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

Khóa luận tốt nghiệp nghiên cứu tốt nghiệp kỹ sư kỹ thuật hạt nhân tính toán thời gian làm việc còn lại của các thanh trao đổi, vận dụng lý thuyết vào thực tế, đề xuất giải pháp

• Tác giả: Võ Thị Việt Kiều
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Nguyệt Hà
• Trường học: Đại học Đà Lạt
• Chuyên ngành: Kỹ thuật hạt nhân
• Đề tài: Tính toán thời gian làm việc còn lại của các thanh trao đổi nhiệt khi trên bề mặt của chúng xuất hiện các vết rỗ do trầm tích đồng gây ra
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Lâm Đồng

Tóm tắt

I. Tổng quan về nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER 1000

Chương này giới thiệu tổng quan về nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000, một phiên bản phát triển từ VVER – 640 thuộc thế hệ lò phản ứng thứ II. Lò VVER – 1000 được thiết kế tại Nga và thuộc thế hệ III+, tương đương với các lò phương Tây như EPR 1600 và AP1000. Nhà máy điện hạt nhân này có nhiều ưu điểm như thiết kế đổi mới, an toàn, hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao, và tuổi thọ thiết bị kéo dài đến 60 năm. Các thông số thiết kế cơ bản của lò bao gồm công suất nhiệt từ 3000 – 3300 MWth, công suất điện từ 1000 – 1200 MWe, và áp suất vòng một là 15.7 MPa. Nhà máy cũng tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như IAEA, INSAG, ICRP, và ISO, đảm bảo chất lượng và an toàn trong vận hành.

1.1. Cấu tạo bình sinh hơi

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.

1.2. Môi trường làm việc của bình sinh hơi

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.

II. Khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu

Chương này trình bày các khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu, bao gồm ứng suất, biến dạng, và các loại khuyết tật trong vật liệu. Ứng suất được định nghĩa là lực tác dụng lên một đơn vị diện tích, trong khi biến dạng là sự thay đổi kích thước của vật liệu do tác động của ứng suất. 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. Các loại khuyết tật trong vật liệu bao gồm khuyết tật Schottky và khuyết tật Frenkel, ảnh hưởng đến cấu trúc và tính chất cơ học của vật liệu.

2.1. Khuyết tật trong vật liệu

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.

2.2. Ứng suất và biến dạng

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.

III. Nứt do môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào

Chương này tập trung vào hiện tượng nứt do môi trường ăn mòn và có ứng suất áp vào (SCC), một vấn đề nghiêm trọng trong các hệ thống trao đổi nhiệt của nhà máy điện hạt nhân. SCC xảy ra khi vật liệu bị ăn mòn trong môi trường có ứng suất cơ học, dẫn đến sự hình thành và lan truyền các vết nứt. Các thông số kiểm soát sự lan truyền SCC bao gồm ứng suất, môi trường ăn mòn, và tính chất vật liệu. Các cơ chế lan truyền SCC bao gồm nứt do gãy liên kết giữa các hạt, mô hình giải hòa tan trượt, và mô hình gãy cơ học. Hiểu rõ các cơ chế này giúp đưa ra các biện pháp phòng ngừa và kéo dài tuổi thọ của các thiết bị trao đổi nhiệt.

3.1. Cơ chế lan truyền SCC

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.

3.2. Ảnh hưởng của trầm tích đồng

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.

IV. Tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt

Chương này trình bày phương pháp tính toán thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt khi xuất hiện trầm tích đồng. Phương pháp này bao gồm tính toán vận tốc trung bình của việc chuyển đồng sang trạng thái trầm tích, vận tốc phát triển vết nứt ở các giai đoạn khác nhau, và thời gian làm việc còn lại của ống trao đổi nhiệt. 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. Việc tính toán này giúp đánh giá tuổi thọ của ống trao đổi nhiệt và đưa ra các biện pháp bảo dưỡng, thay thế kịp thời.

4.1. Phương pháp tính toán

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.

