Đánh giá một số thông số vật lý lò phản ứng vver 100 sử dụng nhiên liệu mox bằng chương trình MCNP5

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN HỮU TIỆP

NGUYỄN HỮU TIỆP

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT
HẠT NHÂN

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN
ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ THÔNG SỐ VẬT LÝ CỦA LÒ VVER-1000 SỬ
DỤNG NHIÊN LIỆU MOX BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT HẠT NHÂN

KHỐ 2012B
Hà Nội – 2013


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến TS. Trần Kim Tuấn Viện trưởng Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý môi trường. Thầy đã tận tình giúp đỡ
và chỉ bảo tơi trong suốt thời gian qua.

Kế đến tôi xin gửi lời cảm ơn tới tất cả các thầy cô giáo trong Viện Kỹ thuật
hạt nhân và Vật lý môi trường đã tạo điều kiện cũng như giảng dạy tận tình cho tơi
trong suốt thời gian học tại trường.

Xin được gửi lời cảm ơn đến các thầy trong hội đồng đã đọc, nhận xét và
giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp.

LỜI CAM ĐOAN
Bản luận văn thạc sỹ khoa học: "Đánh giá một số thơng số vật lý của lị
VVER-1000 sử dụng nhiên liệu MOX bằng chương trình MCNP5" được hồn
thành tại Viện Kỹ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường thuộc trường Đại Học Bách
khoa Hà Nội. Tôi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số
liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác.

Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên

Nguyễn Hữu Tiệp

2


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ 1
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. 2
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................... 5
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ................................................................ 6
MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 8
CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT CƠ SỞ LỊ PHẢN ỨNG.......................................... 9
1.1 Trạng thái tới hạn của lị phản ứng ................................................................. 9
1.2 Phương trình thơng lượng nơtron của lị phản ứng hạt nhân ......................... 11
1.3 Phương trình động học lị phản ứng.............................................................. 11
CHƯƠNG 2. LỊ PHẢN ỨNG VVER VÀ BÀI TOÁN CHUẨN ...................... 18
2.1 Giới thiệu chung về lò VVER ...................................................................... 18
2.1.1 Thùng lò phản ứng ............................................................................... 19
2.1.2 Vùng hoạt lị phản ứng VVER .............................................................. 21

2.1.3 Bó nhiên liệu ........................................................................................ 22
2.1.4 Thanh nhiên liệu................................................................................... 23
2.1.5 Thanh điều khiển .................................................................................. 24
2.2 Cấu hình bài tốn chuẩn ............................................................................... 26
2.2.1 Cấu hình vùng hoạt .............................................................................. 26
2.2.2 Cấu tạo bó nhiên liệu ............................................................................ 30
2.2.3 Một số thơng số khác của bài tốn chuẩn .............................................. 34
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TỐN ............................................................... 36
3.1 Giới thiệu về phương pháp Monte-Carlo và tính tốn tới hạn sử dụng chương
trình MCNP5 ..................................................................................................... 36
3.1.1 Phương pháp Monte-Carlo ................................................................... 36
3.1.2 Bài tốn kcode cho tính tốn tới hạn trên chương trình MCNP ............. 39
3.1.3 Các thẻ và cấu trúc lệnh quan trọng trong MCNP ................................. 40
3.2 Kết quả tính tốn cho bài tốn chuẩn ............................................................ 42
3.2.1 Mơ hình mơ phỏng bài tốn chuẩn trên MCNP5 ................................... 42

3


3.2.2 Kết quả tính tốn hệ số nhân hiệu dụng ................................................ 47
3.3 Một số tính tốn cho cấu hình VVER-1000/V392 ........................................ 48
3.3.1 Vùng hoạt VVER-1000/V392 .............................................................. 48
3.3.2 Cấu hình các loại bó nhiên liệu VVER-1000/V392............................... 53
3.3.3 Một số kết quả tính tốn ....................................................................... 56
3.4 Tìm hiểu cấu trúc của sự sắp xếp các bó nhiên liệu trong vùng hoạt ............. 64
CHƯƠNG 4. KẾT LUẬN ................................................................................... 74
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 76
PHỤ LỤC ............................................................................................................. 77

