Khóa Luận Tốt Nghiệp: Tìm Hiểu Phần Mềm Mô Phỏng Nhà Máy Điện Hạt Nhân Loại PWR

Khóa luận tốt nghiệp khám phá phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân PWR, cung cấp cái nhìn sâu sắc về công nghệ và quy trình vận hành.

• Tác giả: Lương Kim Thiện
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Nguyễn Hòa Bình
• Trường học: Trường Đại Học Thủ Dầu Một
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện – Điện Tử
• Đề tài: Tìm Hiểu Phần Mềm Mô Phỏng Nhà Máy Điện Hạt Nhân Loại PWR
• Loại tài liệu: khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Bình Dương

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• GIỚI THIỆU
• 1. CHƯƠNG 1: CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
• 1.1. Nhà máy điện hạt nhân
• 1.1.1. Cấu tạo của nhà máy điện hạt nhân
• 1.1.2. Lò phản ứng hạt nhân
• 1.1.3. Thanh điều khiển
• 1.1.4. Chất làm chậm
• 1.1.5. Chất phản xạ
• 1.1.6. Tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác
• 1.2. Phản ứng phân hạch hạt nhân
• 1.2.1. Nguyên lý phản ứng phân hạch
• 1.2.2. Năng lượng phân hạch
• 1.2.3. Chất thải phóng xạ
• 1.2.4. Xử lý chất thải phóng xạ
• 1.2.4.1. Pháp, Nga, Nhật, Anh
• 1.2.4.2. Anh và Đức
• 1.3. BỨC TRANH SỬ DỤNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN TRÊN THẾ GIỚI
• 1.3.1. Ở Mỹ và các nước phương Tây
• 1.4. Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế IAEA
• 1.4.1. Một số công nghệ lò phản ứng hạt nhân
• 1.4.1.1. Lò nước nhẹ áp lực PWR (Pressurized Water Reactor)
• 1.4.2. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân
• 1.5. Một số tai nạn của các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới
• 1.5.1. Tai nạn tại nhà máy điện nguyên tử TMI ( Three Mile Island ) của Mỹ
• 1.5.1.1. Nhân viên vận hành phán đoán nhầm
• 1.5.1.2. Nhân viên vận hành vi phạm nguyên tắc
• 1.5.1.3. Khiếm khuyết trong thiết kế
• 1.5.2. Tai nạn của nhà máy điện hạt nhân Chernobyl ở Liên Xô cũ
• 1.5.2.1. Sự khiếm khuyết của hệ thống quản lý
• 1.5.2.2. Sự khiếm khuyết của chức năng đóng kín các chất phóng xạ. Không có vỏ lò phản ứng
• 1.5.2.3. Vi phạm nguyên tắc vận hành, nhân viên vận hành thiếu kiến thức
• 1.5.2.4. Khiếm khuyết về mặt quan trọng thiết kế
• 1.5.3. Tai nạn ở công ty JCO tại Tokaimura Nhật Bản
• 1.5.4. Một số hình ảnh cháy nổ nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản
• 1.6. Các tiêu chí đánh giá mức độ tai nạn nguyên tử
• 1.6.1. Rạn nứt do ăn mòn ứng suất (Stress Crrosion Cracking:SCC)
• 1.6.2. Những biện pháp được áp dụng để phòng chống hiện tượng SCC
• 1.6.3. Sự cố máy bay dân dụng đâm vào nhà máy điện nguyên tử
• 1.7. Tình hình năng lượng nguyên tử của Việt Nam
• 2. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU VỀ PHẦN MỀM MÔ PHỎNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN LOẠI PWR
• 2.1. Cách chạy phần mềm
• 2.2. Chức năng của các thông số mô phỏng
• 2.2.1. Ứng dụng: Có hai chế độ để lựa chọn
• 2.2.2. Chế độ: Chọn các chế độ của nhà máy cho phần mềm
• 2.2.3. Tạo File thư mục
• 2.2.4. Thông số: Cài đặt dữ liệu phần thông số
• 2.2.5. Đồ thị: Cài đặt các thông số của phần đồ thị
• 2.2.6. Hoàn thành xong thông số cài đặt
• 2.2.7. Thư mục thông tin của phần mềm
• 3. CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN
• 3.1. Trường hợp 1: Lò xảy ra sự cố
• 3.2. Trường hợp 2: Hạ thanh điều khiển số 2 xuống mức 150 cm
• 3.3. Trường hợp 3: Tăng thanh điều khiển số 2 lên mức 180 cm
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN
• 4.1. Kết quả mà em đã tiếp thu được sau khi làm xong đề tài này là
• 4.2. Trong quá trình thực hiện đề tài em đã gặp phải những khó khăn sau
• 4.3. Nhận xét về phần mềm mô phỏng
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Phần Mềm Mô Phỏng Nhà Máy Điện Hạt Nhân PWR

Phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân PWR (Pressurized Water Reactor) là công cụ quan trọng trong việc thiết kế và vận hành các nhà máy điện hạt nhân. Nó giúp các kỹ sư và nhà nghiên cứu mô phỏng các quy trình hoạt động của lò phản ứng, từ đó tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn. Với sự phát triển của công nghệ, phần mềm này ngày càng trở nên tinh vi, cho phép mô phỏng chính xác hơn các tình huống thực tế trong nhà máy.

1.1. Định nghĩa và vai trò của phần mềm mô phỏng PWR

Phần mềm mô phỏng PWR là công cụ giúp mô phỏng các quy trình trong nhà máy điện hạt nhân. Nó cho phép phân tích hiệu suất và an toàn của lò phản ứng, từ đó hỗ trợ trong việc ra quyết định.

