Tính toán một số tham số thủy nhiệt cho thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu 16x16 lò PWR bằng chương trình COBRA - IV

[Đồ án] Tính toán một số tham số thủy nhiệt cho thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu 16x16 lò PWR bằng chương trình COBRA - IV

LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy Lê Đại Diễn và các anh chị trong trung tâm An toàn hạt nhân - Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã giúp em hoàn thành tốt đợt thục tập này. Em cũng gửi lời cảm ơn đến thầy Trần Kim Tuấn và các thầy trong Viện Kỹ thuật hạt nhân và vật lý môi trường - Đại học Bách khoa Hà nội đã tạo điều kiện tốt cho em hoàn thành đợt thực tập này. 1 CHỮ VIẾT TẮT PWR : Lò phản ứng nước áp lực. DNBR : Tỷ số khởi phát hiện tượng sối nhân. DABs : Sự cố cơ bản theo thiết kế RIA : Tai nạn khởi phát độ phản ứng. LOCA : Sự cố mất chất tải nhiệt 2 MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN 1 CHỮ VIẾT TẮT 2 MỤC LỤC 3 BẢNG MỘT SỐ KÝ TỰ TOÁN HỌC 5 MỞ ĐẦU 7 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BÓ NHIÊN LIỆU 9 TRONG LÒ PHẢN ỨNG PWR 9 1.Tổng quan về bó nhiên liệu trong lò phản ứng PWR: 9 1.2. Các thông số của bó nhiên liệu dạng 16x16 sử dụng cho lò PWR: 15 1.3. Một số loại bó nhiên liệu được sử dụng cho các cấu hình lò khác nhau: 15 1.3.1.Lò PWR 3 Loop của Mitsubishi: 16 1.3.2. APR1400 (Hàn Quốc): 17 1.3.3. VVER-1000 (Nga) 19 CHƯƠNG II. MÔ HÌNH KÊNH TẢI NHIỆT VÀ CÁC PHƯƠNG TRÌNH BẢO TOÀN CHO MÔ HÌNH KÊNH TẢI NHIỆT 21 1. Mô hình kênh tải nhiệt (subchannel) 21 2.1. Các phương trình bảo toàn áp dụng cho subchannel: 22 2.2. Các phương trình bảo toàn áp dụng cho mô hình subchannel: 29 2.2.1.Phương trình bảo toàn khối lượng: 29 2.2.2. Phương trình bảo toàn năng lượng: 30 2.2.3. Phương trình bảo toàn mômen động lượng trục: 33 CHƯƠNG III. TIÊU CHUẨN AN TOÀN CHO ĐẠI LƯỢNG DNBR 36 3.1. Định nghĩa: 36 3.2. Tiêu chuẩn tới hạn DNBR: 39 3 CHƯƠNG IV. GIỚI THIỆU VỀ CHƯƠNG TRÌNH COBRA-IV VÀ ỨNG DỤNG TRONG MỘT SỐ BÀI TOÁN CỤ THỂ 41 4.1. Giới thiệu về chương trình COBRA-IV: 41 4.2. Ứng dụng chương trình COBRA-IV trong tính toán cụ thể: 43 4.2.1. Bài toán 1: Tính toán một số tham số thủy nhiệt cho thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu (16x16) của lò phản ứng PWR trong trường hợp hoạt động bình thường: 43 4.2.1.1. Yêu cầu bài toán 1: 43 4.2.2. Bài toán 2: Tính toán một số tham số thủy nhiệt cho thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu (16x16) của lò phản ứng PWR trong trường hợp chuyển tiếp: Thanh điều khiển bị đẩy ra ngoài (rod-ejection) 44 4.2.2.1. Hiện tượng Rod-ejection: 44 4.2.2.2: Yêu cầu bài toán 2: 45 4.3. Xây dựng input: 45 4.3.1.Các thống số hình học và các hệ số về nhiệt, áp suất…cho các thành phần trong kênh tải nhiệt 45 4.3.2.Mô hình kênh tải nhiệt ( subchannel) được sử dụng: 48 4.4. Chạy chương trình và phân tích kết quả: 49 4.4.1. Kết quả cho bài toán 1: 49 4.4.2. Kết quả cho bài toán 2: 56 4.4.2.2. Kết quả phần phân bố nhiệt độ: 62 4.4.3. So sánh kết quả: 67 4.4.3.1. So sánh kết quả cho bài toán 1: 67 4.4.3.1.1. So sánh