4

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Các thơng số chính của thùng lị ............................................................. 20
Bảng 2.2 Các thơng số chính của vùng hoạt ........................................................... 21
Bảng 2.3 Các thơng số bó nhiên liệu lị phản ứng VVER ....................................... 23
Bảng 2.4 Các thơng số của bó nhiên liệu và thanh nhiên liệu ................................. 24
Bảng 2.5 Các trạng thái làm việc khác nhau của lò phản ứng [1] ........................... 27
Bảng 2.6 Mật độ chất làm chậm và mật độ Boron [1] ............................................ 28
Bảng 2.7 Các loại ơ mạng trong bó nhiên liệu UOX .............................................. 30
Bảng 2.8 Các loại ơ mạng trong bó nhiên liệu MOX.............................................. 31
Bảng 2.9 Các thơng số hình học của từng loại ô mạng thanh nhiên liệu [1] ........... 32
Bảng 2.10 Các thơng số về vật liệu trong 2 loại bó nhiên liệu UOX và MOX [1] .. 33
Bảng 2.11 Thành phần vật liệu lớp vỏ và thanh điều khiển [1]............................... 33
Bảng 2.12 Các thông số của các lỗ nước [1] .......................................................... 34
Bảng 3.1 Các Tally trong MCNP5 [5] ................................................................... 40
Bảng 3.2 Kết quả tính tốn keff tồn vùng hoạt tại 6 trạng thái chất làm chậm. ....... 47
Bảng 3.3 Các thơng số cơ bản của lị VVER-1000/V392 [2].................................. 49
Bảng 3.4 Các đặc trưng của bó nhiên liệu VVER-1000/V392 [2] .......................... 51
Bảng 3.5 Sự thay đổi của độ phản ứng theo nhiệt độ chất làm chậm. ..................... 58
Bảng 3.6. Hiệu suất thanh điều khiển nhóm 10 ...................................................... 60
Bảng 3.7 Hệ số bất đồng đều của các cấu hình nhiên liệu tại thời điểm đầu và cuối
chu trình nhiên liệu ................................................................................................ 72

5


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Dạng chung của sự phụ thuộc của
Hình 1.2. Sự phụ thuộc T vào

vào

............................................. 15

theo phương trình (1.24) ...................................... 16

Hình 2.1 Hệ thống tải nhiệt lị phản ứng VVER ..................................................... 19
Hình 2.2 Thiết kế thùng lị VVER [2] .................................................................... 20
Hình 2.3 Cấu hình vùng hoạt lị phản ứng VVER-1000 ......................................... 21
Hình 2.4 Cấu trúc bó nhiên liệu thơng thường trong lị VVER-1000 ...................... 22
Hình 2.5 Mặt cắt ngang của các thanh trong bó nhiên liệu ..................................... 23
Hình 2.6 Sơ đồ phân bố bó thanh điều khiển lị VVER. ......................................... 25
Hình 2.7 Bố trí các bó nhiên liệu MOX và UOX trong 1/6 vùng hoạt .................... 29
lị phản ứng VVER-1000 ....................................................................................... 29
Hình 2.8 Sơ đồ bố trí các thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu UOX...................... 30
Hình 2.9 Sơ đồ bố trí các thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu MOX ..................... 31
Hình 2.10 Hình học các loại ơ mạng trong bó nhiên liệu, các kích thước trên bảng
2.9 [1].................................................................................................................... 32
Hình 2.11 Vị trí các lỗ nước và khe nước dày 3mm giữa bó nhiên liệu với lớp thép
đệm [1] .................................................................................................................. 34
Hình 2.12 Các thông số về khe nước, lỗ nước và vỏ bọc thùng lị [1] .................... 35
Hình 3.1 Bó nhiên liệu UOX độ sâu cháy 0 và 15 MWd/kg trên MCNP5 .............. 43
Hình 3.2 Bó nhiên liệu UOX với độ sâu cháy 32 và 40 MWd/kg trên MCNP5 ...... 43
Hình 3.3 Bó nhiên liệu MOX với độ sâu cháy 0, 17 và 33 MWd/kg trên MCNP5 . 44
Hình 3.4 Các lỗ nước và khe nước xung quanh bó nhiên liệu trên MCNP5............ 45
Hình 3.5 Cấu hình tồn vùng hoạt được mơ phỏng bởi MCNP5 ............................ 46
Hình 3.6 Sơ đồ bố trí các bó nhiên liệu 1/6 vùng hoạt lị VVER-1000/V392 [2] .... 50
Hình 3.7 Sơ đồ bố trí các nhóm thanh điều khiển lị VVER-1000/V392 [2] ........... 50
Hình 3.8 Cấu hình bó nhiên liệu 13A và 22A [2] ................................................... 53

Hình 3.9 Cấu hình bó nhiên liệu loại 30A9P và 44A9P [2] .................................... 54
Hình 3.10 Cấu hình bó nhiên liệu loại 39A9P [2] .................................................. 54
Hình 3.11 Cấu hình bó nhiên liệu 39A6P [2] ......................................................... 55

