Đánh giá sự cố mất nước tải nhiệt với vết nứt nhỏ xảy ra đối với lò phản ứng VVER công suất 1000MWE

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM XUÂN LINH ĐÁNH GIÁ SỰ CỐ MẤT NƢỚC TẢI NHIỆT VỚI VẾT NỨT NHỎ XẢY RA ĐỐI VỚI LỊ PHẢN ỨNG VVER CƠNG SUẤT 1000MWe LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÀ NỘI - 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN PHẠM XUÂN LINH ĐÁNH GIÁ SỰ CỐ MẤT NƢỚC TẢI NHIỆT VỚI VẾT NỨT NHỎ XẢY RA ĐỐI VỚI LỊ PHẢN ỨNG VVER CƠNG SUẤT 1000MWe Chun ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân lƣợng cao Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÊ CHÍ DŨNG HÀ NỘI - 2013 MỤC LỤC DANH MỤC TỪ NGỮ VIẾT TẮT DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài 2.Mục đích nghiên cứu 3.Đối tƣợng nghiên cứu 4.Giới hạn phạm vi nghiên cứu 5.Nhiệm vụ nghiên cứu 6.Phƣơng pháp nghiên cứu 7.Cấu trúc luận văn 10 CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG VVER CÔNG SUẤT 1000MWe 11 1.1 Các đƣờng ống làm mát 12 1.2 Vùng hoạt nhiên liệu lò phản ứng 12 1.3 Bình điều áp 13 1.4 Bình sinh 15 CHƢƠNG SỰ CỐ MẤT NƢỚC TẢI NHIỆT VỚI VẾT VỠ NHỎ (SB LOCA ) 17 2.1 Sự cố LOCA 17 2.1.1 Giới thiệu chung 17 2.1.2 Các tƣợng vật lý cố LOCA 18 2.1.3 Ảnh hƣởng vị trí vết vỡ lên đặc trƣng chuyển tiếp 19 2.1.4 Ảnh hƣởng việc bơm vòng sơ cấp ngừng hoạt động 21 2.1.5 Đặc trƣng thiết kế làm giảm nhẹ hậu cố LOCA lò phản ứng VVER-1000 22 2.2 Mô tả cố chất làm mát với vết vỡ nhỏ (SB-LOCA) 24 2.2.1 Mô tả chung 24 2.2.2 Các pha chuyển tiếp cố SB–LOCA 26 CHƢƠNG 3: PHÂN TÍCH AN TỒN SỰ CỐ SB-LOCA CỦA LỊ PHẢN ỨNG VVER-1000 BẰNG CHƢƠNG TRÌNH CATHARE2 43 3.1 Tiêu chí chấp nhận áp dụng cho cố vỡ đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng 43 3.2 Mô cố vỡ đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng sử dụng chƣơng trình tính tốn CATHARE2 43 3.2.1 Chƣơng trình tính tốn thủy nhiệt CATHARE2 43 3.2.2 Mơ lị VVER1000 cố vỡ đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng sử dụng chƣơng trình CATHARE2 46 3.2.3 Điều kiện biên điều kiện ban đầu cho cố vỡ đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng 49 3.3 Phân tích kết tính tốn 54 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 DANH MỤC TỪ NGỮ VIẾT TẮT Thuật ngữ viết tắt Giải thích tiếng Anh Giải thích tiếng Việt Lị phản ứng lƣợng với nƣớc làm mát – nƣớc làm chậm VVER PWR Pressure water reactor Lò phản ứng nƣớc áp lực AFS Auxiliary feedwater system Hệ thống cấp nƣớc phụ CCFL Countercurrent flow limitation Giới hạn dòng thuận nghịch DEGB Double-end guillotine break Vết vỡ tách rời đầu ống DESB Double-end split break Vết vỡ gập đầu ống ECCS Emergency core coolant system Hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp HPSI High pressure safety injection Bơm an toàn áp suất cao LOCA Loss of coolant accident Sự cố nƣớc tải nhiệt LB-LOCA Large break loss of coolant accident Sự cố nƣớc tải nhiệt với kích thƣớc vỡ lớn SB-LOCA Small break loss of coolant accident Sự cố nƣớc tải nhiệt với kích thƣớc vỡ nhỏ LPSI Low pressure safety injection Bơm an toàn áp suất thấp MFWS Main feedwater system Hệ thống cấp nƣớc PORV Pressurizer power operated relief valves Van