Phần lớn các sự cố kỹ thuật gây ra bởi quá trình mỏi của vật liệu. Hư hỏng do mỏi được định nghĩa là xu hướng của một vật liệu bị gãy hỏng do các vết nứt phát triển khi lặp lại ứng suất có cường độ thấp hơn nhiều so với ứng suất phá hỏng. Số chu kỳ cần thiết để gây ra hư hỏng mỏi tại một ứng suất thấp nói chung là khá lớn, nhưng sẽ giảm khi ứng suất tăng lên. Mỏi nhiệt phát sinh từ ứng suất nhiệt được tạo ra do những thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ. Hư hỏng do mỏi xuất phát từ vết nứt hoặc lõm nhỏ trong kim loại. Ban đầu các vết nứt lan truyền từ từ và sau đó tăng nhanh khi ứng suất cục bộ tăng lên do giảm mặt cắt ngang chịu lực.
Ở nhiệt độ cao và ứng suất hoặc tải trọng không đổi, nhiều vật liệu tiếp tục biến dạng với tốc độ chậm. Hiện tượng này được gọi là rão vật liệu. Tại một ứng suất và nhiệt độ không đổi, tốc độ rão gần như không đổi trong một thời gian dài.
Khi nhiệt độ và ứng suất tăng lên, cùng với thời gian sự rão mỏi dần trở nên quan trọng hơn và có khả năng gây ra hư hỏng vật liệu. Để đảm bảo hoạt động an
25
toàn, tổng biến dạng do rão phải thấp hơn biến dạng hư hỏng. Zircaloy có một giới hạn rão thấp, và sự rão Zircaloy được xem xét chủ yếu trong thiết kế các thanh nhiên liệu.
Sự mỏi và rão vật liệu vỏ bọc thanh nhiên liệu tăng theo thời gian hoạt động, cũng là theo chiều tăng độ cháy. Bên cạnh sự rão mỏi do nguyên nhân nhiệt độ cao và biến đổi, vật liệu nhiên liệu và vỏ bọc còn bị giòn hóa dưới tác dụng bức xạ, oxy hóa và hấp thu hydro, đặc biệt trong các điều kiện chuyển tiếp và tai nạn. Sự rão mỏi và giòn hóa là nguyên nhân thường xuyên làm suy yếu cơ tính của nhiên liệu. Trong điều kiện mất ổn định về công suất, nhiệt độ, entanpy và áp lực khí phân hạch tăng cao, tương tác nhiên liệu - vỏ bọc gia tăng, nhiên liệu đứng trước nguy cơ không bảo toàn được dạng hình học, vỏ bọc bị phá vỡ dẫn tới phát tán chất phóng xạ vào vòng tuần hoàn sơ cấp.
2.4. Đặc trƣng thủy nhiệt động đối với thanh nhiên liệu
Nhiều hiện tượng vật lý trong lò phản ứng có liên quan đến lĩnh vực thủy nhiệt động. Quá trình lưu thông chất tải nhiệt trong vùng hoạt phải đảm bảo để nhiệt lượng sinh ra trong vùng hoạt được tải ra bên ngoài với hiệu suất cao nhất.Trong lò phản ứng, nước tải nhiệt từ vùng hoạt phải được chuyển tới thiết bị sinh hơi hoặc trực tiếp tới tuabin, đồng thời có chức năng làm mát vùng hoạt đủ để không xảy ra quá nhiệt đối với thanh nhiên liệu. Quá trình làm mát phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy, hình dạng của thanh nhiên liệu, áp suất, các đặc trưng của chất làm mát (mật độ, nhiệt dung); những yếu tố này lại biến đổi tùy thuộc vào thực tế lò phản ứng vận hành bình thường hay trong các điều kiện sự cố.
Những vấn đề nhiệt thủy lực cơ bản trong lò phản ứng thường được nhắc tới là:
- Chế độ dòng chảy đối với chất lỏng hai pha; - Thông lượng nhiệt tới hạn (CHF);
26 - Các nguyên lý nhiệt động học;
- Các phương trình mô phỏng và thuật toán giải chúng.
