Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ "Nghiên cứu mô phỏng và cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 sử dụng vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ bằng chương trình MVP" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Hoàng Thanh Phi Hùng, thuộc chuyên ngành Vật lý nguyên tử và hạt nhân (mã số 9 44 01 06) tại Trung tâm Đào tạo hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam (Hà Nội, năm 2021), dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Hoài Nam và TS. Hồ Mạnh Dũng. Đề tài là một phần nội dung của nhiệm vụ khoa học và công nghệ do Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tài trợ thông qua đề tài mã số 103.20 mang tên "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

Trong các nghiên cứu và thiết kế cải tiến nhiên liệu lò phản ứng nước nhẹ áp lực (LWRs nói chung và VVER nói riêng), việc nâng cao hiệu quả kinh tế và hiệu quả sử dụng nhiên liệu gắn liền với hai mục tiêu chính: nâng cao công suất hoạt động (power upgrading) và tăng độ sâu cháy của nhiên liệu (high burnup fuel, đạt mức 45–50 GWd/t đối với VVER-1000 và lên đến 70 MWd/kgU đối với VVER-1200). Để đạt được các mục tiêu này, độ giàu của nhiên liệu uranium dioxide ($\text{UO}2$) phải tăng lên (ví dụ độ giàu $^{235}\text{U}$ đạt 4,4 wt%). Việc tăng độ giàu kéo theo sự gia tăng độ phản ứng dự trữ ban đầu rất cao ($k\infty > 1,0$) tại giai đoạn đầu chu trình cháy (BOC, từ 0 đến 10 GWd/t). Nếu chỉ sử dụng các thanh điều khiển cơ học kết hợp với chất hấp thụ hòa tan là axit boric ($\text{H}_3\text{BO}_3$) trong nước tải nhiệt thì không đủ để bù trừ độ phản ứng dư. Hơn nữa, nồng độ Boron hòa tan trong chất làm chậm bị giới hạn nghiêm ngặt (dưới 1500 ppm khối lượng) do nồng độ Boron quá cao có thể dẫn đến hệ số phản hồi nhiệt độ của chất làm chậm (Moderator Temperature Coefficient - MTC) chuyển sang giá trị dương, vi phạm tiêu chuẩn an toàn tới hạn của lò phản ứng.

Do đó, các thiết kế hiện đại bắt buộc phải tích hợp chất hấp thụ cháy được (Burnable Absorber - BA / Burnable Poison - BP) vào một số thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu (thiết kế IBA - Integrated Burnable Absorber). $\text{Gd}_2\text{O}_3$ (Gadolinia) là chất hấp thụ được sử dụng phổ biến nhất nhờ tiết diện bắt nơtrôn nhiệt của hai đồng vị tự nhiên $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$. Trong các thiết kế truyền thống của lò phản ứng PWR và VVER, bột $\text{Gd}_2\text{O}_3$ được trộn đồng nhất với bột $\text{UO}_2$ với hàm lượng vài phần trăm khối lượng rồi nén kết khối thành các viên nhiên liệu (fuel pellet).

Vấn đề tồn tại kỹ thuật cơ bản của thiết kế truyền thống này là độ dẫn nhiệt của $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trong dải nhiệt độ vận hành lò (300–1000 K) thấp hơn đáng kể so với $\text{UO}_2$, khiến viên nhiên liệu $\text{UO}_2\text{--}\text{Gd}_2\text{O}_3$ trộn đều bị suy giảm độ dẫn nhiệt (dao động trong khoảng 3,8–2,6 W/mK ở dải nhiệt độ 300–1273 K). Các kết quả thực nghiệm vật liệu chỉ ra rằng việc đưa $\text{Gd}_2\text{O}_3$ vào viên nhiên liệu dưới dạng các vi hạt (micro-particles) kích thước micromet phân tán trong nền $\text{UO}_2$ giúp nâng cao độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu lên mức 5,8–2,7 W/mK (đối với mẫu 10 wt% $\text{Gd}_2\text{O}_3$, đường kính hạt 25–53 µm).

Tuy nhiên, khoảng trống nghiên cứu vật lý đặt ra là khi chất hấp thụ chuyển sang dạng vi hạt, hiệu ứng tự che chắn không gian (spatial self-shielding effect) xuất hiện mạnh mẽ, làm thay đổi hoàn toàn tốc độ cháy của chất hấp thụ so với dạng phân bố đồng nhất. Vấn đề vật lý nơtrôn chưa được giải quyết trước đó đối với lò VVER-1000/V-320 là xác định quy luật biến thiên độ phản ứng, tối ưu hóa kích thước và tỷ lệ thể tích của vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$, đồng thời thiết kế cấu hình bó nhiên liệu mới nhằm kiểm soát phân bố công suất, giảm hệ số đỉnh công suất và cho phép giảm nồng độ Boron trong chất làm mát.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án tập trung giải quyết ba mục tiêu nghiên cứu cụ thể được đánh số theo văn bản:

  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 $\text{UO}_2$, qua đó khai thác đặc tính độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ cao hơn đáng kể so với dạng trộn đều.
  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 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, góp phần làm cho hệ số phản hồi nhiệt độ của chất làm chậm (MTC) âm hơn, qua đó nâng cao mức độ an toàn của lò phản ứng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Bó nhiên liệu lò phản ứng nước áp lực VVER-1000/V-320; các thanh nhiên liệu $\text{UO}_2$ tích hợp vi hạt chất hấp thụ cháy được $\text{Gd}_2\text{O}3$; các thông số vật lý nơtrôn và động học lò phản ứng bao gồm hệ số nhân nơtrôn vô hạn ($k\infty$), mật độ số nguyên tử các đồng vị theo độ cháy, phân bố công suất tương đối giữa các thanh nhiên liệu, hệ số đỉnh công suất (Power Peak Factor - PPF), và hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm (MTC).
  • Phạm vi không gian: Mô hình hình học một bó nhiên liệu đơn hình lục giác của lò phản ứng VVER-1000/V-320, gồm 331 vị trí ô mạng tam giác (312 thanh nhiên liệu, 18 ống dẫn thanh điều khiển CPSAR và 1 ống dẫn trung tâm đặt thiết bị đo), khoảng cách tâm hai bó nhiên liệu liền kề (assembly pitch) là 23,6 cm. Biên mô phỏng áp dụng điều kiện phản xạ tuyệt đối (specular reflection) ở các mặt xung quanh.
  • Phạm vi thời gian và độ cháy: Quá trình cháy nhiên liệu được khảo sát từ đầu chu trình (0 GWd/t) đến độ sâu cháy 40 GWd/t, trong đó trọng tâm phân tích sâu đặt tại giai đoạn đầu chu trình từ 0 đến 10 GWd/t (thời điểm chất hấp thụ $\text{Gd}_2\text{O}_3$ cháy hết và kiểm soát độ phản ứng dự trữ).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước được luận án tổng kết

Trong phần tổng quan, tác giả đã điểm lại các công trình nghiên cứu trên thế giới liên quan đến việc ứng dụng chất hấp thụ nơtrôn và tối ưu hóa cấu hình thanh nhiên liệu trong các lò phản ứng nước nhẹ:

  • Nghiên cứu về các vật liệu hấp thụ nơtrôn nhiệt: Luận án dẫn chứng số liệu của [8] và [62] về các chất hấp thụ phổ biến như $\text{Gd}_2\text{O}_3$, $\text{B}_4\text{C}$, $\text{CdO}$, $\text{Sm}_2\text{O}_3$, $\text{Eu}_2\text{O}_3$, $\text{Dy}_2\text{O}_3$, $\text{Er}_2\text{O}_3$ và $\text{HfO}_2$. Các đồng vị có tiết diện bắt nơtrôn nhiệt ($E_n = 0,0253\text{ eV}$) lớn gồm $^{10}\text{B}$ (3844 b), $^{113}\text{Cd}$, $^{149}\text{Sm}$, $^{151}\text{Eu}$, $^{155}\text{Gd}$ (60.737 b), $^{157}\text{Gd}$ (252.912 b), $^{161}\text{Dy}$, $^{164}\text{Dy}$, $^{167}\text{Er}$ (650 b) và $^{177}\text{Hf}$. Các nghiên cứu của [21, 62] chỉ ra rằng các chuỗi đồng vị dài như Hf hay Er cháy chậm, để lại lượng dư lớn ở cuối chu trình (EOC), nên không thích hợp bằng Gd cho bài toán điều khiển độ phản ứng ngắn hạn từ 0 đến 10 GWd/t của lò VVER.
  • Tối ưu hóa phân bố độ giàu và vị trí thanh hấp thụ:
    • Hirano và cộng sự [23] giải bài toán tối ưu hóa phân bố độ giàu cho lò BWR bằng phương pháp liệt kê đầy đủ (Exhaustive Enumeration) kết hợp tính toán gần đúng nhằm giảm PPF.
    • Lim và cộng sự [34] áp dụng phương pháp ma trận và kỹ thuật phi tuyến để tìm phân bố tối ưu độ giàu thanh nhiên liệu nhằm đạt phân bố công suất đồng đều.
    • Francois và cộng sự [16] dùng thuật toán tìm kiếm Tabu (Tabu search) để tối ưu độ giàu trung bình nhỏ nhất, giảm thiểu sai lệch độ phản ứng và kiểm soát PPF trong lò BWR chứa Gd.
    • Haibach và cộng sự [20], Yilmaz và cộng sự [72] áp dụng thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) trên lò PWR để tối ưu hàm lượng Gd trong thanh nhiên liệu.
    • Rogers và cộng sự [54] nghiên cứu định vị các thanh chứa chất hấp thụ và độ giàu trong vùng hoạt PWR.
    • Reda và cộng sự [52] đánh giá việc tăng số thanh chứa BA từ 12 lên 24 thanh trong bó nhiên liệu PWR để kiểm soát hệ số nhân nơtrôn hiệu dụng ở các bước cháy ban đầu.
    • Galahom [17] phân tích ảnh hưởng của chất hấp thụ lên hệ số nhân nơtrôn hiệu dụng.
  • Thiết kế kết hợp và cải tiến cấu trúc hấp thụ:
    • Dandi và cộng sự [11] khảo sát thiết kế kết hợp hai loại chất hấp thụ trong lò PWR: cấu hình 20 thanh WABA ($\text{Al}_2\text{O}_3/\text{B}_4\text{C}$ hình vành khuyên) kết hợp 16 thanh chứa Er, và cấu hình 20 thanh chứa Gd kết hợp 20 thanh chứa Er, giúp cải thiện kiểm soát độ phản ứng dư xuống tương ứng 11% và 20% so với việc chỉ dùng Er.
    • Choe và cộng sự [10] đề xuất thanh nhiên liệu lai (hybrid) cho lò LWR gồm lõi $\text{UO}_2\text{--}^{157}\text{Gd}_2\text{O}_3$ làm giàu đồng vị $^{157}\text{Gd}$ bọc lớp $\text{ZrEr}_2$ chứa $^{167}\text{Er}$ bên ngoài nhằm giảm lượng Gd tổng số và kiểm soát độ phản ứng dư dài hạn.
  • Nghiên cứu thực nghiệm về tính chất nhiệt và mô hình vi hạt:
    • Nghiên cứu của [1, 2, 5, 22] xác nhận sự sụt giảm độ dẫn nhiệt của hỗn hợp $\text{UO}_2\text{--}\text{Gd}_2\text{O}_3$.
    • Nghiên cứu của [25, 32] cung cấp các số liệu đo nhiệt thực nghiệm chứng minh rằng viên nhiên liệu chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ đạt độ dẫn nhiệt cao hơn mẫu trộn đều đồng nhất.
    • Về phương diện mô phỏng ngẫu nhiên, Murata và cộng sự [42, 43] đã tiên phong đưa mô hình hình học thống kê (Statistical Geometry Model) vào các chương trình Monte Carlo như MCNP-CFP và MCNP-BALL để tính toán hạt nhiên liệu phủ CFP trong lò phản ứng nhiệt độ cao (HTR) và lò phản ứng đá cuội (PBR).

