Theo [25], các kết quả đưa ra trong tài liệu WASH-1400 đã chứng tỏ rằng những nứt vỡ với đường kính tương đương từ 0.5 đến 2” (1.27 – 5cm) trong hệ
thống tải nhiệt sơ cấp RCS là những sự kiện quan trọng có thể dẫn đến các sự cố
nghiêm trọng làm nóng chảy vùng hoạt. Với các thiết kế của các bơm tải nhiệt RCP nhưđang sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân hiện nay thì khi mất bơm cao áp phun nước hàn kín các vòng đệm có thể xem như sự cố mất chất tải nhiệt với vết vỡ
nhỏ (SBLOCA).
Khối lượng nước trong vùng hoạt của lò và khoang đáy thùng lò giảm và sau
đó lại được bổ sung bởi nước cấp từ các bình tích áp khi áp suất hệ thống giảm đến giá trị ngưỡng mở các van. Khoảng 8 giờ sau khi dập lò, vùng hoạt bị hở nước trở
lại và những hư hỏng nhiên liệu bắt đầu. Trong mô phỏng này, các thanh nhiên liệu
ở vành 1 bắt đầu bị hỏng và sau 9.7 giờ nó bị sập hoàn toàn. Tiến trình sự cố hư
hỏng vùng hoạt được mô phỏng từ các kết quả tính toán trên hình 4.17.
Các vòng đệm kín của bơm RCP có thể bị hư do nhiệt độ cao làm cho việc thoát nước tải nhiệt từ bên trong hệ thống ra ngoài ngày càng tăng. Trong mô phỏng này, các rò gỉ từ RCP được giả thiết là không thay đổi với lưu lượng từ mỗi bơm khoảng 1.21 kg/s. Các kết quả tính toán được so sánh với các tính toán cho sự cố
tương tự trong [25] được nêu ra trong bảng 4.2. Các kết quả mô phỏng thực hiện trong [25] có một sốđiểm cần lưu ý. Thứ nhất, tốc độ dòng rò thoát ra khỏi bơm có hiệu chỉnh theo thời gian. Thứ hai, các tham số tính toán mô phỏng được thực hiện cho các lò phản ứng cụ thể thuộc lớp PWR 4 nhánh và vì vậy sẽ có các số liệu thiết kế cụ thể khác biệt với các số liệu thiết kế tham chiếu mà chúng tôi sử dụng.
Áp suất hệ thống RCS giảm sau khi dập lò và sau đó tăng lên do tăng lượng hơi và tích tụ của nhiệt phân rã. Thay đổi mức nước trong thùng lò phản ứng được
nước và vùng hoạt bắt đầu bị hở nước. Tuy nhiên, khi áp suất hệ RCS giảm tới giá trị thấp hơn áp lực trong các bình tích áp (4.24Mpa), nước được xả từ các bình tích áp vào thùng lò phản ứng qua đường chân lạnh làm mực nước trong vùng hoạt (CV340) tăng trở lại. Khi nước từ các ACC đã đổ hết, mức nước trong vùng hoạt giảm dần cho dến khoảng 8,3 giờ sau sự cố vùng hoạt hoàn toàn bị hở nước. Khoảng 14 giờ sau, thùng lò hoàn toàn không còn nước. Do lượng nước ngày một giảm nên dòng nước thoát ra ngoài qua các bơm RCP cũng giảm đáng kể sau thời gian 10 giờ như biểu diễn ở hình 4.10.
Trong chương trình MELCOR các thanh nhiên liệu được xem như nguyên vẹn cho đến khi lớp vỏ bọc zircaloy và các viên nhiên liệu UO2 đạt đến các nhiệt độ
nóng chảy. Sự tan chảy của các thanh nhiên liệu, quá trình và các hiện tượng xảy ra
đã được mô tả ở các phần trên. Tuy nhiên, do cấu tạo của vùng hoạt lò phản ứng, việc các vành nhiên liệu có thể bị hư hỏng một cách tổng quát được mô phỏng trong MELCOR được cho bởi các yếu tố sau:
+ Vỏ bọc nhiên liệu và viên nhiên liệu bị nóng chảy (yếu tố nhiệt độ)
+ Các cấu trúc đỡ (bằng thép) phía dưới các bó nhiên liệu có thể bị hỏng (do có nhiệt độ nóng chảy thấp hơn) sẽ kéo theo hư hỏng vùng hoạt (yếu tố cơ học)
Các mảnh vỡ dạng hạt được tạo thành do hư hỏng vỏ bọc các thanh nhiên liên liệu. Với sự hư hỏng cấu trúc đỡ vùng hoạt, chất corium nóng chảy thoát xuống khoang đáy thùng lò và nung nóng các ống dẫn các thiết bị đo bên trong lò (ICI). Các ống dẫn ICI bị nóng lên và hư hỏng của chúng dẫn đến hư hỏng của đáy thùng lò. Tiến trình các sự kiện được nêu trong bảng 4.2. Các kết quả mô phỏng quan trọng được chỉ ra trong các hình 4.13 đến hình 4.16.
