Chương 1: Ảnh hưởng của sự cố RIA trong lò phản ứng đến thanh nhiên liệu hạt nhân: Nội dung chương này trình bày các ảnh hưởng của sự cố RIA đối với 15 thanh nhiên liệu, những tiêu chí an toàn đối với nhiên liệu trong sự cố RIA và những thử nghiệm về an toàn nhiên liệu tại các nước trên thế giới. • Chương 2: Chương trình tính toán nhiên liệu FRAPTRAN1.5: Nội dung chương này giới thiệu về chương trình FRAPTRAN1.NRC phục vụ tính toán an toàn nhiên liệu trong quá trình chuyển tiếp lò phản ứng, trong đó đã giới thiệu tổng quan các mô hình tính toán sử dung trong chương trình FRAPTRAN 1.5 • Chương 3: Phân tích an toàn thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER- AES2006 trong sự cố RIA: Nội dung chương này trình bày tính toán các thông số an toàn chính và tiêu chí an toàn của nhiên liệu trong sự cố RIA sử dụng chương trình FRAPTRAN 1.5 như độ giãn dài của thanh, nhiệt độ của nhiên liệu và lớp vỏ bọc nhiên liệu, enthalpy của nhiên liệu,…Các tính toán được thực hiện khi lò vận hành ở sau 2 chu kỳ nhiên liệu. Với các kết quả từ chương trình tính toán, tác giả đã đánh giá, phân tích và so sánh với kết quả mô phỏng trong Hồ sơ PSARs của lò phản ứng VVER-AES2006 - Phần kết luận và kiến nghị Trong phần này, tác giả đánh giá khả năng tính toán an toàn nhiên liệu sử dụng chương tình FRAPTRAN1.5 trong điều kiện sự cố RIA. Bên cạnh đó, tác giả cũng đánh giá những ưu điểm và hạn chế của phương pháp tính toán.
Cuối cùng, tác giả đã đề xuất định hướng nghiên cứu mới về an toàn nhiên liệu sử dụng chương trình FRAPTRAN toàn diện hơn. Tác giả cũng đưa ra được hướng nghiên cứu tiếp theo, cùng với đó là đề xuất mô hình tính toán đầy đủ bằng các kết hợp với các chương trình tính toán nơtronic và thủy nhiệt (RELAP5, CORBAR, SRAC, MCNP,…) để có được số liệu tin cậy và hoàn chỉnh giúp cho việc đánh giá an toàn nhiên liệu được toàn diện hơn. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ CỐ RIA TRONG LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐẾN THANH NHIÊN LIỆU Trong quá trình vận hành bình thường lò phản ứng, cấu trúc và tính bền vững của nhiên liệu hạt nhân bị biến đổi. Những biến đổi đó là nguy cơ tiềm ẩn gây nên những sự cố nhiên liệu.
Thêm vào đó, trong quá trình chuyển tiếp của lò phản ứng, những biến đổi này cang phức tạp hơn và ảnh hưởng nghiêm trọng tới an toàn hạt nhân. Vì vậy, việc đánh giá tác động của quá trình chuyển tiếp lò phản ứng đến đặc tính của nhiên liệu hạt nhân là hết sức cần thiết nhằm đảm bảo an toàn thanh nhiên liệu trong suốt quá trình vận hành. Trong quá trình chuyển tiếp của lò phản ứng, công suất của lò phản ứng biến đổi bất thường hay xảy ra các lỗi, sai hỏng trên thiết bị trong hệ thống lò phản ứng có thể dẫn tới sự cố và tai nạn (trong đó có sự cố RIA)Trong các tai nạn đó, sự biến đổi quá trình bên trong lò phản ứng dẫn tới sự biến đổi nhiên liệu (có thể làm biến dạng, nứt gãy, hư hại nghiêm trọng tới thanh nhiên liệu). Trong chương này, luận văn sẽ trình bày về một số tác động của sự cố RIA đến đặc tính của thanh nhiên liệu hạt nhân.