1.2. Lịch sử phát triển phần mềm mô phỏng PWR

Phần mềm mô phỏng PWR đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển. Từ những năm đầu của ngành công nghiệp hạt nhân, phần mềm này đã được cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về an toàn và hiệu suất.

II. Các Thách Thức Trong Việc Ứng Dụng Phần Mềm Mô Phỏng PWR

Việc ứng dụng phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân PWR không chỉ đơn thuần là sử dụng công nghệ mà còn đối mặt với nhiều thách thức. Các vấn đề như độ chính xác của mô hình, khả năng xử lý dữ liệu lớn và yêu cầu về an toàn là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ chính xác của mô hình mô phỏng

Độ chính xác của mô hình mô phỏng là yếu tố quyết định đến hiệu quả của phần mềm. Các mô hình cần phản ánh đúng các quy trình vật lý trong lò phản ứng để đảm bảo kết quả mô phỏng chính xác.

2.2. Khả năng xử lý dữ liệu lớn

Phần mềm mô phỏng PWR cần có khả năng xử lý một lượng lớn dữ liệu từ các cảm biến và thiết bị trong nhà máy. Điều này đòi hỏi công nghệ phần mềm phải được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu suất.

III. Phương Pháp Mô Phỏng Hiệu Quả Trong Nhà Máy Điện Hạt Nhân PWR

Để đạt được hiệu quả cao trong việc mô phỏng nhà máy điện hạt nhân PWR, cần áp dụng các phương pháp tiên tiến. Các phương pháp này không chỉ giúp cải thiện độ chính xác mà còn tăng cường khả năng dự đoán các tình huống khẩn cấp.

3.1. Sử dụng mô hình toán học trong mô phỏng

Mô hình toán học là nền tảng của phần mềm mô phỏng. Việc xây dựng các phương trình mô tả chính xác các quá trình vật lý trong lò phản ứng là rất quan trọng.

3.2. Tích hợp công nghệ AI vào phần mềm

Công nghệ trí tuệ nhân tạo (AI) có thể được tích hợp vào phần mềm mô phỏng để cải thiện khả năng phân tích và dự đoán. AI giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao độ chính xác của mô hình.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phần Mềm Mô Phỏng PWR

Phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân PWR đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Từ việc thiết kế lò phản ứng đến việc đào tạo nhân viên vận hành, phần mềm này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả và an toàn.

4.1. Thiết kế và tối ưu hóa lò phản ứng

Phần mềm mô phỏng giúp các kỹ sư thiết kế lò phản ứng hiệu quả hơn. Nó cho phép thử nghiệm nhiều cấu hình khác nhau để tìm ra giải pháp tối ưu.

4.2. Đào tạo nhân viên vận hành

Phần mềm mô phỏng cũng được sử dụng để đào tạo nhân viên vận hành. Nhân viên có thể thực hành trong môi trường mô phỏng trước khi làm việc thực tế, giúp giảm thiểu rủi ro.

V. Kết Luận và Tương Lai Của Phần Mềm Mô Phỏng PWR

Phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân PWR đang ngày càng trở nên quan trọng trong ngành công nghiệp hạt nhân. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, tương lai của phần mềm này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều cải tiến đáng kể trong việc nâng cao an toàn và hiệu suất.

5.1. Xu hướng phát triển công nghệ mô phỏng

Công nghệ mô phỏng sẽ tiếp tục phát triển với sự hỗ trợ của các công nghệ mới như AI và máy học. Điều này sẽ giúp cải thiện độ chính xác và khả năng dự đoán của phần mềm.

5.2. Tầm quan trọng của an toàn trong mô phỏng

An toàn luôn là ưu tiên hàng đầu trong ngành công nghiệp hạt nhân. Phần mềm mô phỏng cần được phát triển để đảm bảo an toàn tối đa cho các nhà máy điện hạt nhân.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu khí và thủy năng ngày càng cạn kiệt, an ninh năng lượng và yêu cầu giảm thiểu tác động môi trường trở thành thách thức lớn đối với nhiều quốc gia. Vào thời điểm nghiên cứu (năm 2014), trên thế giới có khoảng 447 lò phản ứng hạt nhân đang vận hành thương mại, đóng góp hơn 17% tổng sản lượng điện toàn cầu. Tốc độ gia tăng phát triển điện hạt nhân tại các quốc gia đang phát triển đạt mức trung bình 4,7%/năm, trong đó khu vực châu Á chiếm tới một nửa số lò phản ứng đang xây dựng mới trên thế giới.

Tại Việt Nam, chủ trương phát triển nguồn điện hạt nhân đã được Quốc hội khóa XII thông qua tại Nghị quyết số 41/2009/QH12 ngày 25/11/2009 với dự án Nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận (gồm Ninh Thuận 1 và Ninh Thuận 2, tổng công suất 4.000 MW). Với định hướng công nghệ chủ đạo là loại lò nước nhẹ áp lực (PWR) do đối tác Liên bang Nga cung cấp cho dự án Ninh Thuận 1, việc nghiên cứu nguyên lý vận hành, cấu tạo kỹ thuật và hệ thống điều khiển của loại lò này là yêu cầu cấp thiết phục vụ công tác chuẩn bị nguồn nhân lực kỹ thuật.

