Phân tích các đặc trưng của thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân VVER AES 2006

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

--------------------------

ĐINH VĂN CHIẾN

PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƢNG
CỦA THANH NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER AES-2006

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

--------------------------

ĐINH VĂN CHIẾN

PHÂN TÍCH CÁC` ĐẶC TRƢNG
CỦA THANH NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER AES-2006
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60 44 0106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN ĐẠI PHÚC

Hà Nội - 2015


Lời cảm ơn
Luận văn này là kết quả của quá trình học tập tại Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội và quá trình thực tập tại Cục Năng lượng nguyên tử
(NLNT). Trong đó, đặc biệt là quá trình tham gia Đề tài độc lập cấp Nhà nước
“Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình vận hành đến tính chất của nhiên liệu và vỏ
thanh nhiên liệu trong lò phản ứng VVER-1000“ do Cục NLNT chủ trì và thời gian
đào tạo dưới sự hướng dẫn của TS Jinzhao Zhang tại cơ quan kỹ thuật năng lượng
điện TRACTEBEL (GDF SUEZ - Vương quốc Bỉ).
Với tình cảm chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến quý thầy cô giáo đã
tham gia giảng dạy lớp cao học khóa 2011-2013, chuyên ngành Vật lý nguyên tử, các
thầy cô Khoa Sau đại học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, lãnh đạo Cục Năng
lượng nguyên tử đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trong quá trình học tập và
hoàn thành luận văn này.
Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Trần Đại Phúc - Cố vấn khoa
học Cục NLNT, người đã có hơn 40 năm kinh nghiệm làm việc tại các cơ quan hàng
đầu trong lĩnh vực công nghệ điện hạt nhân trên thế giới (Canada, Pháp Mỹ, Bỉ,...) đã
định hướng và truyền đạt những kiến thức chuyên môn, những kinh nghiệm vô cùng
quý báu trong nghiên cứu khoa học giúp em thực hiện và hoàn thành luận văn này.
Mặc dù bản thân đã rất cố gắng nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi
những thiếu sót, rất mong được nhận những ý kiến đóng góp bổ sung của quý thầy cô.
Hà Nội, tháng 4 năm
2015
Học viên
Đinh Văn Chiến

MỤC LỤC
DANH MỤC THUẬT NGỮ....................................................................................4
DANH MỤC BẢNG BIỂU.....................................................................................5
DANH MỤC HÌNH VẼ...........................................................................................6
MỞ ĐẦU.................................................................................................................. 1
CHƢƠNG 1. LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-AES2006............................5
1.1. Quá trình phát triển công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER..........................5
1.2. Đặc điểm lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006..........................................8
CHƢƠNG 2. ĐẶC TRƢNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN........12
2.1. Đặc điểm thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân........................................... 12
2.2. Đặc trưng bức xạ đối với thanh nhiên liệu.................................................... 15
2.3. Đặc trưng cơ nhiệt đối với thanh nhiên liệu.................................................. 17
2.3.1. Sự phân bố nhiệt độ trong thanh nhiên liệu............................................ 17
2.3.2. Sự thay đổi cấu trúc viên gốm nhiên liệu............................................... 20
2.3.3. Quá trình mỏi và rão hóa vật liệu........................................................... 24
2.4. Đặc trưng thủy nhiệt động đối với thanh nhiên liệu...................................... 25
2.4.1. Thông lượng nhiệt tới hạn và quá trình dời khỏi vùng sôi nhân.............26
2.4.2. Sự ăn mòn do cọ xát của vỏ bọc thanh nhiên liệu với lưới định vị.........31
2.4.3. Biến đổi hình học thanh nhiên liệu dưới tác dụng thủy lực....................32
2.5. Đặc trưng quá trình oxy hóa và hydro hóa đối với thanh nhiên liệu..............36
2.5.1. Quá trình oxy hóa................................................................................... 36
2.5.2. Quá trình hydro hóa............................................................................... 43
CHƢƠNG 3. CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIÊN LIỆU FRAPCON-3.549

3.1. Tổng quan chương trình FRAPCON-3.5....................................................... 49
3.1.1. Mục tiêu tính toán của chương trình FRAPCON-3.5.............................49
3.1.2. Các giới hạn của chương trình FRAPCON-3.5...................................... 50
3.2. Cấu trúc và phương pháp tính toán của code FRAPCON-3.5.......................51
3.2.1. Cấu trúc của code................................................................................... 51

3.2.2. Lưu đồ tính toán của code...................................................................... 52


3.2.3. Cấu trúc input đầu vào........................................................................... 55
3.3. Mô hình chính của code FRAPCON-3.5....................................................... 55
3.3.1. Mô hình nhiệt động................................................................................ 55
3.3.2. Mô hình cơ học...................................................................................... 59
3.3.3. Mô hình phát tán khí phân hạch............................................................. 62
3.3.4. Mô hình oxy hóa và hydro hóa............................................................... 63
CHƢƠNG 4. PHÂN TÍCH ĐẶC TRƢNG THANH NHIÊN LIỆU TVS-2006 . 65