Trong điều kiện vận hành bình thường cơ chế tải nhiệt từ vùng hoạt ra bên ngoài lò phản ứng là cơ chế đối lưu. Dòng chất làm mát được đưa vào nhờ các bơm cấp nước chính và được giữ tốc độ lưu lượng lối vào ổn định. Sự truyền nhiệt trong vùng hoạt làm chất lưu nổi lên trên tạo nên dòng tuần hoàn lưu thông tự nhiên. Ngược lại tổn thất áp suất gây ra khi dòng chất lưu xuyên qua vùng hoạt có xu hướng là nguồn lực cản lớn nhất của dòng chảy đối với chức năng tải nhiệt.
Khả năng tải nhiệt vùng hoạt của chất lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng của nhiên liệu, các tính chất của chất lỏng (hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, mật độ, độ nhớt), các tính chất dòng chảy (vận tốc của chất lỏng, sự phân bố của chất lỏng), vật liệu làm nhiên liệu (hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, entanpy)….
2.4.1. Thông lƣợng nhiệt tới hạn và quá trình dời khỏi vùng sôi nhân [20]
Môi trường trong các thiết bị lò phản ứng nước nhẹ (LWR) liên quan đến sự biến đổi pha của nước. Hơi được sinh ra trong quá trình sôi tạo thành dòng hai pha nước - hơi. Dòng hai pha biến đổi liên tục, tức thời và ngẫu nhiên, đặc biệt là trong các thiết bị lò phản ứng tại áp suất và nhiệt độ cao, nên việc mô phỏng tính toán đáp ứng dòng là rất phức tạp.
Hậu quả nghiêm trọng liên quan với sự sôi trong lò phản ứng là những suy giảm đặc trưng cơ nhiệt và thủy nhiệt gây ra hiện tượng nứt gãy, nóng chảy nhiên liệu, dẫn tới phát thải phóng xạ vào chất tải nhiệt và môi trường. Trong điều kiện vận hành chuyển tiếp và sự cố, khi sự sôi xảy ra, do ảnh hưởng của môi trường gồm nước và hơi ở áp suất nhiệt độ cao, các quá trình như oxy hóa, hydrua hóa, ăn mòn, tương tác nhiên liệu - vỏ bọc,... diễn ra mạnh hơn so với trường hợp không có hiện tượng sôi.
27
Như vậy môi trường nước liên quan đến quá trình sôi thường tiềm ẩn nhiều nguy cơ gây mất an toàn, khi thông lượng nhiệt trong lò phản ứng đạt giá trị tới hạn thì hiệu suất nhiệt là cao nhất nhưng quá trình sôi lại dễ chuyển biến theo hướng bất lợi.
Khi công suất vùng hoạt tăng, quá trình tạo nhân sôi bắt đầu xảy ra trên bề mặt thanh nhiên liệu. Đường cong sôi bể điển hình (Hình 2.10) thể hiện trên biểu đồ quan hệ thông lượng nhiệt - nhiệt độ. Tại giá trị thấp của ΔTsat đường cong gần như tuyến tính, do hệ số truyền nhiệt đối lưu (h) gần như không đổi. Không có sự tạo bọt và quá trình truyền nhiệt xảy ra do đối lưu tự nhiên chất lỏng. Ở nhiệt độ 10 - 12 độ trên bão hòa, thông lượng nhiệt tăng nhanh với sự tăng nhiệt độ thành vỏ bọc. Quá trình truyền nhiệt tăng do hiện tượng sôi nhân, vì sự tạo thành và chuyển động bọt hơi làm tăng chảy rối gần bề mặt rắn, dẫn tới trộn lẫn nhiều hơn chất lỏng trong khu vực màng đã cải thiện tốc độ truyền nhiệt.
