Hình 3.3 và hình 3.4 trình bày phân bố công suất tương đối của bó nhiên liệu với đề xuất thiết kế mới sử dụng chất hấp thụ nơtrôn Gd2O3 dạng vi hạt tại các điểm cháy 0 GWd/t và 10 GWd/t.
Do ảnh hưởng của chất hấp thụ nơtrôn chủ yếu trong giai đoạn cháy từ 0 tới 10 GWd/t nên các so sánh về phân bố công suất và hệ số đỉnh công suất tập trung trong giai đoạn này. Phân bố công suất được biểu diễn trong 1/6 bó nhiên liệu do tính đối xứng hình học, và so sánh với thiết kế tham chiếu sử dụng Gd2O3 phân bố đều. Mật độ công suất tương đối tại các thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ tại điểm cháy 0 GWd/t tăng từ 0,366 lên 0,407 (tăng 11% so với thiết kế truyền thống) - Hình 3.3. Trong khi đó, mật độ công suất tương đối tăng nhẹ khoảng 0,8% đối với các thanh nhiên liệu có vị trí gần trung tâm của bó nhiên liệu. Giá trị hệ số đỉnh công suất PPF xuất hiện tại vị trí thanh nhiên liệu phía ngoài cùng của bó nhiên liệu giảm từ 1,167 về 1,156 (giảm 0,9%). Kết quả này chỉ ra rằng, xét theo vị trí thanh nhiên liệu của bó nhiên liệu mới, phân bố công suất tương đối giảm nhẹ khi sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt. Tuy nhiên hệ số đỉnh công suất PPF của thiết kế mới giảm 0,9% so với thiết kế truyền thống là không đáng kể. Tại điểm cháy nhiên liệu 10 GWd/t ảnh hưởng của chất hấp thụ hầu như không còn, phân bố công suất xấp xỉ với thiết kế tham chiếu như trên Hình 3.4. Độ lệch mật độ công suất tương đối tại các vị trí thanh nhiên liệu chứa vi hạt Gd2O3 giữa hai thiết kế nằm trong khoảng 1,8%. Giá trị PPF gần đúng với giá trị của thanh nhiên liệu tham chiếu (1,060).
60
Hình 3.3: Phân bố công suất trong bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2O3 dạng vi hạt tại 0 GWd/t và so sánh với bó nhiên liệu tham chiếu. Đường kính vi hạt Gd2O3 tối ưu là 60 µm và hàm lượng đóng góp là 5,0%.
61
Hình 3.4: Phân bố công suất trong bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2O3 dạng vi hạt tại 10 GWd/t và so sánh với bó nhiên liệu tham chiếu. Đường kính vi hạt Gd2O3 tối ưu là 60 µm và tỷ lệ đóng góp là 5,0%.
Hình 3.5 mô tả sự thay đổi của hệ số đỉnh công suất PPF theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu mới sử dụng vi hạt Gd2O3 so sánh với thiết kế truyền thống và so sánh với thiết kế bó nhiên liệu không có chất hấp thụ. Kết quả cho thấy đối với bó nhiên liệu không có Gd2O3, phân bố công suất khá đồng đều và hệ số PPF nằm trong khoảng 1,04 – 1,07 trong suốt quá trình cháy từ 0 đến 40 GWd/t. Trong khi đó, các bó nhiên liệu thiết kế với chất hấp thụ Gd2O3 thì giá trị hệ số đỉnh công suất PPF cao hơn trong khoảng 0 – 10 GWd/t. Khoảng cháy này hoàn toàn phù hợp với sự ảnh hưởng của chất hấp thụ lên đường cong độ phản ứng. Sau thời điểm 10 GWd/t, hệ số đỉnh công suất xấp xỉ với giá trị của bó nhiên liệu không Gd2O3 và phân bố công suất tương đối theo các thanh nhiên liệu đồng đều hơn khi phần lớn các đồng vị hấp thụ nơtrôn đã bị cháy hết.
µm
Hình 3.5: Hệ số đỉnh công suất PPF theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu gồm 12 thanh UO2 – Gd2O3.
Kết quả nghiên cứu cho thấy, thông qua việc khảo sát tối ưu các thông số thiết kế của chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt, và đánh giá đường cong hệ số nhân vô hạn và phân bố công suất theo các thanh nhiên liệu, bó nhiên liệu mới có các đặc trưng hạt nhân xấp xỉ với bó nhiên liệu truyền thống. Điều đó chứng tỏ, về mặt vật lý, việc sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt là hoàn toàn khả thi. Tuy nhiên, ưu điểm nổi bật của việc sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt là sự tăng độ dẫn nhiệt của các thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 so với thiết kế truyền thống [25]. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy với thiết kế này đường kính vi hạt Gd2O3 được lựa chọn là 60
µm, trong khi đó nhóm tác giả Iwasaki đã tiến hành thực nghiệm với dải đường kính 25 – 53 µm vi hạt Gd2O3 trộn với nhiên liệu UO2 trong dải nhiệt độ 300 – 1273 K và thu được độ dẫn nhiệt mới nhỏ hơn độ dẫn nhiệt của hỗn hợp nhiên liệu truyền thống. Kết quả nghiên cứu này khá phù hợp với kích thước vi hạt Gd2O3 trong thực nghiệm của nhóm Iwasaki [25].