4.1. Đặc điểm thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006.............................................. 65
4.2. Tiêu chuẩn chấp nhận sử dụng trong phân tích............................................. 68
4.2.1. Tiêu chuẩn về độ bền............................................................................. 69
4.2.2. Tiêu chuẩn về độ biến dạng.................................................................... 70
4.2.3. Tiêu chuẩn về nhiệt - vật lý.................................................................... 71
4.2.4. Tiêu chuẩn về ăn mòn............................................................................ 71
4.3. Phương pháp phân tích và mô hình hóa........................................................ 72
4.3.1. Phương pháp phân tích........................................................................... 72
4.3.2. Mô hình hóa thanh nhiên liệu TVS-2006............................................... 72
4.4. Đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006............................................... 73
4.4.1. Kết quả tính toán cơ - nhiệt.................................................................... 73
4.4.2. Kết quả tính toán độ bền........................................................................ 80
4.4.3. Kết quả tính toán biến dạng hình học..................................................... 85
4.4.4. Kết quả tính toán về quá trình oxy hóa và hydro hóa............................. 88
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................... 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 94
PHỤ LỤC............................................................................................................... 97

DANH MỤC THUẬT NGỮ
Từ viết tắt
BWR
CHF
DNB

IAEA
LOCA
LWR
NO
PCI
PCMI
PWR
RIA
SCC
US. NRC

VVER
(WWER)
ε


ζ


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1. 1. Một số thông số thiết kế lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006.............9
Bảng 1. 2. Các thông số chính của vùng hoạt VVER-AES2006.............................10
Bảng 3. 1. Các khối chính của code FRAPCON-3.5............................................... 51
Bảng 4. 1. Các thông số thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006..................................66

Bảng 4. 2. Dữ liệu phân bố công suất dọc trục tương đối của thanh nhiên liệu.......73
Bảng 4. 3. Các kết quả tính toán cơ - nhiệt thanh nhiên liệu TVS-2006..................75
Bảng 4. 4. Các kết quả tính toán độ bền thanh nhiên liệu........................................ 82
Bảng 4. 5. Các kết quả tính toán biến dạng hình học thanh nhiên liệu....................86
Bảng 4. 6. Các kết quả tính toán độ dày lớp oxit và hàm lượng hydro tích lũy.......89


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Các thế hệ phát triển lò phản ứng hạt nhân VVER................................... 7
Hình 1. 2. Mô hình tổ hợp thiết bị vòng sơ cấp lò phản ứng VVER-AES2006.......11
Hình 1. 3. Bó thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006..................11
Hình 2. 1. Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (KSPN-Hàn Quốc)
13
Hình 2. 2. Bó thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (Westinghouse)
13
Hình 2. 3. Thanh nhiên liệu tiêu chuẩn sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000....14
Hình 2. 4. Các khuyết tật trong mạng lưới làm thay đổi tính chất vật liệu..............17
Hình 2. 5. Phân bố nhiệt độ giữa nhiên liệu và chất làm mát.................................. 19
Hình 2. 6. Sự thay đổi vi cấu trúc nhiên liệu UO2 phụ thuộc nhiệt độ.....................22
Hình 2. 7. Sự biến đổi hình dạng viên gốm và vỏ thanh nhiên liệu trong lò phản ứng
23
Hình 2. 8. Ảnh hưởng của nhiên liệu tới vỏ bọc E110RXA tại các giai đoạn..........23
Hình 2. 9. Thanh và bó thanh nhiên liệu có thể bị cong vênh trong lò phản ứng.....24
Hình 2. 10. Đường cong đặc trưng của mô hình sôi bể........................................... 28
Hình 2. 11. Thông lượng nhiệt tới hạn đối với lò PWR và BWR............................30
Hình 2. 12. Hư hỏng do cọ xát giữa vỏ bọc và lưới định vị..................................... 31
Hình 2. 13. Tỷ lệ các dạng ăn mòn khác nhau trên vỏ bọc nhiên liệu ở Mỹ............31
Hình 2. 14. Biến dạng hình học thanh nhiên liệu, (a) kiểu chữ S, (b) kiểu chữ C....32
Hình 2. 15. Quan hệ giữa độ cong bó thanh và độ lệch khỏi kích thước khe hở......33
Hình 2. 16. Độ cong bó thanh nhiên liệu của ba lò phản ứng Ringhals (Thụy Điển)

35
Hình 2. 17. Hướng và biên độ uốn cong thanh nhiên liệu trong.............................. 35
Hình 2. 18. Giản đồ pha Zr-O.................................................................................. 37
Hình 2. 19. Sơ đồ vi cấu trúc của zirconi oxit tạo thành trong các điều kiện khác
nhau......................................................................................................................... 38


