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" do nghiên cứu sinh Hoàng Thanh Phi Hùng thực hiện tại Trung tâm Đào tạo hạt nhân thuộc Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam (phối hợp cùng Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân và Đại học Duy Tân) dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Trần Hoài Nam và TS. Hồ Mạnh Dũng. Công trình được bảo vệ năm 2021 thuộc chuyên ngành Vật lý nguyên tử và hạt nhân (mã số: 9 44 01 06), nằm trong khuôn khổ đề tài nghiên cứu do Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) tài trợ (mã số đề tài: 103.20).
Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu
Trong công nghệ lò phản ứng nước áp lực thế hệ mới nói chung và dòng lò VVER-1000 nói riêng, việc nâng cao công suất vận hành (power upgrading) và kéo dài chu trình nhiên liệu đạt độ sâu cháy cao (high burnup fuel, từ 45 đến 50 GWd/t) đòi hỏi phải tăng độ giàu ban đầu của nhiên liệu $\text{UO}_2$ (lên đến 4,4 wt% $^{235}\text{U}$). Điều này dẫn đến sự gia tăng độ phản ứng dự trữ rất lớn ở giai đoạn đầu chu trình (BOC). Để kiểm soát độ phản ứng dư này và giữ hệ số nhân nơtrôn gần như không đổi trong dải độ cháy từ 0 đến 10 GWd/t nhằm tránh xuất hiện đỉnh công suất, các thiết kế truyền thống sử dụng chất hấp thụ nơtrôn cháy được $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trộn đều đồng nhất vào các viên nhiên liệu $\text{UO}_2$.
Tuy nhiên, $\text{Gd}_2\text{O}_3$ có độ dẫn nhiệt thấp hơn đáng kể so với $\text{UO}_2$. Khi trộn đều bột $\text{Gd}_2\text{O}_3$ vào $\text{UO}_2$, độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu tổng thể bị suy giảm trong dải nhiệt độ vận hành 300–1273 K (chỉ đạt 3,8–2,6 W/mK), gây bất lợi cho việc truyền nhiệt và giới hạn an toàn nhiệt của thanh nhiên liệu. Các thực nghiệm cho thấy việc đưa $\text{Gd}_2\text{O}_3$ vào viên nhiên liệu dưới dạng các vi hạt phân tán ngẫu nhiên giúp cải thiện độ dẫn nhiệt (đạt 5,8–2,7 W/mK đối với hạt kích thước 25–53 µm). Khoảng trống nghiên cứu đặt ra là khi chuyển sang dạng vi hạt, hiệu ứng tự che chắn nơtrôn (self-shielding effect) làm thay đổi bản chất và tốc độ cháy của các đồng vị hấp thụ ($^{155}\text{Gd}$, $^{157}\text{Gd}$). Do đó, cần phải mô phỏng chính xác các đặc trưng vật lý nơtrôn, tối ưu hóa kích thước hạt, tỉ lệ thể tích và cấu hình sắp xếp thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu VVER-1000 để vừa cải thiện độ dẫn nhiệt, vừa kiểm soát tốt độ phản ứng và hệ số đỉnh công suất.
Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu
Mục tiêu cốt lõi của luận án là ứng dụng phương pháp mô phỏng Monte Carlo để khảo sát các đặc trưng hạt nhân, đánh giá tính khả thi và đề xuất các thiết kế cải tiến cho bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 sử dụng vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$. Luận án giải quyết 3 nhiệm vụ cụ thể được đánh số theo văn bản:
- 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 $\text{UO}_2\text{–Gd}_2\text{O}_3$.
- 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 $\text{UO}_2\text{–Gd}_2\text{O}_3$. Các thông số vi hạt chất hấp thụ được tối ưu hóa để thu được đường cong biểu diễn độ phản ứng với độ cháy có hệ số đỉnh công suất (PPF) nhỏ hơn so với giá trị tham chiếu.
- 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 (MTC).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Bó nhiên liệu hình lục giác của lò phản ứng nước nhẹ VVER-1000 phiên bản tiêu chuẩn V-320 (công suất nhiệt 3000 MWt, cấu trúc 331 vị trí gồm 312 thanh nhiên liệu, 18 ống dẫn thanh điều khiển CPSAR và 1 ống đo trung tâm).