Khóa luận xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

1. Hệ thống hóa các kiến thức cơ sở về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, chu trình nhiệt và đặc tính an toàn của nhà máy điện hạt nhân, tập trung chuyên sâu vào công nghệ lò nước nhẹ áp lực PWR (Pressurized Water Reactor).
2. Tìm hiểu bức tranh phát triển điện hạt nhân trên thế giới, các thế hệ công nghệ lò phản ứng (từ thế hệ I đến thế hệ IV), các sự cố/tai nạn điển hình trong lịch sử (Three Mile Island, Chernobyl, Tokaimura) cùng các tiêu chuẩn an toàn quốc tế (thang sự cố INES, cơ chế chống ăn mòn ứng suất SCC).
3. Nắm bắt quy hoạch và định hướng phát triển điện hạt nhân của Việt Nam đến năm 2030 theo các phê duyệt của Chính phủ.
4. Tìm hiểu cấu trúc và giao diện vận hành của phần mềm mô phỏng lò PWR do Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA) phân phối.
5. Ứng dụng phần mềm mô phỏng để thực hiện các bài toán điều khiển cơ bản: vận hành khi xảy ra sự cố và điều chỉnh vị trí các thanh điều khiển hấp thụ nơtron trong vùng hoạt.

Đối tượng nghiên cứu của khóa luận là nguyên lý vận hành kỹ thuật của lò phản ứng nước áp lực PWR và chương trình phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân PWR của IAEA/Đại học Kỹ thuật Budapest. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian bao gồm các thông số kỹ thuật chuẩn của tổ máy PWR điển hình (PWR-1160 MWe), kết hợp phân tích số liệu thực tế tại các quốc gia phát triển điện hạt nhân (Mỹ, Pháp, Nga, Nhật Bản) và định hướng quy hoạch điện hạt nhân tại Ninh Thuận (Việt Nam). Về mặt thời gian, tài liệu khai thác các dữ liệu lịch sử ngành từ năm 1951 đến các mốc quy hoạch phát triển đến năm 2020 và 2030.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng nội dung dựa trên các cơ sở lý thuyết nhiệt - vật lý hạt nhân và công nghệ kỹ thuật điện nguyên tử:

• Nguyên lý phân hạch hạt nhân và hệ số nhân nơtron ($k$): Quá trình phân hạch của các hạt nhân nặng như Urani-235 ($^{235}\text{U}$) và Plutoni-239 ($^{239}\text{Pu}$) khi hấp thụ nơtron nhiệt, giải phóng động năng mảnh vỡ, bức xạ gamma và từ 2 đến 3 nơtron tự do. Cơ chế duy trì phản ứng dây chuyền có kiểm soát dựa trên việc điều chỉnh hệ số nhân $k = 1$ (trạng thái tới hạn), tránh trạng thái $k < 1$ (dưới tới hạn) hoặc $k > 1$ (vượt tới hạn).
• Nguyên lý nhiệt thủy lực hai vòng tuần hoàn của lò PWR: Vòng sơ cấp (vòng 1) vận hành ở áp suất rất cao (khoảng 150-157 atm) để giữ nước không bị sôi ở nhiệt độ cao (trên $300^\circ\text{C}$); nhiệt lượng được truyền qua thiết bị sinh hơi (Steam Generator) sang vòng thứ cấp (vòng 2) có áp suất thấp hơn để sinh hơi nước tinh khiết làm quay tuabin máy phát điện.
• Tiêu chuẩn an toàn và phân cấp sự cố hạt nhân: Thang đo sự cố hạt nhân quốc tế INES (International Nuclear Event Scale) gồm 8 cấp (từ cấp 0 đến cấp 7) do IAEA ban hành; cơ chế rạn nứt do ăn mòn ứng suất SCC (Stress Corrosion Cracking) trong hệ thống đường ống thép không gỉ.

Phương pháp nghiên cứu được tác giả triển khai bao gồm:

• Phương pháp thu thập, phân tích và tổng hợp tài liệu: Thu thập dữ liệu từ các báo cáo của IAEA, tài liệu hội thảo công nghệ điện nguyên tử quốc gia, các nghị quyết của Quốc hội và quyết định của Thủ tướng Chính phủ về dự án Ninh Thuận.
• Phương pháp mô phỏng số trên công cụ chuyên dụng: Khai thác phần mềm mô phỏng đào tạo lò PWR (chạy trên giao diện điều khiển phiên bản 3.x, do tác giả S. Szepessy thuộc Viện Kỹ thuật Hạt nhân - Đại học Kỹ thuật Budapest phát triển theo chương trình của IAEA năm 1991).
• Phương pháp thực nghiệm kịch bản: Thiết lập các thông số ban đầu và chạy thử nghiệm 3 kịch bản điều khiển hệ thống để quan sát động lực học phản ứng và phản hồi của các thông số nhiệt thủy lực qua đồ thị.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Các kiến thức cơ bản về nhà máy điện hạt nhân

Chương 1 trình bày chi tiết bức tranh tổng thể về công nghệ điện hạt nhân từ nguyên lý vật lý đến hiện trạng ứng dụng công nghiệp và các vấn đề an toàn:

• Cấu tạo và phần tử chính: Một nhà máy điện hạt nhân gồm 4 bộ phận chính: Lò phản ứng hạt nhân, Tuabin, Máy phát điện hơi nước, và Bộ phận ngưng tụ (Condenser). Cấu trúc vùng hoạt lò phản ứng bao gồm nhiên liệu, thanh điều khiển, chất làm chậm, chất tải nhiệt, vành phản xạ, thùng lò và tường bảo vệ bê tông cốt thép.

