Phân tích và đánh giá an toàn thanh nhiên liệu TVS 2006 của lò phản ứng AES 2006 trong quá trình vận hành khi có sự cố

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ NGỌC ĐIỆP Phân tích đánh giá an tồn nhiên liệu TVS-2006 lị phản ứng AES-2006 q trình vận hành có cố Chuyên ngành: KỸ THUẬT HẠT NHÂN LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRẦN KIM TUẤN Hà Nội – 2018 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình khoa học chưa cá nhân tổ chức công bố Tất số liệu luận văn trung thực, khách quan có nguồn gốc rõ ràng Các kết nghiên cứu luận văn tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Tôi xin chịu trách nhiệm cơng trình nghiên cứu riêng mình! Hà Nội, ngày tháng Tác giả Luận văn Đỗ Ngọc Điệp năm 2018 LỜI CẢM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn giảng viên trường Đại học Bách Khoa Hà Nội truyền đạt cho tác giả kiến thức thời gian học trường, cảm ơn Cục Năng lượng nguyên tử tạo điều kiện cho trình thực Luận văn Xin cảm ơn nhóm thực đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng trình vận hành đến tính chất nhiên liệu vỏ nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000” gồm TS Trần Đại Phúc số cá nhân khác giúp đỡ tơi q trình thực Luận văn Xin chân thành cảm ơn TS Trần Kim Tuấn tận tình hướng dẫn tơi hồn thành tốt Luận văn này! Tác giả Luận văn Đỗ Ngọc Điệp Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Đỗ Ngọc Điệp MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CÁC HÌNH DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU A Cơ sở thực Luận văn B Mục tiêu phạm vi nghiên cứu C Cấu trúc Luận văn CHƯƠNG - TỔNG QUAN 10 1.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nhiên liệu hạt nhân 10 1.2 Tổng quan cố LOCA 11 1.3 Mô tả diễn biến cố LOCA 13 1.4 Tình trạng nhiên liệu giai đoạn LOCA 22 1.5 Những tác động làm biến đổi nhiên liệu cố LOCA 23 CHƯƠNG – TỔNG QUAN VỀ NHIÊN LIỆU TVS-2006 VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN FRAPTRAN1.5 50 2.1 Giới thiệu lò phản ứng AES-2006 50 2.2 Đặc điểm thiết kế nhiên liệu TVS-2006 lò phản ứng AES-2006 53 2.3 Các tiêu chuẩn an toàn liên quan đến lò phản ứng VVER [6] 56 2.4 Chương trình FRAPTRAN1.5 63 CHƯƠNG – TÍNH TỐN VÀ PHÂN TÍCH AN TỒN THANH NHIÊN LIỆU TVS-2006 87 3.1 Phương pháp điều kiện biên phân tích an tồn nhiên liệu TVS-2006 87 3.2 Lựa chọn mơ hình hóa 91 3.3 Tính tốn phân tích an toàn nhiên liệu TVS-2006 điều kiện vận hành có cố 91 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 125 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 PHỤ LỤC INPUT CHƯƠNG TRÌNH FRAPTRAN1.5 129 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Đỗ Ngọc Điệp DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các tượng hóa lý liên quan đến nhiên liệu tăng nhiệt độ 47 Bảng 2.1 Các thông số thiết kế lò phản ứng AES-2006 51 Bảng 2.2 Các thông số thiết kế nhiên liệu TVS-2006 54 Bảng 3.1 Phân bố công suất theo dọc trục nhiên liệu sử dụng việc đánh giá an toàn 88 Bảng 3.2 Các biến cố diễn trình vận hành xảy cố 92 Bảng 3.3 Các kiện diễn trình vận hành xảy cố 106 Bảng 3.4 Một số kết thu từ chương trình FRAPTRAN1.5 cố LOCA vỡ lớn 121 Bảng 3.5 So sánh kết từ FRAPTRAN với PSAR 123 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Đỗ Ngọc Điệp DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Hiện tượng tắt dịng nước làm mát vùng hoạt khẩn cấp 12 Hình 1.2 Các giai đoạn cố LB-LOCA 14 Hình 1.3 