Tính toán thời gian làm việc còn lại của các thanh trao đổi nhiệt khi trên bề mặt của chúng xuất hiện các vết rỗ do trầm tích đồng gây ra

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT
KHOA KĨ THUẬT HẠT NHÂN

VÕ THỊ VIỆT KIỀU – 1410704

TÍNH TỐN THỜI GIAN LÀM VIỆC CỊN LẠI CỦA CÁC THANH
TRAO ĐỔI NHIỆT KHI TRÊN BỀ MẶT CỦA CHÚNG XUẤT HIỆN
CÁC VẾT RỖ DO TRẦM TÍCH ĐỒNG GÂY RA

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KĨ SƯ HẠT NHÂN

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
TS. NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ

KHÓA 2014 – 2018


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

i


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................
.......................................................................................................................................

ii


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Kĩ thuật hạt
nhân đã dạy dỗ, chỉ bảo em trong suốt 4.5 năm học tập tại Trường Đại học Đà Lạt.
Em cũng cảm ơn gia đình đã tạo điều kiện cho em được đến trường và tập
thể lớp HNK38 luôn bên cạnh giúp đỡ em trong việc học tập.
Cuối cùng em xin trân trọng gửi lời cảm ơn đến GV.TS Nguyễn Thị Nguyệt
Hà, cám ơn cơ đã giúp em hồn thành khóa luận và tận tình dạy dỗ chỉ dạy em trong
suốt thời gian làm khóa luận.
Lâm Đồng, tháng 12 năm 2018
Võ Thị Việt Kiều

iii


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

ads

Adsorb

Hấp thụ

AP

Advanced Passive

Hệ thống an tồn thụ động cải
tiến

EPR

European Pressurised Reactor

Lị phản ứng áp lực châu Âu

IAEA

International Atomic Energy Cơ quan năng lượng nguyên tử
Agency
quốc tế

ICRP

IEC

International Commission on Ủy ban quốc tế về bảo vệ phóng
Radiological Protection

xạ

International Electrotechnical

Ủy ban kĩ thuật điện quốc tế
Commission

INSAG

International Nuclear Safety Tổ chức an toàn hạt nhân quốc
Group
tế

ISO

International Organization for Cơ quan thiết lập tiêu chuẩn
Stadardization
quốc tế

PWR

Pressurized Water Reactors

Lị nước áp lực

SCC

Stress Crossion Crack

Nứt do mơi trường ăn mịn và
có ứng suất áp vào

VVER

Vodo
–
Vodyanoi Kiểu lị phản ứng nước áp lực
Energetichesky Reaktor
được thiết kế bởi Nga

iv


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Các thông số thiết kế cơ bản của lị VVER – 1000 .....................................3
Bảng 1.2. Các thơng số của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò
VVER – 1000 trong điều kiện hoạt động bình thường .............................................7
Bảng 1.3. Thành phần của các loại thép không gỉ .....................................................9
Bảng 2.1. Mô đun đàn hồi cho một số vật liệu ........................................................16
Bảng 4.1. Kết quả tính tốn vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng
thái trầm tích .............................................................................................................42
Bảng 4.2. Kết quả tính tốn vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1........................44
Bảng 4.3. Kết quả tính tốn vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 2........................45
Bảng 4.4. Kết quả tính tốn thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt. ........47

v


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân loại lị VVER – 1000 ...................................2
Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo của lị VVER – 1000 ...........................................................2
Hình 1.3. Bình sinh hơi ............................................................................................... 5
Hình 1.4. Mặt cắt dọc của bình sinh hơi .....................................................................6
Hình 1.5. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr tới tốc độ ăn mịn ....................................10

