Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ vật lý của nghiên cứu sinh Hoàng Thanh Phi Hùng có tiêu đề: "Nghiên cứu mô phỏng và cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 sử dụng vi hạt Gd₂O₃ bằng chương trình MVP". Công trình được thực hiện tại Trung tâm Đào tạo hạt nhân thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam (Bộ Giáo dục và Đào tạo, Bộ Khoa học và Công nghệ) dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Hoài Nam và TS. Hồ Mạnh Dũng, bảo vệ năm 2021 thuộc chuyên ngành Vật lý nguyên tử và hạt nhân (mã số: 9 44 01 06). Đề tài là một nội dung nghiên cứu thành phần thuộc nhiệm vụ khoa học do Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tài trợ thông qua đề tài mã số 103.20: "Nghiên cứu thiết kế nhiên liệu mới và phân tích nhiễu nơtron trong chuẩn đoán an toàn lò phản ứng hạt nhân".

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Vùng hoạt lò phản ứng nước nhẹ áp lực VVER-1000 gồm 163 bó nhiên liệu uranium dioxide ($\text{UO}_2$) với các mức độ giàu phân rã khác nhau ($1{,}6,\text{wt}%$, $2{,}4,\text{wt}%$, $3{,}7,\text{wt}%$, $4{,}4,\text{wt}%$). Nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế và kéo dài chu trình nhiên liệu, các thiết kế nhiên liệu hiện đại hướng tới độ sâu cháy cao ($45 - 50,\text{GWd/t}$) kết hợp với tăng độ giàu ban đầu. Tuy nhiên, việc tăng độ giàu làm gia tăng độ phản ứng dự trữ ở giai đoạn đầu chu trình ($0 - 10,\text{GWd/t}$). Việc chỉ dựa vào các thanh điều khiển cơ học và điều khiển hóa học bằng acid boric hòa tan trong nước tải nhiệt không thể đáp ứng đầy đủ yêu cầu kiểm soát độ phản ứng dư thừa; mặt khác, nồng độ Boron hòa tan bị khống chế nghiêm ngặt dưới ngưỡng $1500,\text{ppm}$ để tránh làm hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm ($\text{MTC}$) chuyển sang giá trị dương, vi phạm tiêu chuẩn an toàn vùng hoạt. Do đó, việc tích hợp chất hấp thụ nơtrôn cháy được ($\text{Burnable Absorber - BA}$) trực tiếp vào thanh nhiên liệu là giải pháp kỹ thuật bắt buộc.

$\text{Gd}_2\text{O}_3$ là chất hấp thụ cháy được sử dụng phổ biến nhất nhờ tiết diện bắt nơtrôn nhiệt lớn của hai đồng vị $^{155}\text{Gd}$ ($60.737,\text{b}$) và $^{157}\text{Gd}$ ($252.912,\text{b}$). Tuy nhiên, thiết kế truyền thống trộn đều bột $\text{Gd}_2\text{O}_3$ vào $\text{UO}_2$ gặp phải nhược điểm cố hữu: độ dẫn nhiệt của $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trong dải nhiệt độ vận hành ($300 - 1000,\text{K}$) kém hơn $\text{UO}_2$, khiến độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu trộn đều sụt giảm xuống còn $3{,}8 - 2{,}6,\text{W/mK}$ trong dải $300 - 1273,\text{K}$ (so với $\text{UO}_2$ tinh khiết). Các nghiên cứu thực nghiệm vật liệu chỉ ra rằng việc đưa $\text{Gd}_2\text{O}_3$ vào ma trận $\text{UO}_2$ dưới dạng các vi hạt phân tán (đường kính $25 - 53,\mu\text{m}$, tỷ lệ $10,\text{wt}%$) giúp khôi phục độ dẫn nhiệt lên mức $5{,}8 - 2{,}7,\text{W/mK}$. Dù vậy, khi phân bố dưới dạng vi hạt, hiệu ứng tự che chắn không gian ($\text{spatial self-shielding}$) làm thay đổi đáng kể tốc độ cháy của các đồng vị hấp thụ so với dạng phân bố đồng nhất. Khoảng trống nghiên cứu then chốt mà luận án giải quyết là đánh giá định lượng tác động vật lý nơtrôn của mô hình vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$, từ đó thiết lập cấu hình thiết kế tối ưu cho bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 nhằm bảo đảm các đặc trưng hạt nhân, hạ thấp hệ số đỉnh công suất và mở rộng khả năng vận hành ở nồng độ Boron thấp.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu

Luận án xác định ba mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Nghiên cứu đánh giá tính khả thi khi sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt trong thiết kế bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 nhằm đạt được các đặc trưng hạt nhân xấp xỉ với bó nhiên liệu truyền thống khi $\text{Gd}_2\text{O}_3$ được trộn đều vào nhiên liệu $\text{UO}_2$, khai thác đặc tính tăng độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu.
  2. Thiết kế bó nhiên liệu mới sử dụng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dạng vi hạt nhằm đồng thời đạt được hệ số nhân vô hạn xấp xỉ với thiết kế truyền thống, giảm hệ số đỉnh công suất ($\text{PPF}$) tại thanh nhiên liệu nóng nhất và khai thác đặc điểm tăng hệ số truyền nhiệt của thanh nhiên liệu chứa $\text{Gd}_2\text{O}_3$.
  3. Nghiên cứu khả năng sử dụng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dạng vi hạt trong thiết kế cải tiến bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 với hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp, khảo sát và so sánh các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu mới với bó tham chiếu, hướng tới làm cho hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm ($\text{MTC}$) âm hơn.