Hình 2. 20. Sơ đồ diễn biến quá trình oxy hóa kim loại vỏ bọc............................... 39
Hình 2. 21. Ăn mòn tạo lớp đồng nhất sau 1 và 3 chu kỳ........................................ 40
Hình 2. 22. Cơ chế ăn mòn dạng hạch..................................................................... 41
Hình 2. 23. Tác động của gốc hoạt động tạo thành từ quá trình phân hủy phóng xạ
nước tới quá trình ăn mòn kim loại vỏ bọc.............................................................. 43
Hình 2. 24. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của Zircaloy-2................45
Hình 2. 25. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ bền kéo của Zircaloy-2.........46
Hình 2. 26. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro đến tính chất cơ học của Zircaloy-4 tại
nhiệt độ phòng......................................................................................................... 46
Hình 2. 27. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của vật liệu Zry-4 SRA và
o

Zry-2 RXA không bị chiếu xạ tại nhiệt độ 20 C.................................................... 47
Hình 2. 28. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của vật liệu Zry-4 SRA và
o

Zry-2 RXA không bị chiếu xạ tại nhiệt độ 300 C.................................................. 47
Hình 2. 29. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro và sự chiếu xạ tới độ dẻo của vật liệu
o

Zry-2 RXA tại nhiệt độ 300 C................................................................................ 48
Hình 3. 1. Lưu đồ tính toán của code FRAPCON-3.5............................................. 52
Hình 3. 2. Lưu đồ gọi các thủ tục con của code FRAPCON-3.5.............................54

Hình 3. 3. Phân bố nhiệt độ thanh nhiên liệu hạt nhân............................................ 56
Hình 3. 4. Lưu đồ tính toán nhiệt độ nhiên liệu và vỏ bọc....................................... 57
Hình 3. 5. Phân bố điểm lưới sai phân.................................................................... 59
Hình 3. 6. Lưu đồ tính toán biến dạng đàn hồi........................................................ 62
Hình 4. 1. Thanh nhiên liệu hạt nhân TVS-2006..................................................... 68
Hình 4. 2. Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính của thanh nhiên liệu TVS-2006.................73
Hình 4. 3. Nhiệt độ trung bình của nhiên liệu trong 4 chu kỳ vận hành..................76
Hình 4. 4. Nhiệt độ trung bình tâm nhiên liệu theo chiều dọc thanh nhiên liệu.......76
Hình 4. 5. Nhiệt độ trung bình lớp vỏ bọc theo chiều dọc thanh nhiên liệu.............77
Hình 4. 6. Nhiệt độ bề mặt bên ngoài lớp vỏ bọc theo chiều dọc thanh nhiên liệu .. 77


Hình 4. 7. Lưới nhiệt độ trung bình của thanh nhiên liệu .........................................
Hình 4. 8. Tỷ lệ phát tán khí phân hạch của thanh nhiên liệu ...................................
Hình 4. 9. Tỷ lệ phát tán khí phân hạch theo trục thanh nhiên liệu ..........................
Hình 4. 10.

Áp suất k

Hình 4. 11.

Độ cháy

Hình 4. 12.

Độ cháy

Hình 4. 13.

Ứng suất

Hình 4. 14.

Ứng suất

Hình 4. 15.

Biến dạng

Hình 4. 16.

Biến dạng

Hình 4. 17.

Biến dạng

Hình 4. 18.

Biến dạng

Hình 4. 19.

Độ giãn d

Hình 4.

20. Tốc độ rã

Hình 4.

21. Tốc độ ph

Hình 4.

22. Độ dày lớ

Hình 4.

23. Hàm lượn


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, khi chính sách năng lượng ở mỗi quốc gia đang trở thành vấn đề
cấp thiết hơn bao giờ hết, bởi sự ảnh hưởng liên quan tới nhiều khía cạnh mang tính
chất toàn cầu như chống biến đổi khí hậu, xung đột vũ trang, an ninh hay chính trị…
Trong khi các nguồn năng lượng mới chưa thể hiện được tính khả thi và hiệu quả thì
năng lượng hạt nhân đã trở thành sự lựa chọn hàng đầu của nhiều quốc gia trong đó
có Việt Nam.
Bằng các nỗ lực của Chính phủ Việt Nam trong chương trình phát triển năng
lượng hạt nhân cho các ứng dụng vì mục đích hòa bình, đặc biệt sau ký kết thực
hiện Dự án điện hạt nhân Ninh Thuận với đối tác Liên Bang Nga cũng như các hợp
tác song phương khác với Chính phủ Nhật Bản, Hàn Quốc; Việt Nam đã và đang
gấp rút triển khai thực hiện các giai đoạn cần thiết để đảm bảo đáp ứng cho sự phát
triển của chương trình điện hạt nhân.
Mặc dù, nước ta đã có kinh nghiệm vận hành và quản lý lò phản ứng hạt nhân
nghiên cứu Đà Lạt. Tuy nhiên, với đặc trưng công suất lớn, hệ thống cấu trúc phức
tạp, nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) đòi hỏi rất khắt khe về việc đảm bảo hoạt
động an toàn của các lò phản ứng hạt nhân bên trong nhà máy. Điều đó đã đặt ra rất