Sự thay đổi giá trị hệ số đỉnh công suất của bó nhiên liệu theo độ sâu cháy được biểu diễn trên Hình 3.5, kết quả tính toán cho thấy rằng việc sử dụng chất hấp thụ trong bó nhiên liệu truyền thống và trong thiết kế mới đều sẽ làm tăng hệ số đỉnh công suất trong giai đoạn đầu của quá trình cháy nhiên liệu. Vì vậy, việc nghiên cứu sâu hơn rất cần thiết để có thể triển khai, và thông qua việc nghiên cứu khảo sát các thiết kế chất hấp thụ dạng vi hạt cải tiến để hướng tới việc giảm hệ số đỉnh công suất PPF tại 0 GWd/t. Nghiên cứu giảm hệ số đỉnh công suất PPF là một trong những đặc trưng hạt nhân quan trọng nhằm góp phần làm tăng độ an toàn trong vận hành lò phản ứng.
3.2. Bó nhiên liệu VVER-1000 cải tiến với 18 thanh UO2– Gd2O3
3.2.1. Phân bố các thanh nhiên liệu chứa Gd2O3
Đối với bó nhiên liệu không có Gd2O3, phân bố công suất theo các thanh nhiên liệu khá đồng đều, hệ số đỉnh công suất PPF trong khoảng 1,04 – 1,07 trong suốt quá trình cháy 0 – 40 GWd/t. Trong khi đó, các đường biểu diễn hệ số đỉnh công suất PPF với độ sâu cháy của bó nhiên liệu chứa Gd2O3 cho thấy ảnh hưởng
của chất hấp thụ trong khoảng 0 – 10 GWd/t làm cho giá trị hệ số đỉnh công suất PPF cao như Hình 3.5. Do đó, vấn đề đặt ra là nghiên cứu thiết kế bó nhiên liệu mới sử dụng vi hạt Gd2O3 nhằm giảm hệ số đỉnh công suất PPF tại giai đoạn đầu của quá trình cháy là có tính khả thi. Các tính toán khảo sát được thực hiện nhằm tối ưu hóa số thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 và phân bố của chúng trong bó nhiên liệu nhằm làm giảm giá trị hệ số đỉnh công suất PPF.
Do tính đối xứng hình học 1/6 của bó nhiên liệu VVER-1000, việc khảo sát số thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ trong thiết kế mới sẽ chỉ nhận các giá trị 18, 24, 30, ... Tuy nhiên, với các giá trị lớn của số thanh chứa chất hấp thụ phân bố trong bó nhiên liệu, việc xác định tối ưu vị trí các thanh trong bó nhiên liệu, và tối ưu kích thước chất hấp thụ dạng vi hạt trở nên rất phức tạp. Chúng tôi đã tiến hành thực hiện nhiều tính toán khảo sát để có bộ dữ liệu đầy đủ, làm căn cứ so sánh và xác định số thanh nhiên liệu chứa vi hạt Gd2O3 và vị trí của chúng trong bó nhiên liệu. Từ đó lựa chọn ra và đề xuất hai mô hình bó nhiên liệu mới với 18 thanh chứa vi hạt Gd2O3 và vị trí sắp xếp như trong Hình 3.6.
Hình 3.6: Hai mô hình bó nhiên liệu VVER-1000 mới với 18 thanh UO2 – Gd2O3.
