nhẹ dạng viên gốm. Độ bền kết cấu của bó nhiên liệu được cung cấp bởi các ống dẫn thanh điều khiển, các lưới giằng, và các vòi phun trên và dưới. Các thanh nhiên liệu không cung cấp bất kỳ hỗ trợ cấu trúc nào cho bó nhiên liệu. Các bó nhiên liệu
được liên kết bằng các chân được đặt trong các mâm đỡ trên và dưới với các lỗ
hổng trong các đầu phun trên và dưới cho nước tải nhiệt đi qua.
Bảng 3. 3 Các thông số thiết kế bó nhiên liệu
Thông số Giá trị Số bó nhiên liệu (FAs) Số thanh nhiên liệu / FA Số các ống dẫn / FA Số lưới giằng / FA Mảng thanh Ống dẫn – Đường kính ngoài, cm Ống dẫn – Đường kính trong, cm 193 264 24 7 17 x 17 1.224 1.143 3.1.3. Bơm tải nhiệt (RCP)
Bơm tải nhiệt chính là một thiết bị quan trọng và có cấu tạo phức tạp. Các thông số thiết kế bơm tải nhiệt (RCP) được cho trong hình 3.2.
3.1.4. Thiết bị sinh hơi (SG)
Thiết bị sinh hơi (SG) có dạng đứng với phần sơ cấp bao gồm các ống tube cho nước tải nhiệt bên trong lò (hệ thống RCS) đi qua và thực hiện trao đổi nhiệt với nước sinh hơi ở phần thứ cấp. Nước tạo hơi được cung cấp bới hệ thống bơm nước cấp hay còn gọi là nước vòng hai. Trong các lò PWR, áp suất vòng thứ cấp thường thấp hơn khoảng 2 lần so với áp suất trong vòng sơ cấp. Hơi được xử lý ở
Thông số Công suất thiết kế, m3/s 6.15 Độ cao cột áp, m 85.3 Áp suất thiết kế , MPa 17.2 Nhiệt độ thiết kế, 0C 343 Nhiệt độđầu vào của bơm, 0C 292 Đường kính hộp bơm, m 1.96 Chiều cao bơm, m 8.5 Tốc độ bơm, vòng/phút 1189
Hình 3. 2 Cấu tạo và các thông số thiết kế bơm tải nhiệt (RCP) của Westinghouse
Bảng 3. 4 Các thông số thiết kế bình sinh hơi (SG)
Thông số Giá trị
Chiều cao, m
Đường kính ngoài vành trên, m
Đường kính ngoài vành dưới, m Áp suất thiết kế phần ống, MPa Áp suất vận hành phần ống, MPa Nhiệt độ thiết kế phần ống, 0C Áp suất thiết kế phần vỏ, MPa Áp suất vận hành phần vỏ, Mpa Lưu lượng dòng tải nhiệt, kg/s Nhiệt độ nước phần vỏ, 0C
Nhiệt độđầu vào nước tải nhiệt, 0C Nhiệt độđầu ra nước tải nhiệt, 0C
Đường kính ngoài của ống, cm
Độ dày trung bình của ống, mm
Trọng lượng không / có nước (lạnh), kg
20.62 4.48 2.44 17.2 15.6 343.3 8.27 6.9 4360 285 324-325.8 288-291.8 2.22 1.27 376028 / 509384
Phần sơ cấp (các U-Tube) nhiệt độ nước tải nhiệt lối vào và sau khi đi qua toàn bộ phần ống trao đổi nhiệt với phần thứ cấp. Nước cấp vào bình sinh hơi ở áp suất 6.9MPa sôi ở nhiệt độ 285˚C, hơi đi qua phần tách hơi nước và sấy hơi sau đó chuyển tới tuabin. Các thông số thiết kế bình sinh hơi được cho trong bảng 3.4.
