Sử dụng hương trình fraptran1 5 đánh giá an toàn thanh nhiên liệu hạt nhân trong trạng thái chuyển tiếp của lò phản ứng aes 2006

Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về công trình nghiên cứu của mình.Hà Nội, tháng 04 năm 2018 Học viên Trang 4 Lời cảm ơnLuận văn này là kết quả của quá trình học tập tại Trường Đại học Bách

SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH FRAPTRAN1.5 ĐÁNH GIÁ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên nghành: Kỹ thuật hạt nhân

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-PHÙNG KHẮC TOÀN

SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH FRAPTRAN1.5 ĐÁNH GIÁ AN TOÀN THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN TRONG TRẠNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật hạt nhân

Hà Nội – Năm 2018

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan rằng đây là công trình khoa học chưa được cá nhân hoặc tổ chức nào công bố Tất cả các số liệu trong luận văn đều trung thực, khách quan và có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tự tìm hiểu, phân tích

và đánh giá một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam Các kết quả phân tích này chưa được công bố trên bất kỳ nghiên cứu nào khác

Tôi xin chịu mọi trách nhiệm về công trình nghiên cứu của mình

Hà Nội, tháng 04 năm 2018

Học viên

Phùng Khắc Toàn

Lời cảm ơn

Luận văn này là kết quả của quá trình học tập tại Trường Đại học Bách Khoa Hà

Nội và quá trình tham gia nghiên cứu, thực hiện Đề tài độc lập cấp Nhà nước “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình vận hành đến tính chất của nhiên liệu và vỏ thanh nhiên liệu trong lò phản ứng VVER 1000“ do Cục NLNT chủ trì và thời gian đào tạo dưới -

sự hướng dẫn của TS Jinzhao Zhang tại cơ quan kỹ thuật năng lượng điện

TRACTEBEL (GDF SUEZ - Vương quốc Bỉ)

Với tình cảm chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến quý thầy cô giáo đã tham gia giảng dạy lớp cao học khóa 2015B, chuyên ngành Kỹ thuật hạt nhân, các

thầy cô Viện Đào tạo Sau đại học – Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Lãnh đạo Viện Kỹ thuật hạt nhân và Vật lý môi trường – Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội,

Lãnh đạo Cục Năng lượng nguyên tử đã tận tình giúp đỡ, tạo điều kiện cho em trong

quá trình học tập và hoàn thành luận văn này

Đặc biệt em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS Nguyễn Tuấn Khải đã định hướng và truyền đạt những kiến thức chuyên môn, những kinh nghiệm vô cùng quý báu trong nghiên cứu khoa học giúp em thực hiện và hoàn thành luận văn này.Các kết quả dựa trên luận văn đã được em và các đồng nghiệp tại Trung tâm Thông tin và Tư vấn hạt nhân, Cục Năng lượng nguyên tử viết thành bài báo: “Using

FRAPTRAN1.5 code for safety evaluation of TVS-2006 fuel rod under transient conditions of VVER-AES2006 reactor” được tạp chí Nuclear Science and Technology

chấp nhận đăngtại số 3, Vol 5 năm 2015

Mặc dù bản thân đã rất cố gắng nhưng chắc chắn luận văn không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong được nhận những ý kiến đóng góp bổ sung của quý thầy cô

và các bạn

Hà Nội, tháng 04 năm 2018 Học viên

Phùng Khắc Toàn

5

MỤC LỤC

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU 8

DANH MỤC HÌNH VẼ 9

MỞ ĐẦU 11

CHƯƠNG 1 ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ CỐ RIA TRONG LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐẾN THANH NHIÊN LIỆU 17

1.1 Sự cố RIA trong lò phản ứng hạt nhân 17

1.2 Tác động của sự cố RIA lên thanh nhiên liệu thông qua PCMI 19

1.3 Những kết quả thử nghiệm sự cố RIA trên thế giới 24

CHƯƠNG 2: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIÊN LIỆU FRAPTRAN1.5 31

2.1 Tổng quan chương trình FRAPTRAN 1.5 31

2.1.1 Mục đích và phạm vi tính toán của chương trình FRAPTRAN1.5 31

2.1.2 Thông tin input và output 32

2.2 Các mô hình tính toán trong chương trình FRAPTRAN1.5 33

2.2.1 Xây d ng mô h nh thanh nhiên li u 33ự ì ệ 2.2.2 Mô hình tính toán thủy nhiệt 34

2.2.3 Mô hình tính toán cơ học và vật lý 41

2.3 Bài toán benchmark sử dụng chương trình FRAPTRAN 1.5 tính toán an toàn trong sự cố RIA 53

2.3.1 Dữ liệu ban đầu của bài toán 54

2.3.2 Các kết quả tính toán 54

CHƯƠNG 3 PHÂN TÍCH AN TOÀN THANH NHIÊN LIỆU LÒ PHẢN ỨNG VVER-AES2006 TRONG SỰ CỐ RIA 58

3.1 Đặc điểm thiết kế thanh nhiên liệu lò phản ứng VVER-AES2006 58

3.2 Phương pháp phân tích và mô hình hóa 61

3.2.1 Phương pháp phân tích 61

3.2.2 Mô hình hóa thanh nhiên liệu lò phản ứng VVER-AES2006 61

3.3 Tính toán an toàn nhiên liệu lò phản ứng VVER-AES2006 trong sự cố RIA 63

6

3.3.1 Các điều kiện ban đầu trong tính toán an toàn thanh nhiên liệu hạt nhân lò

phản ứng VVER-AES-2006 63

3.3.2 Diễn biến sự cố RIA 65

3.3.3 Điều kiện biên áp dụng đối với sự cố 66

3.3.4 Tiêu chí an toàn trong sự cố RIA 70

3.3.5 Kết quả tính toán 70

3.3.6 Kết luận 81

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

PHỤ LỤC 86

7

DANH MỤC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

Từ viết

DNB Departure from Nuclear Boiling Dời khỏi sự sôi nhân

IAEA International Atomic Energy Agency Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế

PCMI Pellet Cladding Mechanical Interaction Tương tác cơ học viên gốm vỏ bọc

RIA Reactivity Initiated Accident Tai nạn/sự cố khởi phát độ phản ứng

US NRC United State Nuclear Regulatory Commission Ủy ban Pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ

VVER

(WWER)

Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor/Water-Cooled Water-Moderated Energy Reactor

Lò phản ứng hạt nhân nước áp lực kiểu Nga

8

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Các thí nghiệm trên các thanh nhiên liệu LWR trước khi bị chiếu xạ 25

Bảng 2 1 ựL a ch n c c ch truy n nhi t v m i quan h gi a c c th nh ph n 38 ọ á ế độ ề ệ à ố ệ ữ á à ầ Bảng 2 2 Kết quả dự đoán sự biến dạng thanh nhiên liệu UO2 và MOX trong lò phản ứng CABRI và NSRR 55

Bảng 2 3 Kết quả dự đoán sự biến dạng thanh nhiên liệu UO2 trong lò phản ứng CABRI và NSRR 56

Bảng 3 1 Các thông số thiết kế thanh nhiên liệu lò phản ứng VVER-AES2006 58

Bảng 3 2 Dữ liệu phân bố công suất dọc trục tương đối của thanh nhiên liệu 63

Bảng 3 3 Chuỗi các biến cố diễn ra 66

Bảng 3 4 Điều kiện biên 66

Bảng 3 5 So sánh kết quả FRAPTRAN đối với kết quả cua PSAR 80

9

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Quá trình cơ học đối với sự phá hủy nhiên liệu và lớp vỏ khi xảy ra RIA 20 Hình 1 2 Tác động của khí phân hạch từ viên nhiên liệu lên lớp vỏ 22 Hình 1 3 Tác động của hydrua hóa và PCMI lên lớp vỏ thanh nhiên liệu 23 Hình 1 4 Nứt nẻ PCMI do hydrua hóa xuất hiện ở đầu quá trinh chuyển tiếp, khi nhiệt độ lớp vỏ thấp 23 Hình 1 5 Quá trình gây nứt lớp vỏ thanh nhiên liệu do PCMI 24 Hình 1 6 Viên nhiên liệu bị vỡ vụn được quan sát trong CABRI 27 Hình 1 7 Hình dạng nứt gãy của các thử nghiệm REP Na1 do hiện tượng PCMI- 28 Hình 1 8 Hình dạng nứt gãy của thử nghiệm HBO 1 do hiện tượng PCM- 28 Hình 1 9 Hình dạng nứt gãy của thử nghiệm 804 1 PBF do hiện tượng PCMI- 29 Hình 1 10 Kết quả của sự nứt gãy lớp vỏ của các thử nghiệm 803-1 (0 GWd/tU) 29 Hình 1 11 Biến đổi trạng thái của lớp oxi hóa 29 Hình 1 12 Hiện tượng tụ hợp của các kim hydrua trong lớp vỏ hợp kim zircaloy 30 Hình 1 13 Những kết quả thử nghiệm thực hiện từ năm 1965 đến năm 2000 của Hoa Kỳ, Nhật Bản và Pháp 30

