Nghiên cứu mô phỏng và cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng VVER 1000 v 320 sử dụng vi hạt gd2o3 bằng chương trình MVP TT

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUN TỬ VIỆT NAM HỒNG THANH PHI HÙNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ CẢI TIẾN THIẾT KẾ BĨ NHIÊN LIỆU LỊ PHẢN ỨNG VVER-1000/V-320 SỬ DỤNG VI HẠT Gd2 O3 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MVP Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử hạt nhân Mã số: 44 01 06 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Hà Nội – 2021 Cơng trình hồn thành tại: Trung tâm đào tạo, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam Người hướng dẫn khoa học: HDC: PGS TS Trần Hoài Nam - Đại học Duy Tân HDP: TS Hồ Mạnh Dũng - Viện lượng nguyên tử Việt Nam Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Viện họp Trung tâm đào tạo hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam, vào lúc .ngày tháng năm 20 Có thể tìm hiểu luận án thư viện: Thư viện Tổng hợp Quốc gia Thư viện Trung tâm đào tạo - Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam MỞ ĐẦU Vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 bao gồm 163 bó nhiên liệu UO2 với độ giàu khác Trong đó, số bó nhiên liệu VVER-1000 thiết kế bao gồm số nhiên liệu chứa chấp hấp thụ nơtron xếp cách hợp lý nhằm kiểm soát độ phản ứng dự trữ cao hệ số cơng suất cực đại bó nhiên liệu giai đoạn đầu trình cháy Các thiết kế chất hấp thụ bó nhiên liệu lị phản ứng lượng nhằm trì độ phản ứng bó nhiên liệu lị gần khơng đổi (constant reactivity) giai đoạn đầu trình cháy nhiên liệu để tránh việc xuất độ phản ứng cực đại, dễ dẫn đến xuất đỉnh công suất q trình cháy [3] Chất hấp thụ trộn vào số nhiên liệu bó nhiên liệu thiết kế truyền thống lò phản ứng PWR VVER, thiết kế lớp bọc bên viên nhiên liệu, thiết kế tích hợp với ống dẫn bó nhiên liệu [4, 8, 13] Gd2 O3 chất hấp thụ nơtron thường sử dụng thiết kế bó nhiên liệu lị phản ứng nước nhẹ LWRs có tiết diện hấp thụ nơtron cao đồng vị 155 Gd 157 Gd [1] Tiến hành trộn nhiên liệu UO2 với khoảng vài phần trăm khối lượng Gd2 O3 để kiểm soát độ phản ứng dư cao giai đoạn đầu (0 – 10 GWd/t) trình cháy nhiên liệu Do Gd2 O3 có độ dẫn nhiệt nhỏ so với độ dẫn nhiệt nhiên liệu UO2 , trộn Gd2 O3 vào UO2 tạo hỗn hợp nhiên liệu có độ dẫn nhiệt so với nhiên liệu ban đầu có UO2 [5] Kết thực nghiệm Gd2 O3 đưa vào viên nhiên liệu dạng hạt vi mơ độ dẫn nhiệt chung viên nhiên liệu cao so với viên nhiên liệu trộn UO2 –Gd2 O3 Sử dụng lượng Gd2 O3 viên nhiên liệu, Gd2 O3 dạng vi hạt độ dẫn nhiệt viên nhiên liệu cao so với hỗn hợp trộn [7] Điều có nghĩa việc sử dụng vi hạt Gd2 O3 giúp tăng đáng kể độ dẫn nhiệt viên nhiên liệu Do yêu cầu cấp thiết trên, đề tài Nghiên cứu mơ cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 sử dụng vi hạt Gd2 O3 chương trình MVP thực với mong muốn đóng góp phần nhỏ lĩnh vực tính tốn vật lý lò phản ứng Luận án tập trung vào nghiên cứu tính tốn đặc trưng hạt nhân bó nhiên liệu lị phản ứng VVER-1000 có sử dụng Gd2 O3 Phiên VVER-1000/V-320 coi phiên thiết kế tiêu chuẩn cơng nghệ lị VVER-1000, phiên mà sử dụng thông số để tham khảo cho nghiên cứu luận án Các nghiên cứu tập trung giải số vấn đề sau: 1) Nghiên cứu tính khả thi việc ứng dụng Gd2 O3 dạng vi hạt nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000 nhằm điều khiển độ phản ứng dự trữ 2) Nghiên cứu thiết kế cải tiến bó nhiên liệu VVER-1000 có sử dụng Gd2 O3 dạng hạt nhằm đồng thời điều khiển độ phản ứng dự trữ cao giống thiết kế truyền thống, giảm hệ số cơng suất cực đại theo vị trí nhiên liệu Các thơng số BPP tối ưu hóa để thu đường cong độ phản ứng với độ cháy có hệ số đỉnh cơng suất PPF nhỏ so