L ỜI CẢM ƠN
1.3.2. Nhiệt thủy động lực học trong bể nhiên liệu thải
Các quá trình thủy nhiệt học cơ bản trong bể chứa nhiên liệu thải tuân theo lý thuyết sau [16]:
Công suất nhiệt phân rã (decay heat loads)
Nhiệt phân rã sinh ra từ các bó nhiên liệu thải trong các khay chứa nhiên liệu (SFRs – Spent Fuel Racks).
Có ba loại nhiên liệu được lưu trữ trong bể:
- Các bó nhiên liệu đã được tháo dỡ trước đó (offload) (1).
- Các bó nhiên liệu đã được “đốt” hai lần trong lò phản ứng và được tháo dỡ gần đây (2).
- Các bó nhiên liệu mới được “đốt” một lần và sẽ được tải lại vào lò phản ứng (3). Các bó nhiên liệu (1) có hoạt độ thấp hơn các bó nhiên liệu mới tải vào và coi như hoạt độ của các bó nhiên liệu này không đổi trong thời gian đánh giá.
Từ khi tắt lò phản ứng đến khi hoàn tất quá trình tiếp nhiên liệu. Nhiệt phân rã có đóng góp phần lớn từ các thanh nhiên liệu mới tải vào bể, tuy nhiên nó sẽ giảm nhanh theo thời gian nên nhiệt phân rã phụ thuộc vào thời gian. Tổng nhiệt lượng sinh ra trong bể nhiên liệu thải được tính bằng công thức:
Trong đó:
QGEN(τ): công suất nhiệt phân rã tức thời trong bể nhiên liệu thải (MW). τ : thời gian từ khi tắt lò phản ứng (s).
Qn: công suất nhiệt phân rã của các bó nhiên liệu đã tải trước đó vào bể. Tốc độ sinh nhiệt của các bó nhiên liệu này được xem không đổi từ khi tắt lò cho đến khi hoàn tất tải nhiên liệu vào lò phản ứng (MW).
n: số chu kỳ tiếp nhiên liệu.
5 1 ( ) ( ) n GEN n R n Q τ = Q Q τ = =∑ + (1.1)
QR(τ): công suất nhiệt phân rã sinh ra từ các bó nhiên liệu mới được tải vào bể nhiên liệu thải (MW).
Sự gia tăng nhiệt độ của nước quanh hốc chứa nhiên liệu (spent fuel pit)
Nhiệt độ của nước trong bể nhiên liệu thải tăng lên do nhiệt từ các bó nhiên liệu sinh ra. Do đó, nước trong bể cần phải được làm mát kịp thời để duy trì nhiệt độ của bể ổn định. Nhiệt tức thời sinh ra từ nhiên liệu thải sẽ được hệ thống làm mát và lọc (SFPCPS – Spent Fuel Pit Cooling and Purification System), hệ thống phun làm mát khẩn cấp (CS/RHRS – Containment Spray/Residual Heat Removal System) loại bỏ. Sự thay đổi nhiệt độ trong bể được tính bằng công thức:
Trong đó:
C: nhiệt dung của nước trong bể nhiên liệu thải (J/K). T: nhiệt độ của khối nước trong bể nhiên liệu thải (K). τ: thời gian từ khi tắt lò phản ứng (s).
QGEN(τ) : công suất nhiệt trong bể nhiên liệu thải (MW).
QHX(T) : công suất trao đổi nhiệt của SFPCPS và/hoặc CS/RHRS (MW). QENV(T) : tốc độ bể tỏa nhiệt vào môi trường (tải nhiệt thụ động) (MW). Khi bỏ qua sự mất nhiệt do tỏa vào môi trường ( QENV(T) = 0) ta có :
Nhiệt trong bể nhiên liệu thải được loại bỏ bởi SFPCPS và CS/RHRS là hàm không tuyến tính theo nhiệt độ của nước trong bể nhiên liệu thải và nhiệt độ của nước làm mát. Công suất trao đổi nhiệt có thể biểu diễn dưới dạng:
Trong đó: QHX(T) : công suất trao đổi nhiệt (MW).
Wc: lưu lượng nước vòng thứ cấp của bộ trao đổi nhiệt (m3s-1). cp: nhiệt dung riêng của nước (MJm-3
K-1).
p: nhiệt độ hiệu dụng (temperature effectiveness) của bộ trao đổi nhiệt.
( ) ( ) ( ) GEN HX ENV T C Q τ Q T Q T τ ∂ × = − − ∂ (1.2) ( ) ( ) GEN HX T C Q τ Q T τ ∂ × = − ∂ (1.3) ( ) W ( ) HX c p ci Q T = ×c × ×p T −T (1.4) co ci ci T T p T T − = − (1.5)
Tci: nhiệt độ nước vòng thứ cấp khi đi vào bộ trao đổi nhiệt (K). Tco: nhiệt độ nước vòng thứ cấp khi ra khỏi bộ trao đổi nhiệt (K).
Nhiệt độ hiệu dụng p dùng để đánh giá hiệu suất trao đổi nhiệt của SFPCPS hoặc CS/RHR. Đối với điều kiện vận hành bộ trao đổi nhiệt p có thể xem như là hằng số (công suất trao đổi nhiệt chủ yếu phụ thuộc vào lưu lượng nước).
