4.2.4.1. KC1 - Sự oxy hóa bề mặt bên ngoài của lớp vỏ bọc
Giới hạn độ dày lớp oxit [h] = 60 µm,
Biên an toàn đối với tiêu chuẩn này được xác định [KKC1] = 1,5.
4.2.4.2. KC2 - Sự hydro hóa lớp vỏ bọc
Giới hạn hàm lượng hydro hấp thụ trong lớp vỏ bọc đối với tiêu chuẩn này được xác định [H] = 0,04%.
72
4.3. Phƣơng pháp phân tích và mô hình hóa [10] [24] 4.3.1. Phƣơng pháp phân tích
Phương pháp đánh giá độc lập thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 sử dụng trong phân tích:
- Xây dựng mô hình hóa FRAPCON-3.5 đối với thanh nhiên liệu TVS-2006 sử dụng dữ liệu thiết kế từ Hồ sơ phân tích an toàn sơ bộ PSAR-AES2006;
- Giả định hoặc lấy xấp xỉ các thông số chưa đầy đủ trong input đầu vào và thực hiện tính toán sử dụng chương trình FRAPCON-3.5;
- Phân tích các kết quả sử dụng đánh giá theo các tiêu chuẩn thiết kế được chấp nhận.
4.3.2. Mô hình hóa thanh nhiên liệu TVS-2006
Thanh nhiên liệu TVS-2006 được mô hình hóa sử dụng chương trình FRAPCON-3.5 dựa trên các thông số thiết kế, dữ liệu tham chiếu trong vận hành thử nghiệm ở các tổ lò VVER-1000 và dữ liệu được đưa ra từ PSAR-AES2006:
- Kích thước của thanh nhiên liệu và các điều kiện biên được lấy từ dữ liệu thiết kế. Thanh nhiên liệu được chia thành 50 đoạn dọc trục bằng nhau; 17 mặt biên theo phương bán kính; 45 vành thể tích bằng nhau theo bán kính;
- Các tính toán thực hiện trong 4 chu kỳ hoạt động của nhiên liệu (1372,8 ngày hiệu dụng - EFPD):
+ Lịch sử công suất sử dụng trong tính toán được lấy từ dữ liệu của PSAR- AES2006 và dữ liệu tham chiếu trong vận hành thử nghiệm ở các tổ lò VVER-1000 (Hình 4.2);
+ Phân bố công suất dọc trục tương đối mang tính bảo thủ trong thanh nóng nhất được sử dụng trong đánh giá nhiệt độ cực đại của nhiên liệu và vỏ bọc thanh (Bảng 4.2).
73
Hình 4. 2. Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính của thanh nhiên liệu TVS-2006 [12] [24] Bảng 4. 2. Dữ liệu phân bố công suất dọc trục tương đối của thanh nhiên liệu [12]
Thông số Giá trị Chiều cao vùng hoạt, % 5 15 25 35 45 50 55 65 75 85 95 Kz 0,5 0,83 1,07 1,25 1,35 1,357 1,35 1,25 1,07 0,83 0,5
4.4. Đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 4.4.1. Kết quả tính toán cơ - nhiệt 4.4.1. Kết quả tính toán cơ - nhiệt
Các phân tích kết quả tính toán cơ - nhiệt của thanh nhiên liệu TVS-2006 bao gồm các tham số đặc trưng tin cậy về cơ - nhiệt đó là nhiệt độ cực đại của nhiên liệu, tỷ lệ phát tán khí phân hạch và áp suất bên trong thanh nhiên liệu do các sản phẩm khí phân hạch sinh ra.
Các kết quả tính toán phân bố nhiệt độ nhiên liệu cho thấy nhiệt độ nhiên liệu đạt giá trị cực đại ở đầu chu kỳ vận hành thứ nhất và bằng 1746,53 K (1473,38 oC). Giới hạn nhiệt độ nhiên liệu là [T] = Tmelt = 3113,14 K (2839,99 °С) (ở đầu chu kỳ vận hành thứ nhất), biên dự trữ an toàn K = 1,82.
