Trang này hiển thị cùng lúc 8 đồ thị thông số liên quan đến hoạt động lò (Hình 2.9). Các đồ thị này có thể được thay thế bằng cách chọn trong danh sách 65 đồ thị ở danh mục tên đồ thị. Trang này cho phép người dùng xuất đồ thị tức thời bằng cách nhấp chuột phải và chọn “copy data”.
CHƯƠNG 3. KHẢO SÁT HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘ PHẢN ỨNG KHI XẢY RA SỰ CỐ RỚT MỘT NHÓM THANH HẤP THỤ TRONG LÕI LÒ.
Đối với lò phản ứng CANDU, việc điều khiển độ phản ứng lò ở điều kiện hoạt động bình thường có sự tham gia của 3 hệ thống trực thuộc RRS bao gồm: hệ điều khiển vùng lỏng, hệ thanh hấp thụ và hệ thanh điều khiển. Độ phản ứng lò có thể được điều chỉnh theo cả hai chiều hướng âm và dương nhờ vào việc điều chỉnh lượng nước trong hệ điều khiển vùng lỏng. Nếu lò yêu cầu bù đắp độ phản ứng vượt giới hạn của hệ này thì hai hệ còn lại sẽ hỗ trợ bù đắp độ phản ứng với giới hạn lớn hơn nhiều lần.
Sự cố rớt một nhóm thanh hấp thụ trong lõi lò ngay lập tức sẽ làm thông lượng neutron sụt giảm nhanh chóng, độ sai năng lượng P.E lệch hẳn khỏi giá trị 0 và vượt quá giới hạn điều khiển của hệ điều khiển vùng lỏng. Khi đó, hệ thanh điều khiển và hệ điều khiển vùng lỏng sẽ tự động điều chỉnh để đưa lò về trạng thái cân bằng độ phản ứng, qua đó đưa điểm hoạt động trở về vùng P.E có giá trị 0.
Bình thường, với khả năng hấp thụ neutron “mạnh”, chỉ dùng hệ thống thanh hấp thụ cũng đủ khả năng giảm năng lượng lò xuống rất thấp mà không cần đến hệ thống dập lò khẩn cấp.Vậy điều gì sẽ xảy ra với năng lượng lò? Nếu sự cố không được giải quyết kịp thời thì năng lượng lò sẽ thay đổi như thế nào? Phản ứng của hệ điều khiển độ phản ứng như thế nào để khắc phục sự cố? Thông qua phần mềm CANDU-9 Compact Simulator chúng tôi sẽ tìm hiểu để trả lời những câu hỏi trên.
Các khái niệm
a) Điểm hoạt động: điểm giao nhau giữa hai giá trị tức thời của độ sai năng lượng và mực nước trung bình trong hệ điều khiển vùng lỏng trên biểu đồ.
b) Độ sai năng lượng: được cho bởi hiệu giữa mức năng lượng thực với mức năng lượng yêu cầu và có đơn vị %.
P.E = năng lượng thực – năng lượng yêu cầu (3.1)
P.E < 0: cần bù vào hoạt độ dương để duy trì trạng thái cân bằng, nước trong hệ thống LZC sẽ được giảm xuống.
P.E > 0: cần bù vào hoạt độ âm để duy trì trạng thái cân bằng, nước trong hệ thống LZC sẽ được tăng lên.
Nếu việc thay đổi lượng nước không thể đáp ứng giới hạn độ phản ứng yêu cầu, hệ thống thanh hấp thụ và thanh điều khiển sẽ được vận hành để bù vào mức giá trị thiếu hụt. Mức độ tham gia của hai hệ thống mở rộng giới hạn này còn tuỳ vào điều kiện mực nước trong hệ điều khiển chất lỏng và giá trị độ sai năng lượng.
Công thức (3.1) chỉ là công thức đơn giản để mô tả ý nghĩa của độ sai năng lượng. Hệ số P.E thực tính còn bao gồm cả độ lớn và mức thay đổi của thông số năng lượng thực, năng lượng yêu cầu theo công thức riêng có đi kèm hằng số.
c) Biểu đồ cơ chế điều khiển độ phản ứng
Sử dụng hệ điều khiển vùng lỏng là cách thức điều khiển độ phản ứng với giới hạn nhỏ và ngắn hạn bằng cách thay đổi mực nước trong hệ qua đó thay đổi sự hấp thụ neutron trong lõi lò.