Hình 2.1. Khuyết tật Schottky (a) và khuyết tật Frenkel (b) .....................................12
Hình 2.2. Biến vị trong mạng tinh thể (a); Sự di chuyển của biến vị (b)..................13
Hình 2.3. Ứng suất kĩ thuật .......................................................................................13
Hình 2.4. Ứng suất kéo (a) và ứng suất nén (b) được xác định theo các lực tác
dụng lên thanh đồng nhất ..........................................................................................14
Hình 2.5. Các vùng và điểm khác nhau trên đường cong ứng suất-biến dạng ........16
Hình 2.6. Hành vi dẻo và giịn của vật liệu ............................................................... 17
Hình 2.7. Các dạng nứt cơ bản ..................................................................................18
Hình 3.1. Vết nứt do gãy liên kết giữa các hạt (a) và vết nứt xuất phát từ bên
trong hạt (b) ...............................................................................................................20
Hình 3.2. Các quá trình diễn ra tại đầu vết nứt .........................................................21
Hình 3.3. Các giai đoạn của quá trình SCC theo thời gian .......................................23
Hình 3.4. Mối quan hệ giữa tốc độ lan truyền vết nứt và dòng giải phóng từ
anode .........................................................................................................................26
Hình 3.5. Mơi trường ảnh hưởng đến sự phân bố của Crom ....................................27
Hình 3.6. Mơ hình vỡ lớp màng ................................................................................28
Hình 3.7. Sơ đồ thể hiện tỉ lệ mật độ điện tích oxy hóa/thời gian đốivới sự biến
dạng một đỉnh nứt và các mặt bên không biến dạng của vết nứt .............................. 29
Hình 3.8. Mối liên hệ giữa các thơng số kiểm sốt cơ bản và sự hình thành vết
nứt SCC .....................................................................................................................29

vi


Hình 3.9. Sơ đồ của mơ hình vỡ lớp màng cho thấy sự hình thành của lớp màng
giịn dọc theo biên giới hạt và sự vỡ của lớp màng giòn do ứng suất dẫn đến sự
khởi tạo và lan truyền vết nứt ...................................................................................30
Hình 3.10. Sơ đồ biểu diễn mơ hình hấp phụ............................................................ 32
Hình 3.11. Sơ đồ vỡ hóa học gây ra rạn nứt liên kết ................................................33
Hình 4.1. Sự hình thành trầm tích đồng của ống trao đổi nhiệt ................................ 36

Hình 4.2. Mơ hình hình thành vết nứt xun qua thành của ống trao đổi nhiệt .......37
Hình 4.3. Thành của ống trao đổi nhiệt T .................................................................37
Hình 4.4. Vết nứt do trầm tích đồng dọc theo biên giới hạt của thép khơng gỉ
austenitic....................................................................................................................38
Hình 4.5. Vết nứt trong thép khơng gỉ do trầm tích đồng .........................................38
Hình 4.6. Biểu đồ cho thấy sự gia tăng khối lượng đồng trong trầm tích theo thời
gian vận hành ............................................................................................................40
Hình 4.7. Biểu đồ cho thấy sự thay đổi độ sâu của vết rỗ trong thành ống trao đổi
nhiệt khi có đồng trong trầm tích theo thời gian .......................................................40
Hình 4.8. Đồ thị biểu diễn vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng
thái trầm tích .............................................................................................................43
Hình 4.9. (a) Đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu của vết nứt ở
khoảng thời gian τ1 ; (b) Đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu
của vết nứt ở khoảng thời gian τH..............................................................................46
Hình 4.10. Đồ thị biểu diễn thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt theo
độ sâu của vết nứt theo thời gian τH ..........................................................................48

vii


MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU ............................................................................................................1
CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI LÒ
VVER – 1000 .............................................................................................................2
1.1. Giới thiệu chung ............................................................................................... 2
1.2. Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 ...................5
1.2.1 Cấu tạo bình sinh hơi ...................................................................................5
1.2.2. Vật liệu bình sinh hơi .................................................................................9
1.2.3. Mơi trường làm việc của bình sinh hơi ....................................................10
1.3. Kết luận chương 1 ...........................................................................................11

CHƯƠNG 2- MỘT VÀI KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU .....12
2.1. Khuyết tật ........................................................................................................12
2.2. Biến vị .............................................................................................................12
2.3. Ứng suất và biến dạng ....................................................................................13
2.3.1. Khái niệm ứng suất, biến dạng .................................................................13
2.3.2. Đường cong ứng suất – biến dạng ............................................................ 15
2.3.3. Nứt ............................................................................................................18
2.4. Kết luận chương 2 ...........................................................................................19
CHƯƠNG 3- NỨT DO MƠI TRƯỜNG ĂN MỊN VÀ CÓ ỨNG SUẤT ÁP
VÀO ..........................................................................................................................20
3.1. Khái niệm nứt do mơi trường ăn mịn và có ứng suất áp vào (SCC) .............20
3.2. Các thơng số kiểm sốt sự lan truyền SCC.....................................................21
3.3. Khởi tạo SCC ..................................................................................................22
3.4. Các cơ chế lan truyền SCC .............................................................................24
3.4.1. Cơ chế hòa tan ..........................................................................................25
3.4.2. Nứt do gãy liên kết giữa các hạt (intergranular) ......................................26
3.4.3. Mơ hình giải hịa tan trượt hoặc mơ hình vỡ lớp màng ............................ 27

