Mô phỏng các đặc trưng vật lý của lò phản ứng hạt nhân pwr

NGUYỄN NGỌC HƯNG BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN NGỌC HƯNG KỸ THUẬT HẠT NHÂN MÔ PHỎNG CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN PWR LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT HẠT NHÂN KHOÁ 2011B Hà Nội – Năm 2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN NGỌC HƯNG MÔ PHỎNG CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN PWR LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Hoàng Anh Tuấn Hà Nội – Năm 2012 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .6 MỞ ĐẦU .8 CHƢƠNG I: CÁC QUÁ TRÌNH VẬT LÝ CƠ BẢN XẢY RA TRONG LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 10 Tƣơng tác neutron với vật chất .10 1.1 Tán xạ neutron 11 1.2 Phản ứng bắt neutron 14 1.3 Phản ứng phân hạch 16 Các phƣơng trình vật lý lò phản ứng hạt nhân .21 Phƣơng trình vận chuyển khuếch tán neutron 21 2.1 2.1.1 Phƣơng trình vận chuyển neutron .21 2.1.2 Phƣơng trình khuếch tán 22 Phƣơng trình lị phản ứng nhóm 25 2.2 2.2.1 Phƣơng trình nhóm cho lị nhanh .25 2.2.2 Phƣơng trình nhóm cho lị nhiệt 26 Hệ phƣơng trình động học 28 2.3 Các thông số vật lý đặc trƣng lò phản ứng 30 3.1 Hiệu ứng Doppler 30 3.2 Hiệu ứng giãn nở nhiệt 32 3.3 Điều khiển độ phản ứng vùng hoạt .35 3.3.1 Điều khiển độ phản ứng bó điều khiển 36 3.3.2 Điều khiển độ phản ứng Acid Boric 38 3.4 Phân bố thông lƣợng phân bố cơng suất lị 40 CHƢƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP MONTE – CARLO TRONG TÍNH TỐN TỚI HẠN VÀ CHƢƠNG TRÌNH MCNP 5.0 43 Cơ sở lý thuyết tính tốn tới hạn phƣơng pháp Monte-Carlo .43 1.1 Giới thiệu chung 43 1.2 Tiếp cận phƣơng pháp Monte – Carlo 44 1.3 Tính tốn tới hạn Monte – Carlo 45 Tính tốn tới hạn sử dụng chƣơng trình MCNP 5.0 46 Nghiên cứu cấu trúc chƣơng trình MCNP 5.0 .46 2.1 2.1.1 Các thẻ ô (cell cards) 47 2.1.2 Các thẻ bề mặt (surface cards) 49 2.1.3 Các thẻ liệu (data cards) .51 2.2 Mơ hình học khơng gian ba chiều lò PWR 54 2.3 Các định luật tán xạ neutron nhiệt S(α,β) .56 2.4 Tính tốn thành phần vật liệu mô tả đặc trƣng nguồn .58 2.4.1 Tính tốn thành phần vật liệu 58 2.4.2 Mô tả đặc trƣng nguồn 59 CHƢƠNG III: MƠ PHỎNG CẤU TRÚC VÙNG HOẠT LỊ PHẢN ỨNG NƢỚC ÁP LỰC TOMARI SỐ 61 Cấu trúc lò PWR hệ III 61 1.1 Hình dạng, cấu trúc thành phần vùng hoạt lò PWR 61 1.2 Các thông số mô 69 Mơ tính tốn thơng số vật lý vùng hoạt .73 CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 76 Kết tính tốn 76 1.1 Hệ số nhân hiệu dụng 76 1.2 Giá trị Acid Boric Giá trị bó điều khiển .76 1.3 Hiệu ứng Doppler hệ số giãn nở nhiệt .81 1.4 Phân bố thông lƣợng neutron 85 1.5 Phân bố công suất 89 So sánh với số liệu