Nhiều nghiên cứu đã đề cập đến tác động của các môi trường làm việc trong nhà máy tới các thiết bị. Ví dụ như: phóng xạ gây ra sự ăn mòn của thép 1, hay ảnh hưởng boron đến tính chất cơ học thép 60SiCr7 2. Tuy nhiên, mục đích của khóa luận này là nghiên cứu về ảnh hưởng của hydro đến vật liệu của bình sinh hơi thông qua việc tính toán hệ số cường độ ứng suất trên ống trao đổi nhiệt.Một trong những công cụ để tính hệ số cường độ ứng suất (SIF) hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay là phần mềm ANSYS. ANSYS là hãng phần mềm mô phỏng kỹ thuật hạng đầu trên thế giới hiện nay. ANSYS được thành lập năm 1970, có hơn 3,000 chuyên gia trong lĩnh vực phân tích phần tử hữu hạn (FEA), động lực học chất lưu, điện tử, bán dẫn, phần mềm nhúng và thiết kế tối ưu. Với 40 năm hình thành và phát triển, ANSYS là công ty phần mềm mô phỏng kỹ thuật lớn nhất thế giới, có hơn 45,000 khách hàng, bao gồm 96 công ty trong 100 công ty công nghiệp theo tập chí FORTURE 500 đánh giá 3. Và vì thế, trong bài khóa luận này đã sử dụng phần mềm ANSYS phiên bản 15.0 của hãng ANSYS để tính hệ số cường ứng suất (SIF) với phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA).
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ viii MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 1.1 Lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 1.2 Bình sinh 1.3 Môi trường làm bình sinh 1.4 Vật liệu bình sinh 1.5 Kết luận chương I CHƯƠNG II: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU 10 2.1 Liên kết 10 2.2 Khuyết tật 11 2.3 Khuếch tán 13 2.4 Biến vị 14 2.5 Ứng suất, biến dạng 15 2.6 Định luật Hooke 18 2.7 Ứng suất mặt biết dạng mặt 20 2.8 Nứt 21 2.9 Biểu thị ứng suất hệ tọa độ Đề Các 22 2.10 Kết luận chương II 28 CHƯƠNG III: SỰ NỨT DO MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN VÀ ỨNG SUẤT XẢY RA TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 29 3.1 Tổng quan nứt môi trường ăn mòn ứng suất 30 3.2 Khởi tạo SCC 32 3.3 Lan truyền SCC 33 3.3.1 Cơ chế hòa tan 35 3.3.2 Vết nứt mơi trường ăn mòn ứng suất liên kết hạt 36 3.3.3 Mơ hình hòa tan trượt mơ hình phá vỡ lớp màng 37 iv 3.3.4 Các mơ hình học gãy 41 3.4 Ảnh hưởng hydro đến thép không gỉ 46 3.4 Hệ số cường độ ứng suất 49 3.5 Kết luận chương III 53 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ TÍNH TỐN SỰ TÍCH TỤ CỦA HYDRO TRONG THÉP KHƠNG GỈ VÀ KẾT QUẢ TÍNH TỐN HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT 54 4.1 Kết tính tốn tích tụ hydro thép khơng gỉ 54 4.2 Kết hệ số cường độ ứng suất theo công thức bán thực nghiệm 58 4.3 Kết mô phần mềm ANSYS WORKBENCH 15.0 61 4.4 Kết tính tốn Westergaard 65 4.5 Kết luận chương IV 66 KẾT LUẬN 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 v MỞ ĐẦU Một thành phần quan trọng nhà máy điện hạt nhân bình sinh (Stream Generators) Chức bình sinh lấy nhiệt từ vòng sơ cấp để đun nước vòng thứ cấp tạo với áp suất cao làm quay tua bin phát điện Các ống trao đổi nhiệt (tubes) bình sinh phải làm việc môi trường khắc nghiệt chịu ảnh hưởng tác nhân như: chênh lệch nhiệt độ, áp suất, tương tác hóa học phóng xạ cao… Các tác nhân ảnh hưởng mạnh đến thành phần cuả NMĐHN nói chung ống bình sinh nói riêng, từ có khuynh hướng phát triển khuyết tật vết nứt chúng, làm giảm tuổi thọ chúng Vấn đề đảm bảo an toàn độ tin cậy thiết bị NMĐHN vấn đề ý ngành kỹ thuật hạt nhân