với giá trị tham chiếu 3) Nghiên cứu sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt để thiết kế bó nhiên liệu VVER1000 có hàm lượng Boron thấp hịa tan nước tải nhiệt, đồng thời khảo sát ảnh hưởng thiết kế lên hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1.Tổng quan lò phản ứng VVER Hình 1.1: Hệ thống lị phản ứng VVER-1000 [6] Bảng 1.1: Các thơng số thiết kế lị phản ứng VVER-1000 [15] Thơng số VVER-1000 Kiểu lị V-320 V-428 Cơng suất nhiệt, MWt 3000 3000 Áp suất vịng 1, MPa 15,7 15,7 Aps suất vòng 2, MPa 6,27 6,27 Tốc độ dòng chảy nước tải nhiệt, m /h 84800 86000 Nhiệt độ nước tải nhiệt lối ra, o C 320 321 Tổng số bó nhiên liệu, pcs 163 163 Số hấp thụ cụm CPS, pcs 61 121 Tổng khối lượng Uranium, 80 80 235 Độ giàu U, wt% 4,4 4,4 Thời gian vận hành lò (năm) 30 40 VVER lò phản ứng lượng nước - nước thiết kế chế tạo Liên Xô (cũ) từ năm 1950, thiết kế có cơng suất từ 300 MWe đến 1700 MWe, sử dụng nước nhẹ chất làm chậm đồng thời chất tải nhiệt Thế hệ lò VVER xây dựng từ năm 1960 Liên Xơ cũ Năm 1964, lị phản ứng VVER (VVER-210) với công suất 210 MWe đưa vào vận hành Unit nhà máy điện (NPP) Novovoronezh Các lò phản ứng VVER-440 xây dựng Unit nhà máy điện Novovoronezh năm 1971 1972 Bảng 1.2: Các phiên lò phản ứng VVER tương ứng với hệ cơng nghệ lị phản ứng 1955–1975 Gen-I Loại lị (Thiết kế) VVER-210 (VVER-1) (Nga) VVER-70 (VVER-2) (Đức) VVER-365 (VVER-3M) VVER-440 (V-179) VVER-440 (V-230) VVER-440 (V-270) 1966–2003 Gen-II Loại lò (Thiết kế) VVER-1000 (V-187) (Nga) VVER-1000 (V-302) (Nam Ukraine) VVER-1000 (V-338) (Nga, Ukraine) VVER-1000 (V-320) (Nga, Ukraine, Ukraine, Czech, Bulgaria) VVER-440 (V-213) (Ukraine, Phần Lan, Hungari, Slovakia, Czech, Nga) 2000–2007 Gen-III Loại lò (Thiết kế) VVER-1000 (V-392) (Nga) VVER-1000 (V-446) (Iran) VVER-1000 (V-392B) (Nga) VVER-1000 (V-412) (Ấn độ) VVER-1000 (V-428) (T Quốc) VVER-640 (V-407) (Nga) VVER-1000 (V-466B) (Nga) 2007 – Nay Gen-III+ Loại lò (Thiết kế) VVER-1200 (V-392M) (Nga) VVER-1000 (V-491) (Nga) VVER-1500 (V-448) (Nga) VVER-640 (V-407) (Nga) VVER-1000 (V-466B) (Bulgaria) VVER-1200 (V-392 M) (Trung Quốc) Chất hấp thụ nơtron Đồng vị hấp thụ Thành phần đồng vị hấp thụ (wt%) Khối lượng riêng (g/cm3 ) Quãng đường tự trung bình (µm)a Nhiệt độ nóng chảy (o C) α - Tại lượng notron nhiệt 0,0253 eV B4 C 10 B 90 2,52 25 2350 CdO 113 Cd 1,22 8,15 101,6 1427 Sm2 O3 149 Sm 13,82 8,35 61,7 2325 Eu2 O3 151 Eu 47,8 7,3 87,8 2050 Gd2 O3 155 Gd, 157 Gd Dy2 O3 161 Dy, 164 Dy 14,8; 15,65 7,4 8,3 2350 18,91; 28,18 7,81 418,6 2340 Bảng 1.3: Các thông số vật lý số chất hấp thụ nơtron [14] Er2 O3 167 Er 22,95 8,64 2373,6 2355 HfO2 177 Hf 18,6 9,68 4164,6 2758 Lò phản ứng VVER-1000 phiên V-320, V-428 V-392 xây dựng từ việc phân tích, đánh giá đúc kết kinh nghiệm Viện thiết kế OKB Gidropress, phát triển hệ thống an toàn thụ động, thuộc hệ III+ (VVER-1200) [12] Bảng (1.2) thống kê số phiên lò phản ứng VVER tương ứng với phát triển công nghệ nước ứng dụng cơng nghệ VVER Hình (1.1) mơ tả hệ thống lị phản ứng VVER-1000 bao gồm: thùng lị, hệ thống tải nhiệt, bình sinh hơi, bơm tải nhiệt, ống tải nhiệt, bình điều áp, hệ thống làm mát khẩn cấp vùng hoạt, Bảng (1.1) mơ tả thơng số thiết kế hai phiên lò phản ứng VVER-1000 V-320 V-428 1.2.Độ phản ứng 1.2.1.Hệ số nhân nơtron vô hạn k∞ Hệ số nhân vơ hạn k∞ diễn tả cách đầy đủ cho lò phản ứng có kích thước vơ hạn: k∞ = Số nơtron bị hấp thụ chu trình Số nơtron bị hấp thụ chu trình trước k∞ = εpr ηf (1.1) (1.2) Trong đó: ε hệ số phân hạch nhanh; pr xác suất thoát hấp thụ cộng hưởng; η hệ số sinh nơtron, f hệ số sử dụng nơtron nhiệt 1.2.2.