giá trị DNBR: 67 4.4.3.2. So sánh kết quả cho bài toán 2: 68 4.4.3.2.1. So sánh giá trị DNBR: 68 4.4.3.2. So sánh giá trị enthalpy biến thiên theo thời gian: 70 4 KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 74 BẢNG MỘT SỐ KÝ TỰ TOÁN HỌC f ur : Tổng tất cả các lực biên tác động lên chất lỏng. r : tốc độ nội năng sinh ra trên một đơn vị khối lượng từ tất cả các nguồn. T ur : Tensor ứng suất bề mặt ( lực cằng bề mặt ) q r : Vectơ thông lượng nhiệt. V: thể tích được kiểm soát A: Bề mặt bao quanh thể tích kiểm soát V 5 u r : Vận tốc của chất lỏng. n r : Véctơ pháp tuyến bề mặt ngoài. e: Năng lượng bao gồm năng lượng nhiệt bên trong i và động năng ( 2 2 u e i= + ) Q ur : Vectơ bất kỳ của Thông lượng bề mặt W: Đại lượng đại diện cho vách chất rắn ( solid wall) F: Đại lượng đại diện cho một phần chất lỏng của A K: chất lỏng dẫn nhiệt. F T : nhiệt độ cục bộ riêng của chất lỏng. W T : nhiệt độ của viền bao chất rắn p : thành phần thủy lực π ur ur : tensor ứng suất của độ nhớt ( sức căng độ nhớt) h : enthalpy { } T C D : Vectơ kết nối chuyển vị H: hệ số truyền nhiệt bề mặt. C Q : Tốc độ dẫn nhiệt toàn phần T Q : Tổng năng lượng đầu vào thể tích V f : đại lượng ma sát không thứ nguyên 6 K: hệ số tổn hao toàn bộ. MỞ ĐẦU Trong tính toán và phân tích an toàn cho lò phản ứng hạt nhân thì việc phân tích an toàn thủy nhiệt đóng một vai trò quan trọng. Trong phân tích tính toán an toàn thủy nhiệt cho các hệ thống của nhà máy điện hạt nhân thông thường người ta chia thành hai lớp bài toán như sau: Lớp bài toán thứ nhất: Sử dụng các chương trình tính toán thủy nhiệt để đánh giá toàn bộ hệ thống , bao gồm các thiết bị chính như: Bình sinh hơi, vùng hoạt lò phản ứng, bình điều áp ,bơm tải nhiệt…Các phần mềm hay các chương trình như vậy gọi là các chương tình tính toán hệ thống ( system code) Ví dụ như : RELAP ( Mỹ), CATHARE (Pháp)…Tuy nhiên trong phân tích và tính toán hệ 7 thống cho các thiết bị có kích thước lớn với kết cấu phức tạp bao gồm nhiều chi tiết. Do vậy mà trong các chương trình tính toán hệ thống người ta thường đơn giản hay đồng nhất hóa các chi tiết nhỏ trong cùng một thiết bị lớn. Cũng vì lẽ đó mà chương trình sẽ không tính toán đến các thành phần chi thiết của thiết bị, ví dụ như vùng hoạt lò phản ứng gồm hàng trăm bó nhiên liệu với cấu trúc vô cùng phức tạp nhưng trong các chương trình tính toán và phân tích hệ thống chỉ chia vùng hoạt thành một số hữu hạn các phần tử. Vì vậy mà không thể mô tả được chi tiết các hệ số thủy nhiệt của bó nhiên liệu trong vùng hoạt. Do đó để giải quyết vấn đề này người ta đưa ra lớp bài toán thứ hai là việc đi sâu vào tính toán mô hình, hệ số chi tiết của các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt. Và các chương trình tiến hành tính toán cho bài toán này được gọi là các chương trình tính toán thành phần ( subchannel code hay component code) Ví dụ : COBRA( Mỹ) , MATRA ( Hàn Quốc)…các chương trình này cho phép xác định các tham số thủy nhiệt trong chế độ vận hành bình thường cũng như trong chế độ chuyển tiếp. Do vậy với hướng nghiên cứu tính toán