Trang 1 NGUYỄN HỮU TIỆPBỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI--- NGUYỄN HỮU TIỆPCHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬTHẠT NHÂNTÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂNĐÁNH GIÁ MỘT SỐ THÔNG SỐ VẬT LÝ CỦA LÒ VVER
L Ý THUY ẾT CƠ SỞ LÒ PH N NG 9 Ả Ứ
Tr ng thái t i h n c a lò ph n ng 9 ạ ớ ạ ủ ả ứ
Nơtron chậm có tỉ lệ phân hạch cao hơn hàng trăm lần so với nơtron nhanh, do đó, trong lò phản ứng hạt nhân, người ta thường tạo ra môi trường để làm chậm nơtron Môi trường này là vùng hoạt động chính của lò phản ứng, nơi nơtron chậm được sử dụng để tối ưu hóa quá trình phân hạch Các tính toán trong chương 1 dựa trên tài liệu [6].
Kh ả năng nhân nơtron ủ môi trườ c a ng vô h n ạ được đặc trưng bở ệ ối h s nhân được định ngh ĩa như sau:
Công thức (1.1) mô tả mối quan hệ giữa số lượng neutron sinh ra trong các thế hệ khác nhau Cụ thể, \( k \) là tỷ số giữa số neutron sinh ra trong thế hệ \( n \) và số neutron sinh ra trong thế hệ trước đó \( n-1 \) Công thức này được gọi là công thức 4 tham số, vì nó bao gồm 4 tham số chính là \( η \), \( μ \), \( p \) và \( f \).
- Th a sừ ố là sη ố nơtron nhanh sinh ra khi nhiên li u h t nhân h p th ệ ạ ấ ụ 1 nơtron nhi t ệ
- Th a s là h s nhân do ừ ố μ ệ ố nơtron nhanh, cho biết lượng nơtron nhanh sinh ra sau khi nhiên li u phân hệ ạch do nơtron nhanh gây ra
- Th a s p là xác su t tránh h p th cừ ố ấ ấ ụ ộng hưởng, cho bi t phế ần nơtron nhanh được làm ch m và không b v t li u h p th trong miậ ị ậ ệ ấ ụ ền năng lượng cộng hưởng
Việc sử dụng neutron nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân là rất quan trọng, đặc biệt là khi xem xét phần neutron nhiệt được Uranium hấp thụ so với toàn bộ neutron bị hấp thụ bởi các vật liệu trong vùng hoạt Chúng ta cần chú ý đến kích thước của các ứng dụng vì sự phát triển của phân ngạch dây chuyền phụ thuộc vào hiệu suất nhân hiệu dụng, được thể hiện qua công thức keff = k∞ P (1.2) với P < 1, nhằm đảm bảo xác suất tránh rò rỉ neutron khỏi môi trường hoạt động.
Trong quá trình làm chậm nơtron nhanh và nơtron nhiệt, có hiện tượng rò nơtron nhanh do kích thước lò phản ứng nhỏ Hệ số nhân phản ứng được xác định bởi công thức: k = k₁ P₁ P₂, trong đó P₁ là xác suất tránh rò nơtron nhanh và P₂ là xác suất tránh rò nơtron nhiệt Nếu hệ số nhân hiệu dụng k_eff = 1, vùng hoạt động đạt trạng thái ổn định, với khối lượng vật liệu phân hạch và kích thước vùng hoạt tương ứng ở mức tối ưu Khi k_eff < 1, vùng hoạt động rơi vào trạng thái dưới hạn, yêu cầu phải điều chỉnh dây chuyền phản ứng Ngược lại, khi k_eff > 1, vùng hoạt động ở trên ngưỡng, dẫn đến sự phát triển mạnh mẽ của phản ứng dây chuyền, làm tăng công suất lò và số lượng nơtron sinh ra.
T h s nhân hai ừ ệ ố đại lượng sau đượ ử ục s d ng: a Độ dư của h s nhân hi u d ng ệ ố ệ ụ δk
δk = k−1 = n n −1 =δn n (1.4) δk là độ dư của h s nhân hi u d ng, bi u th s ệ ố ệ ụ ể ị ự thay đổi tương đối của lượng nơtron trong th h m i so vế ệ ớ ới lượng nơtron trong th h cế ệ ũ Như vậy
k = 1 + kδ (1.5) b Độ ph n ng ả ứ ph n Độ ả ứng được định nghĩa như sau:
ρ = δk k =k−1 k = δn n (1.6) và độ ph n ng d tr ả ứ ự ữ
ρ ự ữ = ∆k k ự ữ (1.7) trong đó kd tr ự ữ là h s nhân nhệ ố ận được khi rút t t c ấ ả các thanh điều khi n ra kh i ể ỏ vùng ho t còn ạ Δk = k d tr ự ữ-1
Độ pH phản ứng và độ pH ngừng dự trữ là hai khái niệm khác nhau Độ pH phản ứng thể hiện mức độ lò phản ứng khi xảy ra các thay đổi như độ làm giàu, mật độ chất lỏng, hoặc sự thay đổi của các chất độc hòa tan Trong khi đó, độ pH ngừng dự trữ phản ánh khả năng dự trữ nhiên liệu của lò phản ứng Thông thường, vùng hoạt động có khả năng dự trữ lớn hơn đáng kể.
Khi cho lò hoạt động, cần rút hết các thanh điều khiển và chất độc trong khu vực hoạt động Do lượng chất thải tồn đọng lớn, việc xử lý và quản lý chất thải cũng trở nên khá phức tạp.