Hình 2 1.Ví ụ về một mô hình thanh nhiên liệ “ ốt hó ” d u n a 34 Hình 2 2 Giản đồ mô h nh nhiì ệt độ nhiên li u v l p v thanh nhiên li u 35 ệ à ớ ỏ ệHình 2 3 M i liên h giố ệ ữa thông lượng nhi t b mệ ề ặt và nhiệ ột đ b m t 38 ề ặHình 2 4 Mô tả mô hình BALON2 47 Hình 2 5 Ứng lực Hoop tại vị trí nổ vỡ được xác định bằng mô hình BALON2 48 Hình 2 6 Kết quả dự đoán sự biến dạng thanh nhiên liệu UO2 và MOX trong lò phản ứng CABRI và NSRR 55 Hình 2 7 Kết quả dự đoán sự biến dạng thanh nhiên liệu UO2 trong lò phản ứng CABRI và NSRR 56

10

Hình 3 1 Thanh nhiên liệu hạt nhân TVS-2006 60

Hình 3 2 Mô hình nốt hóa thanh nhiên liệu dọc trục 62

Hình 3 3 Vị trí bó thanh nhiên liệu hạt nhân trong vùng hoạt ở chu kỳ thứ nhất 64

Hình 3 4 Vị trí bó thanh nhiên liệu hạt nhân trong vùng hoạt ở chu kỳ cân bằng 64

Hình 3 5 Số bó thanh nhiên liệu trong vùng hoạt, vị trí của bó thanh kênh nóng 65

Hình 3 6 Công suất vùng hoạt 67

Hình 3 7 Áp suất vùng hoạt 68

Hình 3 8 Tốc độ dòng làm mát tại lối vào kênh nóng 68

Hình 3 9 Nhiệt độ chất làm mát trong vùng hoạt 69

Hình 3 10 Enthalpy nhiên liệu 69

Hình 3 11 Độ giãn dài của nhiên liệu 72

Hình 3 12 Độ giãn dài theo trục của thanh nhiên liệu 73

Hình 3 13 Ứng suất tác dụng lên lớp vỏ thanh nhiên liệu 73

Hình 3 14 Nhiệt độ của bề mặt nhiên liệu 74

Hình 3 15 Nhiệt độ của bề mặt dọc trục nhiên liệu 75

Hình 3 16 Nhiệt độ dọc trục tâm nhiên liệu 75

Hình 3 17 Nhiệt độ tâm nhiên liệu 76

Hình 3 18 Nhiệt độ tâm nhiên liệu theo hồ sơ PSARs 76

Hình 3 19 Nhiệt trung bình dọc trục của lớp vỏ nhiên liệu 77

Hình 3 20 Nhiệt độ mặt ngoài thanh nhiên liệu 78

Hình 3 21 Enthalpy dọc trục của nhiên liệu 79

Hình 3 22 Enthalpy dọc trục của nhiên liệu 79

Hình 3 23 Enthalpy nhiên liệu từ hồ hơ PSARs 80

11

MỞ ĐẦU

1. Tổng quan về tình hình nghiên cứu an toàn nhiên liệu

Việc bảo đảm an toàn cho các nhà máy điện hạt nhân đang vận hành cũng như các nhà máy đang được thiết kế và xây dựng luôn được các nhà phân tích an toàn

ưu tiên hàng đầu Mục đích phân tích an toàn là thẩm định lại tất cả những hồ sơ an toàn liên quan đến thiết kế của trang thiết bị trong nhà máy điện hạt nhân Những hồ

sơ này sẽ trình bày những đặc trưng của trang thiết bị phải đáp ứng với các tiêu chí

an toàn đặt ra bởi cơ quan pháp quy Phân tích an toàn sử dụng mọi phương cách để chứng minh hồ sơ an toàn qua những chương trình tính toán, những kết quả thí nghiệm hoặc những kết quả phản hồi kinh nghiệm thu được trong quá trình vận hành bình thường và khi có sự cố, tai nạn

Theo thời gian vận hành của lò phản ứng hạt nhân, bó thanh nhiên liệu chịu tác động của các hiệu ứng bức xạ, nhiệt độ, áp suất, ăn mòn và hóa học, các khuyết tật có thể phát triển theo hướng nguy hiểm hơn, thậm chí có thể gây ra các sự cố nứt, gãy, vỡ các thiết bị quan trọng như thùng lò phản ứng, ống nước tải nhiệt, thanh điều khiển Điều này là nguyên nhân của các sự cố như thay đổi độ phản ứng, mất chất tải nhiệt, nóng chảy vùng hoạt Những ảnh hưởng trên còn phải đề cập tới những tác động đến vỏ thanh nhiên liệu và bó thanh nhiên liệu Đây chính là lớp bảo vệ đầu tiên để chống rò rỉ, thất thoát các sản phẩm phóng xạ trong quá trình vận hành LPUHN ra ngoài môi trường

Việc đánh giá tính toàn vẹn của thanh nhiên liệu trong quá trình chuyển tiếp lò phản ứng là hết sức cần thiết Các nhà nghiên cứu đã chỉ ra những ảnh hưởng của quá trình chuyển tiếp lò phản ứng đến tính chất cơ, lý, hóa, nhiệt của thanh nhiên liệu trong đó có sự cố RIA

Các cuộc thí nghiệm RIA được thực hiện trên các thanh nhiên liệu sạch sử dụng lò phản ứng xung (loại lò phản ứng vận hành bởi các tín hiệu xung) ở Mỹ, Nhật, Nga, Kazakhstan và Romania, điển hình:

12

- IGR (Pulse Graphite Reactor, Kurchatov, Kazakhstan) thực hiện năm 1990 –

1992

- BIGR (Fast Pulse Graphite Reactor, Sarov, Nga) thực hiện năm 1997 – 2000

- CABRI (Cadarache, France) thực hiện năm 1993 – 2002

Đầu những năm 1990, các chương trình thí nghiệm được thực hiện tại Pháp, Nhật và Nga đã đi vào nghiên cứu những biến đổi của nhiên liệu khi có sự cố RIA Các chương trình này cơ bản có mục tiêu điều chỉnh lại các tiêu chuẩn cho RIA, điều này được dựa trên phần lớn kết quả của các thí nghiệm với nhiên liệu chưa bị đốt cháy hay đã bị đốt cháy

Những nghiên cứu này đã đưa ra những sai hỏng của nhiên liệu trong sự cố RIA Những tác động về mặt cơ, lý, hóa, nhiệt đối với nhiên liệu trong sự cố RIA đã được c nhà nghiên cứu cá nêu ra, phân tích và đưa ra những khuyến cáo đối với cơ quan vận hành cũng như thiết kế lò phản ứng

Trong những năm gần đây, các cơ quan, viện nghiên cứu của Việt Nam đã các nghiên cứu về lò phản ứng hạt nhân như: đề tài nghiên cứu về Sự cố nghiêm trọng

và đặc biệt nghiêm trọng; đề tài nghiên cứu về tổng quan lò phản ứng nước nhẹ của

Mỹ và Nga (công nghệ lò AP-1000, VVER-1000, VVER-1200), nhưng vẫn có rất ít các nghiên cứu, phân tích an toàn về các đặc tính cơ nhiệt của thanh nhiên liệ hạt u nhân trong điều kiện vận hành bình thường và khi có sự cố Hầu hết các chương trình tính toán được sử dụng hiện nay cho mục đích phân tích an toàn đa phần là về khía cạnh thủy nhiệt (chương trình RELAP5, RELAP/SCDAP, CATHARE, MELCOR,…) hay về khía cạnh vật lý (MCNP, MVP, SRAC,…) Các nghiên cứu

và chương trình tính toán về nhiên liệu hạt nhân còn rất hạn chế, đặc biệt là về nhiên liệu TVS 2006 của lò phản ứng VVER- -AES2006