Độ phản ứng Sự thay đổi hệ số nhân neutron lò phản ứng liên tục Để đặc trưng cho thay đổi nơtron hệ người ta sử dụng khái niệm độ phản ứng k−1 ρ= (1.3) k Từ phương trình 1.3 dễ thấy giá trị ρ dương, zero âm, phụ thuộc vào giá trị k 1.2.3.Hệ số phản hồi độ phản ứng Sự thay đổi tính chất vật lý vật liệu lò phản ứng kết thay đổi độ phản ứng Hệ số phản hồi độ phản ứng sử dụng nhằm đánh giá thay đổi độ phản ứng xảy thay đổi tính chất vật lý nhiệt độ chất làm chậm hay nhiệt độ nhiên liệu Hệ số phản hồi độ phản ứng theo nhiệt độ chất làm chậm - MTC thay đổi độ phản ứng độ thay đổi nhiệt độ chất làm chậm Do vật liệu lò phản ứng làm thay đổi độ phản ứng khác với nhiệt độ vật liệu khác suốt thời gian vận hành lò phản ứng Hệ số phản hồi độ phản ứng theo nhiệt độ nhiên liệu - FTC hệ số phản hồi độ hản ứng theo hiệu ứng Doppler thay đồi độ phản ứng độ thay đổi nhiệt độ nhiên liệu Hệ số gọi hệ số nhiệt độ "tức thời" làm tăng cơng suất lị phản ứng dự thay đổi nhiệt độ nhiên liệu tức Khi FTC âm, đánh giá quan trọng MTC âm hệ sộ nhiệt độ nhiên liệu làm tăng sơng suất lị 1.3.Các thiết kế chất hấp thụ nơtron bó nhiên liệu Hình 1.2: Tiết diện hấp thụ nơtron số đồng vị dải lượng nơtron nhiệt [14] Chất hấp thụ nơtron sử dụng phổ biến lò phản ứng LWRs với phổ nơtron nhiệt Gd2 O3 B4 C, CdO, Sm2 O3 , Eu2 O3 , Dy2 O3 , Er2 O3 HfO2 sử dụng chất hấp thụ nơtron thiết kế bó nhiên liệu [1] Hình (1.2) so sánh tiết diện phản ứng hấp thụ nơtron số đồng vị dải lượng nơtron nhiệt Bảng (1.3) liệt kê số chất hấp thụ nơtron phổ biến tính chất vật lý chất hấp thụ nói Bảng 1.4: Thành phần đồng vị Gd tự nhiên tiết diện hấp thụ nơtron lượng 0,0253 eV (20o C) [0] Đồng vị Độ phổ biến (at%) 153 Gd 154 Gd 155 Gd 156 Gd 157 Gd 158 Gd 160 Gd 2,18 14,8 20,47 15,65 24,84 21,86 σa (b) 22,334 85 60,737 1,8 252,912 2,2 1,4 Chất hấp thụ sử dụng lị phản ứng chia làm loại: • Thanh điều khiển (Control rod): Thanh điều khiển chứa chất hấp thụ đưa vào vùng hoạt để trì trạng thái tới hạn trình vận hành lò phản ứng, dừng lò hết chu trình, dập lị có cố • Chất hấp thụ hòa tan (Chemical shim): Chất hấp thụ hòa tan chất tải nhiệt (Boron) nhằm làm giảm độ phản ứng dự trữ cao Ưu điểm không tạo bất đồng phân bố công suất, nhiên cần hệ thống điều khiển hàm lượng chất hấp thụ trình vận hành lị • Chất hấp thụ thiết kế gắn với nhiên liệu (Integrated burnable poison): Các chất hấp thụ thiết kế gắn với nhiên liệu cấu trúc vùng hoạt nên không cần thay đổi trình vận hành lị, cần thiết kế đảm bảo không gây bất đồng công suất lớn CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1.Phương trình vận chuyển 2.1.1.Phương trình vận chuyển nơtron Các hạt dẫn mô tả mật độ n(r, v, t) hàm tọa độ r = (x, y, z), vận tốc v = (vx ,vy ,vz ) thời gian t Mật độ góc n(, E, Ω, t) thường sử dụng với biến độc lập lượng E vectơ đơn vị hướng bay Ω thay cho vận tốc hạt Bậc tự Ω Phương trình vận chuyển nơtron (Phương trình Boltzmann) viết sau: ∂n (r, E, Ω, t) + v · ∇n (r, E, Ω, t) + (r, E) (r, E, Ω, t) = t ∂t = ∫ dv ′ r, E ′ f r, E ′ , Ω′ → E, Ω r, E ′ , Ω′ , t + S (r, E, Ω, t) (2.1) t ′ ′ Với t tiết diện phản ứng hiệu dụng; f (r, E , Ω → E, Ω) xác suất dịch chuyển tiết diện phản ứng hiệu dụng; v (= |v|) tốc độ dich chuyển hạt; S (r, E, Ω, t) nguồn hạt Xác suất dịch chuyển khai triển xác xuất fx cho loại phản ứng x sau: t r, E ′ f r, E ′ , Ω′ → E, Ω = t r, E ′ fx r, E ′ , Ω′ → E, Ω (2.2) Thông lượng góc định nghĩa là: Φ (r, E, Ω, t) = (r, E, Ω, t) Khi phương trình vận chuyển nơtron trở thành: ∂ϕ (r, E, Ω, t) + Ω∇ϕ (r, E, Ω, t) + v ∂t t (r, E) Φ (r, E, Ω, t) (2.3) (2.4) Các phản ứng hạt với hạt nhân ghi nhận, tương tác hạt trung hịa điện nơtron bỏ qua Phương pháp Monte Carlo khơng u cầu phải rịi rạc hóa biến tọa độ thời gian nên phương trình vận chuyển giải việc mơ thống kê trình