một số tham số thủy nhiệt cho thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu 16x16 lò PWR thì chương trình COBRA-IV là lựa chọn phù hợp hơn cả. 8 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BÓ NHIÊN LIỆU TRONG LÒ PHẢN ỨNG PWR 1.Tổng quan về bó nhiên liệu trong lò phản ứng PWR: Trong vùng hoạt của lò phản ứng hạt nhân chứa các bó nhiên liệu mỗi bó nhiên liệu là tập hợp của nhiều thanh nhiên liệu được xếp lại với nhau thành một hình hộp và được cố định trong không gian bằng các lưới giằng (grid spacer). Bên cạnh đó bản thân các bó nhiên liệu cũng có những bộ phận để cố định nó khi đặt vào trong thùng lò. Mỗi một bó nhiên liệu trong lò PWR chứa khoảng 236 thanh nhiên liệu (trong một mảng 16x16=256, 20 vị trí còn lại dùng để đặt năm ống dẫn, Mỗi ống dẫn chiếm chỗ của 4 ô, dùng để đặt các thiết bị điều khiển). Thiết bị bên trong 9 vùng hoạt được lắp đặt ở trong các ống dẫn được lựa chọn nằm giữa các thanh nhiên liệu. Ngoài ra, phải thiết kế những khoảng không gian trong bó nhiên liệu để chất tải nhiệt chảy qua, và để đưa các thanh điều khiển đi vào vùng hoạt. Hình 1.1: Mặt cắt ngang của bó nhiên liệu (dạng 16x16) 1.1. Các thành phần chính trong bó nhiên liệu Bó nhiên liệu trong lò phản ứng PWR bao gồm các thành phần cơ bản sau đây : - Viên nhiên liệu. - Thanh nhiên liệu. - Lưới giằng 1.1.1 Viên nhiên liệu: 10 [...]... suất lò 1400MWe được thiết kế với bó nhiên liệu dạng 15x15 cho một bó thanh nhiên liệu Lò APR-1400 có tổng cộng 56876 thanh nhiên liệu với 93 thanh điều khiển cho bó nhiên liệu 17 Hình 1.7: Mô hình bó nhiên liệu trong lò APR-1400 Thông số APR-1400 Tổng số thanh nhiên liệu 58876 Nhiên liệu sử dụng UO2 Vật liệu vỏ Zircaloy-4 Tổng số thanh điều khiển bó thanh 93 nhiên liệu Bảng 1.3: Một số thông số cho lò. .. những mô hình bó nhiên liệu tương ứng 1.3.1 .Lò PWR 3 Loop của Mitsubishi: Thông số Giá trị Công suất nhiệt 2660 MWt Công suất điện 70 0-9 00 MWe Bó nhiên liệu 17x17 Số thanh nhiên liệu 264 Số ống dẫn thanh điều khiển 24 Vật liệu vỏ thanh nhiên liệu Zircalloy-4 Bảng 1.2: Một số thông số cho lò PWR 3 lôp của Mitsubishi 16 Hình 1.5: Lò 3 loop của Mitsubishi 1.3.2 APR1400 (Hàn Quốc): Lò APR-1400 của Hàn... 1400 18 1.3.3 VVER-1000 (Nga) Hình 1.8: Mặt cắt ngang bó nhiên liệu lòVVER-1000 Bó nhiên liệu trong lò VVER-1000 bao gồm 312 thanh nhiên liệu, 18 thanh dẫn và 1 thanh trung tâm 312 thanh nhiên liệu này được xếp lại với nhau tạo thành một hình lục lăng Vị trí các thanh dẫn và thanh trung tâm được miêu tả như hình vẽ bên Kích thước các thanh trong bó nhiên liệu của lò VVER-1000 được tham khảo ở bảng dưới... giữa nhiên liệu và lớp vỏ được lấp đầy bởi khí helium có tác dụng không cho viên nhiên liệu tiếp xúc với lớp vỏ và để làm tăng khả năng dẫn nhiệt giữa nhiên liệu và lớp vỏ 11 Bó nhiên liệu Thanh nhiên liệu Hình 1.3: Thanh nhiên liệu và bó nhiên liệu trong lò PWR Trong quá trình hoạt động, tổng lượng khí có thể tăng vì khí phân hạch được sinh ra (Krypton, Xenon …) Nếu xảy ra tai nạn mất chất tải nhiệt. .. liệu lò VVER-1000 20 CHƯƠNG II MÔ HÌNH KÊNH TẢI NHIỆT VÀ CÁC PHƯƠNG