- Phạm vi nghiên cứu:
- Về mặt vật lý: Tính toán hệ số nhân vô hạn ($k_\infty$), hệ số nhân hiệu dụng ($k_{eff}$), phân bố công suất tương đối giữa các thanh, hệ số đỉnh công suất (PPF), mật độ số nguyên tử các đồng vị $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$, và hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm (MTC).
- Về phạm vi độ sâu cháy: Khảo sát chi tiết trong giai đoạn đầu chu trình từ 0 đến 10 GWd/t (giai đoạn chất hấp thụ cháy mạnh) và mở rộng kiểm chứng đến 40 GWd/t.
- Về cấu hình: Khảo sát bó 12 thanh và 18 thanh chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ với đường kính hạt từ 40 µm đến 300 µm, tỉ lệ thể tích vi hạt từ 3,33% đến 5,0%, trong các điều kiện nồng độ Boron danh định, 50% Boron và không chứa Boron hòa tan.
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Các hướng nghiên cứu liên quan đã được điểm lại
Luận án đã hệ thống hóa các nghiên cứu quốc tế về vật liệu hấp thụ nơtrôn và phương pháp tối ưu hóa phân bố thanh nhiên liệu trong các lò phản ứng nước nhẹ (LWR):
- Nghiên cứu về chất hấp thụ nơtrôn: Các vật liệu phổ biến được sử dụng gồm $\text{B}_4\text{C}$, $\text{Gd}_2\text{O}_3$, $\text{Er}_2\text{O}_3$, $\text{Sm}_2\text{O}_3$, $\text{Eu}_2\text{O}_3$, $\text{Dy}_2\text{O}_3$ và $\text{HfO}_2$. Trong đó, $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$ có tiết diện hấp thụ nơtrôn nhiệt rất lớn (lần lượt là 60.737 b và 252.912 b tại năng lượng 0,0253 eV), chiếm khoảng 30% trong Gadolinium tự nhiên, rất thích hợp để điều khiển độ phản ứng giai đoạn 0–10 GWd/t. Galahom [17] và Reda cùng cộng sự [52] đã khảo sát ảnh hưởng của việc tăng số lượng thanh chứa chất hấp thụ từ 12 lên 24 thanh trong lò PWR nhằm điều khiển hệ số nhân hiệu dụng. Dandi cùng cộng sự [11] đã nghiên cứu kết hợp thanh WABA và thanh chứa Erbium. Choe cùng cộng sự [10] đề xuất cấu trúc thanh nhiên liệu lai $\text{UO}_2\text{–}^{157}\text{Gd}_2\text{O}_3$ phủ lớp $\text{ZrEr}_2$ để tối ưu hóa đặc tính cháy.
- Phương pháp tối ưu hóa thiết kế bó nhiên liệu: Hirano và cộng sự [23] sử dụng phương pháp liệt kê đầy đủ kết hợp tính toán xấp xỉ để giảm hệ số đỉnh công suất cho lò BWR. Lim và cộng sự [34] ứng dụng phương pháp ma trận và kỹ thuật phi tuyến. Francois và cộng sự [16] dùng thuật toán tìm kiếm Tabu (Tabu Search). Haibach cùng cộng sự [20] và Yilmaz cùng cộng sự [72] áp dụng thuật toán di truyền (Genetic Algorithm) cho lò PWR. Rogers cùng cộng sự [54] tối ưu hóa vị trí các thanh chất hấp thụ trong vùng hoạt lò PWR.
- Nghiên cứu thực nghiệm về truyền nhiệt của nhiên liệu vi hạt: Các công trình [2, 4, 25, 32] xác nhận việc nén các vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ phân tán trong nền $\text{UO}_2$ giúp khắc phục hiện tượng suy giảm độ dẫn nhiệt so với phương pháp trộn bột truyền thống.
- Phương pháp mô hình hóa hình học ngẫu nhiên: Nhóm tác giả Murata và cộng sự [42, 43] đã phát triển các mã MCNP-CFP và MCNP-BALL để mô phỏng các hạt nhiên liệu phủ lớp (CFP) trong lò phản ứng nhiệt độ cao (HTR) và lò phản ứng đá cuội (PBR). Viện Nghiên cứu Năng lượng nguyên tử Nhật Bản (JAEA) đã tích hợp mô hình hình học thống kê (STGM) vào chương trình MVP/GMVP [45].
Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết
Phần lớn các nghiên cứu tối ưu hóa trước đây tập trung vào lò nước sôi (BWR) hoặc lò nước áp lực hình học vuông (PWR) với giả thiết chất hấp thụ phân bố đồng nhất. Đối với lò VVER-1000 có hình học bó lục giác và mạng thanh tam giác, việc sử dụng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dạng vi hạt phân bố ngẫu nhiên chưa được khảo sát đầy đủ về mặt vật lý nơtrôn và cháy nhiên liệu. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách mô phỏng chi tiết hiệu ứng tự che chắn của vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trong bó nhiên liệu VVER-1000/V-320, xác lập các thông số kích thước hạt tối ưu, thiết kế lại cấu hình bố trí 18 thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ và đánh giá khả năng vận hành ở chế độ nồng độ Boron thấp.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết và công thức phân tích
Luận án dựa trên lý thuyết vận chuyển nơtrôn và lý thuyết cháy nhiên liệu hạt nhân:
- Phương trình vận chuyển nơtrôn (Phương trình Boltzmann): Được giải bằng cách chuyển về phương trình tích phân mật độ va chạm $\Psi(\mathbf{r}, E, \mathbf{\Omega}, t)$ và giải bằng chuỗi Neumann thông qua mô phỏng thống kê Monte Carlo.
- Tiết diện hấp thụ hiệu dụng của vi hạt: Khi các hạt vi mô được xem như vật hấp thụ đen, tiết diện hấp thụ hiệu dụng phụ thuộc vào mật độ số hạt $n_P$ và bán kính ban đầu $R_0$:
$$\Sigma_a(t) = n_P \cdot \pi R_0^2 \left(1 - \frac{\int_0^t \Phi(t)dt}{4 N R_0}\right)^2$$
- Độ phản ứng và các hệ số tới hạn:
- Hệ số nhân vô hạn $k_\infty = \varepsilon p_r \eta f$ (theo công thức 4 hệ số).
- Hệ số nhân hiệu dụng $k_{eff} = k_\infty L_f L_t$, trong đó $L_f$ và $L_t$ lần lượt là xác suất không rò nơtrôn nhanh và nơtrôn nhiệt.
- Độ phản ứng: $\rho = \frac{k - 1}{k}$.
- Hệ số phản hồi nhiệt độ của chất làm chậm (MTC): $\text{MTC} = \frac{\partial \rho}{\partial T_m}$.
Mô phỏng Monte Carlo MVP (Năng lượng liên tục) + STGM
MVP_ART (Tiết diện nơtrôn tại nhiệt độ chỉ định)
MVP_BURN (Phương pháp Bateman cải tiến, chuỗi u4cm6fp50bp16T)
Phương pháp nghiên cứu và công cụ tính toán
- Mô phỏng Monte Carlo năng lượng liên tục: Sử dụng chương trình MVP/GMVP phiên bản II của JAEA. Chương trình này cho phép mô tả chính xác hình học 3 chiều phức tạp và tương tác nơtrôn mà không cần rời rạc hóa các biến năng lượng hay góc bay.
- Mô hình hình học thống kê (STGM): Sử dụng hàm phân bố lân cận gần nhất (NND) kết hợp mã phụ trợ MCRDF để mô tả phân bố ngẫu nhiên của các vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ hình cầu trong ma trận $\text{UO}_2$ theo tỷ lệ thể tích $f_p$:
$$\frac{d}{dr}(\text{NND}(r)) = \frac{3 f_p}{2 (1 - f_p)} \exp\left(-\frac{3 f_p}{2 (1 - f_p)} \cdot r\right)$$
- Tính toán cháy với MVP_BURN: Tích hợp module BURN sử dụng phương pháp Bateman cải tiến để giải hệ phương trình suy giảm đồng vị qua từng bước cháy. Luận án áp dụng chuỗi cháy tiêu chuẩn
u4cm6fp50bp16T gồm các actinide (nhóm u4cm6), 50 sản phẩm phân hạch chính (fp50) và 16 đồng vị chất hấp thụ nơtrôn (bp16).
- Thư viện số liệu hạt nhân: Thư viện số liệu hạt nhân đánh giá của Nhật Bản JENDL-3.3 (được xử lý thông qua hệ chương trình LICEM).
