Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu, đo đạc hàm lượng boron để lò OPR1000 đạt trạng thái tới hạn trong các trường hợp ARO, ARI SB, ARI R1, R5 trên cơ sở sử dụng phương pháp chia đôi trong việc điều chỉnh nồng độ Boron. Mô phỏng thực nghiệm tiến hành trên hệ mô phỏng lõi lò phản ứng OPR1000 (CoSi OPR1000). Kết quả thu được tương đồng cho cả 4 trường hợp khi so sánh số liệu vận hành của Nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng OPR1000.
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T6- 2016 Xác định nồng độ boron trạng thái tới hạn lò phản ứng hạt nhân OPR 1000 hệ Cosi OPR1000 Nguyễn An Sơn Trần Trung Nguyên Trần Quốc Tuấn Lý Quang Cường Trường Đại học Đà Lạt Lê Thị Hà Lan Trường THPT Trần Phú, Đà Lạt Văn Lê Quang Trường trung cấp nghề Ninh Hòa, Đà Lạt (Nhận ngày 22 tháng 07 năm 2016, đăng ngày 21 tháng 11 năm 2016) TÓM TẮT Trong vận hành nhà máy điện hạt nhân, việc điều chỉnh công suất cần thiết Khi thay đổi cơng suất, q trình phản ứng phân hạch lò phản ứng thay đổi theo Các phương pháp thường sử dụng việc thay đổi công suất nhà máy điện vận hành gồm: thay đổi nồng độ boron, thay đổi vị trí nhóm điều khiển, kết hợp thay đổi nồng độ boron điều khiển nhóm điều khiển Bài báo trình bày kết nghiên cứu, đo đạc hàm lượng boron để lò OPR1000 đạt trạng thái tới hạn trường hợp ARO, ARI SB, ARI R1, R5 sở sử dụng phương pháp chia đôi việc điều chỉnh nồng độ Boron Mô thực nghiệm tiến hành hệ mơ lõi lị phản ứng OPR1000 (CoSi OPR1000) Kết thu tương đồng cho trường hợp so sánh số liệu vận hành Nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng OPR1000 Từ khóa: nồng độ boron, Lị OPR1000, Hệ Cosi OPR1000 MỞ ĐẦU Thập niên 50 kỷ XX thời điểm khởi đầu điện hạt nhân thương mại giới Cho đến nay, điện hạt nhân cung cấp khoảng 11 % nguồn lượng toàn cầu [1] Hơn 60 năm sử dụng, điện hạt nhân đánh giá nguồn lượng to lớn, gần vô tận Từ năm 1980, Hàn Quốc bắt đầu triển khai chương trình nội địa hóa thiết bị nhà máy điện hạt nhân Từ năm 1984 kéo dài 10 năm sau đó, có lò phản ứng hạt nhân loại nước áp lực PWR (Pressurized Water Reactor) xây dựng theo Tiêu chuẩn hạt nhân Hàn Quốc [2] Mục đích nội địa hóa mà Hàn Quốc đặt chủ động công nghệ, tăng hiệu suất sử dụng giảm thiểu ảnh hưởng môi trường Thành cơng lớn bước đường nội địa hóa nhà máy điện hạt nhân Hàn Quốc phát triển thành cơng loại lị cải tiến OPR1000 (Optimized Power Reactor 1000) Công ty Thủy điện Điện hạt nhân Hàn Quốc (KHNP - Korea Hydro and Nuclear Power company) chế tạo Nhà máy điện OPR100 xây dựng Yonggwang số Bảng trình bày số thơng số lị OPR1000 [3] Trang 241 Science & Technology Development, Vol 19, No.T6-2016 Bảng Thơng số hệ thống lị phản ứng OPR1000 Đặc tính Stt Thơng số Số vịng làm mát Thể tích vịng sơ cấp, bao gồm bình điều áp 339,4 m3 Tốc độ dịng điều kiện bình thường 5,769,695 kg/giờ Loại bơm Lưu lượng bơm Tốc độ bơm Tốc độ vòng làm mát sơ cấp 1,293 m3 /phút Áp suất vận hành 158,2 kg/cm2 Nhiệt độ nước làm mát vào lò 295,8 oC 10 Nhiệt độ nước làm mát lò 327,3 oC 11 Tổng thể tích bình điều áp 12 Thể tích