TRÌNH BẢO TOÀN CHO MÔ HÌNH KÊNH TẢI NHIỆT 1 Mô hình kênh tải nhiệt (subchannel) Trong phân tích và tính toán an toàn thủy nhiệt cho vùng hoạt của lò phản ứng hạt nhân mà cụ thể là các bó và thanh nhiên liệu người ta chia diện tích dòng chảy của một bó thanh nhiên liệu hạt nhân thành các mô hình nhỏ để tiện lợi và dễ dàng hơn trong tính. .. đặt trong miền hoạt động của nhiên liệu, vì những tính chất tương tác với neutron của loại vật liệu này 10 tấm lưới làm bằng zircaloy được hàn chặt với các ống dẫn (cũng được làm bằng zircaloy-4), mỗi lưới hàn với ống dẫn ở 8 vị trí, 4 điểm trên bề mặt lưới và 4 ở mặt dưới của lưới 14 1.2 Các thông số của bó nhiên liệu dạng 16x16 sử dụng cho lò PWR: Hình học bó nhiên liệu 16x16 Số thanh nhiên liệu trong. .. liệu trong bó 236 Số ống ( mối ống chiếm vị trí của 4 thanh) 5 Chiều dài của bó (mm) 4491 Chiều rộng của bó (mm) 207 Chiều dài thanh nhiên liệu (mm) 4112 Đường kính ngoài thanh nhiên liệu (mm) 9,7 Chiều dài viên nhiên liệu (mm) 9,91 Đường kính ngoài viên nhiên liệu (mm) 8,27 Mật độ của nhiên liệu (g/cm3) 10,3 6-1 0,58 Trung bình nhiệt tuyến tính 17,72 Đỉnh 32,81 Vật liệu làm vỏ thanh nhiên liệu Zr4/Zirlo... dày vỏ 0.635 Vật liệu làm lưới giằng Inc/Zr4 Bước ô mạng (cm) 1.29 Bảng 1.1: một số thông số cho lò PWR (16x16) 1.3 Một số loại bó nhiên liệu được sử dụng cho các cấu hình lò khác nhau: Ngày nay do yêu cầu về công suất và an toàn mà với mỗi loại lò khác nhau người ta đưa vào sử dụng những mô hình bó nhiên liệu khác nhau sao cho phù 15 hợp với mục đích của mình Sau đây là một vài loại lò phỏ biến cùng... LBP này giữ vai trò quan trọng trong việc điều khiển phân bố công suất lò phản ứng với khả năng làm giảm độ phản ứng trong những bó nhiên liệu có độ làm giàu cao 1.1.3 Lưới giằng Lưới giữ nhiên liệu giúp cho việc cố định hệ thống các thanh nhiên liệu bằng cách giữ chặt bên hông thanh nhiên liệu những vẫn cho phép các thanh nhiên liệu dịch chuyển theo chiều thẳng đứng Vật liệu sử dụng để tạo nên các đai.. .Nhiên liệu sử dụng chính trong lò phản ứng hạt nhân là UO 2, phổ biến nhất là hỗn hợp UO2 và PuO2 hay còn gọi là nhiên liệu oxit hỗn hợp (MOX) Nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng có độ giàu thấp khoảng từ 3-5 %, chế tạo dưới dạng các viên gốm và được đặt trong ống zircaloy tạo thành các thanh nhiên liệu Đặc điểm chính trong việc sử dụng UO 2 làm nhiên liệu là điểm nóng chảy của viên nhiên liệu . về chương trình COBRA-IV: 41 4.2. Ứng dụng chương trình COBRA-IV trong tính toán cụ thể: 43 4.2.1. Bài toán 1: Tính toán một số tham số thủy nhiệt cho thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu (16x16) . của lò phản ứng PWR trong trường hợp hoạt động bình thường: 43 4.2.1.1. Yêu cầu bài toán 1: 43 4.2.2. Bài toán 2: Tính toán một số tham số thủy nhiệt cho thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu (16x16) . thường cũng như trong chế độ chuyển tiếp. Do vậy với hướng nghiên cứu tính toán một số tham số thủy nhiệt cho thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu 16x16 lò PWR thì chương trình COBRA-IV là lựa