- Điều kiện biên: Điều kiện biên phản xạ tuyệt đối (specular reflection) được áp dụng cho toàn bộ các mặt bao ngoài của mô hình ô mạng bó nhiên liệu lục giác.
| Thông số / Công cụ |
Mô tả kỹ thuật trong luận án |
| Chương trình mô phỏng |
MVP/GMVP II (JAEA), tích hợp module tính cháy MVP_BURN |
| Thư viện dữ liệu hạt nhân |
JENDL-3.3 |
| Chuỗi tính cháy |
u4cm6fp50bp16T (Actinides: u4cm6; FPs: 50; BP: 16) |
| Mô hình phân bố vi hạt |
Statistical Geometry Model (STGM) kết hợp phân bố NND |
| Điều kiện biên hình học |
Phản xạ tuyệt đối (Specular reflection) trên mạng lục giác |
| Công cụ kiểm tra hình học |
CGVIEW |
| Mã đối chứng kiểm chứng |
Chương trình tất định SRAC và bài toán chuẩn Benchmark (BM) |
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan về lò phản ứng VVER và chất hấp thụ nơtrôn
Chương này tổng quan về tiến trình phát triển các thế hệ lò VVER từ VVER-210, VVER-365, VVER-440 (phiên bản V-230, V-213) đến VVER-1000 (các phiên bản V-187, V-302, V-338, V-320, V-392, V-428) và các thiết kế thế hệ III+ như VVER-1200. Các đặc trưng kỹ thuật chính của lò VVER bao gồm: cấu trúc bó nhiên liệu hình lục giác với các thanh nhiên liệu bố trí theo ô mạng tam giác; vỏ bọc thanh nhiên liệu bằng hợp kim Zr-Ni/Zr-Nb; sử dụng bình sinh hơi nằm ngang nhằm hạn chế nguy cơ ăn mòn ứng suất (SCC); không có ống dẫn xuyên đáy thùng lò; và trang bị bình điều áp thể tích lớn.
Tác giả phân tích cấu trúc vật lý của lò VVER-1000/V-320 với công suất nhiệt 3000 MWt, áp suất vòng sơ cấp 15,7 MPa, lưu lượng nước làm mát $84.800\text{ m}^3/\text{h}$, vùng hoạt gồm 163 bó nhiên liệu với tổng khối lượng Uranium khoảng 80 tấn. Mỗi bó nhiên liệu có khoảng cách tâm (pitch) là 23,6 cm, chứa 312 thanh nhiên liệu, 18 ống dẫn cho thanh điều khiển CPSAR và 1 ống đo trung tâm.
Chương 1 so sánh tính chất vật lý của các chất hấp thụ nơtrôn trong phổ nhiệt:
- $\text{B}_4\text{C}$ ($^{10}\text{B}$ chiếm 90 wt%, $\sigma_a = 3844\text{ b}$, nhiệt độ nóng chảy $2350^\circ\text{C}$).
- $\text{Gd}_2\text{O}_3$ ($^{155}\text{Gd}$ chiếm 14,8 wt% với $\sigma_a = 60.737\text{ b}$; $^{157}\text{Gd}$ chiếm 15,65 wt% với $\sigma_a = 252.912\text{ b}$; khối lượng riêng $7,4\text{ g/cm}^3$; nhiệt độ nóng chảy $2350^\circ\text{C}$; quãng đường tự do trung bình nơtrôn nhiệt là $8,3\text{ µm}$).
- Các chất hấp thụ khác: $\text{CdO}$, $\text{Sm}_2\text{O}_3$, $\text{Eu}_2\text{O}_3$, $\text{Dy}_2\text{O}_3$, $\text{Er}_2\text{O}_3$, $\text{HfO}_2$.
