Chương 1 trình bày tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000, thiết kế chất hấp thụ nơtrôn trong lò phản ứng LWR, vấn đề tồn tại và mục tiêu nghiên cứu của luận án. Chương 2 trình bày phương pháp nghiên cứu sử dụng mô phỏng Monte Carlo với chương trình MVP. Chương 3 trình bày chi tiết kết quả nghiên cứu khảo sát các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 khi sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt với đặc tính độ dẫn nhiệt của thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ vi hạt tăng so với nhiên liệu truyền thống. Đánh giá tính khả thi về mặt đặc trưng vật lý nơtrôn đối với mô hình chất hấp thụ dạng vi hạt trộn nhẫu nhiên trong nhiên liệu.
Nghiên cứu thiết kế cải tiến bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 sử dụng 5 chất hấp thụ Gd2 O3 dạng vi hạt nhằm đồng thời giảm hệ số công suất cực đại. Khảo sát khả năng sử dụng chất hấp thụ dạng hạt cho thiết kế mới với nồng độ Boron trong nước làm mát thấp. Cuối cùng là phần kết luận, tóm tắt các kết quả đạt được trong luận án và đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng. Tổng quan về lò phản ứng VVER 1.
Sự phát triển của công nghệ VVER VVER hay WWER (Water-Cooled Water-Moderated Energy Reactor) là lò phản ứng năng lượng nước - nước được thiết kế và chế tạo bởi Liên Xô (cũ) từ những năm 1950s. Các phiên bản của công nghệ lò phản ứng VVER được thiết kế có công suất từ 300 MWe đến 1700 MWe, sử dụng nước nhẹ là chất làm chậm và đồng thời là chất tải nhiệt, tương tự như các loại lò phản ứng nước áp lực PWR. Thế hệ lò VVER đầu tiên được xây dựng từ những năm 1960 ở Liên Xô cũ. Năm 1964, lò phản ứng VVER đầu tiên (VVER-210) với công suất 210 MWe được đưa vào vận hành là Unit 1 của nhà máy điện (NPP) Novovoronezh.
Unit 2 (VVER-365) với công suất 365 MWe của nhà máy điện Novovoronezh được hoàn thiện năm 1969. Cùng thời điểm đó phiên bản lò phản ứng VVER-440 được phát triển với công suất lớn hơn và một số cải tiến về hệ thống tải nhiệt và sinh hơi. Các lò phản ứng VVER-440 đầu tiên được xây dựng là Unit 3 và 4 của nhà máy điện Novovoronezh năm 1971 và 1972. VVER có những đặc trưng riêng trong thiết kế và giải pháp công nghệ [55].
Một số đặc trưng riêng của công nghệ lò phản ứng VVER: • Các bó nhiên liệu được thế kế với tiết diện ngang hình lục giác, được sắp xếp trong vùng hoạt lò phản ứng tại các ô mạng hình lục giác. Các thanh nhiên liệu bên trong bó nhiên liệu được bố trí theo các ô mạng hình tam giác. • Hợp kim Zr-Ni được sử dụng làm vỏ bọc các thanh nhiên liệu. • Sử dụng bình sinh hơi nằm ngang đảm bảo an toàn đối với các nguy cơ thường gặp như sự ăn mòn cơ học hay nứt gãy do ăn mòn ứng suất (SCC),.
của các ống trao đổi nhiệt, một trong những nguyên nhân dẫn tới sự cố mất chất tải nhiệt (LOCA); • Không có các ống dẫn vào/ra ở đáy thùng lò; 7 • Sử dụng bình điều áp loại lớn đảm bảo khả năng an toàn của lò phản ứng do tích trữ lượng nước làm mát lớn. Các phiên bản cải tiến của VVER-440 tiếp tục được phát triển như phiên bản V-230, với số thanh điều khiển giảm từ 73 xuống 37 nhờ việc sử dụng Boron trong nước tải nhiệt. Trong khoảng thời gian từ 1973 – 1982, khoảng 14 lò phản ứng phiên bản V-230 đã được xây dựng. VVER-440/V-230 sử dụng 6 vòng làm mát sơ cấp với 6 bình sinh hơi nằm ngang, với hệ thống an toàn có độ dư gấp đôi.