6


Hình 3.12 Phân bố thơng lượng nơtron nhiệt theo chiều bán kính .......................... 56
Hình 3.13 Phân bố thơng lượng nơtron trong vùng hoạt [x1013 nơtron/ s.cm2] ....... 57
Hình 3.14 Sự phụ thuộc của độ phản ứng vào nhiệt độ chất làm chậm ................... 59
Hình 3.15 Đường cong vi phân hiệu suất thanh điều khiển nhóm 10...................... 60
Hình 3.16 Sơ đồ tính tốn phân bố tốc độ sinh nhiệt tuyến tính. ............................ 61
Hình 3.17 Kết quả phân bố nhiệt độ theo chiều cao vùng hoạt từ RELAP5 ............ 62
Hình 3.18 Phân bố cơng suất nhiệt tuyến tính dọc theo chiều cao vùng hoạt .......... 63
Hình 3.19 Cấu hình 1/6 vùng hoạt 30% MOX [1] .................................................. 64
Hình 3.20 Cấu hình 1/6 vùng hoạt 0% nhiên liệu MOX ......................................... 65
Hình 3.21 Cấu hình 1/6 vùng hoạt tối ưu hóa......................................................... 66
Hình 3.22 Phân bố thơng lượng nơtron theo chiều bán kính của ba cấu hình vùng
hoạt khác nhau....................................................................................................... 67
Hình 3.23 Phân bố cơng suất dọc theo chiều bán kính của 3 cấu hình vùng hoạt khác
nhau ...................................................................................................................... 68
Hình 3.24 Phân bố cơng suất của 3 cấu hình vùng hoạt cuối chu trình nhiên liệu ... 70
Hình 3.25 Phân bố cơng suất trước và sau khi cháy của cấu hình 30% MOX......... 71
Hình 3.26 Phân bố công suất trước và sau khi cháy của cấu hình 0% MOX........... 71
Hình 3.27 Phân bố cơng suất trước và sau khi cháy của cấu hình tự thiết kế .......... 72

7


MỞ ĐẦU

Trong nền kinh tế nước ta hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày
càng gia tăng, trong tình hình đó thủ tướng chính phủ đã quyết định chọn xây dựng
nhà máy điện hạt nhân là giải pháp hợp lý và mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Như chúng ta đã biết dự án điện hạt nhân Ninh Thuận I dự kiến sẽ lựa chọn
một trong ba loại cơng nghệ lị VVER: AES91 (VVER-1000/V418...), AES92
(VVER-1000/V392...) và AES2006 (VVER-1200). Do đó việc đi sâu tìm hiểu,
nghiên cứu và tính tốn vật lý lị VVER-1000 là cần thiết.
Bài tốn chuẩn về các thơng số vật lý của lị phản ứng VVER-1000 với 30%
nhiên liệu MOX được trình bày trong báo cáo của tổ chức OECD/NEA [1] nhằm
chia sẻ các tính tốn vật lý trong vùng hoạt. Thêm vào đó đây cũng là bài toán
chuẩn để so sánh và đánh giá độ chính xác của các chương trình khác nhau đã được
nhiều nhóm nghiên cứu, tính tốn và đưa ra kết quả so sánh. Vì vậy trong bài luận
văn này trình bày hai bài tốn chính, bài tốn thứ nhất là bài tốn tính tốn cho cấu
hình chuẩn được đưa ra trong [1] nhằm kiểm tra độ chính xác của mơ hình tính
tốn. Từ đó xây dựng bài tốn cho cấu hình VVER-1000/V392 [2], là cấu hình có
độ làm giàu nhiên liệu cao hơn, có số các bó chứa thanh điều khiển nhiều hơn,
nhằm tăng độ dự trữ dập lò và điều khiển tốt hơn. Ngồi ra bài tốn đánh giá các
cấu hình vùng hoạt khác nhau dựa trên một số các tiêu chuẩn về thiết kế nhiên liệu
cũng được xem xét. Đây là bài toán bước đầu nghiên cứu thiết kế nhiên liệu cho
vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000. Mục đích chính của luận văn này là tập trung
vào đánh giá vật lý cho loại lị phản ứng có khả năng được chọn cho dự án điện hạt
nhân Ninh Thuận I. Bài luận văn này gồm có 4 Chương:
Chương 1: Lý thuyết cơ sở lò phản ứng
Chương 2: Lò phản ứng VVER và bài tốn chuẩn
Chương 3: Kết quả tính toán và bàn luận
Chương 4: Kết luận
Nội dung chi tiết của các chương được trình bày trong các phần sau.
8

CHƯƠNG 1. LÝ THUYẾT CƠ SỞ LÒ PHẢN ỨNG
1.1 Trạng thái tới hạn của lò phản ứng
Do tiết diện phản ứng phân hạch của nơtron nhiệt lớn hơn hàng trăm lần so
với nơtron nhanh nên người ta thường cấu tạo mơi trường trong lị phản ứng hạt
nhân có nhiều chất làm chậm để làm chậm nơtron về năng lượng nhiệt, mơi trường
này chính là vùng hoạt của lị phản ứng nơtron nhiệt. Các tính tốn trình bày trong
chương 1 đều theo tài liệu [6].
Khả năng nhân nơtron của môi trường vô hạn được đặc trưng bởi hệ số nhân
được định nghĩa như sau:
k =