Chương này chỉ ra hạn chế của phương pháp trộn đều $\text{Gd}_2\text{O}_3$ làm giảm độ dẫn nhiệt viên nhiên liệu và dẫn ra cơ sở thực nghiệm khẳng định $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dạng vi hạt (kích thước 25–53 µm) giúp duy trì độ dẫn nhiệt ở mức 5,8–2,7 W/mK trong dải 300–1273 K (cao hơn mức 3,8–2,6 W/mK của dạng trộn đều).
| Đặc tính vật lý |
$\text{Gd}_2\text{O}_3$ |
$\text{B}_4\text{C}$ |
$\text{Er}_2\text{O}_3$ |
$\text{CdO}$ |
$\text{Sm}_2\text{O}_3$ |
$\text{Eu}_2\text{O}_3$ |
$\text{Dy}_2\text{O}_3$ |
$\text{HfO}_2$ |
| Đồng vị hấp thụ chính |
$^{155}\text{Gd}$, $^{157}\text{Gd}$ |
$^{10}\text{B}$ |
$^{167}\text{Er}$ |
$^{113}\text{Cd}$ |
$^{149}\text{Sm}$ |
$^{151}\text{Eu}$ |
$^{161}\text{Dy}$, $^{164}\text{Dy}$ |
$^{177}\text{Hf}$ |
| Tiết diện hấp thụ nhiệt $\sigma_a$ (b) |
60.737 ; 252.912 |
3.844 |
650 |
20.600 |
40.140 |
9.200 |
595 ; 2.650 |
373 |
| Khối lượng riêng ($\text{g/cm}^3$) |
7,40 |
2,52 |
8,64 |
8,15 |
8,35 |
7,30 |
7,81 |
9,68 |
| Quãng đường tự do ($\mu\text{m}$) |
8,3 |
25,0 |
2373,6 |
101,6 |
61,7 |
87,8 |
418,6 |
4164,6 |
| Nhiệt độ nóng chảy ($^\circ\text{C}$) |
2350 |
2350 |
2355 |
1427 |
2325 |
2050 |
2340 |
2758 |
Chương 2. Phương pháp nghiên cứu
Chương 2 trình bày cơ sở toán lý của phương trình Boltzmann, phương pháp Monte Carlo và quy trình mô phỏng bằng chương trình MVP/GMVP II kết hợp module MVP_BURN. Tác giả xây dựng chi tiết mô hình hình học ô mạng bó nhiên liệu lục giác VVER-1000 trong MVP, gán các điều kiện biên phản xạ tuyệt đối, và thiết lập cấu hình phân bố vi hạt ngẫu nhiên bằng mô hình STGM.
Để kiểm chứng độ tin cậy của công cụ và thư viện JENDL-3.3, luận án đã thực hiện tính toán so sánh đối chứng giữa chương trình MVP với chương trình tất định SRAC và bài toán chuẩn Benchmark (BM) cho bó nhiên liệu VVER-1000 chứa 12 thanh $\text{UO}_2\text{–Gd}_2\text{O}3$ trộn đều trong dải độ sâu cháy 0–40 GWd/t. Kết quả tính toán hệ số nhân vô hạn $k\infty$ và phân bố công suất tương đối giữa MVP, SRAC và BM cho thấy sự phù hợp cao xuyên suốt chu trình cháy, khẳng định tính chính xác của mô hình MVP làm cơ sở triển khai các tính toán cải tiến ở Chương 3.
Chương 3. Thiết kế bó nhiên liệu cải tiến sử dụng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dạng vi hạt
Chương 3 trình bày các kết quả tính toán mô phỏng và tối ưu hóa 3 cấu hình thiết kế bó nhiên liệu:
-
Bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dạng vi hạt:
- Khảo sát đường kính hạt từ 40 µm đến 100 µm (hàm lượng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ là 5,0 wt%).
- Xác định kích thước hạt tối ưu là 60 µm. Tại kích thước này, đường cong $k_\infty$ và tốc độ suy giảm số nguyên tử của hai đồng vị $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$ trong giai đoạn 0–10 GWd/t và mở rộng đến 40 GWd/t trùng khớp tốt với bó nhiên liệu tham chiếu (dạng trộn đều).
- Thiết kế này bảo đảm đặc tính vật lý nơtrôn tương đương thiết kế chuẩn trong khi độ dẫn nhiệt của thanh nhiên liệu tăng lên đáng kể.
-
Bó nhiên liệu cải tiến với 18 thanh $\text{UO}_2\text{–Gd}_2\text{O}_3$ dạng vi hạt:
- Đề xuất hai mô hình phân bố vị trí 18 thanh chứa chất hấp thụ (Mô hình 1 và Mô hình 2) nhằm phân tán tải nhiệt và giảm hệ số đỉnh công suất.
- Khảo sát thông số vi hạt: Tỉ lệ thể tích tối ưu được xác định là 3,33% và đường kính vi hạt tối ưu là 300 µm.
