Xây Dựng Mô Hình Tính Toán Kết Hợp Vật Lý – Thủy Nhiệt Cho Bó Nhiên Liệu Lò Phản Ứng VVER

• Tác giả: Tạ Duy Long
• Người hướng dẫn: TS. Trần Hoài Nam
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Hạt Nhân
• Đề tài: Mô Hình Tính Toán Kết Hợp Vật Lý – Thủy Nhiệt Cho Bó Nhiên Liệu Lò Phản Ứng VVER
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: LÝ DO LỰA CHỌN ĐỀ TÀI
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu. Nội dung nghiên cứu
• 1.2. Xây dựng mô hình tính toán kết hợp Vật lý – Thủy nhiệt
• 1.3. Mô tả các chương trình tính toán
• 1.3.1. Chương trình tính toán MCNP5
• 1.3.2. Chương trình tính toán COBRA-EN
• 1.4. Tổng quan về lò phản ứng VVER-1000
• 1.5. Tổng quan về các hiệu ứng phản hồi nhiệt độ
• 1.6. Ảnh hưởng của mật độ chất tải nhiệt lên tính toán vùng hoạt lò phản ứng
• 2. CHƯƠNG 2: CÁC KẾT QUẢ TÍNH TOÁN
• 2.1. Tính toán benchmark với chương trình MCNP5
• 2.2. Các kết quả tính toán kết hợp Vật lý – Thủy nhiệt
• 2.3. Phân bố công suất trong bó nhiên liệu
• 2.4. Phân bố nhiệt độ chất tải nhiệt theo chiều cao bó nhiên liệu
• 2.5. Phân bố nhiệt độ trong thanh nhiên liệu theo chiều bán kính
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH HÓA BÓ NHIÊN LIỆU LÒ PHẢN ỨNG VVER-1000
• 3.1. Mô hình hóa bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000 với chương trình MCNP5 và COBRA-EN
• 3.2. Mô hình COBRA-EN
• 3.3. Chương trình tính toán kết hợp
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng Quan Mô Hình Vật Lý Thủy Nhiệt VVER Bí Quyết

Hoạt động lò phản ứng hạt nhân là hệ rất phức tạp. Nó bao gồm tương tác vật lý như quá trình chuyên neutron, quá trình chuyên chất lỏng và truyền nhiệt. Việc mô phỏng các quá trình trong hoạt động lò phản ứng là một trong những nhiệm vụ quan trọng. Tính toán kết hợp Vật lý - Thủy nhiệt là hướng đi triển khai bởi nhiều nhóm nghiên cứu. Các mô hình tính toán kết hợp Vật lý và Thủy nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác của các tính toán. Các tính toán phụ thuộc vào trạng thái chuyên tiếp của lò phản ứng. Các tính toán ba chiều kết hợp Vật lý- Thủy nhiệt hiện được sử dụng để tính toán phân bố công suất trong một bó nhiên liệu lò phản ứng. Theo Tạ Duy Long (2016), nghiên cứu này xây dựng mô hình tính toán kết hợp cho bó nhiên liệu VVER sử dụng MCNP5 và COBRA-EN. Điều này nhằm cung cấp công cụ thiết yếu cho phân tích an toàn và hiệu suất lò.

1.1. Tầm quan trọng của Mô hình kết hợp VVER

Các tính toán kết hợp vật lý-thủy nhiệt đang ngày càng trở nên quan trọng trong việc đánh giá an toàn và hiệu suất của lò phản ứng. Việc sử dụng các mã mô phỏng tiên tiến như MCNP5 và COBRA-EN cho phép mô hình hóa chi tiết các quá trình neutron và thủy động lực học xảy ra trong bó nhiên liệu. Các mô hình này cung cấp thông tin chi tiết về phân bố nhiệt độ, mật độ và lưu lượng chất làm mát, cho phép các kỹ sư đánh giá chính xác hơn các điều kiện vận hành và dự đoán hành vi của lò phản ứng trong các kịch bản tai nạn khác nhau.

1.2. Thách thức và Triển vọng Mô hình kết hợp

Mặc dù các mô hình kết hợp vật lý-thủy nhiệt mang lại nhiều lợi ích, nhưng việc phát triển và xác nhận chúng cũng đặt ra những thách thức đáng kể. Các mô hình này thường đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn và cần được xác nhận bằng dữ liệu thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác. Tuy nhiên, với sự tiến bộ không ngừng của công nghệ máy tính và sự sẵn có ngày càng tăng của dữ liệu thử nghiệm, các mô hình kết hợp vật lý-thủy nhiệt hứa hẹn sẽ đóng vai trò ngày càng quan trọng trong thiết kế, vận hành và đánh giá an toàn của các lò phản ứng hạt nhân trong tương lai.