2. Lý do chọn đề tài

Ngày nay, khi chính sách năng lượng ở mỗi quốc gia đang trở thành vấn đề cấp thiết hơn bao giờ hết, bởi sự ảnh hưởng liên quan tới nhiều khía cạnh mang tính chất toàn cầu như chống biến đổi khí hậu, xung đột vũ trang, an ninh hay chính

13

trị… Trong khi các nguồn năng lượng mới chưa thể hiện được tính khả thi và hiệu quả thì năng lượng hạt nhân đã trở thành sự lựa chọn hàng đầu của nhiều quốc gia trong đó có Việt Nam

Việt Nam đã có kế hoạch phát triển điện hạt nhân để đáp ứng nhu cầu năng lượng dài hạn, phù hợp với Chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích

hoà bình đến năm 2020 Chính phủ Việt Nam đã và đang triển khai thực hiện các giai đoạn cần thiết để đảm bảo đáp ứng cho sự phát triển của chương trình điện hạt nhân trong tương lai

Trong một số năm gần đây, Việt Nam đã có một số nghiên cứu về lò phản ứng ạh t nhân trong các sự cố nghiêm trọng nhưng hoàn toàn chưa có nghiên cứu về ảnh hưởng c a củ ác hiện tượng lý – hóa – cơ – nhiệt – bức xạ đến tr ng th i c a c c ạ á ủ áthan nhiên li u v v t liệ à ậ ệu lò phản ứng hạt nhân (LPUHN) trong điều kiện vận hành

chuyển tiếp Mặc dù, nước ta đã có kinh nghiệm vận hành và quản lý lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu Đà Lạt Tuy nhiên, với đặc trưng công suất lớn, hệ thống cấu trúc phức tạp, nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) đòi hỏi rất khắt khe về việc đảm bảo hoạt động an toàn của các lò phản ứng hạt nhân bên trong nhà máy Điều đó đã đặt ra rất nhiều thách thức cho toàn bộ quá trình vận hành cũng như quản lý nhà máy Do đó các phân tích đánh giá đặc trưng hoạt động của lò phản ứng là điều rất cần thiết Trong phân tích an toàn lò phản ứng chủ yếu tập trung vào 3 vấn đề chính bao gồm phân tích vật lý nơtron vùng hoạt lò phản ứng, phân tích thủy nhiệt động lò phản ứng và phân tích hiệu năng nhiên liệu lò phản ứng

Từ những năm 80 của thế kỷ XX cho đến nay, các thiết kế thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân không ngừng được cải tiến nhằm tối ưu hóa các đặc trưng vận hành trong vùng hoạt lò phản ứng Trong suốt quá trình cải tiến nhiên liệu, các thay đổi chủ yếu tập trung vào hình dạng của thanh nhiên liệu cũng như các đặc điểm của viên gốm nhiên liệu và lớp vỏ bọc như tăng độ làm giàu nhiên liệu (lên tới 5%), sử dụng các viên gốm nhiên liệu UO2-Gd2O3, sử dụng vỏ bọc làm bằng hợp kim Zr 1%Nb,… Các thay đổi về vật liệu, cấu trúc và kích thước này -nhằm đáp ứng các điều kiện vận hành khác nhau của lò phản ứng như mức công

14

suất cao (1000 1600 MWe), tăng giới hạn công suất 110% công suất danh định, - tăng độ cháy nhiên liệu (60 70 MWd/kgU) và kéo dài chu kỳ nhiên liệu (chu kỳ - nhiên liệu từ 12 đến 18 tháng)

Các kết quả nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn này sẽ trình bày những hiểu biết cần thiết về đặc tính của nhiên liệu trong sự cố RIA (Reactivity Initiated Accident), nhằm tăng cường năng lực phân tích an toàn, phục vụ cho việc phân tích, đánh giá an toàn nhà máy điện hạt nhân mà cụ thể là về đặc trưng nhiên liệu sử dụng

3 Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu đặc điểm công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006; trong

đó bao gồm thiết kế và các tiêu chuẩn vận hành của thanh nhiên liệu sử dụng trong

lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 (TVS-2006);

- Nghiên cứu các đặc trưng của trạng thái chuyển tiếp (sự cố RIA và LOCA)của lò phản ứng và các ảnh hưởng cơ - lý - hóa - nhiệt bức xạ đối với thanh nhiên - liệu trong lò phản ứng hạt nhân;

- Phân tích các đặc trưng của thanh nhiên liệu trong sự cố RIA phục vụ đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006

4 Đối tượng nghiên cứu

Luận văn tập trung nghiên cứu các hiện tượng cơ - - hóa - lý nhiệt bức xạ của - thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 trong điều kiện sự cố RIA

5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu

Luận văn nghiên cứu tập trung trong phạm vi đối với lò phản ứng nước áp lực (VVER), trong đó các vấn đề liên quan chủ yếu đến các đặc trưng của thanh nhiên liệu trong sự cố RIA Các tính toán cụ thể được áp dụng đối với thanh nhiên liệu của lò phản ứng VVER-AES2006 trong sự cố RIA bằng chương trình tính toán nhiên liệu FRAPTRAN1.5

15

6 Phương pháp nghiên cứu

• Phương pháp hồi cứu tài liệu: Nhằm thu thập tài liệu làm cơ sở lý luận cho nội dung nghiên cứu Tài liệu thu thập gồm có:

- Các tài liệu về sự phát triển của lĩnh vực điện hạt nhân trên thế giới, cũng như sự cải tiến của các thế hệ lò phản ứng hạt nhân;

- Các quy định và tiêu chuẩn của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), Ủy ban pháp quy Hoa Kỳ (US.NRC), Cơ quan pháp quy Liên Bang Nga về việc đảm bảo vận hành nhà máy điện hạt nhân;

- Các tài liệu về công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER của Liên Bang Nga bao gồm VVER AES2006, trong đó có đặc trưng thiết kế của thanh nhiên liệu TVS- -2006;

- Các tài liệu về đặc trưng vận hành trong điều kiện bình thường của lò phản ứng hạt nhân;

- Các công trình nghiên cứu về đặc trưng của thanh nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân trong sự cố RIA;

- Các tài liệu về cơ sở tính toán của chương trình tính toán nhiên liệu FRAPCFRAPTRAN1.5

• Phương pháp tính toán: Sử dụng chương trình tính toán nhiên liệu FRAPTRAN1.5 tính toán các đặc trưng của thanh nhiên liệu hạt nhân VVER-AES2006 trong sự cố RIA Phân tích, đánh giá kết quả thu được và so sánh với các tiêu chuẩn vận hành

7 Cấu trúc luận văn

Luận văn gồm các phần sau:

- Phần mở đầu: Giới thiệu khái quát về đề tài, mục đích nghiên cứu, nhiệm

vụ nghiên cứu,…

- Phần kết quả nghiên cứu: Gồm chương 3

• Chương Ảnh hưởng của sự cố RIA trong lò phản ứng đến thanh nhiên l1: iệu hạt nhân Nội dung chương này t: rình bày các ảnh hưởng của sự cố RIA đối với

• Chương 3: Phân tích an toàn thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVERAES2006 trong sự cố RIA: Nội dung chương này trình bày tính toán các thông số

-an toàn chính và tiêu chí -an toàn của nhiên liệu trong sự cố RIA sử dụng chương trình FRAPTRAN 1.5 như độ giãn dài của thanh, nhiệt độ của nhiên liệu và lớp vỏ bọc nhiên liệu, enthalpy của nhiên liệu,…Các tính toán được thực hiện khi lò vận hành ở sau 2 chu kỳ nhiên liệu Với các kết quả từ chương trình tính toán, tác giả đã đánh giá, phân tích và so sánh với kết quả mô phỏng trong Hồ sơ PSARs của lò phản ứng VVER-AES2006