vận chuyển nơtron phương pháp Monte Carlo Dạng tích phân phương trình (2.4) viết lại: s , (2.5) Φ (r, E, Ω, t) = ∫0∞ dse−η(s) Q r − sΩ, E, Ω, t − v η (s) = ∫0∞ ds′ r − s′ Ω, E , (2.6) t Q (r, E, Ω, t) = ∫ dE ′ ∫ dΩ′ +S (r, E, Ω, t) t (r, E) f r, E ′ , Ω′ → E, Ω Φ r, E ′ , Ω′ , t (2.7) Trong đó, η (s) tích phân tiết diện phản ứng theo chiều bay hạt gọi độ dài quãng đường quang học; Q (r, E, Ω, t) nguồn hạt bao gồm nguồn tán xạ Trong hình thái chiều để mô tả mật độ va chạm: r − r′ |r−r′ | Ψ (r, E, Ω, t) = ∫ dr′ (r, E) exp − ∫0 (r − s ds t t |r − r′ | ′ × r−r δ Ω |r−r ′| − |r − r′ |2 Q r, E ′ , Ω′ , t ′ = ∫ dr′ ′ t (r, E) e−η(|r−r |) r−r δ Ω |r−r ′| − |r − r′ |2 Q r, E ′ , Ω′ , t (2.8) Với r′ = r − sΩ ; t′ = t − vs δ(x) hàm delta Dirac, nhân vận chuyển T va chạm C : ′ ′ T r, E, Ω, t, r′ = t (r, E) e−η(|r−r |) C r, E, Ω, E ′ , Ω′ = r−r δ Ω |r−r ′| − (2.9) |r − r′ |2 Cx r, E, Ω, E ′ , Ω′ (2.10) x C r, E, Ω, E ′ , Ω′ = x (r, E ′ ) fx (r, E ′ , Ω′ → E, Ω) ′ t (r, E ) (2.11) Với nhân dịch chuyển định nghĩa: K r, E, Ω; r′ , E ′ , Ω′ = T r, E, Ω; r′ C r′ , E, Ω; E ′ , Ω′ (2.12) Mật độ va chạm đáp án chuỗi Neurmann: ∞ dΓ′ Km Γ; Γ′ S Γ′ Ψ (Γ) = (2.13) m=0 Với: K0 Γ; Γ′ = δ Γ − Γ′ ; K1 Γ; Γ′ = K Γ − Γ′ K2 Γ; Γ′ = ∫ dΓ1 K Γ − Γ′ K Γ1 ; Γ′ ′ Ki Γ; Γ ′ = ∫ dΓ1 ∫ dΓi−1 K (Γ − Γi−1 ) K (Γi−1 ; Γi−2 ) K Γ1 ; Γ (2.14) 2.1.2.Sự dịch chuyển hạt với phương pháp Monte Carlo Các hạt "giả" chuyển động khơng gian ảo ba chiều máy tính tuân theo định luật vật lý hạt hạt nhân Phương pháp Monte Carlo tính tốn đại lượng vật lý thông việc theo dõi kiện hạt - xác định số ngẫu nhiên thống kê tuân theo định luật vật lý mơ tả thơng qua bước sau: • Quá trình tạo hạt: Các hạt sinh với mật độ xác suất không gian, lượng, thời gian loại hạt xác định chuyển động ngẫu nhiên • Chuyển động hạt: Năng lượng hạt khơng đổi q trình chuyển động va chạm với hạt nhân không gian Khoảng cách từ va chạm đến va chạm khác thống kê mẫu với phản ứng tiết diện hiệu dụng vật liệu hạt qua Hàm mật độ xác suất p(x)của khoảng cách nhân dịch chuyển biểu diễn phương trình (2.9): p(x)dx = t e− t x dx (2.15) • Vùng tìm kiếm: Thực tế hạt bay xuyên qua nhiều vùng vật chất Trong trường hợp này, yêu cầu phải xác định vùng hạt vào vùng hạt Tuy nhiên tốn có số vùng đơn giản, nhiều vùng vật chất 12 Hình 2.3: Hệ số nhân vơ hạn k∞ theo độ sâu cháy bó nhiên liệu VVER-1000 có chứa Gd2 O3 trộn tính tốn mơ chương trình MVP SRAC Hình 2.4: Phân bố cơng suất bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 chứa Gd2 O3 đồng sử dụng chương trình mơ tính tốn MVP SRAC 13 Hình 2.5: Phân bố cơng suất bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 chứa Gd2 O3 đồng sử dụng chương trình mơ tính tốn MVP BM 14 CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1.Bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 chứa Gd2 O3 dạng vi hạt 3.1.1.Hệ số nhân nơtron k∞ Mục tiêu thiết kế chất hấp thụ dạng vi hạt nghiên cứu thu đường cong hệ số nhân vơ hạn k∞ bó nhiên liệu xấp xỉ với bó nhiên liệu truyền thống với UO2 – Gd2 O3 trộn Trong tính tốn khảo sát thông số thiết kế, hàm lượng Gd2 O3 cố định 5% tỉ lệ thể tích (Packing fraction = 0,05) với thiết kế tham chiếu mô hình hình học thống kê [10] Hình 3.1: Hệ số nhân vơ hạn k∞ theo độ sâu cháy bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 chứa Gd2 O3 a) Đường cong k∞ khoảng cháy từ đến 10 GWd/t Đường kính vi hạt Gd2 O3 lựa chọn 60 µm b) So sánh đường cong k∞ theo độ sâu cháy với đường kính vi hạt Gd2 O3 60 µm khoảng cháy từ đến 40 GWd/t Hình 3.1a mơ tả đường kính vi hạt Gd2 O3 khảo sát khoảng 40 – 100 µm, hệ số nhân vô hạn k∞ bước cháy khoảng – 10 GWd/t Khảo sát đường kính tối ưu hạt Gd2 O3 lựa chọn 60 µm Giá trị phân