tham khảo thảo luận 92 KẾT LUẬN 98 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 PHỤ LỤC 100 LỜI CAM ĐOAN Trƣớc hết, xin cam đoan luận văn tốt nghiệp thành lao động thân, không chép luận văn trƣớc tác giả khác dƣới hình thức Nếu phát có chép, chỉnh sửa, tơi xin chịu hình thức xử lý Nhà trƣờng Viện Đào tạo sau Đại học Tôi xin trân trọng gửi lời cảm ơn tới Tiến sỹ Hồng Anh Tuấn – Phó Cục Trƣởng phụ trách Cục Năng lƣợng Nguyên tử, ngƣời hƣớng dẫn tận tình giúp tơi có đƣợc hƣớng nghiên cứu đắn giải vấn đề nảy sinh để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp cao học Bên cạnh đó, tơi xin gửi lời cảm ơn tới thầy cô giáo Viện Kỹ thuật Hạt nhân Vật lý Môi trƣờng tạo điều kiện thuận lợi cho tơi sử dụng máy tính, địa điểm học tập, đồng thời hỗ trợ, giúp đỡ nhiều q trình hồn thành luận văn tốt nghiệp Tôi xin gửi lời cảm ơn tới ngài Sumio Fujii - chuyên gia lĩnh vực kỹ thuật hạt nhân tập đồn Mitsubishi Ngài cung cấp cho tơi số liệu nghiên cứu đầy đủ, chi tiết nhà máy điện hạt nhân Tomari số Ngoài ra, ngài nhiệt tình giải đáp thắc mắc thông qua thƣ điện tử Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn tất ngƣời giúp đỡ, ủng hộ, suốt q trình nghiên cứu, tính tốn để hồn thành luận văn tốt nghiệp DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Các ký hiệu n: neutron  : Tiết diện vĩ mô p: Proton B: Hệ số Buckling α: Tia Alpha JO: Hàm bessel β: Tia Beta p: Xác suất tránh hấp thụ cộng hƣởng γ: Tia Gamma f: hệ số phân hạch nhanh f: Phân hạch keff: hệ số nhân hiệu dụng A: Số khối  Hằng số hiệu chỉnh đối xứng n-p Z: Số hiệu nguyên tử ∇: Toán tử Laplace tr - tiết diện vận chuyển v: vận tốc (m/s) E: Năng lƣợng (MeV) V: Thể tích (cm3) Q: Nhiệt lƣợng (MeV) J( r ): Mật độ dòng t: Thời gian (s) NA: Hằng số Avogadro   r : Vec tơ tọa độ (x,y,z)   :Vec tơ góc khối (steradian) ρ: Mật độ khối lƣợng (g/cm3) wf: Thành phần khối lƣợng (%) D: Hệ số khuếch tán af: Thành phần nguyên tử (%) L: Chiều dài khuếch tán (cm)  : Số neutron sinh sau phân hạch Pl (cos ) : hàm legendre Φ* : Hàm giá trị  :Thông lƣợng neutron(n/cm s)  ( x,  ) : Hàm mở rộng phổ Doppler  : Tiết diện vi mô (barn) S: Diện tích (cm2) DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1: Năng lƣợng giải phóng phân hạch U235 20 Bảng 2: Giá trị thông lƣợng Buckling số loại lò 26 Bảng 3: Thông số neutron trễ U235 .30 Bảng 4: Cấu trúc file input chƣơng trình MCNP 47 Bảng 5: Khai báo loại mặt MCNP 50 Bảng 6: Các loại tally lấy 53 Bảng 7: Khai báo định luật tán xạ MCNP .57 Bảng 8: Khai báo phổ lƣợng độc lập Watt .60 Bảng 9: Thông số nguồn đồng vị phân hạch tự phát Cf252 66 Bảng 10: Phân bố nhiên liệu chu kỳ cháy 67 Bảng 11: Thơng số thiết