Mực nước nhẹ của hệ điều khiển vùng lỏng trong điều kiện hoạt động bình thường có giá trị 30% - 50%. Vùng hoạt động của hệ điều khiển vùng lỏng nằm trong khoảng 15% - 80% và giới hạn độ sai năng lượng trong khoảng -4% < P.E < +3% (minh họa trong hình 3.1)
Trong điều kiện hoạt động bình thường, các nhóm thanh điều khiển luôn nằm hoàn toàn trong lõi lò. Khi cần bù một giá trị độ phản ứng dương vượt quá khả năng của hệ thống điều khiển vùng lỏng thì các nhóm thanh điều khiển được rút dần ra khỏi lò.
Trong tất cả các trường hợp di chuyển, hệ thanh điều khiển được tự động (có thể điều chỉnh) để đưa điểm hoạt động lò về vùng hoạt động trong giới hạn của hệ điều khiển vùng lỏng (minh họa trong hình 3.2 với vùng giá trị mực nước trung bình 15% - 75% và độ sai năng lượng -4% < P.E < 4%).
Trong điều kiện hoạt động bình thường, các nhóm thanh hấp thụ đều nằm hoàn toàn bên ngoài lõi lò. Chúng được đẩy vào trong lõi lò nhằm thêm độ phản ứng âm khi mức yêu cầu vượt quá giới hạn của hệ điều khiển vùng lỏng. Hệ thanh hấp thụ cũng được điều khiển tự động để duy trì vị trí của điểm hoạt động lò trong vùng giới hạn của hệ điều khiển vùng lỏng. Hệ thanh hấp thụ ngừng hoạt động nếu điểm hoạt động lò thuộc vùng có giá trị mực nước trung bình 75% - 80% và độ sai năng lượng -4% < P.E < +3% (minh họa trong hình 3.3).
Hình 3.3. Đồ thị vùng hoạt động của hệ thống thanh hấp thụ
Kết hợp đồ thị của 3 hệ thống điều khiển độ phản ứng lò ta sẽ có được đồ thị biểu diễn điểm hoạt động lò theo thời gian thực như trong hình 3.5.
Các bước chạy phần mềm
Chúng tôi tiến hành khảo sát sự thay đổi các thông số liên quan đến quá trình điều khiển độ phản ứng của lò CANDU trong trường hợp xảy ra sự cố một nhóm thanh hấp thụ bị rớt trong lõi lò. Điểm nhấn của sự cố là ngay sau khi nhóm thanh
hấp thụ rớt hoàn toàn vào lõi lò, gây ra sự thay đổi đột ngột của thông lượng neutron. Điểm hoạt động di chuyển về vùng nằm ngoài giới hạn hoạt động của hệ thống điều khiển vùng lỏng, hệ thanh điều khiển và hệ thanh hấp thụ ngay lập tức được điều chỉnh nhằm đưa điểm hoạt động về vùng ổn định.
Diễn biến cụ thể quá trình mô phỏng được nêu trong các bước từ 1 – 5 và minh hoạ qua các hình 3.4 và 3.5:
Bước 1: Khởi chạy phần mềm mô phỏng, chọn mức năng lượng 100% và bắt đầu. Bước 2: Chọn “Run” để lò mô phỏng lò hoạt động và chọn “Malf” để hiện ra bảng nhập sự cố (minh họa trong hình 3.4).
Hình 3.4. Danh sách các sự cố và tai nạn lò
Bước 3: Nhập sự cố “One bank of absorber rods drop” với thời gian trễ 5s (thời gian trễ là khoảng thời gian từ lúc nhập sự cố cho đến lúc sự cố diễn ra).
Bước 4: Quan sát và ghi chú sự thay đổi vị trí của điểm hoạt động trên đồ thị cũng như phản ứng của các hệ thống điều khiển độ phản ứng (minh họa trong hình 3.5).
Hình 3.5. Giao diện trang Reactivity Control sau khi nhập sự cố
Kết quả
Phần mềm mô phỏng không cho phép xuất dữ liệu toàn bộ quá trình nên việc theo dõi sự thay đổi của các thông số liên quan sẽ dựa vào số liệu và đồ thị thời gian thực hiển thị trong phần mềm.
Từ kết quả thu được, chúng tôi ghi nhận sự thay đổi vị trí của điểm hoạt động trên đồ thị (hình 3.6) và theo dõi cách phản ứng của các thành phần điều khiển độ phản ứng khi lò gặp sự cố rớt một nhóm thanh hấp thụ.
Hình 3.6. Đồ thị vị trí của điểm hoạt động trong quá trình tai nạn lò
Các nhóm thanh điều khiển đều lần lượt được rút ra khỏi lõi lò cùng với việc điều chỉnh lượng nước trong hệ điều khiển vùng lỏng để duy trì trạng thái điểm hoạt động ổn định quanh mức PE = 0%. Quá trình ổn định này kéo dài trong 127 phút cho đến khi các thanh điều khiển bị rút ra hết, chỉ còn hệ thống điều khiển vùng lỏng còn khả năng bù độ phản ứng dương.