bố cơng suất theo vị trí nhiên liệu hệ số đỉnh cơng suất bó nhiên liệu Hình 3.1b mơ tả đường cong hệ số nhân nhiên liệu thiết kế tối ưu vi hạt chất hấp thụ (đường kính 60 µm tỉ lệ thể tích 5%) Hình 3.2 cho thấy 155 Gd 157 Gd giảm theo độ sâu cháy gần giống hai thiết kế Sai khác tốc độ cháy đồng vị hấp thụ nhỏ 2,5%, chứng tỏ thiết kế Gd2 O3 dạng vi hạt không làm ảnh hưởng đáng kể vai trò chất hấp thụ việc điều khiển độ phản ứng dự trữ 3.1.2.Phân bố công suất bó nhiên liệu Hình 3.3 hình 3.4 phân bố cơng suất tương đối bó nhiên liệu thiết kế sử dụng chất hấp thụ nơtron Gd2 O3 dạng vi hạt điểm cháy GWd/t 10 GWd/t Phân bố công suất biểu diễn 1/6 bó nhiên liệu tính đối xứng hình học Mật độ công suất tương đối nhiên liệu chứa chất hấp thụ điểm cháy GWd/t tăng từ 0,366 lên 0,407 (tăng 11% so với thiết kế truyền thống) (Hình 15 Hình 3.2: Sự thay đổi UO2 – Gd2 O3 155 Gd 157 Gd trình cháy nhiên liệu Hình 3.3: Phân bố cơng suất bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 chứa Gd2 O3 dạng vi hạt GWd/t so sánh với bó nhiên liệu tham chiếu Đường kính vi hạt Gd2 O3 tối ưu 60 µm hàm lượng đóng góp 5,0% 3.3) Mật độ công suất tương đối tăng nhẹ khoảng 0,8% nhiên liệu có vị trí gần trung tâm bó nhiên liệu Giá trị hệ số đỉnh cơng suất PPF xuất vị trí nhiên liệu phía ngồi bó nhiên liệu giảm từ 1,167 1,156 (giảm 0,9%) Xét theo vị trí nhiên 16 liệu bó nhiên liệu mới, phân bố cơng suất tương đối giảm nhẹ sử dụng Gd2 O3 dạng vi hạt Độ lệch mật độ công suất tương đối vị trí nhiên liệu chứa vi hạt Gd2 O3 hai thiết kế khoảng 1,8% Giá trị PPF xấp xỉ giá trị nhiên liệu tham chiếu (1,060) Hình (3.5) cho thấy bó nhiên liệu khơng có Hình 3.4: Phân bố cơng suất bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 chứa Gd2 O3 dạng vi hạt 10 GWd/t so sánh với bó nhiên liệu tham chiếu Đường kính vi hạt Gd2 O3 tối ưu 60 µm tỷ lệ đóng góp 5,0% µm Hình 3.5: Hệ số đỉnh cơng suất PPF theo độ sâu cháy bó nhiên liệu gồm 12 UO2 – Gd2 O3 Gd2 O3 , phân bố công suất đồng hệ số PPF nằm khoảng 1,04 – 1,07 suốt trình cháy từ đến 40 GWd/t Bó nhiên liệu thiết kế với chất hấp thụ 17 Gd2 O3 giá trị hệ số đỉnh cơng suất PPF cao khoảng – 10 GWd/t Hình (3.5) cho thấy việc sử dụng chất hấp thụ bó nhiên liệu làm tăng hệ số đỉnh cơng suất giai đoạn đầu q trình cháy nhiên liệu Nghiên cứu giảm hệ số đỉnh công suất PPF đặc trưng hạt nhân quan trọng nhằm góp phần làm tăng độ an tồn vận hành lị phản ứng 3.2.Bó nhiên liệu VVER-1000 cải tiến với 18 UO2 – Gd2 O3 Việc giảm hệ số đỉnh cơng suất PPF bó nhiên liệu buộc phải phân bố chất hấp thụ đồng so với thiết kế truyền thống 12 nhiên liệu chứa chất hấp thụ Điều có nghĩa số nhiên liệu chứa chất hấp thụ tăng lên phân bố đồng bó nhiên liệu: Số nhiên liệu chứa chất hấp thụ Vị trí nhiên liệu chứa chất hấp thụ bó nhiên liệu Đường kính hạt hấp thụ Gd2 O3 Tỉ lệ thể tích chất hấp thụ nhiên liệu (Packing fraction) 3.2.1.Phân bố nhiên liệu chứa Gd2 O3 Hình 3.6: Hai mơ hình bó nhiên liệu VVER-1000 với 18 UO2 – Gd2 O3 Đối với bó nhiên liệu khơng có Gd2 O3 , phân bố cơng suất theo nhiên liệu đồng đều, hệ số đỉnh công suất PPF khoảng 1,04 – 1,07 suốt trình cháy – 40 GWd/t Do tính đối xứng hình học 1/6 bó nhiên liệu VVER-1000, việc khảo sát số nhiên liệu chứa chất hấp thụ thiết kế nhận giá trị 18, 24, 30, Tiến hành khảo sát đề xuất hai mơ hình bó nhiên liệu với 18 chứa vi hạt Gd2 O3 vị trí xếp Hình (3.6) 3.2.2.Khảo sát thơng số thiết kế Gd2 O3 dạng vi hạt Tổng hàm lượng Gd2 O3 12 nhiên liệu thiết kế tham chiếu chia cho 18 thanh, tỉ lệ thể tích (Packing fraction) hạt Gd2 O3 18 nhiên liệu xác định 3,33%, nhỏ so với hàm lượng Gd2 O3 thiết kế với 12 (5%) Khi lượng Gd2 O3 phân bố 18 bó nhiên liệu tốc độ cháy đồng vị hấp