KHẢO sát DAO ĐỘNG OFFSET dọc TRỤC CHO lò PHẢN ỨNG WWER 1000 sử DỤNG PHẦN mềm WWER 1000

Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM II-P-1.3 KHẢO SÁT DAO ĐỘNG OFFSET DỌC TRỤC CHO LÒ PHẢN ỨNG WWER-1000 SỬ DỤNG PHẦN MỀM WWER-1000 Nguyễn Thị Thanh Tuyền, Lưu Diễm Miên, Võ Hồng Hải, Phan Lê Hoàng Sang Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý – Vật lý Kỹ thuật Trường Đại học Khoa Học Tự nhiên, ĐHQG Tp.HCM Email: nguyenthanhtuyen.phys@gmail.com TÓM TẮT Trong hoạt động lò phản ứng neutron nhiệt, thường có xuất dao động xenon không gian Bản chất dao động phần lớn công suất tập trung vị trí nhỏ thể tích lõi lò, làm phá vỡ tính cân phân bố công suất vùng không gian lõi lò Đại lượng đặc trưng cho phân bố công suất theo chiều cao lõi lò offset dọc trục Trong đề tài này, nguyên nhân hình thành dao động offset dọc trục đặc trưng chúng xem xét Chúng tiến hành khảo sát dao động offset dọc trục đầu (BOC) cuối (EOC) chu trình nhiên liệu độ làm giàu loading loading lò phản ứng WWER-1000, sử dụng phần mềm WWER-1000 cung cấp IAEA Kết đạt là: (1) hình thành dao động offset dọc trục giải thích chênh lệch tuần hoàn nồng độ tĩnh i-ốt, xenon thông lượng neutron nửa lõi lò diễn sớm so với nửa lõi lò, đưa nhóm điều khiển số vào đáy lõi lò; (2) khác chất đặc trưng dao động offset dọc trục nêu rõ mặt định tính, cụ thể độ làm giàu nhiên liệu, đầu chu trình, offset dọc trục dao động lớn tắt dần chậm so với cuối chu trình Đối với hai độ làm giàu nhiên liệu khác nhau, độ làm giàu cao, offset dọc trục dao động nhỏ tắt dần nhanh so với độ làm giàu thấp Từ khoá: Dao động offset, phân bố công suất, nhiễm độc xenon, lò phản ứng WWER-1000 MỞ ĐẦU Dao động xenon không gian phân bố lại công suất vùng không gian lõi lò, nguyên nhân chênh lệch tuần hoàn phân bố tĩnh i-ốt, xenon mật độ thông lượng neutron Dao động xenon không gian gồm dạng: dao động dọc trục (axial), dao động toả tròn (radial), dao dộng xuyên tâm (diametral) dao động phương vị (azimuthal) Đối với lò phản ứng WWER-1000, trình dịch chuyển điều khiển lên xuống dọc theo chiều cao lõi lò tạo chênh lệch công suất nửa nửa lõi lò Đại lượng đặc trưng cho chênh lệch offset dọc trục PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Lý thuyết tổng quan Các sản phẩm phân hạch Xe135, Sm149 có tiết diện hấp thụ neutron lớn, gây mát độ phản ứng không mong muốn, gây tượng nhiễm độc lò phản ứng Hiện tượng nhiễm độc lò phản ứng thể hiển rõ loại lò phản ứng neutron nhiệt, loại lò phản ứng neutron trung gian xảy yếu không xảy lò phản ứng neutron nhanh Vì có Xe135 gây dao động công suất không gian lõi lò nên xét nhiễm độc xenon Quá trình sinh huỷ xenon biểu diễn hình 2.1 Xe136 p = 0,003 235 U (n,f 135 Ba ) p = 0,056 135- Te β phút n β - I135 6,57 h β - Xe 135 9,14 h β- Cs135 2,6x106 năm Hình 2.1 Sơ đồ động học đồng vị Xe135 Nồng độ i-ốt xác định sau: dNI = pI Σf Φ - λI NI dt ISBN: 978-604-82-1375-6 (1.1) 136 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Nồng độ xenon xác định sau: dNXe = pI Σf Φ + λI NI - σXe NXe Φ - λXe NXe dt (1.2) Trong đó:      NI , NXe : nồng độ i-ốt xenon pI , pXe: hiệu suất phát i-ốt xenon từ phản ứng phân hạch λI , λXe (1/giờ): số phân rã i-ốt xenon Σf (1/cm): tiết diện phân hạch vĩ mô σXe (cm2 ): tiết diện hấp thụ vi mô xenon  Φ (1/(s.cm2 )): thông lượng neutron nhiệt công suất định mức Khi thông lượng neutron lớn, nồng độ xenon tĩnh phụ thuộc vào độ làm giàu nhiên liệu sau: NXe0 ≈ (pI + pXe )Σf (1.3) σXe Với Σa (1/cm) tiết diện hấp thụ vĩ mô nhiên liệu, độ nhiễm độc xenon tĩnh cực đại là: qmax = Xe0 (pI + pXe )Σf (1.4) Σa Tương ứng, độ mát độ phản ứng nhiễm độc xenon tuân theo phương trình 1.5, với θ = ΣU ΣU +Σvật liệu hệ số sử dụng neutron nhiệt ρXe = -qXe θ = - Σf θ(pI + pXe ) Σa (1.5) Vì θ ≤ nên đại lượng độ mát độ phản ứng gần với đại lượng độ nhiễm độc xenon trái dấu Ta thấy hấp thụ neutron Xe135 gây độ phản ứng âm lợi cho hoạt động lò Việc kiểm soát độ phản ứng âm thực điều khiển điều tiết lượng boron bên lõi lò Tuy nhiên, việc dịch chuyển điều khiển gây dao động xenon không gian Phương trình dao động xenon có dạng: y(t)=A0 exp(-αt) sin ( 2πt ) [10] T (1.6) Với: 𝐴0 , 𝑡, 𝛼, 𝑇 biên độ, thời gian, hệ số tắt chu kỳ dao động xenon Phần mềm mô WWER-1000 Trong đề tài này, trình khảo sát thực phần mềm mô WWER-1000 Đây phần mềm hỗ trợ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế IAEA để phục vụ cho việc giảng dạy đào tạo lĩnh vực nhà máy điện hạt nhân Phần mềm giúp người dùng làm quen với cấu tạo, nguyên lý hoạt động lò phản ứng hạt nhân WWER-1000 Từ đó, có nghiên cứu sâu rộng diễn biến xảy lõi lò Hình 2.2 hình 2.3 biểu diễn trang giao diện mô phần mềm WWER-1000 ISBN: 978-604-82-1375-6 137 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Hình 2.2 Trang giao diện mô Hình 2.3 Trang báo tín hiệu cố mô Diễn biến mô Lúc đầu lò hoạt động bình thường với công suất gần 100% Sau đó, nhóm điều khiển số kích hoạt đưa nhanh vào đáy lõi lò (giây thứ 13) Đồng thời, lõi lò bị cô lập hoàn toàn với chế độ kiểm soát lõi lò Điều kích phát dao động xenon xảy dao động diễn hoàn toàn theo đặc trưng vốn có chúng Các dao động ghi nhận lại đầu chu trình (BOC) cuối chu trình (EOC) nhiên liệu độ làm giàu nhiên liệu loading loading thời gian 400 Hình hình biểu diễn mật độ phân bố độ làm giàu nhiên liệu hai độ làm giàu loading loading Hình 2.4 Phân bố mật độ làm giàu nhiên liệu độ làm giàu loading Hình 2.5 Phân bố mật độ làm giàu nhiên liệu độ làm giàu loading KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Các thông số quan tâm bao gồm: 1) thông lượng neutron (N-Power), 2) Offset 3) độ phản ứng (Reactivity) Kết thể hình 3.1 (Load1, BOC), hình 3.2 (Load1, EOC), hình 3.3 (Load5, BOC) hình 3.4 (Load5, EOC) Bảng 3.1 kết fit hệ số tắt chu kỳ dao động Offset dọc trục thông lượng neutron theo phương trình dao động xenon (1.6) ISBN: 978-604-82-1375-6 138 Thông lượng neutron (%) Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 300 250 200 150 100 50 -50 100 200 300 400 500 400 500 400 500 Thời gian (h) 40 Offset (%) 20 -20 100 200 300 -40 -60 -80 -100 Độ phản ứng (%∆K/K) Thời gian (h) 0.5 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 -3 -3.5 100 200 300 Thời gian (h) Hình 3.1 Đồ thị biểu diễn biến đổi thông số đầu chu trình nhiên liệu với độ làm giàu loading Khi nhóm điều khiển số đưa dọc vào lõi lò, thông lượng neutron giảm từ xuống dưới, đầu nồng độ xenon tăng lên cực đại tốc