nhiều thách thức cho toàn bộ quá trình vận hành cũng như quản lý nhà máy. Do đó
các phân tích đánh giá đặc trưng hoạt động của lò phản ứng là điều rất cần thiết.
Trong phân tích an toàn lò phản ứng chủ yếu tập trung vào 3 vấn đề chính bao gồm
phân tích vật lý nơtron vùng hoạt lò phản ứng, phân tích thủy nhiệt động lò phản
ứng và phân tích hiệu năng nhiên liệu lò phản ứng.
Từ những năm 80 của thế kỷ XX cho đến nay, các thiết kế thanh nhiên liệu sử
dụng trong lò phản ứng hạt nhân không ngừng được cải tiến nhằm tối ưu hóa các
đặc trưng vận hành trong vùng hoạt lò phản ứng. Trong suốt quá trình cải tiến nhiên
liệu, các thay đổi chủ yếu tập trung vào hình dạng của thanh nhiên liệu cũng như
các đặc điểm của viên gốm nhiên liệu và lớp vỏ bọc như tăng độ làm giàu nhiên liệu

1


(lên tới 5%), sử dụng các viên gốm nhiên liệu UO 2-Gd2O3, sử dụng vỏ bọc làm
bằng hợp kim Zr-1%Nb,… Các thay đổi về vật liệu, cấu trúc và kích thước này
nhằm đáp ứng các điều kiện vận hành khác nhau của lò phản ứng như mức công
suất cao (1000 - 1600 MWe), tăng giới hạn công suất 110% công suất danh định,
tăng độ cháy nhiên liệu (60 - 70 MWd/kgU) và kéo dài chu kỳ nhiên liệu (chu kỳ
nhiên liệu từ 12 đến 18 tháng).
Do đó, các dự đoán sát với thực tế hơn về hiệu năng nhiên liệu trở nên rất
quan trọng đối với việc thiết kế và đánh giá an toàn thanh nhiên liệu hạt nhân
(TNLHN). Điều này cho phép vận hành nhà máy điện hạt nhân một cách hiệu quả
và an toàn nhất; cũng như cải thiện biên dự trữ vận hành an toàn, tăng hiệu quả kinh
tế và quản lý nhiên liệu một cách linh hoạt hơn.
Các kết quả nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn này sẽ trình bày những hiểu
biết cần thiết về đặc điểm công nghệ lò phản ứng, các đặc trưng thiết kế, cũng như
ảnh hưởng của quá trình vận hành đối với các bộ phận trong vùng hoạt lò phản ứng,
đặc biệt là thanh nhiên liệu nhằm tăng cường năng lực phân tích an toàn, phục vụ
cho việc phân tích, đánh giá an toàn nhà máy điện hạt nhân mà cụ thể là về đặc

trưng nhiên liệu sử dụng.
2. Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu đặc điểm công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006;
trong
đó bao gồm thiết kế và các tiêu chuẩn vận hành của thanh nhiên liệu sử dụng trong
lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 (TVS-2006);
-

Nghiên cứu các đặc trưng của trạng thái vận hành bình thường và các ảnh

hưởng cơ - lý - hóa - nhiệt - bức xạ đối với thanh nhiên liệu trong lò phản ứng hạt
nhân;
-

Phân tích các đặc trưng của thanh nhiên liệu trong trạng thái vận hành ổn

định, phục vụ đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân
VVER-AES2006.

2


3. Đối tƣợng nghiên cứu
Các hiện tượng cơ - lý - hóa - nhiệt - bức xạ và đặc trưng trong điều kiện vận
hành bình thường của thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006.
4. Giới hạn phạm vi nghiên cứu
Luận văn nghiên cứu tập trung trong phạm vi đối với lò phản ứng nước áp lực
(VVER), trong đó các vấn đề liên quan chủ yếu đến các đặc trưng của thanh nhiên
liệu trong trạng thái hoạt động ổn định của lò phản ứng. Các tính toán cụ thể được
áp dụng đối với thanh nhiên liệu của lò phản ứng VVER-AES2006 bằng chương

trình tính toán nhiên liệu FRAPCON-3.5.
5. Nhiệm vụ nghiên cứu
Tìm hiểu công nghệ lò phản ứng và đặc điểm thiết kế thanh nhiên liệu sử dụng
trong lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006; phân tích các ảnh hưởng cơ - lý - hóa
- nhiệt - bức xạ đối với thanh nhiên liệu và đánh giá đặc trưng thiết kế của thanh
nhiên liệu VVER-AES2006 trong điều kiện vận hành ổn định.
6. Phƣơng pháp nghiên cứu
•

Phương pháp hồi cứu tài liệu: Nhằm thu thập tài liệu làm cơ sở lý luận cho

nội dung nghiên cứu. Tài liệu thu thập gồm có:
-

Các tài liệu về sự phát triển của lĩnh vực điện hạt nhân trên thế giới, cũng

như sự cải tiến của các thế hệ lò phản ứng hạt nhân;
-

Các quy định và tiêu chuẩn của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế

(IAEA), Ủy ban pháp quy Hoa Kỳ (US.NRC), Cơ quan pháp quy Liên Bang Nga về
việc đảm bảo vận hành nhà máy điện hạt nhân;
-

Các tài liệu về công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER của Liên Bang Nga

bao gồm VVER-AES2006, trong đó có đặc trưng thiết kế của thanh nhiên liệu TVS2006;

3

-

Các tài liệu về đặc trưng vận hành trong điều kiện bình thường của lò phản

ứng hạt nhân;
-

Các công trình nghiên cứu về đặc trưng của thanh nhiên liệu trong lò phản

ứng hạt nhân;
- Các tài liệu về cơ sở tính toán của chương trình tính toán nhiên
liệu
FRAPCON-3.5.
• Phương pháp trực quan: Sử dụng chương trình tính toán nhiên liệu
FRAPCON-3.5 tính toán các đặc trưng của thanh nhiên liệu hạt nhân VVERAES2006 trong điều kiện vận hành ổn định. Phân tích, đánh giá kết quả thu được và
so sánh với các tiêu chuẩn vận hành.
7. Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm các phần sau:
-

Phần mở đầu: Giới thiệu khái quát về đề tài, mục đích nghiên cứu, nhiệm

vụ nghiên cứu,…
- Phần kết quả nghiên cứu: Gồm 4 chương
 Chương 1: Lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006
 Chương 2: Đặc trưng của thanh nhiên liệu hạt nhân
 Chương 3: Chương trình tính toán nhiên liệu FRAPCON-3.5
 Chương 4: Phân tích đặc trưng thanh nhiên liệu TVS-2006

- Phần kết luận và kiến nghị.
- Tài liệu tham khảo.
- Phụ lục.

4


CHƢƠNG 1. LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-AES2006
1.1. Quá trình phát triển công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER
Sau 60 năm nghiên cứu, khai thác và sử dụng kể từ khi NMĐHN thương mại
đầu tiên được đưa vào vận hành trên thế giới (Obninsk - Liên Xô cũ (1954)), công
nghệ lò phản ứng đã phát triển rất đa dạng và phong phú với nhiều loại lò như lò
phản ứng nước áp lực (PWR/VVER), lò phản ứng nước sôi (BWR), lò phản ứng
nước nặng (PHWR),… Trong đó, loại lò PWR được lựa chọn khai thác sử dụng phổ
biến hơn cả.
VVER hay WWER (Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor, Water-Cooled
Water-Moderated Energy Reactor) là loại lò phản ứng nước áp lực được các nhà
thiết kế Liên Bang Nga nghiên cứu và chế tạo từ những năm 60 của thế kỷ trước.
Trong các phiên bản của thế hệ lò VVER được thiết kế có mức công suất điện từ
300 MWe đến 1700 MWe, sử dụng nước nhẹ là chất làm chậm và đồng thời là chất
tải nhiệt, tương tự như loại lò phản ứng nước áp lực PWR. Tuy nhiên, VVER không
phải là một phiên bản của lò PWR do mang những đặc trưng riêng khác biệt trong
thiết kế và vật liệu sử dụng [18].
Một số đặc trưng riêng biệt của thế hệ lò VVER:
-

Sử dụng bình sinh hơi nằm ngang, đảm bảo an toàn tối ưu đối với các nguy

cơ thường gặp như sự ăn mòn cơ học hay nứt gãy do ăn mòn ứng suất (SCC),… của
các ống trao đổi nhiệt, một trong những nguyên nhân dẫn tới tai nạn mất chất tải

nhiệt (LOCA);
- Sử dụng các bó nhiên liệu hạt nhân có cấu trúc dạng lục lăng;
- Không có các ống dẫn vào/ra ở đáy thùng lò;
-

Sử dụng bình điều áp loại lớn, đảm bảo khả năng an toàn của lò phản ứng do

tích trữ lượng nước làm mát lớn.
Thế hệ lò VVER đầu tiên được xây dựng từ những năm 1960 ở Liên Xô cũ.
Sau đó, các lò phản ứng VVER-440 và VVER-1000 được thiết kế và tiếp tục xây