- Kết quả: Hệ số $k_\infty$ duy trì mức kiểm soát tương đương bó tham chiếu ở giai đoạn đầu chu trình, đồng thời hệ số đỉnh công suất (PPF) của bó nhiên liệu giảm rõ rệt so với cấu hình 12 thanh vi hạt 60 µm và bó tham chiếu tại mọi bước cháy từ 0 đến 10 GWd/t.
-
Bó nhiên liệu VVER-1000 với hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp:
- Khảo sát bó nhiên liệu 18 thanh vi hạt (300 µm, 3,33% thể tích) trong điều kiện giảm 50% nồng độ Boron hòa tan và trường hợp hoàn toàn không có Boron (0% Boron).
- Đánh giá hệ số đỉnh công suất (PPF) và hệ số phản hồi nhiệt độ của chất làm chậm (MTC): Khi giảm nồng độ Boron hòa tan, hệ số MTC có giá trị âm hơn đáng kể trong toàn bộ quá trình cháy so với trường hợp nồng độ Boron tiêu chuẩn. Điều này giúp tăng cường độ an toàn nội tại và khả năng tự dập tắt phản ứng khi nhiệt độ chất làm chậm tăng.
| Cấu hình bó nhiên liệu |
Số thanh BA |
Dạng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ |
Đường kính hạt ($\mu\text{m}$) |
Hàm lượng / Tỉ lệ thể tích |
Nồng độ Boron |
Đặc tính vật lý nơtrôn và an toàn |
| Bó tham chiếu |
12 |
Trộn đều |
— |
5,0 wt% |
Danh định |
$k_\infty$ chuẩn; độ dẫn nhiệt thấp (3,8–2,6 W/mK) |
| Cấu hình 1 |
12 |
Vi hạt |
60 |
5,0 wt% |
Danh định |
$k_\infty$ tương đương tham chiếu; tăng độ dẫn nhiệt |
| Cấu hình 2 (Mô hình 1 & 2) |
18 |
Vi hạt |
300 |
3,33% thể tích |
Danh định |
$k_\infty$ ổn định; PPF giảm mạnh; phân bố công suất đều |
| Cấu hình 3 |
18 |
Vi hạt |
300 |
3,33% thể tích |
50% / 0% Boron |
PPF tối ưu; hệ số MTC âm hơn, tăng biên an toàn |
Kết quả và những đóng góp mới
Những đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật
- Khẳng định tính khả thi của mô hình vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$: Chứng minh bằng mô phỏng Monte Carlo năng lượng liên tục rằng việc thay thế bột $\text{Gd}_2\text{O}_3$ trộn đều bằng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dạng vi hạt phân tán ngẫu nhiên trong thanh nhiên liệu $\text{UO}2$ hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu về kiểm soát độ phản ứng dự trữ ($k\infty$) trong giai đoạn cháy 0–10 GWd/t của lò VVER-1000/V-320, đồng thời khai thác được ưu thế tăng độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu.
- Xác lập bộ thông số tối ưu cho bó 12 thanh: Xác định đường kính vi hạt tối ưu là 60 µm cho cấu hình 12 thanh $\text{UO}_2\text{–Gd}_2\text{O}_3$ (5,0 wt%), cho phép tái lập đặc tính cháy của $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$ tương đương thiết kế truyền thống.
- Phát triển thiết kế cải tiến 18 thanh vi hạt: Đề xuất cấu hình 18 thanh chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ với đường kính hạt tối ưu 300 µm và tỉ lệ thể tích 3,33%, đồng thời đạt được 3 mục tiêu: kiểm soát độ phản ứng ban đầu, làm phẳng phân bố công suất (giảm hệ số đỉnh công suất PPF) và nâng cao hiệu quả truyền nhiệt.
- Đề xuất giải pháp vận hành với nồng độ Boron thấp: Chứng minh việc kết hợp cấu hình 18 thanh vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ cho phép giảm hàm lượng axit Boric hòa tan trong nước làm mát, giúp hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm (MTC) trở nên âm hơn, loại trừ nguy cơ xuất hiện MTC dương ở đầu chu trình và nâng cao đặc tính an toàn nội tại của lò phản ứng.