3.2.2. Khảo sát thông số thiết kế Gd2O3 dạng vi hạt
Trong quá trình khảo sát các thông số thiết kế, do mục tiêu đầu tiên là nhằm thu được đường cong hệ số nhân vô hạn xấp xỉ với thiết kế tham chiếu, và từ kết quả nghiên cứu trình bày trong Chương 2, có thể dự đoán rằng tổng hàm lượng Gd2O3 sử dụng trong bó nhiên liệu của thiết kế mới được giữ nguyên so với các thiết kế tham chiếu. Tức là tổng hàm lượng Gd2O3 trong 12 thanh nhiên liệu của thiết kế tham chiếu sẽ được chia đều cho 18 thanh. Do đó, tỉ lệ thể tích (Packing fraction) của các hạt Gd2O3 trong mỗi thanh nhiên liệu được xác định là 3,33%, nhỏ hơn so với hàm lượng Gd2O3 trong thiết kế với 12 thanh (5%). Khi cùng một lượng Gd2O3 được phân bố đều hơn trong 18 thanh của bó nhiên liệu thì tốc độ cháy của các đồng vị hấp thụ nơtrôn chính sẽ tăng lên. Do đó, để thu được đường cong hệ số nhân tương tự giá trị tham chiếu, đường kính các hạt Gd2O3 phải lớn hơn so với thiết kế với 12 thanh chứa Gd2O3. Khi đường kính vi hạt Gd2O3 tăng lên trong khi tổng thể tích là không đổi, thì tổng diện tích bề mặt của các hạt hấp thụ sẽ giảm xuống, kéo theo tiết diện hấp thụ nơtrôn hiệu dụng bị giảm xuống. Các tính toán khảo sát cần được thực hiện để xác định đường kính tối ưu của các hạt Gd2O3 sao cho đường cong hệ số nhân vô hạn của bó nhiên liệu mới tương tự như bó nhiên liệu tham chiếu.
3.2.3. Hệ số nhân nơtrôn vô hạn k∞
Đường kính của các vi hạt Gd2O3 được tiến hành khảo sát và đồng thời thực hiện đánh giá ảnh hưởng của kích thước vi hạt lên đường cong hệ số nhân vô hạn trong giai đoạn 0 – 10 GWd/t. Hình 3.7 và Bảng ?? mô tả đường cong hệ số nhân vô hạn với đường kính vi hạt Gd2O3 nằm trong khoảng 200 – 360 µm ở Mô hình 1. Chi tiết giá trị hệ số nhân vô hạn tại các bước cháy được cho trong Bảng ??. Từ đó, giá trị đường kính vi hạt hấp thụ Gd2O3 tối ưu được lựa chọn là 300 µm, và các giá trị hệ số nhân vô hạn của bó nhiên liệu mới gần tương đương nhất so với thiết kế tham chiếu.
Đối với Mô hình 2 của bó nhiên liệu với 18 thanh chứa Gd2O3 đã đề xuất, do hai Mô hình thiết kế 1 và 2 gần như tương đương nhau, chỉ khác về vị trí các thanh nhiên liệu chứa Gd2O3, có thể dễ dàng dự đoán được các thông số thiết kế
µm µm µm µm
Hình 3.7: Đường cong hệ số nhân vô hạn k∞ với độ sâu cháy của bó nhiên liệu mới VVER-1000 chứa 18 thanh UO2 – Gd2O3 trong Mô hình 1 ở giai đoạn đầu quá trình cháy (0 – 10 GWd/t).
tối ưu của hạt Gd2O3 trùng với Mô hình 1. Do đó, các thông số thiết kế của chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt như đường kính vi hạt và tỉ lệ thể tích trong Mô hình 2 được lấy giống như giá trị tối ưu thu được trong khảo sát với Mô hình 1 đã được khảo sát và tối ưu, cụ thể là đường kính vi hạt 300 µm và hàm lượng đóng góp là 3,33%. Thực hiện mô phỏng tính toán chi tiết các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu.
Hình 3.8 mô tả đường cong hệ số nhân vô hạn k∞ với độ cháy nhiên liệu trong cả hai trường hợp đã được tối ưu hóa các thông số. Chúng tôi tiến hành so sánh đường cong hệ số nhân vô hạn của thiết kế tham chiếu và thiết kế mới với 12 thanh UO2 – Gd2O3, kết quả cho thấy sự tương đồng.
µm µm
Hình 3.8: Đường cong hệ số nhân vô hạn k∞ theo độ cháy sâu của bó nhiên liệu mới VVER-1000 với 18 thanh UO2 – Gd2O3. Đường kính tối ưu của hạt Gd2O3 được lựa chọn là 300 µm và tỉ lệ thể tích là 3,33% cho cả hai Mô hình.
68 Hệ số nhân vô hạn k∞
Gd2O3 dạng vi hạt
Độ sâu cháy Gd2O3 (12) 18 thanh Độ lệch 18 thanh Độ lệch 18 thanh Độ lệch 18 thanh Độ lệch (GWd/t) đồng nhất 200 µm (%) 240µm (%) 300 µm (%) 360µm (%) 0 1,166 1,153 -1,140 1,159 -0,620 1,166 -0,030 1,172 0,540 1 1,127 1,116 -0,910 1,121 -0,540 1,126 -0,060 1,131 0,410 2 1,127 1,118 -0,730 1,121 -0,520 1,125 -0,130 1,129 0,220 3 1,126 1,121 -0,520 1,123 -0,310 1,125 -0,080 1,128 0,170 4 1,125 1,124 -0,090 1,124 -0,130 1,125 -0,040 1,126 0,060 5 1,125 1,129 0,380 1,127 0,200 1,125 0,030 1,125 0,040 6 1,124 1,132 0,710 1,130 0,520 1,127 0,230 1,125 0,050 7 1,124 1,134 0,910 1,132 0,710 1,128 0,370 1,124 0,070 8 1,123 1,133 0,880 1,131 0,690 1,127 0,380 1,124 0,060 9 1,121 1,128 0,620 1,127 0,570 1,125 0,350 1,122 0,090 10 1,116 1,119 0,350 1,119 0,350 1,118 0,240 1,116 0,060
Bảng 3.3: So sánh hệ số nhân vô hạn k∞ của bó nhiên liệu có 18 thanh chứa các hạt Gd2O3 với bó nhiên liệu có 12 thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 đồng nhất tại các bước cháy trong khoảng 0 – 10 GWd/t (Mô hình 1).