STT	Phần tử cấu trúc	Vật liệu sử dụng	Chức năng chính
1	Nhiên liệu	$^{235}\text{U}, ^{233}\text{U}, ^{239}\text{Pu}$	Cung cấp vật liệu phân hạch tạo nhiệt
2	Chất làm chậm	$\text{H}_2\text{O}, \text{D}_2\text{O}, \text{C}, \text{Be}$	Giảm năng lượng nơtron nhanh thành nơtron nhiệt
3	Chất tải nhiệt	$\text{H}_2\text{O}, \text{D}_2\text{O}, \text{He}, \text{Na}$	Tải nhiệt từ vùng hoạt làm mát lò và sinh hơi
4	Thanh điều khiển	$\text{Cd}, \text{B}, \text{Hf}$	Hấp thụ nơtron, điều chỉnh mức tăng giảm phản ứng
5	Vành phản xạ	Tương tự chất làm chậm	Giảm thiểu sự thất thoát nơtron ra ngoài
6	Thùng lò	Thép hợp kim (Fe & S/S)	Chịu áp lực cao, chứa toàn bộ vùng hoạt
7	Tường bảo vệ	Bê tông nặng, $\text{H}_2\text{O}, \text{Fe}, \text{Pb}$	Ngăn chặn bức xạ rò rỉ ra môi trường

• Quản lý chất thải phóng xạ: Thành phần thanh nhiên liệu sau khi cháy thải ra từ lò nước nhẹ gồm 94,3% $^{238}\text{U}$; 0,8% $^{235}\text{U}$; 0,46% $^{236}\text{U}$; 0,89% $\text{Pu}$; 3,5% sản phẩm phân hạch; và 0,05% chất khác. Các phương pháp xử lý điển hình: tái xử lý tạo nhiên liệu MOX và thủy tinh hóa (Pháp, Nga, Nhật, Anh); lưu giữ bể nước 3-5 năm rồi chôn sâu địa chất tại Yucca Mountain (Mỹ); chôn sâu 500 m trong đá hoa cương (Phần Lan, Thụy Điển); cô đặc bằng xi măng (Bulgaria); và nghiên cứu đốt bằng tia laser (Anh, Đức).
• Phân loại các thế hệ lò: Từ Thế hệ I (lò nguyên mẫu 1950-1960 như Shippingport 60 MW, Calder Hall 50 MW), Thế hệ II (xây dựng thập niên 1970-1980 như PWR, CANDU), Thế hệ III và III+ (ABWR, System 80+, AP1000, EPR, WWER-1000, WWER-1200) đến Thế hệ IV (triển vọng thương mại hóa quanh mốc năm 2030 với 6 thiết kế chuẩn của GIF).
• Thông số kỹ thuật chuẩn kiểu lò PWR - 1160 MWe:

Thông số kỹ thuật	Giá trị
Công suất nhiệt / Công suất điện	$3.424\text{ MWt}$ / $1.160\text{ MWe}$
Áp suất vận hành trong lò	$157\text{ kg/cm}^2$
Kích thước thùng lò (Đường kính trong / Chiều cao / Độ dày)	$4,394\text{ m}$ / $12,9\text{ m}$ / $225\text{ mm}$
Vật liệu chế tạo và trọng lượng thùng lò	Thép ASME SA-508 GrB class 3 / $402\text{ tấn}$
Kích thước vùng hoạt (Đường kính / Chiều cao)	$3,37\text{ m}$ / $3,66\text{ m}$
Độ giàu nhiên liệu / Tổng trọng lượng nhiên liệu	$2,1 - 4,1%$ / $89\text{ tấn}$
Số lượng bó nhiên liệu / Số thanh điều khiển	$193\text{ bó}$ / $53\text{ bó thanh}$
Vật liệu vỏ bọc thanh nhiên liệu	Zircaloy-4 (dài $3,65\text{ m}$, đường kính $9,5\text{ mm}$)
Nhiệt độ chất tải nhiệt vào / ra khỏi lò	$289^\circ\text{C}$ / $326^\circ\text{C}$
Thông lượng chất tải nhiệt qua lò	$60.000\text{ tấn/h}$

• Phân tích các bài học sự cố hạt nhân: Khóa luận phân tích nguyên nhân kỹ thuật và yếu tố con người qua 3 vụ việc lớn: tai nạn Three Mile Island (Mỹ, 1979 - hỏng van xả và nhân viên tắt nhầm hệ thống làm mát khẩn cấp ECCS); tai nạn Chernobyl (Liên Xô, 1986 - lò RBMK 3200 MW thiếu vỏ bọc bảo vệ, nhân viên vi phạm quy trình thử nghiệm khiến công suất bùng phát làm 31 người thiệt mạng, 135.000 dân phải sơ tán với mức nhiễm xạ bình quân 120 mSv); tai nạn tới hạn tại cơ sở JCO Tokaimura (Nhật Bản, 1999 - vi phạm quy trình đổ vượt thể tích dung dịch Urani giàu 20%, tai nạn mức cấp 4 INES).
• Chương trình điện hạt nhân Việt Nam: Căn cứ Nghị quyết 41/2009/QH12, tổng mức đầu tư dự kiến khoảng 200.000 tỷ đồng. Lộ trình 3 giai đoạn: Giai đoạn 1 (đến 2015) hoàn thành phê duyệt địa điểm và chọn nhà thầu; Giai đoạn 2 (đến 2020) đưa tổ máy 1 Ninh Thuận 1 vào vận hành năm 2020, tổ máy 2 năm 2021; Giai đoạn 3 (đến 2030) phát triển tổng công suất điện hạt nhân lên khoảng 15.000 - 16.000 MW, nâng tỷ lệ tự chủ nội địa hóa thiết kế và xây lắp lên 30 - 40%.