Xu hướng thay đổi nhiệt độ lớp vỏ nhiên liệu tính cố LB-LOCA lò phản ứng PWR 14 Hình 1.4 Sự tắt nước bơm từ hệ thống ECCS 16 Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống lò phản ứng cuối giai đoạn lấp đầy trở lại đầu giai đoạn làm ngập trở lại 17 Hình 1.6 Sự rơi màng chất lỏng nhúng lạnh bề mặt lớp vỏ nhiên liệu 17 Hình 1.7 Áp suất vịng sơ cấp thứ cấp tính vết vỡ 7,62 cm lò phản ứng PWR 20 Hình 1.8 Vùng hoạt bắt đầu khơng có nước bao bọc 21 Hình 1.9 Biến đổi nhiên liệu tương ứng với ba giai đoạn LB-LOCA 22 Hình 1.10 Tình trạng lớp vỏ tác dụng oxi hóa 25 Hình 1.11 Quá trình oxi hóa điều kiện thường điều kiện LOCA 26 Hình 1.12 Khối lượng hạt lớp vỏ E110 áp suất khí 28 Hình 1.13 Q trình oxi hóa E110 khoảng nhiệt độ 800-1200°C 28 Hình 1.14 Q trình oxi hóa nhiệt độ cao lớp oxit dạng nốt hình thành q trình oxi hóa 33 Hình 1.15 Tác động “tiền-hydro hóa” đến q trình oxi hóa nhiệt độ cao Zircaloy-4 với tỷ lệ Sn thấp 36 Hình 1.16 Vi cấu trúc lớp vỏ Zircaloy sau q trình oxi hóa gần 1200°C 39 Hình 1.17 Sự phân bố oxy oxit, lớp ổn định α lớp β-trước lớp vỏ Zircaloy sau trình oxi hóa gần 1200°C 40 Hình 1.18 Đặc trưng nhiên liệu PWR q trình làm mát vùng hoạt lị phản ứng có cố LOCA 42 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Đỗ Ngọc Điệp Hình 1.19 Quá trình chuyển đổi từ dẻo – giịn phụ thuộc vào q trình oxi hóa hàm lượng hydro 43 Hình 1.20 Tính bất đẳng hướng vật liệu lớp vỏ nhiên liệu 44 Hình 1.21 Hình lớp vỏ bị phồng vỡ 46 Hình 2.1 Bó nhiên liệu sử dụng lị phản ứng AES-2006 50 Hình 2.2 Thanh nhiên liệu sử dụng lò phản ứng AES-2006 53 Hình 2.3 Giản đồ thuật toán FRAPTRAN1.5 66 Hình 2.4 Giản đồ mơ hình nhiệt độ nhiên liệu lớp vỏ nhiên liệu 67 Hình 2.5 Mối liên hệ thông lượng nhiệt bề mặt nhiệt độ bề mặt 70 Hình 2.6 Mơ tả mơ hình BALON2 78 Hình 2.7 Ứng lực Hoop vị trí nổ vỡ xác định mơ hình BALON278 Hình 2.8 Phân bố áp suất bên nhiên liệu với mơ hình dịng khí 82 Hình 2.9 Ví dụ mơ hình nhiên liệu nốt hóa 85 Hình 2.10 Mơ hình hóa TNLHN FRAPTRAN 86 Hình 3.1 Vị trí bó nhiên liệu hạt nhân vùng hoạt chu kỳ thứ 88 Hình 3.2 Vị trí bó nhiên liệu hạt nhân vùng hoạt chu kỳ cân 89 Hình 3.3 Năng lượng lưu giữ nhiên liệu trạng thái vận hành trước xảy cố 89 Hình 3.4 Hàm lượng hydro chứa lớp vỏ nhiên liệu trạng thái trước xảy cố 90 Hình 3.5 Độ dày lớp oxit lớp vỏ nhiên liệu điều kiện vận hành trước xảy cố 90 Hình 3.6 Hệ số phát tán công suất vùng hoạt 93 Hình 3.7 Áp suất vùng hoạt bình điều áp 94 Hình 3.8 Dịng làm mát lị phản ứng 94 Hình 3.9 Nhiệt độ chất làm mát vùng hoạt 95 Hình 3.10 Enthalpy nhiên liệu 95 Hình 3.11 Áp suất chất làm mát hệ thống sơ cấp 96 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Đỗ Ngọc Điệp Hình 3.12 Cơng suất nhiên liệu trung bình 97 Hình 3.13 Nhiệt độ tâm nhiên liệu 98 Hình 3.14 Nhiệt độ trung bình lưới phân chia nhiên liệu 99 Hình 3.15 Độ giãn dài theo trục lớp vỏ nhiên liệu 99 Hình 3.16(a) Nhiệt độ trung bình lớp vỏ nhiên liệu (FRAPTRAN) 100 Hình 3.16(b) Nhiệt độ trung bình lớp vỏ nhiên liệu (PSAR) 100 Hình 3.17(b) Enthalpy nhiên liệu theo phương bán kính (FRAPTRAN) 101 Hình 3.18 Độ biến dạng tiếp tuyến lớp vỏ nhiên liệu 102 Hình 3.19 Ứng suất tác động lớp vỏ nhiên liệu 103 Hình 3.20 Độ dày lớp oxit 104 Hình 3.21 Mật độ chất làm mát vùng hoạt 105 Hình 3.22 Hệ số phát tán công suất vùng hoạt 108 Hình 3.23 Áp suất vùng hoạt bình điều áp 108 Hình 3.24 Tốc độ dịng làm mát vùng hoạt 109 Hình 3.25 Nhiệt