viii


3.4.4. Mơ hình gãy cơ học ..................................................................................30
3.5. Kết luận chương 3 ...........................................................................................34
CHƯƠNG 4- SỰ HÌNH THÀNH VẾT NỨT CỦA THÀNH ỐNG TRAO
ĐỔI NHIỆT KHI XUẤT HIỆN TRẦM TÍCH ĐỒNG VÀ TÍNH TỐN
THỜI GIAN LÀM VIỆC CỊN LẠI CỦA CÁC ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT .....35
4.1. Đồng trong trầm tích của bình sinh hơi ..........................................................35
4.2. Phương pháp tính tốn thời gian làm việc cịn lại của ống trao đổi nhiệt ......37
4.3. Tính tốn và nhận xét .....................................................................................42
4.3.1. Tính tốn vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái

trầm tích (VCu).....................................................................................................42
4.3.2. Tính tốn vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1(V1) và giai đoạn (VH)
(hình 4.2 và hình 4.7) .........................................................................................44
4.3.3. Tính tốn thời gian làm việc cịn lại của ống trao đổi nhiệt τocm ..............46
4.4. Kết luận chương 4 ...........................................................................................48
KẾT LUẬN ..............................................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................50

ix


x


LỜI MỞ ĐẦU
Bình sinh hơi là một bộ phận quan trọng trong nhà máy điện hạt nhân, nó là
một thiết bị trao đổi nhiệt biến nước thành hơi nước từ nhiệt sinh ra từ phản ứng
phân hạch. Chúng được sử dụng trong các loại lò PWR và VVER giữa các vịng
làm mát sơ cấp và thứ cấp.
Mơi trường làm việc của bình sinh hơi cực kì khắt nghiệt: nhiệt độ cao, áp
suất cao, mơi trường phóng xạ lớn, chịu tác động của các ion và chất oxy hóa nguy
hiểm,... Vì vậy, thép không gỉ austenitic được chọn để chế tạo bình sinh hơi, đặc
biệt là chế tạo các ống trao đổi nhiệt, đây là loại thép có khả năng chịu nhiệt tốt và
chống ăn mịn cao. Trong khóa luận này sẽ đề cập đến vấn đề trầm tích đồng ảnh
hưởng như thế nào đến tuổi thọ của ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi loại lị
VVER – 1000.
Trong q trình hoạt động của bình sinh hơi, nước cấp từ bên ngồi mang
theo đồng, đồng sau đó tích tụ lên các ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi tạo
thành trầm tích, đẩy nhanh q trình hình thành các khuyết tật và vết nứt trên ống,
làm giảm tuổi thọ của chúng. Do đó, để đảm bảo hoạt động an tồn và hiệu quả của

nhà máy điện hạt nhân thì việc hiểu được vết nứt hình thành như thế nào và tính
tốn thời gian làm việc cịn lại của các ống trao đổi nhiệt khi phát hiện trầm tích
đồng là cần thiết.
Khóa luận gồm bốn chương:
- Chương 1: Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000.
- Chương 2: Một vài khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu.
- Chương 3: Nứt do môi trường ăn mịn và có ứng suất áp vào.
- Chương 4: Sự hình thành vết nứt của thành ống trao đổi nhiệt khi xuất
hiện trầm tích đồng và tính tốn thời gian làm việc còn lại của các ống trao đổi
nhiệt.

1


CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI LÒ
VVER – 1000
1.1. Giới thiệu chung
VVER – 1000 là phiên bản phát triển từ VVER – 640 thuộc lò phản ứng thế
hệ thứ II được thiết kế tại Nga. VVER – 1000 của Rosatom thuộc thế hệ III+ tương
đương với các lò phương Tây như EPR 1600 của Avera và các lò Mỹ như AP1000
của Westinghouse [2].
Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân VVER – 1000 được mô tả ở hình 1.1 và sơ đồ
cấu tạo của lị VVER – 1000 được mơ tả ở hình 1.2 [2].