Kiến nghị và giải pháp đề xuất
- Đề xuất áp dụng thiết kế bó nhiên liệu 18 thanh vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$ (đường kính 300 µm, tỉ lệ thể tích 3,33%) cho các chương trình nâng cấp công suất và tối ưu hóa chu trình nhiên liệu của lò phản ứng VVER-1000.
- Khuyến nghị kết hợp thiết kế vi hạt chất hấp thụ cháy được với việc giảm nồng độ Boron hòa tan trong chất tải nhiệt sơ cấp nhằm cải thiện biên an toàn nhiệt và hệ số phản hồi nhiệt độ.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu
Theo phạm vi được trình bày trong luận án, các mô phỏng và tính toán cải tiến được thực hiện ở cấp độ mô hình một bó nhiên liệu đơn lẻ (2D/vô hạn) với điều kiện biên phản xạ tuyệt đối, chưa mô phỏng toàn bộ vùng hoạt 3 chiều (full core 3D) với sự phân bố của 163 bó nhiên liệu có các độ giàu khác nhau và sự chuyển động thực tế của các thanh điều khiển CPSAR. Ngoài ra, các tính toán cháy nơtrôn chưa được ghép nối đồng thời với mã nhiệt thủy lực thời gian thực (coupled neutronics – thermal hydraulics).
Hướng nghiên cứu tiếp theo
Văn bản luận án đề xuất các định hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm:
- Mở rộng tính toán mô phỏng từ cấp độ bó nhiên liệu lên toàn bộ vùng hoạt 3 chiều của lò phản ứng VVER-1000 nhằm khảo sát tương tác giữa các bó nhiên liệu có độ cháy và độ giàu khác nhau.
- Thực hiện tính toán phân tích các chế độ chuyển tiếp và các kịch bản sự cố an toàn khi sử dụng bó nhiên liệu cải tiến chứa vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$.
- Nghiên cứu ghép nối mã tính nơtrôn MVP với các mã tính toán nhiệt thủy lực chuyên dụng để đánh giá toàn diện trường nhiệt độ và phân bố dòng tải nhiệt.
- Khảo sát ứng dụng mô hình vi hạt đối với các loại chất hấp thụ nơtrôn khác hoặc các cấu hình nhiên liệu độ giàu cao hơn và nhiên liệu hỗn hợp oxide (MOX).
Giá trị tham khảo
Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các đối tượng và lĩnh vực sau:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Vật lý hạt nhân, Kỹ thuật hạt nhân: Cung cấp tài liệu chi tiết về phương pháp Monte Carlo năng lượng liên tục, việc ứng dụng mô hình hình học thống kê STGM trong chương trình MVP/GMVP II và kỹ thuật tính cháy bằng module MVP_BURN với chuỗi
u4cm6fp50bp16T.
- Kỹ sư thiết kế nhiên liệu và chuyên gia vật lý lò phản ứng: Cung cấp bộ số liệu thiết kế, tiết diện nơtrôn, kích thước vi hạt tối ưu (60 µm cho bó 12 thanh, 300 µm cho bó 18 thanh) và phương pháp tối ưu hóa làm phẳng phân bố công suất trong bó nhiên liệu hình lục giác VVER.
- Cơ quan quản lý an toàn hạt nhân và chuyên gia phân tích an toàn: Cung cấp dữ liệu định lượng về sự thay đổi của hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm (MTC) khi giảm nồng độ Boron hòa tan, hỗ trợ công tác thẩm định an toàn lò phản ứng nước áp lực.
Câu hỏi thường gặp
1. Tại sao việc sử dụng $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dưới dạng vi hạt lại khắc phục được nhược điểm của thanh nhiên liệu $\text{UO}_2\text{–Gd}_2\text{O}_3$ truyền thống?
Trong thiết kế truyền thống, bột $\text{Gd}_2\text{O}_3$ được trộn đều đồng nhất với $\text{UO}_2$, làm suy giảm độ dẫn nhiệt tổng thể của viên nhiên liệu xuống còn 3,8–2,6 W/mK trong dải nhiệt độ 300–1273 K do $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dẫn nhiệt kém. Khi đưa $\text{Gd}_2\text{O}_3$ vào dưới dạng các vi hạt phân tán ngẫu nhiên, ma trận $\text{UO}_2$ nền vẫn giữ được tính liên tục, giúp độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu tăng lên mức 5,8–2,7 W/mK, từ đó cải thiện đáng kể khả năng truyền nhiệt của thanh nhiên liệu.