Để đạt được các mục tiêu trên, tác giả thực hiện ba nhiệm vụ nghiên cứu được đánh số trong văn bản:

  1. Nghiên cứu tính khả thi trong việc ứng dụng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dạng vi hạt trong nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 nhằm điều khiển độ phản ứng dự trữ và tăng hệ số truyền nhiệt của thanh nhiên liệu $\text{UO}_2-\text{Gd}_2\text{O}_3$.
  2. Nghiên cứu thiết kế cải tiến bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 có sử dụng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dạng hạt nhằm đồng thời điều khiển độ phản ứng dự trữ cao giống như thiết kế truyền thống, giảm hệ số công suất cực đại theo vị trí thanh nhiên liệu, và cải thiện hệ số truyền nhiệt của thanh nhiên liệu $\text{UO}_2-\text{Gd}_2\text{O}_3$. Tối ưu hóa các thông số vi hạt để thu được đường cong biểu diễn độ phản ứng theo độ cháy có hệ số đỉnh công suất $\text{PPF}$ nhỏ hơn giá trị tham chiếu.
  3. Nghiên cứu sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt để thiết kế bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 có hàm lượng Boron thấp hòa tan trong nước tải nhiệt, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các thiết kế mới lên hệ số phản hồi nhiệt độ của chất làm chậm.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Bó nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân nước nhẹ VVER-1000 phiên bản chuẩn V-320 (cấu trúc hình học lục giác gồm 331 vị trí mạng tam giác: 312 thanh nhiên liệu, 18 ống dẫn thanh điều khiển thuộc hệ thống bảo vệ và điều khiển $\text{CPSAR}$ và 1 ống đo trung tâm), thanh nhiên liệu tích hợp vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ phân bố ngẫu nhiên trong ma trận $\text{UO}_2$.
  • Phạm vi không gian: Cấp độ bó nhiên liệu đơn lẻ hai chiều và ba chiều với điều kiện biên phản xạ gương tuyệt đối mô phỏng môi trường mạng lưới vô hạn.
  • Phạm vi thông số và độ cháy: Quá trình cháy nhiên liệu từ $0$ đến $40,\text{GWd/t}$, tập trung phân tích sâu giai đoạn đầu chu trình từ $0$ đến $10,\text{GWd/t}$ là khoảng thời gian các đồng vị hấp thụ $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$ tham gia kiểm soát độ phản ứng dự trữ.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được điểm lại

Trong chương tổng quan, tác giả hệ thống hóa các nhánh nghiên cứu quốc tế liên quan đến thiết kế chất hấp thụ cháy được và cải tiến nhiên liệu:

  • Tối ưu hóa phân bố độ giàu và cấu hình thanh chất hấp thụ:
    • Hirano và cộng sự sử dụng thuật toán liệt kê đầy đủ ($\text{Exhaustive Enumeration}$) kết hợp các phương pháp xấp xỉ để tối ưu hóa phân bố độ giàu thanh nhiên liệu trong lò $\text{BWR}$, hướng tới giảm hệ số đỉnh công suất bó nhiên liệu.
    • Lim và cộng sự áp dụng phương pháp ma trận với kỹ thuật phi tuyến nhằm tìm kiếm phân bố tối ưu của độ giàu nhiên liệu để san phẳng trường công suất.
    • Francois và cộng sự triển khai thuật toán tìm kiếm Tabu ($\text{tabu search}$) để thiết kế độ giàu trung bình nhỏ nhất và tối ưu hóa phân bố Gadolinium trong lò $\text{BWR}$ với ràng buộc $\text{PPF}$ nằm dưới ngưỡng an toàn.
    • Haibach và cộng sự cùng Yilmaz và cộng sự phát triển thuật toán di truyền ($\text{Genetic Algorithm}$) để tối ưu hóa hàm lượng Gadolinium tích hợp trong bó nhiên liệu lò $\text{PWR}$.
    • Rogers và cộng sự nghiên cứu tối ưu hóa đồng thời độ giàu và vị trí các thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ trong vùng hoạt lò $\text{PWR}$.
    • Reda và cộng sự khảo sát tác động của việc tăng số lượng thanh chứa chất hấp thụ từ 12 lên 24 thanh trong bó nhiên liệu lò $\text{PWR}$ nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển hệ số nhân hiệu dụng tại các bước cháy đầu.
    • Galahom khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của các loại chất hấp thụ nơtrôn khác nhau lên hệ số nhân hiệu dụng $k_{\text{eff}}$.
  • Nghiên cứu cấu hình kết hợp đa chất hấp thụ ($\text{hybrid BA}$):
    • Dandi và cộng sự khảo sát cấu hình kết hợp hai chất hấp thụ khác nhau thay vì đơn lẻ; kết quả chỉ ra rằng cấu hình 20 thanh $\text{WABA}$ kết hợp 16 thanh chứa $\text{Er}$, hoặc 20 thanh chứa $\text{Gd}$ kết hợp 20 thanh chứa $\text{Er}$ giúp cải thiện khả năng kiểm soát độ phản ứng dư lần lượt là $11%$ và $20%$ so với việc chỉ sử dụng Erbium.
    • Choe và cộng sự đề xuất thiết kế thanh nhiên liệu lai $\text{UO}_2-^{157}\text{Gd}_2\text{O}_3$ phủ lớp bề mặt $\text{ZrEr}_2$ ($^{167}\text{Er}$) cho lò nước nhẹ, cho phép giảm nồng độ chất hấp thụ tồn dư tại thời điểm cuối chu trình ($\text{EOC}$) khi lò vận hành ở công suất cao.
  • Nghiên cứu thực nghiệm cải thiện độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu:
    • Các công trình thực nghiệm vật liệu được trích dẫn chứng minh viên nhiên liệu $\text{UO}_2$ chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ kích thước micro phân tán ngẫu nhiên đạt độ dẫn nhiệt $5{,}8 - 2{,}7,\text{W/mK}$ trong dải nhiệt độ $300 - 1273,\text{K}$, cao hơn rõ rệt so với mức $3{,}8 - 2{,}6,\text{W/mK}$ của viên nhiên liệu trộn đều dạng bột.
  • Phương pháp mô hình hóa vi hạt ngẫu nhiên:
    • Murata và cộng sự là nhóm tác giả đầu tiên đưa mô hình hình học thống kê ($\text{Statistical Geometry Model - STGM}$) vào các chương trình Monte Carlo thông qua các mã $\text{MCNP-CFP}$ và $\text{MCNP-BALL}$ để mô phỏng hạt nhiên liệu phủ $\text{CFP}$ trong lò phản ứng nhiệt độ cao ($\text{HTR}$) và lò phản ứng đá cuội ($\text{PBR}$).

Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết

Mặc dù tính chất nhiệt của viên nhiên liệu chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ đã được khẳng định bằng thực nghiệm, ảnh hưởng của cấu trúc vi hạt lên các đặc trưng vật lý nơtrôn và động học cháy của bó nhiên liệu hình học lục giác VVER-1000 chưa được nghiên cứu đầy đủ bằng mô phỏng Monte Carlo liên tục. Sự hiện diện của các vi hạt làm xuất hiện hiệu ứng tự che chắn nơtrôn mạnh, làm biến đổi tiết diện hấp thụ hiệu dụng theo thời gian cháy. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống này bằng cách: xác định chính xác kích thước vi hạt tối ưu; thiết kế lại phân bố thanh nhiên liệu trong bó VVER-1000/V-320 từ 12 thanh lên 18 thanh để giảm tải công suất riêng; và kết hợp cấu hình mới với việc cắt giảm nồng độ Boron hòa tan nhằm tối ưu hóa hệ số phản hồi an toàn $\text{MTC}$.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

Luận án xây dựng trên nền tảng lý thuyết vận chuyển nơtrôn và lý thuyết vật lý lò phản ứng hạt nhân:

  • Phương trình vận chuyển nơtrôn Boltzmann tuyến tính: Mô tả sự biến thiên của mật độ góc nơtrôn $n(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t)$ và thông lượng góc $\Phi(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t) = v \cdot n(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t)$: $$\frac{1}{v}\frac{\partial \Phi}{\partial t} + \mathbf{\Omega}\cdot\nabla\Phi + \Sigma_t(\mathbf{r}, E)\Phi = \int dE' \int d\mathbf{\Omega}' \Sigma_t(\mathbf{r}, E') f(\mathbf{r}, E' \to E, \mathbf{\Omega}' \to \mathbf{\Omega})\Phi + S(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t)$$ Phương trình được chuyển đổi sang dạng tích phân mật độ va chạm $\Psi(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t)$ thông qua toán tử nhân dịch chuyển $T$ và nhân va chạm $C$, giải bằng chuỗi Neumann trong không gian pha ba chiều.
  • Lý thuyết vật hấp thụ đen cho vi hạt: Khi hạt hấp thụ có bán kính $R$ lớn hơn quãng đường tự do trung bình của nơtrôn bên trong hạt nhưng nhỏ hơn quãng đường tự do bên ngoài, hạt được xem là vật hấp thụ đen. Tiết diện hấp thụ hiệu dụng phụ thuộc hình học được biểu diễn: $$\Sigma_a(t) = n_P \cdot \pi R^2(t)$$ Sự suy giảm kích thước hạt theo thời gian được mô tả qua phương trình vi phân cân bằng: $$\frac{\partial}{\partial t}\left(N \cdot \frac{4}{3}\pi R^3\right) = -\pi R^2 \Phi$$ Dẫn tới biểu thức giải tích của tiết diện hấp thụ hiệu dụng cho hạt đen: $$\Sigma_a(t) = n_P \cdot \pi R_0^2 \left(1 - \frac{\int_0^t \Phi(t)dt}{4 N R_0}\right)^2$$ Khi quá trình cháy diễn ra, hạt nhỏ dần và không còn là vật hấp thụ đen tuyệt đối, việc xác định tiết diện hiệu dụng đòi hỏi mô phỏng Monte Carlo năng lượng liên tục.
  • Độ phản ứng và các hệ số đặc trưng:
    • Hệ số nhân vô hạn biểu diễn qua công thức bốn hệ số: $k_{\infty} = \varepsilon \cdot p_r \cdot \eta \cdot f$.
    • Mối liên hệ với hệ số nhân hiệu dụng: $k_{\text{eff}} = k_{\infty} L_f L_t$ (với $L_f, L_t$ lần lượt là xác suất không rò nơtrôn nhanh và nơtrôn nhiệt).
    • Độ phản ứng: $\rho = \frac{k_{\text{eff}} - 1}{k_{\text{eff}}}$ (hoặc $\rho = \frac{k_{\infty} - 1}{k_{\infty}}$ với môi trường vô hạn).
    • Hệ số đỉnh công suất: $\text{PPF} = \frac{P_{\max}}{P_{\text{tb}}}$ (tỷ số giữa công suất thanh nóng nhất và công suất trung bình các thanh trong bó).
    • Hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm: $\text{MTC} = \frac{\partial \rho}{\partial T_{\text{mod}}}$.