Chương 2: Tìm hiểu về phần mềm mô phỏng nhà máy điện hạt nhân loại PWR

Chương 2 mô tả công cụ mô phỏng do IAEA chuyển giao nhằm mục đích đào tạo:

• Nguồn gốc phần mềm: Phần mềm do S. Szepessy lập trình năm 1991 tại Viện Kỹ thuật Hạt nhân - Đại học Kỹ thuật Budapest, phát hành với giao diện điều khiển phiên bản 3.x.
• Quy trình vận hành phần mềm: Người dùng truy cập thư mục chứa tệp tin thực thi, kích đúp vào biểu tượng khởi động (start), nhấn Enter để vào giao diện các khối chức năng và chọn thông số, sau đó nhấn Enter hai lần để tiến hành vòng lặp mô phỏng toán học.
• Các chế độ vận hành và tham số cài đặt:
  • Chế độ ứng dụng: Cho phép chọn chế độ Mô phỏng trực tiếp (Simulation) hoặc Phát lại (Replay).
  • Chế độ làm việc của lò: Gồm 3 chế độ: Chế độ dải công suất (Power range), Chế độ khởi động (Start-up), và Chế độ theo dõi độc chất Xenon.
  • Các thông số cài đặt đầu vào cho dải công suất: Mức mở van tuabin 1 và tuabin 2, chế độ tự động điều khiển chiều cao thanh nơtron, hệ số phản ứng độ dịch chuyển nhiên liệu và chất làm mát, nồng độ và giá trị phản ứng của dung dịch axit Bo ($\text{H}_3\text{BO}_3$), phần nơtron trễ, thời gian thế hệ nơtron, hằng số thời gian tích phân và giới hạn điều khiển trên/dưới.
  • Giao diện hiển thị đồ thị: Cho phép chọn tối đa 7 kênh thông số biến thiên theo thời gian thực để vẽ đường đặc tính, bao gồm: Công suất lò phản ứng, áp lực trong bình tạo áp, áp suất hơi sạch, nhiệt độ tiêu thụ nước làm mát, vị trí góc mở van tuabin, chiều cao 2 thanh điều khiển, mực nước bình tạo áp, nhiệt độ đầu vào chất làm mát, nồng độ axit Bo, độ phản ứng toàn phần và lưu lượng tuần hoàn của nước làm mát.

Chương 3: Ứng dụng phần mềm mô phỏng điều khiển nhà máy điện hạt nhân

Chương 3 trình bày việc thiết lập và chạy thử nghiệm các tình huống vận hành trên mô hình mô phỏng:

• Trường hợp 1 (Khảo sát chế độ sự cố): Kích hoạt tình huống bất thường trong hệ thống để khảo sát khả năng tự dập lò hoặc tác động của các hệ thống bảo vệ an toàn nội tại khi có sự mất cân bằng giữa công suất sinh nhiệt và công suất lấy nhiệt của tuabin.
• Trường hợp 2 (Hạ thanh điều khiển số 2 xuống mức 150 cm): Đưa thanh hấp thụ nơtron sâu hơn vào vùng hoạt; nồng độ nơtron giảm dẫn đến độ phản ứng âm tạm thời, làm suy giảm mật độ dòng nơtron và giảm công suất nhiệt của lò phản ứng tương ứng với vị trí mới của thanh điều khiển.
• Trường hợp 3 (Tăng thanh điều khiển số 2 lên mức 180 cm): Rút thanh điều khiển lên phía trên; diện tích hấp thụ nơtron giảm, độ phản ứng tăng giúp hệ số nhân nơtron vượt trên trạng thái cân bằng tạm thời, thúc đẩy quá trình phân hạch làm tăng công suất nhiệt và nhiệt độ chất tải nhiệt ra khỏi lò phản ứng.

Chương 4: Kết luận

Chương 4 tổng kết các nội dung đã hoàn thành và đánh giá công cụ:

• Hệ thống hóa các kiến thức chuyên ngành về công nghệ lò PWR và các hệ thống nhiệt thủy lực phụ trợ.
• Ghi nhận những khó khăn trong quá trình thực hiện: hạn chế về nguồn tài liệu chuyên sâu bằng tiếng Việt và rào cản ngôn ngữ chuyên ngành hạt nhân; phần mềm phát triển từ năm 1991 có giao diện đồ họa cũ đòi hỏi người sử dụng phải hiểu sâu bản chất các phương trình vi phân động học lò.
• Đánh giá phần mềm: Là công cụ mô phỏng trực quan, phản ánh chính xác các mối quan hệ ghép nối giữa hệ thống điều khiển thanh hấp thụ, nồng độ axit Bo và các đáp ứng nhiệt thủy lực của nhà máy điện hạt nhân.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đạt được các kết quả cụ thể sau:

• Hệ thống hóa số liệu kỹ thuật lò PWR: Cung cấp bảng dữ liệu toàn diện về cấu trúc lò PWR-1160 MWe (công suất nhiệt 3.424 MWt, áp suất 157 kg/cm², 193 bó nhiên liệu, thông lượng tải nhiệt 60.000 tấn/h) và so sánh được sự khác biệt kiến trúc giữa trường phái thiết kế phương Tây (bó nhiên liệu hộp vuông, thiết bị sinh hơi kiểu đứng) và trường phái thiết kế Nga (bó nhiên liệu hộp lục giác đều, thiết bị sinh hơi kiểu ngang).
• Hệ thống hóa quy hoạch năng lượng hạt nhân quốc gia: Trích xuất chi tiết lộ trình 3 giai đoạn của dự án điện hạt nhân Ninh Thuận theo Nghị quyết 41/2009/QH12, làm rõ các mốc tiến độ dự kiến đưa tổ máy 1 vào vận hành năm 2020 và mục tiêu công suất đạt khoảng 15.000 - 16.000 MW vào năm 2030.
• Khảo sát định lượng công cụ mô phỏng: Làm chủ quy trình cài đặt tham số và chạy thực nghiệm 3 kịch bản điều khiển trên phần mềm mô phỏng PWR của IAEA/Đại học Kỹ thuật Budapest, kiểm chứng được phản ứng nhiệt - nơtron khi thay đổi vị trí thanh điều khiển ở các mức 150 cm và 180 cm.
• Đóng góp về mặt đào tạo: Khóa luận đóng vai trò là tài liệu tổng hợp bước đầu bằng tiếng Việt tại Khoa Điện - Điện tử (Đại học Thủ Dầu Một), giúp sinh viên ngành Điện công nghiệp tiếp cận trực quan với công nghệ vận hành nhà máy điện hạt nhân vốn là lĩnh vực kỹ thuật mới và phức tạp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế: Phần mềm mô phỏng sử dụng trong khóa luận được xây dựng từ năm 1991 với giao diện điều khiển đơn giản, các kịch bản thực nghiệm mới chỉ dừng lại ở 3 trường hợp cơ bản (sự cố chung và thay đổi vị trí thanh điều khiển ở 2 mốc 150 cm, 180 cm) mà chưa mô phỏng sâu các kịch bản sự cố mất chất tải nhiệt (LOCA) phức tạp hoặc phân tích chi tiết hiệu ứng phản hồi trễ của chất độc hạt nhân Xenon-135.
• Hướng nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu các gói phần mềm mô phỏng thế hệ mới của IAEA dành cho các kiểu lò tiên tiến (AP1000, WWER-1200); đi sâu mô phỏng các thuật toán điều khiển phối hợp tự động giữa van tuabin và hệ thống bơm tiêm axit Bo; phân tích chi tiết hơn các quá trình quá độ nhiệt thủy lực khi xảy ra đứt gãy đường ống vòng sơ cấp.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo hữu ích cho:

• Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Điện công nghiệp và Năng lượng: Nắm vững cấu tạo hệ thống điện, thiết bị sinh hơi, tuabin và nguyên lý vận hành của nhà máy điện hạt nhân hai vòng tuần hoàn.
• Người học và nghiên cứu viên bắt đầu tìm hiểu mô phỏng hạt nhân: Tham khảo cấu trúc thông số cài đặt (dải công suất, độ phản ứng, phần nơtron trễ, nồng độ Bo) và phương pháp vận hành phần mềm mô phỏng lò PWR của IAEA.
• Phần đáng tham khảo nhất: Bảng thông số chi tiết của lò PWR-1160 MWe (Chương 1) và phần hướng dẫn cấu hình các tham số vận hành, các kênh đồ thị hiển thị trong phần mềm mô phỏng (Chương 2).

Câu hỏi thường gặp

1. Khóa luận nghiên cứu loại công nghệ lò phản ứng hạt nhân nào, và thông số công suất chuẩn được nêu trong tài liệu là bao nhiêu?
Khóa luận tập trung nghiên cứu loại lò nước nhẹ áp lực PWR (Pressurized Water Reactor). Thông số chuẩn được tác giả phân tích chi tiết trong Bảng 2 là kiểu lò PWR công suất điện 1.160 MWe, tương ứng với công suất nhiệt 3.424 MWt.

2. Thành phần các đồng vị phóng xạ trong thanh nhiên liệu đã cháy thải ra từ lò phản ứng nước nhẹ gồm những gì?
Theo số liệu thống kê tại Chương 1, chất thải từ thanh nhiên liệu đã cháy gồm: $^{238}\text{U}$ chiếm 94,3%; sản phẩm phân hạch chiếm 3,5%; Plutoni ($\text{Pu}$) chiếm 0,89%; $^{235}\text{U}$ chiếm 0,8%; $^{236}\text{U}$ chiếm 0,46%; và các sản phẩm khác chiếm 0,05%.

3. Phần mềm mô phỏng lò PWR trong khóa luận có nguồn gốc từ đâu và cho phép theo dõi bao nhiêu thông số trên đồ thị?
Phần mềm do tác giả S. Szepessy viết năm 1991 tại Viện Kỹ thuật Hạt nhân thuộc Đại học Kỹ thuật Budapest, được IAEA phân phối phục vụ đào tạo. Phần mềm cho phép người vận hành lựa chọn tối đa 7 thông số đồng thời để vẽ đường đặc tính biến thiên theo thời gian thực.

4. Ba kịch bản vận hành được tác giả thực hiện trên phần mềm mô phỏng ở Chương 3 là gì?
Ba trường hợp mô phỏng gồm: Trường hợp 1 - Hệ thống lò xảy ra sự cố; Trường hợp 2 - Hạ thanh điều khiển số 2 xuống mức 150 cm; và Trường hợp 3 - Nâng thanh điều khiển số 2 lên mức 180 cm.

5. Theo Nghị quyết 41/2009/QH12 được nêu trong khóa luận, lộ trình phát triển nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận 1 được quy định như thế nào?
Theo nghị quyết và kế hoạch được trích dẫn, dự án Ninh Thuận 1 có quy mô 2 tổ máy (mỗi tổ máy khoảng 1.000 MW) do Nga hỗ trợ công nghệ, với lộ trình gia công/khởi động vào năm 2014, đưa tổ máy đầu tiên vào vận hành thương mại vào năm 2020 và tổ máy số 2 vào năm 2021.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Lương Kim Thiện đã hệ thống hóa đầy đủ cơ sở lý thuyết về cấu tạo, nguyên lý làm việc và tiêu chuẩn an toàn của nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò nước áp lực PWR. Tác giả đã khai thác thành công phần mềm mô phỏng của IAEA/Đại học Kỹ thuật Budapest để phân tích các thông số vận hành và thực hiện các kịch bản điều khiển thanh hấp thụ nơtron cơ bản. Công trình mang lại giá trị tư liệu kỹ thuật và phương pháp học tập trực quan thiết thực cho sinh viên chuyên ngành Điện công nghiệp trong giai đoạn tiếp cận công nghệ điện hạt nhân.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 1. Nhà máy điện hạt nhân: Nhà máy điện hạt nhân (Nuclear Power Plant) là một nhà máy tạo ra điện năng bằng cách chuyển năng lượng thu nhiệt thu được từ phản ứng phân hủy hạt nhân thành điện năng.1 Cấu tạo của nhà máy điện hạt nhân: Một nhà máy điện hạt nhân gồm 4 bộ phận sau: Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung của một nhà máy điện hạt nhân. - Lò phản ứng (Reactor core) là bộ phận giữ vai trò quan trọng nhất. Đồng thời cũng là nơi xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân và tạo ra lượng nhiệt rất lớn.