- Phần kết luận và kiến nghị

Trong phần này, tác giả đánh giá khả năng tính toán an toàn nhiên liệu sử dụng chương tình FRAPTRAN1.5 trong điều kiện sự cố RIA Bên cạnh đó, tác gi ả cũng đánh giá những ưu điểm và hạn chế của phương pháp tính toán Cuối cùng, ác giả t

đã đề xuất định hướng nghiên cứu mới về an toàn nhiên liệu sử dụng chương trình FRAPTRAN toàn diện hơn

Tác giả cũng đưa ra được hướng nghiên cứu tiếp theo, cùng với đó là đề xuất

mô hình tính toán đầy đủ bằng các kết hợp với các chương trình tính toán nơtronic

và thủy nhiệt (RELAP5, CORBAR, SRAC, MCNP,…) để có được số liệu tin cậy và hoàn chỉnh giúp cho việc đánh giá an toàn nhiên liệu được toàn diện hơn

17

CHƯƠNG 1 ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ CỐ RIA TRONG LÒ PHẢN ỨNG

HẠT NHÂN Đ ẾN THANH NHIÊN LIỆU

Trong quá trình vận hành bình thường lò phản ứng, cấu trúc và tính bền vững của nhiên liệu hạt nhân bị biến đổi Những biến đổi đó là nguy cơ tiềm ẩn gây nên những sự cố nhiên liệu Thêm vào đó, trong quá trình chuyển tiếp của lò phản ứng, những biến đổi này cang phức tạp hơn và ảnh hưởng nghiêm trọng tới an toàn hạt nhân Vì vậy, việc đánh giá tác động của quá trình chuyển tiếp lò phản ứng đến đặc tính của nhiên liệu hạt nhân là hết sức cần thiết nhằm đảm bảo an toàn thanh nhiên liệu trong suốt quá trình vận hành

Trong quá trình chuyển tiếp của lò phản ứng, công suất của lò phản ứng biến đổi bất thường hay xảy ra các lỗi, sai hỏng trên thiết bị trong hệ thống lò phản ứng

có thể dẫn tới sự cố và tai nạn (trong đó có sự cố RIA)Trong các tai nạn đó, sự biến đổi quá trình bên trong lò phản ứng dẫn tới sự biến đổi nhiên liệu (có thể làm biến dạng, nứt gãy, hư hại nghiêm trọng tới thanh nhiên liệu)

Trong chương này, luận văn sẽ trình bày về một số tác động của sự cố RIA đến đặc tính của thanh nhiên liệu hạt nhân Hai sự cố này cũng là các sự cố điển hình được các nhà phân tích an toàn đưa ra trong quá trình chuyển tiếp lò phản ứng

1.1 Sự cố RIA trong lò phản ứng hạt nhân

Sự cố RIA là sự cố do gia tăng đột ngột (trong khoảng thời gian cỡ ms) tốc độ phân hạch và công suất lò phản ứng hạt nhân lên mức rất cao Công suất tăng cao có thể phá hủy vùng hoạt và ở một số trường hợp, thậm chí dẫn tới sự gãy vỡ Bởi vậy, hậu quả mà RIA gây ra dẫn tới sự sai hỏng lớp vỏ thanh nhiên liệu và phát tán vật chất phóng xạ vào trong chất làm mát vòng sơ cấp Thanh nhiên liệu có thể bị gãy đôi và phần lớn các sản phẩm khí phân hạch và các mảnh vỡ nhiên liệu bị thoát ra bên ngoài Bên cạnh đó, nhiệt độ nhiên liệu tăng nhanh gây ra khả năng tăng đột biến lượng hơi sinh ra và áp suất bên trong hệ thống

Trong một lò PWR, RIA xảy ra sau khi một vết nứt phát triển xung quanh phần đầu nối nơi mà có các hốc của hệ cơ khí điều khiển các thanh điều khiển trong

18

vùng hoạt và bị tác động dẫn tới bó thanh điều khiển bật ra do lực tác động bởi áp suất Điều này được gọi là tai nạn bật thanh điều khiển và nó dẫn tới hệ số phản ứng biến đổi mạnh dưới các điều kiện công suất ở trạng thái nóng là 0 Tai nạn này không thể xảy ra ở PWR dưới điều kiện công suất ở trạng thái lạnh bởi thùng lò phải có áp suất cao mới có thể làm bật thanh điều khiển Năm 2002, tại lò Davis Besse, một đầu nối của hệ cơ khí điều khiển các thanh điều khiển bị tác động bởi vết nứt và ăn mòn do axit boric phần trên lò phản ứng, tính huống này được coi là một tai nạn

Đầu những năm 1990, các chương trình thí nghiệm được thực hiện tại Pháp, Nhật và Nga đã đi vào nghiên cứu những biến đổi của nhiên liệu khi có sự cố RIA Các chương trình này cơ bản có mục tiêu điều chỉnh lại các tiêu chuẩn cho RIA, điều này được dựa trên phần lớn kết quả của các thí nghiệm với nhiên liệu chưa bị đốt cháy hay đã bị đốt cháy

Các thí nghiệm đó đã cho thấy sai hỏng lớp vỏ thanh nhiên liệu tồn tại ở nhiên liệu có enthalpy thấp đối với quá trình trước khi vận hành lớn hơn so với các thanh nhiên liệu sạch (chưa sử dụng) và sai hỏng tăng theo độ tăng của độ cháy nhiên liệu Hơn nữa, những sai hỏng ở nhiên liệu trước khi bị đốt cháy tồn tại trong thời kỳ ban đầu của quá trình tăng công suất, khi mà nhiệt độ lớp vỏ còn thấp Sự gia tăng ứng suất gây sai hỏng và sự thay đổi từ các sai hỏng ở nhiệt độ cao xuống nhiệt độ thấp được cho là những ảnh hưởng của sự giòn vỏ thanh nhiên liệu và làm trầm trọng thêm hiện tượng PCMI (Pellet Cladding Mechanical Interaction) trong các thanh nhiên liệu Cũng như thế, sai hỏng phụ thuộc vào độ cháy của thanh nhiên liệu và đặc biệt là bề mặt bị ăn mòn bởi nước, đây là khía cạnh rất quan trọng liên quan tới chất lượng thanh nhiên liệu trước khi bị chiếu xạ

Trong sự biến đổi của nhiên liệu, những ảnh hưởng của độ cháy và thời gian vận hành lò phản ứng là đặc biệt quan trọng và xem xét nhiên liệu ở các đặc tính được mô tả dựa trên:

1 Độ giòn của lớp vỏ do sự phá hủy bởi phóng xạ và ăn mòn bởi nước (bao gồm quá trình hydrua hóa);

4 Sự lưu giữ lượng lớn khí phân hạch bên trong nhiên liệu;

5 Kết tinh và thay đổi vi cấu trúc nhiên liệu;

6 Suy giảm độ dẫn và nhiệt độ nóng cháy nhiên liệu

Những ảnh hưởng của các hiện tượng trên do RIA được nhìn nhận là sự tác động của viên nhiên liệu tới lớp vỏ nhiên liệu hay PCMI [1]

1.2 Tác động của sự cố RIA lên thanh nhiên liệu thông qua PCMI

Trong quá trình vận hành lò phản ứng, sự oxi hóa và chiếu xạ làm giảm những tính chất cơ học của lớp vỏ zircaloy Khí phóng xạ phát tán ra khoảng trống của thanh nhiên liệu sẽ làm gia tăng áp lực bên trong thanh nhiên liệu Những khí phóng xạ này lưu giữ trong viên gốm nhiên liệu sẽ làm giãn nở viên gốm nhiên liệu

và tạo ra tương tác PCMI giữa viên gốm lớp vỏ zircaloy khi khoảng cách giữa các - viên gốm và lớp v ỏ thu hẹp lại

Năng lượng tích tụ làm tăng nhiệt độ nhiên liệu và nhiên liệu nở rộng rất nhanh tác động tới lớp vỏ PCMI xuất hiện làm biến dạng hình học lớp vỏ và khi bắt đầu tiếp xúc giữa lớp vỏ và viên nhiên liệu, có thể không có ma sát

Các yếu tố quan trọng làm biến đổi thanh nhiên liệu khi xảy ra RIA bao gồm: + Các viên nhiên liệu: độ tăng nhiệt độ, nhiệt nóng chảy, các mảnh vỡ, khí phân hạch làm phồng nhiên liệu và phát tán ra ngoài