n
= η. μ. p. f(1.1)
n

với ni là số nơtron sinh ra trong thế hệ thứ i, ni+1 là số nơtron sinh ra trong thế hệ sau
đó. Vậy hệ số nhân k là tỷ số của số nơtron sinh ra trong một thế hệ chia cho số
nơtron sinh ra trong thế hệ trước nó. Cơng thức (1.1) cũng gọi là cơng thức 4 thừa
số vì nó chứa 4 thừa số là η, μ, pvàf:
- Thừa số η là số nơtron nhanh sinh ra khi nhiên liệu hạt nhân hấp thụ 1 nơtron
nhiệt.
- Thừa số μ là hệ số nhân do nơtron nhanh, cho biết lượng nơtron nhanh sinh ra
sau khi nhiên liệu phân hạch do nơtron nhanh gây ra.
- Thừa số p là xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng, cho biết phần nơtron nhanh
được làm chậm và không bị vật liệu hấp thụ trong miền năng lượng cộng hưởng.
- Thừa số f là hệ số sử dụng nơtron nhiệt, cho biết phần nơtron nhiệt được Urani
hấp thụ so với toàn bộ nơtron bị hấp thụ bởi các vật liệu trong vùng hoạt.
Đối với vùng hoạt của lị phản ứng có kích thước hữu hạn, ta cần quan tâm
đến hệ số nhân hiệu dụng vì sự phát triển của phản ứng dây chuyền phụ thuộc vào
hệ số nhân hiệu dụng keff.

keff = k ∞ . P

(1.2)

với P < 1 là xác suất tránh rị nơtron khỏi mơi trường hữu hạn.

9


Đối với lị nhiệt có kích thước giới hạn thì có hiện tượng rị nơtron nhanh
trong q trình làm chậm và nơtron nhiệt do q trình khuếch tán. Do đó hệ số nhân
trở thành:
k

= k .P .P

(1.3)

trong đó P là xác suất tránh rị nơtron nhanh trong q trình làm chậm, PL là xác
suất tránh rò nơtron nhiệt do quá trình khuếch tán.
Điều kiện để phản ứng dây chuyền được duy trì là hệ số nhân hiệu dụng phải
bằng 1 (keff = 1). Khi đó vùng hoạt ở trạng thái tới hạn, cịn khối lượng vật liệu phân
hạch và kích thước vùng hoạt tương ứng ở trạng thái tới hạn gọi là khối lượng tới
hạn và kích thước tới hạn. Khi hệ số nhân hiệu dụng keff < 1 vùng hoạt ở trạng thái
dưới tới hạn, khi đó phản ứng dây chuyền tự tắt. Khi hệ số nhân hiệu dụng keff > 1
vùng hoạt ở trạng thái trên tới hạn, phản ứng dây chuyền phát triển mạnh, gây ra
tăng công suất lò đột ngột và tăng số nơtron sinh ra.
Từ hệ số nhân hai đại lượng sau được sử dụng:
a. Độ dư của hệ số nhân hiệu dụng δk
δk = k − 1 =

n
δn
− 1 = (1.4)
n
n

δk là độ dư của hệ số nhân hiệu dụng, biểu thị sự thay đổi tương đối của lượng
nơtron trong thế hệ mới so với lượng nơtron trong thế hệ cũ. Như vậy
k = 1 + δk(1.5)
b. Độ phản ứng
Độ phản ứng được định nghĩa như sau:
ρ =

δk k − 1
δn
=
=
(1.6)
k
k
n

và độ phản ứng dự trữ
ρ

ự ữ

=

∆k
k

(1.7)

ự ữ

trong đó kdự trữ là hệ số nhân nhận được khi rút tất cả các thanh điều khiển ra khỏi
vùng hoạt còn Δk = kdự trữ -1.

10


Hai khái niệm độ phản ứng và độ phản ứng dự trữ là khác nhau. Độ phản ứng
ρ đặc trưng cho mức độ lò phản ứng lệch khỏi trạng thái tới hạn vì các lý do như
thay đổi độ làm giàu, thay đổi mật độ chất làm chậm, hay thay đổi nồng độ chất độc
hòa tan trong chất làm chậm... Còn độ phản ứng dự trữ ρdự trữ là khả năng dự trữ
nhiên liệu của lị phản ứng. Thường thì vùng hoạt có hệ số nhân kdự trữ khá lớn hơn
1 và khi cho lò hoạt động rút hết các thanh điều khiển cũng như chất độc trong vùng
hoạt. Do kdự trữ lớn nên Δk lớn và dẫn đến ρ

ự ữ

cũng khá lớn.