Hai sự cố này cũng là các sự cố điển hình được các nhà phân tích an toàn đưa ra trong quá trình chuyển tiếp lò phản ứng. Sự cố RIA trong lò phản ứng hạt nhân Sự cố RIA là sự cố do gia tăng đột ngột (trong khoảng thời gian cỡ ms) tốc độ phân hạch và công suất lò phản ứng hạt nhân lên mức rất cao. Công suất tăng cao có thể phá hủy vùng hoạt và ở một số trường hợp, thậm chí dẫn tới sự gãy vỡ. Bởi vậy, hậu quả mà RIA gây ra dẫn tới sự sai hỏng lớp vỏ thanh nhiên liệu và phát tán vật chất phóng xạ vào trong chất làm mát vòng sơ cấp.
Thanh nhiên liệu có thể bị gãy đôi và phần lớn các sản phẩm khí phân hạch và các mảnh vỡ nhiên liệu bị thoát ra bên ngoài. Bên cạnh đó, nhiệt độ nhiên liệu tăng nhanh gây ra khả năng tăng đột biến lượng hơi sinh ra và áp suất bên trong hệ thống. Trong một lò PWR, RIA xảy ra sau khi một vết nứt phát triển xung quanh phần đầu nối nơi mà có các hốc của hệ cơ khí điều khiển các thanh điều khiển trong 17 vùng hoạt và bị tác động dẫn tới bó thanh điều khiển bật ra do lực tác động bởi áp suất. Điều này được gọi là tai nạn bật thanh điều khiển và nó dẫn tới hệ số phản ứng biến đổi mạnh dưới các điều kiện công suất ở trạng thái nóng là 0.
Tai nạn này không thể xảy ra ở PWR dưới điều kiện công suất ở trạng thái lạnh bởi thùng lò phải có áp suất cao mới có thể làm bật thanh điều khiển. Năm 2002, tại lò Davis Besse, một đầu nối của hệ cơ khí điều khiển các thanh điều khiển bị tác động bởi vết nứt và ăn mòn do axit boric phần trên lò phản ứng, tính huống này được coi là một tai nạn. Đầu những năm 1990, các chương trình thí nghiệm được thực hiện tại Pháp, Nhật và Nga đã đi vào nghiên cứu những biến đổi của nhiên liệu khi có sự cố RIA. Các chương trình này cơ bản có mục tiêu điều chỉnh lại các tiêu chuẩn cho RIA, điều này được dựa trên phần lớn kết quả của các thí nghiệm với nhiên liệu chưa bị đốt cháy hay đã bị đốt cháy.
Các thí nghiệm đó đã cho thấy sai hỏng lớp vỏ thanh nhiên liệu tồn tại ở nhiên liệu có enthalpy thấp đối với quá trình trước khi vận hành lớn hơn so với các thanh nhiên liệu sạch (chưa sử dụng) và sai hỏng tăng theo độ tăng của độ cháy nhiên liệu. Hơn nữa, những sai hỏng ở nhiên liệu trước khi bị đốt cháy tồn tại trong thời kỳ ban đầu của quá trình tăng công suất, khi mà nhiệt độ lớp vỏ còn thấp. Sự gia tăng ứng suất gây sai hỏng và sự thay đổi từ các sai hỏng ở nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp được cho là những ảnh hưởng của sự giòn vỏ thanh nhiên liệu và làm trầm trọng thêm hiện tượng PCMI (Pellet Cladding Mechanical Interaction) trong các thanh nhiên liệu. Cũng như thế, sai hỏng phụ thuộc vào độ cháy của thanh nhiên liệu và đặc biệt là bề mặt bị ăn mòn bởi nước, đây là khía cạnh rất quan trọng liên quan tới chất lượng thanh nhiên liệu trước khi bị chiếu xạ.
Trong sự biến đổi của nhiên liệu, những ảnh hưởng của độ cháy và thời gian vận hành lò phản ứng là đặc biệt quan trọng và xem xét nhiên liệu ở các đặc tính được mô tả dựa trên: 1. Độ giòn của lớp vỏ do sự phá hủy bởi phóng xạ và ăn mòn bởi nước (bao gồm quá trình hydrua hóa); 18 2. Khoảng cách giữa viên nhiên liệu và lớp vỏ bị khép kín lại và tương tác giữa các vật liệu; 3. Thay đổi thành phần và phân bố vật liệu phân hạch bên trong các viên nhiên liệu; 4.