Một phiên bản cải tiến khác là VVER-440/V-213 được trang bị hệ thống an toàn khẩn cấp (ECCS) và hệ thống cấp nước phụ trợ (AFS) cũng như nâng cấp các hệ thống khoanh vùng sự cố. Lò phản ứng VVER-1000 ra đời với các cải tiến đáng kể so với các phiên bản lò phản ứng VVER thế hệ trước, trong đó có hệ điều khiển tự động và hệ thống an toàn thụ động [68]. Lò phản ứng VVER-1000 có công suất điện 1000 MWe với 4 vòng làm mát sơ cấp có cấu trúc được bao bọc bởi lớp vỏ nhà lò với hệ thống phun hơi nước giúp tải nhiệt dư cho nhà lò. Các thiết kế lò phản ứng VVER-1000 được xây dựng kết hợp giữa các hệ thống kiểm soát an toàn chủ động (Active Safety System), các hệ thống an toàn thụ động và các hệ thống an toàn nhà lò theo liên kết quy chuẩn với các lò phản ứng hạt nhân thuộc thế hệ III.
Phiên bản VVER-1000/V-320 được coi là phiên bản thiết kế tiêu chuẩn của công nghệ lò VVER-1000, và đây là phiên bản mà chúng tôi sử dụng các thông số chính để tham khảo cho nghiên cứu của luận án này. Dựa trên kinh nghiệm thiết kế và vận hành các lò VVER-1000/V-320, cùng với sự tiếp thu công nghệ PWR và đáp ứng các yêu cầu mới của Liên Bang Nga cũng như các quy chuẩn quốc tế. Liên Bang Nga đã cho ra đời các thiết kế mới với nhiều cải thiện về độ tin cậy, khả năng đáp ứng an toàn và tính kinh tế như VVER-1000/V-428, VVER-1000/V-392 và VVER-1000/V-421. Công nghệ lò phản ứng nước nhẹ VVER đã được xây dựng và phổ biến ở nhiều nước trên thế giới như Nga và các nước thuộc Liên bang Xô Viết cũ, ngoài ra có Trung Quốc, Phần Lan, Đức, Hungary, Slovakia, Bulgaria, Ấn Độ, Iran, và một số nước khác cũng đang lên kế hoạch phát triển điện hạt nhân với công nghệ VVER.
Các lò phản ứng nước nhẹ VVER-1000 phiên bản VVER-1000/V-320, VVER- 1000/V-428 và VVER-1000/V-392 được xây dựng từ việc phân tích, đánh giá 8 và đúc kết kinh nghiệm thiết kế, xây dựng, vận hành của Viện thiết kế OKB Gidropress. Sau đó, chính Viện thiết kế OKB Gidropress đã nghiên cứu và phát triển hệ thống an toàn thụ động cho thiết kế mới, thuộc thế hệ III+ (VVER-1200) [67]. Các cải tiến của thiết kế VVER-1200 mới nhất hiện nay đã được thương mại hóa:(1) Tối ưu cấu trúc của các hệ thống và kết hợp 2 nguyên tắc đảm bảo an toàn thụ động và chủ động; (2) Tối ưu các thông số vận hành; (3) Tăng áp suất thứ cấp của bình sinh hơi; (4) Cải tiến các loại vật liệu sử dụng để chế tạo các thiết bị chính, cho phép thời gian vận hành của các thiết bị lên đến 60 năm; (5) Cải tiến chu trình nhiên liệu với chu trình thay đảo lên đến 24 tháng; (6) Độ cháy cực đại trong bó nhiên liệu là 70 MWd/kgU. Vùng hoạt của lò phản ứng hạt nhân VVER-1200 gồm 163 bó thanh nhiên liệu và có 121 thanh hấp thụ của hệ thống bảo vệ và kiểm soát (CPSAR) [39].1 thống kê một số phiên bản lò phản ứng VVER tương ứng với quá trình phát triển của công nghệ theo thời gian và các quốc gia ứng dụng công nghệ VVER.1: Các phiên bản lò phản ứng VVER tương ứng với các thế hệ công nghệ lò phản ứng [38].