an tồn bình điều áp RCP Reactor coolant pump Bơm nƣớc làm mát lò phản ứng (bơm vòng sơ cấp) RCS Reactor coolant system Hệ thống nƣớc tải nhiệt RPV Reactor Pressure Vessel Thùng áp lực lò phản ứng SCRAM Safety Control Rod Axe Man Dập lò SIAS Safety Injection Actuation Signal Tín hiệu phát động bơm an tồn SIT Safety injection tank Bể nƣớc dự trữ TMI Three Miles Island Đảo ba dặm PHRS Passive Heat Removal System Hệ thống tải nhiệt thụ động DANH MỤC HÌNH VẼ STT Hình 1.1 Hình 1.2 Hình 1.3 Hình 1.4 Hình 1.5 Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.17 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình vẽ Cấu trúc lị VVER1000 Cấu tạo bó nhiên liệu lị VVER-1000 Cấu tạo Bình điều áp lị VVER-1000 Cấu tạo bình sinh lị VVER-1000 Hình ảnh bình sinh lò VVER-1000 thực tế Hiện tƣợng tắt dòng nƣớc làm mát vùng hoạt khẩn cấp Ảnh hƣởng hƣớng vết vỡ đến dòng chảy qua vết vỡ Ảnh hƣởng hoạt động bơm lên q trình chuyển tiếp mức hai pha thùng lị có vết vỡ kênh nóng Hệ thống làm ngập vùng hoạt lò phản ứng thụ động Hệ thống tải nhiệt thụ động Hình vẽ mơ tả dịng đơn pha Hình vẽ mơ tả dịng hai pha Các mơ hình làm mát tn hồn tự nhiên lị Hình vẽ mơ tả tƣợng đối lƣu tự nhiên Hiện tƣợng hóa ngƣng tụ suốt giai đoạn giảm mực nƣớc Minh họa tắt nƣớc đƣợc bơm từ hệ thống ECCS vòng lò phản ứng Dòng thuận nghịch nƣớc nƣớc Sơ đồ hệ thống lò phản ứng cuối giai đoạn lấp đầy trở lại đầu giai đoạn làm ngập trở lại Các chế độ sôi Sự rơi màng chất lỏng nhúng lạnh bề mặt lớp vỏ nhiên liệu Hiện tƣợng làm ngập trở lại thùng lò, tiếp xúc nƣớc với cấu trúc phía vùng hoạt Sự tạo thành bể khoang vùng hoạt giai đoạn lấp đầy trở lại Mơ CATHARE2 lị VVER1000 Mơ cố vỡ đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng sử dụng chƣơng trình CATHARE2 Tốc độ dòng qua vết vỡ Áp suất vòng sơ cấp thứ cấp Cơng suất lị Trang 11 13 14 15 15 19 20 22 23 23 28 33 35 36 37 37 38 39 40 40 41 41 48 49 55 56 56 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 3.15 Hình 3.16 Hình 3.17 Hình 3.18 Hình 3.19 Hình 3.20 Hình 3.21 Hình 3.22 Tốc độ bơm vòng sơ cấp Tốc độ dòng nƣớc cấp cho bình sinh Phần trống vịng sơ cấp thời điểm bắt đầu trình chuyển tiếp Phần trống vòng sơ cấp thời điểm 10,14s sau xảy cố Phần trống vòng sơ cấp thời điểm 20,4s sau xảy cố Nhiệt độ nhiên liệu Nhiệt độ vỏ nhiên liệu Phần trống vòng sơ cấp thời điểm 100,2s sau xảy cố Tốc độ dòng HPSI Tốc độ dòng từ bể chứa nƣớc Tốc độ dòng LPSI Khối lƣợng nƣớc vòng sơ cấp thứ cấp Phần trống vòng sơ cấp thời điểm 300,1s sau xảy cố Nhiệt độ lối vào lối vùng hoạt Phần trống vùng hoạt Vận tốc dòng nƣớc vùng hoạt Nhiệt độ chân nóng 57 57 58 59 59 60 60 61 62 62 63 63 64 65 65 66 66 DANH MỤC BẢNG BIỂU STT Bảng 1.1 Bảng 1.2 Bảng 1.3 Bảng 1.4 Bảng Trang Một số thông số kỹ thuật đƣờng ống làm mát 12 Một số thông số chu kỳ nhiên liệu Một số thơng số bình điều áp Một số thơng số bình sinh 13 14 16 Bảng 3.1 Cơ sở kiểm tra cho việc đánh giá độ tin cậy khả tính toán CATHARE 44 Bảng 3.2 Điều kiện ban đầu kịch cố 50 Bảng 3.3 Tốc độ dòng HPSI 51 Bảng 3.4 Tốc độ dòng LPSI 51 Bảng 3.5 Cơng suất lị sau dập lị 52 Bảng 3.6 Kịch cố vỡ đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng 53 Bảng 3.7 Chuỗi kiện cố vỡ đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng 54 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong xu phát triển chung giới, đồng thời đảm bảo nguồn an ninh lƣợng, phục vụ tiến trình phát triển kinh tế xã hội đất nƣớc, ngày 25/11/2009, Quốc hội thông qua chủ trƣơng đầu tƣ xây dựng nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) Việt Nam Ngày 17/6/2010 Thủ tƣớng Chính phủ ký định số 906/QĐ-TTg việc “Phê duyệt định hƣớng quy hoạch phát triển điện hạt nhân Việt Nam giai đoạn đến năm 2030”, định hƣớng: - Năm 2020: tổ máy điện hạt nhân đầu tiên, công suất khoảng 1000 MW vào vận hành - Năm 2025: tổng công suất nhà máy điện hạt nhân khoảng 8.000 MW, chiếm khoảng 7% tổng công suất nguồn điện - Năm 2030: tổng công suất nhà máy điện hạt nhân khoảng 15.000 MW, chiếm khoảng 10% tổng công suất nguồn điện Ngày 31/10/2010 Chính phủ kí Hiệp định xây dựng NMĐHN với Nga (cơng nghệ lị dự kiến đƣợc nhập VVER) đồng thời Thủ tƣớng Chính phủ hai nƣớc Việt Nam Nhật Bản trao đổi ý kiến khả xây dựng NMĐHN số cơng nghệ Nhật Bản Chính phủ Việt Nam cam kết phát triển điện hạt nhân gắn liền với an toàn hạt nhân, an toàn cho ngƣời môi trƣờng Để thực đƣợc mục tiêu đó, vấn đề an tồn liên quan đến nhà máy điện hạt nhân cần phải đƣợc nghiên cứu kỹ trƣớc NMĐHN vào hoạt động Các kết nghiên cứu khuôn khổ luận văn đề xuất hiểu biết cần thiết trình vận hành nhà máy điện, tăng cƣờng lực phân tích an tồn, phục vụ cho việc đánh giá, thẩm định an toàn nhà máy điện hạt nhân đặc biệt q trình đánh giá phân tích an tồn cho lị loại VVER-1000 98,82 - ACCs bắt đầu bơm nƣớc có chứa a xít boric vào vịng sơ cấp áp suất vòng sơ cấp giảm đến 59 bar 169,82 - Các bơm LPSI bắt đầu bơm nƣớc có chứa a xít boric vào vịng sơ cấp áp suất vòng sơ cấp giảm đến 25 bar 1800 Kết thúc tính tốn Sự cố vỡ đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng đƣợc mơ xảy tức thời (không xem xét thời gian để vết vỡ đạt diện tích tối đa) thời điểm 0s Ở thời điểm ban đầu trình chuyển tiếp, tốc độ dòng qua vết vỡ lớn: khoảng 3100kg/s từ phía chân nóng 2400kg/s từ phía bình sinh (Hình 3.3) Toc dong qua vet vo Toc dong qua vet vo (kg/s) 4000 Tu phia binh dieu ap Tu phia chan nong 3000 2000 1000 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.3: Tốc độ dịng qua vết vỡ Do bị lƣợng lớn nƣớc làm mát, áp suất vịng sơ cấp giảm nhanh (Hình 3.4) 55 Ap suat (Pa) Ap suat vong so cap va thu cap 1.8x10 1.6x10 1.4x10 1.2x10 1.0x10 0.8x10 0.6x10 0.4x10 0.2x10 Vong thu cap Vong so cap 300 600 900 1200 1500 1800 Thoi gian (s) Hình 3.4: Áp suất vịng sơ cấp thứ cấp Tín hiệu SCRAM phát thời điểm 0,17s sau cố áp suất vòng sơ cấp giảm đến 145 bar Sau dập lò, nhiệt sinh vùng hoạt chủ yếu nhiệt dƣ phân rã sản phẩm phân hạch (Hình 3.5) Cong suat lo (W) Cong suat lo 1.0x10 0.8x10 0.6x10 0.4x10 0.2x10 Vung hoat nong Vung hoat trung binh 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.5 Cơng suất lị 56 Do điện, bơm vòng sơ cấp ngừng hoạt động quay chậm dần theo qn tính (Hình 3.6) sƣởi bình điều áp khơng hoạt động Toc bom vong so cap 1.0 0.8 Toc bom Vong Vong 0.6 0.4 0.2 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.6: Tốc độ bơm vịng sơ cấp Các bơm cấp nƣớc cho bình sinh ngừng hoạt động thời điểm 2,3s Toc dong nuoc cap cho binh sinh hoi (kg/s) sau cố bơm cấp nƣớc phụ khơng hoạt động điện (Hình 3.7) Toc dong nuoc cap cho binh sinh hoi 500 400 300 200 100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.7: Tốc độ dịng nước cấp cho bình sinh 57 Van lập tua-bin đóng thời điểm bơm cấp nƣớc ngừng hoạt động Điều làm tăng áp suất vịng thứ cấp (Hình 3.4) Van xả an tồn đƣờng ống dẫn mở áp suất vịng sơ cấp tăng đến 74bar đóng áp suất giảm đến 69bar Do áp suất vòng sơ cấp giảm, tƣợng hóa (flashing) xuất phần phía vùng hoạt nóng (hot core) phút sau cố Hình 3.8: Phần trống vòng sơ cấp thời điểm bắt đầu trình chuyển tiếp 58 Hình 3.9: Phần trống vịng sơ cấp thời điểm 10,14s sau xảy cố Hình 3.10: Phần trống vịng sơ cấp thời điểm 20,4s sau xảy cố 59 Hiện tƣợng làm tăng nhiệt động lớp vỏ nhiên liệu Nhiệt độ cực đại lớp vỏ nhiên liệu 470oC thời điểm 5s sau cố (Hình 3.12) Nhiệt độ thấp nhiều sơ với tiêu chí chấp nhận nhiệt độ Nguyên nhân kiện áp suất suy giảm đột ngột, dẫn đến tăng tiết diện phản ứng, phát sinh nhiệt Nhiet nhien lieu Nhiet nhien lieu (oC) 2000 1500 1000 500 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.11: Nhiệt độ nhiên liệu Nhiet lop vo nhien lieu (oC) Nhiet lop vo nhien lieu 600 500 Vung hoat trung binh Vung hoat nong 400 300 200 100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.12: Nhiệt độ vỏ nhiên liệu 60 Đến thời điểm 100s sau cố, tƣợng hóa lan rộng đến hầu hết phận (Hình 3.13) Hình 3.13: Phần trống vòng sơ cấp thời điểm 100,2s sau xảy cố Do áp suất vòng sơ cấp giảm nhanh giai đoạn đầu trình chuyển tiếp nên tín hiệu bơm HPSI đƣợc phát động sớm (6,97s) Tuy nhiên, cần khoảng thời gian để kết nối máy phát đi-e-zen cho dòng nƣớc từ hệ thống HPSI tiếp cận vòng sơ cấp nên nƣớc làm mát khẩn cấp tiếp cận vòng sơ cấp thời điểm 40s sau cố (Hình 3.14) 61 Toc dong HPIS Toc dong HPIS (kg/s) 80 60 40 20 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.14: Tốc độ dịng HPSI Các bơm HPSI bơm nƣớc có chứa a xít boric vào chân lạnh số Các bể chứa nƣớc hệ thống LPSI bắt đầu bơm nƣớc có chứa a xít boric vào khoang vùng hoạt lối vào thùng lò lần lƣợt thời điểm 79,83s 145,37s Toc dong ACC Toc dong ACC (kg/s) 400 Vao loi vao thung lo Vao khoang tren vung hoat 300 200 100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.15: Tốc độ dòng từ bể chứa nước 62 Toc dong LPIS Toc dong LPIS (kg/s) 200 150 Vao khoang tren vung hoat vao loi vao thung lo 100 50 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.16: Tốc độ dòng LPSI Khoi luong nuoc (kg) Khoi luong nuoc vong so cap va thu cap 2.5x10 2.0x10 1.5x10 1.0x10 0.5x10 Vong thu cap Vong so cap 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.17: Khối lượng nước vòng sơ cấp thứ cấp 63 Nƣớc làm mát khẩn cấp bƣớc lấp đầy vùng hoạt Vùng hoạt đƣợc lấp đầy hoàn toàn thời điểm 300s sau cố (Hình 3.18) Hình 3.18: Phần trống vòng sơ cấp thời điểm 300,1s sau xảy cố Do vết vỡ xảy độ cao chân nóng nên nƣớc vùng hoạt khơng bị hút ngồi qua vết vỡ Do vùng hoạt tiếp tục đƣợc làm mát 64 Nhiet loi vao va loi vung hoat 400 Loi vao vung