độ nước làm mát vùng hoạt 109 Hình 3.26 Áp suất chất làm mát hệ thống sơ cấp 110 Hình 3.27 Cơng suất trung bình nhiên liệu 111 Hình 3.29 Nhiệt độ trung bình lưới phân chia nhiên liệu 113 Hình 3.30 Nhiệt độ trung bình vỏ nhiên liệu 114 Hình 3.31 Độ biến dạng tiếp tuyến lớp vỏ nhiên liệu 115 Hình 3.32 Độ biến dạng tiếp tuyến bề mặt nhiên liệu 116 Hình 3.33 Ứng suất tác động lớp vỏ 116 Hình 3.34 Ứng suất tiếp tuyến lớp vỏ 117 Hình 3.35 Áp suất khí bên khoảng cách nhiên liệu–lớp vỏ 118 Hình 3.36 Độ giãn dài lớp vỏ nhiên liệu 118 Hình 3.37 Độ gia tăng enthalpy nhiên liệu sau trạng thái ổn định 119 Hình 3.38 Độ dày lớp oxit 120 Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Viết tắt AOOs ACC AFWS BDBA BOC BTĐK BWR BTNLHN DNB DBA ECR ECCS ECP1 ECP2 FGR HBS HT1 HT2 HPSI MCL LPƯHN LPSI LWR LOCA LB-LOCA NLHN NMĐHN NSSS PWR PCI Đỗ Ngọc Điệp DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Tiếng Anh Tiếng Việt Anticipated Operational Các cố vận hành lường Occurrences trước Accumulator Bình tích nước dự trữ Auxiliary Feed Water System Hệ thống cấp nước phụ trợ Beyong Design Basis Accidents Sự cố sở thiết kế Beginning Of the reactor Cycle Bắt đầu chu kỳ lò phản ứng Bó điều khiển Lị phản ứng nước sơi Bó nhiên liệu hạt nhân Departure from Nucleate Boiling Dời khỏi sôi bọt Design Basis Accidents Sự cố sở thiết kế Equivalent Cladding Reactor Độ dày lớp ZrO2 so với vỏ Cycle nhiên liệu Emergency Core Cooling System Hệ thống làm mát vùng hoạt khẩn cấp Emergency Coolant Pump Hệ thống làm mát khẩn cấp Emergency Coolant Pump Hệ thống làm mát khẩn cấp Fission Gas Release Phát tán khí phân hạch High Burn-up Structure Cấu trúc nhiên liệu độ cháy cao Hệ thống Hệ thống High Pressure Safety Injection Hệ thống bơm an toàn áp suất cao Middle Cladding Lenght Nửa độ dày lớp vỏ Lò phản ứng hạt nhân Low Pressure Safety Injection Hệ thống bơm an tồn áp suất thấp Lị phản ứng nước nhẹ Loss Of Coolant Accidents Sự cố nước làm tải nhiệt Large Break LOCA Sự cố nước làm tải nhiệt vỡ lớn Nhiên liệu hạt nhân Nhà máy điện hạt nhân Nuclear Steam Supply System Hệ thống cung cấp hạt nhân Lò phản ứng nước áp lực Pellet-Cladding Interaction Tương tác viên nhiên liệu lớp vỏ nhiên liệu hạt nhân Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ PCMI PSAR RIA RHRS SB-LOCA SIT SPPH SPPHK TNLHN TDK Pellet-Cladding Mechanical Interaction Preliminary Safety Analysis Report Reactivity Initiated Accidents Residual Heat Removal System Small Break LOCA Safety Injection Tank Đỗ Ngọc Điệp Tương tác học viên nhiên liệu lớp vỏ nhiên liệu hạt nhân Hồ sơ phân tích an tồn sơ Sự cố gây thay đổi đột ngột độ phản ứng Hệ thống tải nhiệt dư Sự cố nước làm tải nhiệt vỡ nhỏ Bể chứa nước bơm phun an toàn Sản phẩm phân hạch Sản phẩm phân hạch dạng khí Thanh nhiên liệu hạt nhân Thanh điều khiển ... biến đổi nhiên liệu cố LOCA 1.5.1 Phản ứng lớp vỏ nhiên liệu nước [14] Lớp vỏ nhiên liệu loại lò PWR làm tự hợp kim zirconi Trong q trình vận hành lị phản ứng, lớp vỏ nhiên liệu phản ứng với nước... chương trình FRAPTRAN1.5 để đánh giá an toàn nhiên liệu TVS2006 lò phản ứng VVER-1200 (AES-2006) , loại lò tiên tiến Liên bang Nga Dựa thơng tin từ Hồ sơ phân tích an tồn sợ PSAR công nghệ AES-2006, ... tốn phân tích an tồn đặc tính cơ-nhiệt nhiên liệu hạt nhân điều kiện vận hành có cố LOCA, đặc biệt nhiên liệu TVS-2006 công nghệ lị phản ứng AES-2006 Do đó, việc nghiên cứu, tính tốn phân tích an