Phương pháp mô phỏng thực tế và công cụ tính toán

  • Chương trình Monte Carlo MVP/GMVP II: Được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Năng lượng nguyên tử Nhật Bản ($\text{JAEA}$), sử dụng mô hình năng lượng liên tục để giải bài toán trị riêng ($k$-eigenvalue). Chương trình áp dụng mô hình khí tự do và mô hình tán xạ nhiệt liên kết $S(\alpha, \beta)$ cho chất làm chậm, phương pháp bảng xác suất ($\text{probability table method}$) cho vùng cộng hưởng chưa giải rõ.
  • Mô hình hình học thống kê ($\text{STGM}$): Tích hợp trong MVP nhằm mô phỏng phân bố không gian ngẫu nhiên của các vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trong viên nhiên liệu mà không cần tạo lưới hình học cố định cho từng hạt. Phân bố vị trí hạt dựa trên hàm phân bố lân cận gần nhất ($\text{Nearest Neighbor Distribution - NND}$) được tính toán từ chương trình mô phỏng nén quả cầu đặc ngẫu nhiên $\text{MCRDF}$: $$\frac{d(\text{NND}(r))}{dr} = \frac{3 f_p}{2(1 - f_p)} \exp\left(-\frac{3 f_p}{2(1 - f_p)} r\right)$$ với $f_p$ là tỷ lệ thể tích hạt, $r$ là khoảng cách chuẩn hóa theo đường kính hạt.
  • Mô đun tính toán cháy MVP_BURN: Kết hợp MVP với mô đun giải hệ phương trình biến đổi đồng vị Bateman cải tiến bằng thuật toán ma trận số mũ, áp dụng phương pháp hiệu chỉnh dự đoán ($\text{predictor-corrector}$). Chuỗi cháy tiêu chuẩn được áp dụng là u4cm6fp50bp16T (gồm các chuỗi actinides u4cm6, 50 sản phẩm phân hạch chính và 16 hạt nhân hấp thụ nơtrôn fp50bp16).
  • Môi trường tính toán: Chạy song song trên cụm máy tính thông qua chuẩn giao tiếp $\text{MPI}$ và $\text{PVM}$. Kiểm tra tính đúng đắn của mô hình hình học bó lục giác bằng công cụ $\text{CGVIEW}$. Điều kiện biên phản xạ gương tuyệt đối được áp dụng tại các bề mặt bao quanh bó nhiên liệu.

Nguồn tư liệu và dữ liệu

  • Thư viện dữ liệu hạt nhân đánh giá của Nhật Bản $\text{JENDL-3.3}$ (phiên bản cập nhật xử lý qua hệ mã $\text{LICEM}$).
  • Số liệu thiết kế chuẩn vùng hoạt và bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 từ Viện thiết kế OKB Gidropress và các báo cáo bài toán chuẩn ($\text{benchmark}$) của Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế ($\text{IAEA}$)/Cơ quan Năng lượng Hạt nhân ($\text{OECD/NEA}$).
  • Dữ liệu đối chiếu chéo ($\text{code-to-code benchmark}$) với chương trình tính toán tất định $\text{SRAC}$ của Nhật Bản.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về lò phản ứng VVER

Chương này tổng kết lịch sử phát triển của công nghệ lò phản ứng nước-nước năng lượng ($\text{VVER}$) do Liên Xô (cũ) và Liên bang Nga phát triển, trải dài qua bốn thế hệ công nghệ:

  • Thế hệ I: VVER-210 (1964), VVER-365 (1969) tại nhà máy điện hạt nhân Novovoronezh.
  • Thế hệ II: VVER-440 (các phiên bản V-179, V-230, V-213), VVER-1000 (các phiên bản V-187, V-302, V-338, V-320).
  • Thế hệ III: VVER-1000 (các phiên bản cải tiến V-392, V-428, V-412, V-446), VVER-640 (V-407).
  • Thế hệ III+: VVER-1200 (các thiết kế V-392M, V-491) và VVER-1500 (V-448).

Tác giả nêu bật các nét đặc trưng của công nghệ VVER so với công nghệ $\text{PWR}$ phương Tây: bó nhiên liệu tiết diện lục giác với thanh nhiên liệu bố trí theo ô mạng tam giác; vỏ bọc thanh nhiên liệu bằng hợp kim $\text{Zr-Nb}$; thiết kế bình sinh hơi nằm ngang nhằm hạn chế ăn mòn ứng suất ($\text{SCC}$) và nguy cơ sự cố mất chất tải nhiệt ($\text{LOCA}$); đáy thùng lò không có các ống đâm xuyên; và bình điều áp dung tích lớn chứa lượng nước làm mát dự trữ cao.