độ sinh xenon lớn tốc độ huỷ xenon (𝑇𝑖−ố𝑡 < 𝑇𝑥𝑒𝑛𝑜𝑛 ) Sau đó, nồng độ xenon giảm  thông lượng neutron tăng lên  nồng độ xenon tiếp tục tích luỹ tăng đến cực đại hấp thụ neutron  thông lượng neutron giảm Quá trình lặp lại nhiều lần tạo sóng dao động xenon Đồng thời, thời điểm bất kỳ, thông lượng neutron nửa lõi lò giảm sớm tăng sớm nửa lõi lò  Offset dao động Theo đó, độ phản ứng dao động tương ứng Giải thích tương tự cho hình 3.2 – 3.4 ISBN: 978-604-82-1375-6 139 Thông lượng neutron (%) Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 160 140 120 100 80 60 40 20 0 100 200 300 400 500 400 500 400 500 Thời gian (h) 40 Offset (%) 20 -20 100 200 300 -40 -60 -80 Thời gian (h) Độ phản ứng (%∆K/K) 0.2 -0.2 100 200 300 -0.4 -0.6 -0.8 -1 -1.2 Thời gian (h) Hình 3.2 Đồ thị biểu diễn biến đổi thông số cuối chu trình nhiên liệu với độ làm giàu loading Tuy nhiên, dao động dao động đầu chu trình cuối chu trình xảy khác Ở độ làm giàu loading 1, đầu chu trình, hình 3.1, có độ làm giàu nhiên liệu cao cuối chu trình, hình 3.2  Offset đầu chu trình dao động lớn cuối chu trình Kết tương tự độ làm giàu loading 5, hình 3.3 – 3.4 ISBN: 978-604-82-1375-6 140 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM Thông lượng neutron (%) 160 140 120 100 80 60 40 20 0 100 200 300 400 500 400 500 400 500 Offset (%) Thời gian (h) 20 10 -10 -20 -30 -40 -50 -60 100 200 300 Độ phản ứng (%∆K/K) Thời gian (h) 0.1 0.05 -0.05 100 200 300 -0.1 -0.15 -0.2 -0.25 Thời gian (h) Hình 3.3 Đồ thị biểu diễn biến đổi thông số đầu chu trình nhiên liệu với độ làm giàu loading ISBN: 978-604-82-1375-6 141 Thông lượng neutron (%) Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM 120 100 80 60 40 20 0 100 200 300 Thời gian (h) 400 500 100 200 400 500 400 500 20 Offset (%) 10 -10 300 -20 -30 Thời gian (h) Độ phản ứng (%∆K/K) 0.05 -0.05 100 200 300 -0.1 -0.15 -0.2 Thời gian (h) Hình 3.4 Đồ thị biểu diễn biến đổi thông số cuối chu trình nhiên liệu với độ làm giàu loading Xét hai độ làm giàu khác nhau, độ làm giàu loading có mật độ làm giàu nhiên liệu đồng nhiều so với độ làm giàu loading 1, hình 2.4 hình 2.5 Do đó, phân hạch Urani diễn mức làm giàu loading đồng so với mức làm giàu loading  chênh lệch mật độ thông lượng neutron mức làm giàu loading thấp mức làm giàu loading  Offset loading 5, hình 3.4 – 3.4, dao động nhỏ tắt dần sớm so với loading 1, hình 3.1 3.2 Các hệ số tắt chu kỳ dao động thông lượng neutron offset dọc trục biểu diễn bảng 3.1 Bảng 3.1 Kết fit hệ số tắt chu kỳ dao động thông số Offset dọc trục thông lượng neutron Thông lượng neutron -1 Offset -1 BOC αΦ (h ) 0,0018 TΦ (h) 43,2 αAop (h ) 2,45E-8 TAop (h) 43,4 EOC 0,0115 26,9 0,0109 27,0 BOC 0,0377 31,2 0,0124 33,0 EOC 0,0544 34,5 0,0438 35,8 ISBN: 978-604-82-1375-6 142 Báo cáo toàn văn Kỷ yếu hội nghị khoa học lần IX Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQG-HCM KẾT LUẬN Với kết hợp lý thuyết sử dụng phần mềm mô WWER-1000, tìm nguyên nhân, giải thích chế hình thành nêu chất dao động offset dọc trục Qua đó, ta thấy rằng, dao động Offset dọc trục xảy lớn điều không mong muốn, cần tìm giải pháp để triệt tiêu làm giảm giao động chúng Lời cám ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên ĐHQG-HCM, đặc biệt Bộ môn Vật lý – kỹ thuật hạt nhân tạo điều kiện để thực công trình nghiên cứu STUDY ON AXIAL OFFSET OSCILLATION FOR WWER-1000 REACTOR BY USING WWER-1000 SIMULATOR Nguyen Thi Thanh Tuyen, Luu Diem Mien, Vo Hong Hai, Phan Le Hoang Sang Nuclear Engineering Physics Department, Faculty of Physics and Engineering Physics VNU HCM – University of Science Email: nguyenthanhtuyen.phys@gmail.com ABSTRACT In the operation of thermal neutron reactors, it is known that the spatial xenon oscillations arise frequently The nature of these oscillations is the most of power concentrate just at a small region in the reactor core volume The characteristic parameter for the axial power distribution is axial offset In this subject, the cause of axial offset oscillation and its characteristics are studied We investigate axial offset oscillation in begin of fuel cycle (BOC) and end of fuel cycle (EOC) of loading enrichment and loading enrichment for WWER-1000 reactor, using WWER-1000 reactor simulation program that was originally developed by IAEA The results are: (1) the formation of axial offset oscillation is due to periodic deviation from an equilibrium distribution of iodine, xenon and neutron flux density between the upper half and the lower half of the reactor core, when the control group number is inserted into the bottom of reactor core; (2) regarding the same fuel enrichment, in BOC, offset oscillates with larger amplitude and slower damping than in EOC On the other hand, in higher fuel enrichment, offset oscillates with smaller amplitude and quicker damping than in lower fuel enrichment Keywords: offset oscillation, power distribution, xenon poison, WWER-1000 reactor TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Ngô Quang Huy (2006), Cơ sở vật lý hạt nhân, Nhà xuất Khoa Học Kỹ Thuật, TP Hồ Chí Minh [2] Ngô Quang Huy (2004), Vật lý lò phản ứng hạt nhân, Nhà xuất Đại Học Quốc Gia Hà Nội [3] Nguyễn Tấn Đạt (2013), Tìm hiểu lò phản ứng WWER-1000 khảo sát thông số offset đầu chu trình (BOC) cuối chu trình (EOC) lò phản ứng WWER phần mềm WWER-1000, Khoá luận tốt nghiệp đại học, Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên, TP Hồ Chí Minh [4] Nguyễn Võ Thông, Hoàng Mạnh (2011), Các công nghệ lò phản ứng yêu cầu an toàn nhà máy điện nguyên tử, Viện KHCN Xây dựng [5] Viện lượng nguyên tử Việt Nam – Trung tâm đào tạo hạt nhân (2012), Nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng WWER-1000, Hà Nội [6] Gustaf Olsson (1969), Spatial xenon instability in thermal reactors, Lund Institute of Technology Division of Automatic Control, report 6910 [7] International Atomic Energy Agency IAEA (2011), WWER-1000 Reactor Simulator, Vienna [8] Paul L.Roggenkamp (2000), The influence of Xenon-135 on Reactor Operation, WSRC-MS-200000061 [9] P.E.Filimonov and S.P.Aver’yanova (2001), “Maitaining an equilibrium offset as an effective method for suppressing xenon oscillations in VVER-1000”, Atomic Energy, Vol 90, (No 3), – [10] V.A.Tereshonok, V.S.Stepanov, A.P.Povaro, O.V.Lebedev, and V.V.Makeev (2002), “Xenon oscillations in a VV É R-1000 core”, Atomic Enerdy, Vol.93, (No 4), – ISBN: 978-604-82-1375-6 143