74
Nhiệt độ trung bình của nhiên liệu trong 4 chu kỳ vận hành không vượt quá 1020,4 K (747,25 °С). Nhiệt độ trung bình đường tâm nhiên liệu cực đại bằng 1064,55 K (791,4 °С).
Nhiệt độ trung bình lớp vỏ bọc nhiên liệu có cực đại là 612,33 K (339,18 °С). Nhiệt độ trung bình bề mặt ngoài lớp vỏ bọc nhiên liệu cực đại là 606,08 K (332,93 °С), giá trị này không vượt quá giá trị giới hạn 628,15 K (355 °С).
Tỷ lệ phát tán khí phân hạch trong thanh nhiên liệu bằng 3,58% ở cuối chu kỳ vận hành thứ 4 và tỷ lệ phát tán khí phân hạch cục bộ cực đại là 3,89%.
Áp suất cực đại bên trong thanh nhiên liệu trong 4 chuy kỳ vận hành bằng 5,69 MPa, biên dự trữ an toàn K=2,85.
Các kết quả tính toán độ cháy nhiên liệu cho thấy độ cháy nhiên liệu cục bộ cực đại của thanh nhiên liệu bằng 73,62 MWd/kgU. Độ cháy nhiên liệu trung bình cực đại của thanh là 54,33 MWd/kgU. So sánh tương ứng với các kết quả từ PSAR là 71,7 MWd/kgU và 66,0 MWd/kgU.
Từ các kết quả tính toán và so sánh với kết quả từ PSAR và tiêu chuẩn cho phép về đặc trưng cơ - nhiệt của thanh nhiên liệu TVS-2006 cho thấy các kết quả theo tính toán đáp ứng khá tốt các tiêu chuẩn đưa ra và phù hợp tin cậy cơ - nhiệt học của thanh nhiên liệu TVS-2006 trong vận hành. Tuy nhiên, áp suất trong thanh nhiên liệu và độ bất định của nhiệt độ bề mặt bên ngoài lớp vỏ bọc là khá thấp. Điều này có thể là do các thông tin không đầy đủ về lịch sử công suất thiết kế và các độ bất định trong PSAR-AES2006.
Trong quá trình hoạt động của lò phản ứng, các sản phẩm khí phân hạch được giải phóng từ viên gốm nhiên liệu UO2 sẽ làm tăng áp suất trong thanh nhiên liệu. Trong trường hợp giới hạn áp suất bên trong thanh nhiên liệu cao hơn áp suất vòng sơ cấp thì khoảng cách giữa lớp vỏ bọc - viên gốm có thể tăng, dẫn đến việc giảm khả năng truyền nhiệt làm gia tăng nhiệt độ nhiên liệu. Khi đó lượng khí phân hạch được giải phóng nhiều hơn và tiếp tục làm gia tăng áp suất bên trong thanh nhiên liệu. Điều này gây ra hiệu ứng dây chuyền diễn ra một cách tự động và tạo ra các sai
75
hỏng nhanh chóng của thanh nhiên liệu. Áp suất trong thanh nhiên liệu cao có thể dẫn đến sự bất ổn tính dẻo của lớp vỏ bọc gây ra các đứt gãy cục bộ. Trong trường hợp thông lượng nhiệt tới hạn bị vượt quá trong trạng thái chuyển tiếp sẽ dẫn tới sự hình thành đột ngột khí cục bộ trong thanh nhiên liệu gây biến dạng lớp vỏ bọc, tắc nghẽn sự lưu thông dòng tải nhiệt và gây ra sự sai hỏng của các thanh nhiên liệu lân cận.