Bảng dưới đây tổng hợp các thông số thiết kế cơ bản của hai phiên bản tiêu chuẩn VVER-1000 (V-320 và V-428):

Thông số thiết kế Kiểu lò VVER-1000/V-320 Kiểu lò VVER-1000/V-428
Công suất nhiệt của lò $3000,\text{MWt}$ $3000,\text{MWt}$
Áp suất vòng sơ cấp (Vòng 1) $15{,}7,\text{MPa}$ $15{,}7,\text{MPa}$
Áp suất vòng thứ cấp (Vòng 2) $6{,}27,\text{MPa}$ $6{,}27,\text{MPa}$
Lưu lượng nước tải nhiệt $84.800,\text{m}^3/\text{h}$ $86.000,\text{m}^3/\text{h}$
Nhiệt độ nước tải nhiệt lối ra $320,^\circ\text{C}$ $321,^\circ\text{C}$
Tổng số bó nhiên liệu trong vùng hoạt $163,\text{bó}$ $163,\text{bó}$
Tổng số thanh hấp thụ trong cụm CPSAR $61,\text{thanh}$ $121,\text{thanh}$
Tổng khối lượng Uranium $80,\text{tấn}$ $80,\text{tấn}$
Độ giàu đồng vị $^{235}\text{U}$ $4{,}4,\text{wt}%$ $4{,}4,\text{wt}%$
Thời gian vận hành thiết kế $30,\text{năm}$ $40,\text{năm}$

Chương 1 cũng phân tích sâu các vật liệu hấp thụ nơtrôn phổ biến thông qua các đặc tính vật lý:

Chất hấp thụ Đồng vị hấp thụ chính Thành phần đồng vị (wt%) Khối lượng riêng ($\text{g/cm}^3$) Quãng đường tự do trung bình ($\mu\text{m}$) Nhiệt độ nóng chảy ($^\circ\text{C}$)
$\text{B}_4\text{C}$ $^{10}\text{B}$ $90$ $2{,}52$ $25$ $2350$
$\text{CdO}$ $^{113}\text{Cd}$ $1{,}22$ $8{,}15$ $101{,}6$ $1427$
$\text{Sm}_2\text{O}_3$ $^{149}\text{Sm}$ $13{,}82$ $8{,}35$ $61{,}7$ $2325$
$\text{Eu}_2\text{O}_3$ $^{151}\text{Eu}$ $47{,}8$ $7{,}3$ $87{,}8$ $2050$
$\text{Gd}_2\text{O}_3$ $^{155}\text{Gd}, ^{157}\text{Gd}$ $14{,}8;\ 15{,}65$ $7{,}4$ $8{,}3$ $2350$
$\text{Dy}_2\text{O}_3$ $^{161}\text{Dy}, ^{164}\text{Dy}$ $18{,}91;\ 28{,}18$ $7{,}81$ $418{,}6$ $2340$
$\text{Er}_2\text{O}_3$ $^{167}\text{Er}$ $22{,}95$ $8{,}64$ $2373{,}6$ $2355$
$\text{HfO}_2$ $^{177}\text{Hf}$ $18{,}6$ $9{,}68$ $4164{,}6$ $2758$

Thành phần đồng vị Gadolinium tự nhiên và tiết diện hấp thụ tại năng lượng $0{,}0253,\text{eV}$ ($20,^\circ\text{C}$) được xác định như sau: $^{154}\text{Gd}$ ($2{,}18,\text{at}%$, $85,\text{b}$); $^{155}\text{Gd}$ ($14{,}8,\text{at}%$, $60.737,\text{b}$); $^{156}\text{Gd}$ ($20{,}47,\text{at}%$, $1{,}8,\text{b}$); $^{157}\text{Gd}$ ($15{,}65,\text{at}%$, $252.912,\text{b}$); $^{158}\text{Gd}$ ($24{,}84,\text{at}%$, $2{,}2,\text{b}$); $^{160}\text{Gd}$ ($21{,}86,\text{at}%$, $1{,}4,\text{b}$). Tác giả chứng minh rằng do $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$ chiếm tổng cộng hơn $30%$ trong tự nhiên và có tiết diện bắt nơtrôn cực lớn nên $\text{Gd}_2\text{O}_3$ thích hợp nhất để triệt tiêu độ phản ứng dư trong dải $0 - 10,\text{GWd/t}$, sau đó sẽ cháy kiệt để không để lại độ phản ứng phạt ở cuối chu trình.

Chương 2. Phương pháp nghiên cứu

Nội dung chương 2 tập trung trình bày chi tiết thuật toán và quy trình mô phỏng:

  • Nguyên lý mã MVP/GMVP II: Sử dụng phương pháp Monte Carlo năng lượng liên tục theo dõi lịch sử va chạm ngẫu nhiên của nơtrôn trong không gian ba chiều. Xử lý các hiện tượng chuyển động nhiệt qua mô hình khí tự do, tán xạ kết hợp $S(\alpha, \beta)$ và bảng xác suất cho vùng cộng hưởng tiết diện.
  • Triển khai mô hình hình học thống kê STGM: Áp dụng hàm phân bố khoảng cách lân cận gần nhất $\text{NND}$ để phân bố ngẫu nhiên các vi hạt hình cầu $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trong chất nền $\text{UO}_2$ với tỷ lệ thể tích $f_p$ xác định, loại bỏ sự phụ thuộc vào lưới hình học cố định.
  • Tính toán cháy bằng MVP_BURN: Sử dụng chuỗi phân rã và biến đổi hạt nhân u4cm6fp50bp16T kết hợp phương pháp giải tích Bateman cải tiến. Quá trình tính toán lặp qua từng bước độ cháy danh định từ $0$ đến $40,\text{GWd/t}$.
  • Xây dựng mô hình bó nhiên liệu VVER-1000/V-320: Mô hình hóa bó nhiên liệu lục giác có khoảng cách tâm hai bó kề nhau là $23{,}6,\text{cm}$. Bó chứa 331 vị trí gồm 312 thanh nhiên liệu (trong đó thiết kế chuẩn chứa 12 thanh tích hợp $\text{UO}_2-\text{Gd}_2\text{O}_3$ với $5,\text{wt}%\ \text{Gd}_2\text{O}_3$ trộn đều), 18 ống dẫn thanh điều khiển và 1 ống dẫn thiết bị đo trung tâm. Các thanh có bán kính viên nhiên liệu, khe hở khí heli và vỏ bọc hợp kim $\text{Zr}$ được khai báo chính xác về kích thước và thành phần nguyên tử.
  • Kiểm chứng mô hình tính toán: Tác giả tiến hành tính toán đối chiếu chéo mã ($\text{code-to-code}$) giữa chương trình MVP và chương trình tất định $\text{SRAC}$ cùng nghiệm chuẩn $\text{Benchmark (BM)}$ cho bó nhiên liệu chuẩn chứa 12 thanh $\text{Gd}_2\text{O}3$ trộn đều. Kết quả so sánh hệ số nhân vô hạn $k{\infty}$ trong dải cháy $0 - 40,\text{GWd/t}$ và phân bố công suất tương đối giữa các thanh nhiên liệu tại các bước cháy $0,\text{GWd/t}$ và $10,\text{GWd/t}$ cho thấy sự phù hợp chặt chẽ, khẳng định độ tin cậy của mô hình MVP trước khi áp dụng cho các cấu hình vi hạt mới.