5


dựng ở Liên Xô cũ và một số nước Đông Âu khác, trong đó phiên bản VVER440/V230 với mức công suất điện 440 MWe là thiết kế phổ biến nhất. VVER440/V230 sử dụng 6 vòng làm mát sơ cấp với 6 bình sinh hơi nằm ngang, với hệ
thống an toàn có độ dư gấp đôi. Một phiên bản cải tiến khác của VVER-440 là
VVER-440/V213, đây là phiên bản đầu tiên đạt tiêu chuẩn an toàn hạt nhân của các
nhà thiết kế Liên Bang Nga. VVER-440/V213 được trang bị hệ thống cấp cứu vùng
hoạt khẩn cấp (ECCS) và hệ thống cấp nước phụ trợ (AFS) cũng như nâng cấp các
hệ thống khoanh vùng tai nạn.
Sau năm 1975, các nhà thiết kế Liên Bang Nga đã cho ra đời phiên bản
VVER-1000 với các cải tiến đáng kể hơn so với các phiên bản VVER trước đó.
VVER-1000 đáp ứng công suất điện 1000 MWe với 4 vòng làm mát sơ cấp có cấu
trúc được bao bọc bởi lớp vỏ nhà lò với hệ thống phun hơi nước giúp tải nhiệt dư
cho vỏ nhà lò. Các thiết kế lò phản ứng VVER-1000 được xây dựng kết hợp giữa
các hệ thống kiểm soát an toàn chủ động, các hệ thống an toàn thụ động và các hệ
thống an toàn tòa nhà lò theo liên kết quy chuẩn với các lò phản ứng hạt nhân thuộc
thế hệ III của các nước phương Tây.
Phiên bản VVER-1000/V-320 được coi là phiên bản thiết kế tiêu chuẩn của
công nghệ lò VVER-1000. Dựa trên kinh nghiệm thiết kế, kinh nghiệm vận hành

các tổ lò VVER-1000/V-320 này, cùng với sự tiếp thu công nghệ từ lò PWR của Tây
Âu và đáp ứng các yêu cầu mới của các văn bản pháp quy Liên Bang Nga cũng như
các quy chuẩn quốc tế, các nhà thiết kế của Liên Bang Nga đã cho ra đời các thiết
kế mới với nhiều cải thiện về độ tin cậy, khả năng đáp ứng an toàn và tính kinh tế
như VVER-1000/V-428 (AES-91) hay VVER-1000/V-392 (AES-92).
Phiên bản VVER-1200 (VVER-AES2006) hiện tại đang là cải tiến mới nhất
của thế hệ VVER. Thiết kế VVER-AES2006 đáp ứng mức công suất điện 1.200
MWe với việc tối ưu hóa áp dụng công nghệ an toàn chủ động và thụ động. Điểm
khác biệt quan trọng của thiết kế VVER-AES2006 đó là khả năng thực hiện độc lập

6


các chức năng an toàn và khả năng hoạt động hài hòa giữa hai hệ thống an toàn chủ
động và thụ động.
Hai phiên bản khác nhau của thiết kế VVER-AES2006 là VVER-1200/V-491
(Viện thiết kế St. Peterburg) [1] và VVER-1200/V-392M (Viện thiết kế Moscow).
Hiện tại, thiết kế VVER-AES2006 đang được đầu tư xây dựng và chuẩn bị đưa vào
vận hành tại ba nhà máy Novovoronezh II, Leningrad II và Baltic (Kaliningrad)
(Liên Bang Nga). Ngoài ra, còn rất nhiều nhà máy tại Liên Bang Nga cũng như các
nước khác như Cộng hòa Séc, Thổ Nhĩ Kỳ hay Cộng hòa Belarus,… cũng đã lựa
chọn hoặc đang trong quá trình xem xét lựa chọn xây dựng theo thiết kế này.
Hiện nay, các thế hệ lò phản ứng VVER đang được vận hành, lắp ráp xây dựng
và xem xét lựa chọn rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới với sự đảm bảo về mặt
công nghệ như Ukraine, Iran, Trung Quốc, Ấn Độ, Thổ Nhĩ Kỳ, Belarus,
Bangladesh, Bulgaria và Việt Nam. Hình 1.1 mô tả các thế hệ phát triển lò phản ứng
hạt nhân VVER.

Hình 1. 1. Các thế hệ phát triển lò phản ứng hạt nhân VVER [22]

7


1.2. Đặc điểm lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006
Lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 là phiên bản thiết kế thuộc thế hệ III+
được hoàn thiện dựa trên cơ sở tích lũy kinh nghiệm thiết kế, kinh nghiệm vận hành
các lò phản ứng VVER-1000/V-320 ở Nga, cũng như kinh nghiệm xây dựng, vận
hành NMĐHN VVER ở Ấn Độ, Trung Quốc và nhiều quốc gia khác (Hình 1.2).
Các yêu cầu đặt ra đối với thiết kế là đảm bảo ba điều kiện cơ bản đó là áp dụng các
giải pháp và cách tiếp cận mới; đảm bào độ an toàn và hiệu quả kinh tế.
Hai phiên bản thiết kế của lò phản ứng VVER-AES2006 là V491 và V392M
hoàn toàn tương tự nhau và cũng mang các đặc trưng của loại lò VVER với thiết kế
bình sinh hơi nằm ngang, bó thanh nhiên liệu hình lục lăng (Hình 1.3), ô lưới nạp tải
vùng hoạt dạng kênh tam giác. Tuy nhiên điểm khác biệt duy nhất giữa hai phiên
bản thiết kế này đó là dựa trên các cách tiếp cận khác nhau về hệ thống an toàn lò
phản ứng. Nếu như trong phiên bản VVER-AES2006/V392M tối ưu hơn về hệ
thống an toàn thụ động nhằm giảm sự phụ thuộc vào lỗi do con người thì phiên bản
VVER-AES2006/V491 lại tối ưu hơn về hệ thống an toàn chủ động khi có tới 4
kênh an toàn chủ động so với 2 kênh của phiên bản VVER-AES2006/V392M.
Các thành phần chính của lò phản ứng VVER-AES2006 [18] bao gồm:
- Lò phản ứng;
- Hệ thống tuần hoàn vòng sơ cấp;
- Hệ thống cân bằng áp suất vòng sơ cấp và bình điều áp;
- Hệ thống cấp/xả vòng sơ cấp, bao gồm bộ phận điều tiết axit boric;
- Hệ thống đường cấp nước và đường dẫn hơi vòng sơ cấp;
- Hệ thống kiểm soát và bảo vệ;
- Hệ thống an toàn.
Bảng 1.1 trình bày một số đặc điểm thiết kế của lò phản ứng hạt nhân VVERAES2006.