1.2 Phương trình thông lượng nơtron c a lò ph n ng h t nhân ủ ả ứ ạ
Lò phản ứng hạt nhân hoạt động phải giữ trạng thái tĩnh Khi thiết kế lò phản ứng, người ta cần đánh giá hệ số nhân keff Trong trạng thái tĩnh, số lượng nơtron mất đi trên một đơn vị thể tích bằng số lượng nơtron sinh ra trong phản ứng phân hạch.
∇D Φ −Σ Φ+ vΣ k Φ = 0 (1.8) ình (1.8) ình thông l a lò ph n ng Khi
Phương trình nơtron là công cụ quan trọng trong việc giải quyết các bài toán liên quan đến thông lượng nơtron Φ trong lò phản ứng Bằng cách áp dụng các điều kiện ban đầu và điều kiện biên, chúng ta có thể xác định được phân bố thông lượng nơtron và công suất một cách dễ dàng Để đảm bảo tính hợp lý của thông lượng nơtron và phân bố công suất trong lò, cần phải điều chỉnh và đánh giá hệ số nhân hiệu dụng (kệ ố ệ ụ eff) để lò phản ứng luôn duy trì trạng thái ổn định.
1.3 Phương trình ng hđộ ọc lò ph n ng ả ứ
Phương trình động h c lò ọ điểm ình ng h m miêu t s i theo th i gian c a m
Phương trình mô tả sự thay đổi mật độ nơtron N (nơtron/cm³) được suy ra từ phương trình khuếch tán nơtron, trong đó bao gồm nguồn nơtron tức thời, nguồn nơtron trễ và nguồn nơtron bên ngoài Tuy nhiên, có thể rút gọn phương trình động học thành một biểu thức đơn giản hơn để dễ dàng áp dụng và hiểu rõ hơn về quá trình này.
Trong phép gần đúng một nhóm nơtron nhi tệ, phương trình động học mô tả sự thay đổi mật độ nơtron N theo thời gian được biểu diễn bởi công thức: dN/dt = t cố * độ sinh nơtron Tốc độ sinh nơtron này được xác định bởi các thông số cụ thể.
- Tốc độ ạ t o các m nh v phân hả ỡ ạch phát nơtron trễ; + Tốc độ sinh các nơtron trễ ừ t các ngu n mồ ảnh v phân hỡ ạch đó; + Nguồn nơtron bên ngoài S.
Tốc độ sinh nơtron được xác định bởi công thức kΣΦ, trong khi tốc độ hấp thụ nơtron là ΣΦ Tốc độ phát nơtron trễ được tính bằng kβΣΦ, trong đó β là suất ra nơtron trễ phụ thuộc vào tỉ lệ của từng nhóm nơtron trễ, được biểu diễn bởi β = ∑βi Tốc độ sinh các nơtron trễ cũng cần được xem xét trong quá trình này.
là nồng độ và h ng s phân rã c a các m nh v ằ ố ủ ả ỡ phân hạch phát nơtron trễ thu c nhóm th ộ ứ i (i=1,2, ,6) Như vậy phương trình ng độ h c có d ng: ọ ạ
Nồng độ các mảnh vỡ phân hạch phát nơtron trễ nhóm th i tuân theo ứ phương trình sau:
Để mô tả sự thay đổi nồng độ C theo thời gian, phương trình (1.10) được thiết lập với các tham số β và λ, trong đó β biểu thị tốc độ sinh ra và λ là tốc độ giảm nồng độ Phương trình này liên quan đến nồng độ neutron N và có thể được sử dụng để phân tích động lực học của hệ thống Các phương trình (1.9) và (1.10) cung cấp cái nhìn sâu sắc về mối quan hệ giữa các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ neutron trong quá trình phát triển.
dC dt =βkN l −λC (1.13) trong đó = =
là th i gian s ng cờ ố ủa nơtron tức th i ờ ình (1.11) và (1.13) không ph thu c vào các t không
Các phương trình động học của lò phản ứng là những phương trình mô tả sự thay đổi nồng độ neutron theo thời gian trong hầu hết các lò phản ứng Chính vì vậy, chúng được sử dụng rộng rãi trong việc thiết kế các hệ thống kiểm tra và điều khiển lò phản ứng.
Nghiệm phương trình động học khi thay đổi nh y bả ậc độ ph n ng ả ứ
Ta hãy giải hệ phương trình ngẫu nhiên (1.11) và (1.13) trong trường hợp hệ số nhân thay đổi một lượng δk theo kiểu nhảy bậc, tức là k thay đổi từ k = 1 đến k = 1 + δk tại thời điểm t = 0 Giả sử không có nguồn ngoài, S = 0 Nghiên cứu các phương trình trên được viết dưới dạng như sau:
= exp()(1.14) ình (1.12) và (1.13) tr thành:
Khi đó các phương tr ở
C = βkN l(ω λ+ )(1.17) Thay C i t ừ phương trình (1.17) vào phương trình (1.15) ta được ωl = (δ − βk k) + k λ β ω λ+
ta được k = 1/(1-), do đó (1.18) trở thành:
Phương trình được đề cập là phương trình bậc 7, thể hiện độ phức tạp trong việc phân tích các nghiệm Để đánh giá các đặc trưng tổng quát, hình 1.1 minh họa sự thu thập dữ liệu, cho thấy mối quan hệ giữa các biến số Qua đó, khi tính toán 6 nhóm neutron trễ, có 7 giá trị nghiệm được xác định, cho thấy sự đa dạng trong kết quả.