khí bình điều áp (cơng suất tối đa) 13 Nhiệt độ/áp suất bình điều áp thiết kế 14 Chiều cao hoạt động lõi lị 15 Đường kính lõi lị 16 Số bó nhiên liệu 177 17 Số bó điều khiển 73 18 Chu kỳ vận hành 12 ~ 18 tháng 19 Tịa nhà lị 20 Đường kính tịa nhà lò 43,9 m 21 Chiều cao tòa nhà lò 66,8 m 22 Nhiệt độ vận hành tòa nhà lị 48,9 oC 23 Đường kính bên thùng lò 414 cm 24 Bề dày thùng lò 25 Chiều cao tổng thùng lò 1,464,2 cm 26 Tốc độ tuabin 1,800 rpm 27 Kiểu ống bình sinh 28 Diện tích trao đổi nhiệt bề mặt bình sinh 29 Áp suất vận hành vịng sơ cấp/ thứ cấp bình sinh Trang 242 Bơm ly tâm, bơm dọc, bơm đơn 323 m3/phút 1,200 rpm 51 m3 25,49 m3 371,1 oC /175,8 kg/cm2 381 cm 312,4 cm Dạng hình trụ bê tông cốt thép Tối thiểu 20,5 cm Ống U thẳng đứng 9,522,6 m2 158,2/75,2 kg/cm2 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T6- 2016 Bất kỳ nhà máy điện hạt nhân vận hành ln có hệ mơ phỏng, tính tốn thơng số vật lý lò phản ứng nhằm đưa khuyến cáo an toàn vận hành, dự báo rủi ro … Đặc biệt, để phục vụ vấn đề với lị OPR1000, Cơng ty Điện lực Hàn Quốc KEPCO (Korea Electric Power Corporation) Công ty KHNP thiết kế, chế tạo hệ mơ lõi lị OPR1000-CoSi Simulator OPR1000 (CoSi OPR1000) Các thông số, số liệu CoSi OPR1000 lấy từ số liệu vận hành (số liệu thực) hai nhà máy điện hạt nhân Shin-Kori [4] Đến nay, thiết bị CoSi OPR1000 cải tiến qua giai đoạn nhằm tiến gần đến giá trị vận hành thực lị OPR1000 Ngồi việc khuyến cáo an tồn vận hành lị OPR1000, hệ CoSi OPR1000 cịn làm nhiệm vụ nâng cao trình độ vận hành cho nhân viên nhà máy điện hạt nhân Tại Việt Nam, khuôn khổ hợp tác Hiệp hội Hạt nhân Hàn Quốc (KNA - Korea Nuclear Association) với Trường Đại học Đà Lạt, hệ mô CoSi hệ thứ tài trợ, hệ có Việt Nam VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Cơ sở lý thuyết Động học lò phản ứng đưa phụ thuộc hệ số nhân hiệu dụng keff theo số neutron ban đầu số neutron thời điểm xét thông qua công thức (1) [5, 6]: 𝑁 = 𝑁0 + 𝑁0 𝑘𝑒𝑓𝑓 + 𝑁0 𝑘𝑒𝑓𝑓 +⋯= 𝑁0 (1 + 𝑘𝑒𝑓𝑓 + 𝑘𝑒𝑓𝑓 + ⋯ ) Khai triển gần công thức (1) ta được: 𝑁≈ 𝑁0 1−𝑘𝑒𝑓𝑓 Tăng trình phân hạch vận hành lò phản ứng hạt nhân điều kiện để đưa lò phản ứng lên trạng thái tới hạn Để thực điều này, cần biết công suất nguồn neutron lò phản ứng Tuy nhiên, thực tế vận hành lị phản ứng, đại lượng thường khơng biết khó xác định, nên người ta sử dụng kết đo tương đối Giả sử detector ghi neutron, nằm ngồi sát thùng lị phản ứng, đo lần đầu C0, tỷ lệ với dòng neutron vùng hoạt Số đo lấy làm điểm đầu để đo Tiếp sau, đưa vào lò phản ứng độ phản ứng dương theo bước i liên tiếp Sau đưa độ phản ứng, ∆keff / keff , vào theo cách, thí dụ, rút điều chỉnh đoạn ∆xi , dòng neutron tăng lên, số đo detector Ci Xây dựng phụ thuộc C0/Ci vào xi Rõ ràng, độ phản ứng đưa vào lò phản ứng lớn tương ứng với keff gần 1, tỷ lệ C0/Ci gần Sau số bước định, ngoại suy hàm C0/Ci(x) đến (nghĩa là, đến giao với trục x), tìm độ cao rút điều chỉnh, tương ứng với trạng thái tới hạn lò phản ứng [5] 𝐶0 𝐶𝑖 = − 𝑘𝑒𝑓𝑓 Khi sử dụng việc thay đổi nồng độ boric acid, phương pháp sử dụng rộng rãi vận hành lò phản ứng dùng