Đặc trưng vật lí bó nhiên liệu và vùng hoạt của lò VVER-1000

[Đồ án] Đặc trưng vật lí bó nhiên liệu và vùng hoạt của lò VVER-1000

LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành được luận văn, em xin bày tỏ lòng viết ơn sâu sắc tới Tiến sĩ Hoàng Anh Tuấn. Nhờ sự hướng dẫn và chỉ bảo tận tình của thầy mà em có thể nhanh chóng tiếp cận và có hướng đi đúng đắn xuyên suốt trong luận văn của mình. Đồng thời em cũng xin cảm ơn chân thành nhất tới các thầy cô trong Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường-Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, các thầy cô đã tạo điều kiện và nhiệt tình giúp đỡ để em hoàn thành luận văn này. 1 NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN Để tìm hiểu những đặc trưng vật lý bó nhiên liệu và vùng hoạt của lò VVER-1000, luận văn đã thực hiện các nghiên cứu tính toán dựa trên những bài toán tiêu chuẩn được công bố bởi tổ chức OECD (tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế).Trong những năm gần đây OECD đã thành lập một nhóm các chuyên gia để giải quyết những vấn đề phát sinh liên quan đến công nghệ, vật lý lò, hiệu suất sử dụng nhiên liệu và chu trình nhiên liệu thuộc phạm vi của chương trình giải trừ vũ khí hạt nhân (sử dụng trong lò phản ứng loại bó nhiên liệu có chứa plutonium trong thành phần viên oxit nhiên liệu). Mục đích của nhóm là cung cấp cho các nước thành viên những thông tin cập nhật và xây dựng sự đồng thuận, thống nhất trong việc thiết kế vùng hoạt, chu trình đốt nhiên liệu, độ cháy của nhiên liệu plutonium trong các lò phản ứng sử dụng nơtron nhiệt (PWR, BWR, VVER-1000, CANDU) và lò nhanh (BN-600). Khác với nhiên liệu truyền thống (U-235), việc sử dụng plutonium (Pu-239, Pu-241) đòi hỏi phải giải quyết nhiều vấn đề mới liên quan tới vật lý lò, hiệu suất sử dụng nhiên liệu, độ tin cậy, khả năng và tính linh hoạt của các lò phản ứng sử dụng nơtron nhiệt (thermal water reactor) và lò nhanh (fast reactor). Trên cơ sở các bài toán tiêu chuẩn của OECD, luận văn đã thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ boron và những yếu tố khác lên các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu và vùng hoạt của lò VVER-1000 bằng việc sử dụng chương trình MCNP5. Ngoài ra, luận văn cũng thực hiện tính toán phân bố công suất và thông lượng để hiểu rõ hơn về vai trò của việc tính toán đó trong quá trình vận hành và điều khiển lò phản ứng. Luận văn gồm 4 phần chính sau: Chương I: Lý thuyết lò phản ứng 2 Chương II: Giới thiệu chương trình MCNP và ứng dụng trong tính toán tới hạn Chương III: Xây dựng các bài toán vật lý cho lò VVER-1000 Chương IV: Kết quả tính toán và thảo luận 3 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Số thứ tự Ký hiệu Tên tiếng anh(tiếng Nga) Tên tiếng Việt 1 VVER Water-Water Energetic Reactor (Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor ) Lò năng lượng nước-nước 2 OECD Organisation for Economic Cooperation and Development Tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế 3 ECCS Emergency Core Cooling System Hệ thống làm lạnh vùng hoạt khẩn cấp 4 MOX(MOXGD) Mixed oxide Hỗn hợp oxit 5 LEU(UGD) Low Enriched Uranium Nhiên liệu uran độ giàu thấp 6 UOX Uranium oxide Oxit uran 4 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 2 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4 MỤC LỤC 5 DANH MỤC CÁC BẢNG 9 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 10 MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG I :LÝ THUYẾT LÒ PHẢN ỨNG 14 1.1.Các phương trình giải tích[1] 14 1.1.1. Phương trình vận chuyển nơtron 14 1.1.2. Phương trình khuếch tán 15 1.2.Phương pháp Monte-Carlo giải phương trình vận chuyển [1] 17 2.1. Tập tin đầu vào của MCNP[2] 21 2.1.1. Thẻ ô 21 2.1.2. Thẻ bề mặt 22 Bảng 2.1.Bảng một số ký hiệu hình học[2] 23 Bảng 2.2. Các cách tính toán nơtron, photon, electron trong MCNP[2] 24 2.2. Đánh giá sai số và giảm sai số[2] 24 2.2.1. Đánh giá sai số và độ chính xác 24 2.2.2. Giảm sai số 25 2.3. Ứng dụng MCNP trong tính toán tới hạn[2] 26 2.3.1. Phương pháp tính hệ số nhân nơtron 26 2.3.2.Cấu trúc thẻ lệnh tính toán tới hạn trong MCNP 26 5 CHƯƠNG III: XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN CHO LÒ VVER-1000 27 Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý NM ĐHN sử dụng lò VVER-1000[3] 28 3.1. MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA LÒ VVER-1000[3] 29 3.1.1. Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng 29 Hình 3.2. Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng VVER-1000[3] 30 Hình 3.3. Sơ đồ thiết kế lò VVER-1000[3] 31 Vùng hoạt của lò VVER có 163 bó nhiên liệu, trong đó có 61 bó có thanh điều khiển được chia thành 10 nhóm. Chi tiết sự phân bố các nhóm thanh điều khiển được mô tả trên hình 3.5 33 Hình 3.5. Sự phân bố các nhóm thanh điều khiển trong vùng hoạt[8] 34 Bảng 3.1. Các thông số chính của vùng hoạt [3] 34 Hình 3. 6. Cấu trúc bó nhiên liệu của lò VVER-1000 35 Bảng 3.2. Thông số của thanh nhiên liệu và viên nhiên liệu [3] 36 Hình 3.7. Cấu tạo bình sinh hơi lò VVER-1000[8] 37 3.1.2. Hệ thống điều áp 38 3.1.3. Hệ thống điều khiển và bảo vệ lò phản ứng 39 3.1.4. Hệ thống an toàn 40 3.2. Mô hình tiêu chuẩn (mô hình benchmark) 40 3.2.1. Mô hình bó nhiên liệu[4] 40 Hình 3.8.Cấu hình bó nhiên liệu UGD (Nguồn[4]) 41 Hình 3.9.Cấu hình bó nhiên liệu MOX (Nguồn[4]) 42 3.2.2. Mô hình 1/6 vùng hoạt nạp tải 30% MOX[5] 44 Hình 3.11.Cấu hình1/6 vùng hoạt nạp tải 30% MOX ( Nguồn[5]) 44 Hình 3.12.Cấu hình bó nhiên liệu UGD (Nguồn[5]) 45 Hình 3.13.Cấu hình bó nhiên liệu MOX (Nguồn[5]) 46 Bảng 3.4. Kích thước những ô trong bó nhiên liệu [5] 47 3.3.Các bài toán vật lý lò VVER-1000 48 3.3.1.Những bài toán cơ sở: 48 Hình 3.15.Hình học cho bài toán ô mạng hình trụ 49 Hình 3.16. Hình học cho bài toán ô mạng hình lục lăng 49 Bảng 3.5.Tên vật liệu được mô tả trong bó nhiên liệu[5] 50 3.3.2.Bài toán với 1 bó nhiên liệu theo mô hình tiêu chuẩn: 50 Bảng 3.6. Miêu tả các trạng thái bó nhiên liệu[4] 51 Bảng 3.7.Thành phần vật liệu[4] 51 6 3.3.3.Bài toán vùng hoạt 7, 19 và 31 bó nhiên liệu: 52 3.3.4.Bài toán 1/6 vùng hoạt lò VVER-1000 52 54 Hình 3.17.Hình học 1/6 vùng hoạt nạp 30% MOX[5] 54 Bảng 3.8.Miêu tả các trạng thái vùng hoạt lò VVER-1000[5] 54 Bảng 3.9.Thành phần đồng vị của vật liệu kết cấu[5] 55 Bảng 3.10.Chất làm chậm và nước trong vật liệu phản xạ[5] 55 4.1.Kết quả bài toán cơ sở: 57 Hình 4.1.Hình mô phỏng ô mạng hình trụ 57 Bảng 4.1:Kết quả bài toán ô mạng hình trụ 57 Hình 4.2.Hình mô phỏng ô mạng hình lục lăng 58 Bảng 4.2:Kết quả bài toán ô mạng hình lục lăng 58 Hình 4.3.Hình mô phỏng bó gồm toàn nhiên liệu 58 Bảng 4.3:Kết quả bài toán 1 bó toàn nhiên liệu 59 Hình 4.4.Hình mô phỏng bó nhiên liệu UGD 59 Bảng 4.4:Kết quả bài toán 1 bó nhiên liệu UGD 59 Bảng 4.5. Kết quả vùng hoạt toàn bó nhiên liệu UOX loại 1 60 Bảng 4.6. Kết quả vùng hoạt toàn bó nhiên liệu MOX loại 2 60 Bảng 4.7.Kết quả cho các bài toán cơ sở 60 4.2. Kết quả bài toán 4 trạng thái cho bó nhiên liệu UGD và MOX 61 Bảng 4.8. Kết quả bài toán 1 bó nhiên liệu UGD ở 4 trạng thái[3] 61 Bảng4.9. Bảng so sánh giữa kết quả tính toán và kết quả của OECD 62 Hình 4.5.Hình mô phỏng bó nhiên liệu MOX 63 Bảng 4.10. Kết quả bài toán 1 bó nhiên liệu MOX ở 4 trạng thái[3] 64 Bảng4.11. Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả của OECD 64 4.3. Kết quả bài toán vùng hoạt 7, 19 và 31 bó nhiên liệu: 65 (a) (b) 65 Hình 4.6.Hình mô phỏng vùng hoạt 7 bó nhiên liệu 65 Bảng 4.12. Kết quả tính toán bài toán vùng hoạt 7 bó nhiên liệu 66 Hình 4.7.Đồ thị sự phụ thuộc của giá trị keff theo chiều cao mức nước 66 (a) (b) 67 Hình 4.8.Hình mô phỏng vùng hoạt 19 bó nhiên liệu 67 Bảng 4.13. Kết quả tính toán bài toán vùng hoạt 19 bó nhiên liệu 68 Hình 4.9. Đồ thị sự phụ thuộc của giá trị keff theo chiều cao mức nước.68 (a) (b) 69 7 Hình 4.10.Hình mô phỏng vùng hoạt 31 bó nhiên liệu 69 Bảng 4.14. Kết quả tính toán bài toán vùng hoạt 31 bó nhiên liệu 70 70 Hình 4.11. Đồ thị sự phụ thuộc của giá trị keff theo chiều cao mức nước70 Bảng 4.15. Kết quả cho bài toán 7, 19 và 31 bó nhiên liệu 71 4.4. Kết quả bài toán 1/6 vùng hoạt nạp tải 30% MOX: 72 Hình 4.12. Hình mô phỏng mặt cắt đứng(a) và mặt cắt ngang(b) 1/6 vùng hoạt 72 Bảng 4.16. Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả của OECD[5] 72 Bảng 4.17. Hệ số công suất tại các bó nhiên liệu 74 Hình 4.13. Phân bố công suất trong vùng hoạt lò VVER-1000 75 Sau khi đã nhân hệ số chuẩn hóa ta có bảng kết quả như bảng 4.18 77 Bảng 4.18.Kết quả tính toán thông lượng theo chiều cao bó nhiên liệu. .77 Hình 4.14.Đồ thị phân bố thông lượng theo chiều cao bó nhiên liệu 78 Bảng 4.19. Kết quả tính toán thông lượng theo chiều cao vùng hoạt 79 Hình 4.15. Đồ thị phân bố thông lượng theo chiều cao vùng hoạt 80 KẾT LUẬN 81 Phụ lục 1: input cho bài toán 1 bó nhiên liệu 82 Phụ lục 2: input cho bài toán vùng hoạt 31 bó nhiên liệu 84 Phụ lục 3: input cho bài toán 1/6 vùng hoạt nạp tải 30% MOX 88 Phụ lục 4: Kết quả tính toán công suất theo các bó nhiên liệu 110 8 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1.Bảng một số ký hiệu hình học[2] Error: Reference source not found Bảng 2.2. Các cách tính toán nơtron, photon, electron trong MCNP[2] Error: Reference source not found Bảng 3.1. Các thông số chính của vùng hoạt [3] Error: Reference source not found Bảng 3.2. Thông số của thanh nhiên liệu và viên nhiên liệu [3] Error: Reference source not found Bảng 3.4. Kích thước những ô trong bó nhiên liệu [5] Error: Reference source not found Bảng 3.5.Tên vật liệu được mô tả trong bó nhiên liệu[5] . Error: Reference source not found Bảng 3.6. Miêu tả các trạng thái bó nhiên liệu[4] Error: Reference source not found Bảng 3.7.Thành phần vật liệu[4] Error: Reference source not found Bảng 3.8.Miêu tả các trạng thái vùng hoạt lò VVER-1000[5] Error: Reference source not found Bảng 3.9.Thành phần đồng vị của vật liệu kết cấu[5] Error: Reference source not found Bảng 3.10.Chất làm chậm và nước trong vật liệu phản xạ[5] Error: Reference source not found Bảng 4.1:Kết quả bài toán ô mạng hình trụ Error: Reference source not found Bảng 4.2:Kết quả bài toán ô mạng hình lục lăng Error: Reference source not found Bảng 4.3:Kết quả bài toán 1 bó toàn nhiên liệu Error: Reference source not found Bảng 4.4:Kết quả bài toán 1 bó nhiên liệu UGD Error: Reference