khảo sát và khắc phục sự cố sai hỏng kiểm soát áp suất ở nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò bwr bằng phần mềm mô phỏng bwr_v3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: KHẢO SÁT VÀ KHẮC PHỤC SỰ CỐ SAI HỎNG KIỂM SOÁT ÁP SUẤT Ở NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN SỬ DỤNG LÒ BWR BẰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG BWR_V3 SVTH: Nguyễn Giang Nam GVHD: TS. Lê Bảo Trân GVPB: ThS. Phan Lê Hoàng Sang – TP. Hồ Chí Minh 2014 – i LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giáo viên hướng dẫn TS. Lê Bảo Trân. Với sự giúp đỡ và hướng dẫn của cô, tôi đã hoàn thành khóa luận đúng tiến độ đã đề ra. Xin cảm ơn ThS. Phan Lê Hoàng Sang, người đã có những ý kiến đóng góp để tác giả hoàn thành khóa luận một cách hoàn chỉnh nhất. Xin tri ân quý thầy cô trong Bộ môn Vật Lý Hạt Nhân đã giảng dạy và cung cấp cho tôi rất nhiều kiến thức trong suốt 4 năm học tại trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP. Hồ Chí Minh. Cuối cùng, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn tới gia đình, bạn bè đã luôn bên cạnh và ủng hộ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành khóa luận TP. Hồ Chí Minh, ngày 11 tháng 7 năm 2014 Tác giả Nguyễn Giang Nam ii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐIỆN HẠT NHÂN 2 1.1. Lịch sử và phát triển 2 1.1.1. Sự ra đời của ngành điện hạt nhân và các thế hệ lò phản ứng 2 1.1.2. Tình hình về điện hạt nhân trên thế giới và tại Việt Nam 4 1.2. Những điểm mạnh và yếu của năng lượng hạt nhân 6 CHƯƠNG 2: VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG VÀ LÒ BWR 8 2.1. Vật lý lò phản ứng hạt nhân 8 2.1.1. Phản ứng phân hạch hạt nhân 8 2.1.2. Neutron trong lò phản ứng 9 2.1.3. Làm chậm, khuếch tán và hấp thụ neutron 9 2.1.4. Phản ứng dây chuyền và trạng thái tới hạn của lò phản ứng 11 2.1.5. Động học lò phản ứng 13 2.1.6. Sự thay đổi độ phản ứng trong quá trình làm việc của lò phản ứng . 15 2.2. Khái quát về lò phản ứng nước sôi (BWR) 20 2.2.1. Nguyên tắc hoạt động 20 2.2.2. Cấu trúc nồi hơi 20 2.2.3. Tâm lò phản ứng 23 2.2.4. Các hệ thống bổ trợ 26 CHƯƠNG 3: PHẦN MỀM MÔ PHỎNG BWR_V3 27 3.1. Giới thiệu phần mềm 27 3.2. Cách chạy chương trình mô phỏng 28 3.3. Hiển thị các tính năng chung trong chương trình 28 3.4. Các màn hình hiển thị mô phỏng 31 3.4.1. Độ phản ứng và điểm đặt (BWR Reactivity & Setpoints) 31 iii 3.4.2. Tua-bin máy phát điện (BWR Turbine Generator) 32 3.4.3. Đồ thị thông số (BWR Trends) 33 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG SỰ CỐ VÀ CÁCH KHẮC PHỤC 34 4.1. Thiết lập mô phỏng sự cố và mô tả sự cố 34 4.2. Kết quả và phân tích kết quả 34 4.3. Khắc phục 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 PHỤ LỤC 48 iv DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1: Sự phát triển các thế hệ lò phản ứng 3 Hình 2.1: Nồng độ xenon khi thay đổi nhảy bậc công suất: (a) từ 100% xuống 50%; (b) từ 50% lên100% 17 Hình 2.2: Tổ hợp lò phản ứng 21 Hình 2.3: Tiết diện của lò BWR. Các mũi tên chỉ hướng nước chuyển động 22 Hình 2.4: Tổ hợp nhiên liệu và thanh điều khiển của lò BWR/6 24 Hình 3.1: Hệ thống tín hiệu sự cố trên mỗi màn hình hiển thị (trừ màn hình BWR Trends) 29 Hình 3.2: Giao diện hiển thị giá trị của các thông số nhà máy 29 Hình 3.3: Các trạng thái của máy bơm 30 Hình 3.4: Các trạng thái của van 30 Hình 3.5: Nút và thanh điều chỉnh độ rộng và gốc tọa độ trục thời gian 30 Hình 3.6: Màn hình độ phản ứng và điểm đặt (BWR Reactivity & Setpoints) 31 