1955–1975 1966–2003 2000–2007 2007 – Nay Gen-I Gen-II Gen-III Gen-III+ Loại lò (Thiết kế) Loại lò (Thiết kế) Loại lò (Thiết kế) Loại lò (Thiết kế) VVER-210 (VVER-1) (Nga) VVER-1000 (V-187) (Nga) VVER-1000 (V-392) (Nga) VVER-1200 (V-392M) (Nga) VVER-70 (VVER-2) (Đức) VVER-1000 (V-302) (Nam Ukraine) VVER-1000 (V-446) (Iran) VVER-1000 (V-491) (Nga) VVER-365 (VVER-3M) VVER-1000 (V-338) (Nga, Ukraine) VVER-1000 (V-392B) (Nga) VVER-1500 (V-448) (Nga) VVER-440 (V-179) VVER-1000 (V-320) (Nga, VVER-1000 (V-412) (Ấn độ) VVER-640 (V-407) (Nga) VVER-440 (V-230) Ukraine, Ukraine, Czech, Bulgaria) VVER-1000 (V-428) (T. Lò phản ứng VVER-1000 Hình 1.1: Hệ thống lò phản ứng VVER-1000 [26].1 mô tả các hệ thống chính của lò phản ứng VVER-1000 bao gồm: thùng lò, hệ thống tải nhiệt, bình sinh hơi, bơm tải nhiệt, ống tải nhiệt, bình điều áp, hệ thống làm mát khẩn cấp vùng hoạt, .2 mô tả cấu trúc thùng lò phản ứng VVER-1000.2 mô tả các thông số thiết kế chính của hai phiên bản lò phản ứng VVER-1000 là V-320 và V-428. Vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 bao gồm 163 bó nhiên liệu UO2 với các độ giàu khác nhau như 1,6 wt%, 2,4 wt%, 3,7 wt%, 4,4 wt%. Các bó nhiên liệu có tiết diện ngang hình lục giác được sắp xếp vào các ô mạng hình lục giác bên trong vùng hoạt.
Khoảng cách tâm của hai bó nhiên liệu cạnh (assembly pitch) nhau là 23,6 cm. Mỗi bó nhiên liệu có 331 vị trí cho các thanh nhiên liệu và ống dẫn (thanh điều khiển và thiết bị đo đạc), thông thường 312 vị trí thanh nhiên liệu, 18 vị trí cho thanh điều khiển và 1 vị trí trung tâm là thanh nước cho thiết bị đo đạc. Vị trí các thanh điều khiển trong ống dẫn có thể được dịch chuyển trong quá trình vận hành lò phản ứng nhờ hệ thống điều khiển cơ học.2: Thùng lò phản ứng VVER-1000 [68]. Chất hấp thụ nơtrôn sử dụng trong lò phản ứng 1.
Các chất hấp thụ nơtrôn phổ biến Chất hấp thụ nơtrôn được sử dụng phổ biến trong các lò phản ứng LWRs trong dải phổ nơtrôn nhiệt là Gd2 O3 và B4 C, ngoài ra còn có một số chất khác như: CdO, Sm2 O3 , Eu2 O3 , Dy2 O3 , Er2 O3 và HfO2 cũng có thể được sử dụng như chất hấp thụ nơtrôn trong các thiết kế bó nhiên liệu [3]. Trong dải năng lượng nhiệt của nơtrôn, các đồng vị sau có tiết diện hấp thụ lớn: 10 B, 113 Cd, 149 Sm, 151 Eu, 155 Gd, 157 Gd, 161 Dy, 164 Dy, 167 Er và 177 Hf.3 mô tả tiết diện hấp thụ nơtrôn của một số đồng vị hấp thụ Gd, B, 12 Bảng 1.2: Các thông số thiết kế cơ bản của lò phản ứng VVER-1000 [68]. Thông số VVER-1000 Kiểu lò V-320 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 3 Tốc độ dòng chảy nước tải nhiệt, m /h 84800 86000 o Nhiệt độ nước tải nhiệt lối ra, C 320 321 Tổng số bó nhiên liệu, pcs 163 163 Tổng số thanh hấp thụ trong cụm CPSAR, pcs 61 121 Tổng khối lượng Uranium, tấn 80 80 235 Độ giàu U, wt% 4,4 4,4 Thời gian vận hành lò (năm) 30 40 Er và Dy.4 so sánh tiết diện phản ứng hấp thụ nơtrôn của một số đồng vị trong dải năng lượng nơtrôn nhiệt.4 liệt kê một số chất hấp thụ nơtrôn phổ biến và các tính chất vật lý của các chất hấp thụ nói trên. Nhiệt độ nóng chảy của các chất hấp thụ này chủ yếu là lớn hơn 2000o C, giá trị thấp nhất ứng với CdO là 1427o C, cao hơn nhiệt độ thanh nhiên liệu trong quá trình vận hành lò phản ứng.
Vì vậy đảm bảo chất hấp thụ không bị nóng chảy khi được thiết kế gắn với các thanh nhiên liệu.