy sẽ quyết định trực tiếp đến tốc độ sinh nhiệt thể tích, do đó ảnh
hưởng đến quá trình dẫn nhiệt trong viên nhiên liệu [22]:
r
q ''' r
1 T
2
T
0
t
k
(1.9)
Quá trình dẫn nhiệt từ nhiên liệu ra chất tải nhiệt theo định luật Fourier:
q '' x k
ĐINH VĂN THÌN
3
T
x
(1.10)
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
Hình 1. Dẫn nhiệt trong thanh nhiên liệu hạt nhân [22].
Thông lượng nhiệt trên lớp vỏ hình đĩa:
Tb Tm
dT
qc '' qb '' q f '' kc
kc
kc / h xc xb
dx x xc
(1.11)
Thông lượng nhiệt trên lớp vỏ hình trụ:
Tb Tm
rb
dT
qc '' kc
qb '' kb
rc
rc ln rc / rb kc / h
dr r rc
(1.12)
Giá trị của thông lượng nhiệt sẽ quyết định trực tiếp đến quá trình sôi của
chất tải nhiệt như trong hình 2: Vùng sôi hạt nhân (A-B) tạo thành cách bọt khí từ
điểm tâm hóa hơi ngẫu nhiên phân bố trên bề mặt; B là điểm cháy hỏng hay còn
gọi là điểm thông lượng nhiệt tới hạn; Sôi chuyển tiếp (B-C-D) các bọt khí bắt đầu
ngưng tụ lại; Sôi màng (D-E) tiếp tục tạo ra các lỗ trống của hơi nước trên bề mặt
và các bọt khí thoát khỏi bề mặt.
Hình 2. Đường cong sôi của Ukiyama [22].
ĐINH VĂN THÌN
4
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
1.1.2.2. Các tiêu chí an toàn đối với nhiên liệu hạt nhân.
Thông lƣợng nhiệt tới hạn CHF.
Thông lượng nhiệt tới hạn hay còn gọi là khủng hoảng sôi mô tả về giới hạn
nhiệt của các quá trình biến đổi trạng thái của chất tải nhiệt trong lò phản ứng.
Trong lò phản ứng PWR thì CHF xuất hiện khi mà mật độ các bọt khí từ quá trình
sôi hạt nhân tại lớp biên của thanh nhiên liệu rất lớn đến mức các bọt khí này kết
tụ lại với nhau và tạo thành một lớp màng khí ngay tại bề mặt của thanh nhiên liệu.
Hệ số truyền nhiệt từ thanh nhiên liệu qua lớp màng này có giá trị nhỏ hơn nhiều
lần khi so sánh với hệ số truyền nhiệt qua chất lỏng. Sự xuất hiện của CHF sẽ kéo
theo sự tăng lên nhanh chóng giá trị nhiệt độ tại lớp vỏ thanh nhiên liệu. Tại điều
kiện nhiệt độ này thì quá trình oxi hóa hoặc là nóng chảy lớp vỏ thanh nhiên liệu
sẽ sảy ra nhanh chóng, dẫn tới phá hỏng lớp vỏ [21].
Trong PWR, thông lượng nhiệt tới hạn này được đặc trưng bởi khoảng cách
tính từ điểm sôi hạt nhân DNBR, chính bằng tỷ số của CHF với giá trị thông lượng
nhiệt tại một điểm trên thanh nhiên liệu. Tương tự đối với lò BWR thì giá trị CHF
được đặc trưng bởi giá trị tỷ số công suất tới hạn CPR, chính bằng tỷ số của thông
lượng nhiệt tới hạn với giá trị thông lượng nhiệt thật sự của thanh nhiên liệu.
Chúng ta có thể xác định thông lượng nhiệt tới hạn phụ thuộc vào áp suất và
tốc độ dòng chảy của chất tải nhiệt. Giá trị DNBR chính là giới hạn an toàn đối với
thanh nhiên liệu trong quá trình vận hành, giới hạn này cho phép xác định được sự
phá hỏng của nhiên liệu. CHF sẽ liên quan đến từng kiểu thanh nhiên liệu cụ thể
thông qua các thông số như áp suất, vận tốc dòng khối, chất lượng dòng chảy. Giới
hạn an toàn DNBR thường lấy xấp xỉ 1.15, giới hạn này sẽ đảm bảo sự toàn vẹn
của thanh nhiên liệu.