thụ nơtron tăng 3.2.3.Hệ số nhân nơtron vơ hạn k∞ µm µm µm µm Hình 3.7: Đường cong hệ số nhân vơ hạn k∞ với độ sâu cháy bó nhiên liệu VVER-1000 chứa 18 UO2 – Gd2 O3 Mơ hình µm µm Hình 3.8: Đường cong hệ số nhân vơ hạn k∞ theo độ cháy sâu bó nhiên liệu VVER-1000 với 18 UO2 – Gd2 O3 Đường kính tối ưu hạt Gd2 O3 lựa chọn 300 µm tỉ lệ thể tích 3,33% cho hai Mơ hình Hình 3.8 mơ tả đường cong hệ số nhân vô hạn thiết kế tham chiếu thiết kế với 12 UO2 – Gd2 O3 , kết cho thấy tương đồng 19 3.2.4.Phân bố cơng suất bó nhiên liệu với 18 UO2 – Gd2 O3 dạng vi hạt Hình 3.9: Phân bố cơng suất bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 UO2 – Gd2 O3 điểm cháy GWd/t (Mơ hình 1) Đường kính tối ưu 300 µm tỉ lệ thể tích 3,33% Hình 3.10: Phân bố cơng suất bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 UO2 – Gd2 O3 điểm cháy GWd/t (Mơ hình 2) Đường kính vi hạt chất hấp thụ tối ưu 300 µm tỉ lệ thể tích 3,33% Hình 3.9 hình 3.10 hiển thị phân bố cơng suất nhiên liệu thiết kế phẳng với thiết kế so sánh với thiết kế tham chiếu Giá trị mật độ công suất tăng nhiên liệu vị trí trung tâm giảm vị trí ngồi 20 bó nhiên liệu sử dụng 18 chứa Gd2 O3 Các mơ hình phân bố nhiên liệu chứa vi hạt hấp thụ nhằm làm cho kết phân bố cơng suất đồng bó nhiên liệu Độ lệch mật độ công suất lớn khoảng 9,0% Hệ số đỉnh công suất PPF hai Mơ hình xác định 1,105 1,113, giảm tương ứng khoảng 4,8% 4,2% Hình 3.11 Kết nghiên cứu lần khẳng định khả sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt nhiên liệu đồng thời điều khiển độ phản ứng dư trình cháy làm giảm hệ số đỉnh cơng suất PPF bó nhiên liệu VVER-1000 chứa UO2 – Gd2 O3 Hình 3.11: Hệ số đỉnh cơng suất bó nhiên liệu chứa 18 UO2 – Gd2 O3 3.3.Bó nhiên liệu VVER-1000 với hàm lượng Boron chất tải nhiệt thấp 3.3.1.Hệ số nhân nơtron vơ hạn k∞ bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp Nghiên cứu thiết kế thực cho hai trường hợp hàm lượng Boron giảm xuống 50% 0%, tương ứng với hàm lượng Boron 300 ppm ppm Với mơ hình bó nhiên liệu mới, Hình 3.12 mơ tả đường cong biểu diễn hệ số nhân vô hạn theo độ sâu cháy bó nhiên liệu xấp xỉ Hàm lượng Boron giảm 50% (300 ppm) so với thiết kế truyền thống, đường kính tối ưu hạt Gd2 O3 lựa chọn 320 µm tỉ lệ thể tích 5,5% cho Mơ hình Đường kính vi hạt Gd2 O3 tỉ lệ thể tích trường hợp chất tải nhiệt khơng có Boron 360 µm 8,0% Tổng hàm lượng Gd2 O3 bó nhiên liệu tăng lên 1,65; 2,40 thiết kế chất tải nhiệt có 50% hàm lượng Boron chất tải nhiệt khơng có Boron, tương ứng giá trị hệ số nhân vơ hạn bó nhiên liệu lớn giá trị tham chiếu khoảng 160 330 pcmbốở công giai đoạn 10 –bó 15 nhiên GWd/t.liệu với hàm lượng Boron thấp 3.3.2.Phân suấtcháy Hình 3.13, Hình 3.14, Hình 3.15 Hình 3.16 mơ tả phân bố cơng suất, độ lệch bó nhiên liệu thiết kế chứa vi hạt Gd2 O3 điểm cháy GWd/t Hệ số đỉnh cơng 21 µm µm µm Hình 3.12: Đường cong k∞ bó nhiên liệu VVER-1000 với hàm lượng Boron chất tải nhiệt thấp Hình 3.13: Phân bố cơng suất bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 UO2 – Gd2 O3 điểm cháy GWd/t, trường hợp 50% Boron (Mơ hình 1) suất giảm 1,6 2,7% so với thiết kế tham chiếu Giá trị PPF giaicông đoạn suất đầu cháy nhỏ trị lượng tham chiếu (1,160) 3.3.3.Hệ số đỉnh trình bó nhiên liệuhơn với giá hàm Boron thấp Trường hợp hàm lượng Boron 300 ppm, giá trị hệ số đỉnh công suất PPF 1,120 1,126 Mơ hình Mơ hình 2, nhỏ giá trị tham chiếu khoảng 3,5% 22 Hình 3.14: Phân bố cơng suất bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 UO2 – Gd2 O3 điểm cháy GWd/t, trường hợp khơng có Boron (Mơ hình 1) Hình 3.15: Phân bố cơng suất bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 UO2 – Gd2 O3 điểm cháy GWd/t, trường hợp 50% Boron (Mơ hình 2) 