Chương 3. Thiết kế bó nhiên liệu cải tiến sử dụng Gd₂O₃ dạng vi hạt

Chương 3 trình bày các kết quả tính toán mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế bó nhiên liệu VVER-1000:

  1. Khảo sát bó nhiên liệu 12 thanh chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$:
    • Giữ nguyên bố trí 12 thanh $\text{UO}_2-\text{Gd}_2\text{O}_3$ như thiết kế truyền thống, thay thế dạng bột trộn đều bằng các vi hạt phân bố ngẫu nhiên với tỷ lệ khối lượng $5{,}0,\text{wt}%$.
    • Khảo sát biến thiên đường kính vi hạt trong dải từ $40,\mu\text{m}$ đến $100,\mu\text{m}$ tại các bước cháy từ $0$ đến $10,\text{GWd/t}$.
    • Kết quả xác định đường kính vi hạt tối ưu là $60,\mu\text{m}$. Tại giá trị này, đường cong hệ số nhân vô hạn $k_{\infty}$ theo độ sâu cháy ($0 - 10,\text{GWd/t}$ và $0 - 40,\text{GWd/t}$) bám sát đường cong của bó tham chiếu trộn đều. Động học suy giảm mật độ số nguyên tử của hai đồng vị $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$ diễn ra với tốc độ tương đương mẫu chuẩn. Mặc dù cải thiện được độ dẫn nhiệt viên nhiên liệu, cấu hình này chưa cải thiện được hệ số đỉnh công suất $\text{PPF}$.
  2. Thiết kế bó nhiên liệu cải tiến với 18 thanh $\text{UO}_2-\text{Gd}_2\text{O}_3$ vi hạt:
    • Nhằm giải quyết sự tập trung công suất cao tại các thanh nhiên liệu lân cận thanh hấp thụ, tác giả tăng số lượng thanh chứa $\text{Gd}_2\text{O}_3$ từ 12 lên 18 thanh, đồng thời giảm hàm lượng thể tích $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trong mỗi thanh từ $5{,}0%$ xuống $3{,}33%$ để bảo toàn tổng lượng chất hấp thụ trong toàn bó.
    • Luận án thiết lập hai sơ đồ bố trí hình học vị trí thanh hấp thụ: Mô hình 1 và Mô hình 2.
    • Do tỷ lệ thể tích giảm từ $5{,}0%$ xuống $3{,}33%$, để bù trừ độ phản ứng dư tương đương bó chuẩn, kích thước vi hạt được khảo sát tối ưu và xác định đạt giá trị tốt nhất tại đường kính $300,\mu\text{m}$ cho cả hai mô hình.
    • So sánh đặc trưng vật lý cho thấy: đường cong $k_{\infty}$ của bó 18 thanh vi hạt ($300,\mu\text{m}$, $3{,}33%$) hoàn toàn tương đương với bó 12 thanh trộn đều chuẩn; đồng thời hệ số đỉnh công suất $\text{PPF}$ tại thanh nóng nhất giảm rõ rệt trong suốt giai đoạn đầu chu trình ($0 - 10,\text{GWd/t}$), phân bố công suất giữa các thanh nhiên liệu trở nên đồng đều hơn.
  3. Khảo sát bó nhiên liệu cải tiến trong điều kiện giảm nồng độ Boron:
    • Tính toán mô phỏng bó nhiên liệu 18 thanh vi hạt ($300,\mu\text{m}$) ở các mức nồng độ Boron hòa tan khác nhau: $100%$ danh định, $50%$ Boron và không chứa Boron ($0,\text{ppm}$).
    • Kết quả chỉ ra rằng cấu hình 18 thanh vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ vẫn kiểm soát tốt độ phản ứng dự trữ ban đầu và duy trì phân bố công suất ổn định ngay cả khi nồng độ Boron bị cắt giảm hoàn toàn.
  4. Đánh giá hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm ($\text{MTC}$):
    • Tính toán hệ số $\text{MTC}$ theo độ sâu cháy cho thấy khi nồng độ Boron hòa tan giảm xuống, giá trị $\text{MTC}$ trở nên âm hơn trong toàn bộ chu trình cháy. Việc sử dụng 18 thanh vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ bù trừ độ phản ứng thay cho Boron hòa tan loại bỏ nguy cơ xuất hiện hệ số $\text{MTC}$ dương ở đầu chu trình ($\text{BOC}$), nâng cao tính an toàn nội tại của lò phản ứng.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học và lý luận