Khi nhiệt độ bề mặt rắn vượt quá nhiệt độ bão hòa, quá trình sôi cục bộ xảy ra ngay cả khi nhiệt độ bên trong khối nước thấp hơn nhiệt độ bão hòa. Nhiệt độ nước tại lớp biên trên bề mặt đốt nóng có thể trở thành đủ cao đến mức quá trình sôi bể ở vùng quá nguội (subcooled) xảy ra. Các bong bóng sẽ ngưng tụ trước khi rời khỏi lớp bề mặt vì nhiệt độ khối nước còn thấp hơn nhiệt độ bão hòa.
28
Hình 2. 10. Đường cong đặc trưng của mô hình sôi bể [20]
Khi tăng nhiệt độ bề mặt, thông lượng nhiệt có thể đạt tới thông lượng nhiệt tới hạn, tại đó quá trình sôi màng xảy ra. Tại điểm này, các bong bóng nhiều đến mức chúng kết hợp thành một lớp hơi cách ly xung quanh thanh nhiên liệu, làm giảm độ dẫn nhiệt và thông lượng nhiệt giảm nhanh.
Thông lượng nhiệt tới hạn là thông lượng nhiệt cực đại mà chất lỏng bão hòa có thể hấp thụ.
Trong chế độ sôi nhân phát triển hoàn toàn, điều có thể xảy ra là thông lượng nhiệt tăng mà không biến đổi đáng kể nhiệt độ bề mặt cho tới điểm vượt quá vùng sôi nhân (DNB), tại điểm này sự chuyển động của các bong bóng trên bề mặt mạnh
29
tới mức có thể dẫn tới khủng hoảng thủy nhiệt, với sự tạo thành màng hơi liên tục trên bề mặt và đạt tới CHF.
Trong quá trình sôi quá nguội (subcooled boiling), CHF là hàm số của tốc độ chất làm mát, mức độ quá nguội và áp suất. Có một số lớn các tương quan (hệ thức) tính toán CHF. Trong đó hệ thức Bernath (2001) được sử dụng để dự báo CHF trong vùng sôi quá nguội (dựa trên điều kiện quá nhiệt vách tới hạn khi cháy kiệt và quá trình truyền nhiệt đối lưu hỗn hợp chảy rối). Phương trình Bernath cho kết quả tối thiểu cho nên nó được coi là dự tính bảo thủ nhất:
(2.8)
(2.9) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
(2.10)
Trong đó, q’’crit là thông lượng nhiệt tới hạn (W/m2), hcrit là hệ số truyền nhiệt tới hạn (W/m2K), Tcrit lànhiệt độ bề mặt tới hạn (oC), p là áp suất (MPa), u là tốc độ dòng chảy (m/s), Dw là đường kính thủy lực ướt (m), Di là đường kính nguồn nhiệt (m).
Tương quan này có thể áp dụng đối với các kênh tiết diện tròn, chữ nhật và hình vành khăn (xuyến), áp suất 0,1 - 20,6 MPa, tốc độ dòng chảy 1 - 16 m/s và đường kính thủy lực 0,36 - 1,7 cm.
Trong một lò phản ứng PWR, CHF xuất hiện khi mật độ bong bóng từ vùng sôi nhân trong màng ranh giới của thanh nhiên liệu lớn đến mức bong bóng liền kề kết hợp lại và tạo thành một màng hơi trên bề mặt của thanh. Sự truyền nhiệt qua màng hơi là tương đối thấp so với qua màng chất lỏng, và sự xuất hiện CHF làm tăng đáng kể nhiệt độ bề mặt vỏ bọc. Trong điều kiện như vậy, quá trình oxy hóa nhanh chóng (hoặc thậm chí nóng chảy) vỏ bọc có thể xảy ra dẫn đến phá hỏng vỏ bọc.