2,9% Trường hợp khơng có Boron nước tải nhiệt, giá trị hệ số đỉnh công suất PPF điểm cháy GWd/t 1,129 1,142 với Mơ hình Mơ hình 23 (Hình 3.17), nhỏ so với thiết kế tham chiếu 2,7% 1,6% Kết cho thấy khả sử dụng chất hấp thụ Gd2 O3 dạng vi hạt thay cho Boron nước tải nhiệt giai đoạn đầu trình cháy nhiên liệu Tuy nhiên, để ứng dụng thiết kế bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp, tính tốn thiết kế phải thực cho toàn vùng hoạt 3.4.Hệ số phản hồi chất làm chậm bó nhiên liệu VVER-1000 sử dụng Gd2 O3 dạng vi hạt Ở thiết kế bó nhiên liệu, tổng thành phần nhiên liệu, chất hấp thụ hàm lượng Boron dung dịch tải nhiệt không thay đổi so với thiết kế tham chiếu, nên dự đốn thiết kế khơng làm thay đổi nhiều hệ số phản hồi độ phản ứng chất làm chậm MTC Đối với bó nhiên liệu thiết kế có thay đổi hàm lượng Boron dung dịch tải nhiệt, hai trường hợp hàm lượng Boron thấp khơng có Boron, lúc hệ số MTC bị ảnh hưởng đáng kể Khi nhiệt độ nước tải nhiệt tăng lên với điều kiện áp suất làm giảm mật độ phân tử nước Mật độ hạt nhân H O giảm làm giảm nhiệt hóa phổ nơtron, giảm tốc độ phản ứng phân hạch, dẫn đến hệ số nhân nơtron giảm Giá trị hệ số phản hồi MTC tất trường hợp nằm khoảng -60,0 đến -32,5 pcm/K (Hình 3.18) Tại thời điểm bắt đầu trình cháy, hệ số phản hồi nhiệt độ MTC trường hợp khơng có Boron nước tải nhiệt có giá trị âm trường hợp khác khoảng 10% Hình 3.16: Phân bố cơng suất bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 UO2 – Gd2 O3 điểm cháy GWd/t, trường hợp khơng có Boron (Mơ hình 2) 24 µm µm µm µm Mơ hình Mơ hình Mơ hình Mơ hình Hình 3.17: Hệ số đỉnh cơng suất nhiên liệu bó nhiên liệu VVER-1000 chứa 18 UO2 – Gd2 O3 hàm lượng Boron chất tải nhiệt thấp Hình 3.18: Hệ số phản hồi theo nhiệt độ làm chậm với độ cháy sâu bó nhiên liệu VVER-1000 chứa 18 UO2 – Gd2 O3 hàm lượng Boron thấp 25 KẾT LUẬN Luận án thực nghiên cứu khảo sát sử dụng chất hấp thụ Gd2 O3 dạng vi hạt bó nhiên liệu VVER-1000 với mục tiêu đồng thời 1) điều khiển độ phản ứng dự trữ cao bó nhiên liệu giai đoạn đầu trình cháy, sở khai thác đặc điểm tăng hệ số truyền nhiệt sử dụng nhiên liệu chứa vi hạt Gd2 O3 , 2) giảm hệ số công suất cực đại theo vị trí nhiên liệu, 3) nghiên cứu khả sử dụng Gd2 O3 dạng vi hạt thiết kế bó nhiên liệu với hàm lượng Boron nước tải nhiệt thấp Các kết mô tính tốn thu có tính khả thi cao, từ rút kết luận chung sau: Tính khả thi sử dụng Gd2 O3 dạng vi hạt nhiên liệu: • Kết tính tốn thơng số thiết kế Gd2 O3 dạng vi hạt cho thấy với lượng Gd2 O3 (5% thể tích) phân bố 12 nhiên liệu bó nhiên liệu VVER-1000, đường kính hạt Gd2 O3 60 µm, hệ số nhân vô hạn theo độ sâu cháy bó nhiên liệu xấp xỉ bó nhiên liệu truyền thống • Phân bố cơng suất nhiên liệu cho thấy mật độ công suất chứa hạt Gd2 O3 tăng khoảng 11% độ cháy GWd/t Mật độ cơng suất vị trí khác xấp xỉ với thiết kế truyền thống Hệ số đỉnh công suất PPF giảm khoảng 0,9% so với thiết kế truyền thống Thiết kế bó nhiên liệu cải tiến sử dụng Gd2 O3 dạng vi hạt • Để giảm giá trị hệ số đỉnh công suất PPF, thiết kế cải tiến với việc phân bố chất hấp thụ bó nhiên liệu, số nhiên liệu chứa vi hạt chất hấp thụ 18 Hàm lượng chất hấp thụ 12 (5% thể tích thanh), tỉ lệ thể tích Gd2 O3 nhiên liệu giảm xuống 3,33% • Hai mơ hình bó nhiên liệu với 18 chứa Gd2 O3 lựa chọn với cách xếp vị trí khác nhau, tiến hành khảo sát thông số vi hạt chất hấp thụ Đường kính tối ưu hạt Gd2 O3 chọn 300 µm cho hai mơ hình nhằm thu đường cong hệ số nhân vơ hạn tương tự thiết kế tham chiếu Hệ số đỉnh cơng suất PPF vị trí nhiên liệu giảm khoảng 4,2 – 4,8% so với thiết kế truyền thống Việc giảm hệ số PPF giúp tăng độ an tồn vận hành lị phản ứng Bó nhiên liệu cải tiến với Gd2 O3 dạng hạt hàm