1. Cấu trúc của lò PWR thế hệ III
1.1. Hình dạng, cấu trúc và thành phần vùng hoạt lò PWR
Lò phản ứng hạt nhân PWR Tomari của Nhật Bản có dạng lò hình trụ đứng, với cấu trúc cơ bản trong vùng hoạt là tổ hợp các bó nhiên liệu có kích thƣớc 21,6×21,6× 366 cm, trong mỗi bó nhiên liệu gồm nhiều thanh nhiên liệu xếp với nhau theo ma trận vuông. Hình dạng và cấu trúc của một thanh nhiên liệu đƣợc mô tả nhƣ hình 11:
62
Thanh nhiên liệu trong vùng hoạt gồm hai loại: Loại thứ nhất là thanh nhiên liệu UO2 với độ làm giàu thích hợp đối với từng vị trí trong vùng hoạt, loại thứ hai là thanh nhiên liệu có chứa (U,Gd)O2 độ làm giàu tối đa 3,2%. Sự xuất hiện của các thanh nhiên liệu có chứa (U,Gd)O2 sẽ làm cho vùng hoạt cháy đều hơn và làm giảm độ phản ứng dƣ. Các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt đƣợc sắp xếp thành từng bó nhƣ trên hình 12:
63
Trong bó nhiên liệu, kích thƣớc của ma trận nhiên liệu là 17×17. Đồng thời, mỗi bó nhiên liệu có 24 vị trí ống dẫn sắp xếp đối xứng để có thể đƣa các thanh điều khiển hoặc các thanh chất độc (burnable poison) vào để điều khiển lò, ở trung tâm bó nhiên liệu là ống dẫn trung tâm để dẫn đầu dò vào trong vùng hoạt từ phía dƣới đáy lên trên. Hình 13 và 14 mô tả cấu tạo và kích thƣớc của các thanh điều khiển và thanh chất độc nhƣ sau:
64
Hình 14: Cấu tạo bó thanh chất độc
Trong khi mô phỏng, chúng ta chỉ quan tâm mô phỏng phần chiều dài hấp thụ của thanh điều khiển và thanh chất độc mà bỏ qua các cấu kiện hỗ trợ đi kèm mà không làm ảnh hƣởng tới trƣờng neutron trong vùng hoạt. Sự hiện diện của các bó thanh chất độc gây ra sự suy giảm phổ neutron bởi các neutron nhiệt bị bắt trong B10 thay vì trong nhiên liệu. Kết quả là có ít U235 bị phân hạch và sinh ra nhiều hơn các đồng vị phân hạch Plutonium. Sự tăng cao khả năng sản sinh đồng vị Plutonium và đồng thời giảm phân hạch của U235
sẽ dẫn đến làm tăng sự phân hạch của Plutonium khiến cho độ phản ứng phóng xạ tăng lên. Do đó, một bó nhiên liệu có chứa các
65
thanh chất độc sẽ có độ phản ứng cao hơn trong quá trình cháy so với các bó không chứa các thanh chất độc. Tuy nhiên, điều này chỉ diễn ra ở khoảng giữa một chu kỳ cháy. Ở thời điểm khởi động lò và bắt đầu chu kỳ thì các bó chứa thanh chất độc sẽ cháy nhỏ hơn.
