Tính Toán Thời Gian Làm Việc Còn Lại Của Các Thanh Trao Đổi Nhiệt Trong Kỹ Thuật Hạt Nhân

Bình sinh hơi là một thiết bị trao đổi nhiệt quan trọng trong nhà máy điện hạt nhân, biến nước thành hơi nước từ nhiệt sinh ra từ phản ứng phân hạch. Bình sinh hơi trong lò VVER – 1000 có cấu tạo gồm vỏ bình, đáy đúc hình elip, và các vòi được hàn vào. Bề mặt trao đổi nhiệt bao gồm 10978 ống hình chữ U với đường kính 16x1.5mm, được bố trí theo chiều ngang. Vật liệu chế tạo ống trao đổi nhiệt là thép không gỉ austenitic, có khả năng chịu nhiệt và chống ăn mòn cao. Bình sinh hơi cũng được thiết kế để dễ dàng kiểm tra và bảo dưỡng, với các lợi thế như tăng tuần hoàn giữa các bó ống, giảm tốc độ hình thành trầm tích, và cải thiện khả năng chế tạo.

Bình sinh hơi hoạt động trong môi trường khắc nghiệt với nhiệt độ cao, áp suất lớn, và môi trường phóng xạ. Nhiệt độ ở vòng sơ cấp có thể lên đến 593.3 MPa, trong khi ở vòng thứ cấp, nhiệt độ dòng hơi là 552K tại áp suất 6.20 MPa. Nước trong bình sinh hơi bị chiếu xạ bởi các tia phóng xạ, phân hủy thành các ion và chất oxy hóa nguy hiểm như •OH, H2O2, O2, và H2. Các chất này tương tác với môi trường xung quanh, gây ra sự ăn mòn vật liệu. Để chống lại sự ăn mòn, thép không gỉ austenitic được sử dụng, với hàm lượng Cr từ 17 – 18%, tạo ra lớp màng thụ động bảo vệ vật liệu khỏi sự tấn công của môi trường.

Khuyết tật Schottky là loại khuyết tật phổ biến trong mạng tinh thể, được tạo ra bằng cách loại bỏ một nguyên tử trong mạng tinh thể và tạo ra một lỗ trống. Khuyết tật này tuân thủ các định luật nhiệt động lực học, với xác suất tạo ra lỗ trống tỉ lệ với hệ số Boltzmann. Khuyết tật Frenkel là một biến thể bổ sung, trong đó một nguyên tử rời khỏi mạng lưới và chuyển đến một vị trí xen kẽ bên trong mạng tinh thể. Cả hai loại khuyết tật này đều ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất cơ học của vật liệu, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ cao và áp suất lớn.

Ứng suất kĩ thuật được xác định bằng tỷ số của lực vuông góc tác dụng lên vật mẫu với diện tích mặt cắt ngang ban đầu của nó. Biến dạng là sự thay đổi về kích thước của mẫu do ứng suất kéo hoặc nén, được tính bằng cách chia độ giãn dài của mẫu cho chiều dài ban đầu của nó. Đường cong ứng suất – biến dạng mô tả mối quan hệ giữa ứng suất và biến dạng của vật liệu, với định luật Hooke áp dụng cho vật liệu chịu ứng suất ở mức độ thấp. Đường cong này giúp đánh giá tính chất cơ học của vật liệu, bao gồm độ bền, độ dẻo, và khả năng chịu tải.

Nứt do gãy liên kết giữa các hạt (intergranular) là một cơ chế lan truyền SCC phổ biến, trong đó các vết nứt hình thành dọc theo biên giới hạt của vật liệu. Mô hình giải hòa tan trượt hoặc mô hình vỡ lớp màng giải thích sự hình thành và lan truyền của các vết nứt do sự hòa tan của vật liệu tại đầu vết nứt. Mô hình gãy cơ học liên quan đến sự phá hủy vật liệu do ứng suất cơ học, dẫn đến sự hình thành các vết nứt. Các cơ chế này đều ảnh hưởng đến sự lan truyền của SCC, đặc biệt là trong môi trường nhiệt độ cao và áp suất lớn.

Trong quá trình hoạt động của bình sinh hơi, nước cấp từ bên ngoài mang theo đồng, tích tụ lên các ống trao đổi nhiệt và tạo thành trầm tích. Trầm tích đồng đẩy nhanh quá trình hình thành các khuyết tật và vết nứt trên ống, làm giảm tuổi thọ của chúng. Sự hình thành vết nứt do trầm tích đồng dọc theo biên giới hạt của thép không gỉ austenitic là một vấn đề nghiêm trọng, cần được tính toán và đánh giá để đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của nhà máy điện hạt nhân.

Phương pháp tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt bao gồm các bước: tính toán vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích (VCu), vận tốc phát triển vết nứt ở giai đoạn 1 (V1) và giai đoạn 2 (VH), và thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt (τocm). Các kết quả tính toán được thể hiện qua các đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu của vết nứt và thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt theo độ sâu của vết nứt. Phương pháp này giúp đánh giá chính xác tuổi thọ của ống trao đổi nhiệt và đưa ra các biện pháp bảo dưỡng, thay thế kịp thời.

Kết quả tính toán cho thấy sự gia tăng khối lượng đồng trong trầm tích theo thời gian vận hành, cũng như sự thay đổi độ sâu của vết rỗ trong thành ống trao đổi nhiệt. Đồ thị biểu diễn vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích cho thấy sự gia tăng đáng kể theo thời gian. Đồ thị biểu diễn vận tốc phát triển vết nứt theo độ sâu của vết nứt ở các giai đoạn khác nhau cũng cho thấy sự gia tăng nhanh chóng của vết nứt. Kết quả tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt giúp đánh giá tuổi thọ của ống và đưa ra các biện pháp bảo dưỡng, thay thế kịp thời, đảm bảo an toàn và hiệu quả hoạt động của nhà máy điện hạt nhân.