Hình 1.1. Sơ đồ nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000

Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo của lị VVER – 1000 [2]
2

Nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 có các điểm mạnh sau [2]:
• Thiết kế đổi mới, an tồn và tiến hóa
• Năng lượng điện của tổ máy lên đến 1100MW.
• Tuổi thọ của thiết bị có thể kéo dài ít nhất 60 năm.
• Hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao.
• Hệ số vận hành được tính trung bình cho tồn bộ thời gian vận hành của
nhà máy điện hạt nhân là 92%.
• Chu kỳ thay đảo thanh nhiên liệu là 12 đến 24 tháng.
• Chất lượng cao của các giải pháp công nghệ và tài liệu dẫn chứng thiết kế
được dựa trên kinh nghiệm dày dạn trong thiết kế, áp dụng sự tự quản, quy phạm và
các tiêu chuẩn trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân. Chất lượng của nhà máy điện
hạt nhân với VVER – 1000 cũng dựa trên các khuyến cáo của các tổ chức quốc tế
như IAEA, INSAG, ICRP, IEC trong lĩnh vực đảm bảo chất lượng các tiêu chuẩn
quốc tế ISO – 9001 – 2000.
Bảng 1.1 cho biết một số thông số thiết kế cơ bản của lò VVER – 1000.
Bảng 1.1 Các thơng số thiết kế cơ bản của lị VVER – 1000 [11]
Đặc tính chung của lị
Cơng suất nhiệt

3000 – 3300 MWth

Cơng suất điện

1000 – 1200 MWe

Áp suất vịng một

15.7 MPa

Độ giàu nhiên liệu cao nhất

3.3 – 4.4%

Chu kỳ đảo nhiên liệu (nhiên liệu ở 3 năm
6700 – 8000 giờ hiệu quả
trong lị)
Áp suất hơi ở đầu ra bình sinh hơi

7.35 MPa

Lượng hơi sinh ra

5880 – 6400 tấn/giờ

Nhiệt độ nước cấp đầu vào bình sinh hơi

220 0C

Thời gian hoạt động

50 – 60 năm

Xác suất nóng chảy vùng hoạt lị khi sự cố

10-6 – 10-7 1/năm.lò

3


Đặc tính chung của vùng hoạt

163 – 253

Số bó thanh nhiên liệu
Số bó thanh nhiên liệu có chứa thanh điều
khiền

121

Số thanh nhiên liệu trong 1 bó thanh nhiên
311
liệu
Số thanh hấp thụ trong 1 bó

18 – 24

Bước đặt các thanh nhiên liệu

12.75 mm

Đường kính ngồi của thanh nhiên liệu

9.1 mm

Số kênh đo nơtron

54

Số kênh đo nhiệt độ

54 (kết hợp với thanh đo

nơtron)

Tỷ số nhiệt tuyến tính cực đại

400 – 448

Tổng độ hấp thụ của các thanh điều khiển

11.5 %

Hệ số độ phản ứng nhiệt độ của nhiên liệu

-1.9x10-5 1/0C

Hệ số độ phản ứng nhiệt độ của chất tải
0 đến -70x10-5 1/0C
nhiệt
Đặc trưng cơ bản của lò
Hiệu nhiệt độ của chất tải nhiệt giữa đầu ra
340C
và đầu vào vùng hoạt
Áp suất vòng 1

17.6 MPa

Nhiệt độ chất tải nhiệt khi ra khỏi lò

3300C

Chiều dài vỏ lị

11700 mm

Đường kính bên trong vỏ lị nơi đặt vùng
4135 – 5400 mm
hoạt
Vật liệu vỏ lò

Thép 15X2MFA – A

Thời gian sử dụng vỏ lò

60 năm

4


1.2. Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lị VVER – 1000
1.2.1 Cấu tạo bình sinh hơi
Bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 (hình 1.3) là một
thiết bị trao đổi nhiệt một chiều với bề mặt trao đổi nhiệt chìm. Thùng bình sinh hơi
được thiết kế để đặt trong tịa nhà lị (containment building), nó gồm vỏ bình đã qua
tơi luyện, đáy đúc hình elip và các vịi được hàn vào. Thùng bình sinh hơi được thiết
kế để thuận tiện cho việc kiểm tra bên trong từ vịng sơ cấp [13].

