CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1. Tổng quan tình hình nghiên cứu về nhiên liệu hạt nhân Công nghệ chế tạo nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân đã có lịch sử phát triển trên 50 năm. Trong suốt hơn 50 năm qua, công nghệ chế tạo nhiên liệu hạt nhân luôn luôn được cải tiến và phát triển. Để nâng cao hiệu suất của nhiên liệu hạt nhân, các nhà thiết kế đã chú trọng cải tiến trên mọi phương diện đối với viên nhiên liệu, thanh nhiên liệu hạt nhân và cấu trúc của bó thanh nhiên liệu hạt nhân.
Ban đầu các lò phản ứng hạt nhân như lò PWR với thiết kế nhiên liệu 14x14, 15x15, lò VVER với thiết kế KA-S và lò ABWR với thiết kế 6x6, nay đã được cải tiến thành thiết kế 17x17, TVS-2M và 10x10. Về độ giàu của nhiên liệu, trước kia người ta sử dụng nhiên liệu có độ làm giàu thấp, dưới 3,5% U 235, nay độ giàu đã gia tăng lên đến 5- 7% U 235, UO2 + GD2 O3 và MOX (UO2-PuO2). Các loại nhiên liệu nói trên, từ cấu trúc lớp vỏ thanh nhiên liệu, màn lưới đệm, các ống dẫn thanh điều khiển đến các cấu trúc của đầu trên và dưới của BTNLHN đều được cải tiến liên tục. Ngoài mục đích mang lại lợi ích về mặt tài chính, những cải tiến trên có mục đích làm tối ưu hóa hiệu suất của TNLHN và BTNLHN đối với những hiện tượng vật lý nơtron, hiện tượng thủy nhiệt và thủy động học trong tâm lò phản ứng.
Qua phản hồi kinh nghiệm thu được trong các loại lò phản ứng hạt nhân cùng với những cải tiến nhằm phù hợp với những tiêu chí kỹ thuật vận hành, t lệ nứt nẻ của TNLHN từ 10 -3 – 10-4 trong thập niên 70 đã giảm xuống còn 10-5 trong thập niên 80. Trong thập niên 90, do kết quả nghiên cứu các hiện tượng hóa học và thủy động học của nước làm mát, t lệ nứt nẻ TNLHN đã giảm xuống còn 10 -6. Lớp vỏ TNLHN bằng thép không gỉ sử dụng trong thập niên 60, nay đã được thay thế bằng những hợp kim zirconi cải tiến. Các nhà khoa học trên thế giới đã tiến hành nhiều nghiên cứu để đánh giá đặc tính của nhiên liệu trong quá trình năng lượng lưu trữ nhanh trong mô phỏng một tai nạn lò phản ứng.
Các phương pháp dử dụng để phát triển các tiêu chuẩn cấp phép 10 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Đỗ Ngọc Điệp sửa đổi bởi ngành công nghiệp kết hợp các yếu tố của các kết quả thử nghiệm và các đánh giá phân tích để thiết lập một kiến thức cơ bản về trạng thái của nhiên liệu trong suốt quá trình xảy ra sự cố. Trong một số năm gần đây, Việt Nam đã có một số nghiên cứu về lò phản ứng hạt nhân như: Đề tài nghiên cứu về Sự cố nghiêm trọng và đặc biệt nghiêm trọng; Đề tài nghiên cứu về tổng quan lò phản ứng VVER-1000; Đề tài nghiên cứu phân tích, đánh giá và so sánh hệ thống công nghệ nhà máy điện hạt nhân dùng lò VVER – 1000 giữa các loại AES – 91, AES – 92, AES 2006 nhưng chưa có nghiên cứu, tính toán và phân tích an toàn về các đặc tính cơ-nhiệt của thanh nhiên liệu hạt nhân trong điều kiện vận hành khi có sự cố LOCA, đặc biệt là thanh nhiên liệu TVS-2006 của công nghệ lò phản ứng AES-2006. Do đó, việc nghiên cứu, tính toán và phân tích an toàn thanh nhiên liệu hạt nhân trong điều kiện vận hành khi có sự cố là cần thiết, đóng góp vào cơ sở dữ liệu đối với việc nghiên cứu về nhiên liệu hạt nhân nói chung của Việt Nam. Tổng quan sự cố LOCA 1.