Ngoài ra, chúng ta còn sử dụng thêm 1 giới hạn an toàn nữa là CPR/DNB
để đặc trưng cho quá trình tăng lên của thông lượng nhiệt trong điều kiện vận hành
không ổn định. Khi mà giá trị của tốc độ sinh nhiệt tuyến tính LHGR được đưa ra,
thì hệ số truyền nhiệt của thanh nhiên liệu bị oxi hóa có bề mặt nhám sẽ tăng lên so
với thanh nhiên liệu có bề mặt trơn. Đặc tính truyền nhiệt của thanh nhiên liệu bị
ảnh hưởng nhiều bởi các lớp oxi hóa của các đồng vị nặng. Quá trình này xảy ra ở
ĐINH VĂN THÌN
5
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
lớp vỏ khi mà giá trị độ cháy tăng lên. Khi đó thì sự biến đổi cấu trúc và vật liệu sẽ
ảnh hưởng trực tiếp đến các đặc tính truyền nhiệt.
Để tính toán được tính toàn vẹn của lớp vỏ nhiên liệu thì chúng ta cần xem
xét ba đại lượng đó là [21]:
- Khoảng thời gian của quá trình chuyển tiếp sôi.
- Hệ số truyền nhiệt của bề mặt lớp vỏ với chất tải nhiệt sau quá trình
chuyển tiếp sôi.
- Khoảng thời gian làm mát trở lại đối với lớp vỏ.
Bảng 1: Giá trị giới hạn an toàn của một số nước đang sử dụng [21].
Quốc gia
Loại tiêu chí
Giá trị
Quốc gia
Loại tiêu chí
Giá trị
Phần Lan
DNB
1.33
Nhật Bản
DNB
1.17
CPR
1.06
CPR
1.06
Pháp
CHF
1.17;1.30
Hà Lan
DNB
1.30
Đức
DNB
1.15
Thụy Điển
DNB
1.17
CPR
1.09
CPR
1.06
DNB
1.33
DNB
1.15-1.45
CPR
1.06
Hungary
Thụy Sĩ
Hệ số độ phản ứng.
Hệ số độ phản ứng liên quan tới các tiêu chí an toàn của lò phản ứng nước
nhẹ, chúng ta xem xét đến hệ số nhiệt độ của chất làm chậm hoặc là các hệ số độ
phản ứng âm. Các hệ số độ phản ứng sẽ phụ thuộc vào năm đại lượng sau [21]:
-
Nhiệt độ của nhiên liệu T f .
-
Nhiệt độ của chất làm chậm Tm .
-
Thành phần thể tích của hơi nước trong chất tải nhiệt µ.
-
Áp suất của hệ thống Ps .
-
Hàm lượng của boron.
ĐINH VĂN THÌN
6
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
Chúng ta xét đến nhiệt độ của nhiên liệu thông qua hiệu ứng Doppler
,
T f
ở đây là độ phản ứng và thể hiện ngay lập tức giá trị năng lượng được tạo thành
trong nhiên liệu. Hằng số thời gian của nhiên liệu (cỡ vài giây) sẽ phụ thuộc chủ
yếu vào nhiệt dung riêng của nhiên liệu, bởi vì nó sẽ làm ảnh hưởng đến thời gian
trễ của các thay đổi về nhiệt độ của chất làm chậm và hệ số rỗng. Do vậy mà hệ số
nhiệt độ của nhiên liệu sẽ phụ thuộc vào độ giàu và độ cháy của nhiên liệu. Tuy
nhiên, sự phụ thuộc của hệ số nhiệt độ của nhiên liệu vào độ cháy là không đáng
kể đối với lò phản ứng nước nhẹ.