4.2. Kết quả và nhận xét

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.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 ta đã tìm hiểu về các vấn đề sau: - Những đặc điểm nổi trội của nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER – 1000 và các thông số cấu tạo của nó. - Cấu tạo của bình sinh hơi, vật liệu được dùng để làm nên bình sinh hơi và môi trường làm việc của bình sinh hơi. 11 CHƯƠNG 2- MỘT VÀI KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU 2. Khuyết tật Khuyết tật Schottky là loại khuyết tật phổ biến trong mạng tinh thể.

Trong một tinh thể hoàn hảo, khuyết tật Schottky được tạo ra bằng cách loại bỏ một nguyên tử trong mạng tinh thể và tạo ra một lỗ trống (hình 2. Cần có một năng lượng 𝐸𝑠 để bức nguyên tử ra khỏi mạng tinh thể. Trong mạng tinh thể luôn tồn tại sự hỗn loạn của các nguyên tử do các định luật nhiệt động lực học, vì vậy xác suất tạo ra lỗ trống tỉ lệ với hệ số Boltzmann. Do đó, nó phụ thuộc vào năng lượng cần thiết để tạo ra lỗ trống và nhiệt độ của tinh thể ở trạng thái cân bằng nhiệt.

Phương trình (1) thể hiện mối quan hệ giữa số lượng lỗ trống (n) và số các nguyên tử trong mạng tinh thể (N) [10]: 𝑛 𝐸𝑠 = exp⁡(− ) (2.1) 𝑁−𝑛 𝑘𝐵 𝑇 Trong đó: 𝑘𝐵 – Hằng số Boltzmann, n – Số lượng lỗ trống, N – Số các nguyên tử trong mạng tinh thể. Khuyết tật Schottky (a) và khuyết tật Frenkel (b) [10] Khuyết tật Frenkel là một biến thể bổ sung, một nguyên tử rời khỏi mạng lưới và chuyển đến một vị trí xen kẽ bên trong mạng tinh thể (hình 2. Khuyết tật Frenkel cũng tuân thủ các định luật nhiệt động lực học, do đó số lượng khuyết tật Frenkel tỷ lệ với hệ số Boltzmann [10]. Biến vị Biến vị là khuyết tật tuyến tính.

Vai trò của nó trong cấu trúc vi mô là kiểm soát cường độ hiệu suất và biến dạng dẻo tiếp theo của tinh thể chất rắn ở nhiệt độ 12 bình thường. Biến vị cũng góp phần vào sự phát triển của tinh thể và trong cấu trúc giao diện giữa các tinh thể [10]. Sự biến dạng của vật liệu chủ yếu xảy ra bởi sự trượt của các bề mặt kề nhau và các giá trị lực thấp hơn được giải thích là do sự không hoàn hảo bên trong các tinh thể hình thành biến vị. Một biến vị góc có thể được giải thích bằng cách chèn thêm một nửa mặt phẳng bên trong tinh thể (hình 2.

Nếu biến vị góc hiện diện trong tinh thể thì ứng suất cần thiết để tạo ra sự trượt xảy ra sẽ thấp hơn, điều này xảy ra do sự di chuyển của các biến vị góc (hình 2. Biến vị trong mạng tinh thể (a); Sự di chuyển của biến vị (b) 2. Ứng suất và biến dạng 2. Khái niệm ứng suất, biến dạng Ứng suất kĩ thuật là ứng suất 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 (hình 2.

Ứng suất kĩ thuật [4] 13 Để so sánh các vật mẫu có kích thước khác nhau, lực được tính trên một đơn vị diện tích, còn được gọi là chuẩn hóa diện tích. Trong các thí nghiệm kéo và nén, diện tích vuông góc với lực (hình 2. Trong các thí nghiệm cắt hoặc xoắn, diện tích vuông góc với trục quay. Ứng suất được tính theo công thức sau [7]: 𝐹 𝜎= (2.2) 𝐴 Trong đó: 𝜎 – Ứng suất (MPa), 𝐹 – Lực tác dụng lên mẫu (N), A– Diện tích ban đầu của mẫu (m2).