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Hầu hết các nghiên cứu tối ưu hóa thanh BA trước đây đều thực hiện trên ô mạng vuông của lò phản ứng PWR hoặc BWR, hoặc chỉ khảo sát $\text{Gd}_2\text{O}_3$ ở dạng trộn đều đồng nhất. Các nghiên cứu về vi hạt nhiên liệu chủ yếu giới hạn trong cấu hình lò khí nhiệt độ cao HTR/PBR. Luận án lựa chọn giải quyết khoảng trống: áp dụng mô hình vi hạt chất hấp thụ $\text{Gd}_2\text{O}_3$ phân bố ngẫu nhiên vào thanh nhiên liệu của bó nhiên liệu hình lục giác lò VVER-1000/V-320; xác lập cơ sở tính toán nơtrôn Monte Carlo liên tục có xét đến hiệu ứng tự che chắn của vi hạt; và đề xuất thiết kế cải tiến hình học/vật liệu nhằm dung hòa đồng thời ba yêu cầu kỹ thuật: nâng cao độ dẫn nhiệt của thanh nhiên liệu, làm phẳng phân bố công suất (giảm PPF), và hạ thấp nồng độ Boron hòa tan để duy trì hệ số MTC luôn âm.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

  • Phương trình vận chuyển nơtrôn Boltzmann: Dạng vi phân mô tả thông lượng góc $\Phi(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t) = v \cdot n(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t)$: $$\frac{1}{v}\frac{\partial \Phi(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t)}{\partial t} + \mathbf{\Omega}\cdot\nabla\Phi(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t) + \Sigma_t(\mathbf{r}, E)\Phi(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t) = \iint \Sigma_t(\mathbf{r}, E') f(\mathbf{r}, E'\to E, \mathbf{\Omega}'\to\mathbf{\Omega}) \Phi(\mathbf{r}, E', \mathbf{\Omega}', t) dE' d\mathbf{\Omega}' + S(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t)$$ Phương trình được chuyển đổi sang dạng tích phân thông qua mật độ va chạm $\Psi(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t) = \Sigma_t(\mathbf{r}, E)\Phi(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t)$ và toán tử nhân vận chuyển $T$, nhân va chạm $C$, cho phép giải bằng phương pháp mô phỏng chuỗi va chạm Monte Carlo qua chuỗi Neumann: $$\Psi(\Gamma) = S_b(\Gamma) + \int d\Gamma' K(\Gamma; \Gamma') \Psi(\Gamma')$$
  • Lý thuyết vật lý lò phản ứng tới hạn: Hệ số nhân nơtrôn vô hạn $k_\infty$ được xác định theo công thức 4 hệ số: $k_\infty = \varepsilon , p_r , \eta , f$; hệ số nhân hiệu dụng có tính đến độ rò nơtrôn: $k_{eff} = k_\infty L_f L_t$. Độ phản ứng được định nghĩa là $\rho = (k_{eff} - 1) / k_{eff}$. Hệ số phản hồi nhiệt độ của chất làm chậm: $$\text{MTC} = \frac{\partial \rho}{\partial T_m}$$
  • Mô hình hấp thụ vi hạt và hiệu ứng tự che chắn: Khi chất hấp thụ phân bố đồng nhất, tiết diện vĩ mô suy giảm theo hàm mũ thông lượng: $\Sigma_a(t) = \sigma_a N_0 \exp\left(-\sigma_a \int_0^t \Phi(t')dt'\right)$. Khi sử dụng dạng vi hạt có bán kính $R_0$ lớn hơn quãng đường tự do trung bình của nơtrôn bên trong hạt (đối với $\text{Gd}_2\text{O}_3$ là 8,3 µm ở năng lượng 0,0253 eV), vi hạt hành xử như một vật hấp thụ đen với tiết diện hình học. Quá trình cháy diễn ra từ bề mặt ngoài vào trong lõi vi hạt. Tiết diện hấp thụ hiệu dụng của tập hợp $n_P$ vi hạt theo thời gian được mô tả qua biểu thức: $$\Sigma_a(t) = n_P \cdot \pi R_0^2 \left( 1 - \frac{\int_0^t \Phi(t') dt'}{4 N R_0} \right)^2$$ Biểu thức cho thấy tiết diện hấp thụ hiệu dụng phụ thuộc vào hai thông số cấu trúc cơ bản: mật độ hạt $n_P$ (tương ứng với tỷ lệ thể tích) và bán kính ban đầu $R_0$.