Giá trị năng lượng ổn định tối đa mà lò có thể đạt được sau khi xảy ra sự cố dao động nhỏ quanh mức 43,9% FP trước khị tụt dần về 0% FP ở giai đoạn cuối của quá trình khảo sát. Tổng thời gian từ lúc sự cố bắt đầu diễn ra cho đến khi năng lượng lò tụt hoàn toàn là 144 phút.
Hình 3.7. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi năng lượng lò ở giai đoạn đầu của tai nạn
Hình 3.8. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi năng lượng lò ở giai đoạn duy trì điểm hoạt động trong vùng P.E = 0
Hình 3.9. Đồ thị biểu diễn sự biến đổi năng lượng lò sau khi các thanh điều khiển bị rút ra hoàn toàn
Phân tích và nhận xét
Qua đồ thị vị trí của điểm hoạt động ở hình 3.6, chúng tôi phân tích cơ chế hoạt động của 3 hệ thống điều khiển độ phản ứng trong quá trình tai nạn lò như sau:
A. Ngay sau khi thanh hấp thụ bị rớt vào lõi lò, điểm hoạt động ở mức ban đầu P.E = 0% lập tức chuyển về vùng P.E < -6%. Tại P.E = -7%, mực chất lỏng giảm dần từ mức hoạt động bình thường (50%) xuống 46% đồng thời hai nhóm thanh điều khiển được rút ra khỏi lõi lò.
B.Khi điểm hoạt động di chuyển về vùng -6% < P.E < -5%, lúc này chỉ còn duy nhất một nhóm thanh điều khiển được rút ra từ từ. Điểm hoạt động sau đó di chuyển về quanh vị trí cân bằng P.E = 0%. Trong giai đoạn này, mực nước trong hệ điều khiển vùng lỏng cũng giảm dần từ 45% xuống 7,5%. Đồng thời, một nhóm thanh hấp thụ vẫn được tiếp tục rút ra, trừ khi mực nước trong hệ điều khiển vùng lỏng đạt 15%.
C.Mực nước trong hệ điều khiển vùng lỏng tăng dần đến mức ổn định 15% và điểm hoạt động di chuyển tịnh tiến trong vùng giá trị -1% < P.E < 1%. Lúc này, mực chất lỏng thay đổi rất nhỏ và dao động quanh giá trị 15%. Với mỗi lần điểm hoạt động dịch chuyển khỏi giá trị P.E cân bằng, mực chất lỏng sẽ được thay đổi để đưa điểm hoạt động về giá trị cân bằng. Nếu điểm hoạt động vào vùng P.E < 0%, mực chất lỏng sẽ được giảm xuống nhằm bù độ phản ứng dương cho lõi lò. Ngược lại, nếu điểm hoạt động vào vùng P.E > 0%, mực chất lỏng sẽ được tăng lên để bù độ phản ứng âm. Tuy nhiên, giới hạn điều khiển độ phản ứng của hệ điều khiển vùng lỏng là 15% nên với mức chất lỏng thấp hơn 15% thì một nhóm thanh điều khiển sẽ được rút ra để thêm vào độ phản ứng dương, điều này có nghĩa rằng năng lượng thực được tăng lên và độ sai năng lượng P.E sẽ được ổn định. Lúc này, mực chất lỏng sau khi bị giảm xuống qua vùng giới hạn có thể trở về trạng thái ổn định 15%.
D.Sau khi rút hết 8 nhóm thanh điều khiển khỏi lò, lúc này chỉ còn duy nhất hệ điều khiển vùng lỏng có khả năng duy trì độ phản ứng dương bằng cách tiếp tục giảm mực chất lỏng. Nước trong hệ điều khiển vùng lỏng tiếp tục giảm
xuống để giữ điểm hoạt động ở trạng thái cân bằng P.E = 0. Trong quá trình rút hết lượng nước còn lại trong hệ này, điểm hoạt động mất kiểm soát và tiến nhanh về vùng P.E < -5%. Cuối cùng, vì không có yếu tố bù đắp độ phản ứng dương nên năng lượng lò giảm dần về 0%.
Xét về sự thay đổi của năng lượng lò, dựa vào các đồ thị như ở hình 3.7, 3.8 và 3.9, chúng tôi đưa ra những phân tích như sau:
Giai đoạn đầu tai nạn:
Giai đoạn này tương ứng với các khoanh vùng A, B và C trên hình 3.6, diễn ra trong 2 phút kể từ lúc sự cố bắt đầu cho đến khi điểm hoạt động được đưa trở về vùng hoạt động ổn định quanh giá trị độ sai năng lượng P.E = 0. Đường cong trên đồ thị cho thấy năng lượng lò sụt giảm nhanh chóng từ 100% xuống mức 36,8% chóng ngay sau khi thanh dập bị rớt vào lõi lò. Mức năng lượng dần được đưa về giá trị ổn định xung quanh mức 43,9%.