II. Vấn Đề An Toàn Lò VVER Phân Tích và Giải Pháp Tính Toán

Các tính toán kết hợp Vật lý - Thủy nhiệt đặc biệt hữu ích cho các phân tích an toàn, cung cấp các giá trị hợp lý cho các thông số quan trọng. Mô hình này giúp xem xét ảnh hưởng của nhiệt độ trong các tính toán. Tính toán Vật lý lò phản ứng truyền thống xem xét các yếu tố nhiệt độ. Vì thế, việc xây dựng mô hình tính toán kết hợp Vật lý-Thủy nhiệt là cần thiết. Phân tích nhiệt độ trong các tính toán Vật lý của lò phản ứng. Tạ Duy Long (2016) đã xem xét ảnh hưởng nhiệt độ trong tính toán Vật lý lò phản ứng. Các kết quả tính toán kết hợp cho phép phân tích an toàn hơn, giảm độ bất định và các sai số.

2.1. Ảnh Hưởng Hiệu Ứng Nhiệt độ đến An Toàn Lò

Nhiệt độ là một trong những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hành vi của lò phản ứng hạt nhân. Sự thay đổi nhiệt độ có thể ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng hạt nhân, phân bố công suất và tính chất của vật liệu lò phản ứng. Do đó, việc mô hình hóa chính xác các hiệu ứng nhiệt độ là rất quan trọng để đánh giá an toàn của lò phản ứng trong các điều kiện vận hành bình thường và các kịch bản tai nạn khác nhau.

2.2. Tính Toán Vật Lý và Thủy Nhiệt Liên Kết An Toàn

Các mô hình kết hợp vật lý-thủy nhiệt cho phép các kỹ sư mô phỏng đồng thời các quá trình neutron và thủy động lực học trong lò phản ứng. Điều này cho phép họ đánh giá tác động của các thay đổi nhiệt độ và lưu lượng chất làm mát đối với hiệu suất của lò phản ứng và sự ổn định của nó. Ví dụ, các mô hình này có thể được sử dụng để dự đoán sự hình thành điểm nóng trong bó nhiên liệu hoặc đánh giá hiệu quả của các hệ thống làm mát khẩn cấp.

2.3. Sai Số trong Tính Toán An Toàn Lò VVER

Phân tích độ nhạy cảm và đánh giá độ bất định là những khía cạnh quan trọng của phân tích an toàn lò phản ứng. Các mô hình kết hợp vật lý-thủy nhiệt có thể giúp xác định các nguồn độ bất định chính trong các tính toán an toàn và đánh giá tác động của chúng đối với kết quả. Điều này cho phép các kỹ sư đưa ra các quyết định sáng suốt hơn về thiết kế và vận hành của lò phản ứng.

III. MCNP5 COBRA EN Phương Pháp Tính Toán Kết Hợp VVER

Chương trình tính toán khởi chạy với tính toán vật lý bằng MCNP5, tạo ra phân bố công suất 3D. Giả sử phân bố nhiệt độ chất tải nhiệt đồng nhất. Phân bố công suất từ MCNP5 làm dữ liệu đầu vào cho COBRA-EN. Chương trình tính toán thủy nhiệt tạo ra phân bố 3D mật độ chất tải nhiệt. Kết quả này dùng làm dữ liệu cho MCNP5. Các tính toán được thực hiện đến khi điều kiện hội tụ thỏa mãn. Các chương trình hiện dùng tại Trung tâm Năng lượng Hạt nhân, Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân. Để vận hành, tác giả phát triển các chương trình con để dùng dữ liệu đầu vào và một chương trình quản lý.

3.1. Mô tả chương trình MCNP5 trong Mô hình VVER

MCNP5 là một mã Monte Carlo linh hoạt có thể được sử dụng để mô phỏng vận chuyển neutron, photon và electron trong các hệ phức tạp. Trong mô hình VVER, MCNP5 được sử dụng để tính toán phân bố neutron trong vùng hoạt và xác định tỷ lệ phân hạch trong các thanh nhiên liệu khác nhau. Mã này có thể xử lý các hình học 3D phức tạp và có thể sử dụng nhiều thư viện dữ liệu hạt nhân khác nhau.

3.2. Ứng dụng COBRA EN cho Phân tích Thủy Nhiệt VVER

COBRA-EN là một mã thủy nhiệt có thể được sử dụng để mô phỏng dòng chảy và truyền nhiệt trong các bó nhiên liệu của lò phản ứng. Trong mô hình VVER, COBRA-EN được sử dụng để tính toán phân bố nhiệt độ và mật độ của chất làm mát trong các kênh khác nhau của bó nhiên liệu. Mã này có thể xử lý các hình học kênh phức tạp và có thể sử dụng nhiều mô hình tương quan truyền nhiệt và ma sát khác nhau.

3.3. Giao diện MCNP5 và COBRA EN Chi tiết kỹ thuật

Việc kết hợp MCNP5 và COBRA-EN đòi hỏi một giao diện cho phép trao đổi dữ liệu giữa hai mã. Giao diện này thường bao gồm một mã tập lệnh (script) chuyển đổi dữ liệu phân bố công suất từ MCNP5 sang định dạng mà COBRA-EN có thể sử dụng và sau đó chuyển đổi dữ liệu phân bố nhiệt độ và mật độ từ COBRA-EN sang định dạng mà MCNP5 có thể sử dụng. Quá trình này được lặp lại cho đến khi đạt được sự hội tụ giữa hai mã.