  • Ứng dụng thành công mô hình hình học thống kê ($\text{STGM}$) trong chương trình Monte Carlo năng lượng liên tục MVP kết hợp thư viện số liệu $\text{JENDL-3.3}$ để mô phỏng chính xác tương tác nơtrôn và động học cháy của cấu trúc vi hạt ngẫu nhiên trong bó nhiên liệu lò phản ứng nước nhẹ hình học lục giác VVER-1000/V-320.
  • Xác lập quy luật ảnh hưởng của kích thước vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ đến hiệu ứng tự che chắn nơtrôn và tốc độ suy giảm của các đồng vị hấp thụ $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$. Kết quả chỉ ra rằng kích thước hạt là thông số điều khiển quyết định tốc độ cháy của chất hấp thụ đen, cho phép điều chỉnh đường cong độ phản ứng dự trữ theo yêu cầu thiết kế.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn và giải pháp kỹ thuật

  • Xác định bộ thông số thiết kế tối ưu cho bó nhiên liệu VVER-1000 chứa 12 thanh vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ với đường kính hạt $60,\mu\text{m}$ (hàm lượng $5{,}0,\text{wt}%$), đạt đặc tính vật lý nơtrôn tương đương bó chuẩn trộn đều nhưng khắc phục được sự suy giảm độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu.
  • Đề xuất thiết kế cải tiến bó nhiên liệu VVER-1000 mới gồm 18 thanh $\text{UO}_2-\text{Gd}_2\text{O}_3$ sử dụng vi hạt đường kính $300,\mu\text{m}$ với tỷ lệ thể tích $3{,}33%$. Thiết kế này đồng thời thỏa mãn ba mục tiêu kỹ thuật: kiểm soát độ phản ứng dự trữ tương đương thiết kế chuẩn, san phẳng phân bố công suất làm giảm hệ số đỉnh công suất $\text{PPF}$ tại thanh nóng nhất, và khai thác đặc tính tăng độ dẫn nhiệt của vi hạt.
  • Chứng minh tính khả thi của việc cắt giảm nồng độ Boron hòa tan trong chất tải nhiệt thông qua cấu hình 18 thanh vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$, giúp hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm $\text{MTC}$ luôn duy trì ở giá trị âm sâu hơn, gia tăng độ an toàn vận hành vùng hoạt.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Các mô phỏng tính toán vật lý nơtrôn và độ sâu cháy mới chỉ được thực hiện trên cấp độ một bó nhiên liệu đơn lẻ với điều kiện biên phản xạ gương tuyệt đối, chưa thực hiện mô phỏng đầy đủ ba chiều cho toàn bộ vùng hoạt gồm 163 bó nhiên liệu trong các chiến lược nạp đảo nhiên liệu đa chu trình thực tế.
  • Các tính toán chưa thực hiện ghép cặp đầy đủ giữa trường nơtrôn và nhiệt thủy lực động học ($\text{neutronic-thermal hydraulic coupling}$); phân bố nhiệt độ chất làm chậm và nhiên liệu được giả định theo các thông số vận hành tĩnh chuẩn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

Văn bản luận án đề xuất ba định hướng nghiên cứu tiếp theo:

  1. Mở rộng mô phỏng tính toán cháy trên toàn bộ vùng hoạt ba chiều của lò phản ứng VVER-1000/V-320 với các mô hình cấu hình nạp đảo nhiên liệu nhiều chu trình khác nhau.
  2. Phân tích động học lò phản ứng và tính toán mô phỏng các quá trình chuyển tiếp sự cố (chẳng hạn sự cố mất chất tải nhiệt $\text{LOCA}$, sự cố dừng bơm tải nhiệt hoặc nhảy thanh điều khiển) đối với vùng hoạt nạp các bó nhiên liệu cải tiến chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$.
  3. Triển khai các nghiên cứu ghép cặp giữa vật lý nơtrôn và nhiệt thủy lực nhằm đánh giá chi tiết phân bố nhiệt độ thực tế trong thanh nhiên liệu chứa vi hạt dưới điều kiện dòng chảy truyền nhiệt thực tế.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị chuyên môn cụ thể đối với:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và cán bộ nghiên cứu: Thuộc các chuyên ngành Vật lý hạt nhân, Kỹ thuật hạt nhân và Vật lý lò phản ứng; cung cấp tài liệu chi tiết về phương pháp sử dụng mã Monte Carlo MVP/GMVP II, module MVP_BURN và mô hình hình học thống kê $\text{STGM}$ để giải quyết bài toán hạt ngẫu nhiên.
  • Kỹ sư thiết kế nhiên liệu và chuyên viên an toàn hạt nhân: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể về kích thước hạt, tỷ lệ thể tích và cấu hình sắp xếp thanh hấp thụ nhằm tối ưu hóa phân bố công suất và kiểm soát hệ số nhiệt độ $\text{MTC}$ trong các lò phản ứng nước nhẹ, đặc biệt là công nghệ VVER-1000.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Quy trình giải tích thiết diện hiệu dụng hạt hấp thụ đen (Mục 1.3.2), phương pháp tích hợp mô hình $\text{STGM}$ với hàm $\text{NND}$ (Mục 2.2.3), cùng hệ thống số liệu so sánh đối chuẩn giữa MVP, $\text{SRAC}$ và $\text{Benchmark}$ (Mục 2.6 và Chương 3).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc đưa $\text{Gd}_2\text{O}_3$ vào thanh nhiên liệu dưới dạng vi hạt lại giải quyết được vấn đề truyền nhiệt so với việc trộn đều truyền thống?

