CƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆTCƠ SƠ THỦY NHIỆT
12/11/2015 CƠ SỞ THUỶ NHIỆT CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN CHƯƠNG TRÌNH CHO SINH VIÊN NGÀNH CƠNG NGHỆ HẠT NHÂN KHOA VẬT LÝ – ĐẠI HỌC KHTN LÊ ĐẠI DIỄN TRUNG TÂM ĐÀO TẠO HẠT NHÂN VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ ViỆT NAM NỘI DUNG CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN NGUỒN NHIỆT TRONG LÒ PHẢN ỨNG PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG THANH NHIÊN LIỆU DÒNG CHẢY VÀ CÁC PHƯƠNG TRÌNH BẢO TỒN THIẾT KẾ THỦY NHIỆT VÙNG HOẠT LÒ PHẢN ỨNG MỘT SỐ THÔNG SỐ VẬT LÝ-THỦY NHIỆT 12/11/2015 CHƯƠNG I CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN MỞ ĐẦU - Truyền nhiệt dòng chảy lò phản ứng ? - Thiết kế hệ thống công nghệ hạt nhân (thủy nhiệt) : Nuclear reactor thermal-hydraulics - Mục tiêu nghiên cứu, tính tốn, thực nghiệm thủy nhiệt lò phản ứng: + Xác định phân bố nhiệt độ lò phản ứng + Đánh giá lực gây dòng chất tải nhiệt tác động lên kết cấu bên lò phản ứng + Xác định khả truyền nhiệt chất tải nhiệt từ vùng hoạt đến thiết bị trao đổi nhiệt 12/11/2015 MỞ ĐẦU Thermal-hydraulics phần quan trọng q trình phân tích lò phản ứng CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ CƠ BẢN • Nhiệt độ: phép đo độ hoạt động phân tử vật thể • Đơn vị đo: K, °F, °R, °C 12/11/2015 • Năng lượng: khả hệ thực công sinh nhiệt Đơn vị đo lượng: J, Btu, Cal… (1Btu = 252 Cal = 1050.04 J) Các dạng lượng: Thế (hấp dẫn): dạng NL tích luỹ vị trí vật (h) so với điểm cực tiểu (h=0), PE(Potential energy) = mgh Động năng: dạng NL chuyển động, KE (Kinetic energy) = mv2/2 Nội năng: dạng NL tích luỹ bên vật, U = f(T,V) Năng lượng P-V: dạng NL đặc trưng cho khả sinh cơng hệ, sinh từ P V chất lưu, PV = P.V Enthalpy: H = U + PV Enthalpy riêng : h = H/m • Cơng: dạng NL (là NL chuyển dịch), W = F.d Dấu công: W> 0: Hệ sinh cơng (q trình giãn nở), W 0: cấp nhiệt cho hệ, Q < 0: hệ thải nhiệt • Entropy - S: tính chất vật thể (giống P,T,V,H) Trong nhiệt động lực học, biến thiên entropy dS đơn vị đo lượng lượng dQ phát tán/hấp thụ hệ vật lý chuyển trạng thái nhiệt độ tuyệt đối xác định T dS = dQ/T • Cơng suất: P=W/t, đơn vị: w, kw… 12/11/2015 HỆ NHIỆT ĐỘNG (Thermo dynamic system) • Định nghĩa: Tập hợp đối tượng cần nghiên cứu • Các kiểu hệ nhiệt động học: Hệ cô lập: KL NL không truyền ngồi lớp biên Hệ đóng: có NL truyền lớp biên Hệ mở: NL KL truyền ngồi lớp biên • Trạng thái hệ nhiệt động tập biến (đại lượng) thời điểm, khoảng thời gian xác định • Quá trình nhiệt động: Hệ chuyển trạng thái (các đại lượng thay đổi tác động đó) • Hệ cân nhiệt động trạng thái không phụ thuộc t CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO NGUỒN NHIỆT • Cơng suất: Lượng nhiệt sinh đơn vị thời gian Đơn vị đo: w, kW, MW … q=Q/t • Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính: Tốc độ sinh nhiệt đơn vị độ dài Đơn vị đo: w/m q’ = q/L • Thơng lượng nhiệt: Tốc độ truyền nhiệt đơn vị diện tích Đơn vị đo: w/m2 q’’ = q/A • Nguồn nhiệt thể tích: Tốc độ sinh nhiệt đơn vị thể tích Đơn vị đo: w/m3, w / lit q’’’ = q/V 12/11/2015 CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO DỊNG CHẢY • Tốc độ dòng khối: khối lượng chất lưu chuyển động đơn vị thời gian Đơn vị đo: kg/s m’ = dm/dt • Tốc độ dòng thể tích: v’ = dV/dt = A.v, đơn vị đo: m3/s • Lưu lượng: lượng chất lưu chảy qua đơn vị diện tích đơn vị thời gian Đơn vị đo: kg/m2.s G = m’/A • Đường kính thuỷ lực tương đương: De = 4.Sflow / Cwet TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG • Chất lỏng nén được: mật độ thay đổi, ρ = ρ (r, T) • Chất lỏng khơng nén được: ρ = const • Chất lỏng nhớt: đặc trưng hệ s nht Cht lng Niuton: l cht lng nhớt ứng suất trượt tỷ lệ tuyến tính với tốc độ biến dạng • Chất lỏng phi Niuton: chất lỏng nhớt ứng suất trượt không tỷ lệ tuyến tính với tốc độ biến dạng 12/11/2015 ỨNG SUẤT, TỐC ĐỘ BIẾN DẠNG • Ứng suất: nội lực đơn vị diện tích • Đơn vị đo ứng suất: N/m2 (cùng đơn vị đo với áp suất) • Tensơ tốc độ biến dạng (rate of strain tensor) eij: Áp suất + Ứng suất lệch (deviatoric stress) CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG - Chuyển động phần tử chất lỏng phân tích thành: dịch chuyển (pure translation), biến dạng (strain), quay (rotation) - Tenxơ ứng suất biến dạng (vật rắn) < > Chất lỏng: Tenxơ ứng suất biến dạng biến đổi theo khơng gian (biến đổi theo vận tốc u) 12/11/2015 BẢNG HƠI • Nước sơi bão hoà: tra bảng (tra theo nhiệt độ áp suất) • Nước chưa sơi nhiệt: tra bảng (tra theo cặp nhiệt độ áp suất) BẢNG HƠI 12/11/2015 BẢNG HƠI NMĐHN LỊ PWR • Tuabin: Độ giảm enthalpy chất lưu để sinh công công tuabin Công tuabin: Wt = Hin – Hout Tuabin lý tưởng: entropy chất lưu không thay đổi qua tuabin: Sin = Sout Tuabin thực: Do có ma sát với cánh quạt tuabin nên có mát lượng Hiệu suất tuabin: η = Wt,actual/Wt,ideal 12/11/2015 • Bơm: Ngược lại với tuabin, bơm làm tăng enthalpy chất lỏng Công bơm: Wp = Hout – Hin Hiệu suất bơm: η = Wp,ideal/Wp,actual Tính hiệu suất motor bơm theo lượng điện: ηm = Wp,actual/Wm,in.C Wm,in: lượng điện cung cấp cho motor (kw.h) hệ số C = 2.655×106 (ft.lbf/kw.h) : Hơi bão hòa từ bình sinh giãn nở tuabin áp suất cao (HP) để sinh công : Hơi ẩm khỏi tuabin HP làm khô gia nhiệt tách ẩm (MSR) : Hơi nhiệt từ MSR giãn nở tuabin áp suất thấp (LP) sinh công : Hơi xả từ tuabin ngưng tụ qua bình ngưng : Nước cấp gia nhiệt gia nhiệt : Nhiệt thêm vào chất lỏng bình sinh với áp suất khơng đổi 10 12/11/2015 3.4 CÁC TẢI ĐỘNG DYNAMIC LOADS Các tải xoáy (Vortex Shedding Loads) f =S V D f : Tần suất xảy xoáy (Hz) S: Số Strouhal (0.2 – 