Sự lưu giữ lượng lớn khí phân hạch bên trong nhiên liệu; 5. Kết tinh và thay đổi vi cấu trúc nhiên liệu; 6. Suy giảm độ dẫn và nhiệt độ nóng cháy nhiên liệu. Những ảnh hưởng của các hiện tượng trên do RIA được nhìn nhận là sự tác động của viên nhiên liệu tới lớp vỏ nhiên liệu hay PCMI.
Tác động của sự cố RIA lên thanh nhiên liệu thông qua PCMI Trong quá trình vận hành lò phản ứng, sự oxi hóa và chiếu xạ làm giảm những tính chất cơ học của lớp vỏ zircaloy. Khí phóng xạ phát tán ra khoảng trống của thanh nhiên liệu sẽ làm gia tăng áp lực bên trong thanh nhiên liệu. Những khí phóng xạ này lưu giữ trong viên gốm nhiên liệu sẽ làm giãn nở viên gốm nhiên liệu và tạo ra tương tác PCMI giữa viên gốm - lớp vỏ zircaloy khi khoảng cách giữa các viên gốm và lớp vỏ thu hẹp lại. Năng lượng tích tụ làm tăng nhiệt độ nhiên liệu và nhiên liệu nở rộng rất nhanh tác động tới lớp vỏ.
PCMI xuất hiện làm biến dạng hình học lớp vỏ và khi bắt đầu tiếp xúc giữa lớp vỏ và viên nhiên liệu, có thể không có ma sát. Các yếu tố quan trọng làm biến đổi thanh nhiên liệu khi xảy ra RIA bao gồm: + Các viên nhiên liệu: độ tăng nhiệt độ, nhiệt nóng chảy, các mảnh vỡ, khí phân hạch làm phồng nhiên liệu và phát tán ra ngoài. + Lớp vỏ nhiên liệu: độ tăng nhiệt độ, nhiệt nóng chảy, biến dạng, oxy hóa và sai hỏng. Ở nhiệt độ thấp, PCMI làm sai hỏng lớp vỏ khi xảy ra RIA có thể tồn tại ở các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng nhưng không có ở các thanh nhiên liệu sạch.
Ở 19 nhiệt độ cao, sai hỏng nhiên liệu khi xảy ra RIA xảy ra bởi hai yếu tố: vỏ thanh nhiên liệu phồng ra và thanh nhiên liệu bị đứt gãy. Các dạng phá hủy nhiên liệu và lớp vỏ thanh nhiên liệu khi xảy ra RIA chịu tác động bởi: + Các xung biến đổi công suất: Cường độ và độ dài xung; + Điều kiện làm mát vùng hoạt như áp suất, nhiệt độ và tốc độ dòng làm mát; + Độ cháy của nhiên liệu và các đặc tính trước khi có sự cố: khoảng cách nhiên liệu và lớp vỏ, độ ăn mòn oxy hóa do nước ở lớp vỏ, áp suất khí bên trong thanh nhiên liệu và phân bố khí phân hạch bên trong viên nhiên liệu; + Các thông số thiết kế thanh nhiên liệu như áp suất bên trong thanh, độ dày lớp vỏ, thành phần viên nhiên liệu và hình học. Quá trình cơ học đối với sự phá hủy nhiên liệu và lớp vỏ khi xảy ra RIA.[11] 20 Các yếu tố trên có ý nghĩa rất quan trọng trong sự biến đổi thanh nhiên liệu ở điều kiện vận hành khi xảy ra RIA và chúng có ảnh hưởng tới mức độ thiệt hại gây ra trên thanh nhiên liệu. Các phá hủy cơ học có thể xảy ra là do sự tăng đột biến công suất khi xảy ra RIA dẫn tới đoạn nhiệt viên nhiên liệu và điều này trực tiếp làm biến dạng nhiên liệu bởi quá trình nở rộng.
Nếu các sản phẩm khí phân hạch sinh ra bị giữ lại trong nhiên liệu thì sự nở rộng của các khí sẽ làm biến dạng viên nhiên liệu. Trong trường hợp lớp vỏ và viên nhiên liệu chạm nhau ở độ cháy cao thì PCMI sẽ làm gia tăng áp lực trên lớp vỏ thanh.