3.1.5. Bình điều áp (PZR)
Bình điều áp duy trì áp lực hệ thống làm mát lò phản ứng trong quá trình hoạt động ổn định và các giới hạn thay đổi áp lực trong quá trình quá độ. Các bộđốt
điện nhúng trong phần đáy và một vòi phun được đặt trên đỉnh trong bình điều áp giúp nâng và giữ nước ở nhiệt độ bão hòa và duy trì một áp suất vận hành hệ thống không đổi. Van an toàn và xả áp khi mở sẽ đưa hơi / nước vào bể xả áp. Dữ liệu thiết kế chủ yếu của bình điều áp được liệt kê trong bảng 3.8. Trong điều kiện hoạt
động ổn định, nước chiếm khoảng 60% khối lượng trong bình điều áp và 40% hơi nước.
Hệ thống kiểm soát áp suất của bình điều áp giới hạn sự thay đổi áp lực có thể gây ra dập lò, những thay đổi trong độ phản ứng, và sự kích hoạt các van xả. Áp lực trong bình điều áp được duy trì ở một điểm đặt cốđịnh.
Bảng 3. 5 Các thông số thiết kế bình điều áp (PZR) Thông số Giá trị Chiều cao, m Đường kính trong, m Thể tích nước, m3 Thể tích hơi, m3 Áp suất thiết kế , MPa Nhiệt độ thiết kế, 0C Số bộđốt điện; tổng công suất, kW Số van xả Số van an toàn
Trọng lượng không / có nước (210C), kg
16.1 2.35 30.6 20.4 17.2 360 78; 1800(kW) 2 3 125.19 / 157.54
3.1.6. Các bình tích áp của hệ thống ECCS
Hệ thống làm nguội tâm lò khẩn cấp (ECCS) có chức năng bổ sung nước vào thùng lò phản ứng khi có sự cố mất chất tải nhiệt (LOCA). Hệ thống bao gồm các thành phần chính sau:
- Hệ thống phun cao áp (HPIS): Dùng các bơm cao áp chạy bằng điện phun nước vào thùng lò ở áp suất cao
- Hệ thống phun thấp áp (LPIS): Dùng các bơm chạy bằng điện phun nước vào thùng lò ở áp suất thấp nhằm duy trì việc làm mát lâu dài
- Hệ thống các bình tích áp (ACC) tựđộng mở van khi áp suất trong thùng lò giảm thấp hơn áp lực trong các ACC.
Hai hệ thống HPIS và LPIS chỉ vận hành được khi có nguồn điện, trong khi hệ các bình tích áp hoàn toàn thụ động. Chúng sẽ tự động mở và đưa nước vào thùng lò RPV qua các chân lạnh dựa trên các lực trọng trường. Do kịch bản sự cố
phân tích trong nghiên cứu này là SBO nên chỉ có các ACC được mô phỏng và
đánh giá. Các thông số cơ bản của ACC được nêu trong bảng 3.6.
Bảng 3. 6 Các thông số thiết kế bình tích áp (ACC)
Thông số Giá trị Thể tích nước ban đầu, m3 Thể tích nitơ (N2) ban đầu, m3 Thể tích tổng cộng, m3 Áp suất, MPa Đường kính trong của ống, m Độ dài đường ống, m Nhiệt độ nước, 0C Diện tích dòng chảy (ống xả), m2 24.07 14.16 38.23 4.240 0.2540 25.4 52.0 0.05067
3.2. Chương trình MELCOR và các mô hình hư hỏng vùng hoạt và đáy thùng lò phản ứng thùng lò phản ứng
3.2.1 Chương trình MELCOR
MELCOR (Methods for Estimation of Leakages and Consequences of Releases) [11] thực hiện mô hình hóa các tiến triển của sự cố nghiêm trọng trong lò phản ứng nhà máy điện hạt nhân nước nhẹ (LWR). MELCOR là chương trình tích hợp đầy đủ mô hình các thành phần chính của lò phản ứng và tòa nhà lò, đặc biệt là mô hình thùng lò phản ứng với vùng hoạt và các cấu trúc hỗ trợ cũng như khoang
đáy thùng lò. MELCOR được phát triển tại phòng thí nghiệm quốc gia Sandia (SNL), Hoa Kỳ. Được hỗ trợ bởi cơ quan pháp quy hạt nhân US NRC và được xây dựng ban đầu như một công cụđánh giá rủi ro nhà máy thế hệ thứ hai và cung cấp dữ liệu cho đánh giá số hạng nguồn, ngày nay MELCOR đã được phát triển và áp dụng cho nghiên cứu, đánh giá các sự cố nghiêm trọng và là một trong các chương trình chuẩn quốc tếđược nhiều nước sử dụng.
