TÍNH TOÁN TỚI HẠN CHO BÓ NHIÊN LIỆU LÒ WWER1000 BẰNG MCNP

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA: KỸ THUẬT HẠT NHÂN NGUYỄN NGỌC NHẬT ANH – 1210232 TÍNH TOÁN TỚI HẠN CHO BÓ NHIÊN LIỆU LÒ WWER-1000 BẰNG MCNP KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN NGUYỄN DANH HƯNG KHÓA 2012 – 2017 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………… LỜI CÁM ƠN Trong trình thực hoàn thành khóa luận này, nhận quan tâm giúp đỡ lớn từ thầy cô, gia đình bạn bè Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy Nguyễn Danh Hưng, người hướng dẫn tận tình giúp hoàn thành khóa luận Xin cám ơn gia đình bạn bè bên cạnh động viên giúp đỡ lúc khó khăn DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT NMĐHN: Nhà máy điện hạt nhân TNLHN: Thanh nhiên liệu hạt nhân BNL: Bó nhiên liệu MCNP: Chương trình mô Monte Carlo (Monte Carlo N – Particle) WWER: Lò phản ứng hạt nhân dùng nước vừa chất làm chậm vừa chất làm mát (Water-Cooled Water-Moderated Energy Reactor) VVER: Là cách viết khác WWER MỤC LỤC Chương 1: NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN DÙNG CHO LÒ PHẢN ỨNG VVER1000……………………………………………………………………………… 10 1.1: Giới thiệu công nghệ lò phản ứng hạt nhân WWER – 1000…………… 10 1.2: Những khái niệm chung nhiên liệu hạt nhân………………………… 12 1.3: Thanh nhiên liệu hạt nhân………………………………………………… 13 1.4: Bó nhiên liệu hạt nhân……………………………………………………….15 Chương 2: TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP MONTE CARLO TRONG TÍNH TOÁN TỚI HẠN VÀ CHƯƠNG TRÌNH MCNP……………………….21 2.1: Phương pháp Monte Carlo tính toán tới hạn……………………….21 2.1.1: Giới thiệu phương pháp Monte Carlo………………………… …21 2.1.2: Tiếp cận phương pháp Monte Carlo…………………… …………21 2.1.3: Tính toán tới hạn……………………………………………………22 2.2: Giới thiệu chương trình MCNP………………………………………….23 2.3: Chương trình MCNP5:…………………………………………………… 24 2.3.1: Giới thiệu……………………………………………………………24 2.3.2: Cấu trúc tập input MCNP5……………………………… 24 2.3.3: Hình học MCNP5…………………………………………….25 2.3.4: Cell card…………………………………………………………… 25 2.3.5: Surface card…………………………………………………………26 2.3.6: Data card…………………………………………………………….27 2.3.7: Output file…………………………………………….…………… 28 Chương 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN TỚI HẠN CHO BÓ NHIÊN LIỆU CỦA LÒ WWER–1000 BẰNG MCNP5………………… 29 3.1: Xây dựng tập input mô tính toán tới hạn cho bó nhiên liệu không định dạng theo độ làm giàu……………………………………………… …… 29 3.1.1: Đặt vấn đề…………………………………………………… …….29 3.1.2: Thẻ vật liệu (material cards)………………………………… ……30 3.1.3: Hình học nhiên liệu……………………………… ……31 3.1.4: Hình học ống trung tâm kênh dẫn hướng………………… … 37 3.1.5: Hình học phần BNL………………………………… … 38 3.1.6: Hình học phần đầu bó nhiên liệu……………………………….….42 3.1.7: Hình học phần đuôi BNL…………………………………… 48 3.1.8: Tính toán tới hạn MCNP5………………………………… 49 3.1.9: Hình học hấp thụ……………………………………… 50 3.2: Xây dựng tập input mô tính toán tới hạn cho bó nhiên liệu định dạng theo độ làm giàu……………………….……………………………………53 3.2.1:Đặt vấn đề…………………………………………………………….53 3.2.2: Xây dựng tập input…………………………….……………………53 3.3: Xây dựng tập input tính toán tới hạn cho ba BNL đặt sát nhau…………56 3.3.1: Đặt vấn đề………………………………….……………………… 56 3.3.2: Xây dựng tập input………………………………………………….56 Chương 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………….………59 4.1: Kết tính toán tới hạn trường hợp bó nhiên liệu…….…….59 4.1.1: BNL không định dạng theo độ làm giàu………………….……… 59 4.1.2: BNL định dạng theo độ làm giàu………………………….