Hình 3.7: Màn hình tua-bin máy phát điện (BWR Turbine Generator) 32 Hình 3.8: Màn hình đồ thị thông số (BWR Trends) 33 Hình 4.1: Tổng lượng hơi ra khỏi lò theo thời gian 35 Hình 4.2: Lượng hơi vào tua-bin theo thời gian 35 Hình 4.3: Áp suất theo thời gian 36 Hình 4.4: Công suất máy phát điện theo thời gian 36 Hình 4.5: Lưu lượng chất làm mát trong tâm lò theo thời gian 37 Hình 4.6: Độ phản ứng của hiệu ứng nhiệt độ chất làm chậm theo thời gian 37 Hình 4.7: Cường độ neutron theo thời gian 38 Hình 4.8: Lưu lượng hơi qua van bypass theo thời gian 38 Hình 4.9: Vị trí thanh điều khiển theo thời gian 39 Hình 4.10: Mực nước trong vỏ áp lực lò phản ứng theo thời gian 40 Hình 4.11: Lưu lượng hơi qua SRV theo thời gian 40 v Hình 4.12: Lưu lượng nước cấp theo thời gian 41 Hình 4.13: Công suất nhiệt theo thời gian 41 Hình 4.14: Áp suất theo thời gian 43 Hình 4.15: Công suất máy phát điện 44 vi DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Trang Bảng 1.1: Ước tính dân số, năng lượng tiêu thụ và điện năng tiêu thụ bình quân đầu người trên thế giới 4 Bảng 1.2: Thống kê số lò phản ứng đang hoạt động trên thế giới 5 Bảng 1.3: Thống kê loại lò phản ứng đang hoạt động trên thế giới 6 Bảng 2.1: Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết đối với một số hạt nhân phân hạch 8 Bảng 2.2: Các đặc trưng của neutron trễ trong phân hạch 235 U với neutron nhiệt 10 Bảng 2.3: Các thông số đối với một số chất làm chậm 10 Bảng 2.4: Một số thông số làm chậm và khuếch tán neutron 11 vii DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt BWR Boiling Water Reactor Lò nước sôi CANDU Canada Deuterium Uranium Lò nước nặng áp lực của Canada FBR Fast Breeder Reactor Lò tái sinh nhanh GCR Gas-Cooled Reactor Lò làm chậm bằng graphite, tải nhiệt bằng khí IAEA International Atomic Energy Agency Cơ Quan Năng Lượng Nguyên Tử Quốc Tế LWGR Light Water Graphite Reactor Lò làm chậm bằng graphite, tải nhiệt bằng nước nhẹ NMĐHN Nhà máy điện hạt nhân PWR Pressurized Water Reactor Lò nước áp lực PHWR Pressurized Heavy Water Reactor Lò nước nặng áp lực SRV Safety Relief Valve Van an toàn Van bypass Bypass valve Van nối tắt đến bộ ngưng tụ VVER Water-Water Power Reactor Lò nước áp lực của Nga 1 MỞ ĐẦU Trong hơn 60 năm hình thành và phát triển, ngành điện hạt nhân đã chứng tỏ tính tin cậy, chi phí hợp lý và tính hòa bình của năng lượng hạt nhân. Trước nguy cơ cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch và ô nhiễm môi trường, năng lượng hạt nhân là một trong những giải pháp tối ưu nhất. Dù đang phải đối mặt với nhiều thách thức và sự cạnh tranh với các nguồn năng lượng khác, nhưng điện hạt nhân vẫn là một lựa chọn quan trọng của thế kỷ 21. Trong 10 năm tới, Việt Nam sẽ xây dựng 2 NMĐHN. Vấn đề hiện nay của Việt Nam là nguồn nhân lực hiện đang rất thiếu, nhất là chuyên viên vận hành NMĐHN. Vì tầm quan trọng và khả năng phát triển mạnh trong tương lai, chúng ta cần trang bị những hiểu biết về công tác vận hành và khắc phục sự cố của lò phản ứng hạt nhân nói chung cũng như lò BWR nói riêng. Đây chính là lí do tác giả chọn đề tài “Khảo sát và khắc phục sự cố sai hỏng kiểm soát áp suất ở nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR_V3”. Khóa luận được chia thành bốn chương: Chương 1 sẽ trình bày hoàn cảnh ra đời và tình hình hình của ngành điện hạt nhân hiện nay, cùng những triển vọng và khó khăn trước mắt. Chương 2 nói về những kiến thức cơ bản về vật lý lò phản ứng và cấu tạo lò BWR. Chương 3 giới thiệu sơ lược về giao diện và cách sử dụng phần mềm BWR_V3. Chương 4 sẽ tiến hành mô phỏng sự cố “Suy giảm lưu lượng hơi ra khỏi nóc lò do sự sai hỏng kiểm soát áp suất” bằng phần mềm BWR_V3, giải thích kết quả và đưa ra phương án khắc phục. Ở phần kết luận và kiến nghị, tác giả sẽ nêu lên những ưu điểm và hạn chế cùng với những kiến nghị về phần mềm BWR_V3. 