3.2.4. Phân bố công suất trong bó nhiên liệu mới
Hình 3.9 và hình 3.10 hiển thị sự phân bố công suất thanh nhiên liệu của bó nhiên liệu với thiết kế mới với 18 thanh nhiên liệu chứa vi hạt chất hấp thụ trong cả hai Mô hình 1 và Mô hình 2. Kết quả tính toán phân bố công suất của thanh nhiên liệu thiết kế mới thu được gần như phẳng hơn với thiết kế mới khi so sánh với thiết kế tham chiếu. Giá trị mật độ công suất tăng tại các thanh nhiên liệu ở vị trí trung tâm và giảm ở các vị trí ngoài cùng của bó nhiên liệu khi sử dụng 18 thanh chứa Gd2O3. Bó nhiên liệu với thiết kế gồm 18 thanh nhiên liệu chứa hạt này được sắp xếp sao cho phân bố các thanh nhiên liệu chứa vi hạt Gd2O3 đồng đều hơn trong bó nhiên liệu. So sánh với thiết kế tham chiếu, thiết kế mới này có các thanh nhiên liệu chứa lượng chất hấp thụ giảm đi ở trong các thanh nhiên liệu định xứ khu vực gần trung tâm của bó nhiên liệu, xấp xỉ với lượng tăng lên của các thanh chứa hạt hấp thụ được bố trí hình tròn gần phía ngoài cùng của bó nhiên liệu. Đề xuất các mô hình phân bố các thanh nhiên liệu chứa vi hạt hấp thụ này nhằm làm cho kết quả phân bố công suất đồng đều hơn trong bó nhiên liệu.
Bảng 3.4: So sánh hệ số đỉnh công suất PPF với bó nhiên liệu có 12 (60 µm) và 18 (300 µm) thanh chứa các hạt Gd2O3 tại các bước cháy trong khoảng 0 –10 GWd/t.
Hệ số đỉnh công suất PPF Gd2O3 dạng vi hạt
Độ sâu cháy Gd2O3 (12) 12 thanh 18 thanh 18 thanh (GWd/t) đồng nhất 60 µm 300 µm 300 µm (Mô hình 1) (Mô hình 2) 0 1,160 1,157 1,105 1,113 1 1,153 1,151 1,102 1,109 2 1,145 1,144 1,101 1,102 3 1,133 1,131 1,091 1,100 4 1,120 1,121 1,091 1,093 5 1,106 1,110 1,087 1,087 6 1,097 1,093 1,078 1,077 7 1,082 1,087 1,074 1,077 8 1,072 1,075 1,066 1,072 9 1,063 1,065 1,066 1,062 10 1,059 1,059 1,059 1,062
70
Hình 3.9: Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2O3 tại điểm cháy 0 GWd/t (Mô hình 1). Đường kính vi hạt chất hấp thụ tối ưu là 300 µm và tỉ lệ thể tích là 3,33% .
71
Hình 3.10: Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2O3 tại điểm cháy 0 GWd/t (Mô hình 2). Đường kính vi hạt chất hấp thụ tối ưu là 300 µm và tỉ lệ thể tích là 3,33% .
Kết quả tính toán phân bố công suất cho thấy độ lệch mật độ công suất lớn nhất khoảng 9,0%, ngoại trừ tại các vị trí của thanh nhiên liệu chứa vi hạt Gd2O3 thì độ lệch về phân bố công suất lớn hơn. Điều đó có thể được giải thích là do sự thay đổi vị trí phân bố của các thanh nhiên liệu chứa vi hạt Gd2O3 và hàm lượng đóng góp của vi hạt Gd2O3 trong mỗi thanh nhiên liệu ở trong hai mô hình thiết kế mới so với thiết kế tham chiếu. Kết quả tính toán giá trị mật độ công suất thanh nhiên liệu lớn nhất xuất hiện ở các thanh nhiên liệu được phân bố ở ngoài cùng của bó nhiên liệu trong cả hai Mô hình 1 và 2. Giá trị hệ số đỉnh