nước làm chất trao đổi nhiệt - nước để điều chỉnh điều hịa độ phản ứng, thay vị trí làm đối số điều chỉnh độ phản ứng việc thay đôi nồng độ boron dễ thực an tồn Mơ thực nghiệm Mơ thực nghiệm tiến hành hệ (1) mô lõi lị OPR1000 Giao diện hệ mơ gồm hình hiển thị vị trí nhóm điều khiển nhóm an tồn, tham (2) số lị phản ứng, chế độ điều chỉnh tham số lò phản ứng, chế độ hiển thị 2D/3D Hình 1, Hình 2, Hình 3, Hình trình bày giao diện Trang 243 Science & Technology Development, Vol 19, No.T6-2016 Hình Giao diện thể vị trí nhóm thanh, thơng số lị phản ứng Hình Giao diện thay đổi thơng số lò Khi khởi động lò OPR1000, giá trị ban đầu gồm: nồng độ boron: 1800 ppm, nhiệt độ: 295,8 o C, áp suất: 158,2 kg/cm2a Sở dĩ giá trị boron ban đầu 1800 ppm giá trị này, độ phản ứng nằm khoảng -25000 pcm -26000 pcm (Per cent Mille ~ 10-5), giá trị tuyệt đối an tồn lị phản ứng Tiến hành thí nghiệm kiểm tra tỉ số C0/Ci trường hợp sau: ARO (All Rod Out) – rút hồn tồn tất nhóm điều khiển nhóm an tồn; ARI SB (All Rod In SB) – giữ nhóm an tồn SB vị trí sâu lị, đồng thời rút tất nhóm an tồn điều khiển cịn lại khỏi lò; ARI R1 (All Rod In R1) - giữ nhóm điều khiển R1 vị trí sâu lị, đồng thời rút tất nhóm an tồn điều khiển cịn lại khỏi lị; Trang 244 Hình Giao diện điều khiển nhóm Hình Giao diện hệ mơ lõi lị OPR1000 hiển thị 3D Cố định nhóm điều khiển R5 vị trí 191 cm lị, đồng thời rút tất nhóm an tồn điều khiển lại khỏi lò KẾT QUẢ VÀTHẢO LUẬN Để tiến hành khảo sát tìm hàm lượng boron lị phản ứng đạt trạng thái tới hạn, mơ thực nghiệm tiến hành khảo sát phương pháp chia đơi Cụ thể, tiến hành pha lỗng Boron từ điểm đầu 1800 ppm, điểm cuối hàm lượng boron theo thơng số thực vận hành lị OPR100 theo trường hợp tương ứng là: 1089 ppm, 821 ppm, 1014 ppm, 1079 ppm [7] Trường hợp ARO tiến hành thực phương pháp chia đôi sau: từ nồng độ boron ban đầu, 1800 ppm, (C1 = 711 ppm), để đảm bảo an toàn tiết kiệm thời gian đưa lò đạt trạng thái tới hạn, tiến hành đưa nồng độ boron giảm thêm không vượt C1/2 Mô thực nghiệm đưa nồng độ boron giảm thêm 300 ppm (nhỏ C1/2 ~ 350 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T6- 2016 ppm) tức nồng độ boron đạt 1390 ppm với thời gian ngắn (vì nồng độ này, độ phản ứng giá trị âm lớn (~ -3500 pcm), nên đảm bảo an toàn tuyệt đối lò phản ứng rút ngắn thời gian đạt tới hạn) Lần pha loãng thứ hai, từ nồng độ 1390 ppm (C2 ~ 300 ppm), tiến hành pha lõng boron thời gian 10 phút ∆𝐶2 300 để nồng độ giảm thêm, ~ = 150 𝑝𝑝𝑚 nghĩa nồng độ boron lúc 1240 ppm Tiếp tục thực phương pháp chia đôi để xác định hàm lượng boron lò phản ứng đạt trạng thái tới hạn trường hợp ARO trường hợp cịn lại Kết trình bày Bảng 2, Bảng 3, Bảng 4, Bảng 5, Hình 5, Hình 6, Hình 7, Hình Stt Số đếm/s Nồng độ boron (ppm) 1800 10 1390 19 Stt Số đếm/s Nồng độ boron (ppm) 1800 1,000000 1230 1,000000 1240 0,526316 1118 0,750000 34 1165 0,294118 1000 0,500000 59 1125 0,168634 950 0,333333 80 1110 0,125628 12 900 0,250000 101 1104 0,098619 16 850 0,187500 118 1100 0,084531 25 825 0,120000 130 1098 0,077220 36 810 0,083333 10 136 1097 0,073529 10 