Hình 1.3. Bình sinh hơi
1. Thùng bình (Vessel)
2. Vịi phun khi xảy ra nguy hiểm (Damage nozzle)
3. Vòi phun xuống dưới (Blow down nozzle)
4. Ống trao đổi nhiệt (Heat – exchange tubes)

5. Thành phần phân tách (Separation Units)
6. Thành phần bơm nước cấp chính (Main feedwater spray unit)
7. Vịi phun khử khí (Gas removal nozzle)
8. Thành phần bơm nước cấp trong trường hợp khẩn cấp (Emergency
feedwater spray unit)
9. Vòi phun hơi nước (Steam nozzle)
10. Ống phun hơi nước (Steam header)

5


11. Vòi phun nước cấp trong trường hợp khẩn cấp (Emergency feedwater
nozzle)
12. Lối vào bình sinh hơi (Access airlock)
Hình 1.4 cho thấy mặt cắt dọc của bình sinh hơi [13].

Hình 1.4 Mặt cắt dọc của bình sinh hơi
1. Ống dẫn hơi chính

7. Ống dẫn chất tải nhiệt chính

2. Lớp bọc nắp đậy vòng thứ cấp

8. Các ống trao đổi nhiệt

3. Hạt đậu

9. Bộ cân bằng áp suất hơi

4. Nắp đậy vòng sơ cấp

10. Ống cấp nước

5. Nắp đậy thứ cấp

11. Bộ tách hơi

6. Nắp đậy sơ cấp

12. Ống dẫn hơi

6


Bề mặt trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi bao gồm 10978 ống hình chữ U với
đường kính mỗi ống là 16x1.5mm, được bố trí theo chiều ngang. Các bó ống được
nối với bộ thu (collectors) vòng sơ cấp, mép ống được hàn hồ quang điện argon ở
bề bên trong của bộ thu. Vật liệu của ống trao đổi nhiệt là thép khơng gỉ austenitic
[13].
Bộ thu vịng sơ cấp được thiết kế để nước làm mát phân phối đến các ống
trao đổi nhiệt, sau đó nước được gom lại và loại bỏ khỏi vòng sơ cấp. Bề mặt bên
trong của bộ thu phủ lớp chống ăn mòn hai lớp. Tấm phân phối hơi nước được lắp ở
phần trên cùng của thùng bình sinh hơi. Tấm đục lỗ được đặt dưới mực nước của
bình sinh hơi để phục vụ cho việc cân bằng lượng hơi nước [13].
Bình sinh hơi dự trữ một lượng nước lớn nhằm cung cấp các đặc tính động
năng tốt cho tồn bộ nhà lị trong tai nạn mất nước cấp [13].
Sự bố trí “hành lang” (corridor) giữa các ống trao đổi nhiệt thì có các lợi thế
sau [14]:
- Tăng sự tuần hồn giữa các bó ống, kết quả là giảm tốc độ hình thành lắng
đọng trầm tích trên các ống trao đổi nhiệt.

- Giảm khả năng ống bị tắc do cặn bẩn bị tróc ra.
- Tăng khơng gian dưới bó ống để dễ dàng loại bỏ các chất cặn bẩn.
- Dễ dàng cho việc kiểm tra và bảo dưỡng các ống trao đổi nhiệt.
- Cải thiện khả năng chế tạo và chất lượng lắp ráp bó ống.
- Tăng thể tích bình do đó làm tăng lượng nước trong bình sinh hơi.
- Cải thiện một số vấn để về điều kiện của bộ thu hồi chất làm mát.
Một số thơng số của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER
– 1000 trong điều kiện hoạt động bình thường được thể hiện ở bảng 1.2.

7


Bảng 1.2. Các thơng số của bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại lò
VVER – 1000 trong điều kiện hoạt động bình thường [13]
Thơng số

Giá trị

Cơng suất hơi, t/h

1470

Áp suất tại lối ra của bình sinh hơi, MPa

6.27

Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối vào của
bình sinh hơi, 0C
Nhiệt độ chất làm mát vịng sơ cấp tại lối ra của
bình sinh hơi, 0C

321
219

Nhiệt độ nước cấp đầu vào của bình sinh hơi, 0C

220

Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt,
0
C

164

Độ ẩm hơi nước tại lối ra của bình sinh hơi, %

0.2

8


1.2.2. Vật liệu bình sinh hơi
Một trong những loại vật liệu dùng để chế tạo thành phần của bình sinh hơi
là thép không gỉ. Thép không gỉ là hợp kim của sắt chứa hơn 11% kim loại Cr và vì
thế có khả năng hình thành một lớp màng bảo vệ như một lớp chống oxi hóa thụ
động. Lớp vỏ bảo vệ thụ động này được hình thành chủ yếu bởi kim loại Cr. Thép
không gỉ thường được chia thành nhiều loại dựa trên cấu trúc vi mơ của chúng.
Theo đó, sẽ có bốn loại thép khơng gỉ là ferritic, austenitic, martensitic và duplex
[12]. Thành phần của các loại thép này được thể hiện trong bảng 1.3.
Bảng 1.3. Thành phần của các loại thép không gỉ [12]