Giới thiệu về sự cố LOCA Sự cố mất nước tải nhiệt (LOCA) là sự cố rất được quan tâm trong lĩnh vực an toàn lò phản ứng trong nhiều năm qua. Sự cố LOCA thường được khởi phát bởi sự kiện vỡ ống nước tải nhiệt của vòng sơ cấp. Trong hầu hết các báo cáo phân tích an toàn, các sự cố LOCA được xếp vào loại các tai nạn giả định, có nghĩa là chúng được xem như không xảy ra trong suốt quá trình hoạt động của nhà máy. Sự cố này nằm trong cơ sở thiết kế bảo thủ nhằm đảm bảo rằng thiết kế đưa ra là hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu an toàn.
Các hiện tượng vật lý trong sự cố LOCA Các nghiên cứu về sự cố LOCA đã đưa ra một số hiện tượng vật lý có thể làm ảnh hưởng đến khả năng tải nhiệt của các hệ thống làm mát trong LPUHN: 11 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Đỗ Ngọc Điệp - Thứ nhất, hiện tượng đi tắt của dòng nước cấp cứu: Hiện tượng xảy ra khi nước làm mát được bơm khẩn cấp vào kênh lạnh của một trong các nhánh làm mát vòng sơ cấp (Hình 1. Thông thường nước làm mát chảy vào trong khoang lưu hồi và lấp đầy thùng lò. Tuy nhiên, một số thực nghiệm tiến hành tại phòng thí nghiệm quốc gia của Mỹ chỉ ra rằng, thay vì chảy xuống và lấp đầy khoang lưu hồi, nước lại chảy vòng quanh vách ngăn vùng hoạt và đi thẳng ra ngoài vết vỡ. Hơi nước sinh ra trong thùng lò tràn vào bên trong khoang lưu hồi và thoát ra ngoài qua vết vỡ.
Như mô tả của các đường mũi tên trong Hình 1.1, hơi nước bốc lên trong khoang lưu hồi ngăn cản dòng nước đi xuống. Việc tính toán chính xác các điều kiện giới hạn đối với dòng thuận nghịch (CCFL - Countercurrent flow limitation) trong khoang lưu hồi là bài toán cơ học chất lỏng liên quan đến sự chuyển pha khi hơi nước nóng tiếp xúc với dòng nước lạnh. Hiện tượng CCFL là hiện tượng dòng nước chảy xuống dưới tác dụng của trọng lực trong một đường ống hoặc khoang dẫn thẳng đứng bị cản trở bởi dòng hơi nước phía bên dưới đi lên [15]. Hiện tượng đi tắt của dòng nước làm mát vùng hoạt khẩn cấp [15] - Thứ hai, hiện tượng sôi của dòng nước cấp cứu khi tiếp xúc với vách ngoài của khoang lưu hồi (vỏ thùng lò) và vách trong của khoang lưu hồi (vách 12 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Đỗ Ngọc Điệp ngăn vùng hoạt), tạo ra hơi nước bổ sung làm cản trở nước cấp đi vào khoang dưới vùng hoạt.
Hiện tượng này gọi là hiệu ứng vách nóng. - Thứ ba, sự ngưng tụ do tiếp xúc trực tiếp của hơi nước trong kênh lạnh ở gần điểm bơm và trong khoang lưu hồi với nước cấp lạnh hơn. Sự ngưng tụ của hơi nước trong khoang lưu hồi làm giảm lượng hơi nước, dẫn đến làm giảm dòng ECCS đi tắt ra ngoài vết vỡ. Sự cố LOCA được phân loại theo kích thước vết vỡ, như sau: - LOCA vỡ nhỏ có diện tích vết vỡ nhỏ hơn hoặc bằng 465 cm2 (0,5 ft 2) ; - LOCA vỡ lớn có kích thước từ 465 cm2 đến hai lần tiết diện ngang ống lớn nhất của hệ thống nước tải nhiệt.