- Turbine: Nối liền với một máy phát điện. Nước có nhiệt độ và áp xuất cao sẽ được chuyển thành hơi dẫn theo ống để “thổi” turbine làm quay máy phát điện. - Máy phát điện chạy bằng hơi nước: chuyển nhiệt năng thành điện năng. - Bộ phận ngưng tụ: (condencer) làm nguội hơi nước và ngưng tụ hơi nước thành nước ở nhiệt độ thấp.

Nước nguội sẽ được bơm ngược trở lại lò phản ứng để tiếp tục quy trình.1 Lò phản ứng hạt nhân: Một nhà máy điện hạt nhân muốn hoạt đông được cần thiết phải có một lò phản ứng. Như đã nói về cấu tạo chung của nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng giữ vai trò trung tâm không thể thiếu được. Vì vậy phần tiếp sau đây em sẽ trình bày kỹ hơn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân. Cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân, bao gồm: - Thanh nhiên liệu - Thanh điều khiển - Chất làm chậm - Chất tải nhiệt - Chất phản xạ - Ngoài các bộ phận chính trên thì lò phản ứng còn có thùng lò, tường bảo vệ các vật cấu trúc khác.2 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân Bảng 1: Các phần tử chính, vật liệu xây dựng và chức năng của chúng STT Phần tử Vật liệu Chức năng 1 Nhiên liệu , , Chất phân hạch 2 Chất làm chậm , , C, Be Giảm năng lượng của nơtron nhanh thành nơtron nhiệt 3 Chất tải nhiệt , , , He, Na Tải nhiệt làm mát lò 4 Thanh điều khiển Cd, B, Hf Điều khiển mức tăng giảm nơtron 5 Vành phản xạ Như các chất làm chậm Giảm mất mát nơtron 6 Thùng lò Fe & S/S Chịu áp lực và chứa toàn bộ vùng hoạt 7 Tường bảo vệ Bê tông, , Fe, Pb Bảo vệ chống bức xạ 8 Các vật cấu trúc Al, Fe, Zn, S/S Hỗ trợ các cấu trúc trong lò khác 1.2 Nhiên liệu: Nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân có thể là chất Uranium hoặc Plutonium.

Thường là U-230, U-233 hoặc Pu-239. Quy trình chế tạo thanh nhiên liệu như sau: Hình 1.3 Quy trình chế tạo thanh nhiên liệu Ban đầu quặng Uranium được khai thác từ các mỏ quặng trong tự nhiên rồi đem tinh chế và làm giàu để tạo thành U-235 là chất có khả năng phân hạch cho năng lượng tốt nhất và tiếp tục được chuyển hóa thành Ô-xít Urani dưới dạng chất bột màu đen. Chất bột này được ép rồi nung thành những viên dài 1cm, nặng khoảng 7gam. Các viên này được xếp lần lượt vào một ống kim loại, thường là các hộp Zircalloy 4 (Hợp kim của Zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron) dài khoảng 4 mét, bịt kín hai đầu tạo thành một thanh nhiên liệu (fuel rod).

Các thanh nhiên liệu lại được bó thành bó nhiên liệu (fuel assemply), rồi các bó nhiên liệu được đưa vào tâm lò phản ứng (reactor). Giữa các bó nhiên liệu có chừa khoảng trống để đặt các thanh điều khiển (control red). Các thanh nhiên liệu phải nằm trong lò từ 3-4 năm để thực hiện sự phân hạch cung cấp một lượng nhiệt năng đủ làm sôi một lượng nước rất lớn. Nguồn nước bốc hơi tại đây sẽ tạo ra một nguồn năng lượng rất lớn làm quay hệ thống turbine để phát điện.4 Các dạng thanh nhiên liệu thường được sử dụng 1.3 Thanh điều khiển: Những thanh này thường được làm từ chất Bo hoặc Cadimi có tính chất: có thể “bắt” được các neutron là tác nhân gây ra phản ứng hạt nhân dây chuyền (chain reactor).

Dùng thanh này người ta có thể kiểm soát được mức độ phản ứng cũng như có thể dừng hoàn toàn phản ứng trong lò. Thanh điều khiển có thể di chuyển lên cao hoặc xuống thấp gần các thanh nhiên liệu nhờ các nam châm điện (trong trường hợp khẩn cấp, người ta ngắt điện và các chất hấp thụ neutron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân).5 Các thanh điều khiển trong lò phản ứng hạt nhân 1.4 Chất làm chậm: Với chức năng làm giảm tốc độ các neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch để dễ dàng tạo ra sự phân hạch tiếp theo. Các chất làm giảm tốc độ neutron được gọi là chất làm chậm. Các chất làm chậm phải có các tính chất sau: - Hấp thu neutron hiệu quả.

- Giảm tốc độ của neutron với hiệu suất cao. Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường là những nguyên tố có số nguyên tử nhỏ. Các loại chất làm chậm thông thường: - Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là hấp thụ neutron một cách lãng phí. - Nước nặng ( ) cũng có hiệu suất làm chậm rất tốt do không hấp thụ neutron một cách lãng phí nên đây có thể nói đây là chất giảm tốc lý tưởng nhưng giá thành rất cao và khó điều chế.