Hệ số nhiệt độ của chất làm chậm Tm dẫn tới hai ảnh hưởng chính như sau:
- Mật độ của nước sẽ giảm, dẫn đến hệ số rỗng tăng lên.
- Làm cứng phổ của notron nhiệt, dẫn đến việc làm thay đổi tiết diện notron
hiệu dụng.
Đối với lò nước áp lực PWR,
sẽ nhận giá trị âm trong điều kiện vận
Tm
hành bình thường, nhưng sẽ nhận giá trị dương tại điều kiện nhiệt độ thấp. Do hàm
lượng boron giảm tại cuối chu trình nhiên liệu nên sẽ dẫn tới giá trị của
càng
Tm
nhận giá trị nhỏ hơn. Điều này gây ra ảnh hưởng lớn trong các tai nạn như vỡ
đường ống dẫn hơi, bởi vì khi đó lò phản ứng sẽ sinh ra công suất lớn hơn.
Đối với lò nước sôi BWR, áp suất của hệ thống sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến
nhiệt độ bão hòa của chất làm chậm, sụt áp trong hệ thống sẽ gây ra sự tăng cường
bọt khí trong nước. Điều này dẫn đến sự thay đổi độ phản ứng âm trong lò. Khi hệ
số rỗng có giá trị đáng kể sẽ dẫn tới việc áp suất trong lò tăng lên đột ngột. Đây là
nguyên nhân chính làm ngắt tua bin ra khỏi hệ thống.
Độ giàu nhiên liệu.
Độ giàu 5% được sử dụng để đảm bảo tính tới hạn khi chế tạo, xử lý và vận
chuyển. Độ giàu ảnh hưởng trực tiếp đến độ cháy, muốn có độ cháy cao hơn thì
chúng ta cần độ giàu phải cao hơn tương ứng. Chúng ta luôn mong muốn chế tạo
ĐINH VĂN THÌN
7
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
được nhiên liệu có độ cháy cao nhằm tăng hiệu quả kinh tế, nhưng vẫn đảm bảo
không ảnh hưởng đến môi trường và phù hợp với các tiêu chuẩn an toàn.
Sự tích tụ CRUD.
Lượng CRUD tối đa được phép tích tụ trên lớp vỏ nhiên liệu cần phải được
xem xét. Đại lượng này là một hàm phụ thuộc vào độ cháy và thời gian chiếu xạ
của nhiên liệu. Thành phần CRUD gây ra sự ăn mòn lớp vỏ nhiên liệu, ảnh hưởng
lớn đến tiêu chuẩn an toàn. CRUD cũng làm thay đổi hệ số dẫn nhiệt giữa lớp vỏ
và chất tải nhiệt. Giá trị tối đa của CRUD tùy thuộc vào các nước khác nhau, trong
thiết kế nhiên liệu, chúng ta cần tính toán đến quá trình tích lũy CRUD và tốc độ
ăn mòn của nó đối với lớp vỏ theo thành phần vật liệu, diện tích bề mặt lớp vỏ và
lịch sử chạy lò.
Ứng suất, độ biến dạng và tính mỏi.
Theo giới hạn thiết kế thì ứng suất của lớp vỏ phải bằng 0.2% ứng suất kéo
tại nhiệt độ vận hành bình thường. Độ biến dạng được phép là 1%, độ biến dạng
này được tính theo sự thay đổi độ rộng khe giữa nhiên liệu và lớp vỏ do sự quá áp
từ bên ngoài hay còn gọi là quá trình rão thông qua sự giãn nở nhiệt. Giới hạn biến
dạng liên quan trực tiếp đến hiện tượng tương tác cơ học giữa lớp vỏ và nhiên liệu
PCMI, hiện tượng này sẽ dẫn đến việc rão lớp vỏ, rão nhiên liệu và sự giãn nở
nhiệt của viên nhiên liệu. Giới hạn về độ biến dạng và ứng suất mỏi phụ thuộc loại
nhiên liệu, cấu tạo của lớp vỏ và giá trị của độ cháy. Tại một số quốc gia áp dụng
tiêu chuẩn 3.5% độ biến dạng cho trường hợp độ cháy cao (>60 MWd/kg) [21].