+ Lớp vỏ nhiên liệu: độ tăng nhiệt độ, nhiệt nóng chảy, biến dạng, oxy hóa và sai hỏng

Ở nhiệt độ thấp, PCMI làm sai hỏng lớp vỏ khi xảy ra RIA có thể tồn tại ở các thanh nhiên liệu đã qua sử dụng nhưng không có ở các thanh nhiên liệu sạch Ở

+ Các xung biến đổi công suất: Cường độ và độ dài xung;

+ Điều kiện làm mát vùng hoạt như áp suất, nhiệt độ và tốc độ dòng làm mát; + Độ cháy của nhiên liệu và các đặc tính trước khi có sự cố: khoảng cách nhiên liệu và lớp vỏ, độ ăn mòn oxy hóa do nước ở lớp vỏ, áp suất khí bên trong thanh nhiên liệu và phân bố khí phân hạch bên trong viên nhiên liệu;

+ Các thông số thiết kế thanh nhiên liệu như áp suất bên trong thanh, độ dày lớp vỏ, thành phần viên nhiên liệu và hình học

Hình 1 1 Quá trình cơ học đố ớ ựi v i s phá h y nhiên li u và l p v khi x y ra RIA 1] ủ ệ ớ ỏ ả [1

Ở giai đoạn đầu xảy ra sự cố, vật liệu lớp vỏ giữ ở nhiệt độ thấp và bị tác động bởi các viên nhiên liệu bị nở rộng dẫn tới các sai hỏng trên lớp vỏ Ở giai đoạn sau quá trình chuyển tiếp, nhiệt độ chuyển đổi từ viên nhiên liệu có thể tới lớp vỏ làm lớp vỏ có nhiệt độ cao và dẫn tới sự sôi chất tải nhiệt xung quanh lớp vỏ Điều này làm lớp vỏ phồng ra và làm rão lớp vỏ tạo ra các nứt gãy Cuối cùng, nếu năng lượng tích tụ bên trong nhiên liệu quá cao thì lớp vỏ và có thể cả viên nhiên liệu sẽ

bị nóng chảy Hiện tượng này được nhận biết trên các thanh nhiên liệu có độ làm giàu cao (từ 10-20% U-235) Hiện tượng nóng chảy làm hỏng lớp vỏ và gây nên các tác động nhiệt học mạnh mẽ giữa vật liệu nóng chảy với chất tải nhiệt Tuy nhiên, ở các lò LWR, độ làm giàu thấp thì năng lượng tích tụ bên trong nhiên liệu sẽ không cao tới mức làm nóng chảy nhiên liệu Do đó, điều kiện này được xét với các thanh nhiên liệu Hình 1.1 mô tả quá trình cơ học đối với sự phá hủy nhiên liệu và lớp vỏ thanh nhiên liệu khi xảy ra RIA [2]

Như vậy, có 4 khả năng có thể tạo ra nứt nẻ trên thanh nhiên liệu khi xảy ra RIA:

+ Nứt nẻ ở nhiệt độ thấp bởi PCMI tại trạng thái ban đầu khi nhiệt tăng Khả năng này diễn ra đầu tiên và là yếu tố trước nhất làm tăng độ cháy cao của các thanh nhiên liệu với quá trình ăn mòn lớp vỏ

+ Nứt nẻ ở nhiệt độ cao do lớp vỏ bị phồng lớn và vỡ ra Nứt nẻ này tồn tại là kết quả của quá trình sôi màng và áp suất bên trong thanh nhiên liệu bị vượt quá mức

22

+ Sai hỏng do sự gãy vỡ của lớp vỏ khi bị làm nguội từ nhiệt độ cao Các sai hỏng này do sự tích tụ oxy làm giòn lớp vỏ bởi quá trình oxy hóa tại nhiệt độ cao khi có sôi màng

+ Nứt nẻ ở nhiệt độ cao bởi sự nóng chảy lớp vỏ và viên nhiên liệu

Bốn khả năng gây ra nứt nẻ nêu trên có các cơ chế điển hình sau:

+ Nứt nẻ và nổ vỡ do sản phẩm phân hạch khí từ viên nhiên liệu được thể hiện trên ình h 1 ; 2

Hình 1 2 Tác động c a khí phân hủ ạch từ viên nhiên li u lên l p v [11] ệ ớ ỏ+ Nứt nẻ do hydrua hóa được mô tả trên hình 1.3 và 1.4;

23

Hình 1 3 Tác động c a hydrua hóa và PCMI lên l p v thanh nhiên li u [12] ủ ớ ỏ ệ

Hình 1 4 Nứt nẻ PCMI do hydrua hóa xuất hiệ ở đầ n u quá trinh chuy n ti p, khi ể ế

nhiệ ột đ ớ l p v ỏthấ p [12]

24

Như vậy, có thể mô tả hiện tượng nứt nẻ PCMI trong suốt RIA như trên hình 1.5

Hình 1 5 Quá trình gây nứt lớ p v thanh nhiên li u do PCMI [12] ỏ ệ

Như đã nêu ở trên, ngay ở nhiệt độ thấp nứt do PCMI đã xuất hiện với enthalpy nhiên liệu chưa cao Hiện tuợng này gây ra do sự nở rộng của viên nhiên liệu Bởi thế, với các thanh nhiên liệu bán kính nhỏ, khoảng cách giữa nhiên liệu và lớp vỏ là yếu tố quan trọng gây nên PCMI

Những hiện tượng trên sẽ gia tăng rủi ro nứt gãy thanh nhiên liệu trong quá trình vận hành bình thường và trong quá trình xảy ra sự cố RIA

1.3 N hững kết quả thử nghiệm sự cố RIA trên thế giới

Có rất nhiều các cuộc thí nghiệm RIA được thực hiện trên các thanh nhiên liệu sạch (tổng quan các thí nghiệm trên các thanh nhiên liệu LWR trước khi bị chiếu xạ được chi tiết trong bảng 2), sử dụng lò phản ứng xung (loại lò phản ứng vận hành bởi các tín hiệu xung) ở Mỹ, Nhật, Nga, Kazakhstan và Romania, điển hình: [5] + IGR (Pulse Graphite Reactor, Kurchatov, Kazakhstan) thực hiện năm 1990 –

1992

+ BIGR (Fast Pulse Graphite Reactor, Sarov, Nga) thực hiện năm 1997 –

2000

25

+ CABRI (Cadarache, France) thực hiện năm 1993 – 2002

Điều kiện thí nghiệm là khác nhau giữa các thí nghiệm

B ng 1 1 Các thí nghiả ệm trên các thanh nhiên liệu LWR trướ c khi b ịchiế u x ạ

Điều kiện thí nghiệm

Thanh nhiên liệu

Số thanh nhiên liệu

14 (10/0/0/4)

Đỉnh enthalpy nhiên liệu (J/g) 255 1051 – 481 787 – 343 832 –Enthalpy thấp nhất tại nứt nẻ

- Thí nghiệm IGR:

+ IGR là một lò phản ứng xung đồng nhất urani – graphite với một độ dài xung tự nhiên khoảng 500 – 900 ms Vùng hoạt chứa kênh thí nghiệm trung tâm, có chứa nước làm mát Trong các cuộc thí nghiệm, người ta đã thay thế các viên nhiên liệu độ cháy cao bằng các viên nhiên liệu sạch vào trong các thanh nhiên liệu chứa khí helium với áp suất là 1,7 MPa

+ Kết quả của cuộc thí nghiệm này cho thấy 5 nhóm thanh nhiên liệu bị hỏng

ở enthalpy nhiên liệu cao do sự phồng lớn và vỡ ra của lớp vỏ

49 MWngày/kgU (riêng có 4 thanh có độ cháy là 60 MWngày/kgU, được tái chế từ các thanh VVER – 440)

+ Viên nhiên liệu có đường kính 7,54 – 7,6 mm và độ dài thanh 149 -155 mm với áp suất helium đạt 0,1 – 2,1 MPa

+ Kết quả: trong thí nghiệm, phát hiện 4 thanh bị hỏng với enthalpy nhiên liệu,

27

+ Tiêu chuẩn RIA được mô tả cho nhiên liệu PWR loại 17 x 17 có sự biến đổi mạnh mẽ trong quá trình chuyển tiếp công suất Trong 12 thí nghiệm thì có 8 thí nghiệm thực hiện với nhiên liệu UO2 và 4 là cho nhiên liệu MOX, có độ cháy từ 28 – 65 MWngày/kgU Lớp vỏ thanh được thí nghiệm là ZIRLO và M5

