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
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN HỮU TIỆP NGUYỄN HỮU TIỆP CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT HẠT NHÂN TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN ĐÁNH GIÁ MỘT SỐ THƠNG SỐ VẬT LÝ CỦA LỊ VVER-1000 SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU MOX BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MCNP5 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC KỸ THUẬT HẠT NHÂN KHOÁ 2012B Hà Nội – 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131857921000000 LỜI CẢM ƠN Trước tiên xin gửi lời cảm ơn chân thành đến TS Trần Kim Tuấn Viện trưởng Viện Kỹ thuật Hạt nhân Vật lý mơi trường Thầy tận tình giúp đỡ bảo suốt thời gian qua Kế đến xin gửi lời cảm ơn tới tất thầy cô giáo Viện Kỹ thuật hạt nhân Vật lý môi trường tạo điều kiện giảng dạy tận tình cho tơi suốt thời gian học trường Xin gửi lời cảm ơn đến thầy hội đồng đọc, nhận xét giúp tơi hồn thành luận văn tốt nghiệp LỜI CAM ĐOAN Bản luận văn thạc sỹ khoa học: "Đánh giá số thông số vật lý lò VVER-1000 sử dụng nhiên liệu MOX chương trình MCNP5" hồn thành Viện Kỹ thuật hạt nhân Vật lý môi trường thuộc trường Đại Học Bách khoa Hà Nội Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tác giả luận văn ký ghi rõ họ tên Nguyễn Hữu Tiệp MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU CHƯƠNG LÝ THUYẾT CƠ SỞ LÒ PHẢN ỨNG 1.1 Trạng thái tới hạn lò phản ứng 1.2 Phương trình thơng lượng nơtron lò phản ứng hạt nhân 11 1.3 Phương trình động học lị phản ứng 11 CHƯƠNG LÒ PHẢN ỨNG VVER VÀ BÀI TOÁN CHUẨN 18 2.1 Giới thiệu chung lò VVER 18 2.1.1 Thùng lò phản ứng 19 2.1.2 Vùng hoạt lò phản ứng VVER 21 2.1.3 Bó nhiên liệu 22 2.1.4 Thanh nhiên liệu 23 2.1.5 Thanh điều khiển 24 2.2 Cấu hình toán chuẩn 26 2.2.1 Cấu hình vùng hoạt 26 2.2.2 Cấu tạo bó nhiên liệu 30 2.2.3 Một số thông số khác toán chuẩn 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ TÍNH TỐN 36 3.1 Giới thiệu phương pháp Monte-Carlo tính tốn tới hạn sử dụng chương trình MCNP5 36 3.1.1 Phương pháp Monte-Carlo 36 3.1.2 Bài tốn kcode cho tính tốn tới hạn chương trình MCNP 39 3.1.3 Các thẻ cấu trúc lệnh quan trọng MCNP 40 3.2 Kết tính toán cho toán chuẩn 42 3.2.1 Mơ hình mơ tốn chuẩn MCNP5 42 3.2.2 Kết tính tốn hệ số nhân hiệu dụng 47 3.3 Một số tính tốn cho cấu hình VVER-1000/V392 48 3.3.1 Vùng hoạt VVER-1000/V392 48 3.3.2 Cấu hình loại bó nhiên liệu VVER-1000/V392 53 3.3.3 Một số kết tính tốn 56 3.4 Tìm hiểu cấu trúc xếp bó nhiên liệu vùng hoạt 64 CHƯƠNG KẾT LUẬN 74 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 PHỤ LỤC 77 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Các thơng số thùng lị 20 Bảng 2.2 Các thơng số vùng hoạt 21 Bảng 2.3 Các thông số bó nhiên liệu lị phản ứng VVER 23 Bảng 2.4 Các thơng số bó nhiên liệu nhiên liệu 24 Bảng 2.5 Các trạng thái làm việc khác lò phản ứng [1] 27 Bảng 2.6 Mật độ chất làm chậm mật độ Boron [1] 28 Bảng 2.7 Các loại mạng bó nhiên liệu UOX 30 Bảng 2.8 Các loại mạng bó nhiên liệu