lượng Boron thấp • Đối với trường hợp hàm lượng Boron 300 ppm, đường kính tỉ lệ thể tích vi hạt chất hấp thụ khảo sát lựa chọn 320 µm 5,5% Đối với trường hợp hồn tồn khơng có Boron, đường kính tối ưu hạt hấp thụ xác định 360 µm tỉ lệ thể 8,0% Khi đó, hệ số nhân vơ hạn hai bó nhiên liệu trường hợp hàm lượng Boron 300 ppm giai đoạn cháy từ đến 10 GWd/t xấp xỉ với thiết kế tham chiếu • Trong trường hợp hàm lượng Boron chất tải nhiệt 300 ppm, hệ số đỉnh công suất giảm khoảng 1,6% 2,7% so với thiết kế truyền thống 26 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh: [1] Marielle Asou and Jacques Porta (1997), “Prospects for poisoning reactor cores of the future”, Nuclear engineering and design, 168 (1-3), pp 261–270 [0] Mark B Chadwick et al (2011), “ENDF/B-VII nuclear data for science and technology: cross sections, covariances, fission product yields and decay data”, Nuclear data sheets, 112 (12), pp 2887–2996 [3] James J Duderstadt and Louis J Hamilton (1976), Nuclear reactor analysis, John Wiley and Sons, Inc ISBN 0-471-22363-8 [4] Kevin Hesketh et al (2020), “Burnable poison-doped fuel”, Comprehensive Nuclear Materials, 2, pp 106–124 [5] Kouta Iwasaki et al (2009), “Effect of Gd2 O3 Dispersion on the Thermal Conductivity of UO2 ”, Journal of nuclear science and technology, 46 (7), pp 673– 676 [6] M Jabbari et al (2015), “Power calculation of VVER-1000 reactor using a thermal method, applied to primary secondary circuits”, Annals of Nuclear Energy, 77, pp 129–132 [7] Iwasaki Kouta et al (2008), “Thermal conductivity of Gd2 O3 dispersed UO2 pellet”, Proceeding of International Conference Atalante [8] Martin Loveckỳ et al (2020), “Increasing efficiency of nuclear fuel using burnable absorbers”, Progress in Nuclear Energy, 118, p 103077 [9] Isao Murata, Takamasa Mori, and Masayuki Nakagawa (1996), “Continuous energy Monte Carlo calculations of randomly distributed spherical fuels in high-temperature gas-cooled reactors based on a statistical geometry model”, Nuclear science and engineering, 123 (1), pp 96–109 [10] Yasunobu Nagaya et al (2005), “MVP/GMVP version 3: general purpose Monte Carlo codes for neutron and photon transport calculations based on continuous energy and multigroup methods”, JAERI, 1348 [11] Ali Pazirandeh, Sahar Ghaseminejad, and Morteza Ghaseminejad (2011), “Effects of various spacer grid modeling on the neutronic parameters of the VVER-1000 reactor”, Annals of Nuclear Energy, 38 (9), pp 1978–1986 [12] AN Prytkov et al (2017), “Specific features of initial fuel load of the innovative power unit under AES-2006 project”, Nuclear Energy and Technology, (4), pp 307–312 [13] Riham Refeat (2015), “Optimum Erbium Isotopes Composition and Distribution for Power Flattening in Advanced PWR Fuel Assembly”, J Mater Sci Eng B, (3-4), p 85 [14] Hoai Nam Tran and Yasuyoshi Kato (2009), “An optimal loading principle of burnable poisons for an OTTO refueling scheme in Pebble Bed HTGR cores”, Nuclear engineering and design, 239 (11), pp 2357–2364 ... phiên lò phản ứng VVER tương ứng v? ??i hệ cơng nghệ lị phản ứng 1955–1975 Gen-I Loại lò (Thiết kế) VVER- 210 (VVER- 1) (Nga) VVER- 70 (VVER- 2) (Đức) VVER- 365 (VVER- 3M) VVER- 440 (V- 179) VVER- 440 (V- 230)... số v? ??n đề sau: 1) Nghiên cứu tính khả thi vi? ??c ứng dụng Gd2 O3 dạng vi hạt nhiên liệu lò phản ứng VVER- 1000 nhằm điều khiển độ phản ứng dự trữ 2) Nghiên cứu thiết kế cải tiến bó nhiên liệu VVER- 1000. .. vi? ??c sử dụng vi hạt Gd2 O3 giúp tăng đáng kể độ dẫn nhiệt vi? ?n nhiên liệu Do yêu cầu cấp thiết trên, đề tài Nghiên cứu mô cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lị phản ứng VVER- 1000/ V- 320 sử dụng vi hạt