Tính toán thủy nhiệt và phân tích an toàn lò phản ứng nghiên cứu đa mục tiêu công suất 10 MW sử dụng nhiên liệu VVR KN độ giàu thấp

TẠP CHÍ KHOA HỌC TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF EDUCATION JOURNAL OF SCIENCE Tập 18, Số (2021): 1134-1145 ISSN: 2734-9918 Vol 18, No (2021): 1134-1145 Website: http://journal.hcmue.edu.vn Bài báo nghiên cứu* TÍNH TỐN THỦY NHIỆT VÀ PHÂN TÍCH AN TỒN LỊ PHẢN ỨNG NGHIÊN CỨU ĐA MỤC TIÊU CÔNG SUẤT 10 MW SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU VVR-KN ĐỘ GIÀU THẤP Nguyễn Tiến Vũ*, Nguyễn Nhị Điền, Huỳnh Tôn Nghiêm, Nguyễn Kiên Cường, Võ Đoàn Hải Đăng Trung tâm Lò phản ứng, Viện Nghiên cứu Hạt nhân Đà Lạt, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam (VINATOM) * Tác giả liên hệ: Nguyễn Tiến Vũ – Email: vunt.re@dnri.vn Ngày nhận bài: 09-12-2020; ngày nhận sửa: 28-4-2021; ngày duyệt đăng: 10-6-2021 TĨM TẮT Các chương trình tính tốn PLTEMP/ANL.V4.2 PARET/ANL.V7.5 sử dụng để tính tốn thủy nhiệt phân tích an tồn Lị Phản ứng nghiên cứu công suất danh định 10 MW sử dụng nhiên liệu VVR-KN độ giàu thấp Ở trạng thái vận hành ổn định, nhiệt độ vỏ bọc nhiên liệu bó nhiên liệu (BNL) nóng khơng vượt q 93,0 oC, nhiệt độ cực đại chất làm nguội 72,0 oC tỉ số cực tiểu khởi điểm sôi bọt(ONBR) 1,46 nhiệt độ nước lối vào 45,0 oC Các thông số thủy nhiệt hoàn toàn đáp ứng yêu cầu an toàn nhà sản xuất nhiên liệu đề với nhiệt độ vỏ bọc không vượt 98,0 oC tỉ số khởi điểm sơi lớn 1,30 Về khía cạnh phân tích an tồn, tình chuyển tiếp/sự cố thực phân tích bao gồm: thêm vào độ phản ứng (RIA), lưu lượng bơm vòng bị giảm vỡ đường ống hoàn toàn lưu lượng bơm vịng hồn tồn điện lưới Tại ngưỡng công suất 110% so với công suất danh định q trình tính tốn chuyển tiếp, nhiệt độ vỏ bọc nhiên liệu bó nhiên liệu nóng không vượt 110 oC tỉ số khởi điểm sôi bọt lớn 1,30 Từ kết tính tốn đạt cho thấy cấu hình vùng hoạt đề nghị sử dụng nhiên liệu VVR-KN với chu trình nhiên liệu đến vùng hoạt cân hồn toàn đáp ứng yêu cầu an toàn thủy nhiệt điều kiện vận hành ổn định, trình chuyển tiếp cố Từ khóa: DNBR; điện lưới; nhiệt độ vỏ bọc; ONB; PARET/ANL.V7.5; phân tích an tồn; PLTEMP/ANL.V4.2; RIA; thủy nhiệt; trạng thái chuyển tiếp cố; trạng thái dừng; VVR-KN Giới thiệu Mục đích việc phân tích an tồn cho lị phản ứng nghiên cứu (LPƯNC) nhằm chứng minh khẳng định cho quan quản lí pháp quy lị phản ứng đảm bảo an toàn thiết kế vận hành cách sử dụng cơng cụ phân tích thích hợp thường phần mềm chương trình tính tốn Phân tích an tồn quan trọng việc xây dựng thủ tục vận hành, chương trình kiểm tra, đề xuất sửa đổi cấu hình bố Cite this article as: Nguyen Tien Vu, Nguyen Nhi Dien, Huynh Ton Nghiem, Nguyen Kien Cuong, & Vo Doan Hai Dang (2021) Thermal hydraulics