dương có một nghiệm dương và 6 nghiệm âm, 6 nghi m này ti m cệ ệ ận đến giá tr ị
−λ, −λ,−λ,−λ,−λ và−λ V i âm t t c 7 nghi m c a u mang d u ớ ấ ả ệ ủ đề ấ âm Như vậy bi u th c t ng quát c a mể ứ ổ ủ ật độ nơtron có dạng như sau:
Với bước nhảy dương δk, t t c các s h ng, trấ ả ố ạ ừ s hố ạng đầu tiên, gi m theo ả thời gian Do đó sau một kho ng th i gian vào c ả ờ ỡ
các s h ng v i s mố ạ ớ ố ũ âm gi m dả ần đến 0 và ch còn s hỉ ố ạng đầu tiên đóng vai trò quan trọng Khi đó (1.20) tr thành: ở
N(t) = A e (1.21) ình này có d ình m lò ph n
Phương tr ạng phương tr ật độ nơtron, do đó chu kỳ ả ứng là:
Hình 1.1 D ng chung c a s ph thu c c a vào ạ ủ ự ụ ộ ủ ình (1.18) ta thay b ng
Trong phương tr ằ và dùng bi u th c (1.22) ta ể ứ được:
(1.23) Đây là một dạng phương trình nghịch đả thường đượo c s d ngử ụ , theo đó được xác định qua t n s 1/T V i chu k T = 1h 600s thì ầ ố ớ ỳ ≈2,3.10 -5 , giá tr này ị g i là gi nghọ ờ ịch đảo
Ta hãy xét các tr ng h p gườ ợ ần đúng của công th c (1.23) Khi > 1 và công th c (1.23) tr thành: ứ ở
Do ∑ ≈0.08 s ≫ nên bi u th c trên tr thành: ể ứ ở
Gi i thi u chung v ớ ệ ề lò VVER
Thùng lò phản ứng là thiết bị quan trọng nhất trong toàn bộ hệ thống lò phản ứng hạt nhân, có nhiệm vụ chứa nhiên liệu hạt nhân và giữ áp suất cao để đảm bảo nước không sôi dù nhiệt độ cao Lò phản ứng bao gồm thùng lò chứa các bộ phận bên trong để lắp đặt các bó nhiên liệu, định hướng và di chuyển các thanh điều khiển Phía trên thùng lò là cơ cấu chuyển dịch thanh điều khiển, cùng với các hệ thống liên quan để đo đạc và hệ thống an toàn.
Hình 2.1 H th ng t i nhi t lò ph n ng VVER ệ ố ả ệ ả ứ
Thùng lò được cấu tạo từ các vành thép đúc liền, được hàn chắc chắn với nhau Phía trên thùng lò là hệ thống ống, bao gồm các thanh an toàn và các thanh điều khiển, cùng với các thành phần phân phối khác Hình 2.2 minh họa hình học chi tiết và các thông số liên quan đến thùng lò phân ngò VVER-1000.
B ng 2.1 Các thông s chính c a thùng lò ả ố ủ
Các thông số chính của thùng lò
Chiều cao, mm 10897 Đường kính trong, mm 4150
Chiều dày v ò ỏ l ở vùng hoạt, mm 192,5
Khối lượng, ấnt 320 Áp suất, MPa 15,5
2 H th ng an toàn ệ ố và điều khi n; ể
4 Đường d n các ẫ thi t b ế ị đo trong lò;
Hình 2.2 Thi t k thùng lò VVER [2] ế ế
2.1.2 Vùng hoạt lò ph n ng VVER ả ứ
Vùng hoạt động của lò phản ứng hạt nhân là nơi lưu trữ nhiên liệu hạt nhân và diễn ra quá trình phân hạch Vùng hoạt động của lò VVER bao gồm các bó nhiên liệu có dạng hình lục lăng, trong đó các thanh nhiên liệu được sắp xếp theo mạng lưới tam giác đều, và các bó nhiên liệu cũng được bố trí trong vùng hoạt động theo hình tam giác.
Hình 2.3 C u hình vùng ho t lò ph n ng VVER-1000 ấ ạ ả ứ
B ng 2.2 Các thông s chính c a vùng ho t ả ố ủ ạ
T ng s bó nhiên li u trong vùng ho t ổ ố ệ ạ 163
S bó nhiên li u có ch a ố ệ ứ thanh điều khi n ể 61
Kho ng cách gi a tâm các bó nhiên li u ả ữ ệ 236
Nhiệt độ ch t t i nhi t ấ ả ệ T i l i vào, ạ ố o C 289
Cắt chi tiết của bồn chứa là một phần quan trọng trong quá trình thiết kế, bao gồm nhiều thành phần như thanh nhiên liệu, thanh hợp thành, thanh điều khiển, cùng các ống dẫn để đưa thiết bị đo đạt vào bên trong Ngoài ra, các thiết bị giá đỡ và lưới định vị cũng cần được xem xét để đảm bảo việc bố trí nhiên liệu và cắt bỏ nhiên liệu trong vùng hoạt động hiệu quả Thông số chi tiết được trình bày trong hình 2.4 và bảng 2.3.
1 ng d n; 2 Thanh nhiên li u; 3 ng d n trung tâm; 4 Ch t làm ch m Ố ẫ ệ Ố ẫ ấ ậ
Hình 2.4 C u trúc bó nhiên li ấ ệu thông thườ ng trong lò VVER-1000
B ng 2.3 Các thông s bó nhiên li u lò ph n ng VVER ả ố ệ ả ứ
Công su t nhi t kh i, W/cmấ ệ ố 3 107,5
Nhiệt độ trung bình ch t làm mát, ấ 0 C 315
Kho ng cách gi a các bó nhiên li u, mm ả ữ ệ 236
S ố lượng thanh nhiên li u trong m i bó ệ ỗ 312
Kho ng cách gi a các thanh nhiên li u trong bó, mm ả ữ ệ 12,75
Chi u cao bó nhiên li u (trong tr ng thái l nh), mm ề ệ ạ ạ 3530
Bó nhiên liệu lò VVER g m 312 được gắn trên các giá đỡ song song có dạng hình lục giác bằng thép không gỉ Mỗi bó đều có một ngăn đựng độ ẩm trung tâm để có thể đưa các thiết bị đo đạt vào vùng hoạt.
