Các tính toán độ dày lớp oxit và hàm lượng hydrua tích lũy của lớp vỏ bọc nhiên liệu trong quá trình vận hành dựa trên mô hình oxy hóa và hydrua hóa đối với vật liệu vỏ bọc là hợp kim zirconi Zr-1%Nb.
Độ dày lớp oxit của vỏ bọc bằng hợp kim zirconi Zr-1%Nb là hàm bậc ba phụ thuộc vào thời gian khi độ dày chuyển tiếp của lớp oxit <7μm:
(3.16)
Trong đó, s là độ dày lớp oxit (m), A = 6,3.109 (m3/day), Q1 = 27446 (cal/mol), R = 1,98 (cal/mol.K), T1 là nhiệt độ bề mặt kim loại - oxit (K), t là thời gian (days).
Tích phân Phương trình 3.16, ta có:
(3.17) Trong đó, i, i+1 là bước thời gian liên tiếp.
Khi độ dày lớp oxit ≥7 μm, độ dày lớp oxit là hàm tuyến tính phụ thuộc vào thông lượng nơtron:
64
(3.18)
Do phản hồi đáng kể giữa độ dày lớp oxit và nhiệt độ bề mặt kim loại - oxit nên có sự tương quan giữa độ dày lớp oxit và mật độ khối lượng. Sử dụng xấp xỉ tích phân ta có:
(3.19) Sau đó, độ dày lớp oxit được tính:
(3.20)
Trong đó, ∆w là mật độ khối lượng (g/cm2), To là nhiệt độ bề mặt oxit - chất làm mát, λ là độ dẫn nhiệt của lớp oxit (W/cm.K), γ = 0,6789 (cm3/g), Q2 =29816 (cal/mol), q” là thông lượng nhiệt (W/cm2), ko = 11863+3,5.104.(1,91.10-15Ф) 0,24 (g/(cm2.day)), Ф là thông lượng nơtron nhanh (E >1MeV) (n/cm2/s).
Đối với quá trình hydro hóa lớp vỏ bọc, khi phản ứng giữa vỏ bọc hợp kim và nước xảy ra thì tỷ lệ hydro giải phóng và bị hấp thụ cục bộ bởi vỏ bọc được gọi là tỷ lệ tích lũy hydro. Trong điều kiện hoạt động của lò phản ứng nước áp lực thì hệ số tỷ lệ tích lũy hydro được chỉ ra theo phản hồi kinh nghiệm vận hành và đối với hợp kim zirconi Zr-1%Nb thì tỷ lệ này có trị số là 0,1.
65
CHƢƠNG 4. PHÂN TÍCH ĐẶC TRƢNG THANH NHIÊN LIỆU TVS-2006 4.1. Đặc điểm thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006
Cơ sở của việc thiết kế thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng VVER- AES2006 (TVS-2006) chủ yếu dựa trên kinh nghiệm thiết kế và vận hành trong các tổ lò VVER-1000. Trong đó bao gồm các bài toán chuẩn (benchmark) cũng như các tính toán, phân tích thực nghiệm trên thế giới thông qua quá trình hoạt động của các lò phản ứng hạt nhân nước áp lực khác.
Về cơ bản, cấu trúc thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 không có nhiều thay đổi so với các thiết kế sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000, trong đó bao gồm các phần đầu trên, đầu dưới và phần thân ống bằng lớp vỏ hợp kim zirconi E110 (Zr-1%Nb) (Hình 4.1).
Phần trên của thanh nhiên liệu có một vùng trống để chứa các sản phẩm phân hạch nhằm giảm áp lực lên lớp vỏ bọc của các sản phẩm khí phân hạch sinh ra trong quá trình vận hành đối với lớp vỏ bọc. Vùng trống này được nạp đầy bằng khí heli với áp suất 2,1 MPa. Khí heli được bơm đầy trong thanh nhiên liệu giúp ngăn ngừa sự nứt gãy của lớp vỏ hợp kim zirconi E110 do các tác động của áp lực chất làm mát và khí phân hạch phát tán trong thanh, đồng thời cải thiện tốt hơn khả năng truyền nhiệt từ viên gốm nhiên liệu sang lớp vỏ bọc. Ngoài ra, khí heli rất nhạy với các thiết bị kiểm tra giúp phát hiện lỗi sai hỏng rò rỉ của thanh nhiên liệu trong toàn bộ các quá trình lắp ráp chế tạo bó thanh nhiên liệu và ngay cả trong quá trình vận hành.
Cột nhiên liệu bên trong luôn được giữ ổn định bởi vòng đệm, giúp hạn chế tối đa tương tác cơ học giữa các viên gốm nhiên liệu với lớp vỏ bọc thanh nhiên liệu và cân bằng dịch chuyển trong quá trình vận chuyển cũng như nạp tải nhiên liệu.
Bảng 4.1 trình bày một số thông số thiết kế và Hình 4.1 mô tả đặc điểm của thanh nhiên liệu TVS-2006.
66
Bảng 4. 1. Các thông số thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 [12]
Thông số Giá trị
Viên gốm nhiên liệu UO2
Thành phần đồng vị urani: U235, %khối lượng U238, %khối lượng U234, %khối lượng U236, %khối lượng 3,58 96,36 0,03 0,03
Tổng khối lượng urani, % khối lượng 87,88
Tạp chất, % khối lượng < 0,08
Độ làm giàu (U235), % 1,6-2,0-2,4-3,0-3,6-4,0-4,4
Tỷ số O/U 2,000-2,015
Mật độ nhiên liệu UO2, g/cm3 10,4-10,7
Kích thước hạt tinh thể, µm 10-20
Hình dạng viên gốm, Hình trụ rỗng với lỗ trống ở tâm
Đường kính ngoài viên gốm, mm 7,6-0,03
Đường kính lỗ trống ở tâm, mm 1,2+0,2
Chiều cao viên gốm, mm 9,0-12,0
Lớp vỏ bọc nhiên liệu (Zr-1%Nb, E110)
Thành phần hợp kim: Zr, % khối lượng Nb, % khối lượng O, % khối lượng
N, C, Si, Al, Mo, Ni, Fe, % khối lượng
98,67-98,87 0,9-1,1 < 0,1 < 0,13 Đường kính ngoài, mm 9,1±0,04 Đường kính trong, mm 7,73+0,06
67 Tính chất vật liệu (điều kiện tiêu chuẩn): Nhiệt dung riêng, kJ/kg.oC
Hệ số dẫn nhiệt, W/m.oC Mật độ, g/ cm3
Mô-đun Young, MPa
Tỷ số Poison, (theo trục/theo bán kính)
Giới hạn kéo đứt (theo trục/theo bán kính), MPa Giới hạn đàn hồi (theo trục/theo bán kính), MPa
0,25 17,2 6,55 9,4x104 0,346/0,354 380-440/360-420 210-260/320-390
Thanh nhiên liệu
Hình dạng thiết kế Xem Hình 4.1
Tổng chiều dài thanh, mm 4033,0
Chiều cao cột nhiên liệu, mm 3730
Khối lượng nhiên liệu trong thanh, kg 1,712
Chiều cao vùng trống trong thanh, mm 252
Áp suất khí ban đầu, MPa 2,1
Thành phần khí: He, % thể tích Tạp chất, % thể tích > 99,99 < 0,01 Vòng đệm: Số vòng Đường kính ngoài, mm Đường kính dây xoắn, mm
Thép không gỉ 12X18H10T 40
7,5692 1,00076
68
Hình 4. 1. Thanh nhiên liệu hạt nhân TVS-2006 [12]