50 806 0,060000 Tỉ số Co/Ci Bảng Kết thay đổi hàm lượng boron phương pháp chia đôi trường hợp ARI R1 Stt Số đếm/s Nồng độ boron (ppm) 1800 10 1315 20 Tỉ số Co/Ci Bảng Kết thay đổi hàm lượng boron phương pháp chia đôi trường hợp R5 = 191 cm Stt Số đếm/s Nồng độ boron (ppm) 1800 1,000000 10 1379 1,000000 1165 0,500000 18 1229 0,555556 36 1090 0,277778 36 1154 0,277778 50 1063 0,200401 59 1117 0,169779 67 1045 0,149031 85 1099 0,117371 82 1036 0,121951 115 1090 0,086957 92 1032 0,108696 136 1086 0,073529 105 1027 0,095238 148 1084 0,067568 10 131 1021 0,076336 10 156 1083 0,064103 Tỉ số Co/Ci Tỉ số Co/Ci Trang 245 Science & Technology Development, Vol 19, No.T6-2016 1.0 1.0 0.8 0.8 0.6 keff keff 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0.0 0.0 10 20 30 40 50 60 70 80 10 20 Thời gian vận hành (phút) 30 40 50 60 70 80 Thời gian vận hành (phút) Hình Kết thay đổi hàm lượng boron phương pháp chia đơi trường hợp ARO Hình Kết thay đổi hàm lượng boron phương pháp chia đôi trường hợp ARI SB 1.0 1.0 0.8 0.8 0.6 keff keff 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0.0 0.0 10 20 30 40 50 60 70 80 Hình Kết thay đổi hàm lượng boron phương pháp chia đôi trường hợp ARI R1 10 20 30 40 50 60 70 80 Thời gian vận hành (phút) Thời gian vận hành (phút) Hình Kết thay đổi hàm lượng boron phương pháp chia đôi trường hợp R5 = 191 cm Từ kết mô thực nghiệm, khớp hàm phụ thuộc hàm lượng boron − k eff sau: Trường hợp ARO: y = 0,0031x − 3,3777 Trường hợp ARI SB: y = 0,0021x − 1,6204 Trường hợp ARI R1: y = 0,0031x − 3,1126 Trường hợp R5 = 191 cm: y = 0,0032x − 3,3905 x nồng độ boron (ppm), y = − k eff Từ hàm mô thực nghiệm, xác định hàm lượng boron cho trường hợp để lị đạt trạng thái tới hạn Bảng trình bày kết tính tốn so sánh với kết dự đoán (kết vận hành thực lị OPR1000) Trang 246 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T6- 2016 Bảng Kết mơ thực nghiệm kết vận hành lò OPR1000 Vị trí nhóm Nồng độ boron xác định mơ thực nghiệm (Ccal) (ppm) Nồng độ boron thu nhận vận hành lò OPR1000 (Cpred) (ppm) [7] ARO 1090 ARI SB (Ccal)/(Cpred) keff (keff cal – keff pred) 1089 1,001 -0,0018 772 821 0,940 0,1037 ARI R1 1004 1014 0,990 0,0308 R5 = 191 cm 1060 1079 0,982 0,0623 Kết mô thực nghiệm cho thấy việc sử dụng hệ CoSi OPR1000 cho tham số mô gần giống với vận hành thực lò OPR1000 Hàm lượng boron đo đạc hệ CoSi OPR1000 xấp xỉ với nồng độ boron vận hành lò Kết Bảng cho thấy tỉ số hàm lượng boron hệ CoSi OPR1000 với vận hành lò OPR1000 gần 1, trạng thái tới hạn trường hợp lò vận hành trường hợp đo hệ CoSi OPR1000 có sai số < 6,3 % cho trường hợp KẾT LUẬN Nồng độ boron lò phản ứng hạt nhân loại nước áp lực điều kiện thay đổi độ phản ứng, nghiên cứu phụ thuộc tới hạn lò phản ứng OPR100 số trường hợp cụ thể Kết nghiên cứu xác định giá trị boron tới hai cho trường hợp: ARO, ARI SB, ARI R1, R5 Bằng hệ mô CoSi OPR1000, số liệu thu so với số liệu vận hành lò phản ứng OPR1000 trùng khớp nhau, với sai số lớn ~% Điều cho thấy tính dự đốn cao sử dụng hệ CoSi OPR1000 vận hành lị phản ứng OPR1000 Ngồi tính dự đốn