Các thanh nhiên liệu được cắt từ các viên nhiên liệu UO2 và được bọc trong ng hình trụ làm bằng hợp kim Zr-110 (99% Zr và 1% Nb) Một điều đáng chú ý là viên nhiên liệu của lò phản ứng VVER không đặc mà rỗng bên trong, khác với nhiên liệu của các lò phản ứng PWR và BWR của phương Tây Các kích thước và vật liệu tương ứng phụ thuộc vào cấu hình của từng loại phiên bản lò VVER khác nhau.
Hình 2.5 M t c t ngang c a các thanh trong bó nhiên li u ặ ắ ủ ệ
Trong hình 2.5, các thanh trong bó nhiên liệu được bọc trong hợp kim Zr-110 Thành phần nhiên liệu và hình học chi tiết của thanh nhiên liệu cũng như thanh điều khiển được thể hiện rõ trong hình 2.10 và bảng 2.9.
Các thông s c th c a bó nhiên li u và thanh nhiên liố ụ ể ủ ệ ệu được trình bày trong b ng 2.4 ả
B ng 2.4 Các thông s c a bó nhiên li u và thanh nhiên li u ả ố ủ ệ ệ
Kho ng cách gi a các bó nhiên li u, mm ả ữ ệ 234
Chi u dài toàn b thanh nhiên li u, mm ề ộ ệ 3837
Chi u dài hi u d ng c a thanh nhiên li u, mm ề ệ ụ ủ ệ 3530
Kho ng cách gi a các thanh nhiên li u trong bó, mm ả ữ ệ 12,75 Đường kính viên nhiên li u tính c v b c, mm ệ ả ỏ ọ 9,1
B d y l p v b c, mm ề ầ ớ ỏ ọ 0,69 Đường kính ngoài c a viên nhiên li u không tính v b c, mm ủ ệ ỏ ọ 7,53
Chi u dài viên nhiên li u, mm ề ệ 11 Đường kính c a l tâm viên nhiên li u, mm ủ ỗ ở ệ 2,3
Khí trong khe h gi a viên nhiên li u và v b c ở ữ ệ ỏ ọ Hêli
Mật độ nhiên li u ệ 10,4 - 10,7 g/cm 3 Độ giàu c a nhiên li u (% Uủ ệ 235 ) 2,0 - 4,4 %
Vai trò c a h thủ ệ ống thanh điều khi n là: ể
- Duy trì tr ng thái t i h n m c công su t ạ ớ ạ ở ứ ấ ổn định và điều khi n phân b ể ố công su t trong vùng ho t ấ ạ
- Thay đổi công su t lò ấ
- D p lò trong tr ng h p kh n c p ậ ườ ợ ẩ ấ
Hình 2.6 S ơ đồ phân b ố bó thanh điề u khi n lò VVER ể
Lò VVER có tổng cộng 61 bó thanh điều khiển, được chia thành 10 nhóm, mỗi nhóm chứa 6 bó, ngoại trừ nhóm thứ 5 có 7 bó Mỗi bó thanh điều khiển bao gồm 18 thanh điều khiển.
Bó thanh điều khi n g m có các lo i sau ể ồ ạ
- Nhóm bó thanh điều khi n t ể ự động (nhóm điều khi n công su t) ể ấ
- Nhóm bó thanh bù tr ừ
- Nhóm bó thanh d p lò kh n c p ậ ẩ ấ u khi n t ng là nhóm s 10 Nh ng n m
Nhóm bó thanh điều khiển thường được đặt ở độ cao 70-90% so với đáy lò khi hoạt động ở công suất danh định, nhằm điều chỉnh sự thay đổi nồng độ phản ứng và giữ cho công suất lò luôn ổn định Nhóm chùm thanh bù tr là nhóm số 5, được sử dụng để kiểm soát công suất nhiệt của toàn bộ lò Tất cả các nhóm bó thanh điều khiển đều được áp dụng để duy trì lò trong trạng thái khẩn cấp và bảo vệ an toàn cho hệ thống.
C u hình bài toán chu n 26 ấ ẩ
Bài toán chu n là một bài toán quan trọng trong việc tính toán cho cụm hình VVER-1000 với 30% nhiên liệu MOX, được trình bày trong báo cáo của OECD/NEA Mục tiêu của bài toán này là chia sẻ và phân tích các tính toán vật lý trong vùng hoạt Đây là một bài toán chuẩn, giúp so sánh và đánh giá độ chính xác của các chương trình tính toán khác nhau.
Vì v y trong ph n này trình bày các thông s c th c a bài toán chu n nh m ậ ầ ố ụ ể ủ ẩ ằ thu n l i cho vi c tính toán mô ph ng v sau ậ ợ ệ ỏ ề
Vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 bao gồm 163 bó nhiên liệu, trong đó các bó thanh điều khiển được bố trí vào vị trí các thanh dẫn trong 121 bó thanh nhiên liệu Khoảng 30% số bó nhiên liệu là bó chứa nhiên liệu loại MOX, trong khi phần còn lại là bó nhiên liệu loại UOX.