Do đó, kết quả này cần phải được xem xét thêm. Ngoài ra, theo như giá trị áp suất được chỉ ra trong Bảng 4.3 thì giá trị áp suất bên trong thanh nhiên liệu đưa ra trong PSAR là khá cao theo phản hồi kinh nghiệm vận hành cũng như theo thiết kế với chiều dài cột nhiên liệu dài hơn. Thông số này thường có giá trị nằm trong khoảng 10 - 12 MPa sau 4 chu kỳ vận hành chứ không phải là 15,2 MPa. Điều này cần phải được đánh giá lại với các tính toán bổ sung theo lịch sử công suất có độ tin cậy cao hơn.
Các kết quả tính toán về nhiệt độ, áp suất và tỷ lệ phát tán khí phân hạch được đưa ra trong Bảng 4.3 và Hình 4.3 - 4.12.
Bảng 4. 3. Các kết quả tính toán cơ - nhiệt thanh nhiên liệu TVS-2006
Tham số Hiệu
dụng Độ bất định Cực đại PSAR Giá trị giới hạn Biên dự trữ an toàn, K* Biên an toàn chuẩn, [K] Nhiệt độ nhiên liệu, K 1551,84 467,84 1710,53 1860,15 3113,14 1,82 1,1 Nhiệt độ bề mặt ngoài vỏ bọc, K 601,56 277,67 606,08 628,15 628,15 1,04 - FGR, % 2,44 1,14 3,58 3 - - - Áp suất trong thanh, MPa 4,97 0,72 5,69 15,9 16,2 2,85 1,1
76
Hình 4. 3. Nhiệt độ trung bình của nhiên liệu trong 4 chu kỳ vận hành
77
Hình 4. 5. Nhiệt độ trung bình lớp vỏ bọc theo chiều dọc thanh nhiên liệu
78
Hình 4. 7. Lưới nhiệt độ trung bình của thanh nhiên liệu
79
Hình 4. 9. Tỷ lệ phát tán khí phân hạch theo trục thanh nhiên liệu
80
Hình 4. 11. Độ cháy trung bình của thanh nhiên liệu trong 4 chu kỳ vận hành
Hình 4. 12. Độ cháy theo chiều dọc thanh nhiên liệu
4.4.2. Kết quả tính toán độ bền
Kinh nghiệm vận hành thanh nhiên liệu trong lò phản ứng cũng như các tính toán phân tích và thử nghiệm cho thấy ứng suất bền kéo tiếp tuyến là đại lượng đặc trưng cho độ bền của lớp vỏ bọc trong trạng thái vận hành ổn định và các quá trình
81
chuyển tiếp. Điều này giải thích tại sao phân tích độ bền của thanh nhiên liệu sẽ tập trung vào các đại lượng ứng suất này.
Ở thời điểm đầu của chu kỳ, ứng suất tiếp tuyến trên bề mặt trong của lớp vỏ bọc được xác định chủ yếu bởi gradien nhiệt độ và áp suất thay đổi bên ngoài thanh nhiên liệu của chất làm mát. Khi bắt đầu vận hành, khoảng cách giữa viên gốm nhiên liệu và vỏ bọc mở rộng do sự co ngót của nhiên liệu (cơ chế “mở”), theo thời gian vận hành do giãn nở nhiệt và phân mảnh của nhiên liệu, sẽ có xu hướng xảy ra sự tiếp xúc giữa nhiên liệu và vỏ bọc (cơ chế “kín”). Sau khi khoảng cách nhiên liệu và vỏ bọc tiếp xúc kín, trước tiên nhiên liệu sẽ tương tác “mềm” với lớp vỏ bọc, sau đó sẽ xảy ra tương tác “cứng” khi viên gốm nhiên liệu bắt đầu phân mảnh. Điều này dẫn đến ứng suất tiếp tuyến của bề mặt trong lớp vỏ bọc gia tăng trước tiên ở tâm và sau đó là ở các mặt tiết diện của thanh nhiên liệu.