MELCOR là tích hợp của các gói chương trình thành phần khác nhau bằng cách sử dụng cấu trúc mô-đun. MELCOR sử dụng mô hình hóa một cách tổng quát và linh hoạt thông qua các thể tích kiểm tra trong việc mô tả các hệ thống nhà máy cho phép lựa chọn các mức độ chi tiết phù hợp qua việc xây dựng sơđồ nút hóa.
Một loạt các hiện tượng sự cố nghiêm trọng trong NMĐHN được mô hình trong MELCOR trong một khuôn khổ thống nhất. Chúng bao gồm: các đáp ứng nhiệt-thủy động trong hệ thống tải nhiệt lò phản ứng, khoang chứa lò phản ứng, nhà lò sơ cấp, và các tòa nhà giam giữ phóng xạ; sự nóng lên và thoái hóa của vùng hoạt, hư hỏng các thanh nhiên liệu hạt nhân và quá trình di chuyển, tái định vị, tương tác với bê tông của corium nóng chảy, phát sinh, vận chuyển khí hydro; phát thải và lan truyền các sản phẩm phân hạch; và tác động của các tính năng an toàn thiết kếđối với các tính chất nhiệt thủy động và lan truyền phóng xạ.
Quá trình nóng lên của vùng hoạt, tan chảy và di dời chất nóng chảy xuống khoang đáy thùng lò được mô phỏng trong gói COR. Mô hình vùng hoạt và khoang
liện hệ với các thể tích kiểm tra trong mô hình nút hóa các thành phần thủy nhiệt của toàn hệ thống. Các phương trình bảo toàn nhưđược trình bày ở phần trên được áp dụng cho các thể tích kiểm tra trong khi các mô hình trong gói COR áp dụng các quy luật truyền nhiệt để đánh giá tính toàn vẹn của các thành phần vật liệu có trong mỗi nút của COR.
3.2.2. Mô hình chảy nến
Phần này trình bày các vật liệu nóng chảy vùng hoạt ở dạng chảy nến, vận chuyển các vật liệu không bị nóng chảy cùng với vật liệu nóng chảy, sựđịnh vị lại và tạo thành các khối gây nghẽn dòng chảy cũng như bể nóng chảy được mô phỏng trong chương trình MELCOR.
Mô hình chảy nến mô phỏng dòng chất nóng chảy từ vùng hoạt đi xuống phía dưới và dần bịđông kết do truyền nhiệt cho các cấu trúc bên dưới. Mô hình mô tả dòng dừng của các màng hoặc các dòng chảy nhỏ (với diện tích tiếp xúc nhỏ hơn màng) bằng các hiệu chỉnh thích hợp các hệ số tái đông kết.
3.2.2.1. Dòng dừng (Steady Flow)
Cùng với quá trình truyền nhiệt và ôxi hóa, chất nóng chảy có thể bám trên bề mặt của các thiết bị ở các vị trí khác nhau trong vùng hoạt. Do các thành phần vật liệu trong vùng hoạt bao gồm các vật liệu cấu trúc bằng thép, vật liệu thanh điều khiển và nhiên liệu hạt nhân nên nhiệt độ nóng chảy và do đó quá trình nóng chảy có thể mô tả bởi mô hình chảy nến. Mô hình chảy nến mô phỏng dòng chảy chất nóng chảy đi xuống (do trọng lực) thông qua các cột ô chia vùng (còn gọi là các ô) theo chiều đứng. Cần lưu ý rằng, môđun CVH trong MELCOR thực hiện phân vùng và mô tả các thành phần thủy động (nước, hơi) còn môđun COR thực hiện mô tả
các cấu trúc rắn trong vùng hoạt và đáy thùng lò.