Vùng ho t ch a 2 lo i bó nhiên li u là MOX và UOX v i thành ph n: ạ ứ ạ ệ ớ ầ
- UOX v i nhiên li u g m Urani và Gadolini ớ ệ ồ
MOX là nhiên liệu được làm từ Plutoni, Urani và Gadolini, hoạt động trong 6 trạng thái khác nhau (bảng 2.5) Từ trạng thái S1 đến S5 của lò phản ứng không có sự hiện diện của thanh điều khiển, chỉ có trạng thái S6 cho phép đưa vào thanh điều khiển Trong trường hợp này, các thanh điều khiển sẽ được lắp đặt vào các bó nhiên liệu tại các vị trí được thể hiện trên hình 2.7, cụ thể là có thể đưa vào 18 vị trí trong 11 bó nhiên liệu 1, 3, 7, 9, 12, 13, 14, 15, 17, 19 và 21 Tổng cộng, trong cấu hình 1/6 vùng hoạt động có 28 bó nhiên liệu, trong đó 11 bó chứa thanh điều khiển và 17 bó không chứa thanh điều khiển.
Các trạng thái của lò phun ứng tương ứng với các điều kiện khác nhau về nhiệt độ và chất làm chậm, đây là những trạng thái quy ước trong tính toán và không xảy ra trong thực tế Những trạng thái này được khảo sát nhằm kiểm tra độ chính xác của các chương trình tính toán khác nhau Bảng 2.5 trình bày các thông số chi tiết của nhiều nhiệt độ chất làm chậm trong 6 trạng thái khác nhau.
B ng 2.5 Các tr ng thái làm vi c khác nhau c a lò ph n ng [1] ả ạ ệ ủ ả ứ
Nhi ệt độ ch t làm ấ ch m ậ trong bó nhiên li u, ệ 0 K
V t li u ậ ệ ch t làm ấ ch m ậ trong bó nhiên liệu
V t li u ậ ệ c a khe ủ nướ c, l ỗ nước và nước vành ph n x ả ạ
Tr ng ạ thái c a ủ thanh điều khi n ể
Tr ng thái ạ làm vi c ệ bình thườ ng
Tr ng thái ạ nhiệt độ không đổi
Tr ng thái ạ l nh v i ạ ớ n ồng độ boron cao
Tr ng thái ạ không có boron
Tr ng thái ạ nhiệt độ không đổi không có boron
Tr ng thái ạ có mặ ủ t c a thanh điều khi n ể
TĐK được đưa vào (Inserted)
Các thông s v t li u chi ti t c a ch t làm ch m t i 6 tr ng thái khác nhau ố ậ ệ ế ủ ấ ậ ạ ạ
B ng 2.6 M ả ật độ ch t làm ch m và m ấ ậ ật độ Boron [1]
Tên v t li u ậ ệ Thông s ố M ật độ các đồ ng v ị
TmW5K rho=0,7241 g/cm3 Không có Boron
TmV0K rho=0,7533 g/cm3 Không có Boron
TmU3K rho=0,7657 g/cm3 Không có Boron
Hai loại nhiên liệu hạt nhân UOX và MOX được nghiên cứu với các mức độ sâu cháy khác nhau trong vùng hoạt Nhiên liệu UOX có các độ sâu cháy trung bình là 0, 15, 32, và 40 GWd/t, trong khi nhiên liệu MOX có độ sâu cháy trung bình là 0, 17 và 33 GWd/t Các thanh nhiên liệu cũng có độ sâu cháy tương đương với độ sâu cháy của nhiên liệu tương ứng.
B trí c a các bó nhiên li u trong vùng ho t ố ủ ệ ạ được trình bày như hình dưới đây.
Hình 2.7 B trí các bó nhiên li u MOX và UOX trong 1/6 vùng ho t ố ệ ạ lò ph n ng VVER-1000 ả ứ
2.2.2 C u t o bó nhiên li u ấ ạ ệ a Bó nhiên li u lo i UOX ệ ạ
Bó nhiên li u UOX g m 312 thanh nhiên li u, ệ ồ ệ trong đó có 18 ô mạng là ng ố dẫn thanh điều khi n, 1 ng d n trung tâm và 6 ô nhiên li u ch a Gd (hình 2.8) ể ố ẫ ệ ứ
Chiều cao của cột nhiên liệu là 354 cm, trong khi tổng chiều cao của các thành phần phụ là 422 cm Độ giàu nhiên liệu được bố trí giảm thiểu từ phía ngoài Chi tiết xem bảng 2.9.
Hình 2.8 Sơ đồ ố b trí các thanh nhiên li u trong bó nhiên li u UOX ệ ệ
B ng 2.7 Các lo i ô m ng trong bó nhiên li u UOX ả ạ ạ ệ
31 b Bó nhiên li u lo i MOX ệ ạ
Bài viết so sánh hai loại nhiên liệu hạt nhân là MOX và UOX, nhấn mạnh rằng mặc dù chúng có tính chất tương tự, nhưng cách bố trí các ô trong nhiên liệu và thành phần tổng thể của nhiên liệu trong bó nhiên liệu là khác nhau Chi tiết về các ô trong bó nhiên liệu được trình bày trong hình 2.9 và bảng 2.8.