+ Thí nghiệm trên nhiên liệu UO2 có độ làm giàu 4,5 %, đỉnh enthalpy nhiên liệu trung bình đạt 343 – 832 J/g

+ Kết quả: các thanh nhiên liệu này bị sai hỏng bởi quá trình ăn mòn lớp vỏ với lớp oxit bị vỡ vụn Do sự phân bố không đều của nhiệt độ, không gian hydrua hóa dày đặc và phồng ra, làm giảm độ dẫn và độ bền vật liệu Hình ảnh một viên nhiên liệu bị vỡ vụn trong thí nghiệm của CABRI được đưa ra trên hình 1.6

Hình 1 6 Viên nhiên li u b v vệ ị ỡ ụn được quan sát trong CABRI [ 5]

Hình 1.7 cho thấy sự nứt gãy lớp vỏ thanh nhiên liệu trong thử nghiệm Na1 (độ cháy nhiên liệu đạt 64 GWd/tU) được thực hiện trong chương trình CABRI Đây là 1 dạng nứt gãy không có sự giãn nở và được tạo ra bởi hiện tượng PCMI ở nhiệt độ rất thấp và có độ lưu trữ năng lượng thấp

REP-Hình 1.8 sau đây cho thấy kết quả của sự nứt gãy lớp vỏ thanh nhiên liệu trong thử nghiệm HBO 1 (độ cháy nhiên liệu đạt 50 GWd/tU) thuộc chương trình thử -nghiệm NSRR Bề mặt ngoài của lớp vỏ Zircaloy bị gãy ở dạng giòn, còn mặt trong

28

thì bị gãy theo hướng 450 Dạng nứt gãy này là do hiện tượng PCMI ở nhiệt độ thấp

và lớp vỏ đã bị giãn nở

Hình 1 7 Hình d ng n t gãy c a các th nghi m REP-Na1 do hiạ ứ ủ ử ệ ện tượng PCMI [5]

Hìn h 1 8 Hình dạng n t gãy củứ a th nghi m HBO-1 do hiử ệ ện tượng PCM [ 5]

Hình 1.9 đưa ra kết quả nứt gãy của lớp vỏ thanh nhiên liệu trong thử nghiệm 804-1 (độ cháy nhiên liệu đạt 6 GWd/tU) thuộc chương trình thử nghiệm PBF 0 (Power Burst Facility) Lớp vỏ hợp kim dẻo hơn so với thử nghiệm HBO 1 và hiện -tượng bể vỡ xuất hiện là do các vết nứt nẻ xuyên qua chiều dày của lớp vỏ Tuy nhiên, độ giãn dẻo là có giới hạn, nên nó không thể đáp ứng được áp lực tạo ra bởi hiện tượng PCMI ở nhiệt độ tương đối thấp

Hình 1.10 cho thấy kết quả của sự nứt gãy lớp vỏ thanh nhiên liệu trong thử nghiệm 804 1 (độ cháy nhiên liệu ở mức 0 GWd/tU) thuộc chương trình PBF -

29

(Power Burst Facility) Lớp vỏ zircaloy này không bị nứt gãy do hiện tượng PCMI Tuy nhiên, lớp vỏ zircaloy lại có nhiệt độ cao hơn bởi phản ứng oxi hóa ở mặt trong

và ở mặt ngoài Do đó, lớp vỏ bị nứt vỡ ngay trong quá trình làm mát khẩn cấp

Hình 1 Hình d 9 ạng n t gãy củứ a th nghi m 804-1 PBF do hiử ệ ện tượng PCMI

Hình 1 10 K t qu c a s n t gãy l p v c a các th nghi m 803-1 (0 GWd/tU) ế ả ủ ự ứ ớ ỏ ủ ử ệ

Hình 1 11 Biến đổi trạ ng thái c a l p oxi hóa ủ ớ

Hình 1 13 Nhữ ng k t qu ế ảthử nghiệm thực hiệ ừ năm 1965 đến năm 2000 củ n t a

Hoa K , Nh t Bản và Pháp [ ậ 5]

31

CHƯƠ NG 2: CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIÊN LIỆ U

FRAPTRAN1.5

2.1 Tổng quan chương trình FRAPTRAN 1.5

2.1.1 Mục đích và phạm vi tính toán của chương trình FRAPTRAN1.5

FRAPTRAN1.5 l phiên b n m i nh t cà ả ớ ấ ủa chương trình FRAPTRAN được

ph t tri n b i Ph ng Th nghi m qu c gia Tây b c Th i Bá ể ở ò í ệ ố ắ á ình Dương cho US NRC

nh m t nh to n s biằ í á ự ến đổ ủi c a nhiên li u ng th i chuy n ti p vệ ở trạ á ể ế ới độ cháy cao (lên đến 62 GWd/MtU)

FRAPTRAN được thi t k th c hi n c c ph p t nh v ế ế ự ệ á é í ề cơ học v nhi t h c trên à ệ ọthanh nhiên li u h t nhân Cệ ạ ác điều kiện ban đầu c a tr ng th i chuy n ti p c ủ ạ á ể ế ó thểđược s d ng tr c ti p t ử ụ ự ế ừ chương trình t nh to n thanh nhiên li u tr ng th i t nh í á ệ ở ạ á ĩFRAPCON

FRAPTRAN s d ng m t mô h nh d n nhi t h u h n mô ph ng cho thanh ử ụ ộ ì ẫ ệ ữ ạ ỏnhiên li u b ng cệ ằ ách chia lưới điểm biến đổ ới đỉi v nh công su t t n t i trên r a cấ ồ ạ ì ủa viên nhiên li u c ệ ó độ cháy cao K t h p v i mô h nh d n nhi t h u h n l mô hế ợ ớ ì ẫ ệ ữ ạ à ình

độ ẫ d n nhi t nhiên liệ ệu trong đó ảnh hưởng c a s suy gi m c u tr c nhiên li u c ủ ự ả ấ ú ệ ó

độ cháy cao đượ ính đếc t n, km theo đó à á l c c mô h nh v ì ề cơ họ ớc l p v thanh ỏnhiên li u v nh ng ệ à ữ ảnh hưởng của độcháy cao đế ấn c u trúc cơ học của nhiên liệu FRAPTRAN th c hi n t nh to n vự ệ í á ới độ biến đổ ủi c a th i gian, công su t v ờ ấ à

các điều ki n l m m t c a c c thanh nhiên li u khệ à á ủ á ệ ác nhau như nhiệt độ thanh nhiên liệu v l p và ớ ỏ, độ bi n d ng v b n d o c a l p vế ạ à độ ề ẻ ủ ớ ỏ, độ à ớ d y l p oxy h a v p ó à ásuất bên trong thanh nhiên li u Tuy nhiên, c c gi tr biệ á á ị ến đổi ch m theo th i gian ậ ờnhư nồng độ hydro, t tr ng v ph ng nhiên liỷ ọ à độ ồ ệu, độ ã ớ r o l p v v do b chi u x ỏ à ị ế ạ

s ẽ không được tính to n trong FRAPTRAN á

M t kh c, FRAPTRAN cặ á ũng đượ ử ụng đểc s d thực hi n c c phân tệ á ích độ nhạy

c a củ ác ảnh hưởng t nh ng thông s ừ ữ ố như kích thước kho ng c ch nhiên li u-lả á ệ ớp

v , p su t kh bên trong thanh nhiên liỏ á ấ í ệu, độ ề b n v c ng c a l p v à độ ứ ủ ớ ỏ (như độ

bi n d ng, sai h ng v g y v , n ph ng v oxy hế ạ ỏ à ã ỡ ở ồ à óa,…) Do đó, FRAPTRAN c ó

32

thể mô h nh c c hiì á ện tượng tác động đến thanh nhiên li u n i chung v nhiệ ó à ệt độ, độ

gi n v ng suò à ứ ất trên lớp v thanh nhiên li u [8] ỏ ệ

2.1.2 Thông tin input và outp ut

T p input c a FRAPTRAN chệ ủ ứa nhiề ựu l a ch n thông tin, c ọ ụthể:

- D ữliệu định nghĩa sự kiện (yêu c u); ầ

- Tệp điều ki n l m m t bên ngoệ à á ài (lựa ch n); ọ

- T p thuệ ộc tính nước (yêu c u); ầ

- T p khệ ởi tạo FRAPCON (lựa chọn);

- T p khệ ởi động FRAPTRAN (lựa chọn)

T p kh i t o t FRAPCON s ệ ở ạ ừ ẽ được ử ụng trong trườs d ng hợp độ cháy của nhiên liệu không được biết trước hoặc độ cháy ph thu c v o c c biụ ộ à á ến được định ngh a trong khĩ ối dữ liệu định nghĩa sự ệ ki n

T p output c a FRAPTRAN cung c p mô t ho n ch nh c c ph n ng cệ ủ ấ ả à ỉ á ả ứ ủa thanh nhiên liệu:

- Phân b nhiố ệ ột đ thanh nhiên li u theo b n k nh v ệ á í àtheo dọc thanh

- Đường k nh nhiên lií ệu, độ à d y kho ng c ch nhiên li u-l p v v ả á ệ ớ ỏ à đường

k nh ngo i l p v í à ớ ỏ

- S ự thay đổ ộ ài đ d y c a cộủ t nhiên li u v l p v ệ à ớ ỏ

- Áp su t kh bên trong thanh nhiên li u ấ í ệ

- H s truyệ ố ền nhi t b m t l p v ệ ề ặ ớ ỏ

- Thông lượng nhi t t i h n trên b m t thanh ệ ớ ạ ề ặ

- H s truyệ ố ền nhi t qua kho ng c ch nhiên li u-l p v ệ ả á ệ ớ ỏ

- Độ ế ạ bi n d ng l p v ớ ỏ

- Ứng su t theo b n k nh t i b m t ti p gi p nhiên li u-l p v ấ á í ạ ề ặ ế á ệ ớ ỏ

- Độ ế ạ bi n d ng b n v n h i c a nhiên li u ề à đà ồ ủ ệ

- Lượng s n ph m v ph t t n kh phân h ch ả ẩ à á á í ạ

33

- Thể í t ch l tr ng trong thanh nhiên li u ỗ ố ệ

- Độ à d y l p oxit trên l p v ớ ớ ỏ

- Năng lượng sinh ra b i s oxy h a l p v ở ự ó ớ ỏ

- Năng lượng lưu trữ trong nhiên li u ệ

- Lượng nhiên li u n ng ch y ệ ó ả

- Nhiệ ộ í trong vùng trống thanh nhiên liệt đ kh u

- Các điều ki n l m m t ệ à á

2.2 Các mô hình tính toán trong chương trình FRAPTRAN1.5

2.2.1 Xây d ng mô h nh thanh nhiên li u ự ì ệ

Chương trình FRAPTRAN s dử ụng phương pháp phân chia n t (hay c n g i ố ò ọ

l n t h a trong vi c xây d ng mô h nh thanh nhiên li u Thanh nhiên lià “ ố ó ”) ệ ự ì ệ ệu được chia l m nhi u n t c theo chi u d c thanh v theo b n k nh thanh V d mà ề ố ả ề ọ à á í í ụ ột “ ốt n

h a thanh nhiên lió ” ệu như trên hình 2.1 D u n t h a d c thanh ch r cữ liệ ố ó ọ ỉ õ ác kho ng chia m tả à ại đó phân b theo b n k nh c a c c bi n s mô t thanh nhiên liố á í ủ á ế ố ả ệu

s ẽ đượ íc t nh toán trong chương trình M i khoỗ ảng chia đó được định ngh a l mĩ à ột

nốt theo dọc thanh Nốt đầu tiên ở dưới cùng của thanh

Tương tự như vậy, c c n t theo b n ká ố á ính được chia n m theo c c n t theo d c ằ á ố ọthanh v vuông g c v i tr c c a thanh, hay c n g i l à ó ớ ụ ủ ò ọ à đường tâm nhiên li u Nệ ốt

b n ká ính đầu tiên nằm ở tâm c a thanh nhiên li u C c n t theo b n k nh khủ ệ á ố á í ác được

đặt ti n d n ra b mặ ủế ầ ề t c a nhiên li u v trên c b m t bên trong v bên ngo i l p ệ à ả ề ặ à à ớ

v Thêm vỏ ào đó ố lượ, s ng n t tố ùy ý theo b n k nh c á í ó thể được biến đổi bên trong nhiên li u v l p v thanh Khoệ à ớ ỏ ảng chia không đồng đều c a c c n t theo b n k nh ủ á ố á ítrong nhiên li u cệ ũng được ch p nh n v ấ ậ à thông thường kho ng chia nả ày được chia

thành c c vòá ng c di n t ch mó ệ í ặt cắ à như nhau trên nhiên liệt l u [8]

34

Hình 2 1.V d v m t mô hình thanh nhiên li u ní ụ ề ộ ệ “ ốt hó ” a

2.2.2 Mô hình tính toán thủy nhiệt

2.2.2.1 Mô h nh nhiì ệt độ nhiên liệ u và ớp v l thanh nhiên li u ệ

Mô h nh nhiì ệt độ nhiên li u v l p v thanh nhiên li u p d ng cệ à ớ ỏ ệ á ụ ác định luật

v truyề ền nhi t v nhiệ à ệt động học để í t nh to n phân b nhiá ố ệt độ trên to n b thanh à ộnhiên liệu Phương pháp được th c hi n trong cự ệ ác bước được chia ph thu c vụ ộ ào

các biến trong nh ng nh m nh ữ ó ỏ hơn và sau đó í t nh to n cho t ng nh m nh á ừ ó ỏ đóGiản đồ mô h nh nhiì ệt độ nhiên li u v l p v thanh nhiên liệ à ớ ỏ ệu được đưa ra trên H nh 2.2ì Đầu tiên, các điều ki n l m m t trên t ng v ệ à á ừ ị trí được xác định bằng

mô h nh d ng ch y luân chuy n mì ò ả ể ột chi u ho c t d liề ặ ừ ữ ệu điều ki n biên l m m t ệ à átrong input Sau đó ự, s sinh nhi t trong d ng l m mệ ò à át đượ íc t nh to n b ng ph p n i á ằ é ộ

35

suy trong d u phân b công su t trên thanh v biữliệ ố ấ à ến đổi công su t trong qu ấ átrình

v n h nh l Thông qua vi c s d ng kậ à ò ệ ử ụ ích thước khoảng c ch gi a nhiên li u-l p v á ữ ệ ớ ỏ

v nhià ệt độ đượ íc t nh to n, gi d n nhi t tá á trị độ ẫ ệ ại đó ũng đượ c c xác định Nh ng ữ

t nh toí án đó đều được căn cứ ựa trên đặ í d c t nh v t li u v kh bên trong thanh nhiên ậ ệ à í

liệu (d ệu đặ ính đượ ấ ừ ổữli c t c l y t S tay v t li u, Luscher v ậ ệ à Geelhood, 2010) Bước tiếp theo c a chu i t nh to n n y l xủ ỗ í á à à ác định nhiệt độ ề b m t l p v thanh nhiên ặ ớ ỏliệu, bao g m vi c xồ ệ ác định ch ế độ đối lưu hay độ truyền nhi t sôi nhân v h s ệ à ệ ốtruy n nhi t b m t Cu i c ng, phân b nhiề ệ ề ặ ố ù ố ệt độ trên to n thanh nhiên li u v là ệ à ớp

v ỏ được tính to n bá ằng phương pháp thiết lậ ác phương trình đồp c ng th ời

Hình 2 Gi 2 ản đồ mô h nh nhiì ệt độ nhiên li u v l p v thanh nhiên li u ệ à ớ ỏ ệ

a C  c đi  u ki  n l m m t 

Các điều ki n l m mệ à át như áp suất, thông lượng kh i c a d ng v enthalpy ố ủ ò à

c a ch t l m mủ ấ à át đều đượ ính trước t c b ng cằ ác chương trình th y nhiủ ệt động riêng

biệt và đưa vào trong input c a FRAPTRAN ủ

36

Phụ thu c v t ng l a ch n c a vi c mô h nh h a v t nh to n m ộ à ừ ự ọ ủ ệ ì ó à í á àFRAPTRAN s yêu c u c ẽ ầ ụthể cơ sở ữ liệu đưa và d o

b. S ựphát sinh nhi t ệ

Nhiệt được sinh ra trong nhiên li u ph t sinh t vi c phân h ch c c nguyên t ệ á ừ ệ ạ á ửurani v plutoni hay qu nh phân r c c s n ph m phân h ch Tuy nhiên, trong à á trì ã á ả ẩ ạFRAPTRAN, nhi t sinh ra ch ệ ỉ được tính l do qu nh phân h ch Nà átrì ạ ếu như lò ph n ảứng được d p t t ngay t khậ ắ ừ ởi đầu s c th đư c ph p công nh n s s n sinh nhi t ự ố ì ợ é ậ ự ả ệkhông t n tồ ại bởi qu nh phân h ch trong suátrì ạ ốt sự ố c