1.2 Phương trình thơng lượng nơtron của lị phản ứng hạt nhân
Lò phản ứng hạt nhân khi hoạt động phải giữ ở trạng thái tới hạn. Khi thiết
kế tới hạn cho lò phản ứng, người ta phải đánh giá tới hệ số nhân keff. Khi lò ở trạng
thái tới hạn thì số lượng nơtron mất đi trên một đơn vị thể tích bằng số lượng nơtron
sinh ra trong phản ứng phân hạch:

D∇ Φ − Σ Φ +

vΣ
Φ = 0(1.8)
k

Phương trình (1.8) là phương trình thơng lượng nơtron của lị phản ứng. Khi
giải phương trình kết hợp với điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho trước thì sẽ
tìm được thơng lượng nơtron Φ trong lị phản ứng, từ đó giúp cho việc xác định
phân bố thơng lượng nơtron và phân bố công suất dễ dàng hơn. Để thơng lượng
nơtron và phân bố cơng suất trong lị là hợp lý thì cần phải điều chỉnh và đánh giá
hệ số nhân hiệu dụng keff sao cho lò phản ứng luôn phải giữ ở trạng thái tới hạn (keff
= 1) khi hoạt động.
1.3 Phương trình động học lị phản ứng
Phương trình động học lị điểm
Phương trình động học điểm miêu tả sự thay đổi theo thời gian của mật độ
nơtron N (nơtron/cm3). Về nguyên tắc phương trình này suy ra từ phương trình
khuếch tán nơtron, trong đó nguồn nơtron S gồm nguồn nơtron tức thời, nguồn
nơtron trễ và nguồn nơtron bên ngồi khác. Tuy nhiên có thể rút ra phương trình
động học nhờ lập luận đơn giản hơn.
11


Ta hãy viết phương trình động học trong phép gần đúng một nhóm nơtron
nhiệt, khơng kể đến sự làm chậm nơtron. Mật độ nơtron N theo thời gian được đặc
trưng bởi phương trình sau:
dN
= tốcđộ sinh nơtron
dt
trong đó tốc độ sinh nơtron được đặc trưng bởi các thông số như sau:

- Tốc độ hấp thụ nơtron;
- Tốc độ tạo các mảnh vỡ phân hạch phát nơtron trễ;
+ Tốc độ sinh các nơtron trễ từ các nguồn mảnh vỡ phân hạch đó;
+ Nguồn nơtron bên ngồi S.
Tốc độ sinh nơtron là kΣ Φ, tốc độ hấp thụ nơtron là Σ Φ, tốc độ tạo các
mảnh vỡ phân hạch phát nơtron trễ là kβΣ Φ (trong đó β là suất ra nơtron trễ phụ
thuộc vào từng nhóm nơtron trễ β = ∑
∑

λ C , trong đó Ci và λ =

β ), còn tốc độ sinh các nơtron trễ là

là nồng độ và hằng số phân rã của các mảnh vỡ

phân hạch phát nơtron trễ thuộc nhóm thứ i (i=1,2,...,6). Như vậy phương trình động
học có dạng:


dN
= [k(1 − β) − 1]Σ Φ +
dt

λ C + S(1.9)

Nồng độ các mảnh vỡ phân hạch phát nơtron trễ nhóm thứ i tn theo
phương trình sau:
dC
= β kΣ Φ − λ C (1.10)
dt

trong đó số hạng thứ nhất bên vế phải là tốc độ sinh còn số hạng thứ hai là tốc độ


giảm của nồng độ Ci.
Các phương trình (1.9) và (1.10) được viết đối với mật độ nơtron N như sau:


= [(1 − ) − 1]

12

+

λ C + S(1.11)


= (δk − βk)




trong đó

=

=

N
+
l

λ C + S(1.12)

dC
N
= β k − λ C (1.13)
dt
l
là thời gian sống của nơtron tức thời.

Các phương trình (1.11) và (1.13) khơng phụ thuộc vào các tọa độ khơng
gian, vì vậy gọi là các phương trình động học của lị phản ứng điểm. Các phương
trình này miêu tả tốt tính chất thay đổi theo thời gian của mật độ nơtron trong đa số
các lị phản ứng, vì vậy người ta sử dụng chúng rộng rãi trong việc thiết kế các hệ
thống kiểm tra và điều khiển lị phản ứng.
Nghiệm phương trình động học khi thay đổi nhảy bậc độ phản ứng
Ta hãy giải hệ phương trình động học (1.11) và (1.13) trong trường hợp hệ số
nhân thay đổi một lượng δk theo kiểu nhảy bậc, tức là k thay đổi từ k =1 đến k = 1
+ δk tại thời điểm t = 0. Giả sử khơng có nguồn ngồi, S = 0. Nghiệm các phương
trình trên được viết dưới dạng như sau:
= . exp(


=

. exp(

)
) (1.14)

Khi đó các phương trình (1.12) và (1.13) trở thành:
ωN = [δk − βk]

N
+
l

λ C (1.15)

N
− λ C (1.16)
l
Từ phương trình (1.16) suy ra:

ωC = β k

C =

β kN
(1.17)
l(ω + λ )

Thay Ci từ phương trình (1.17) vào phương trình (1.15) ta được
ωl = (δk − βk) + k

λβ

ω+λ

13

hay:
=
Từ biểu thức

=

=

λβ
(1.18)
ω+λ

+

ta được k = 1/(1- ), do đó (1.18) trở thành:

1+

+

1
1+



λβ
(1.19)
ω+λ

Phương trình (1.19) thường được gọi là phương trình nghịch đảo. Đây là
phương trình bậc 7 đối với

qua độ phản ứng . Để đánh giá đặc trưng tổng quát

của các nghiệm, trên hình 1.1 trình bày đồ thị phụ thuộc
rằng khi tính 6 nhóm nơtron trễ thì ứng với mỗi giá trị

vào

. Từ đồ thị này thấy

ta có 7 giá trị

. Với giá trị

dương có một nghiệm dương và 6 nghiệm âm, 6 nghiệm này tiệm cận đến giá trị
−λ , −λ ,−λ ,−λ ,−λ và−λ . Với

âm tất cả 7 nghiệm của

đều mang dấu

âm. Như vậy biểu thức tổng quát của mật độ nơtron có dạng như sau:
N(t) =

A exp ω t (1.20)

Với bước nhảy dương δk, tất cả các số hạng, trừ số hạng đầu tiên, giảm theo

thời gian. Do đó sau một khoảng thời gian vào cỡ

các số hạng với số mũ âm

giảm dần đến 0 và chỉ còn số hạng đầu tiên đóng vai trị quan trọng. Khi đó (1.20)
trở thành:
N(t) = A e

(1.21)

Phương trình này có dạng phương trình mật độ nơtron, do đó chu kỳ lị phản
ứng là:
=

1

(1.22)

14


Hình 1.1. Dạng chung của sự phụ thuộc của

Trong phương trình (1.18) ta thay

bằng

vào

và dùng biểu thức (1.22) ta

được:
ρ =

l
+
kT

β
(1.23)
1+λT

Đây là một dạng phương trình nghịch đảo thường được sử dụng, theo đó
≈2,3.10-5, giá trị này

được xác định qua tần số 1/T. Với chu kỳ T = 1h =3600s thì
gọi là giờ nghịch đảo.

Ta hãy xét các trường hợp gần đúng của cơng thức (1.23). Khi

<< β thì chu

kỳ T rất lớn, do đó λ T >> 1 và cơng thức (1.23) trở thành:
1
≈
Do ∑

+

≈

1

+

.

≈ 0.08 s ≫ nên biểu thức trên trở thành:
1
≈

hay:
=

∑

≈ .(1.24)

15


Biểu thức (1.24) trùng với biểu thức (1.2) điều đó có nghĩa là khi

≪

thì

chu kỳ lị phản ứng được xác định bởi thời gian sống của các nơtron trễ.
Trong trường hợp

≫

thì đó 1 ≫ λ T do đó biểu thức (1.23) trở thành:
=

+

=

+

hay:
=

−

≈

=

.(1.25)

Do vậy chu kỳ lò phản ứng được xác định bởi thời gian sống của các nơtron
tức thời khi

>> .

Hình 1.2. Sự phụ thuộc T vào

16

theo phương trình (1.24)


Sự phụ thuộc chu kỳ lò phản ứng T và độ phản ứng

theo cơng thức (1.24)

được trình bày trên hình 1.2 đối với lò phản ứng nơtron nhiệt dùng nhiên liệu 235U.
Các đường cong T = f ( ) được tính đối với các giá trị thời gian sống nơtron tức
thời l = 10-3 và 10-4 s.
Từ hình 1.2 ta thấy rằng với

< 5,10-3 thì T khơng phụ thuộc vào l. Với lị

phản ứng có thời gian sống l bé, T giảm theo
vậy nếu đưa vào một độ phản ứng

<

nhanh hơn lị phản ứng có l lớn. Như

thì chu kỳ tăng cơng suất lị phản ứng

khơng phụ thuộc vào thời gian sống của các nơtron tức thời, hay nói cách khác đi,
khơng phụ thuộc vào loại lị làm việc với nơtron nhiệt. Cịn khi

lớn, gần bằng ,

q trình q độ thay đổi nhanh và chu kỳ lò phản ứng thay đổi theo thời gian sống

của các nơtron tức thời. Thông thường để điều khiển lị phản ứng an tồn người ta
đặt giới hạn dưới cho chu kỳ lò phản ứng là T = 20s. Do đó theo đồ thị hình 1.2 yêu
cầu không đưa độ phản ứng dương lớn hơn 0,3

vào lò phản ứng. Giới hạn này

được quy định trong quy tắc an tồn hạt nhân khi điều khiển lị phản ứng.