Trong 4 chu kỳ vận hành, ứng suất vỏ bọc đạt ổn định ở mức khoảng 70 - 80 MPa và ứng suất hiệu dụng cực đại bằng 103,28 MPa, giá trị này là thấp hơn ứng suất chảy dẻo của vật liệu vỏ bọc. Ứng suất tiếp tuyến cực đại của lớp vỏ bọc là 95,49 MPa. Các ứng suất cao chỉ có thể xảy ra trong trường hợp biến dạng lớp vỏ bọc (kéo căng) do giãn nở nhiệt của nhiên liệu (ứng suất biến dạng) trong suốt quá trình chuyển tiếp. Các kiểm tra đối với lớp vỏ bọc trên thanh nhiên liệu đã cháy với điều kiện áp suất khí bên trong ở nhiệt độ T = 380 oC cho thấy ứng suất tiếp tuyến gây sai hỏng nằm trong khoảng 490 - 530 MPa với độ dẻo dư δp = 3 - 5%.
Đối với biến dạng tiếp tuyến của lớp vỏ bọc, giá trị cực đại theo tính toán bằng 0,2%, biên dự trữ an toàn K=2,5. Đối với biến dạng đàn hồi của lớp vỏ bọc, giá trị cực đại theo phương tiếp tuyến bằng 0,06%, theo phương dọc trục là 0,09% và theo phương bán kính là 0,0629%.
Các thử nghiệm ở độ cháy 50 - 60 MWd/kgU trong lò phản ứng MIR cho thấy biến dạng dẻo tiếp tuyến đạt tới 0,5% vẫn không gây ra hư hại lớp vỏ bọc và giá trị này được lấy làm giới hạn.
82
Các kết quả tính toán về ứng suất và biến dạng của lớp vỏ bọc cho thấy đáp ứng được các tiêu chuẩn cho phép và các điều kiện vận hành ổn định.
Các kết quả về ứng suất và biến dạng của lớp vỏ bọc được đưa ra trong Bảng 4.4 và Hình 4.13 - 4.18.
Bảng 4. 4. Các kết quả tính toán độ bền thanh nhiên liệu
Tham số
lớp vỏ bọc dụng Hiệu Độ bất định Cực đại PSAR Giá trị giới hạn Biên dự trữ an toàn, K Biên an toàn chuẩn, [K] Ứng suất hiệu dụng, MPa 83,32 19,96 103,28 - - - - Ứng suất tiếp tuyến, MPa 76,99 18,50 95,49 70-80 230 2,41 1,2 Biến dạng tiếp tuyến, % 0,14 0,06 0,20 - 0,5 2,5 - Biến dạng đàn hồi tiếp tuyến, % 0,05 0,01 0,06 - - - - Biến dạng đàn hồi hướng trục, % 0,07 0,02 0,09 - - - - Biến dạng đàn hồi hướng tâm, % 0,06 0,0029 0,0629 - - - -
83
Hình 4. 13. Ứng suất hiệu dụng của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu
84
Hình 4. 15. Biến dạng tiếp tuyến của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu
85
Hình 4. 17. Biến dạng đàn hồi hướng trục theo trục thanh nhiên liệu
Hình 4. 18. Biến dạng đàn hồi hướng tâm theo trục thanh nhiên liệu
4.4.3. Kết quả tính toán biến dạng hình học
Trong 4 chu kỳ vận hành, độ giãn dài cực đại của cột nhiên liệu bằng 5,02 mm và độ giãn dài cực đại của thanh nhiên liệu trong các điều kiện vận hành là bằng 30,23 mm.
86
Các nghiên cứu phân tích thực nghiệm về độ giãn dài của bó thanh nhiên liệu do nhiệt và chiếu xạ (~0,15%) thì khoảng cách độ hở giữa đầu trên của thanh nhiên liệu và khối đỉnh của bó thanh trong trạng thái nóng là bằng ~61,6 mm (không tính đến độ giãn dài của thanh nhiên liệu). Biên dự trữ an toàn đối với độ giãn dài của thanh nhiên liệu K = 61,6/30,23 = 2,04.