0.5) V: Vận tốc dòng (m/s) D: Đường kính ống (m) Vortex shedding dòng khơng ổn định xảy số vận tốc dòng chảy (tùy thuộc kích thước dạng vật cản hình trụ) Trong dòng này, xốy tạo thành phía sau vật cản rời theo chu kỳ hai phía 3.4 CÁC TẢI ĐỘNG DYNAMIC LOADS Các phụ tải dòng turbulence • Các số liệu đo CVAP • Loại trừ thành phần mang tính chu kỳ Measured data Input data for analysis x 101 x 100 PSD (Psi 2/Hz) x 10-1 x 10-2 x 10-3 x 10-4 x 10-5 x 10-6 100 200 300 400 500 FREQUENCY (Hz) 67 12/11/2015 IV PHÂN TÍCH NHIỆT THERMAL LOAD ANALYSIS 4.1 THỬ TẢI VỀ NHIỆT THERMAL LOADS Các tải nhiệt • Đầu vào cho phân tích stress nhiệt, thay đổi kích thước Các dạng • Phân bố nhiệt độ • Các đỉnh nhiệt độ • Nhiệt độ trung bình • Độ chênh nhiệt độ 4.2 PHÂN BỐ ĐỈNH, TRUNG BÌNH VÀ ĐỘ CHÊNH NHIỆT ĐỘ Các điều kiện vận hành Steady states & Transients Các vị trí: CEDM Assembly & Nozzles UGS Barrel UGS Support Plate Flange FAP (Fuel Alignment Plate) Outlet Nozzle Core Support Barrel Core Shroud LSS Beams Surveillance Capsule Assembly Core stop & Snubber Bottom Head ICI Nozzles 68 12/11/2015 V PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ DỊNG CHẢY FLOW DESIGN & ANALYSIS 5.1 Các dòng chảy độ chênh áp • Đảm bảo khả tải nhiệt tốt qua thùng lò • Cung cấp số liệu đầu vào cho phân tích thiết kế Thiết kế • Các lỗ dòng chảy RVIs • Kiểm chứng mơ hình dòng chảy lò Phân tích • Cung cấp liệu áp suất dòng chảy 5.2 THIẾT KẾ CÁC LỖ DÒNG CHẢY FLOW HOLE DESIGN Mục tiêu Tạo phân bố cho dòng chảy vùng hoạt • Flow Skirt • LSS Bottom Plate • Fuel Alignment Plate Tối thiểu dòng ứ đọng • UGS Support Plate • LSS Cylinder Total Flow Main Flow Hạn chế dòng bypass Bypass Flow Tối thiểu tổn thất áp suất Outlet Nozzle Clearance Instrumented Center G.T Core Shroud-CSB Annulus Center Guide Tubes Outer Guide Tubes Alignment Key-ways 69 12/11/2015 5.3 CÁC LỖ PHÂN PHỐI DÒNG HOLES IN FLOW SKIRT Downcomer => Lower Plenum Ổn định dòng khoang đáy (lower plenum) Total Flow Main Flow Bypass Flow Outlet Nozzle Clearance Instrumented Center G.T Core Shroud-CSB Annulus Center Guide Tubes Outer Guide Tubes Alignment Key-ways 5.4 CÁC LỖ PHÂN PHỐI DÒNG VÀO VÙNG HOẠT HOLES IN THE LSS BOTTOM PLATE Lower Plenum => Core Inlet Đảm bảo phân bố dòng chảy áp suất lối vào vùng hoạt (core inlet) Total Flow Main Flow Bypass Flow Outlet Nozzle Clearance Instrumented Center G.T Core Shroud-CSB Annulus Center Guide Tubes Outer Guide Tubes Alignment Key-ways 70 12/11/2015 5.5 CÁC LỖ PHÂN PHỐI DÒNG RA VÙNG HOẠT HOLES IN THE FUEL ALIGNMENT PLATE Core Exit => Outlet Plenum Đảm bảo phân bố dòng chảy áp suất lối vùng hoạt (core exit) Total Flow Main Flow Bypass Flow Outlet Nozzle Clearance Instrumented Center G.T Core Shroud-CSB Annulus Center Guide Tubes Outer Guide Tubes Alignment Key-ways 5.6 CÁC