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN ĐIỆN HẠT NHÂN 1.1. Lịch sử và phát triển 1.1.1. Sự ra đời của ngành điện hạt nhân và các thế hệ lò phản ứng Sự ra đời của ngành điện hạt nhân lúc ban đầu không hoàn toàn vì mục đích hòa bình của nhân loại. Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới, pin Urani- graphit CP-1 do Enrico Fermi và các cộng sự xây dựng, có mục tiêu chính là sản xuất plutonium dùng cho bom nguyên tử. Sau chiến tranh thế giới thứ hai tới năm 1955, các NMĐHN tại Mỹ, Anh, Pháp, Liên Xô đều sử dụng uranium thiên nhiên làm nhiên liệu để sản xuất plutonium là chính, phát điện chỉ là phụ [3]. Vào ngày 20-12-1951, lò phản ứng EBR-1 tại Arco, Idaho, Mỹ, lần đầu tiên trong lịch sử đã phát ra dòng điện đủ để thắp sáng 4 bóng đèn. Tiếp theo đó, vào ngày 27-6-1954, NMĐHN đầu tiên trên thế giới APS-1 tại Obninsk, Liên Xô đã đi vào hoạt động. Ngày 27-8-1956, NMĐHN Calder Hall 1, Anh được đưa vào sử dụng, là NMĐHN thương mại đầu tiên trên thế giới. Người ta phân loại lò phản ứng công suất (lò phản ứng dùng để phát điện, nói gọn lại là “lò phản ứng”) dựa vào kỹ thuật hiện đại của chúng. Lò phản ứng thế hệ I gồm các lò phản ứng mẫu thử nghiệm được xây dựng những năm 1950-1960. Các lò thế hệ II chủ yếu gồm những lò nước nhẹ (gồm PWR và BWR) và CANDU. Các lò phản ứng dùng trong NMĐHN hiện nay đa phần là thuộc thế hệ II và được xây dựng vào những năm 60-70 của thế kỷ trước. Thế hệ III gồm những lò phản ứng được xây dựng từ thập niên 1990, là phiên bản cải tiến của các lò thế hệ trước với các ưu thế như: độ an toàn được tăng cường; thiết kế được tiêu chuẩn hóa và tinh giản để giảm vốn đầu tư và dễ vận hành hơn; hiệu suất hoạt động và độ sâu cháy nhiên liệu cao hơn; thời gian hoạt động dài hơn. Thế hệ các lò phản ứng III + hiện đang được xây dựng với những cải tiến nổi bật [...]... khác để làm sạch và kiểm soát thành phần hóa học của nước trong vỏ lò áp lực cũng như bảo vệ tâm lò Các hệ thống bổ trợ này gồm hai loại: các hệ thống bổ trợ phục vụ quá trình vận hành lò bình thường; các hệ thống bổ trợ phục vụ quá trình dừng lò và xử lý sự cố [4] 26 CHƯƠNG 3 PHẦN MỀM MÔ PHỎNG BWR_ V3 Trong chương này, chúng ta sẽ giới thiệu sơ lược về phần mềm mô phỏng NMĐHN sử dụng lò BWR phiên bản... thống NMĐHN và không nhằm giải quyết những mục đích riêng biệt như thiết kế, ước định an toàn, đào tạo vận hành lò 27 3.2 Cách chạy chương trình mô phỏng Để chạy chương trình mô phỏng ta làm như sau: Mở chương trình BWR_ V3” Nhấp chuột bất kì vào màn hình BWR simulator” phỏng 100% công suất nhà máy Chọn “OK” để chạy mô Mô phỏng sẽ hiển thị màn hình “Plant Overview” với tất cả các thông số khởi tạo với... nghiệm và đào tạo là mối quan tâm hàng đầu của các nước công nghiệp phát triển và đặc biệt là các nước đang phát triển phải đi vào lĩnh vực điện hạt nhân khi không còn cách nào khác để áp ứng nhu cầu năng lượng cho phát triển 7 CHƯƠNG 2 VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG VÀ LÒ BWR 2.1 Vật lý lò phản ứng hạt nhân Vật lý lò phản ứng hạt nhân là một nhánh của vật lý hạt nhân nghiên cứu về phản ứng phân hạch hạt nhân dây... bản 3 (gọi tắt là BWR_ V3) [5] 3.1 Giới thiệu