2. Hiệu ứng tự che chắn nơtrôn ảnh hưởng như thế nào khi chuyển chất hấp thụ sang dạng vi hạt?
Khi $\text{Gd}_2\text{O}_3$ tập trung thành các hạt vi mô, các lớp vật liệu bên ngoài hạt sẽ hấp thụ nơtrôn trước và che chắn cho các hạt nhân bên trong (tương tự vật hấp thụ đen). Hiệu ứng này làm thay đổi tiết diện hấp thụ hiệu dụng và làm chậm tốc độ cháy của các đồng vị $^{155}\text{Gd}$ và $^{157}\text{Gd}$. Bằng cách điều chỉnh đường kính vi hạt (như 60 µm cho bó 12 thanh hoặc 300 µm cho bó 18 thanh), tác giả kiểm soát được tốc độ cháy của chất hấp thụ khớp với yêu cầu duy trì độ phản ứng không đổi trong giai đoạn 0–10 GWd/t.
3. Tại sao cấu hình 18 thanh vi hạt lại ưu việt hơn cấu hình 12 thanh vi hạt truyền thống?
Cấu hình 18 thanh cho phép phân tán chất hấp thụ ra nhiều vị trí hơn với tỉ lệ thể tích mỗi thanh thấp hơn (3,33% thể tích, hạt 300 µm so với 5,0 wt%, hạt 60 µm ở bó 12 thanh). Điều này không chỉ kiểm soát tốt độ phản ứng ban đầu mà còn giảm đáng kể hệ số đỉnh công suất (PPF), giúp phân bố công suất giữa các thanh nhiên liệu trong bó đồng đều hơn và tăng biên độ an toàn nhiệt.
4. Việc giảm nồng độ Boron hòa tan trong nước làm mát mang lại lợi ích gì cho an toàn lò phản ứng?
Nồng độ Boron hòa tan cao ở đầu chu trình có thể làm hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm (MTC) kém âm hoặc chuyển sang giá trị dương, vi phạm tiêu chuẩn an toàn. Khi sử dụng bó nhiên liệu cải tiến 18 thanh vi hạt $\text{Gd}_2\text{O}_3$, lượng chất hấp thụ tích hợp sẵn trong thanh nhiên liệu giúp giảm nhu cầu sử dụng Boron hòa tan, làm cho hệ số MTC luôn duy trì giá trị âm sâu hơn ở mọi bước cháy, nâng cao khả năng tự kiểm soát công suất của lò phản ứng.
5. Các công cụ tính toán chính được sử dụng và kiểm chứng trong luận án gồm những gì?
Luận án sử dụng chương trình Monte Carlo năng lượng liên tục MVP/GMVP phiên bản II của JAEA, tích hợp module tính cháy MVP_BURN và mô hình hình học thống kê STGM, sử dụng thư viện số liệu hạt nhân JENDL-3.3. Độ tin cậy của mô hình MVP được kiểm chứng thông qua so sánh đối chứng với chương trình tất định SRAC và bài toán chuẩn Benchmark cho bó nhiên liệu VVER-1000 trong dải cháy 0–40 GWd/t.
Kết luận
Luận án của nghiên cứu sinh Hoàng Thanh Phi Hùng đã giải quyết thành công bài toán mô phỏng vật lý nơtrôn và cháy nhiên liệu cho bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 sử dụng chất hấp thụ $\text{Gd}_2\text{O}_3$ dạng vi hạt phân tán ngẫu nhiên bằng chương trình Monte Carlo MVP/GMVP II. Công trình đã xác định các thông số kích thước hạt tối ưu (60 µm cho bó 12 thanh và 300 µm cho bó 18 thanh), chứng minh khả năng duy trì đặc tính vật lý nơtrôn tương đương thiết kế chuẩn trong khi tăng cường độ dẫn nhiệt của thanh nhiên liệu và giảm hệ số đỉnh công suất PPF. Đồng thời, kết quả nghiên cứu mở ra giải pháp giảm nồng độ Boron hòa tan trong chất tải nhiệt để nâng cao độ âm của hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm, đóng góp cơ sở khoa học quan trọng cho việc cải tiến thiết kế và nâng cao mức độ an toàn của nhiên liệu lò phản ứng nước áp lực VVER.