Trong dải nhiệt độ vận hành của lò phản ứng ($300 - 1000,\text{K}$), $\text{Gd}_2\text{O}_3$ có độ dẫn nhiệt kém hơn $\text{UO}_2$. Khi trộn đều bột $\text{Gd}_2\text{O}_3$ vào $\text{UO}_2$, toàn bộ mạng tinh thể nền nhiên liệu bị suy giảm độ dẫn nhiệt xuống mức $3{,}8 - 2{,}6,\text{W/mK}$ trong dải $300 - 1273,\text{K}$. Khi chuyển sang dạng vi hạt phân tán ngẫu nhiên, ma trận $\text{UO}_2$ liên tục bao quanh các hạt vẫn giữ được độ dẫn nhiệt ban đầu, giúp độ dẫn nhiệt tổng thể của viên nhiên liệu tăng lên mức $5{,}8 - 2{,}7,\text{W/mK}$.

2. Kích thước vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ tối ưu được xác định trong luận án là bao nhiêu đối với từng cấu hình bó nhiên liệu?

Đối với cấu hình bó nhiên liệu giữ nguyên 12 thanh hấp thụ như thiết kế truyền thống ($5{,}0,\text{wt}%\ \text{Gd}_2\text{O}_3$), đường kính vi hạt tối ưu được xác định là $60,\mu\text{m}$. Đối với cấu hình thiết kế cải tiến gồm 18 thanh hấp thụ ($3{,}33%$ tỷ lệ thể tích $\text{Gd}_2\text{O}_3$), đường kính vi hạt tối ưu được lựa chọn là $300,\mu\text{m}$ cho cả hai mô hình bố trí.

3. Tại sao khi tăng số thanh hấp thụ lên 18 thanh thì đường kính hạt tối ưu lại tăng từ $60,\mu\text{m}$ lên $300,\mu\text{m}$?

Để giữ nguyên tổng khối lượng chất hấp thụ trong toàn bộ bó nhiên liệu khi tăng từ 12 lên 18 thanh, tỷ lệ thể tích $\text{Gd}_2\text{O}3$ trong mỗi thanh phải giảm từ $5{,}0%$ xuống $3{,}33%$. Do nồng độ thể tích giảm làm giảm xác suất tương tác tự nhiên, kích thước vi hạt phải tăng lên $300,\mu\text{m}$ nhằm gia tăng hiệu ứng tự che chắn không gian bên trong từng hạt, qua đó làm chậm tốc độ cháy của $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$, đảm bảo đường cong hệ số nhân vô hạn $k{\infty}$ bám sát đường cong của bó tham chiếu.

4. Việc giảm nồng độ Boron hòa tan trong chất tải nhiệt có tác động như thế nào đến độ an toàn của lò phản ứng VVER-1000?

Nồng độ Boron hòa tan trong nước làm mát cao có thể làm suy giảm độ âm của hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm ($\text{MTC}$) hoặc thậm chí dẫn đến hệ số $\text{MTC}$ dương ở đầu chu trình cháy, gây nguy cơ mất ổn định công suất khi nhiệt độ tăng. Khi sử dụng bó nhiên liệu cải tiến 18 thanh vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ để kiểm soát độ phản ứng dư thay cho Boron, nồng độ Boron trong nước làm mát có thể giảm xuống, làm cho hệ số $\text{MTC}$ luôn âm sâu trong suốt quá trình vận hành, nâng cao tính an toàn nội tại của vùng hoạt.

5. Mã máy tính nào được tác giả sử dụng làm công cụ mô phỏng chính và mô hình nào được dùng để xử lý phân bố vi hạt ngẫu nhiên?

Tác giả sử dụng chương trình Monte Carlo năng lượng liên tục MVP/GMVP II kết hợp mô đun tính toán cháy MVP_BURN của Viện Nghiên cứu Năng lượng nguyên tử Nhật Bản ($\text{JAEA}$), dựa trên thư viện dữ liệu hạt nhân $\text{JENDL-3.3}$. Phân bố ngẫu nhiên của các vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ được mô tả bằng Mô hình hình học thống kê ($\text{STGM}$) tích hợp thuật toán phân bố khoảng cách lân cận gần nhất ($\text{NND}$) từ mã $\text{MCRDF}$.

Kết luận

Luận án của Hoàng Thanh Phi Hùng đã hoàn thành nghiên cứu mô phỏng và cải tiến thiết kế bó nhiên liệu cho lò phản ứng VVER-1000/V-320 bằng chương trình Monte Carlo năng lượng liên tục MVP kết hợp mô hình hình học thống kê STGM. Nghiên cứu đã làm sáng tỏ ảnh hưởng của hiệu ứng tự che chắn nơtrôn trong vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ đến động học cháy của các đồng vị hấp thụ $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$, từ đó xác định kích thước hạt tối ưu $60,\mu\text{m}$ cho cấu hình 12 thanh và $300,\mu\text{m}$ cho cấu hình 18 thanh. Thiết kế cải tiến gồm 18 thanh $\text{UO}_2-\text{Gd}_2\text{O}_3$ vi hạt không những bảo đảm kiểm soát độ phản ứng dự trữ tương đương thiết kế chuẩn mà còn làm giảm hệ số đỉnh công suất $\text{PPF}$, cải thiện độ dẫn nhiệt viên nhiên liệu và cho phép vận hành an toàn ở nồng độ Boron hòa tan thấp.