LỖ PHÂN PHỐI DỊNG GIÁ ĐỠ PHÍA TRÊN HOLES IN THE UGS SUPPORT PLATE Luân chuyển dòng vùng (Upper head) Phòng ngừa boron lưu cữu / ẩn náu CL o - 180o Total Flow Main Flow Bypass Flow Outlet Nozzle Clearance Instrumented Center G.T Core Shroud-CSB Annulus Center Guide Tubes Outer Guide Tubes Alignment Key-ways CL 90 o - 270o 71 12/11/2015 5.7 CÁC LỖ PHÂN PHỐI DÒNG BYPASS HOLES IN THE LSS CYLINDER Luân chuyển dòng vành xuyến vách ngăn – giỏ đựng vùng hoạt (Core Shroud – CSB Annulus) Làm mát dòng chất tải nhiệt ứ đọng vành xuyến Total Flow Core Shroud Core Support Barrel Main Flow Bypass Flow LSS Cylinder Outlet Nozzle Clearance Instrumented Center G.T Core Shroud-CSB Annulus Center Guide Tubes Outer Guide Tubes Alignment Key-ways 5.8 KIỂM TRA MÔ HÌNH DỊNG CHẢY TRONG LPU REACTOR FLOW MODEL TEST Kiểm chứng lỗ dòng chảy Thiết kế mơ hình tỷ lệ 1/5 tương tự hình học động lực học 72 12/11/2015 5.9 CÁC PHÂN TÍCH DỊNG CHẢY FLOW ANALYSES Các kết • Phân tích dòng vùng hoạt: Các phân bố dòng áp suất lối vào, vùng hoạt • Các tổn thất áp suất dọc theo đường chảy chính: Chênh áp lò (tính tốn sụt áp RCS) Total Flow • Các phân tích mạng dòng chảy: Các dòng sụt áp cục bộ, dòng bypass, dòng làm mát phần thùng lò Main Flow Bypass Flow Outlet Nozzle Clearance Instrumented Center G.T Core Shroud-CSB Annulus Center Guide Tubes Outer Guide Tubes Alignment Key-ways 5.10 CÁC TỔN THẤT ÁP SUẤT PRESSURE LOSSES Các tổn thất áp suất đoạn Inlet nozzle => outlet nozzle Đầu vào cho: • Core thermal hydraulic analysis • Control rod drop time analysis • Safety analysis Total Flow Main Flow • Hydraulic loads on RVI (Reactor vessel Internals) Bypass Flow • RCS pressure loss & flow analysis Outlet Nozzle Clearance Instrumented Center G.T Core Shroud-CSB Annulus Center Guide Tubes Outer Guide Tubes Alignment Key-ways 73 12/11/2015 5.11 CÁC VỊ TRÍ TRONG LỊ PWR QUAN TRỌNG ĐỐI VỚI CÁC TỔN THẤT ÁP SUẤT Từ chân lạnh đến khe biên Từ khe biên đến lối vào khoang phía Lối vào vùng hoạt (core inlet) Các lưới giữ (spacer) Lối vùng hoạt (core outlet) Khoang phía đến chân nóng Các dòng bypass: Khoang phía –core bypass Core bypass- khoang phía Khe biên-chân nóng Khe biên – phần đầu RPV (upper head) Phần đầu RPV – Khoang phía Phần đầu RPV - ống dẫn ĐK 5.12 Đáp ứng thành phần RPV cố vỡ ống Các sóng suy giảm áp suất phát sinh chỗ vỡ truyền theo hai hướng ( phía RPV SG/PUMP) Cực đai tải mà thiết bị bên thùng lò bị tác động xảy khoảng thời gian ngắn sau vỡ (< 50 ms) Các tải tới hạn (Critical loads) tác động tới • UGS (khi vỡ chân nóng) • Sự chênh áp tăng lên phần bên bên ngồi giỏ vùng hoạt • Phát sinh lực xoắn kết nối với phần vành (upper flange) kết bất đối xứng theo góc phương vị áp suất phân bố dòng bên downcomer x • Lực tiếp xúc cấu trúc giữ vùng hoạt thành RPV tăng lên • Gia