calculation and safety analysis for 10MW multipurpose research reactor using VVR-KN low enriched fuel Ho Chi Minh City University of Education Journal of Science, 18(6), 1134-1145 1134 Nguyễn Tiến Vũ tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM trí thí nghiệm xây dựng kế hoạch ứng phó cố (International Atomic Energy Agency, 2008) Liên quan đến dự án xây dựng Trung tâm Nghiên cứu khoa học công nghệ hạt nhân(RCNEST), với LPƯNC thông qua chủ trương đầu tư chuẩn bị để thực giai đoạn Nghiên cứu khả thi dự án, với LPƯNC đa mục tiêu cơng suất 10 MW mà phía đối tác Nga đề xuất xây dựng RCNEST (Nguyen et al., 2019) thấy việc phân tích an toàn cho LPƯNC cần thiết nhằm đảm bảo LPƯ hoạt động an tồn có hiệu xây dựng nước ta tương lai gần Trong q trình tính tốn tốn thiết kế, Lị phản ứng (LPƯ) cơng suất 10 MW sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp VVR-KN thuộc kiểu bể bơi xem xét tính tốn phân tích an tồn sau tính tốn chi tiết vật lí Chương trình PLTEMP/ANL.V4.2 sử dụng để tính tốn thông số thủy nhiệt trạng thái vận hành ổn định để so sánh với yêu cầu an toàn nhà sản xuất nhiên liệu đề ra, cụ thể: nhiệt độ vỏ bọc không vượt 98,0 oC, nhiệt độ chất tải nhiệt không vượt 108,0 oC tỉ số khởi điểm sôi lớn 1,30 (Arinkin, 2014; Hanan, & Garner, 2015; Nakipov, 2015) Chương trình PARET/ANL.V7.5 sử dụng để phân tích an tồn trường hợp xảy cố cần đảm bảo yêu cầu an toàn đưa bao gồm: nhiệt độ vỏ bọc nhiên liệu bó nhiên liệu nóng khơng vượt q 110 oC, nhiệt độ chất tải nhiệt không vượt 108,0 oC tỉ số khởi điểm sôi lớn 1,30 (Arinkin, 2014; Hanan, & Garner, 2015; Nakipov, 2015) LPƯ có vùng hoạt đặt thùng lị với đường kính 2,30 m, chiều cao mức nước khoảng 5,30 m, sử dụng nước nhẹ làm chậm làm nguội, vành phản xạ berily Vùng hoạt LPƯ nạp tải bó nhiên liệu (BNL) loại VVR-KN độ giàu 19,75% với loại loại tiêu chuẩn loại có điều khiển Việc làm mát vùng hoạt thực đối lưu cưỡng với dòng chảy xuống, tổng lưu lượng khoảng 900 m3/h (Arinkin, 2014) Để điều khiển LPƯ, điều khiển sử dụng vùng hoạt bao gồm: điều khiển tự động (AR) làm từ thép không gỉ với mật độ 7,80 g/cm3 Hai an toàn (AZ1 AZ2) bù trừ (KC1-KC6) làm B4C với mật độ 1,69 g/cm3 loại vật liệu hấp thụ mạnh Neutron Hình Mặt cắt thẳng đứng LPƯ VVR (Arinkin, 2014) 1135 Tập 18, Số (2021): 1134-1145 Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM LPƯ sử dụng loại BNL VVR-KN: FA-1 FA-2 FA-1 loại nhiên liệu tiêu chuẩn có nhiên liệu hình lục giác đồng tâm nhiên liệu hình trụ trịn tâm Loại FA-2 gồm nhiên liệu hình lục giác hình trụ trịn tâm đóng vai trị dẫn hướng cho điều khiển thép không gỉ hay B4C Độ dày nhiên liệu 1,60 mm, phần chứa nhiên liệu hỗn hợp UO2+Al có độ dày 0,70 mm, vỏ nhiên liệu hợp kim nhôm SAV-1 có độ dày 0,45 mm Khoảng