MOX 31 Bảng 2.9 Các thơng số hình học loại ô mạng nhiên liệu [1] 32 Bảng 2.10 Các thông số vật liệu loại bó nhiên liệu UOX MOX [1] 33 Bảng 2.11 Thành phần vật liệu lớp vỏ điều khiển [1] 33 Bảng 2.12 Các thông số lỗ nước [1] 34 Bảng 3.1 Các Tally MCNP5 [5] 40 Bảng 3.2 Kết tính tốn keff tồn vùng hoạt trạng thái chất làm chậm 47 Bảng 3.3 Các thông số lò VVER-1000/V392 [2] 49 Bảng 3.4 Các đặc trưng bó nhiên liệu VVER-1000/V392 [2] 51 Bảng 3.5 Sự thay đổi độ phản ứng theo nhiệt độ chất làm chậm 58 Bảng 3.6 Hiệu suất điều khiển nhóm 10 60 Bảng 3.7 Hệ số bất đồng cấu hình nhiên liệu thời điểm đầu cuối chu trình nhiên liệu 72 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Dạng chung phụ thuộc vào 15 Hình 1.2 Sự phụ thuộc T vào theo phương trình (1.24) 16 Hình 2.1 Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng VVER 19 Hình 2.2 Thiết kế thùng lị VVER [2] 20 Hình 2.3 Cấu hình vùng hoạt lị phản ứng VVER-1000 21 Hình 2.4 Cấu trúc bó nhiên liệu thơng thường lị VVER-1000 22 Hình 2.5 Mặt cắt ngang bó nhiên liệu 23 Hình 2.6 Sơ đồ phân bố bó điều khiển lị VVER 25 Hình 2.7 Bố trí bó nhiên liệu MOX UOX 1/6 vùng hoạt 29 lò phản ứng VVER-1000 29 Hình 2.8 Sơ đồ bố trí nhiên liệu bó nhiên liệu UOX 30 Hình 2.9 Sơ đồ bố trí nhiên liệu bó nhiên liệu MOX 31 Hình 2.10 Hình học loại mạng bó nhiên liệu, kích thước bảng 2.9 [1] 32 Hình 2.11 Vị trí lỗ nước khe nước dày 3mm bó nhiên liệu với lớp thép đệm [1] 34 Hình 2.12 Các thơng số khe nước, lỗ nước vỏ bọc thùng lị [1] 35 Hình 3.1 Bó nhiên liệu UOX độ sâu cháy 15 MWd/kg MCNP5 43 Hình 3.2 Bó nhiên liệu UOX với độ sâu cháy 32 40 MWd/kg MCNP5 43 Hình 3.3 Bó nhiên liệu MOX với độ sâu cháy 0, 17 33 MWd/kg MCNP5 44 Hình 3.4 Các lỗ nước khe nước xung quanh bó nhiên liệu MCNP5 45 Hình 3.5 Cấu hình tồn vùng hoạt mơ MCNP5 46 Hình 3.6 Sơ đồ bố trí bó nhiên liệu 1/6 vùng hoạt lị VVER-1000/V392 [2] 50 Hình 3.7 Sơ đồ bố trí nhóm điều khiển lị VVER-1000/V392 [2] 50 Hình 3.8 Cấu hình bó nhiên liệu 13A 22A [2] 53 Hình 3.9 Cấu hình bó nhiên liệu loại 30A9P 44A9P [2] 54 Hình 3.10 Cấu hình bó nhiên liệu loại 39A9P [2] 54 Hình 3.11 Cấu hình bó nhiên liệu 39A6P [2] 55 Hình 3.12 Phân bố thơng lượng nơtron nhiệt theo chiều bán kính 56 Hình 3.13 Phân bố thông lượng nơtron vùng hoạt [x1013 nơtron/ s.cm2] 57 Hình 3.14 Sự phụ thuộc độ phản ứng vào nhiệt độ chất làm chậm 59 Hình 3.15 Đường cong vi phân hiệu suất điều khiển nhóm 10 60 Hình 3.16 Sơ đồ tính tốn phân bố tốc độ sinh nhiệt tuyến tính 61 Hình 3.17 Kết phân bố nhiệt độ theo chiều cao vùng hoạt từ RELAP5 62 Hình 3.18 Phân bố cơng suất nhiệt tuyến tính dọc theo chiều cao vùng hoạt 63 Hình 3.19 Cấu hình 1/6 vùng hoạt 30% MOX [1] 64 Hình 3.20 Cấu hình 1/6 vùng hoạt 0% nhiên liệu MOX 65 Hình 3.21 Cấu hình 1/6 vùng hoạt tối ưu hóa 66 Hình 3.22 Phân bố thơng lượng nơtron theo chiều bán kính ba cấu hình vùng hoạt khác 67 Hình 3.23 Phân bố cơng suất dọc theo chiều bán kính cấu hình vùng hoạt khác 68 Hình 3.24 Phân bố cơng suất cấu hình vùng hoạt cuối chu trình nhiên liệu 70 Hình 3.25 Phân bố cơng