Mô tả diễn biến của sự cố LOCA a) Sự cố LOCA vỡ lớn [14] Trong tiêu chuẩn về thiết kế hệ thống cấp hơi nước hạt nhân NSSS, sự cố LB- LOCA đứng thứ 4 với hậu quả nghiêm trọng và tần suất xuất hiện 10-4 - 10-6/lò phản ứng/năm. Vết vỡ trong sự cố LB-LOCA có 2 loại: - Vỡ đôi ống: có diện tích bằng một đến hai l ần tiết diện của đường ống lớn nhất c ủa hệ thống t ải nhiệt; - Vỡ gập 2 đầu ống: có kích thước từ kích thước vỡ l ớn nhất đối với sự cố SB-LOCA đến toàn b ộ tiết diện của ống l ớn nhấ t củ a hệ thống nước tả i nhiệt lò phản ứng. Sự cố LB-LOCA gồm 3 giai đoạn (Hình 1.2): 13 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Đỗ Ngọc Điệp Hình 1. Các giai đoạn trong sự cố LB-LOCA - Giai đoạn giảm mực nước: Hình 1.
Xu hướng thay đổi nhiệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu tính được trong sự cố LB-LOCA ở lò phản ứng PWR 14 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Đỗ Ngọc Điệp Trong khoảng thời gian mili giây sau khi vỡ ống, áp suất của vòng sơ cấp bắt đầu giảm và mực nước trong vòng sơ cấp cũng bị giảm xuống do nước tải nhiệt bị thất thoát ra khỏi vòng sơ cấp. Ban đầu dòng nước tải nhiệt chảy ra ngoài vết vỡ với tốc độ cao. Lượng nước chảy ra ngoài vết vỡ từ phía lò lớn hơn so với từ phía bơm do sự cản trở về mặt thu học của bơm và các ống của bình sinh hơi. Trong khoảng chừng một giây, dòng trở nên bị ứ đọng, sự truyền nhiệt từ các thanh nhiên li ệu bị giảm xuống và sự hóa hơi bắt đầu xuất hiện trên bề mặt lớp vỏ thanh nhiên liệu.
Do sự phân bố lại nhiệt được tích trữ trong các viên nhiên liệu làm cho nhi ệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu tăng nhanh. Trong khi đó, phản ứng dây chuyền về cơ bản đã dừng lại do nước trong vùng hoạt được thay thế bằng hơi nước đã làm cho lò phản ứng xuống dưới tới hạn.3 chỉ ra xu hướng thay đổi nhiệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu tính toán được. Ở cuối giai đoạn giảm mực nước, vùng hoạt và một phần của khoang dưới vùng hoạt trở nên trống rỗng. Thanh nhiên liệu đã quá nóng và chỉ được bao quanh bởi hơi nước.
Ở thời điểm này, các hệ thống cấp nước tải nhiệt vùng hoạt khẩn cấp phải được phát động để lấp đầy và làm ngập vùng hoạt trở lại. Trên thực tế, sự bơm nước từ hệ thống ECCS đã được phát động ngay sau khi áp suất ở các điểm bơm giảm xuống dưới mức áp suất được thiết lập trước của chúng. - Giai đoạn lấp đầy trở lại: Ban đầu hơi nước và nước từ khoang dưới vùng hoạt và khoang lưu hồi bị thoát ra ngoài qua vết vỡ. Nước lạnh hơn từ hệ thống ECCS trộn với hơi nước trong kênh lạnh tạo ra các dao động do hiện tượng ngưng tụ do sự tiếp xúc trực tiếp của hơi nước với dòng nước lạnh hơn này.
Khi ở trong khoang lưu hồi, nước được bơm từ hệ thống ECCS có thể chảy xuống do trọng lực hoặc bị thổi ra ngoài qua vết vỡ theo hướng của dòng hơi nước do hiện tượng giới hạn dòng thuận nghịch (Hình 1. 15 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Đỗ Ngọc Điệp Hình 1. Sự đi tắt của nước được bơm từ hệ thống ECCS Vùng hoạt bắt đầu nóng lên chậm do dòng hơi nước chảy qua vùng hoạt giảm theo sự giảm áp suất và nước trong phần phía trên của khoang trên vùng hoạt và/hoặc bình điều áp bị rút hết. Với sự suy giảm tốc độ dòng hơi nước, rất ít nước được bơm từ hệ thống ECCS bị thổi tắt ra ngoài vết vỡ.