Khi trạng thái vật liệu của vỏ bọc chịu mức áp suất đạt đến tới hạn cũng như tích lũy trong thời gian dài các biến dạng rão và phồng nở thì lớp vỏ bọc thanh nhiên liệu rất dễ dàng bị gãy vụn ngay lập tức. Các kết quả tính toán cho thấy tốc độ rão cực đại của vỏ bọc bằng 6,48.10-11 m/m/s và tốc độ phồng nở cực đại của lớp vỏ bọc là bằng 8,64.10-11 m/m/s.
Các kết quả tính toán độ biến dạng của thanh nhiên liệu được đưa ra trong Bảng 4.5 và Hình 4.19-4.21.
Bảng 4. 5. Các kết quả tính toán biến dạng hình học thanh nhiên liệu
Tham số Hiệu
dụng Độ bất định
Cực
đại PSAR Giá trị giới hạn Biên dự trữ an toàn, K Biên an toàn chuẩn, [K] Độ giãn dài của cột nhiên liệu, mm 3,18 1,84 5,02 - - - - Độ giãn dài của thanh nhiên liệu, mm 18,31 11,92 30,23 47,7 61,6 2,04 - Tốc độ rão của vỏ bọc, m/m/s 5,78 0,70 6,48 - - - - Tốc độ phồng nở, m/m/s 7,63 1,01 8,64 - - - -
87
Hình 4. 19. Độ giãn dài của vỏ bọc thanh nhiên liệu trong quá trình vận hành
88
Hình 4. 21. Tốc độ phồng nở của nhiên liệu theo trục thanh nhiên liệu
4.4.4. Kết quả tính toán về quá trình oxy hóa và hydro hóa
Trong quá trình vận hành, độ dày lớp oxit và hàm lượng hydro tích lũy trong lớp vỏ bọc có thể gây ra các ảnh hưởng về khả năng truyền nhiệt cũng như sự toàn vẹn của lớp vỏ bọc nhiên liệu. Hàm lượng hydro cao trong lớp vỏ bọc hợp kim zirconi làm tăng độ giòn đồng thời làm suy giảm các đặc tính bền của vật liệu.
Các kết quả tính toán về quá trình oxy và hydro hóa vỏ bọc thanh nhiên liệu cho thấy độ dày lớp oxit cực đại trên bề mặt vỏ bọc là 20,21 μm, biên dự trữ an toàn K= 2,97. Hàm lượng tích lũy hydro cực đại bằng 73,42 ppm, biên dự trữ an toàn K= 5,45.
Các kết quả tính toán cho thấy lớp vỏ bọc thanh nhiên liệu đáp ứng tin cậy khả năng vận hành của thanh nhiên liệu TVS-2006 trong điều kiện vận hành ổn định của lò phản ứng VVER-AES2006.
Các kết quả tính toán độ dày lớp oxit và hàm lượng hydro tích lũy trong lớp vỏ bọc được đưa ra trong Bảng 4.6 và Hình 4.22 - 4.23.
89
Bảng 4. 6. Các kết quả tính toán độ dày lớp oxit và hàm lượng hydro tích lũy
Tham số Hiệu dụng Độ bất định Cực đại PSAR Giá trị giới hạn Biên dự trữ an toàn, K Biên an toàn chuẩn, [K] Độ dày lớp oxit, μm 15,11 5,10 20,21 30 60 2,97 1,5 Hàm lượng hydro, ppm 68,05 5,37 73,42 60-80 400 5,45 -
Hình 4. 22. Độ dày lớp oxit trên bề mặt vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu
90
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Phân tích an toàn lò phản ứng trong các NMĐHN là vấn đề bao trùm nhiều