……… 62 4.2: Kết tính toán tới hạn cho ba BNL đặt sát nước sạch……64 4.2.1: Ba BNL không định dạng theo độ giàu…………………………….64 4.2.2: Ba BNL định dạng theo độ giàu……………………………………68 4.3: Ba BNL đặt cách xa môi trường nước sạch…………….70 4.4: Sự hội tụ keff phân bố nguồn neutron BNL…………… 76 4.4.1: Sự hội tụ keff…………………………………………………….76 4.4.2: Sự phân bố nguồn neutron BNL…………………………….77 Chương 5: KẾT LUẬN………………………………………………………… 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………………….82 PHỤ LỤC A……………………………………………………………………….83 PHỤ LỤC B……………………………………………………………………….88 PHỤ LỤC C……………………………………………………………………….89 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Ngày nay, sách lượng quốc gia trở thành vấn đề cấp thiết hết, ảnh hưởng liên quan tới nhiều khía cạnh mang tính chất toàn cầu chống biến đổi khí hậu, xung đột vũ trang, an ninh hay trị… Trong nguồn lượng chưa thể tính khả thi hiệu lượng hạt nhân trở thành lựa chọn hàng đầu nhiều quốc gia giới Từ năm 80 kỷ XX nay, thiết kế nhiên liệu sử dụng lò phản ứng hạt nhân không ngừng cải tiến nhằm tối ưu hóa đặc trưng vận hành vùng hoạt lò phản ứng Trong suốt trình cải tiến nhiên liệu, thay đổi chủ yếu tập trung vào hình dạng nhiên liệu đặc điểm viên gốm nhiên liệu lớp vỏ bọc tăng độ làm giàu nhiên liệu (lên tới 5%), sử dụng viên gốm nhiên liệu UO2-Gd2O3, sử dụng vỏ bọc làm hợp kim Zr-1%Nb,… Các thay đổi vật liệu, cấu trúc kích thước nhằm đáp ứng điều kiện vận hành khác lò phản ứng mức công suất cao (1000 - 1600 MWe), tăng giới hạn công suất 110% công suất danh định, tăng độ cháy nhiên liệu (60 - 70 MWd/kgU) kéo dài chu kỳ nhiên liệu (chu kỳ nhiên liệu từ 12 đến 18 tháng) Tuy nhiên, thí nghiệm trực tiếp lò phản ứng hạt nhân tốn tính an toàn không cao nên dẫn đến hậu nghiêm trọng người môi trường tự nhiên thảm họa Chernobyl xảy vào năm 1986 Do đó, việc sử dụng chương trình máy tính để mô tính toán cần thiết cho nghiên cứu trình vật lý xảy bên lò phản ứng hạt nhân, từ đưa dự đoán sát với thực tế việc thiết kế đánh giá an toàn cho nhiên liệu (TNLHN) Điều cho phép vận hành nhà máy điện hạt nhân cách hiệu an toàn nhất; cải thiện biên dự trữ vận hành an toàn, tăng hiệu kinh tế quản lý nhiên liệu cách linh hoạt Trong khuôn khổ khóa luận trình bày hiểu biết cần thiết đặc trưng thiết kế bó nhiên liệu (BNL) phương pháp tính toán tới hạn cho BNL phần mềm MCNP5 nhằm phục vụ cho việc vận hành, phân tích, đánh giá an toàn nhà máy điện hạt nhân mà cụ thể đặc trưng nhiên liệu sử dụng Mục đích nghiên cứu - Tìm hiểu đặc điểm công nghệ thiết kế BNL dùng lò phản ứng - hạt nhân VVER-1000 Mô gần tính toán tới hạn cho bó nhiên liệu hạt nhân lò phản ứng VVER-1000 chương trình MCNP5 Đối tượng nghiên cứu Các giá trị tới hạn (keff) BNL với độ giàu khác mô tính toán chương trình MCNP5 Giới hạn phạm vi nghiên cứu Khóa luận nghiên cứu tập trung phạm vi lò phản ứng nước áp lực (VVER-1000), vấn đề liên quan chủ yếu đến đặc trưng thiết kế nhiên liệu bó nhiên liệu Các tính toán cụ thể áp dụng bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000 chương trình mô Monte-Carlo MCNP5 Phương pháp nghiên cứu • Phương pháp nghiên cứu tài liệu: thu thập tài liệu làm sở lý luận cho nội dung nghiên cứu Tài liệu thu thập gồm có: - Các tài liệu phát triển lĩnh vực điện hạt nhân giới, cải tiến hệ lò phản ứng hạt nhân; - Các tài liệu công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER Liên Bang Nga bao gồm VVER-1000, có đặc trưng thiết kế nhiên liệu - Các công trình nghiên cứu đặc trưng nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân; - Các tài liệu sở cách sử dụng chương trình MCNP5 • Phương pháp trực quan: Sử dụng chương trình MCNP5 mô tính toán giá trị tới hạn nhiên liệu hạt nhân dùng lò phản ứng VVER-1000 Phân tích, đánh giá kết thu Chương 1: NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN DÙNG CHO LÒ PHẢN ỨNG WWER-1000 1.1: Giới thiệu công nghệ lò phản ứng hạt nhân WWER - 1000: Sau 60 năm nghiên cứu, khai thác sử dụng kể từ NMĐHN thương mại đưa vào vận hành giới (Obninsk - Liên Xô cũ (1954)), công nghệ lò phản ứng phát triển đa dạng phong phú với nhiều loại lò lò phản ứng nước áp lực (PWR/VVER), lò phản ứng nước sôi (BWR), lò phản ứng nước nặng (PHWR),… Trong đó, loại lò PWR lựa chọn khai thác sử dụng phổ biến VVER hay WWER (Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor, Water-Cooled Water-Moderated Energy Reactor) loại lò phản ứng nước áp lực nhà thiết kế Liên Bang Nga nghiên cứu chế tạo từ năm 60 kỷ trước Trong phiên hệ lò WWER thiết kế có mức công suất điện từ 300 MWe đến 1700 MWe, sử dụng nước nhẹ chất làm chậm đồng thời chất tải nhiệt, tương tự loại lò phản ứng nước áp lực PWR Tuy nhiên, WWER phiên lò PWR mang đặc trưng riêng khác biệt thiết kế vật liệu sử dụng Hình 1: Mô hình nhà máy điện hạt nhân dùng lò phản ứng nước áp lực (PWR/WWER) [8] 10 a b c Hình 44: Phân bố nguồn neutron theo mặt cắt đứng BNL không định dạng theo độ giàu có độ giàu 3% hấp thụ (a) phần đầu cụm TNLHN, (b) phần thân cụm TNLHN, (c) phần đuôi cụm TNLHN Hình 45: Phân bố neutron theo mặt cắt đứng ba BNL không định dạng theo độ giàu có độ giàu 3% hấp thụ 78 Trường hợp ba BNL không định dạng theo độ giàu có độ giàu 3% hấp thụ tương tự trường hợp BNL hai phía đầu, đuôi mặt bên BNL chấm đen tượng trưng cho neutron thưa dần, khu vực xung quanh cạnh giao BNL mật độ neutron dày đặc (hình 45) a b c Hình 46: Phân bố nguồn neutron theo mặ căt đứng BNL không định dạng theo độ giàu có độ giàu 3% có hấp thụ (a) phần đầu cụm TNLHN, (b) phần thân cụm TNLHN, (c) phần đuôi cụm TNLHN Trường hợp BNL có chứa hấp thụ hệ thống điều khiển bảo vệ phân bố nguồn neutron tương tự Tuy nhiên, khu vực bên hấp thụ số lượng chấm đen tượng trưng cho neutron lại thưa so với trường hợp hấp thụ (hình 46) Tương tự trường hợp BNL định dạng theo độ giàu ba BNL có chứa hấp thụ 79 Hình 47: Phân bố nguồn neutron theo mặt căt đứng ba BNL không định dạng theo độ giàu có độ giàu 3% cách 0,4m Với trường hợp ba BNL không định dạng theo độ giàu có độ giàu 3% cách 0,4m (hình 47) tương tự trường BNL hấp thụ Càng phía đầu đuôi mặt bên BNL mật độ neutron giảm dần, khu vực bên BNL vùng nước nằm BNL mật độ neutron dày đặc Tất hình ảnh phân bố nguồn neutron vẽ theo mặt cắt đứng Đối với hình ảnh mặt cắt ngang BNL khó nhìn thấy phân bố neutron số lượng hình ảnh nhiên liệu bên BNL lớn nên che hết chấm đen thể cho phân bố neutron Tuy nhiên, ta nhận hình ảnh mô tả phân bố neutron nhiên liệu (hình 48) Hình 48: Phân bố neutron TNLHN 80 Chương 5: KẾT LUẬN Ta đưa số kết luận sau phân tích giá trị tới hạn nhận từ việc mô tính toán tới hạn chương trình MCNP5 sau:  Giá trị tới hạn BNL ba BNL (có thể đặt sát cách xa nhau) tăng ta tăng độ làm giàu nhiên liệu BNL lên  Khi BNL có chứa hấp thụ hệ thống điều khiển bảo vệ giá trị tới hạn chúng luôn tới hạn  Các ba BNL định dạng theo độ làm giàu có giá trị tới hạn tốt (keff gần hơn) so với ba BNL không định dạng theo độ làm giàu có độ giàu từ 3,6% đến 5%  Khi khoảng cách ba