Phương pháp mô phỏng và công cụ thực hiện

  • Chương trình mô phỏng MVP/GMVP II: Được phát triển bởi Viện Nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử Nhật Bản (JAEA), sử dụng phương pháp Monte Carlo năng lượng liên tục (continuous-energy). MVP cho phép mô hình hóa chính xác hình học tổ hợp 3 chiều (CG), tính toán trị riêng $k_\infty$, thông lượng và tốc độ phản ứng vi mô/vĩ mô mà không cần làm thô lưới năng lượng và góc.
  • Thư viện dữ liệu hạt nhân JENDL-3.3: Toàn bộ tiết diện tương tác nơtrôn được xử lý từ thư viện JENDL-3.3 thông qua hệ chương trình mã hóa LICEM, kết hợp mô hình bảng xác suất (probability table method) trong vùng cộng hưởng chưa giải rõ.
  • Mô hình hình học ngẫu nhiên (Statistical Geometry Model - STGM): MVP sử dụng STGM để mô phỏng sự phân bố ngẫu nhiên của các vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trong ma trận viên nhiên liệu $\text{UO}_2$. STGM dựa trên hàm phân bố láng giềng gần nhất (Nearest Neighbor Distribution - NND) kết hợp với chương trình mô phỏng đóng gói quả cầu cứng ngẫu nhiên MCRDF: $$\frac{d}{dr}(\text{NND}(r)) = \frac{3 f_p}{2(1 - f_p)} \exp\left( - \frac{3 f_p}{2(1 - f_p)} \cdot r \right)$$ trong đó $f_p$ là tỷ lệ thể tích (packing fraction), $r$ là khoảng cách chuẩn hóa theo đường kính hạt.
  • Module tính toán cháy MVP_BURN: Tích hợp trực tiếp với MVP, giải hệ phương trình biến đổi hạt nhân Bateman cải tiến cho từng bước cháy phân kỳ. Chuỗi cháy được lựa chọn là chuỗi tiêu chuẩn cho nơtrôn nhiệt u4cm6fp50bp16T, bao gồm các actinide (từ U đến Cm), 50 sản phẩm phân hạch chính (FPs) và 16 hạt nhân hấp thụ nơtrôn cháy được.
  • Công cụ kiểm tra hình học CGVIEW: Sử dụng để hiển thị các mặt cắt hình học bó nhiên liệu nhằm kiểm tra tính chính xác của mô hình ô mạng lục giác trước khi thực hiện tính toán song song qua giao thức MPI/PVM.

Tổng hợp thông số vật lý của các chất hấp thụ và lò phản ứng VVER-1000

Dưới đây là các bảng số liệu trích xuất trực tiếp từ các bảng biểu của luận án:

Bảng 1: Các thông số thiết kế cơ bản của lò phản ứng VVER-1000 (Trích Bảng 1.2)

Thông số VVER-1000 (Kiểu V-320) VVER-1000 (Kiểu V-428)
Công suất nhiệt (MWt) 3000 3000
Áp suất vòng 1 (MPa) 15,7 15,7
Áp suất vòng 2 (MPa) 6,27 6,27
Tốc độ dòng chảy nước tải nhiệt ($\text{m}^3/\text{h}$) 84800 86000
Nhiệt độ nước tải nhiệt lối ra ($^\circ\text{C}$) 320 321
Tổng số bó nhiên liệu trong vùng hoạt (pcs) 163 163
Tổng số thanh hấp thụ trong cụm CPSAR (pcs) 61 121
Tổng khối lượng Uranium (tấn) 80 80
Độ giàu $^{235}\text{U}$ (wt%) 4,4 4,4
Thời gian vận hành thiết kế (năm) 30 40

Bảng 2: Thành phần đồng vị tự nhiên và tiết diện hấp thụ của Gadolinium tại 0,0253 eV (Trích Bảng 1.3)