Để kích hoạt cho lò khởi động, ngƣời ta sử dụng thanh nguồn neutron ban đầu. Loại nguồn đƣợc sử dụng ở đây là nguồn Californium-252 (hình 15)
66
Nguồn Cf252 là một nguồn đồng vị phân hạch tự phát neutron với cƣờng độ cao đi kèm với các loại tia phóng xạ khác. Năng lƣợng sinh ra của nguồn Cf252
đƣợc ghi lại dƣới bảng 9 nhƣ sau:
Bảng 9: Thông số của nguồn đồng vị phân hạch tự phát Cf252
Năng lƣợng phát Alpha 6,12MeV
Chu kỳ bán rã hiệu dụng 2,65 năm
Chu kỳ bán rã Alpha 2,73 năm
Chu kỳ bán rã phân hạch tự phát 85,5 năm
Cƣờng độ phát Gamma 10,37×107 photons/μg
Độ phản ứng riêng 500 μCi/ μg
Năng lƣợng neutron trung bình 2,35 MeV
Năng lƣợng neutron trung bình trên một
phân hạch 3,76 MeV
Cƣờng độ phát neutron 2,34×106 neutrons/s/ μg
Tốc độ phân hạch 6,5×105/s/ μg
Sự phân rã của đồng vị Cf252 sau khi kích hoạt ở trong lò phản ứng đƣợc mô tả ở hình 16 nhƣ sau:
67
Khi mô phỏng MCNP, chúng ta cũng chỉ mô phỏng phần thanh nguồn và bỏ qua các cấu kiện phức tạp đi kèm.
Vùng hoạt lò phản ứng Tomari có hai loại bó nhiên liệu bao gồm các thanh nhiên liệu đƣợc pha với Gadolinium tạo thành hỗn hợp Gd2O3 và UO2 với 24 và 16 thanh nhiên liệu chứa Gd đƣợc đánh dấu ô đen trong ma trận bó nhiên liệu và đƣợc ký hiệu tƣơng ứng là Gd24 và Gd16 nhƣ trên hình 17. Các bó nhiên liệu này có tác dụng hỗ trợ giúp cho quá trình cháy nhiên liệu đồng đều và hiệu quả hơn.
Hình 17: Vị trí các thanh nhiên liệu (U,Gd)O2 trong bó nhiên liệu
Các bó nhiên liệu, bó thanh điều khiển, bó thanh chất độc đƣợc đƣa vào vùng hoạt để vận hành và điều khiển lò. Nhiên liệu trong các chu kỳ vận hành đƣa vào vùng hoạt lò phản ứng đƣợc đƣa ra ở bảng 10 dƣới đây:
Bảng 10: Phân bố nhiên liệu trong các chu kỳ cháy
Các loại nhiên liệu
Thông số kỹ thuật
Chu kỳ vận hành
Chu kỳ 1 Chu kỳ 2 Chu kỳ 3 Chu kỳ 4 Chu kỳ 5
Vùng 1 1 1.6w/t% 37
68 2B 3.5w/t%(Gd16) 4 4 2C 3.5w/t% 52 37 1 Vùng 3 3A 4.4w/t%(Gd24) 16 16 16 3B 4.4w/t%(Gd16) 4 4 4 3C 4.4w/t% 36 36 36 9 Vùng 4 4A 4.8w/t%(Gd24) 28 28 28 13 4B 4.8w/t% 24 24 24 24 Vùng 5 5A 4.8w/t%(Gd24) 24 24 24 5B 4.8w/t% 24 24 24 Vùng 6 6A 4.8w/t%(Gd24) 24 24 6B 4.8w/t% 24 24 Vùng 7 7A 4.8w/t%(Gd24) 24 7B 4.8w/t% 24
69
Hình 18 mô tả vị trí các loại nhiên liệu của một phần tƣ phía dƣới bên phải vùng hoạt của lò phản ứng, vị trí màu đỏ là vị trí đặt của thanh nguồn neutron khởi động lò ban đầu. Vị trí có ghi BP là vị trí các bó có chứa thanh chất độc
Các bó nhiên liệu đƣa vào trong vùng hoạt tuân theo cấu tạo của vùng hoạt lò phản ứng đƣợc mô tả ở hình 19 là hình ảnh mô tả toàn bộ vùng hoạt lò phản ứng nƣớc áp lực Tomari số 3 bao gồm thùng lò, vỏ lò, lá chắn phản xạ nhiệt, vị trí đặt các bó thanh điều khiển, các bó nhiên liệu…
Hình 19: Cấu tạo vùng hoạt lò phản ứng Tomari số 3