8

Bảng 1. 1. Một số thông số thiết kế lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 [22]
STT

Thông số
1

Công suất nhiệt, MWt

2

Công suất điện tổ lò, MWe

3

Tuổi thọ lò phản ứng, năm

4

Độ khả dụng, %

5

Số vòng tuần hoàn, vòng

6

Áp suất vòng sơ cấp, MPa

7

Nhiệt độ chất làm mát lối v

8

Nhiệt độ chất làm mát lối ra

9

Lưu lượng chất làm mát, m

10

Công suất 1 bình sinh hơi, t

11

Áp suất hơi, MPa

12

Nhiệt độ nước cấp, C

o

Vùng hoạt của lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 gồm 163 bó thanh nhiên
liệu và có tới 121 thanh hấp thụ của hệ thống bảo vệ và kiểm soát (CPSAR) (Bảng
1.2). Các bó thanh nhiên liệu được đưa vào trong cấu trúc vùng hoạt theo các yêu
cầu đáp ứng [14] [21]:

- Công suất nhiệt danh định của vùng hoạt 3.200 MWt;
- Chu kỳ thay đảo nhiên liệu vận hành 12 tháng.
Chu trình nhiên liệu thiết kế của lò phản ứng VVER-AES2006 dựa trên các
yêu cầu thiết kế:
- Công suất điện danh định 1.200 MW (công suất nhiệt 3.200 MWt);
- Tăng chu trình nhiên liệu 4 năm với chu kỳ thay đảo 12 tháng;

9


- Tăng độ làm giàu nhiên liệu cực đại lên tới 5% U
-

235

(4,95±0,05%);

Thời gian đáp ứng và độ hiệu dụng của các hệ thống bảo vệ khẩn cấp đủ khả

dụng để đưa vùng hoạt vào trạng thái dưới tới hạn và duy trì trạng thái này trong
o

suốt quá trình làm nguội tới 100 C mà không cần bơm dung dịch chứa boron;
-

Đáp ứng chu trình nhiên liệu hiệu quả vận hành và tính kinh tế so với các lò

phản ứng thương mại của nước ngoài.
Bảng 1. 2. Các thông số chính của vùng hoạt VVER-AES2006 [1] [17]
Đặc điểm

Số bó thanh nhiên liệu (FA) trong vùng hoạt
Số bó thanh nhiên liệu chứa thanh hấp thụ CPSAR
Công suất nhiệt (danh định), MWt
Áp suất chất làm mát ở lối ra, MPa
o

Nhiệt độ chất làm mát ở lối vào, С
o

Nhiệt độ chất làm mát ở lối ra, С
Khoảng cách giữa các bó thanh nhiên liệu, m
3

Lưu lượng chất làm mát (tại nhiệt độ lối vào), m /hr
Tiết diện thủy động vùng hoạt, m

2

Chiều cao cột nhiên liệu (ở trạng thái lạnh), m
Thời gian thông thường FA trong vùng hoạt với chu kỳ thay đảo
hàng năm, chu kỳ
Thời gian cho phép tối đa FA ở trong vùng hoạt, EFPD
Thời gian hoạt động hiệu dụng cực đại của FA giữa các lần thay
đảo (đối với chu kỳ nhiên liệu 12 tháng), EFPD
Thời gian rơi của CPSAR sau tín hiệu dập lò scram, s
Tốc độ CPSAR trong chế độ kiểm soát, m/s

10

Hình 1. 2. Mô hình tổ hợp thiết bị vòng sơ cấp lò phản ứng VVER-AES2006 [22]

Hình 1. 3. Bó thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 [12]

11


CHƢƠNG 2. ĐẶC TRƢNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN
2.1. Đặc điểm thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân [9] [15] [16]
Dựa trên thiết kế nguyên mẫu ban đầu của thanh nhiên liệu hạt nhân sử dụng
trong lò phản ứng nước áp lực của nhà máy điện hạt nhân đầu tiên, khối các nước
Hoa Kỳ, Pháp, Bỉ, Đức, Nga,… và sau đó là các nước Nhật Bản, Hàn Quốc đã phát
triển các thiết kế của mình với những đặc điểm riêng đáp ứng theo các yêu cầu cụ
thể trong vận hành. Về cơ bản thì hình dạng, thành phần cấu trúc của thanh nhiên
liệu sử dụng trong lò phản ứng nước áp lực của các thiết kế là như nhau. Trong đó,
thanh nhiên liệu có dạng hình trụ, các viên gốm nhiên liệu UO 2/UO2-Gd2O3 được
làm giàu đồng vị (