source not found Bảng 4.5. Kết quả vùng hoạt toàn bó nhiên liệu UOX loại 1 Error: Reference source not found Bảng 4.6. Kết quả vùng hoạt toàn bó nhiên liệu MOX loại 2 Error: Reference source not found Bảng 4.7.Kết quả cho các bài toán cơ sở Error: Reference source not found Bảng 4.8. Kết quả bài toán 1 bó nhiên liệu UGD ở 4 trạng thái[3] Error: Reference source not found Bảng4.9. Bảng so sánh giữa kết quả tính toán và kết quả của OECD Error: Reference source not found 9 Bảng 4.10. Kết quả bài toán 1 bó nhiên liệu MOX ở 4 trạng thái[3] Error: Reference source not found Bảng4.11. Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả của OECD Error: Reference source not found Bảng 4.12. Kết quả tính toán bài toán vùng hoạt 7 bó nhiên liệu Error: Reference source not found Bảng 4.13. Kết quả tính toán bài toán vùng hoạt 19 bó nhiên liệu Error: Reference source not found Bảng 4.14. Kết quả tính toán bài toán vùng hoạt 31 bó nhiên liệu Error: Reference source not found Bảng 4.15. Kết quả cho bài toán 7, 19 và 31 bó nhiên liệu Error: Reference source not found Bảng 4.16. Bảng so sánh kết quả tính toán và kết quả của OECD[5] Error: Reference source not found Bảng 4.17. Hệ số công suất tại các bó nhiên liệu Error: Reference source not found Bảng 4.18.Kết quả tính toán thông lượng theo chiều cao bó nhiên liệu Error: Reference source not found Bảng 4.19. Kết quả tính toán thông lượng theo chiều cao vùng hoạt Error: Reference source not found DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 3.1. Sơ đồ nguyên lý NM ĐHN sử dụng lò VVER-1000[3] Error: Reference source not found Hình 3.2. Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng VVER-1000[3] Error: Reference source not found Hình 3.3. Sơ đồ thiết kế lò VVER-1000[3] Error: Reference source not found Hình 3.5. Sự phân bố các nhóm thanh điều khiển trong vùng hoạt[8] Error: Reference source not found Hình 3. 6. Cấu trúc bó nhiên liệu của lò VVER-1000 Error: Reference source not found Hình 3.7. Cấu tạo bình sinh hơi lò VVER-1000[8] Error: Reference source not found 10 [...]... tải bó nhiên liệu khác nhau và cấu hình 1/6 vùng hoạt lò VVER-1000 (nạp tải 30% MOX) Các tính toán cho phép nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ boron và những yếu tố khác lên các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu và vùng hoạt của lò VVER-1000 Ngoài ra, luận văn cũng thực hiện tính toán phân bố công suất và thông lượng để hiểu rõ hơn về vai trò của việc tính toán đó trong quá trình vận hành và. .. phân hạch Vùng hoạt của lò VVER-1000 bao gồm các bó nhiên liệu có dạng hình lục lăng không có vỏ bọc bên ngoài, chứa các thanh nhiên liệu được sắp xếp theo mạng tam giác và các bó nhiên liệu cũng được sắp xếp trong vùng hoạt theo mạng tam giác 32 Hình 3.4.Cấu tạo vùng hoạt của lò VVER-1000[ 7] Vùng hoạt của lò VVER có 163 bó nhiên liệu, trong đó có 61 bó có thanh điều khiển được chia thành 10 nhóm Chi... trong vùng hoạt[ 8] Bảng 3.1 Các thông số chính của vùng hoạt [3] Các thông số Giá trị Công suất nhiệt 3000 MW Chiều cao 3530 mm Thể tích 27 m3 Tổng số bó nhiên liệu trong vùng hoạt 163 bó Số bó nhiên liệu có kèm thanh điều khiển 61 bó Khoảng cách giữa tâm các bó nhiên liệu 236 mm Áp suất làm việc 160 (kgF/cm2) Tại lối vào 289 oC Tại lối ra 320 oC Lưu lượng dòng chảy của chất tải nhiệt qua vùng hoạt. .. Thông số của thanh nhiên liệu và viên nhiên liệu [3] Các thông số Giá trị Số thanh nhiên