IV. Đánh Giá Hiệu Năng và An Toàn VVER qua Mô Hình

Nghiên cứu này giúp hiện thực hóa mô hình tính toán, kiểm định các thông số Vật lý và nhiệt độ trong các tính toán. Ảnh hưởng của mật độ chất tải nhiệt trong vùng hoạt lò là cần thiết. Các yếu tố có thể ảnh hưởng đến hệ số nhân gồm mật độ. Các tính toán giúp duy trì trạng thái hoạt động của lò. Trong nội dung luận văn, tác giả tập trung vào đánh giá ảnh hưởng của hiệu ứng mật độ chất làm mát.

4.1. Độ chính xác các Tính Toán Vật Lý VVER

Độ chính xác của các tính toán vật lý trong lò phản ứng VVER phụ thuộc vào độ chính xác của các thư viện dữ liệu hạt nhân được sử dụng và độ chi tiết của mô hình hình học. Các mô hình MCNP5 có thể sử dụng các thư viện dữ liệu hạt nhân khác nhau, chẳng hạn như ENDF/B-VII.1, để tính toán các tiết diện phản ứng và xác suất tương tác neutron.

4.2. Tính Thủy Nhiệt trong đánh giá An Toàn VVER

Các tính toán thủy nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá an toàn của lò phản ứng VVER, vì chúng cung cấp thông tin chi tiết về phân bố nhiệt độ và lưu lượng chất làm mát trong bó nhiên liệu. Các mô hình COBRA-EN có thể sử dụng nhiều mô hình tương quan truyền nhiệt và ma sát khác nhau để dự đoán chính xác hành vi của chất làm mát trong các điều kiện vận hành khác nhau.

4.3. Kiểm Định Mô Hình Thủy Nhiệt và Kết quả Vật Lý

Việc kiểm định các mô hình thủy nhiệt và kết quả vật lý là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của các tính toán an toàn. Các mô hình này có thể được kiểm định bằng cách so sánh kết quả tính toán với dữ liệu thực nghiệm thu được từ các lò phản ứng nghiên cứu hoặc các thí nghiệm tại chỗ.

V. Phân Bố Nhiệt và Mật Độ trong Bó Nhiên Liệu VVER Phân Tích

Chương trình khởi chạy với tính toán vật lý. Giả sử phân bố nhiệt độ chất tải nhiệt đồng nhất. Phân bố công suất từ chương trình dùng làm dữ liệu đầu vào. chương trình tính toán thủy nhiệt tạo ra phân bố mật độ chất tải nhiệt. Kết quả này làm dữ liệu cho tính toán vật lý. Các tính toán được thực hiện khi điều kiện hội tụ thỏa mãn.

5.1. Phân bố công suất Ảnh hưởng của Vật lý Nhiệt

Phân bố công suất là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong thiết kế và vận hành của lò phản ứng VVER. Các mô hình kết hợp vật lý-thủy nhiệt có thể giúp dự đoán chính xác hơn phân bố công suất trong bó nhiên liệu và đánh giá tác động của các thay đổi nhiệt độ và lưu lượng chất làm mát đối với phân bố này.

5.2. Mật độ Chất làm mát yếu tố An toàn quan trọng

Mật độ chất làm mát là một yếu tố quan trọng cần được xem xét trong phân tích an toàn của lò phản ứng VVER. Các mô hình kết hợp vật lý-thủy nhiệt có thể giúp dự đoán chính xác hơn phân bố mật độ chất làm mát trong bó nhiên liệu và đánh giá tác động của các thay đổi mật độ đối với tính ổn định của lò phản ứng.

5.3. Tương tác Vật Lý và Thủy Nhiệt trong Bó Nhiên Liệu

Các mô hình kết hợp vật lý-thủy nhiệt cho phép các kỹ sư mô phỏng đồng thời các quá trình neutron và thủy động lực học trong bó nhiên liệu. Điều này cho phép họ đánh giá tác động của các thay đổi nhiệt độ và lưu lượng chất làm mát đối với phân bố công suất, phân bố mật độ chất làm mát và các thông số quan trọng khác.

VI. Kết Luận và Tương Lai Mô Hình Hóa VVER Toàn Diện

Mô hình Vật lý-Thủy Nhiệt kết hợp cung cấp cách tiếp cận mạnh mẽ để mô hình hóa các thông số của lò phản ứng VVER. Các mô hình có thể được kiểm định chéo và đánh giá độ tin cậy. Mô hình hóa Vật lý và Thủy Nhiệt rất quan trọng để phân tích. Các mô hình có thể được sử dụng cho các hoạt động quản lý lò phản ứng trong tương lai.

6.1. Phát triển mô hình Vật lý và Thủy nhiệt VVER

Phát triển mô hình cho phép tính toán chuyên sâu hơn.

6.2. Ứng dụng và Đánh Giá

Các kết quả đánh giá giúp hiểu chuyên sâu hơn.