- Than chì (Graphite) tuy hiệu suất làm chậm thấp nhưng lại ít hấp thụ neutron và giá tương đối rẻ.  Thế nhưng hiện nay chất làm chậm phổ biến nhất vẫn là nước nhẹ 1.5 Chất phản xạ: Chất này hấp thụ nhiệt năng từ vùng phản ứng và truyền ra bên ngoài. Chất truyền nhiệt có thể chạy trong các ống áp lực, hoặc trực tiếp chạy qua vùng phản ứng. Chất truyền nhiệt thông thường được sử dụng là nước.

Tùy vào loại lò mà chất tải nhiệt có thể là nước nhẹ, nước nặng hoặc khí. Lò phản ứng nước nhẹ dùng chất tải nhiệt là nước nhẹ, lò nước nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng, còn lò khí thì dùng chất tải nhiệt là khí hoặc Heli và lò tái sinh nhanh thì dùng chất tải nhiệt là Natri. Thông thường để đảm bảo an toàn, trong nhà máy điện hạt nhân sử dụng 2 đến 3 vòng truyền nhiệt để truyền nhiệt năng từ tâm lò phản ứng đến bộ phận tạo hơi. Vòng truyền nhiệt sơ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng phản ứng, nhận năng lượng sinh ra từ phản ứng dây chuyền, đi đến bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt năng nó mang theo cho vòng truyền nhiệt thứ hai.

Chất dẫn nhiệt của vòng sơ cấp là nước, nước nặng, khí gas hoặc kim loại lỏng tùy thuộc vào cấu tạo lò phản ứng hạt nhân. Vòng truyền nhiệt thứ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng trao đổi nhiệt với vòng truyền nhiệt thứ nhất, nhận nhiệt năng sau đó đem lượng nhiệt ấy đến bộ phận tạo hơi nước làm quay turbine. Trong một số lò phản ứng hạt nhân, để đảm bảo an toàn, có thể có hai vòng thứ cấp. Chất dẫn nhiệt của vòng thứ cấp thường là nước.6 Thùng lò: Thường làm bằng Fe và S.

Có nhiệm vụ chịu áp lực, chứa toàn bộ vùng phản ứng và làm giảm cường độ các tia phóng xạ đến mức cho phép.7 Tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác: Thường là những lớp bê tông rất dày để ngăn cho phóng xạ không rò rỉ ra bên ngoài và bảo vệ các cấu trúc bên trong lò phản ứng. Lò phản ứng được phân loại theo nhiên liệu hạt nhân, chất làm chậm và chất tải nhiệt. Hiện nay công nghệ lò phát triển rất phong phú và đa dạng. Thực chất chỉ có ba loại là được công nhận là những công nghệ đã được kiểm chứng và được phát triển nhiều nhất đó là: - Lò nước nhẹ áp lực PWR - Lò nước sôi BWR - Lò nước nặng PHWR  Bắt đầu từ năm 2000 trở lại đây, các nhà máy điện hạt nhân còn được phân chia theo các hệ sau:  Thế hệ I: Các lò phản ứng nguyên mẫu  Thế hệ II: Các nhà máy điện hạt nhân đã được xây dựng và đang vận hành  Thế hệ III và : Các lò phản ứng tiên tiến  Thế hệ IV: Thế hệ lò phản ứng tiếp theo Theo một bài báo về “Nhà máy điện hạt nhân” trên trang wed phanminhchanh.info đăng ngày 04/01/2011 đưa tin: “Một số nhà khoa học Mỹ cho biết, các lò phản ứng thế hệ IV của Mỹ sẽ được đưa ra thị trường vào khoảng năm 2030”.

Phản ứng phân hạch hạt nhân: 2.1 Khái niệm: Là một quá trình trong đó một hạt nhân của nguyên tố nặng phân chia thành hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn (gọi là mảnh vỡ) đồng thời phát ra 2-3 hạt neutron. Quá trình này xảy ra tự phát hoặc do tác động của một hạt neutron tự do.2 Nguyên lý phản ứng phân hạch: Khi một neutron bắn phá hạt nhân U-235, hạt nhân bị tách thành 2 hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn kèm theo việc giải gióng năng lượng ở dạng động năng của các hạt, bức xạ gamma và phát ra 2 hoặc 3 neutron tự do. Các neutron tự do này sẽ tiếp tục bắn phá các hạt nhân ở gần đó, cứ thế sự phân hạch sẽ tạo thành một dây chuyền. Phần lớn các sản phẩm phân hạch đều có tính phóng xạ.1 Sơ đồ nguyên lý phản ứng phân hạch “Trên thực tế không phải mọi neutron sinh ra đều có thể gây ra sự phân hạch, bởi vì có nhiều neutron bị mất mát đi do nhiều nguyên nhân khác nhau: Do hấp thụ bởi các tạp chất trong nhên liệu hạt nhân (Trong khối Urani hoặc Plutoni…), hoặc bị hấp thụ mà không xảy ra phân hạch hoặc bay ra ngoài thể tích khối Urani hoặc (Plutoni)… Do vậy, nếu có phản ứng dây chuyền ta phải xét tới số neutron trung bình k còn lại sau mỗi phân hạch (còn gọi là hệ số nhân neutron).

- Nếu k< 1: dưới mức tới hạn, phản ứng dây chuyền không xảy ra. - Nếu k = 1: trạng thái tới hạn, phản ứng dây chuyền xảy ra với mật độ neutron không đổi. Đó là phản ứng dây chuyền điều khiển được xảy ra trong các lò phản ứng hạt nhân. - Nếu k > 1: vượt mức tới hạn, dòng neutron tăng liên tục theo thời gian, dẫn tới vụ nổ nguyên tử.

Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được.” Dựa vào nguyên lý trên, các chuyên gia trong lĩnh vực hạt nhân đã thiết kế hệ thống lò phản ứng sao cho có thể điều khiển được phản ứng dây chuyền.