Oxi hóa và hydrua.
Sự oxi hóa và hydrua ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của nhiên liệu trong
cả vận hành bình thường và quá trình chuyển tiếp. Lớp vỏ nhiên liệu sẽ bị ăn mòn
bởi oxi hóa và suy giảm phẩm chất vật liệu, dẫn đến việc giảm hệ số truyền nhiệt
giữa lớp vỏ và chất tải nhiệt khi mà nhiệt độ nhiên liệu tăng lên. Quá trình hấp thụ
hydro của lớp vỏ để tạo thành lớp hydrua sẽ làm cho lớp vỏ bị hóa giòn, dễ vỡ
[21].
Hai quá trình này xảy ra với tốc độ càng cao khi mà độ cháy nhiên liệu càng
lớn. Đối với lò nước sôi BWR thì tốc độ ăn mòn càng thấp khi mà nhiệt độ vận
ĐINH VĂN THÌN
8
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
hành thấp, nhưng tốc độ hấp thụ hydro lại tăng lên đáng kể khi mà bề dày của lớp
oxit tăng lên. Đối với lò nước áp lực PWR thì tốc độ hấp thụ hydro duy trì gần như
là hằng số khi mà độ cháy tăng lên, tuy nhiên do hiệu ứng phản hồi nhiệt sẽ dẫn
đến việc tăng lên nhanh chóng của tốc độ ăn mòn do oxi hóa.
Hình 3. Độ dẫn nhiệt của UO2 theo nhiệt độ [21].
Áp suất khi bên trong thanh nhiên liệu.
Khí phân hạch được sinh ra sẽ làm thay đổi áp suất bên trong thanh nhiên
liệu, dẫn đến sự phá hủy lớp vỏ. Lượng khí phân hạch này phụ thuộc vào cấu trúc
hóa học của nhiên liệu, thời gian chiếu xạ và nhiệt độ nhiên liệu, do vậy mà phụ
thuộc trực tiếp vào công suất nhiệt và độ cháy. Tại độ cháy cao (40-60 GWd/t),
lượng khí phân hạch tăng lên nhanh chóng. Đặc biệt, khí phân hạch sẽ ảnh hưởng
mạnh đến vùng ngoài biên của nhiên liệu trong các điều kiện tai nạn hoặc chuyển
tiếp [21].
Khi mà khí phân hạch tăng lên, áp suất khí trong thanh nhiên liệu tăng lên
sẽ làm giảm độ dẫn nhiệt của chất khí. Ngoài ra, quá trình dẫn nhiệt giữa nhiên
liệu và vỏ sẽ bị thay đổi bởi độ rộng khe giữa chúng bị biến dạng. khí Xe và Kr sẽ
làm giảm độ dẫn nhiệt của He, dẫn đến việc tăng nhiệt độ nhiên liệu. Bên cạnh đó
thì cơ chế phản hồi nhiệt cũng sẽ làm tăng lên khí phân hạch, làm thay đổi mức
công suất nhiệt của mỗi thanh, làm cho giá trị khí phân hạch trong từng thanh
ĐINH VĂN THÌN
9
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
nhiên liệu sẽ khác nhau. Áp suất khí trong thanh nhiên liệu cao sẽ gây ảnh hưởng
nghiêm trọng đến lớp vỏ trong các tai nạn như LOCA.
Tại mỗi nước khác nhau thì tiêu chí về áp suất trong thanh nhiên liệu cũng
khác nhau, thường thì áp suất này phải được giữ ở giá trị nhỏ hơn áp suất của hệ
thống tải nhiệt trong điều kiện vận hành bình thường nhằm ngăn chặn quá trình rão
của lớp vỏ. Ngoài ra thì người ta còn áp dụng tiêu chuẩn là áp suất trong thanh
nhiên liệu có thể lớn hơn áp suất của hệ thống nhưng mà tốc độ rão của lớp vỏ
không được lớn hơn tốc độ phồng rộp của nhiên liệu.