30
Với các thiết bị trong lò phản ứng, CHF được thể hiện qua DNB đối với lò PWR và điểm khô dòng (Dryout) đối với lò BWR. Đối với lò BWR, Dryout thể hiện ở điểm khởi đầu chuyển tiếp từ màng phân tán sang vùng sôi chuyển tiếp; còn đối với lò PWR, DNB thể hiện ở điểm bọt khí được phát triển, mở rộng. Vị trí DNB và Dryout được miêu tả tương ứng với tỷ phần rỗng cục bộ trong kênh dòng trên Hình 2.11.
Hình 2. 11. Thông lượng nhiệt tới hạn đối với lò PWR và BWR [20]
Tỷ số giữa thông lượng nhiệt tương quan đoán trước và thông lượng nhiệt vận hành thực tế áp dụng cho lò PWR được gọi là tỷ số dời khỏi vùng sôi nhân (DNBR). Tỷ số này thay đổi trên chiều dài thanh nhiên liệu và đạt giá trị nhỏ nhất ở vị trí thông lượng nhiệt tới hạn. Đối với lò BWR, điều kiện Dryout được biểu diễn theo tỷ số công suất tới hạn CPR. Giới hạn áp dụng cho các điều kiện tới hạn được đánh giá thông qua các giá trị nhỏ nhất của DNBR (MDNBR) và của CPR (MCPR).
31
2.4.2. Sự ăn mòn do cọ xát của vỏ bọc thanh nhiên liệu với lƣới định vị [19]
Sự rung động vùng hoạt dưới tác dụng của dòng chảy, tác động của dòng chảy ngang, cùng với sự suy giảm hiệu quả giảm chấn (do rão hóa hệ thống lò xo và lưới đỡ dưới tác dụng bức xạ, nhiệt độ và áp suất trong điều kiện vận hành của lò phản ứng), dẫn tới sự chuyển động tương đối giữa các phần khác nhau của bó thanh nhiên liệu. Hiện tượng không mong muốn xảy ra là sự cọ xát, va trượt giữa vỏ thanh nhiên liệu và lưới định vị, dẫn tới mòn xước thanh nhiên liệu.
Một trong số những dạng ăn mòn thường gặp đối với bó thanh nhiên liệu đó là ăn mòn do cọ xát xảy ra khi các bề mặt tiếp xúc có độ cứng khác nhau dao động tương đối với cường độ nhỏ trong môi trường ăn mòn (Hình 2.12).
Hình 2. 12. Hư hỏng do cọ xát giữa vỏ bọc và lưới định vị [25]
Thống kê tỷ lệ các dạng hư hỏng nhiên liệu phổ biến trong thập kỷ vừa qua tại các lò phản ứng nước nhẹ của Mỹ cho thấy đây thuộc dạng hư hỏng nhiên liệu phổ biến nhất hiện nay (Hình 2.13).
32
Hiện tượng ăn mòn do cọ xát phụ thuộc nhiều vào thiết kế nhiên liệu và vào quá trình chế tạo. Trong lò phản ứng quá trình ăn mòn do cọ xát giữa lưới định vị và thanh nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, trong đó bao gồm cả các yếu tố về cơ chế rung động thủy lực, cũng như sự rão mỏi vật liệu hay các điều kiện vận hành cụ thể của lò phản ứng….
Hiện nay những ảnh hưởng trực tiếp tới nhiên liệu do ăn mòn cọ xát được đánh giá chủ yếu thông qua quá trình hậu kiểm bằng các thử nghiệm sau chiếu xạ.
2.4.3. Biến đổi hình học thanh nhiên liệu dƣới tác dụng thủy lực [25]
Dưới tác dụng của lực thủy động dòng chất làm mát cùng với sự rão hóa của vật liệu lớp vỏ bọc nhiên liệu sẽ dẫn đến nguy cơ biến dạng của các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt. Sự biến dạng của các thanh nhiên liệu thường có dạng hình chữ S hoặc chữ C như trong Hình 2.14.