Lượng vật liệu nóng chảy sau đó tái đông kết trên mối ô phía dưới được xác
định bằng cách tính toán lượng quá nhiệt (superheat) của màng chất nóng chảy: Qsh = Mm Cpm ( Tm – Tmp)
Mm = Khối lượng chất nóng chảy đi vào ô trên bề mặt s Cp.m = Nhiệt dung riêng của màng nóng chảy
Tm = Nhiệt độ của màng nóng chảy đi vào ô Tmp = Điểm nóng chảy của vật liệu màng
Nếu nhiệt lượng Q nhỏ hơn Qsh, nhiệt lượng được truyền nhưng không có lượng chất nóng chảy nào bị đông kết. Nếu Q lớn hơn Qsh, khối lượng chất nóng chảy bịđông kết được xác định theo biểu thức:
ΔM = (Q - Qsh)/H
Với H là ẩn nhiệt riêng (enthalpy) của vật liệu màng. Chúng tạo thành lớp mảnh vụn trên bề mặt và cân bằng nhiệt với các cấu trúc.
Hình 3. 3 Các bước trong quá trình chảy nến 3.2.2.2. Các khối gây nghẽn dòng
Các khối gây nghẽn dòng chảy có thể hình thành như minh họa trong hình 3.4 khi các chất nóng chảy bị đông kết đầy trong ô. Khi vật liệu chảy nến tạo ra khối gây nghẽn dòng hoặc động lại ở đáy thùng lò, một số vật liệu vẫn bị nóng chảy do thành phần tái đông kết trong ô phía trên khối gây nghẽn không thể hấp thụ ẩn
mảnh vỡ kết hợp với các hạt vụn tạo thành bể nóng chảy. Sự tái định vị các vật liệu vùng hoạt có thể làm giảm diện tích và do đó làm tăng trở kháng dòng chảy hoặc gây tắc hoàn toàn dòng chảy giữa các phần khác nhau trong vùng hoạt.
Hình 3. 4 Sự tạo thành khối ghẽn dòng trong mô hình chảy nến 3.2.3. Mô hình hư hỏng các cấu trúc đỡ
3.2.3.1. Hư hỏng do chảy dẻo
Ứng suất chảy dẻo phụ thuộc nhiệt độ T (K) được biểu thị bằng biểu thức sau:
Biểu thức này cũng được dùng trong mô tả cho đáy thùng lò. Các hằng số 260.x106, 1700, 800, và 3 được chọn nhằm xấp xỉ với dữ liệu của thép không gỉ
mark 304 là vật liệu cấu trúc bên trong thùng lò. Người sử dụng chương trình có thể
3.2.3.2. Hư hỏng do oằn
Cấu trúc cột sẽ oằn xuống nếu chịu tải vượt quá giá trị cho phép [T. H. Lin, Theory of Inelastic Structures, John Wiley and Sons, NY, 1983] theo biểu thức:
Wbuckl = π2.E.I / l2
Trong đó I là mômen quán tính, E là môđun đàn hồi, và l là độ dài cột. Với cột dạng ống trụ bán kính ngoài ro và bán kính trong ri :
Cho N cột tương tự nhau trong một vành (vùng hoạt được chia thành các vành theo chiều bán kính và các mức theo chiều cao để tạo thành các ô), xảy ra oằn nếu ứng suất vượt quá ứng suất chịu oằn:
Môđun đàn hồi được biểu diễn bằng phương trình:
Các hằng số 370.x109, 1700, 1650, 3 được chọn tương ứng với thép loại 304..