Đồng vị Độ phổ biến tự nhiên (at%) Tiết diện hấp thụ $\sigma_a$ (barn)
$^{152}\text{Gd}$ 0,20 735
$^{154}\text{Gd}$ 2,18 85
$^{155}\text{Gd}$ 14,80 60.737
$^{156}\text{Gd}$ 20,47 1,8
$^{157}\text{Gd}$ 15,65 252.912
$^{158}\text{Gd}$ 24,84 2,2
$^{160}\text{Gd}$ 21,86 1,4

Bảng 3: Thông số vật lý của một số chất hấp thụ nơtrôn trong dải nơtrôn nhiệt (Trích Bảng 1.4)

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 (µm) 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 7,30 87,8 2050
$\text{Gd}_2\text{O}_3$ $^{155}\text{Gd}$, $^{157}\text{Gd}$ 14,8; 15,65 7,40 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

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về lò phản ứng VVER và chất hấp thụ nơtrôn sử dụng trong lò phản ứng

Chương 1 hệ thống hóa quá trình phát triển công nghệ lò phản ứng VVER của Liên Xô trước đây và Liên bang Nga ngày nay, từ thế hệ I (VVER-210 đưa vào vận hành năm 1964 tại Novovoronezh Unit 1, VVER-365 năm 1969), thế hệ II (VVER-440 các phiên bản V-179, V-230, V-213; VVER-1000 phiên bản V-187, V-302, V-338, V-320), thế hệ III (VVER-1000 phiên bản V-392, V-428, V-446, V-412) đến thế hệ III+ (VVER-1200 các phiên bản V-392M, V-491; VVER-1300/V-510K).

Về mặt công nghệ, lò VVER có các đặc trưng kỹ thuật phân biệt:

  • Bó nhiên liệu thiết kế hình lục giác, các thanh nhiên liệu xếp theo ô mạng tam giác;
  • Vỏ bọc thanh nhiên liệu chế tạo bằng hợp kim zirconium pha niobi (Zr-1%Nb / E110);
  • Bình sinh hơi nằm ngang nhằm hạn chế ăn mòn cơ học và nứt do ăn mòn ứng suất (SCC), giảm thiểu nguy cơ xảy ra sự cố mất chất tải nhiệt (LOCA);
  • Đáy thùng lò phản ứng không khoét lỗ dẫn ống đo, giúp tăng tính toàn vẹn cấu trúc;
  • Bình điều áp thể tích lớn chứa lượng nước làm mát dự trữ cao.

Chương này cũng phân tích vai trò của ba hình thức kiểm soát độ phản ứng: thanh điều khiển (CPSAR), hóa học hòa tan (axit boric trong nước làm chậm) và chất hấp thụ cháy được tích hợp trong nhiên liệu (IBA). Phân tích vật lý so sánh các vật liệu BA chỉ ra rằng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ có ưu thế vượt trội do tiết diện hấp thụ nhiệt rất cao của $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$, nhiệt độ nóng chảy cao ($2350^\circ\text{C}$), không làm tăng áp suất khí bên trong thanh nhiên liệu và không gây trở ngại cho quá trình tái xử lý. Tuy nhiên, nhược điểm là độ dẫn nhiệt của hỗn hợp $\text{UO}_2\text{--}\text{Gd}_2\text{O}_3$ trộn đều bị suy giảm. Giải pháp sử dụng vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ phân tán ngẫu nhiên được đề xuất như một hướng cải tiến nhằm phục hồi độ dẫn nhiệt, đồng thời đặt ra yêu cầu khảo sát biến đổi vật lý nơtrôn do hiệu ứng tự che chắn.

Chương 2. Phương pháp nghiên cứu

Chương 2 trình bày cơ sở toán - lý và công cụ mô phỏng tính toán vật lý lò phản ứng:

  • Thiết lập phương trình vận chuyển nơtrôn Boltzmann và các biểu thức mật độ va chạm; nguyên lý thuật toán Monte Carlo theo dõi lịch sử chuyển động của các hạt trong không gian pha ba chiều.
  • Cấu trúc hệ chương trình tính toán MVP/GMVP II, bộ thư viện số liệu hạt nhân JENDL-3.3, và module MVP_BURN với thuật toán Bateman cải tiến giải chuỗi cháy actinides và sản phẩm phân hạch u4cm6fp50bp16T.
  • Thuật toán mô hình hình học thống kê STGM kết hợp phân bố khoảng cách láng giềng gần nhất NND để giải bài toán phân bố ngẫu nhiên của các vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trong ma trận nhiên liệu.
  • Thiết lập mô hình bó nhiên liệu VVER-1000 tiêu chuẩn: bó nhiên liệu lục giác gồm 312 thanh nhiên liệu (trong đó thiết kế tham chiếu có 12 thanh $\text{UO}_2\text{--}\text{Gd}_2\text{O}_3$ trộn đều), 18 ống dẫn thanh điều khiển và 1 ống trung tâm; áp dụng điều kiện biên phản xạ tuyệt đối.
  • Kiểm chứng độ tin cậy của phương pháp: Luận án tiến hành tính toán kiểm chứng chéo mô phỏng bó nhiên liệu VVER-1000 có 12 thanh $\text{UO}_2\text{--}\text{Gd}_2\text{O}3$ trộn đều bằng chương trình MVP, so sánh với chương trình tất định SRAC và bài toán chuẩn quốc tế (Benchmark - BM) trong dải cháy 0–40 GWd/t (trình bày tại Bảng 2.5, Hình 2.12, 2.13 và 2.14). Kết quả hệ số nhân vô hạn $k\infty$ và phân bố công suất giữa MVP, SRAC và BM có sự phù hợp tốt, xác nhận độ tin cậy của bộ dữ liệu và mô hình MVP sử dụng trong luận án.