235

U) ở mức thấp và nạp vào trong ống vỏ bọc bằng hợp kim

zirconi, sau khi khí heli được nạp vào thì hai đầu ống được hàn kín. Bên trong thanh
có bộ phận lò xo bằng thép không gỉ giúp ổn định cột nhiên liệu trong quá trình vận
chuyển hoặc nạp tải vào vùng hoạt. Tuy nhiên, theo hình dạng bó thanh nhiên liệu
được lắp ráp và cấu trúc nạp tải ô lưới nhiên liệu trong vùng hoạt, có thể tạm chia
thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân thành 2 xu hướng đó là: Thanh nhiên liệu theo
thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (PWR) bao gồm các nước Hoa Kỳ, Pháp, Bỉ, Đức,
Nhật Bản, Hàn Quốc và thanh nhiên liệu theo thiết kế của Liên Bang Nga (VVER).
Đối với hệ thống nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu thì điểm chung

của khối các nước này đó là các thanh nhiên liệu được lắp ráp thành bó thanh có
dạng hộp vuông kích thước 14x14, 15x15, 16x16 hoặc 17x17 thanh và cấu trúc nạp
tải ô lưới nhiên liệu trong vùng hoạt theo dạng kênh vuông. Sự khác biệt chủ yếu
trong các thiết kế đó là các thay đổi về kích thước của từng bộ phận cấu tạo và vật
liệu sử dụng làm vỏ bọc nhiên liệu như hợp kim M5 (Pháp), Zirlo (Hàn Quốc),
Zircaloy-4 (Pháp, Nhật Bản),… Tuy nhiên, đây đều là các loại vật liệu hợp kim của
zirconi với hàm lượng các nguyên tố thành phần khác nhau nhằm tăng cường một
số cơ tính riêng biệt để đáp ứng các yêu cầu vận hành.
Hình 2.1, Hình 2.2 mô tả thiết kế thanh và bó thanh nhiên liệu hạt nhân theo
thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu [9] [15].

12


Hình 2. 1. Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (KSPN-Hàn Quốc)

Hình 2. 2. Bó thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (Westinghouse)
Tương tự như thanh nhiên liệu hạt nhân PWR theo các thiết kế của Hoa KỳChâu Âu thì hình dạng, thành phần của thanh nhiên liệu trong các loại lò phản ứng
VVER (VVER/440, VVER-1000, VVER-1200) của Liên Bang Nga là như nhau.
Trong đó, các khác biệt chủ yếu là sự thay đổi về kích thước trong cấu trúc bó thanh
dạng lục lăng và cấu trúc nạp tải ô lưới nhiên liệu trong vùng hoạt theo dạng kênh

13


tam giác. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của thiết kế lò phản ứng (mức công suất,
chu kỳ nhiên liệu,…) mà các thông số cụ thể của thanh nhiên liệu trong các lò phản
ứng VVER có thể khác nhau.
Trong các thiết kế cải tiến nhiên liệu, để tăng cường khả năng an toàn vận
hành, các nhà thiết kế đã đưa vào sử dụng các thanh nhiên liệu có thành phần nhiên

liệu là hỗn hợp UO2-Gd2O3. Do độ làm giàu nhiên liệu tăng đến ~5% dẫn đến độ
phản ứng trong vùng hoạt cao làm cho việc điều khiển lò phản ứng trong các chu kỳ
đầu thường rất khó khăn và phức tạp. Gadolini (Gd

155

, Gd

157

) là chất hấp thụ nơtron

mạnh, có khả năng cháy và phân hủy ngay trong vùng hoạt, vì vậy các thanh nhiên
liệu UO2-Gd2O3 có vai trò giữ độ phản ứng dự trữ ban đầu ổn định trong quá trình
khởi động của lò phản ứng, đồng thời cải thiện phân bố mật độ công suất của vùng
hoạt.
Ngoại trừ bộ phận đệm lò xo được làm bằng thép 08X18H10T, các đầu nắp và
ống vỏ bọc nhiên liệu đều được làm bằng hợp kim zirconi E110 (Zr-1%Nb). Hợp
kim zirconi E110 là loại vật liệu có các đặc tính cơ học bền vững, tiết diện hấp thụ
nơtron nhiệt rất thấp và khả năng ít bị ăn mòn trong các điều kiện chiếu xạ của môi
trường lò phản ứng.
Hình 2.3 mô tả đặc điểm của thanh nhiên liệu hạt nhân tiêu chuẩn sử dụng
trong lò phản ứng VVER-1000 [15].

Hình 2. 3. Thanh nhiên liệu tiêu chuẩn sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000

14