Khi độ cháy cao hoặc là trong trường hợp xảy ra tai nạn thì năng lượng sẽ
tích lũy trong thanh nhiên liệu làm cho lớp vỏ phồng căng và vỡ. Điều này là một
thử thách rất lớn đối với khả năng làm lạnh tâm lò, do vậy mà chúng ta cần tính
toán kỹ lưỡng để đảm bảo tính năng an toàn.
Hình 4. Sự trương nở viên nhiên liệu và rão của lớp vỏ [21].
ĐINH VĂN THÌN
10
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
Hình 5. Độ dẫn nhiệt qua khe theo độ cháy của thanh nhiên liệu PWR [21].
Nóng chảy nhiên liệu.
Khả năng nóng chảy của nhiên liệu sẽ phụ thuộc vào tốc độ sinh nhiệt tuyến
tính trong tâm lò phản ứng, mà tốc độ sinh nhiệt tuyến tính lại phụ thuộc vào độ
cháy và thành phần của nhiên liệu.
Hình 6. Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính theo chiều cao tâm lò phản ứng [21].
Hình 7. Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính theo độ cháy [21].
Trong hình trên, giới hạn biến dạng 1% là nhỏ nhất khi bắt đầu một chu kỳ,
còn nóng chảy nhiên liệu và các tiêu chí an toàn khác sẽ có giá trị nhỏ hơn khi mà
độ cháy tăng lên.
ĐINH VĂN THÌN
11
LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015
Tóm lại, giới hạn về độ cháy phụ thuộc vào loại nhiên liệu và nhà cung cấp
nhiên liệu hạt nhân, giá trị độ cháy thường được tính cho một viên nhiên liệu, một
thanh nhiên liệu hoặc là một bó nhiên liệu. Giới hạn độ cháy được xác định cụ thể
ở một số quốc gia như sau [21]:
- Giới hạn độ cháy trung bình của một thanh nhiên liệu tại Mỹ là 62GWd/t.
- Giới hạn độ cháy trung bình của một bó nhiên liệu tại Pháp là 52GWd/t
đối với nhiên liệu UO2 và 47GWd/t đối với nhiên liệu MOX.
- Giới hạn độ cháy trung bình của một bó nhiên liệu lò VVER là 57GWd/t.
- Giới hạn độ cháy trung bình của một bó nhiên liệu lò BWR tại Hà Lan là
50GWd/t.
- Tại Nhật Bản, giới hạn độ cháy trung bình của một bó nhiên liệu UO2 của
lò PWR và BWR là 55GWd/t, với nhiên liệu MOX lò PWR là 45GWd/t và lò
BWR là 40GWd/t.
- Tại Đức, giới hạn độ cháy trung bình của một bó nhiên liệu UO2 của lò
PWR là 65 GWd/t và BWR là 53GWd/t.
- Giới hạn độ cháy của một bó nhiên liệu tại Thụy Sĩ là từ 50 đến 70GWd/t
tùy thuộc vào loại nhiên liệu.
Độ cháy đóng vai trò cực kỳ quan trọng, nghiên cứu đại lượng này không
những đem lại giá trị kinh tế cao mà còn đảm bảo các tiêu chuẩn an toàn hạt nhân.
Các tiêu chuẩn thiết kế hiện tại đều phải dựa trên sự phụ thuộc vào độ cháy, đặc
biệt là việc tính đến các tai nạn trong thiết kế như LOCA.
Những năm gần đây đã có rất nhiều các dữ liệu liên hệ giữa độ cháy và các
biến đổi của nhiên liệu nhằm đảm bảo an toàn trong vận hành. Tuy nhiên, chúng ta
cần tiếp tục nghiên cứu sâu hơn nữa để đảm bảo chắc chắn các tiêu chí an toàn khi
sử dụng giá trị độ cháy cao, khi độ cháy càng cao thì giá thành của nhiên liệu sẽ
càng giảm xuống, nhưng quá trình tái xử lý nhiên liệu sẽ gặp khó khăn hơn.
ĐINH VĂN THÌN
12