Hình 2. 14. Biến dạng hình học thanh nhiên liệu, (a) kiểu chữ S, (b) kiểu chữ C [25]
Hậu quả của việc biến dạng hình học các thanh nhiên liệu sẽ dẫn đến:
- Hiện tượng cong vênh của các ống dẫn thanh điều khiển trong BTNLHN. Điều này làm cho các cụm thanh điều khiển không rơi vào vùng hoạt theo thời gian thiết kế;
33
- Làm thay đổi khe hở giữa các thanh nhiên liệu (là kênh dẫn chất làm chậm và tải nhiệt, bình thường khoảng 2 mm), dẫn tới phân bố lại công suất và nhiệt độ cục bộ không đồng đều (Hình 2.15);
- Gây khó khăn khi phải thay đảo (lắp đặt hoặc rút ra) BTNLHN trong vùng hoạt hoặc trong bể chứa BTNLHN đã qua sử dụng.
Hình 2. 15. Quan hệ giữa độ cong bó thanh và độ lệch khỏi kích thước khe hở danh định giữa các bó thanh [8]
Thiết kế nhiên liệu đã có những thay đổi để khắc phục các hậu quả trên. Trong hai thập kỷ qua, phản hồi kinh nghiệm cho thấy rằng dòng làm mát tại đầu vào vùng hoạt tạo ra lực rung lắc cao ở phần dưới của bó thanh nhiên liệu dẫn tới một số hiện tượng ăn mòn nghiêm trọng ở phần dưới thanh nhiên liệu. Để giảm bởi khuyết tật, nhà thiết kế nhiên liệu thêm vào gần đầu dưới bó thanh nhiên liệu một lưới định vị không có cánh trộn dòng làm mát. Lưới định vị thêm vào làm tăng lực nâng và tăng suy giảm áp suất của bó thanh nhiên liệu và do đó làm giảm rung lắc sinh ra bởi dòng làm mát lên các thanh nhiên liệu.
Những cải tiến khác như về độ dày ống dẫn hướng, củng cố khả năng giảm chấn, và lựa chọn vật liệu tốt hơn cho các chi tiết cấu trúc bó thanh nhiên liệu đã làm giảm thiểu ảnh hưởng xấu của dòng chảy thủy lực tới bó thanh nhiên liệu.
So sánh giữa biến đổi của bó thanh nhiên liệu PWR và VVER dưới áp lực thủy động, có một số điểm chính sau:
34 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Bó thanh nhiên liệu VVER theo thiết kế có khung giữ tuy độ ổn định tốt hơn so với bó thanh PWR nhưng độ suy giảm áp suất lại cao hơn nên mang lại ít lợi ích hơn về khả năng làm mát, DNB,…;
- Biến dạng giãn dài của bó thanh VVER thấp hơn so với bó thanh PWR; đồng thời với thiết kế có khung giữ nên bó thanh VVER giảm thiểu tốt hơn sự rủi ro trong quá trình nạp tải nhiên liệu và cố định các thanh nhiên liệu;
- Trong điều kiện tai nạn/sự cố LOCA, phần chân đế của bó thanh nhiên liệu PWR chịu lực tác động của dòng làm mát nhỏ hơn so với bó thanh nhiên liệu VVER.
Lực thủy động của dòng nước gây áp lực và tạo ra sự rung lắc bó thanh nhiên liệu, trong khi thanh nhiên liệu chịu lực nén ép của các lò xo hướng xuống và sự dài ra của bó thanh nhiên liệu do bức xạ. Nói chung bó thanh nhiên liệu của lò nước áp lực (PWR) tiếp xúc với điều kiện thủy động cường độ mạnh và mức độ hỗn độn cao.
Sự bất ổn định của dòng chất làm mát là một trong những cơ chế phá hủy các bộ phận thành phần trong vùng hoạt, tạo ra các rung lắc quá mức đảm bảo của các bộ phận giảm xóc, khi mà vận tốc dòng làm mát đủ lớn để năng lượng hấp thụ từ