Ứng suất kéo (a) và ứng suất nén (b) được xác định theo các lực tác dụng lên thanh đồng nhất [3] Biến dạng là sự thay đổi về kích thước của mẫu do ứng suất kéo hoặc nén. Để so sánh các mẫu có độ dài khác nhau, độ dãn dài cũng được chuẩn hóa. Biến dạng được xác định bởi tỉ số giữa chiều dài do biến dạng và chiều dài ban đầu của mẫu, được gọi là biến dạng kĩ thuật [7]. Biến dạng sử dụng trong các đường cong ứng suất – biến dạng kỹ thuật là biến dạng tuyến tính trung bình, được tính bằng cách chia độ giãn dài của mẫu cho chiều dài ban đầu của nó [7].3) 𝑙0 𝑙0 14 Trong đó: 𝜀 – Biến dạng tuyến tính trung bình, 𝑙𝑖 – Chiều dài của mẫu do biến dạng (m), 𝑙0 – Chiều dài ban đầu của mẫu (m), ∆𝑙 – Độ giãn dài của mẫu do biến dạng (m).

Đường cong ứng suất – biến dạng • Định luật Hooke Đối với vật liệu chịu ứng suất kéo ở mức độ tương đối thấp, ứng suất và biến dạng tỷ lệ với nhau thông qua phương trình (4)[7]: 𝜎 = 𝐸𝜀 (2.4) Trong đó: E – Mô đun đàn hồi, hoặc mô đun Young (N/m2), 𝜎 – Ứng suất (MPa), 𝜀 – Biến dạng. • Đường cong ứng suất, biến dạng Hình dạng và kích cỡ của đường cong ứng suất – biến dạng của kim loại sẽ phụ thuộc vào thành phần kim loại, gia công nhiệt, tiền sử biến dạng dẻo và tốc độ biến dạng, nhiệt độ và trạng thái ứng suất trong quá trình thử nghiệm. Các thông số được sử dụng để mô tả đường cong ứng suất – biến dạng là cường độ kéo, cường độ hiệu suất hoặc điểm hiệu suất, phần trăm độ giãn dài và giảm diện tích. Hai thông số đầu là thông số cường độ và hai thông số sau cho thấy tính dẻo [7].

Đồ thị ứng suất – biến dạng kĩ thuật (hình 2.5) cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa ứng suất và biến dạng trong một số phạm vi ứng suất. Nếu ứng suất ở trong vùng tuyến tính, vật liệu là đàn hồi trong vùng này, biến dạng cũng được loại bỏ. Nhưng nếu vượt quá giới hạn đàn hồi thì vật liệu sẽ biến dạng vĩnh viễn. Vật liệu có thể bắt đầu "co thắt" ở một số vị trí và cuối cùng là vỡ.

Trong vùng tuyến tính, một loại vật liệu cụ thể sẽ luôn có các đường cong giống nhau mặc dù kích thước vật lý khác nhau. Do đó, có thể nói rằng tính tuyến tính và độ dốc là hằng số của loại vật liệu. Trong ứng suất kéo và nén, hằng số này được gọi là mô đun đàn hồi hoặc mô đun Young (E) [7].5) ∆𝑙/𝑙 Trong đó: 𝐹/𝐴 – Ứng suất (N/m2), ∆𝑙/𝑙 – Biến dạng, E – mô đun đàn hồi(N/m2). Mô đun đàn hồi cho một số vật liệu [7] Vật liệu E (N/m2) Nhôm 6.

Các vùng và điểm khác nhau trên đường cong ứng suất-biến dạng [7] Các vùng điển hình có thể quan sát được trong đường cong ứng suất – biến dạng ở hình 2. Vùng đàn hồi (Elastic region) 2. Biến dạng cứng (Strain Hardening) 4. “Co thắt” và hỏng (Necking and Failure) 16 Cần lưu ý rằng đối với các vật liệu thực tế khác nhau thì đường cong sẽ khác nhau, không phải lúc nào các khu vực trên cũng được thể hiện rõ ràng và phạm vi của từng khu vực trong không gian ứng suất – biến dạng là phụ thuộc vào vật liệu, và không phải tất cả các vật liệu đều thể hiện tất cả các khu vực trên.