S ph t sinh nhiự á ệt đưa vào input yêu c u 3 d u sau: ầ ữliệ

- Công suất tuy n t nh trên thanh nhiên li u theo th i gian; ế í ệ ờ

- Phân b công suố ất ban đầu theo chi u d c thanh; ề ọ

- Phân b công suố ất ban đầu theo b n k nh thanh á í

Thêm n a, qu nh oxy hữ átrì óa được xác định trong FRAPTRAN l à không đáng

k n u nhiể ế ệt độ ớ l p v ỏ thanh dưới 1000K và đá ng k n u trên 1300 ể ế K

c Độ  d n nhi t trong kho ng c ch gi a nhiên li u-l p v ệ ả á ữ ệ ớ (GAP)

Độ ẫ d n nhiệt trong GAP được x c đ nh b ng công th c sau: á ị ằ ứ

h gap = h khi + h r + h solid (1)

Trong đó:

hgap: độ ẫ d n nhi t của GAP (W/mệ 2- K)

hkhi: độ ẫ d n nhi t thông qua kh bên trong GAP ệ í

g(Bu): tá ộc đ ng do c c khuyá ế ậ ứt t t b c x g(Bu) = 0.038Buạ 0.28

h(T): nhiệt độ ph ụthuộc vào qu nh Tôi trên c c khuyátrì á ết tật

e Mô hình l m m t thanh nhiên li u à á ệ

Mô h nh n y t nh c c gi h s d n nhiì à í á á trị ệ ố ẫ ệt, thông lượng nhi t v nhiệ à ệt độ ề b

m t l p v H nh 2 bi u th ặ ớ ỏ ì 3 ể ị phương trình xác định thông lượng nhi t b m t v ệ ề ặ ànhiệt độ ề ặ b m t trong ch sôi nhân c a qu nh truy n nhiế độ ủ á trì ề ệt Phương trình này

d a trên m i liên h ự ố ệ giữa nhiệt độ ề b m t v ặ à thông lượng nhi t b m t thông qua ệ ề ặ

c c m i quan h gi a cá ố ệ ữ ác đại lượng v ph thu c và ụ ộ ào từng ch c a chế độ ủ ất làm m t, ánhư trong bảng 2.1

38

Hình 2 3 M i liên h giố ệ ữa thông lượng nhi t b mệ ề ặt và nhiệ ột đ b m t ề ặ

B ng 2 1 L a ch n cả ự ọ ác chế độ truy n nhiề ệt và ố m i quan h gi a c c th nh ph n ệ ữ á à ầ

39

Trong đó: Q l à thông lượng nhi t b m t, ệ ề ặ

X là đặ c tính ch t làấ m m t, á

G là thông lượng d ng l m m t ò à á

f Phương trì nh nhi t đ v d n nhi t ệ ộ à độ  ệ

Xác định c c gi cá átrị ủa độ ẫ d n nhiệt, độ sinh nhi t v nhiệ à ệt độ ớ l p v d a trên ỏ ự

các phương trình v mô h nh v nhià ì ề ệt dư và phương trình m t chi u cho nhi t theo ộ ề ệ

b n k nh: á í

- Độ ẫ d n nhi t theo b n k nh m t chi u: ệ á í ộ ề

Trong đó: t l th i gian, q l t c đ sinh nhi t (W/mà ờ à ố ộ ệ 3), Cp l nhi t dung riêng à ệ

- Mô hình nhi t phân r : ệ ã

Trong đó: f l h s công su t tr ng th i t nh, tà ệ ố ấ ở ạ á ĩ s l àthời gian d p l , a v b l ậ ò à à

các hằng s ph ố ụthuộ àc v o th i gian d p l ờ ậ ò

- Năng lượng lưu giữ:

Trong đó: E l à năng lượng lưu giữ, mi l à khối lượng v nh chia i trên nhiên àliệu, m l t ng kh i lư ng c a nốà ổ ố ợ ủ t theo d c nhiên li u [8] ọ ệ

3.2.2.2 Mô h nh nhiì ệt độ khí trong vùng trống bên trên cột nhiên li u (Plenum) ệ

Để í t nh p su t bên trong thanh nhiên li u, nhiá ấ ệ ệt độ ủ c a kh trong to n b th í à ộ ể

t ch tr ng c a thanh nhiên li u phí ố ủ ệ ải được xác định Ở điều ki n bệ ình thường, 40 50% kh trong thanh nhiên li u s t p trung ph n trên c a thanh C hai l a chí ệ ẽ ậ ở ầ ủ ó ự ọn

-40

để ác đị x nh nhiệt độ à n y: l a ch n 1 l gi nh nhiự ọ à ả đị ệt độ kh í cao hơn nhiệt độ ch t ấ

t i nhi t t i v 5.6K Mô h nh chi tiả ệ ạ ị trí đó ì ết hơn để í t nh to n bao g m mô h nh cho á ồ ìtoàn b c c tộ á ác động nhi t gi a kh v b m t nhiên li u, l xo trong thanh nhiên ệ ữ í à ề ặ ệ òliệu v l p v [10] à ớ ỏ

Mô h nh nhiì ệt ở trạ ng th i chuy n tiá ể ếp được th c hi n d a trên c c gi thuyự ệ ự á ả ết sau:

- Nhiệ ột đ b m t trên cề ặ ủa cột nhiên li u ph thuệ ụ ộc vào nhiệ ột đ kh í

- Khí trong vùng trống hòa trộn đố lưu tựi nhiên

- Gradien nhiệ ột đ d c theo thanh nhiên li u trong l xo v l p v l nh ọ ệ ò à ớ ỏ à ỏGiả thiết đầu tiên cho ph p nhié ệt độ ở cuối nhiên liệu đượ ính độ ậc t c l p Gi ảthi t thế ứ hai cho ph p kh é í được mô h nh hì óa như một kh i v i cố ớ ác đặc tính x t trung é

b nh trên to n b ì à ộ chất kh Gi thi t th ba cho ph p ph n ng nhií ả ế ứ é ả ứ ệt độ ủ ớ c a l p v ỏ

v l xo l mà ò à ột giá trị nhỏ

Mô h nh nhiì ệt độ vùng trống bao gồm 6 phương trình đồng th i v c ờ à ó thứ ự t

kh c nhau cho qu nh truyá á trì ền nhi t gi a kh v c c th nh ph n c u tr c c a vùng ệ ữ í à á à ầ ấ ú ủtrống Các phương trình đó ch a c c c h s truyềứ ả á ệ ố n nhi t gi a c c th nh ph n ệ ữ á à ầ

- Chương trình tính độ giãn nở nhiệt theo bán kính nhiên liệu:

Có hai lựa chọn trong FRAPTRAN để tính độ giãn nở nhiệt trong viên nhiên liệu theo bán kính

Lựa chọn thứ nhất, độ biến dạng giãn nở nhiệt được sử dụng để tính độ biến đổi theo đường bán kính Tổng số biến dạng theo bán kính từ tâm nhiên liệu ra rìa ngoài nhiên liệu thay đổi theo bán kính nhiên liệu Nếu nhiên liệu có lỗ rỗng ở giữa thì giới hạn cho phép tính độ giãn nở nhiệt trong đường chu vi lỗ rỗng ở tâm nhiên liệu:

Trong đó: ∆R là độ biến đổi bán kính do giãn nở nhiệt

rilà bán kính trong nhiên liệu