liệu /bó 312 Số giá đỡ (Spacer grid) /bó 14 Số ống dẫn để đưa thanh điều khiển hoặc chất hấp thụ cháy được /bó Kích thước bó nhiên liệu Chiều dài toàn bộ thanh nhiên liệu Chiều dài hiệu dụng của thanh nhiên liệu 18 Khoảng cách giữa các thanh nhiên liệu trong bó 12,75 mm Đường kính viên nhiên liệu tính cả vỏ bọc 9,1... nhiệt (nước nhẹ đã được xử lý hoá học và được pha thêm axít Boric) đi vào thùng lò qua các lối vào, qua vành xuyến (annulus) giữa thùng lò 31 và giỏ đỡ vùng hoạt, sau khi qua các lỗ khoan ở tấm phẳng dưới đáy, chúng đi vào các bó nhiên liệu trong vùng hoạt Tại vùng hoạt chất tải nhiệt nhận nhiệt từ năng lượng sinh ra của phản ứng phân hạch hạt nhân trong các bó nhiên liệu Sau đó chất tải nhiệt đi qua các... cả vỏ bọc 9,1 mm Bề dầy lớp vỏ bọc 0,69 mm Đường kính ngoài của viên nhiên liệu không tính vỏ bọc Chiều dài viên nhiên liệu Đường kính của lỗ ở tâm viên nhiên liệu Vật liệu làm vỏ bọc 7,53 mm 11 mm 2,3 mm Hợp kim Zr110 (99%Zr1%Nb) Heli Khí được bơm vào trong khe hở giữa viên nhiên liệu và vỏ bọc Nhiên liệu Mật độ nhiên liệu Độ giàu của nhiên liệu (%U235) 234 mm 3837 mm 3530 mm UO2 10,4 g/cm3 2,0 - 4,4... được em đi vào xây dựng input cho những bài toán lò VVER-1000 Trước tiên là bài toán ô mạng, sau đó là bài toán 1 bó nhiên liệu và tới bài toánvùng hoạt lò phản ứng CHƯƠNG III: XÂY DỰNG CÁC BÀI TOÁN CHO LÒ VVER-1000 Để có thể hình dung dễ dàng hơn về các bài toán vật lý của lò VVER-1000 cũng như các thông số sẽ phục vụ cho tính toán trước tiên em đi nghiên cứu tìm hiểu về một số đặc trưng của lò: hệ thống... Viên nhiên liệu có hoặc không có Galodinium Hình 3 6 Cấu trúc bó nhiên liệu của lò VVER-1000 Các thanh nhiên liệu được tạo nên bởi các viên nhiên liệu UO2 được bọc trong ống hình trụ làm bằng hợp kim Zr-Nb và ở tại 1 số vị trí nào đó của thanh nhiên liệu người ta bố trí các thành phần không phải là nhiên liệu chẳng hạn như thành phần hấp thụ hoặc chất hấp thụ cháy được 35 Bảng 3.2 Thông số của thanh nhiên. .. Tại lối vào 9,8 m/s Tại lối ra 11 m/s Trong vùng hoạt (trung bình) 5,5 m/s 34 Mỗi bó nhiên liệu lò VVER-1000 gồm 312 thanh nhiên liệu được gắn trên các giá đỡ song song có dạng hình lục giác bằng thép không gỉ Mỗi bó đều có một ống dẫn trung tâm để đưa các thiết bị đo vào Phần trụ phía dưới của các bó nhiên liệu được giữ trong các hốc trên giá đỡ và phần trên được giữ bằng giá đệm 1 Thanh nhiên liệu 2... định tìm hiểu các đặc trưng của lò VVER-1000 và sử 12 dụng chương trình MCNP5 để tính toán cho một số đặc trưng hạt nhân như: hệ số nhân hiệu dụng keff , phân bố thông lượng và công suất…trong lò Trên cơ sở các bài toán tiêu chuẩn của OECD và công cụ tính toán MCNP5, luận văn đã thực hiện việc mô hình hoá và tính toán chi tiết từ mức độ ô mạng, bó nhiên liệu (với 2 loại nhiên liệu UGD và MOX) đến các . khiển trong vùng hoạt[ 8] 34 Bảng 3.1. Các thông số chính của vùng hoạt [3] 34 Hình 3. 6. Cấu trúc bó nhiên liệu của lò VVER-1000 35 Bảng 3.2. Thông số của thanh nhiên liệu và viên nhiên liệu [3]. bài toán tiêu chuẩn của OECD, luận văn đã thực hiện nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ, nồng độ boron và những yếu tố khác lên các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu và vùng hoạt của lò VVER-1000. này. 1 NỘI DUNG CHÍNH CỦA LUẬN VĂN Để tìm hiểu những đặc trưng vật lý bó nhiên liệu và vùng hoạt của lò VVER-1000, luận văn đã thực hiện các nghiên cứu tính toán dựa trên những bài toán tiêu chuẩn