17


CHƯƠNG 2. LỊ PHẢN ỨNG VVER VÀ BÀI TỐN CHUẨN
2.1 Giới thiệu chung về lò VVER
VVER là lò phản ứng nước áp lực, sử dụng nước nhẹ để làm mát và làm
chậm, hệ thống làm mát được chia làm 2 phần (sơ cấp và thứ cấp) được viết tắt
bằng tiếng Nga là VVER (Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor) hay viết tắt
bằng tiếng Anh là WWER (Water-Water Energetic Reactor), được thiết kế và xây
dựng bởi các chuyên gia Nga, bắt đầu nghiên cứu và phát triển từ đầu những năm
50 của thế kỷ XX. Trong suốt toàn bộ lịch sử xây dựng và phát triển, số lượng lò
VVER đã lên tới khoảng 59 tổ máy đang vận hành tại: Nga, Ucraina, Ấn Độ, Iran,
Cộng Hòa Séc, Slovakia, Trung Quốc, Bungary, Đức, Phần Lan,…. Ở các giai đoạn
khác nhau, lò VVER dần được cải tiến, đổi mới công nghệ, nâng cao công suất và
độ an tồn.
Q trình phát triển của lị phản ứng VVER được chia làm 4 thế hệ, những lò
phản ứng hiện tại đang được nghiên cứu và hoàn thiện là thế hệ thứ 4, với việc hoàn
thiện các hệ thống đảm bảo an toàn, tối ưu khả năng tỏa nhiệt từ nhiên liệu và
chuyển hóa thành điện năng. Những lị phản ứng thế hệ đầu, với công suất thấp,
hoạt động trong những điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, các tiêu chuẩn an toàn đặt
ra chưa đầy đủ và hoàn chỉnh; cho đến nay, lượng nhiên liệu hoạt động trong lị
được tăng lên, cơng suất có thể lên đến 1000 MWe hoặc 1500 MWe, áp suất và

nhiệt độ chất tải nhiệt trong hệ thống tăng cao, vì vậy xác suất sai hỏng các thiết bị
là rất lớn, đòi hỏi những tiêu chuẩn nghiêm ngặt hơn và hệ thống đảm bảo an tồn
hồn thiện hơn.
Lị phản ứng VVER-1000 gồm các thành phần chính như thùng lị phản ứng,
bình sinh hơi, bơm tải nhiệt, bình điều áp, bình tích nước của hệ thống ECCS
(Emergency Core Cooling System)... như trình bày trên hình 2.1. Trong luận văn
chỉ tập trung trình bày các thơng số liên quan tới vùng hoạt lò phản ứng VVER1000. Các thông số chi tiết xem trong phần sau.

18


2.1.1 Thùng lò phản ứng
Thùng lò phản ứng là thiết bị chính và quan trọng nhất trong tồn bộ hệ
thống tải nhiệt của lò phản ứng, là bộ phận chứa nhiên liệu hạt nhân, chịu được áp
suất cao để đảm bảo nước khơng sơi dù nhiệt độ cao. Lị phản ứng gồm có thùng lị
(các bộ phận bên trong thùng lị chủ yếu dùng để lắp đặt các bó nhiên liệu, định
hướng và chuyển dịch các thanh điều khiển) và phía trên thùng lị là cơ cấu chuyển
dịch thanh điều khiển. Cùng một số các hệ thống liên quan tới đo đạc và hệ thống
an tồn. Hình 2.1 thể hiện những thành phần chính của lị phản ứng VVER-1000.

Hình 2.1 Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng VVER

Thùng lò gồm các vành thép đúc liền được hàn lại với nhau. Gắn với thùng
lị phía trên là hệ thống các thanh an toàn và các thanh điều khiển, cùng các thành
phần phụ khác. Hình 2.2 thể hiện hình học chi tiết và các thơng số liên quan tới
thùng lị phản ứng lò VVER-1000.

19

Bảng 2.1 Các thơng số chính của thùng lị

Các thơng số chính của thùng lị
Chiều cao, mm
Đường kính trong, mm
Thể tích tổng cộng, m3
Chiều dày vỏ lị ở vùng hoạt, mm
Khối lượng, tấn
Áp suất, MPa

10897
4150
110
192,5
320
15,5

1. Đỉnh lò;
2. Hệ thống an toàn
và điều khiển;
3. Chốt đai;
4. Đường dẫn các
thiết bị đo trong lị;
5. Lớp đệm;
6. Thùng lị;
7. Các ống an tồn;
8. Hốc đai;
9. Vách ngăn;
10. Bó nhiên liệu;
11. Lớp giữ nhiệt;

12. Nắp thùng lò;
13. Thanh điều khiển;
14. Các thanh nhiên
liệu;
15. Chốt hãm.

Hình 2.2 Thiết kế thùng lị VVER [2]

20


2.1.2 Vùng hoạt lò phản ứng VVER
Vùng hoạt lò phản ứng hạt nhân là nơi chứa nhiên liệu hạt nhân và xảy ra
phản ứng phân hạch. Vùng hoạt của lò VVER bao gồm các bó nhiên liệu có dạng
hình lục lăng, chứa các thanh nhiên liệu được sắp xếp theo mạng lưới tam giác đều
và các bó nhiên liệu cũng được sắp xếp trong vùng hoạt theo mạng tam giác đều
xem hình 2.3.