cách nhiên liệu mm tạo thành kênh tải nhiệt cho nhiên liệu Chiều cao phần nhiên liệu 600 mm với khối lượng 235 U BNL FA-1 FA2 tương ứng 248,20 g 197,60 g, mật độ trung bình uran nhiên liệu khoảng 2,80 g/cm3, vẽ chi tiết BNL trình bày Hình Hình Mặt cắt ngang bó nhiên liệu FA-1 FA-2(Arinkin, 2014) Chương trình mơ hình tính tốn 2.1 Chương trình tính tốn Các chương trình tính tốn sử dụng cho phân tích an tồn thương mại hiệu lực hóa thơng qua việc so sánh với kết thí nghiệm kết tính tốn từ chương trình tính tốn khác công bố (Arinkin, 2014; Arne, & M, 2015, 2016; CHATZIDAKIS et al., 2012; Hanan, & Garner, 2015; International Atomic Energy Agency, 2019; Nakipov, 2015) Chương trình PLTEMP/ANL-V4.2 sử dụng để tính tốn phân tích, xác định thơng số thủy nhiệt số thông số an tồn khác trạng thái dừng PLTEMP mơ hình hóa kênh làm mát nhiên liệu thành kênh độc lập với thông số liên quan trình bày Bảng Các phần nhiên liệu vỏ nhiên liệu mô tả dạng riêng biệt (Arne, & M, 2015) Chương trình PARET sử dụng từ năm 1969 Phịng Thí nghiệm Quốc gia Idaho (INL) để phân tích kiện/sự cố đưa độ phản ứng vào vùng hoạt LPƯ nghiên cứu lò thử nghiệm làm nguội nước nặng nước nhẹ với nhiên liệu dạng trụ Chương trình PARET thích hợp ứng dụng cho loại BNL dạng cong bán kính cong lớn so với chiều dày nhiên liệu Phiên chương trình PARET/ANL phát triển Phịng Thí nghiệm Quốc gia Argonne (ANL) sử dụng cho chương trình chuyển đổi nhiên liệu LPƯ để xác định diễn biến trình chuyển tiếp cố độ phản ứng Chương trình PARET/ANL lấy mơ hình nhiên liệu 1136 Nguyễn Tiến Vũ tgk Tạp chí Khoa học Trường ĐHSP TPHCM vùng hoạt kênh đại diện Kênh bao gồm nhiên liệu dạng trụ bao gồm vỏ bọc nhiên liệu, khe hở với nước làm mát bên Về hình học, kênh làm mát cho nhiên liệu có kích thước giống hệt (đối xứng gương) chúng có độ dày khác kênh Có thể có nhiều kênh mơ hình tính tốn kênh độc lập kết hợp qua phản hồi độ phản ứng ảnh hưởng đến toàn vùng hoạt (Arne, & M, 2016) 2.2 Mơ hình tính tốn Vùng hoạt cân xác lập qua chu trình nhiên liệu, cơng suất vận hành LPƯ lúc 10 MW Số BNL điều khiển vùng hoạt chu trình khơng đổi, tức ln có BNL FA-2 vùng hoạt chu trình Phân tích an tồn thực kênh nóng vùng hoạt cân với cấu hình nạp tải trình bày Hình Hình Mặt cắt ngang thẳng đứng vùng hoạt LPƯ Các thông số neutron vùng hoạt phân bố công suất, phân bố công suất theo chiều cao bán kính bó nhiên liệu trình bày Hình 4, Giá trị hiệu dụng điều khiển trình bày hình 6, phản hồi nhiệt độ chất tải nhiệt Bảng 1, Các thông tin liên quan tới vùng hoạt chu trình trình bày Bảng tính tốn chi tiết hệ chương trình MCNP MCNP-REBUS, sau đưa vào input chương trình tính tốn thủy nhiệt Bảng Phản hồi nhiệt độ chất tải nhiệt Thông số Nhiệt độ chất tải nhiệt (K) Độ phản ứng ($) 294