Hình 2.9 Sơ đồ ố b trí các thanh nhiên li u trong bó nhiên li u MOX ệ ệ
B ng 2.8 Các lo i ô m ng trong bó nhiên li u MOX ả ạ ạ ệ
B ng 2.9 Các thông s hình h c c a t ng lo i ô m ng thanh nhiên li u [1] ả ố ọ ủ ừ ạ ạ ệ
Tên ô m ng ạ Vùng trong ô m ng ạ Bán kính (cm) Ô nhiên liệu Bán kính viên nhiên liệu
Bán kính trong Bán kính ngoài
0,55 0,63 Ống d n thanh h ẫ ấp th có ụ mặt thanh hấ p th ụ (TĐK)
Bán kính thanh h p th ấ ụ Bán kính l p v ớ ỏ TĐK Bán kính trong ố ng d n ẫ Bán kính ngoài ng d n ố ẫ
Hình 2.10 Hình h c các lo i ô m ng trong bó nhiên li u ọ ạ ạ ệ , các kích thướ c trên b ng 2.9 [1] ả
Các lo i v t li u trong hai lo i bó nhiên li u UOX và MOX cùng v i vạ ậ ệ ạ ệ ớ ậ ệt li u c a l p v ủ ớ ỏ và thanh điều khi n ể được trình bày trong b ng 2.10 và b ng 2.11 sau ả ả
B ng 2.10 Các thông s v v t li u trong 2 lo i bó nhiên li u UOX và MOX [1] ả ố ề ậ ệ ạ ệ
Lo i bó nhiên ạ li u ệ Tên vật li u ệ Các thông số ậ v t liệu
U_4.2 Nhiên liệu Urani v i giàu 4,2% kh ớ độ ối lượ ng 235 U TVEG_5 Nhiên liệu Urani và Gadolini với độ làm giàu 3,3% 235 U và
U_3.7 Nhiên liệu Urani v i 3,7% kh ớ ối lượng 235 U
PU_3.6 Nhiên liệ u MOX v i nguyên li ớ ệu các đồ ng v ị c a Plutonium ủ độ giàu 3,62% kh ối lượ ng TVEG_4 Nhiên liệu Urani và Gadolini với độ làm giàu 3,6% 235 U và
Nhiên liệu MOX chứa các đồng vị của Plutonium với độ giàu 2,69% khối lượng (PU_2.7) và 2,42% khối lượng (PU_2.4).
B ng 2.11 Thành ph n v t li u l p v ả ầ ậ ệ ớ ỏ và thanh điề u khi n [1] ể
Tên v t li u ậ ệ Thành ph n ầ V t li u (nguyên t /barn*cm) ậ ệ ử
V b c nhiên li u ỏ ọ ệ Ống d n trung tâm ẫ Ống dẫn thanh điều khiển
Thép đệm Vành thép bọc thùng lò
Các loại bồn nhiên liệu được phân bố trong vùng hoạt có những độ sâu cháy khác nhau Loại bồn nhiên liệu UOX có các độ sâu cháy trung bình khoảng 0,15.
Here is the rewritten paragraph:"Thanh nhiên liệu MOX có độ sâu cháy trung bình là 32, 40 MWd/kg và 33MWd/kg Đặc biệt, các thanh nhiên liệu khác cũng có độ sâu cháy tương đương với độ sâu cháy của bó nhiên liệu tương ứng Chi tiết về độ cản của các đồng vị trong từng loại nhiên liệu, cùng với độ sâu cháy khác nhau, sẽ được trình bày trong phần phân tích sau."
2.2.3 M t s thông s khác c a bài toán chu n ộ ố ố ủ ẩ
Ngoài b trí các thanh nhiên li u, bó nhiên li u trong vùng ho t thì vùng ho t ố ệ ệ ạ ạ lò VVER còn có m t s thành ph n ph ộ ố ầ ụ khác, như lỗ nước, khe nước, l p thép ớ
B ng 2.12 Các thông s c a các l ả ố ủ ỗ nướ c [1]
L ỗ nướ ốc s Kho ng cách t i tâm lò ả ớ Góc Đường kính c a l ủ ỗ nước
Các lỗ nước xung quanh bó nhiên liệu trong vùng hoạt được bố trí xen kẽ bên trong vành thép của lớp thép đệm, nhằm mục đích giúp cho quá trình lưu thông boron trong nước ở phần xung quanh vùng hoạt và giảm thiểu neutron rò rỉ ra khỏi vùng hoạt lò phản ứng.
Hình 2.11 V trí các l ị ỗ nướ c và k he nướ c dày 3mm gi a bó nhiên li u v i l ữ ệ ớ ớp thép đệm [1]
Hình 2.12 Các thông s v ố ề khe nướ c, l ỗ nướ c và v b c thùng lò [1] ỏ ọ
Giá bó nhiên liệu và lớp thép đệm có khe nước ngăn cách, tạo thành vành nước bao quanh bó nhiên liệu trong vùng hoạt Tầng công gồ ghề ổn định 90 lỗ nước xung quanh vùng hoạt và khe nước dày 3mm xung quanh các bó nhiên liệu phía ngoài cùng vùng hoạt Bao bọc các lỗ nước là lớp thép đệm xung quanh, tiếp theo là giáp vùng hoạt Lớp thép đệm, thùng lò và giáp vùng hoạt được làm bằng hợp kim có khả năng chịu nhiệt cao Giữa lớp vỏ bọc thùng lò và giáp vùng hoạt có một lớp ống dẫn nước (Downcomer) Đây là các thông số chi tiết về hình học và vật liệu của bài toán chuẩn.
Trên đây ố ế ề ọ ậ ệ ủ ẩ các tính toán và mô hình mô ph ng c th ỏ ụ ể được trình bày trong chương 3.
CHƯƠNG 3 KẾT QU TÍNH TOÁN Ả
Chương này trình bày các tính toán cho bài toán chu trình nhờ kiểm tra cấu hình, nhằm tính toán cho cấu hình VVER-1000/V392 với độ giàu nhiên liệu cao hơn và số thanh điều khiển nhiều hơn Cấu hình này có thể được lựa chọn cho dự án điện hạt nhân Ninh Thuận I.
Kết quả tính toán bài toán chuế ả ẩn đã được so sánh với các nghiên cứu trước đây Một số kết quả tính toán cho cấu hình VVER-1000/V392 cũng đã được phân tích và so sánh Cuối cùng, tính toán hiệu suất thiết kế nhiên liệu cho lò phản ứng dựa trên một số tiêu chuẩn thiết kế cơ bản đã được thực hiện.