Thời gian để nước trong hốc chứa nhiên liệu sôi và tốc độ bay hơi
Để đánh giá nhiệt độ nước trong bể nhiên liệu thải ở những điều kiện nhất định như: bơm làm mát ngừng hoạt động (mất khả năng làm mát chủ động), nước không được tải nhiệt kịp thời sẽ nóng lên theo công thức 1.3. Lúc này có phương trình:
Trong đó: τ: thời gian sau khi bể mất khả năng làm mát chủ động (s).
τ0: thời gian kể từ khi lò phản ứng ngừng hoạt động đến khi bể mất khả năng làm mát (s).
Tốc độ tăng nhiệt của nước trong bể nhiên liệu thải có thể được tính bằng công thức bằng công thức 1.6. Trong đó, thời gian để nước trong bể nhiên liệu thải sôi được xác định bằng cách nhân tốc độ tăng nhiệt với sự chênh lệch nhiệt độ giữa nhiệt độ sôi của nước và nhiệt độ của nước trong bể khi mất khả năng làm mát theo công thức sau:
Nhiệt độ nước tại các vị trí trong bể nhiên liệu thải
Khi các bó nhiên liệu thải được đưa vào các khay chứa nhiên liệu, cần có khoảng trống để cho nước di chuyển làm mát nhiên liệu được gọi là các ống làm mát (downcomers). Giữa các khay với nhau và giữa các khay ở vùng ngoại biên với tường của bể nhiên liệu thải cũng có khoảng trống để nước có thể được lưu thông làm mát dễ dàng. Phía đáy các khay nhiên liệu thải được đỡ bằng các tấm đặt cách sàn một khoảng để cho nước có thể lưu thông.
Nhiệt phân rã sinh ra từ các bó nhiên liệu thải lưu trữ trong các khay của bể nhiên liệu gây ra dòng chảy đối lưu trong các ống làm mát. Nước sẽ làm mát cho nhiên liệu. Để phân tích tốc độ và lưu lượng chảy, khả năng tải nhiệt tại các vị trí trong bể người ta dùng thủy động lực học (CFD – Computational Fluid Dynamics) để phân tích.
Nhiệt độ của thanh nhiên liệu
0 ( ) GEN T C Q τ τ τ ∂ × = + ∂ (1.6) (373 ) (373 ) boil GEN C K T K T T Q τ τ = ∂ − = − ∂ (1.7)
Sự chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt thanh nhiên liệu và nước xung quanh nó (được gọi là thanh nhiên liệu dư nhiệt – cladding superheat) làm cho nước nóng lên gây ra hiện tượng đối lưu. Nước được làm nóng, chảy qua các bó nhiên liệu theo chiều từ dưới lên. Do vận tốc dòng chảy thấp và đường kính của dòng thủy lực nhỏ nên chất lỏng chảy thành lớp. Do sự chảy rối làm gia tăng quá trình truyền nhiệt nên thực tế khả năng tải nhiệt cao hơn tính toán dựa trên sự chảy thành dòng. Quá trình truyền nhiệt chuẩn được đưa ra đối với dòng chảy thành lớp:
Trong đó:
Nu là hệ số Nusselt.
h là hệ số truyền nhiệt do đối lưu (Js-1
m-2K-1). Dhydlà đường kính dòng thủy lực (m).
kw là suất dẫn nhiệt của chất lỏng (ở đây chất lỏng là nước) (Js-1
m-1K-1). Sử dụng công thức 1.8 tính được hệ số truyền nhiệt do đối lưu.
Trên các thanh nhiên liệu thường có một lớp chất thải cặn (crub) sinh ra trong quá trình lưu trữ làm ngăn cản sự truyền nhiệt với hệ số Rc.
Hệ số truyền nhiệt toàn phần bao gồm hệ số truyền nhiệt cho đối lưu và hệ số cản truyền nhiệt của lớp bám được xác định:
Trong đó U là hệ số truyền nhiệt toàn phần (Ws-1
m-2K-1).
Thông lượng nhiệt cao nhất của thanh (peak rod heat flux) được quyết định bởi lượng dư nhiệt của các thanh nhiên liệu. Thông lượng nhiệt cao nhất này được tính bởi công thức :
Trong đó:
qrodlà cường độ tỏa nhiệt của thanh (Js-1
m-2). Fax là hệ số nhiệt theo trục (axial peaking factor).
Qrod là công suất nhiệt phân rã tối đa tính trên mỗi thanh nhiên liệu (W).
Asurf là diện tích tiếp xúc của nhiên liệu với nước (diện tích bề mặt vỏ bọc thanh nhiên liệu) (m2). d / 4, 364 hy w Nu = ×h D k = (1.8) 1 1 c R U = +h (1.9) ax r d r d sur o o f F Q q A × = (1.10)
Công thức (1.10) xác định thông lượng nhiệt cao nhất và hệ số nhiệt theo bán kính (radial peaking factor) dựa theo nhiệt lượng tỏa ra từ mỗi thanh.
Độ dư nhiệt của thanh nhiên liệu ΔT được xác định bởi thông lượng nhiệt cao nhất và hệ số truyền nhiệt toàn phần theo công thức:
Nhiệt độ cao nhất của nước tại mỗi vùng (tại vùng phía trên cùng của nhiên liệu đang hoạt động) và thông lượng nhiệt lớn nhất (thường là vùng ứng với độ cao gần giữa của thanh nhiên liệu) được xét đồng thời. Với hai giá trị cao nhất này sẽ cho độ an toàn lớn nhất trong việc làm mát cho các bó nhiên liệu do nhiệt độ ở các vùng khác của thanh nhiên liệu thấp hơn các giá trị này.