Lớp màng thụ động
Thép không gỉ có khả năng chống ăn mịn tốt là do chúng tạo ra một lớp
màng rất mỏng khơng nhìn thấy được trong mơi trường oxy hóa. Lớp màng này là
một lớp oxit bảo vệ thép khỏi sự tấn công của môi trường. Khi Cr được thêm vào
thép, tốc độ ăn mịn giảm xuống khoảng 10% bởi vì sự hình thành lớp bảo vệ hay
lớp màng thụ động. Để đạt được một lớp màng thụ động chắc chắn và liên tục thì
hàm lượng Cr cần thiết phải ít nhất là 11% (hình 1.5). Sự bảo vệ thụ động này tăng
rất nhanh với hàm lượng Cr tăng lên khoảng 17%. Đây là lý do tại sao nhiều loại
thép không gỉ chứa từ 17 – 18% Cr [12].

9


Hình 1.5. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr tới tốc độ ăn mịn [12]
1.2.3. Mơi trường làm việc của bình sinh hơi
Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân làm việc trong điều kiện môi
trường hết sức khắc nghiệt như [12]:
- Môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao
Trong bình sinh hơi, nước ở nhiệt độ rất cao: Ở vịng sơ cấp, nhiệt độ ở đầu
vào chân nóng là 593.15 ± 3.50K, áp suất khoảng 15.7 ± 0.3 MPa nên nước ở thể
lỏng; ở vòng thứ cấp, nhiệt độ dòng hơi là 552K tại áp suất 6.28 ± 0.20 MPa, nước
tồn tại ở dạng hơi. Nước ở vòng thứ cấp khi tiếp xúc với bề mặt ống trao đổi nhiệt
thì xảy ra sự sơi của nước.
- Mơi trường phóng xạ lớn
Các tia phóng xạ (n, 𝛼, 𝛽, 𝛾) từ các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân ở
trạng thái kích thích được sản sinh ra do phản ứng phân hạch hạt nhân U – 235, tác
động mạnh vào cấu trúc vật liệu làm giảm độ bền, gây biến đổi cấu trúc trong vật
liệu.
- Các chất hóa học

Nước bị chiếu xạ bởi các tia phóng xạ và phân hủy thành ion và chất oxy hóa
nguy hiểm như •OH,H2O2, O2, H2, •𝑂2− 𝑒𝑎𝑞•, H. Các ion và chất này phản ứng lẫn
nhau và tương tác với môi trường xung quanh theo các phương trình sau:
O2 + 2H+ + 2e- ↔ H2O2

(1.1)

H2O2 + 2H+ + 2e- ↔ 2H2O

(1.2)

H2 ↔ H2+ (ads) + e-

(1.3)
10


H2+ (ads) ↔ 2H+ + e-

(1.4)

H2O2 là chất oxy hóa mạnh, chất này tạo ra mơi trường oxy hóa dẫn đến sự
ăn mòn vật liệu trong nước khi tiếp xúc với phóng xạ.
1.3. Kết luận chương 1
Ở chương 1 ta đã tìm hiểu về các vấn đề sau:
- Những đặc điểm nổi trội của nhà máy điện hạt nhân loại lị VVER – 1000
và các thơng số cấu tạo của nó.
- Cấu tạo của bình sinh hơi, vật liệu được dùng để làm nên bình sinh hơi và
mơi trường làm việc của bình sinh hơi.