phần mềm Sự quan tâm ngày càng lớn tới năng lượng hạt nhân đòi hỏi phải phát triển hơn nữa các chương trình đào tạo và mở rộng cơ sở vật chất phục vụ nghiên cứu và giảng dạy, sao cho theo kịp các tiêu chuẩn và công nghệ hiện tại Để áp ứng nhu cầu cấp thiết đó, IAEA đã phát triển các chương trình mô phỏng lò phản ứng dùng trên máy tính cá nhân nhằm hỗ trợ... công suất Nếu bất cứ lúc nào chúng ta cần phải lưu mô phỏng ở một thời điểm nào đó, ta làm như sau: Chọn “IC” tập tin Chọn “Save IC” Nhấp vào “OK” để lưu Lưu với dạng tập tin *.ic với * là tên Nhấp vào “Return” để quay lại mô phỏng Nếu bất cứ lúc nào chúng ta cần phải trở lại mô phỏng đến một trong những điểm lưu trữ khởi đầu hay tại thời điểm nào đó mà ta đã lưu, ta làm như sau: Đóng băng mô phỏng bằng. .. ở góc dưới bên phải màn hình Chọn “IC” Nhấp Chọn “Load IC” vào“Yes” để tải Chọn tập tin cần mở Nhấp vào “Return” Nhấp vào “OK” Chọn “Run” để bắt đầu chạy mô phỏng 3.3 Hiển thị các tính năng chung trong chương trình Phần mềm mô phỏng này bao gồm 9 màn hình hiển thị mô tả hoạt động của các hệ thống chính cũng như các thông số và đồ thị kèm theo Đó là:  Tổng quan nhà máy (BWR Plant Overview)  Vòng kiểm. .. kiểm soát (BWR Control Loops)  Bản đồ tương quan giữa công suất và lưu lượng và các hệ thống điều khiển (BWR Power/Flow Map & Controls)  Độ phản ứng và điểm đặt (BWR Reactivity & Setpoints)  Các thông số dập lò khẩn cấp (BWR Scram Parameters)  Tua-bin máy phát điện (BWR Turbine Generator)  Nước cấp và thu hồi hơi (BWR Feedwater & Extraction Steam)  Nhà lò (BWR Containment)  Đồ thị thông số (BWR. .. tâm lò được dẫn từ vỏ áp lực lò phản ứng tới tua-bin làm cho máy phát điện hoạt động, và vì vậy hơi làm chạy tua-bin có nhiễm xạ nhẹ Sau đó, hơi nước được ngưng tụ và được bơm trở lại vỏ áp lực lò phản ứng để tiếp tục chu trình Hệ thống tuần hoàn nước lưu chuyển nước đi qua lò và làm mát tâm lò 2.2.2 Cấu trúc nồi hơi 2.2.2.1 Tổ hợp lò phản ứng Tổ hợp lò phản ứng (reactor assembly) gồm vỏ áp lực lò phản... hỗ trợ các nước thành viên đang phát triển điện hạt nhân trong việc giảng dạy và đào tạo Mục tiêu của dự án này là cung cấp những hiểu biết cơ bản về thiết kế cũng như đặc điểm hoạt động và những thay đổi khi xảy ra sự cố đối với các loại lò phản ứng khác nhau Trong khóa luận này, phần mềm tác giả sử dụng là BWR_ V3, được IAEA tài trợ cho bộ môn Vật Lý Hạt Nhân, khoa Vật Lý – Vật Lý Kỹ Thuật, trường... đốt và của cả năng lượng tái tạo; các vấn đề kinh tế, sự thiếu hụt các ngành công nghiệp phụ trợ và nhân lực cũng là những trở ngại không nhỏ Cho đến khi có được những lò thế hệ IV (đã được đề cập ở trên) có độ an toàn cao và những cải tiến khắc phục được những vấn đề nêu trên, thế giới vẫn chưa chấp nhận cho năng lượng hạt nhân trở lại vị trí hàng đầu của nó Vấn đề an toàn và các sự cố gây ra bởi con . chính là lí do tác giả chọn đề tài Khảo sát và khắc phục sự cố sai hỏng kiểm soát áp suất ở nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò BWR bằng phần mềm mô phỏng BWR_ V3 . Khóa luận được chia thành bốn. BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN  KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Đề tài: KHẢO SÁT VÀ KHẮC PHỤC SỰ CỐ SAI HỎNG KIỂM SOÁT ÁP SUẤT Ở NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN SỬ DỤNG LÒ BWR BẰNG PHẦN MỀM. diện và cách sử dụng phần mềm BWR_ V3. Chương 4 sẽ tiến hành mô phỏng sự cố “Suy giảm lưu lượng hơi ra khỏi nóc lò do sự sai hỏng kiểm soát áp suất bằng phần mềm BWR_ V3, giải thích kết quả và