• Hành vi giòn và dẻo của vật liệu Hành vi của vật liệu có thể được phân thành hai loại: giòn và dẻo. Lớp vật liệu dẻo gồm thép và nhôm, lớp vật liệu giòn gồm: thủy tinh, gốm sứ, bê tông và gang. Để phân biệt hai loại này ta dựa vào đường cong ứng suất – biến dạng (hình 2. Hành vi dẻo và giòn của vật liệu [7] Độ nhạy của vật liệu dẻo và giòn được thể hiện bởi sự khác biệt về cả chất lượng và định lượng trong đường cong ứng suất – biến dạng tương ứng.

Vật liệu dẻo chịu được sự biến dạng lớn trước khi gãy còn vật liệu giòn gãy ở biến dạng nhỏ hơn nhiều. Trong vật liệu dẻo, vùng hiệu suất chiếm phần lớn đường cong ứng suất – biến dạng, trong khi vật liệu giòn thì vùng hiệu suất gần như không tồn tại. Các vật liệu giòn thường có mô đun Young tương đối lớn và có ứng suất tối đa so với các vật liệu dẻo [7]. Vật liệu dẻo chịu được sự biến dạng lớn trước khi gãy.

Ngược lại, vật liệu giòn gãy đột ngột và không có dấu hiệu báo trước. Do đó các vật liệu dẻo như thép là sự lựa chọn hàng đầu trong cấu trúc xây dựng. Năng lượng hấp thụ (trên một đơn vị thể tích) trong thử nghiệm độ bền kéo, là vùng dưới đường cong ứng suất – biến dạng. Bằng cách so sánh các đường cong trong hình 2.6 ta thấy rằng các vật liệu dẻo có khả năng hấp thụ năng lượng lớn hơn nhiều trước khi gãy [7].

17 Cần lưu ý rằng không phải tất cả các vật liệu đều có thể dễ dàng phân loại là dẻo hay giòn. Độ nhạy vật liệu cũng phụ thuộc vào môi trường hoạt động, nhiều vật liệu dẻo trở nên giòn khi nhiệt độ giảm. Với sự phát triển của công nghệ luyện kim và hợp chất, nhiều vật liệu được cải tiến, kếp hợp giữa hai thành phần dẻo và giòn [7]. Nứt Khi các mối liên kết trong mạng tinh thể giữa các hạt quá yếu để chịu ngoại lực tác dụng lên, nó sẽ vỡ từng phần và sự gãy như vậy gọi là gãy do sự phát hủy của các hạt (transgranular).

Ngược lại, với gãy transgranular là gãy intergranular, gãy intergranular là khi mối liên kết giữa các hạt bị phá vỡ [10]. Có ba dạng nứt cơ bản được mô tả trong hình 2. Các dạng nứt cơ bản [10] a. Mô hình tách b.

Mô hình trượt c. Mô hình xé Khả năng mà vật liệu chịu được nứt trước khi gãy được gọi là độ bền đứt gãy. Vật liệu có độ bền đứt gãy cao thì vật liệu đó sẽ trải qua gãy dẻo và ngược lại vật liệu có độ bền đứt gãy thấp thì sẽ trải qua gãy giòn [7]. Độ bền nứt gãy thể hiện lượng ứng suất cần thiết để lan truyền vết nứt từ các vết rỗ tồn tại từ trước.

Đây là một đặc tính rất quan trọng của vật liệu vì sự có mặt của các vết rỗ là không thể tránh được trong quá trình xử lý và chế tạo vật liệu [7]. Một tham số được gọi là hệ số cường độ ứng suất (K) được sử dụng để xác định độ bền đứt gãy của hầu hết các vật liệu. Dạng nứt gãy tách (hình 2.7a) là dạng thường gặp nhất, do đó trong phần này ta sẽ xem xét hệ số cường độ ứng suất của dạng nứt gãy tách [7]. 18 Hệ số cường độ ứng suất là hàm của tải (loading), kích thước vết nứt và cấu trúc hình học của vết nứt.

Hệ số này được thể hiện ở công thức (2.