Gi i thi u v ớ ệ ề phương pháp Monte -Carlo và tính toán t i h n s d ớ ạ ử ụng chương trình MCNP5
Phương pháp Monte Carlo được sử dụng trong các tính toán vận chuyển hạt như photon và neutron trong các hệ hình học 3D phức tạp Đặc điểm nổi bật của phương pháp này là khả năng xây dựng mô hình hình học chi tiết thông qua việc sử dụng tính năng mô tả hình học mềm dẻo Ngoài ra, Monte Carlo năng lượng liên tục cho phép xử lý số liệu hạt nhân tại điểm năng lượng mà không cần áp dụng gần đúng nhiều nhóm, giúp các quá trình va chạm của hạt với vật liệu môi trường được xử lý chính xác một cách tối đa Những ưu điểm này đã làm cho phương pháp Monte Carlo ngày càng trở nên phổ biến hơn Phương pháp này đã được áp dụng để thu được các liệu giải tham chiếu có độ chính xác cao, phục vụ cho các phân tích thực nghiệm, tính toán thiết kế chi tiết, tính toán tâm lò phản ứng, che chắn bức xạ, an toàn tại chỗ, và nghiên cứu vật lý neutron của lò nhiệt hạch.
Phương pháp Monte-Carlo yêu cầu thời gian tính toán lớn để đạt được độ chính xác cao, điều này dẫn đến chi phí tính toán tăng, ngay cả với các máy tính hiện đại Do đó, việc cải thiện tốc độ tính toán không chỉ giúp giảm chi phí mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của phương pháp này.
Trong những năm gần đây, các phương pháp và kiến trúc tiên tiến của hệ thống máy tính đã cải thiện đáng kể tốc độ tính toán Để giải quyết các vấn đề liên quan đến vận chuyển neutron trong lò phản ứng, phương pháp Monte Carlo đã được áp dụng, kết hợp khả năng tính toán của máy tính sử dụng chương trình MCNP5 Phương pháp này cho phép mô phỏng tương tác của neutron khi chúng đi qua vật chất trong lò phản ứng, từ đó thu được các kết quả xác suất về vị trí mà neutron đi qua và phản ứng mà chúng tham gia Dựa trên các giá trị xác suất này, có thể tính toán các đại lượng vật lý như mật độ phân hạch và thông lượng neutron.
Để mô phỏng quá trình vận chuyển neutron, cần biết số neutron trong thế hệ đầu tiên và vị trí phát ra ban đầu Trong bài toán tính toán, có N neutron được gieo vào để thực hiện tính toán Các lịch sử vật lý của quá trình vận chuyển neutron được ghi lại để xác định keff Ở vòng đầu tiên, neutron được phát tán từ nguồn và được ghi lại trong các phương pháp như SDEF, KSRC hoặc SRCTP Ban đầu, các neutron được phát ra một cách đẳng hướng Trong các vòng tính keff, nguồn neutron sử dụng dữ liệu từ các điểm phân hạch của vòng chạy trước đó Số lượng gieo trong mỗi vòng là không đổi, với N hạt Việc mô phỏng quá trình vận chuyển của các hạt neutron được thực hiện dựa trên các bước ngẫu nhiên Chương trình MCNP5 thực hiện bốn bước đánh giá trong quá trình vận chuyển neutron khi chúng tương tác với vật chất tại các điểm va chạm.
Bước 1: Đánh giá thời gian s ng t c th i c a ố ứ ờ ủ nơtron theo 3 phương pháp sau
Phương pháp đánh giá thông qua va chạm sử dụng các giá trị thời điểm xảy ra va chạm của neutron từ lúc chúng sinh ra Phương pháp này giúp tính toán thời gian sống cố định của neutron tại thời điểm va chạm.
Phương pháp đánh giá thông qua sự phát thụ là một kỹ thuật quan trọng, tập trung vào việc phân tích thời gian neutron bị hấp thụ hoặc thoát ra Phương pháp này cho phép tính toán thời gian sống của neutron tại thời điểm xảy ra va chạm, từ đó cung cấp những thông tin giá trị cho nghiên cứu và ứng dụng trong lĩnh vực hạt nhân.
Phương pháp đánh giá dựa trên chiều dài quãng đường chạy của nơtron cho phép tính toán thời gian sống của nơtron tại thời điểm va chạm trong vật liệu Kỹ thuật này sử dụng chiều dài quãng đường di chuyển của nơtron để xác định các thông số quan trọng liên quan đến sự tương tác của nơtron với vật liệu.
Bước 2: N u phân h ch có kh ế ạ ả năng xảy ra thì MCNP5 ti p tế ục đánh giá keff theo 3 phương pháp đánh giá thông qua: va chạm h p th , chi u dài h p th ấ ụ ề ấ ụ
Bước 3: Nếu phân hạch có khả năng xảy ra tại vị trí phân hạch neutron khác 0, MCNP5 sẽ lưu lại các vị trí này và sử dụng chúng như nguồn phân hạch trong vòng tiếp theo.
S v trí phân h ch s ố ị ạ ẽ được tính như sau n = W ν σf/σt 1/k eff + s ngố ẫu nhiên Trong đó
W là trần số hạt; ọ ố ạ là số neutron trung bình sinh ra trên một phân hạch; ộ ạ σ là tỷ lệ diễn phân hạch vi mô; ế ệ ạ σt là tỷ lệ diễn biến tương tác tổng cộng; ộ k eff là giá trị số nhân hiệu ứng đánh giá từ vòng tròn.