Các tính toán được thực hiện với giả thiết rò gỉ các bơm RCP ở tốc độ
1,21kg/s (tương ứng với tiết diện rò gỉ không đổi). Theo các tính toán với tốc độ
dòng rò 1,21kg/s có thay đổi theo thời gian và giả thiết nguồn điện DC phục vụ các máy phát EDG bị mất sau 3 giờ [25]. Tức là các hệ thống HPIS và LPIS vẫn có khả
Bảng 4. 2 Tiến trình thời gian trong sự cố SBO và rò bơm RCP Sự kiện MELCOR Reference [25] SBO, s 0 0 Rò bơm RCP, s 0 0 Vùng hoạt bắt đầu bị hở nước, h 4.3 6.5 Bắt đầu hư hỏng lớp vỏ bọc, h 8.16 8.0 Mâm đỡ vùng hoạt bị hỏng, h 10.13 11.3 Di chuyển mảnh vỡ xuống đáy thùng lò, h 16.6 14.3 Đáy thùng lò bị vỡ, h 18.85 17.9 Hình 4. 9 Tốc độ dòng rò khỏi bơm RCP
So sánh mức nước trong vùng hoạt (phần 340, hình 4.10) với mức nước trong vùng hoạt (hình 4.11) cho thấy mức nước trong vùng hoạt trong hình 4.11 không được làm đầy hoàn toàn trở lại do giả thiết sát thực hơn về tốc độ rò gỉ bơm ngày một tăng được bù trừ với việc có nguồn điện DC , và cũng vì vậy thời gian hết nước trong vùng hoạt xảy ra chậm hơn (8,3 giờ so với 13 giờ).
Hình 4. 10 Thay đổi mức nước trong thùng lò phản ứng (Phần trên thùng lò – 350, vùng hoạt – 340 và khoang đáy – 320)
Hình 4. 11 Thay đổi mức nước trong vùng hoạt lò phản ứng với nguồn điện DC bị mất sau 3 giờ [25]
Hình 4. 12 Nhiệt độ vỏ bọc tại đáy (BAF(x07) và đỉnh TAF(x11) vùng hoạt
Hình 4. 13 Khối lượng tổng cộng UO2 (đường phía trên), Zircaloy (đường phía dưới) và ZrO2(đường đứt đoạn) trong vùng hoạt
Hình 4. 14 Phát sinh khí hydro trong vùng hoạt của lò phản ứng: Tính toán (trái) và theo [25](phải)
Phát thải khí hydro do phản ứng oxi hóa của lớp vỏ bọc zircaloy với hơi nước ở nhiệt độ cao là nguồn cơ bản gây ra nổ khí hydro trong thùng lò hoặc nhà lò phản ứng. Tai nạn Fukushima là một minh chứng điển hình. Các nhầ máy điện hạt nhân ngày nay đều được trang bị các bộ tái kết hợp hydro nhằm triệt tiêu khí hydro trong nhà lò. Các tính toán cho kết quả khoảng gần 600kg khí hydro được sinh ra trong kịch bản sự cố và tương tự với kết quả thu được trong [25]. Hình 4.14 biểu diễn lượng khí hydro trong kịch bản và đồ thị tham chiếu tương ứng.
Việc áp dụng MELCOR cho kết quả đánh giá lượng vật liệu nóng chảy có thể có trong đáy thùng lò phản ứng cùng với nhiệt độ của bể nóng chảy làm căn cứ
cho các đánh giá tính toàn vẹn và các tương tác cơ-nhiệt tại khoang đáy thùng lò bằng các phần mềm CFD.
Vùng hoạt được xem như hở nước khi mức nước giảm xuống đến đỉnh của phần nhiên liệu trong các bó nhiên liệu (TAF). Khi đó, các vật liệu cấu trúc và nhiên liệu UO2 bắt đầu bị nung nóng. Do nhiệt độ lớp vỏ bọc tăng nhanh, quá trình ôxi hóa xảy ra. Hệ quả là các lớp vỏ bọc bị hư hỏng, sự hư hỏng của vỏ bọc thanh nhiên liệu ở các phần đỉnh (TAF) và đáy (BAF) của các bó nhiên liệu tương ứng với các mức 12 và 7 nhưđược biểu diễn trong hình 4.12. Ngoài ra, một lượng lớn khí hydro phát sinh trong các phản ứng hóa học giữa zircaloy và nước, hơi nước. Các tai nạn TMI-2 và đặc biệt là tai nạn Fukushima cho thấy việc nổ khí hydro trong