suất trước sau cháy cấu hình 30% MOX 71 Hình 3.26 Phân bố cơng suất trước sau cháy cấu hình 0% MOX 71 Hình 3.27 Phân bố cơng suất trước sau cháy cấu hình tự thiết kế 72 MỞ ĐẦU Trong kinh tế nước ta nay, nhu cầu sử dụng lượng ngày gia tăng, tình hình thủ tướng phủ định chọn xây dựng nhà máy điện hạt nhân giải pháp hợp lý mang lại hiệu kinh tế cao Như biết dự án điện hạt nhân Ninh Thuận I dự kiến lựa chọn ba loại cơng nghệ lị VVER: AES91 (VVER-1000/V418 ), AES92 (VVER-1000/V392 ) AES2006 (VVER-1200) Do việc sâu tìm hiểu, nghiên cứu tính tốn vật lý lị VVER-1000 cần thiết Bài tốn chuẩn thơng số vật lý lị phản ứng VVER-1000 với 30% nhiên liệu MOX trình bày báo cáo tổ chức OECD/NEA [1] nhằm chia sẻ tính tốn vật lý vùng hoạt Thêm vào tốn chuẩn để so sánh đánh giá độ xác chương trình khác nhiều nhóm nghiên cứu, tính tốn đưa kết so sánh Vì luận văn trình bày hai tốn chính, tốn thứ tốn tính tốn cho cấu hình chuẩn đưa [1] nhằm kiểm tra độ xác mơ hình tính tốn Từ xây dựng tốn cho cấu hình VVER-1000/V392 [2], cấu hình có độ làm giàu nhiên liệu cao hơn, có số bó chứa điều khiển nhiều hơn, nhằm tăng độ dự trữ dập lò điều khiển tốt Ngồi tốn đánh giá cấu hình vùng hoạt khác dựa số tiêu chuẩn thiết kế nhiên liệu xem xét Đây toán bước đầu nghiên cứu thiết kế nhiên liệu cho vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 Mục đích luận văn tập trung vào đánh giá vật lý cho loại lò phản ứng có khả chọn cho dự án điện hạt nhân Ninh Thuận I Bài luận văn gồm có Chương: Chương 1: Lý thuyết sở lị phản ứng Chương 2: Lò phản ứng VVER tốn chuẩn Chương 3: Kết tính tốn bàn luận Chương 4: Kết luận Nội dung chi tiết chương trình bày phần sau CHƯƠNG LÝ THUYẾT CƠ SỞ LÒ PHẢN ỨNG 1.1 Trạng thái tới hạn lò phản ứng Do tiết diện phản ứng phân hạch nơtron nhiệt lớn hàng trăm lần so với nơtron nhanh nên người ta thường cấu tạo mơi trường lị phản ứng hạt nhân có nhiều chất làm chậm để làm chậm nơtron lượng nhiệt, mơi trường vùng hoạt lị phản ứng nơtron nhiệt Các tính tốn trình bày chương theo tài liệu [6] Khả nhân nơtron môi trường vô hạn đặc trưng hệ số nhân định nghĩa sau: k = n = η μ p f(1.1) n với ni số nơtron sinh hệ thứ i, n i+1 số nơtron sinh hệ sau Vậy hệ số nhân k tỷ số số nơtron sinh hệ chia cho số nơtron sinh hệ trước Cơng thức (1.1) gọi cơng thức thừa số chứa thừa số η, μ, pvàf: - Thừa số η số nơtron nhanh sinh nhiên liệu hạt nhân hấp thụ nơtron nhiệt - Thừa số μ hệ số nhân nơtron nhanh, cho biết lượng nơtron nhanh sinh sau nhiên liệu phân hạch nơtron nhanh gây - Thừa số p xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng, cho biết phần nơtron nhanh làm chậm không bị vật liệu hấp thụ miền lượng cộng hưởng - Thừa số f hệ số sử dụng nơtron nhiệt, cho biết phần nơtron nhiệt Urani hấp thụ so với toàn nơtron bị hấp thụ vật liệu vùng hoạt Đối với vùng hoạt lò phản ứng có kích thước hữu hạn, ta cần quan tâm đến hệ số nhân hiệu dụng phát triển phản ứng dây chuyền phụ thuộc vào hệ số nhân hiệu dụng keff keff = k ∞ P (1.2) với P < xác suất tránh rò nơtron khỏi môi trường hữu hạn