Do đó, hiểu biết hình thành phát triển vết nứt kiến thức thiết yếu để đảm bảo tính toàn vẹn cấu trúc thành phần thiết bị NMĐHN Nhiều nghiên cứu đề cập đến tác động môi trường làm việc nhà máy tới thiết bị Ví dụ như: phóng xạ gây ăn mòn thép [1], hay ảnh hưởng boron đến tính chất học thép 60SiCr [2] Tuy nhiên, mục đích khóa luận nghiên cứu ảnh hưởng hydro đến vật liệu bình sinh thơng qua việc tính tốn hệ số cường độ ứng suất ống trao đổi nhiệt Một cơng cụ để tính hệ số cường độ ứng suất (SIF) hiệu phổ biến phần mềm ANSYS ANSYS hãng phần mềm mô kỹ thuật hạng đầu giới ANSYS thành lập năm 1970, có 3,000 chuyên gia lĩnh vực phân tích phần tử hữu hạn (FEA), động lực học chất lưu, điện tử, bán dẫn, phần mềm nhúng thiết kế tối ưu Với 40 năm hình thành phát triển, ANSYS công ty phần mềm mô kỹ thuật lớn giới, có 45,000 khách hàng, bao gồm 96 công ty 100 công ty công nghiệp theo tập chí FORTURE 500 đánh giá [3] Và thế, khóa luận sử dụng phần mềm ANSYS phiên 15.0 hãng ANSYS để tính hệ số cường ứng suất (SIF) với phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA) Việc dùng phần mềm ANSYS WORKBENCH phiên 15.0 để mơ tính tốn hệ số cường độ ứng suất (SIF) có ý nghĩa là: giúp giảm chi phí thực nghiệm có kết thực nghiệm để so sánh với kết tính tốn lý thuyết CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 1.1 Lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 Nhà máy điện hạt nhân hệ thống thiết bị điều khiển kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền trạng thái dừng nhằm sinh lượng dạng nhiệt, sau lượng nhiệt chuyển hóa thành quay tua bin thơng qua thiết bị nhà máy Hình mơ tả sơ đồ họa nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER-1000 Hình Sơ đồ minh họa NMĐHN loại lò VVER-1000 [4] Các thơng tin NMĐHN loại lò VVER-1000 cho bảng Bảng Các thơng tin lò VVER-1000 [2] Tên đầy đủ VVER-1000 Loại lò phản ứng Lò áp suất Chất làm mát Nước nhẹ Chất làm chậm Nước nhẹ Phổ neutron Neutron nhiệt Công suất nhiệt 3000.00 MWth Tổng công suất điện 1060.00 MWe Nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER-1000 lò áp suất nên lò có hai vòng làm mát tách biệt nhau, điều giảm thiểu khả rò rỉ phóng xạ mơi trường bên ngồi Cụ thể trình bày phần [4]: - Nhiệt tạo lõi lò phản ứng từ phản ứng phân hạch nhiên liệu hạt nhân, sau nhiệt loại bỏ khỏi lõi lò chất làm mát (nước) Chất làm mát vận chuyển tới bình sinh thông qua ống dẫn gọi “hot leg” - Bình sinh trao đổi nhiệt, nhiệt từ vòng sơ cấp truyền qua vòng thứ cấp cách đun nước vòng thứ cấp tạo thành nước quay tua bin - Sau trao đổi nhiệt bình sinh hơi, chất làm mát lại đưa trở ngược lại lò phản ứng thơng qua đường ống gọi “cold leg” - Có bốn chu trình nhỏ vòng sơ cấp Ở chu trình, chất làm mát bơm bơm áp lực cao (được đặt góc) tới bình sinh - Trong vòng sơ cấp, nước hình thành bình sinh đưa tới hệ thống cân (balance of plat systems) Phần lớn nước sinh bình sinh đưa tới tua bin để làm quay tua bin phát điện - Sau làm quay tua bin, nước bơm tới hệ thống ngưng tụ ngưng tụ Từ hệ thống ngưng tụ nước chuyển tới hệ thống hạ áp nhiệt qua hệ thống khử để loại bỏ khí khơng ngưng tụ Từ hệ thống khử, nước đưa qua hệ thống tăng áp nhiệt tới bình sinh 1.2 Bình sinh Bình sinh nhà máy điện hạt nhân loại VVER-1000 thiết bị trao đổi nhiệt chiều với bề mặt trao đổi nhiệt chìm [4] Tổng quan bình sinh thể hình Hình Bình sinh [4] Thùng bình sinh thiết kế để đặt tòa nhà lò (containment building) Bình sinh bao gồm vỏ bình qua tơi luyện, đáy đúc hình elip vòi hàn vào Vỏ bình thiết kế thuận tiện cho việc cho việc kiểm tra bên từ vòng sơ cấp [4] Bề mặt trao đổi nhiệt bao gồm 10978 ống với đường kính 16x1.5 cm ống bố trí theo chiều ngang trong hình Các bó ống kết nối với thu vòng sơ cấp (collectors) mép ống hàn hồ quang điện argon bề bên thu Vật liệu ống trao đổi nhiệt thép không gỉ austenitic Các thu vòng sơ cấp kế để chất làm mát phân phối nhiệt cho ống trao đổi nhiệt Bề mặt thu phủ hai lớp chống ăn mòn Tấm phân phối lắp đặt phần bình sinh Tấm có lỗ bố trí mực nước bình sinh để phục vụ cho việc cân lượng Bên bình sinh hơi, gần đáy thùng, xếp thích hợp nước cấp thổi bình sinh nên tạo điều kiện cho tích tụ nước với muối tạp chất khác (được gọi vùng muối “salt cell”) Bình sinh dự trữ lượng lớn nước nhằm cung cấp đặc tính động tốt cho tồn nhà lò trường hợp nước cấp [4] Bảng cho biết thơng số bình sinh nhà NMĐHN loại VVER-1000 Hình Mặt cắt dọc bình sinh [4] Ống dẫn Ống dẫn chất tải nhiệt Lớp bọc nắp đậy vòng thứ cấp Các ống trao đổi nhiệt Hạt đậu Bộ cân áp suất Nắp đậy vòng sơ cấp 10 Ống cấp nước Nắp đậy thứ cấp 11 Bộ tách Nắp đậy sơ cấp 12 Ống dẫn Bảng Các thơng số bình sinh [4] Thơng số Giá trị Cơng suất hơi, t/h 1470 Áp suất lối SG, MPa 6.27 321 Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp lối SG, C 291 Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp lối vào SG, C 0 220 Nhiệt độ nước cấp, C Nhiệt độ nước cấp gia nhiệt áp suất cao tắt, C 164 Độ ẩm lối SG, % 0.20 1.3 Mơi trường làm bình sinh - Môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao Trong bình sinh nước nhiệt độ cao: vòng sơ cấp, nhiệt độ đầu vào chân nóng (inlet) 593.15 ± 3.50K, áp suất khoảng 15.7 ± 0.3 MPa nên nước thể lỏng Ở vòng thứ cấp, nhiệt độ dòng 552 K áp suất 6.28 ± 0.20 MPa nước tồn dạng Nước vòng thứ cấp tiếp xúc với bề mặt ống trao đổi nhiệt xảy sơi nước [4] - Mơi trường phóng xạ lớn Neutron, hạt nhân phóng xạ hạt nhân trạng thái kích thích sản sinh từ phản ứng phân hạch hạt nhân U-235 tạo môi trường lò có hoạt độ phóng xạ cao (các tia phóng xạ n, α, β, γ ) Các tia phóng xạ có tác động mạnh vào cấu trúc vật liệu làm giảm độ bền, gây biến đổi cấu trúc vật liệu [1] - Các chất hóa học Do lò có hoạt độ phóng xạ cao, nước bị chiếu xạ bị phân hủy thành ion chất oxy hóa nguy hiểm •OH ,H2O2, O2, H2, •O2− eaq , H Các ion chất phản ứng lẫn tương tác với môi trường xung quanh theo phương trình sau: + - O2 + 2H + 2e ⇔ H2O2 + - H2O2 + 2H + 2e ⇒ 2H2O (1) (2) + H2 ⇔ H2 (ads) + e + + - H2 (ads) ⇔ 2H +e (3) - (4) H2O2 chất oxy hóa mạnh, chất tạo mơi trường oxy hóa dẫn đến ăn mòn vật liệu nước tiếp xúc với phóng xạ [1] 1.4 Vật liệu bình sinh Một loại vật liệu dùng để chế tạo thành phần bình sinh (võ bình, ống trao đổi nhiệt…) thép khơng gỉ Thép không gỉ hợp kim sắt chứa 11% kim loại Crom có khả hình thành lớp màng bảo vệ lớp chống oxi hóa thụ động Lớp vỏ bảo vệ thụ động hình thành chủ yếu kim loại Crom Thép không rỉ thường chia thành nhiều loại dựa cấu trúc vi mơ chúng Theo đó, có bốn loại thép khơng gỉ thép khơng rỉ ferritic, austenitic, martensitic duplex (bảng 3) Bảng Thành phần loại thép không gỉ [5] Loại Thành phần (%) Tính cứng Tính từ có có có có Ti khơng có C Cr Ni Mo khác >0.10 11-14 0-1 - V >0.17 16-18 0-2 0-2