hoat Loi vung hoat Nhiet (oC) 300 200 100 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.19: Nhiệt độ lối vào lối vùng hoạt Phan trong vung hoat Phan trong vung hoat 0.9 Loi vung hoat Loi vao vung hoat 0.6 0.3 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.20: Phần trống vùng hoạt 65 Van toc nuoc vung hoat (m/s) Vung hoat nong Vung hoat trung binh 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.21: Vận tốc dịng nước vùng hoạt Nhiet chan nong Nhiet chan nong (oC) 350 250 150 50 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Thoi gian (s) Hình 3.22: Nhiệt độ chân nóng Áp suất vịng sơ cấp giảm nhanh đến 200s sau cố áp suất vòng thứ cấp ổn định Khi áp suất vòng sơ cấp cân với áp suất vòng thứ cấp, nhiệt đƣợc truyền ngƣợc từ vòng thứ cấp sang vòng sơ cấp Tuy nhiên, khơng 66 có nhiều nƣớc chảy qua ống bình sinh nên khơng nhiều nhiệt đƣợc truyền từ vòng thứ cấp sang vòng sơ cấp Do áp suất vịng thứ cấp gần nhƣ khơng đổi Các kết tính tốn cho thấy cố vỡ đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng kết hợp với lỗi sai hỏng đơn bơm HPSI, nhiệt độ cực đại lớp vỏ nhiên liệu khơng vƣợt q tiêu chí chấp nhận (Hình 3.12) phút sau xảy cố, vùng hoạt đƣợc làm mát đầy đủ khơng có vi phạm tiêu chí chấp nhận nhiệt độ Vận hành hệ thống ECCS đảm bảo làm mát vùng hoạt lâu dài 67 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Sự cố vỡ đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng – loại cố SB LOCA đƣợc xem xét với lò phản ứng VVER1000/AES91 sử dụng chƣơng trình tính tốn thủy nhiệt CATHARE2 Các điều kiện ban đầu đƣợc lựa chọn cho tình đem lại hậu nghiêm trọng Sự cố nguồn điện đƣợc xem xét kết hợp phân tích cố Ngồi ra, sai hỏng giả định hệ thống an toàn đƣợc xem xét nhƣ sai hỏng đơn phân tích Kết tính tốn rằng, với kịch đặt cố vỡ đơi đƣờng ống nối bình điều áp với chân nóng đảm bảo giới hạn nhiệt độ lớp vỏ nhiên liệu thấp nhiều so với tiêu chí chấp nhận nhiệt độ Với vận hành hệ thống ECCS, vùng hoạt đƣợc làm mát đầy đủ thời gian dài Chƣơng trình CATHARE2 công cụ hiệu để nghiên cứu ứng dụng đánh giá cố LOCA cho lò VVER-1000 Việt Nam Những hƣớng nghiên cứu kết nghiên cứu Luận văn là: Sử dụng chƣơng trình CATHARE2 để phân tích an tồn cố LOCA lị VVER-1000 với vết vỡ có vị trí kích thƣớc khác nhƣ thực tính tốn khác để phân tích an tồn cho lị VVER-1000 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO International Atomic Energy Agency (2003), Safety Reports Series No.30 – Accident Anlysis for Nuclear Power Plants with Pressurized Water Reactors, International Atomic Energy Agency, Austria International Atomic Energy Agency (2002), Safety guide No.GS-G-1.2 – Review and Assessment of Nuclear Facilites by the Regulatory body”, International Atomic Energy Agency, Austria International Atomic Energy Agency (2011), Status report 93 – VVER 1000 (V-466B), International Atomic Energy Agency, Austria L.S Tong Joel Weisman (1996), Thermal Analysis of Pressurized Water Reactors - Third Edition, American Nuclear Society, U.S U.S Department of Energy (1993), DOE Fundamentals Handbook –Nuclear Physics and Reactor Theory, U.S Department of Energy, Washington D.C 69