Hình 2.3 Cấu hình vùng hoạt lị phản ứng VVER-1000
Bảng 2.2 Các thơng số chính của vùng hoạt

Các thơng số
Cơng suất nhiệt, MW
Tổng số bó nhiên liệu trong vùng hoạt
Số bó nhiên liệu có chứa thanh điều khiển
Khoảng cách giữa tâm các bó nhiên liệu
Nhiệt độ chất tải nhiệt Tại lối vào, oC
Tại lối ra, oC

21

Giá trị
3000
163
61
236
289
320


2.1.3 Bó nhiên liệu
Cấu tạo chi tiết của bó nhiêu liệu là một hệ thống phức tạp, gồm nhiều thành
phần vật liệu (hình 2.4) : thanh nhiên liệu, thanh hấp thụ, thanh điều khiển, các ống
dẫn để đưa thiết bị đo đạc, các thiết bị giá đỡ và lưới định vị để cố định các thanh
nhiên liệu và cả bó nhiên liệu trong vùng hoạt. Các thông số chi tiết xem trên hình
2.4 và bảng 2.3.

1. Ống dẫn; 2. Thanh nhiên liệu; 3. Ống dẫn trung tâm; 4. Chất làm chậm.
Hình 2.4 Cấu trúc bó nhiên liệu thơng thường trong lò VVER-1000

22


Bảng 2.3 Các thơng số bó nhiên liệu lị phản ứng VVER

Thông số

Giá trị

Công suất nhiệt khối, W/cm3

107,5

Nhiệt độ trung bình chất làm mát, 0C

315

Khoảng cách giữa các bó nhiên liệu, mm

236

Số lượng thanh nhiên liệu trong mỗi bó

312

Khoảng cách giữa các thanh nhiên liệu trong bó, mm

12,75

Chiều cao bó nhiên liệu (trong trạng thái lạnh), mm

3530

Mỗi bó nhiên liệu lò VVER gồm 312 thanh nhiên liệu được gắn trên các giá
đỡ song song có dạng hình lục giác bằng thép khơng gỉ. Mỗi bó đều có một ống dẫn
trung tâm để có thể đưa các thiết bị đo đạc vào vùng hoạt.
2.1.4 Thanh nhiên liệu
Các thanh nhiên liệu được cấu tạo bởi các viên nhiên liệu UO2 được bọc
trong ống hình trụ làm bằng hợp kim Zr-110 (99%Zr1%Nb). Một điều đáng chú ý là
viên liệu liệu của lò phản ứng VVER không đặc mà rỗng bên trong, khác với nhiên

liệu các lò phản ứng PWR và BWR của phương Tây. Các kích thước và vật liệu
tương ứng phụ thuộc vào cấu hình của từng loại phiên bản lị VVER khác nhau.

Hình 2.5 Mặt cắt ngang của các thanh trong bó nhiên liệu

Trên hình 2.5 thể hiện cấu tạo của các thanh trong bó nhiên liệu đều được
bọc trong ống hợp kim Zr-110. Các thành phần nhiên liệu cụ thể và hình học chi tiết
của thanh nhiên liệu và thanh điều khiển xem chi tiết trong hình 2.10 và bảng 2.9.

23


Các thơng số cụ thể của bó nhiên liệu và thanh nhiên liệu được trình bày
trong bảng 2.4.
Bảng 2.4 Các thơng số của bó nhiên liệu và thanh nhiên liệu

Các thông số

Giá trị

Số thanh nhiên liệu

312

Số lưới định vị

14

Số ống dẫn

Thanh điều khiển

18

Thiết bị đo đạc

1

Khoảng cách giữa các bó nhiên liệu, mm

234

Chiều dài toàn bộ thanh nhiên liệu, mm

3837

Chiều dài hiệu dụng của thanh nhiên liệu, mm

3530

Khoảng cách giữa các thanh nhiên liệu trong bó, mm

12,75

Đường kính viên nhiên liệu tính cả vỏ bọc, mm

9,1

Bề dầy lớp vỏ bọc, mm

0,69

Đường kính ngồi của viên nhiên liệu khơng tính vỏ bọc, mm

7,53

Chiều dài viên nhiên liệu, mm

11

Đường kính của lỗ ở tâm viên nhiên liệu, mm

2,3

Vật liệu làm vỏ bọc

Hợp kim Zr-110

Khí trong khe hở giữa viên nhiên liệu và vỏ bọc

Hêli

Nhiên liệu

UO2
10,4 - 10,7 g/cm3

Mật độ nhiên liệu
Độ giàu của nhiên liệu (% U235)

2,0 - 4,4 %

2.1.5 Thanh điều khiển
Vai trị của hệ thống thanh điều khiển là:
-

Duy trì trạng thái tới hạn ở mức công suất ổn định và điều khiển phân bố
công suất trong vùng hoạt.

-

Thay đổi cơng suất lị.

-

Dập lị trong trường hợp khẩn cấp.
24