11


CHƯƠNG 2- MỘT VÀI KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU
2.1. Khuyết tật
Khuyết tật Schottky là loại khuyết tật phổ biến trong mạng tinh thể. Trong
một tinh thể hoàn hảo, khuyết tật Schottky được tạo ra bằng cách loại bỏ một
nguyên tử trong mạng tinh thể và tạo ra một lỗ trống (hình 2.1a). Cần có một năng
lượng 𝐸𝑠 để bức nguyên tử ra khỏi mạng tinh thể. Trong mạng tinh thể luôn tồn tại
sự hỗn loạn của các nguyên tử do các định luật nhiệt động lực học, vì vậy xác suất
tạo ra lỗ trống tỉ lệ với hệ số Boltzmann. Do đó, nó phụ thuộc vào năng lượng cần
thiết để tạo ra lỗ trống và nhiệt độ của tinh thể ở trạng thái cân bằng nhiệt. Phương
trình (1) thể hiện mối quan hệ giữa số lượng lỗ trống (n) và số các nguyên tử trong
mạng tinh thể (N) [10]:
𝑛
𝑁−𝑛

= exp⁡(−

𝐸𝑠
𝑘𝐵 𝑇

)

(2.1)

Trong đó: 𝑘𝐵 – Hằng số Boltzmann, n – Số lượng lỗ trống, N – Số các
nguyên tử trong mạng tinh thể.

Hình 2.1. Khuyết tật Schottky (a) và khuyết tật Frenkel (b) [10]

Khuyết tật Frenkel là một biến thể bổ sung, một nguyên tử rời khỏi mạng
lưới và chuyển đến một vị trí xen kẽ bên trong mạng tinh thể (hình 2.1b). Khuyết tật
Frenkel cũng tuân thủ các định luật nhiệt động lực học, do đó số lượng khuyết tật
Frenkel tỷ lệ với hệ số Boltzmann [10].
2.2. Biến vị
Biến vị là khuyết tật tuyến tính. Vai trị của nó trong cấu trúc vi mơ là kiểm
sốt cường độ hiệu suất và biến dạng dẻo tiếp theo của tinh thể chất rắn ở nhiệt độ

12


bình thường. Biến vị cũng góp phần vào sự phát triển của tinh thể và trong cấu trúc
giao diện giữa các tinh thể [10].
Sự biến dạng của vật liệu chủ yếu xảy ra bởi sự trượt của các bề mặt kề nhau
và các giá trị lực thấp hơn được giải thích là do sự khơng hồn hảo bên trong các
tinh thể hình thành biến vị. Một biến vị góc có thể được giải thích bằng cách chèn
thêm một nửa mặt phẳng bên trong tinh thể (hình 2.2a). Nếu biến vị góc hiện diện
trong tinh thể thì ứng suất cần thiết để tạo ra sự trượt xảy ra sẽ thấp hơn, điều này
xảy ra do sự di chuyển của các biến vị góc (hình 2.2b) [10].

Hình 2.2. Biến vị trong mạng tinh thể (a); Sự di chuyển của biến vị (b)
2.3. Ứng suất và biến dạng
2.3.1. Khái niệm ứng suất, biến dạng
Ứng suất kĩ thuật là ứng suất được xác định bằng tỷ số của lực vng góc tác
dụng lên vật mẫu với diện tích mặt cắt ngang ban đầu của nó (hình 2.3).

Hình 2.3. Ứng suất kĩ thuật [4]
13

Để so sánh các vật mẫu có kích thước khác nhau, lực được tính trên một đơn
vị diện tích, cịn được gọi là chuẩn hóa diện tích. Trong các thí nghiệm kéo và nén,
diện tích vng góc với lực (hình 2.4). Trong các thí nghiệm cắt hoặc xoắn, diện
tích vng góc với trục quay. Ứng suất được tính theo cơng thức sau [7]:
𝜎=

𝐹

(2.2)

𝐴

Trong đó: 𝜎 – Ứng suất (MPa), 𝐹 – Lực tác dụng lên mẫu (N), A– Diện tích
ban đầu của mẫu (m2).

Hình 2.4. Ứng suất kéo (a) và ứng suất nén (b) được xác định theo các lực tác
dụng lên thanh đồng nhất [3]
Biến dạng là sự thay đổi về kích thước của mẫu do ứng suất kéo hoặc nén.
Để so sánh các mẫu có độ dài khác nhau, độ dãn dài cũng được chuẩn hóa. Biến
dạng được xác định bởi tỉ số giữa chiều dài do biến dạng và chiều dài ban đầu của
mẫu, được gọi là biến dạng kĩ thuật [7].
Biến dạng sử dụng trong các đường cong ứng suất – biến dạng kỹ thuật là
biến dạng tuyến tính trung bình, được tính bằng cách chia độ giãn dài của mẫu cho
chiều dài ban đầu của nó [7].
𝜀=

𝑙𝑖 −𝑙0
𝑙0

14

=

∆𝑙
𝑙0

(2.3)