tăng lực nâng bó nhiên liệu (khi vỡ chân nóng) 74 12/11/2015 CÂU HỎI ƠN TẬP Mơ tả (kèm theo hình vẽ) thành phần thùng lò phản ứng thiết bị bên Nêu yêu cầu thiết kế nhiệt thiết kế thủy lực vùng hoạt lò phản ứng Mục tiêu thiết kế lỗ dòng chảy Lập bảng cho giá trị (gần đúng) thơng số sau cho lò PWR 1000MWe: Lưu lượng nước qua vùng hoạt, tốc độ bơm RCP, độ chênh nhiệt độ lối vào lối thùng lò, độ chênh áp lối vào lối thùng lò, đường kính chiều cao thùng lò CHƯƠNG VI MỘT SỐ THÔNG SỐ VẬT LÝ-THỦY NHIỆT 75 12/11/2015 SAFETY MARGIN DNBR MCPR CHF REACTIVITY FEEDBACK Safety Margins Các dự trữ an toàn (Safety Margins) độ chênh tiêu chuẩn / giới hạn an tồn thừa nhận thơng số liên quan đến sai hỏng hay thay đổi hệ thống hay thành phần với tượng xem xét, so với giá trị tính tốn thơng số 76 12/11/2015 DNB Bo ilin g Film Nu cle ar e d io n rc t Fo vec n Co g ilin Bo Bo ilin g C r it ic a l H e a t F lu x ( D N B H e a t F lu x ) n tio si an Tr HEAT FLUX D N B P o in t R ange of P W R TW-Tb T w : W a ll T e m p e r a t u r e T b : C o o la n t T e m p e r a t u r e DNB Departure from Nucleate Boiling Sôi hạt nhân → Sôi màng Giảm nghiêm trọng khả truyền nhiệt Vỏ nhiên liệu bị đốt nóng Thơng lượng nhiệt DNB (CHF) DNBR= Thơng lượng nhiệt cục (bề mặt vỏ nhiên liệu) 77 12/11/2015 MCPR Cơng suất tới hạn Cơng suất bó nhiên liệu lò vận hành Cơng suất tới hạn (Critical Power): Cơng suất bó nhiên liệu điểm bắt đầu chuyển tiếp sôi (onset of Boiling Transition) công suất tăng Heat Flux MCPR＝ Boiling Transition Superheat Temp(Tw-Tsat) Critical Heat Flux (CHF) • CHF đơi gọi khủng hoảng sơi (boiling crisis) • Trong lò PWR, CHF gọi thơng lượng nhiệt DNB • Trong lò BWR, CHF gọi dryout (tại cơng suất cực đại bó nhiên liệu) q ' = ( π D ) q ' ' = (π / )D pellet q''' • Các thơng số công suất nhiên liệu: q’’’ = Nguồn nhiệt thể tích q’’ = Thơng lượng nhiệt chất tải nhiệt q’ = Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính (LHR) 78 12/11/2015 • Thay mơ tả giá trị tới hạn q’cr, ta sử dụng tỷ số q’cr/q’rod q’cr/q’FA • BWR : MCPR = ( q ' cr / q ' FA ) ~ • PWR: MDNBR = (q 'cr / q 'rod ) ~ 1.35 PHẢN HỒI ĐỘ PHẢN ỨNG Các hệ số độ phản ứng phụ thuộc thông số trạng thái vùng hoạt: • • • • • Nhiệt độ nhiên liệu Tf Nhiệt độ chất làm chậmTm Phần thể tích (void) chất tải nhiệt (x) Áp suất hệ thống RCS Nồng độ boron 79 12/11/2015 PHẢN HỒI ĐỘ PHẢN ỨNG PHẢN HỒI ĐỘ PHẢN ỨNG 80 12/11/2015 PHẢN HỒI ĐỘ PHẢN ỨNG CÂU HỎI ÔN TẬP Độ dự trữ an toàn: Khái niệm giải thích Định nghĩa thơng số DNBR, MCPR Giải thích nêu ý nghĩa vận hành lò phản ứng phụ thuộc độ phản ứng hệ số nhiệt độ nhiên liệu Giải thích nêu ý nghĩa vận hành lò phản ứng phụ thuộc độ phản ứng hệ số nhiệt độ chất làm chậm Giải thích nêu ý nghĩa vận hành lò phản ứng phụ thuộc độ phản ứng hệ số độ rỗng chất làm mát 81