Giai đoạn ổn định độ phản ứng:
Giai đoạn này tương ứng với khoanh vùng E trên hình 3.6, kéo dài 125 phút, chiếm phần lớn trong tổng thời gian khảo sát sự cố. Dạng đồ thị dao động hình sin cho thấy mức năng lượng lò chỉ dao động quanh giá trị trung bình là 43,9% trong suốt giai đoạn này. Trong quá trình duy trì sự ổn định này, nhóm thanh hấp thụ được hệ thống RRS tự động rút ra nhưng do gặp sự cố nên hoàn toàn bất động, chỉ còn lại hệ điều khiển vùng lỏng và hệ thanh điều khiển duy trì sự ổn định độ phản ứng qua đó giữ điểm hoạt động ở vùng hoạt động ổn định trên biểu đồ.
Giai đoạn các thanh điều khiển được rút hoàn toàn:
Giai đoạn này tương ứng với khoanh vùng D trên hình 3.6, kéo dài trong 17 phút trước khi năng lượng lò tụt dần từ giá trị ổn định trung bình 43,9% về 0%. Lý giải cho việc tụt dần năng lượng lò ở giai đoạn này như sau: sau khi các thanh điều khiển được rút hoàn toàn, không còn hệ thống nào có khả năng thêm vào độ phản ứng dương ngoài hệ điều khiển vùng lỏng. Sau giai đoạn ổn định độ phản ứng, mực nước
trung bình trong hệ điều khiển vùng lỏng chỉ trong khoảng 15%, để tiếp tục cân bằng độ phản ứng thì mực nước trong hệ này buộc phải hạ xuống dần. Kết quả là sau khi đã rút hết toàn bộ lượng nước trong hệ, không còn bất kì hệ thống nào có khả năng cân bằng độ phản ứng. Trong khi đó, xenon không ngừng tăng lên trong lõi lò làm tổng độ phản ứng tiếp tục giảm theo chiều hướng âm, năng lượng lò tắt dần về 0%.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Kết luận
Qua đề tài này, chúng tôi đã tìm hiểu rõ về mặt lịch sử cũng như những thiết kế đặc trưng và đặc điểm vật lý của lò phản ứng nước nặng CANDU. Điểm nổi bật nhất là những thiết kế riêng biệt của lò CANDU đem đến nhiều ưu điểm so với các loại lò phản ứng hạt nhân phổ biến khác, đặc biệt là yếu tố sử dụng nhiên liệu uranium tự nhiên hoặc làm giàu nhẹ, cũng như việc sử dụng nước nặng làm chất làm chậm.
Thông qua phần mềm mô phỏng hoạt động lò CANDU-9 Compact Simulator, chúng tôi đã tiếp cận chi tiết đến toàn bộ hệ thống điều khiển và hiểu được các thông số cũng như cơ chế hoạt động của các thành phần chính trong một nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò nước nặng CANDU.
Khi đặt ra sự cố một nhóm thanh hấp thụ rớt vào lõi lò, với những khảo sát nhắm vào hệ thống điều khiển độ phản ứng và sự thay đổi năng lượng, chúng tôi đã trình bày được cơ chế hoạt động của hệ điều khiển độ phản ứng và giải thích các quá trình biến đổi của năng lượng lò. Hiểu được cơ chế hoạt động của hệ thống điều khiển độ phản ứng lò rất quan trọng trong việc nắm vững cách điều khiển lò. Điều này mở ra cho chúng tôi nhiều hướng nghiên cứu sâu hơn về các trường hợp tai nạn liên quan đến điều khiển độ phản ứng của lò CANDU.
Kiến nghị
Thực hiện thiết lập lại mức năng lượng lò và đưa lò trở về trạng thái hoạt động bình thường sau khi khắc phục được sự cố rớt một nhóm thanh hấp thụ.
Khảo sát sự thay đổi của các thông số liên quan đến hệ thống điều khiển độ phản ứng lò sau khi khắc phục được sự cố rớt một nhóm thanh hấp thụ.
Nghiên cứu chi tiết cơ chế phản ứng của hệ thống điều khiển độ phản ứng và sự ảnh hưởng của xenon đến độ phản ứng.
Những nghiên cứu trên sẽ giúp chúng ta nắm vững hơn về cơ chế duy trì sự