kế lị Tomari số 70 Bảng 12: Thành phần cấu tạo vật liệu vùng hoạt 72 Bảng 13: Khối lƣợng riêng vật liệu 580OK 15,41 MPa 72 Bảng 14: Giá trị keff trạng thái ban đầu vùng hoạt 76 Bảng 15: Sự thay đổi keff độ phản ứng theo nồng độ Acid Boric 77 Bảng 16: Sự thay đổi keff độ phản ứng theo vị trí bó điều khiển 79 Bảng 17: Sự thay đổi hệ số nhân hiệu dụng độ phản ứng theo nhiệt độ mật độ chất làm chậm 82 Bảng 18: Thông lƣợng neutron theo chiều cao trạng thái tới hạn 85 Bảng 19: Phân bố thơng lƣợng neutron theo bán kính 1/4 vùng hoạt 87 Bảng 20: Phân bố công suất tƣơng đối theo chiều cao .89 Bảng 21: Phân bố công suất tƣơng đối theo bán kính 1/4 vùng hoạt 90 Bảng 22: So sánh kết tính tốn với số liệu tham khảo .92 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1: Tiết diện phản ứng bắt neutron theo lƣợng số đồng vị 14 Hình 2: Tiết diện bắt neutron nhiệt số đồng vị bền .16 Hình 3: Phản ứng phân hạch dây chuyền 17 Hình 4: Đƣờng cong phân bố xác suất sản phẩm phân hạch gây tƣơng tác với neutron nhiệt đồng vị U235, U233, Pu239 .18 Hình 5: Tiết diện hấp thụ neutron U238 theo nhiệt độ lƣợng 31 Hình 6: Vị trí nhóm điều khiển vùng hoạt 37 Hình 7: Sự thay đổi nồng độ Acid Boric chu kỳ cháy nhiên liệu 39 Hình 8: Khn mẫu thẻ ô 48 Hình 9: Khn mẫu thẻ bề mặt 49 Hình 10: Khn mẫu lệnh vật liệu 51 Hình 11: Cấu trúc nhiên liệu lò Tomari số 61 Hình 12: Cấu trúc ma trận bó nhiên liệu lị Tomari số 62 Hình 13: Cấu tạo bó điều khiển .63 Hình 14: Cấu tạo bó chất độc 64 Hình 15: Cấu tạo nguồn ban đầu .65 Hình 16: Các sản phẩm phân rã Cf252 66 Hình 17: Vị trí nhiên liệu (U,Gd)O2 bó nhiên liệu 67 Hình 18: Phân bố nhiên liệu ban đầu khởi động lò .68 Hình 19: Cấu tạo vùng hoạt lị phản ứng Tomari số 69 Hình 20: Mô nhiên liệu MCNP 73 Hình 21: Mơ bó nhiên liệu MCNP 74 Hình 22: Mơ tồn vùng hoạt MCNP 74 Hình 23: Hình ảnh mơ nhiên liệu vùng hoạt MCNP .75 Hình 24: Sự phụ thuộc hệ số nhân hiệu dụng vào nồng độ Acid Boric .78 Hình 25: Sự phụ thuộc độ phản ứng vào nồng độ Acid Boric 78 Hình 26: Sự phụ thuộc hệ số nhân hiệu dụng vào vị trí bó điều khiển 80 Hình 27: Sự phụ thuộc độ phản ứng vào vị trí bó điều khiển 80 Hình 28: Sự phụ thuộc hệ số nhân hiệu dụng vào nhiệt độ 83 Hình 29: Sự phụ thuộc hệ số nhân hiệu dụng vào mật độ chất làm chậm 83 Hình 30: Sự phụ thuộc độ phản ứng vào nhiệt độ 84 Hình 31: Sự phụ thuộc độ phản ứng vào mật độ chất làm chậm 84 Hình 32: Thơng lƣợng neutron theo chiều cao 86 Hình 33: Hình ảnh 2D 3D phân bố thơng lƣợng neutron theo bán kính 88 Hình 34: Phân bố công suất tƣơng đối theo chiều cao 90 Hình 35: Hình ảnh 2D 3D phân bố cơng suất tƣơng đối theo bán kính .91 Hình 36: Hình ảnh tham khảo ảnh hƣởng vị trí bó điều