3.2.3.3. Hư hỏng do rão nhiệt
Mô hình hư hỏng đứt-rão của Larson-Miller [F. R. Larson and J. Miller, "A Time-Temperature Relationship for Rupture and Creep Stress," Transactions of the ASME, July 1952] cho thời gian cấu trúc bịđứt, tR, tính bằng giây theo biểu thức:
Trong đó nhiệt độ T (tính bằng K). Tham số Larson-Miller, PLM, cho thép có thểđược làm khớp như hàm của ứng suật hiệu dụng, σe ( Pa=N/m2):
Theo ASME [American Society of Mechanical Engineers, "ASME Boiler and Pressure Vessel Code Case N-47-22," April 5, 1984]. Các hằng số (16.44, 81000, 7500) có thể thay đổi như các hệ số độ nhạy. Do ứng suất và nhiệt độ thay
đổi, quy luật thời gian sống riêng phần được áp dụng và hư hỏng xảy ra khi tổng tỷ
số thời gian của các khoảng thời gian Δti và thời gian tR(ti) bằng đơn vị:
Với cách chia vùng hoạt và thùng lò thành các ô trong MELCOR, lịch sử nhiệt độ, chịu tải và do đó thông số Larson-Miller cũng thay đổi từ ô này sang ô khác. Cấu trúc đỡ trong các ô khác nhau có thể hư hỏng vào các thời
điểm khác nhau.
3.2.4. Mô hình đáy thùng lò
Mô hình đáy thùng lò khi có bể nóng chảy bao gồm bể nóng chảy, đáy thùng lò được phân thành các lớp khác nhau và cấu trúc vật liệu ống xuyên (ống dẫn các thiết bị đo bên trong thùng lò) nhưđược biểu diễn trong hình 3.5.
Xảy ra hư hỏng của đáy thùng lò nếu một trong bốn tiêu chuẩn sau được thỏa mãn:
1. Nhiệt độ của ống xuyên đạt nhiệt độ gây hư hỏng xác định bởi người sử
dụng (chương trình);
2. Hàm điều khiển logic xác định bởi người sử dụng nếu nhận giá trị .TRUE. Chẳng hạn, hàm điều khiển tham chiếu đến bảng các áp suất gây hư hỏng như là hàm của nhiệt độđáy thùng lò.
3. Hư hỏng do quá áp khi áp suất vượt quá giá trị cho phép bởi người sử
dụng (thường giá trị mặc định là 20 MPa);
4. Hư hỏng do rão trước các tải cơ học trong các điều kiện vật liệu bị làm yếu
ở các nhiệt độ tăng cao.
Mô hình Larson-Miller hư hỏng do rão cho thời gian dẫn đến hư hỏng, tR
được xác định như sau:
Thông số Larson-Miller, PLMđược cho bằng biểu thức: PLM = 4.812x104 - 4.725x103 log10 (σe)
Trong đó σe là ứng suất hiệu dụng (Pa) và các hằng số 4.812x104 ,-4.725x103 và 7.042 tương ứng với thép loại SA533B1 dùng chế tạo thùng lò phản ứng. Các thông số này có thể thay đổi bởi người sử dụng cho loại thép chế tạo thùng lò cụ thể.
Quy luật thời gian sống riêng phần cho hư hỏng tích lũy được biểu thị như
hàm biến dạng dẻo , εpl (t), bằng biểu thức:
Trong đó hằng số 0.18, được sử dụng như hệ số độ nhạy chỉ sự hư hỏng (được xác định khi giá trị tích phân Δt/tR = 1) xảy ra khi độ biến dạng đạt 18%. Một cách gần đúng, khi điều kiện hư hỏng thỏa mãn, một lỗ thủng với đường kính ban đầu do người sử dụng chương trình đưa ra hay đường kính ban đầu mặc định 0.1 m được tạo ra (giá trị mặc định 0.1m cho sự phun ra của chất nóng chảy tương