vận hành lị OPR1000, khả ứng dụng đào tạo, huấn luyện cho kỹ sư vận hành lò OPR1000 vấn đề bật hệ mơ Kết thu góp phần mở hướng nghiên cứu, khai thác, vận hành có hiệu hệ thiết bị lị mơ nhằm đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật hạt nhân Việt Nam Lời cảm ơn: Nhóm nghiên cứu xin chân thành cảm ơn Hiệp hội hạt nhân Hàn Quốc (KNA), Trường Đại học Hanyang - Hàn Quốc, Công ty Thủy điện Điện hạt nhân Hàn Quốc tài trợ hệ CoSi OPR1000 để thực nghiên cứu Trang 247 Science & Technology Development, Vol 19, No.T6-2016 Determination of the boron concentration of OPR 1000 reactor critical state using the Cosi OPR1000 system Nguyen An Son Tran Trung Nguyen Tran Quoc Tuan Ly Quang Cuong Dalat University Le Thi Ha Lan Tran Phu High School, Dalat Van Le Quang Ninh Hoa Vocational School ABSTRACT In the operation of a nuclear power plant (NPP), to adjust the capacity of NPP is necessary When the NPP capacity is changed the nuclear fission is also changed The methods used in changing the capacity of NPP include: changing the boron concentration, changing the position of the control rod groups, and changing the boron concentrations and the position of the control rod groups together This report presents some results of the research, measurement boron concentrations when nuclear power plans OPR1000 critically state in the cases of ARO, ARI SB, ARI R1, R5 = 191 cm on the basis of the bisection method in the boron concentrations adjustment The experiment is performed on core the simulator for OPR 1000 nuclear power plant The results in the cases were similar with NPP operating data using OPR1000 reactor Keywords: boron concentration, OPR1000 reactor, OPR1000 Core simulator TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] http://www.world-nuclear.org/informationlibrary/current-and-future eneration/ nuclearpower-in-the-world-today.aspx [2] D.G Cacuci, Handbook of nuclear engineering, Spinger (2010) [3] http://www.kepcoenc.com/English/sub.asp?Mcode=B010020 [4] D.H Hwang, M.S Lee, J.H Hong, S.H Lee, J K Suh, Interface between CoSi/TH Model and Trang 248 Simulator for OPR1000, Transactions of the Korean Nuclear Society Spring Meeting Jeju, Korea (2009) [5] J.R Lamarsh, Introduction to nuclear reactor theory, Addison Wesley Publishing, (1966) [6] J.C Bryan, Introduction to nuclear science, Taylor & Francis Group (2013) [7] Y.S Choi, Zero Power Physics Test by using CoSi for OPR1000, KHNP (2014) ... CoSi OPR1 000 với vận hành lò OPR1 000 gần 1, trạng thái tới hạn trường hợp lò vận hành trường hợp đo hệ CoSi OPR1 000 có sai số < 6,3 % cho trường hợp KẾT LUẬN Nồng độ boron lò phản ứng hạt nhân. .. dụng hệ CoSi OPR1 000 cho tham số mô gần giống với vận hành thực lò OPR1 000 Hàm lượng boron đo đạc hệ CoSi OPR1 000 xấp xỉ với nồng độ boron vận hành lò Kết Bảng cho thấy tỉ số hàm lượng boron hệ CoSi. .. hành lò phản ứng OPR1 000 trùng khớp nhau, với sai số lớn ~% Điều cho thấy tính dự đoán cao sử dụng hệ CoSi OPR1 000 vận hành lị phản ứng OPR1 000 Ngồi tính dự đốn vận hành lò OPR1 000, khả ứng dụng