khiển 93 Hình 37: Hình ảnh tham khảo thay đổi độ phản ứng vùng hoạt theo nhiệt độ trung bình .93 Hình 38: Phân bố cơng suất tƣơng đối theo chiều cao đƣa tồn bó điều khiển ngập vùng hoạt .94 Hình 39: Số liệu tham khảo phân bố công suất tƣơng đối theo bán kính………….95 Hình 40: Hình ảnh 2D 3D tham khảo phân bố cơng suất tƣơng đối theo bán kính 96 MỞ ĐẦU Trong sống đại ngày nay, ngƣời phải đối mặt với nhiều vấn đề khủng hoảng kinh tế - xã hội, biến đổi khí hậu, khủng hồng tài chính, tiền tệ … Trong đó, vấn đề đáng lo ngại, nóng bỏng, gay gắt giới mà ngƣời phải đối mặt vấn đề khủng hoảng lƣợng Xã hội lồi ngƣời ngày phát triển nhu cầu lƣợng ngày tăng cao cách chóng mặt Cách nhiều ngàn năm, lƣợng nhu cầu tiêu thụ lƣợng ngƣời khoảng 2000 kcal/ngày nhƣng kỷ thứ XIX, sau cách mạng công nghiệp đƣợc tiến hành, nhu cầu lƣợng tăng cách nhanh chóng Dự tính giới nay, lƣợng than đá sử dụng đƣợc 122 năm tới, lƣợng dầu hỏa đủ 42 năm, loại lƣợng khí đốt tự nhiên sử dụng đƣợc 60 năm Có thể nhận thấy, tƣơng lai 100 năm tới, nhân loại khơng cịn nhiên liệu để sử dụng Lúc điều xảy đến với lồi ngƣời chúng ta? Một phƣơng án giải đƣợc thống toàn giới đƣợc ứng dụng thành công từ năm 40 kỷ 20 sử dụng lƣợng điện hạt nhân Lị phản ứng hạt nhân tới hạn đƣợc chế tạo thành công Chicago năm 1942 Sau giai đoạn chững lại thảm họa hạt nhân Chelnobyl, Three Miles Island nhà máy điện hạ nhân đƣợc ứng dụng cách phổ biến toàn giới với nƣớc Mỹ, Pháp, Nhật, Nga… nƣớc tiên phong dẫn đầu lĩnh vực điện hạt nhân Hiện nay, nƣớc ta bắt đầu tiến hành kế hoạch xây dựng nhà máy điện hạt nhân để đáp ứng nhu cầu lƣợng theo xu hƣớng chung toàn giới Dự kiến vào năm 2014, hai tổ máy Nga giúp đỡ đƣợc khởi công xây dựng khu vực tỉnh Ninh Thuận Do vậy, việc nghiên cứu kỹ thuật tìm hiểu nhà máy điện hạt nhân cần đƣợc đào tạo bản, quy củ gấp rút giai đoạn Trƣớc đây, trình nghiên cứu nƣớc ta, loại lị thƣờng đƣợc tính tốn trƣớc loại lò nhƣ: VVER1000 lý tƣởng, loại lị có kích thƣớc vơ hạn, hay nhiều Đà Lạt nghiên cứu tính tốn lị Đà Lạt với công suất thấp cỡ 0,5 MWt Đối với lị nƣớc áp lực thƣơng mại Tomari tập đồn Mitsubishi ... NỘI NGUYỄN NGỌC HƯNG MÔ PHỎNG CÁC ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN PWR LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS Hoàng... neutron nhiệt, phản ứng làm chúng biến phản 10 ứng (n,γ) đƣợc gọi phản ứng bắt hay hấp thụ neutron Ngồi cịn phản ứng đặc biệt khác mà đƣợc sử dụng nhiều lò phản ứng hạt nhân phản ứng phân hạch... phản ứng lại thƣờng đƣợc gọi phản ứng phân hạch hạt nhân Nhƣ biết, phản ứng phân chia hạt nhân thƣờng giải phóng lƣợng đáng kể hạt nhân nặng bị phá vỡ thành hai hạt nhân nhẹ Chính vậy, phản ứng