Chương 3. Thiết kế bó nhiên liệu cải tiến sử dụng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dạng vi hạt

Chương 3 là chương nội dung thực nghiệm tính toán chính, tập trung vào ba bước cải tiến thiết kế:

  1. Khảo sát bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$:
    • Tác giả giữ nguyên vị trí 12 thanh BA như thiết kế tham chiếu, thay thế lớp trộn đều bằng các vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ phân bố ngẫu nhiên theo mô hình STGM.
    • Khảo sát đường kính vi hạt trong dải 40–100 µm ở giai đoạn cháy 0–10 GWd/t. Khi tăng đường kính hạt, hiệu ứng tự che chắn tăng lên làm giảm độ phản ứng hấp thụ ban đầu nhưng kéo dài thời gian cháy của hạt.
    • Luận án xác định đường kính vi hạt tối ưu là 60 µm với tỷ lệ thể tích đóng góp là 5,0%. Cấu hình này cho đường cong hệ số nhân nơtrôn vô hạn $k_\infty$ bám sát thiết kế tham chiếu trộn đều trong toàn bộ khoảng cháy 0–40 GWd/t.
    • Phân tích sự biến đổi số nguyên tử của hai đồng vị $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$ chứng minh rằng các đồng vị này cháy hết sau 10 GWd/t tương đương mẫu chuẩn, không để lại độ hấp thụ dư ở cuối chu trình, đồng thời đảm bảo phân bố công suất và hệ số đỉnh công suất PPF tương đương thiết kế gốc nhưng cải thiện được độ dẫn nhiệt.
  2. Thiết kế cải tiến bó nhiên liệu mới với 18 thanh $\text{UO}_2\text{--}\text{Gd}_2\text{O}_3$:
    • Nhằm giải quyết vấn đề hệ số đỉnh công suất tại thanh nhiên liệu nóng nhất, luận án đề xuất tăng số lượng thanh chứa BA từ 12 thanh lên 18 thanh, phân bố trên ô mạng lục giác theo hai phương án cấu hình (Mô hình 1 và Mô hình 2).
    • Khi tăng số thanh BA lên 18 thanh, tổng lượng chất hấp thụ được chia đều ra nhiều vị trí hơn, cho phép giảm tỷ lệ thể tích của vi hạt xuống 3,33% và tối ưu hóa đường kính vi hạt lên mức 300 µm.
    • Kết quả so sánh cho thấy đường cong $k_\infty$ của thiết kế 18 thanh vi hạt ($300\text{ µm}$, 3,33%) bám sát thiết kế tham chiếu 12 thanh trộn đều ở giai đoạn 0–10 GWd/t, đồng thời làm giảm rõ rệt hệ số đỉnh công suất PPF của bó nhiên liệu so với thiết kế 12 thanh.
  3. Thiết kế bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp trong chất tải nhiệt:
    • Luận án khảo sát các trường hợp giảm nồng độ Boron hòa tan trong nước làm mát (trường hợp giảm 50% Boron và trường hợp không sử dụng Boron).
    • Tối ưu hóa lại thông số vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ cho cấu hình 18 thanh trong điều kiện hàm lượng Boron thấp.
    • Khảo sát hệ số phản hồi nhiệt độ của chất làm chậm (MTC): Kết quả tính toán chỉ ra rằng việc giảm hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt làm cho giá trị MTC âm hơn trong suốt quá trình cháy, loại bỏ hoàn toàn nguy cơ MTC bị dương ở đầu chu trình cháy, nâng cao biên độ an toàn nhiệt - thủy của lò phản ứng.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật

  1. Khẳng định tính khả thi vật lý nơtrôn của việc ứng dụng vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trong bó nhiên liệu VVER-1000: Luận án đã chứng minh bằng tính toán Monte Carlo năng lượng liên tục rằng việc thay thế hỗn hợp $\text{UO}_2\text{--}\text{Gd}_2\text{O}_3$ trộn đều bằng vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}3$ phân bố ngẫu nhiên hoàn toàn có thể duy trì đặc trưng nơtrôn ($k\infty$, độ sâu cháy, tốc độ suy giảm đồng vị $^{155}\text{Gd}$, $^{157}\text{Gd}$) tương đương thiết kế truyền thống, trong khi giải quyết được nhược điểm suy giảm độ dẫn nhiệt của thanh nhiên liệu.
  2. Xác lập bộ thông số thiết kế tối ưu cho vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$:
    • Đối với cấu hình 12 thanh chứa chất hấp thụ: kích thước vi hạt tối ưu là đường kính 60 µm với tỷ lệ thể tích 5,0%.
    • Đối với cấu hình thiết kế mới 18 thanh chứa chất hấp thụ: kích thước vi hạt tối ưu là đường kính 300 µm với tỷ lệ thể tích 3,33%.
  3. Đề xuất thiết kế bó nhiên liệu mới 18 thanh chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ đa mục tiêu: Thiết kế mới không chỉ kiểm soát độ phản ứng dự trữ ban đầu mà còn làm giảm hệ số đỉnh công suất (PPF), làm phẳng phân bố công suất giữa các thanh nhiên liệu trong bó, giảm nhiệt độ tại điểm nóng nhất của thanh nhiên liệu.
  4. Đề xuất giải pháp bó nhiên liệu cho chế độ vận hành nồng độ Boron hòa tan thấp: Luận án chứng minh cấu hình 18 thanh BA dạng vi hạt cho phép giảm nồng độ axit boric trong nước tải nhiệt mà vẫn bù trừ tốt độ phản ứng dư, giúp hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm (MTC) âm hơn trong toàn bộ chu trình, tăng cường tính năng an toàn nội tại của lò phản ứng.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Ứng dụng cấu hình vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ đường kính 300 µm (tỷ lệ thể tích 3,33%) với 18 thanh nhiên liệu tích hợp cho các nghiên cứu cải tiến bó nhiên liệu độ sâu cháy cao của lò phản ứng VVER-1000.
  • Kết hợp nghiên cứu nơtrôn với các tính toán thủy nhiệt liên kết (coupled neutronics - thermal hydraulics) để đánh giá chi tiết trường nhiệt độ thực tế của viên nhiên liệu cải tiến trong điều kiện vận hành đầy tải.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

Theo phạm vi nghiên cứu được công bố trong văn bản, luận án tồn tại một số giới hạn:

  • Toàn bộ tính toán được thực hiện trên mô hình hình học bó nhiên liệu đơn (single assembly) với điều kiện biên phản xạ tuyệt đối, chưa thực hiện mô phỏng quy mô toàn bộ vùng hoạt (full-core) có tính đến sự phân bố các bó nhiên liệu với độ giàu và độ cháy khác nhau cũng như rò rỉ nơtrôn ra biên thùng lò.
  • Nghiên cứu tập trung vào đặc trưng vật lý nơtrôn và động học cháy, các thông số về sự cải thiện độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu vi hạt được kế thừa từ các công bố thực nghiệm trước đó chứ chưa tiến hành đo đạc thực nghiệm nhiệt trực tiếp trên mẫu nhiên liệu cụ thể của nghiên cứu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

Các hướng nghiên cứu mở rộng được tác giả đề xuất (trang 87 của văn bản):

  • Mở rộng bài toán mô phỏng vật lý nơtrôn từ quy mô bó nhiên liệu đơn sang quy mô toàn vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000/V-320 và các thế hệ lò VVER mới hơn (VVER-1200).
  • Thực hiện tính toán liên kết đa vật lý giữa mô phỏng vận chuyển nơtrôn Monte Carlo (MVP) với các chương trình tính toán nhiệt - thủy lực (Thermal-Hydraulics) nhằm mô phỏng chính xác trường phân bố nhiệt độ thực tế trong thanh nhiên liệu chứa vi hạt.
  • Nghiên cứu cơ chế chế tạo, nén ép và thiêu kết viên nhiên liệu chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trong điều kiện công nghệ thực tế và đánh giá độ bền cơ học, tương tác vỏ - viên nhiên liệu (PCI) khi chiếu xạ dài ngày.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn trong lĩnh vực kỹ thuật hạt nhân và vật lý lò phản ứng:

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Vật lý kỹ thuật hạt nhân: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình ứng dụng phương pháp Monte Carlo năng lượng liên tục (chương trình MVP/GMVP II), kỹ thuật mô phỏng phân bố hình học ngẫu nhiên (STGM/NND) và module tính toán cháy MVP_BURN cho các ô mạng lục giác phức tạp.
  • Đối với các kỹ sư thiết kế nhiên liệu và cơ quan nghiên cứu năng lượng nguyên tử: Các bảng số liệu, đường cong độ phản ứng $k_\infty$, và thông số vi hạt tối ưu (60 µm cho bó 12 thanh và 300 µm cho bó 18 thanh) là cơ sở dữ liệu hữu ích để tham khảo khi nghiên cứu cải tiến cấu hình nhiên liệu độ sâu cháy cao cho các nhà máy điện hạt nhân công nghệ VVER.
  • Đối với các nhà quản lý an toàn hạt nhân: Cung cấp luận cứ phân tích về mối quan hệ giữa hàm lượng chất hấp thụ tích hợp, việc cắt giảm nồng độ Boron hòa tan và sự duy trì giá trị âm của hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm MTC.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc trộn đều $\text{Gd}_2\text{O}_3$ vào $\text{UO}_2$ trong thiết kế truyền thống lại làm giảm hiệu quả truyền nhiệt của thanh nhiên liệu?