BNL tăng giá trị tới hạn giảm Ngoài ra, khoảng cách 0,4m trở lên dù có tăng số lượng BNL lên không đạt khối lượng tới hạn, điều có ý nghĩa quan trọng việc xếp, lưu trữ BNL qua sử dụng  Trong đồ thị biểu diễn hội tụ keff trung bình có dao động lớn chu kỳ đầu ngày ổn định hội tụ dần chu kỳ sau  Số lượng neutron phần BNL có mật độ lớn, hai phía đầu, đuôi mặt bên BNL mật độ neutron nhỏ dần Trên sở tính toán thực được, mở rộng tính toán cho toán tính toán lò phản ứng 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO Nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng WWER – 1000 Viện lượng nguyên tử Việt Nam Chương 2012 TS Phạm Đình Khang Giáo trình vật lý lò phản ứng 110 – 115 2015 Đặng Nguyên Phương Hướng dẫn sử dụng MCNP cho hệ điều hành Windows Trường đại học khoa học Tự nhiên TPHCM.2015 Trần Bình Trang Nghiên cứu sử dụng hiệu chương trình MCNP5 toán mô phổ gamma Luận văn thạc sĩ vật lý 21 – 24 2011 TS Mai Xuân Trung Giáo trình xử lý số liệu thực nghiệm Trường đại học Đà Lạt 2013 Tim Goorley Criticalily Caculations with MCNP5: A Primer 2nd Edition, Los Alamos National Laboratory 2009 X-5 Monte Carlo team MCNP5 Manual Vol I, Los Alamos National Laboratory 2003 Nikolay Tikhonov WWER – 1000 Reactor Simulator Moscow Engineering and Physics Institute 2011 Sun Kaichao MCNP modeling of hexagon VVER fuel Universitetsservice US-AB, Stockholm 2008 10 Novikov V.V PROPERTY INVESTIGATIONS OF (U,Gd)O2 FUEL WITH HIGHER CONTENT OF GADOLINIUM OXIDE Moscow 1999 11 http://superalloys.net 82 PHỤ LỤC A TẬP INPUT MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN TỚI HẠN CHO MỘT BNL KHÔNG ĐỊNH DẠNG THEO ĐỘ GIÀU CÓ ĐỘ GIÀU 3% 83 84 85 86 87 PHỤ LỤC B MẶT CẮT ĐỨNG CỦA BNL KHÔNG ĐỊNH DẠNG THEO ĐỘ GIÀU VÀ ĐỊNH DẠNG THEO ĐỘ GIÀU CÓ VÀ KHÔNG CÓ THANH HẤP THỤ 88 PHỤ LỤC C SỰ HỘI TỤ CỦA keff TRONG MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP Sự hội tụ keff( col/abs/trk len) trung bình 400 chu kỳ BNL định dạng theo độ giàu 3,6 – 3% hấp thụ Sự hội tụ keff( col/abs/trk len) trung bình 400 chu kỳ BNL định dạng theo độ giàu 3,6 – 3% có hấp thụ 89 Sự hội tụ keff( col/abs/trk len) trung bình 300 chu kỳ ba BNL không định dạng theo độ giàu có độ giàu 3% hấp thụ đặt sát Sự hội tụ keff( col/abs/trk len) trung bình 300 chu kỳ ba BNL định dạng theo độ giàu 3,6 – 3% hấp thụ đặt sát 90 Sự hội tụ keff( col/abs/trk len) trung bình 300 chu kỳ ba BNL không định dạng theo độ giàu có độ giàu 3% có hấp thụ đặt sát Sự hội tụ keff( col/abs/trk len) trung bình 300 chu kỳ ba BNL định dạng theo độ giàu 3,6 – 3% có hấp thụ đặt sát 91 Sự hội tụ keff( col/abs/trk len) trung bình 300 chu kỳ ba BNL không định dạng theo độ giàu có độ giàu 3% đặt cách 0,4m Sự hội tụ keff( col/abs/trk len) trung bình 300 chu kỳ ba BNL định dạng theo độ giàu 3,6 – 3% đặt cách 0,4m 92 ... lại (hay chạy tiếp) MCNP 28 Chương 3: MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN TỚI HẠN CHO BÓ NHIÊN LIỆU CỦA LÒ WWER–1000 BẰNG MCNP5 3.1: Xây dựng tập input mô tính toán tới hạn cho bó nhiên liệu không định dạng... Chương 3: PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ TÍNH TOÁN TỚI HẠN CHO BÓ NHIÊN LIỆU CỦA LÒ WWER–1000 BẰNG MCNP5 ………………… 29 3.1: Xây dựng tập input mô tính toán tới hạn cho bó nhiên liệu không định dạng theo độ làm... 1.4: Bó nhiên liệu hạt nhân: Về nguyên tắc bố trí trực tiếp nhiên liệu lò phản ứng Tuy nhiên, lò công suất với lượng nhiên liệu tới hàng chục tấn, hàng chục nghìn việc phải thay đảo nhiên liệu lò