M = n là t ng s Σ ổ ố điểm ngu n phân hồ ạch đượ ử ục s d ng cho vòng k ti p ế ế
Bước 4: Các vị trí phân hủy được ghi nhận và tổng hợp lại để sử dụng làm dữ liệu nguồn phát neutron trong vòng sau Số điểm nguồn phát M có thể thay đổi theo mỗi vòng, tuy nhiên số hoạt neutron phát ra trong mỗi vòng vẫn không thay đổi, giữ nguyên là N.
Chương trình MCNP5 có khả năng mô phỏng chính xác vùng hoạt động của lò phản ứng hạt nhân, giúp việc mô tả cấu trúc vật liệu và các thành phần trong lò trở nên dễ dàng hơn Điểm nổi bật của MCNP5 là khả năng mô tả đa dạng vật liệu như thanh nhiên liệu, thanh hấp thụ và chất làm chậm, cùng với nguồn phát trong vùng hoạt động Quá trình vận chuyển và phân hạch neutron trong môi trường vật liệu có khả năng phân hạch được mô phỏng thông qua các thông số và dữ liệu cụ thể Để thực hiện điều này, người dùng cần sử dụng chế độ MODE N trong chương trình.
Chương trình MCNP5 sử dụng phương pháp Monte Carlo để mô phỏng các quá trình vật lý, bao gồm sự tương tác của hạt với môi trường như hấp thụ, tán xạ và phân hạch Bên cạnh đó, MCNP5 cũng cho phép tính toán tài hạng thông qua KCODE, từ đó đưa ra kết quả chi tiết qua các Tally Các thuộc tính cụ thể của các cấu trúc quan trọng trong MCNP5 và bài toán KCODE được trình bày trong phần 3.1.2.
3.1.2 Bài toán kcode cho tính toán t i h n trên ớ ạ chương trình MCNP
Here is the rewritten paragraph:Trong lý thuyết về lò phản ứng hạt nhân, khả năng duy trì phản ứng dây chuyền được đặc trưng bằng hệ số nhân hiệu quả (k_eff) Hệ số này thể hiện tỷ số giữa số neutron trong các thế hệ liên tiếp nhau trong quá trình phân hạch, được xem như sự kiện sinh mà nó tách biệt các thế hệ neutron với nhau Đối với các hạt nhân, k_eff = 1 và phản ứng dây chuyền là tự duy trì Với hạt nhân dưới ngưỡng, k_eff < 1 và phản ứng dây chuyền sẽ không được duy trì Với hạt nhân trên ngưỡng, k_eff > 1 và số phân hạch trong phản ứng dây chuyền sẽ tăng theo thời gian.
Bài viết này tập trung vào việc tính toán hệ số hiệu quả (keff) liên quan đến số trung bình các nơtron phân hạch được tạo ra trong một chu trình phân hạch Một chu trình phân hạch được định nghĩa là khoảng thời gian mà nơtron sống từ khi sinh ra cho đến khi bị mất do rò rỉ hoặc hấp thụ Trong MCNP, quá trình tính toán keff tương ứng với việc đánh giá chu kỳ của nơtron phân hạch Các quá trình như (n,2n) và (n,3n) được coi là quá trình không gây ra sự kết thúc Nơtron phân hạch cung cấp nguồn năng lượng cho chu trình tiếp theo, và một số đặc điểm riêng biệt có thể được quan sát khi chuyển tiếp giữa các chu trình Hiệu ứng của các nơtron trễ được xem như tương tự với các nơtron phân hạch tức thời MCNP sử dụng ba phương pháp đánh giá khác nhau cho keff, và kết quả cuối cùng là tổng hợp từ các phương pháp này Cấu trúc tính toán KCODE sẽ được trình bày chi tiết trong phần 3.1.3.
3.1.3 Các th và c u trúc l nh quan tr ng trong MCNP ẻ ấ ệ ọ a Th Tally ẻ
Tally là công cụ cho phép theo dõi kết quả của quá trình tính toán, bao gồm các số liệu tính toán như dòng hạt, thông lượng hạt, và phân bổ năng lượng do phân hạch Các kết quả này được chuẩn hóa cho tổng hợp Có 7 loại tally chuẩn được sử dụng cho các loại bức xạ khác nhau: 7 loại cho neutron, 6 loại cho photon, và 4 loại cho electron Những dòng lệnh này không yêu cầu hình thức cụ thể trong tệp đầu vào của MCNP, nhưng nếu không có mặt của các tally, thì không có kết quả tính toán nào được in ra trong tệp đầu ra Khi tính toán với KCODE, tally chuẩn được lấy theo tổng thể neutron phân hạch, và các thành phần đóng góp vào tally bao gồm nguồn, các sự kiện, và các chùm ngẫu nhiên.
B ng 3.1 Các Tally trong MCNP5 [5] ả
Ký hi ệu Mô t ả Loại hạt Đơn vị Đơn vị của *Fn
F1 Dòng m ặt N, P hoặc E H ạt MeV
F2 Thông lượng mặt N, P hoặc E hạt.cm -2 MeV/cm2 F4 Thông lượng ô mạng N, P hoặc E hạt.cm -2 MeV/cm2 F5 Thông lượng điểm,đầu dò N hoặc P hạt.cm -2 MeV/cm2
F6 Năng lượng tích lũy N ho N,P ặc hoặc P MeV/g jergs/g
F7 Năng lương phân hạch tích l ũy N MeV/g jerks/g
F8 Độ cao xung P hoặc E hoặc P,E Xung MeV b Đánh giá thông lượng mặt và ô mạng Để đánh giá thông lượng cho m t ho c ô m ng thì ta dùng các tally F1, F2, ặ ặ ạF4, F6 ho c F7 ặ
C u trúc: Fn:pl S1 Si ấ lo i tally (n=1, 8), pl là ch lo i h t (pl = p, n , e) p là