Theo văn bản luận án, trong dải nhiệt độ vận hành của lò phản ứng (300–1000 K), bản thân chất hấp thụ $\text{Gd}_2\text{O}_3$ có độ dẫn nhiệt thấp hơn nhiều so với nhiên liệu $\text{UO}_2$. Khi trộn đều bột $\text{Gd}_2\text{O}_3$ với $\text{UO}_2$ tạo thành hỗn hợp rắn đồng nhất, mạng tinh thể bị ảnh hưởng khiến độ dẫn nhiệt chung của viên nhiên liệu giảm xuống còn khoảng 3,8–2,6 W/mK (ở dải 300–1273 K). Khi sử dụng vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ (kích thước 25–53 µm) phân tán, nền $\text{UO}_2$ vẫn giữ được tính liên tục, giúp độ dẫn nhiệt đạt mức 5,8–2,7 W/mK.

2. Kích thước và tỷ lệ vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ tối ưu được xác định là bao nhiêu cho bó nhiên liệu VVER-1000?

Luận án xác định hai bộ thông số tối ưu:

  • Đối với bó nhiên liệu gồm 12 thanh BA: Đường kính vi hạt tối ưu là 60 µm, tỷ lệ thể tích đóng góp là 5,0%.
  • Đối với bó nhiên liệu thiết kế cải tiến gồm 18 thanh BA: Đường kính vi hạt tối ưu là 300 µm, tỷ lệ thể tích đóng góp là 3,33% (áp dụng cho cả Mô hình 1 và Mô hình 2).

3. Hiệu ứng tự che chắn nơtrôn trong vi hạt ảnh hưởng như thế nào đến tốc độ cháy của chất hấp thụ?

Khi $\text{Gd}_2\text{O}_3$ ở dạng vi hạt có bán kính lớn hơn quãng đường tự do trung bình của nơtrôn nhiệt bên trong hạt (đối với $\text{Gd}_2\text{O}_3$ là 8,3 µm), vi hạt đóng vai trò như vật hấp thụ đen. Các nơtrôn bị hấp thụ chủ yếu ở lớp bề mặt ngoài của vi hạt, che chắn cho phần tâm hạt. Do đó, tốc độ cháy của các hạt nhân $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$ diễn ra chậm hơn và phụ thuộc vào bán kính hạt $R_0$ cùng mật độ hạt $n_P$, cho phép kéo dài hoặc điều chỉnh thời gian kiểm soát độ phản ứng theo ý muốn thiết kế.

4. Tại sao việc hạ thấp nồng độ Boron hòa tan trong chất làm chậm lại giúp tăng mức độ an toàn của lò phản ứng?

Boron hòa tan trong nước làm mát là một chất hấp thụ nơtrôn. Nếu nồng độ Boron quá cao (trên 1500 ppm), khi nhiệt độ chất làm chậm tăng lên, mật độ nước giảm làm giảm số lượng nguyên tử Boron trong một đơn vị thể tích, dẫn đến việc mất đi một lượng hấp thụ nơtrôn lớn, có thể làm hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm (MTC) chuyển sang giá trị dương (làm tăng công suất khi nhiệt độ tăng). Việc sử dụng các thanh BA vi hạt giúp bù trừ độ phản ứng dư mà không cần nồng độ Boron cao, đảm bảo MTC luôn giữ giá trị âm trong suốt chu trình vận hành.

5. Những chương trình máy tính và thư viện dữ liệu hạt nhân nào được sử dụng trong luận án?

Luận án sử dụng hệ chương trình mô phỏng Monte Carlo năng lượng liên tục MVP/GMVP phiên bản 2 tích hợp module tính cháy MVP_BURN do Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Nhật Bản (JAEA) phát triển; thư viện số liệu hạt nhân đánh giá của Nhật Bản JENDL-3.3 (xử lý qua mã LICEM); mã tạo hình học ngẫu nhiên MCRDF; và chương trình kiểm tra lát cắt hình học CGVIEW. Kết quả của MVP được đối chiếu kiểm chứng với chương trình SRAC và dữ liệu bài toán chuẩn (BM).

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Hoàng Thanh Phi Hùng đã hoàn thành nghiên cứu mô phỏng và đề xuất phương án cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-1000/V-320 bằng việc ứng dụng vi hạt chất hấp thụ cháy được $\text{Gd}_2\text{O}_3$. Bằng việc sử dụng chương trình Monte Carlo MVP kết hợp mô hình hình học thống kê STGM và thư viện JENDL-3.3, tác giả đã giải quyết được mâu thuẫn vật lý giữa hiệu ứng tự che chắn nơtrôn và yêu cầu cải thiện độ dẫn nhiệt của thanh nhiên liệu, xác định chính xác kích thước vi hạt tối ưu 60 µm cho cấu hình 12 thanh và 300 µm cho cấu hình 18 thanh. Thiết kế cải tiến 18 thanh vi hạt không chỉ kiểm soát tốt độ phản ứng dự trữ ban đầu mà còn làm giảm hệ số đỉnh công suất PPF và cho phép vận hành an toàn ở điều kiện nồng độ Boron hòa tan thấp. Đây là công trình nghiên cứu chuyên sâu về vật lý lò phản ứng, cung cấp các luận cứ khoa học và cơ sở dữ liệu định lượng phục vụ định hướng nâng cao tính kinh tế và an toàn cho công nghệ nhiên liệu hạt nhân VVER.