MVP và SRAC
Nhằm đánh giá sự phù hợp của mô hình mô phỏng bó nhiên liệu đề xuất sử dụng trong các tính toán của luận án. Các tính toán được thực hiện bằng chương trình MVP với bó nhiên liệu VVER-1000 tham chiếu và tiến hành so sánh với kết quả tính toán từ chương trình SRAC. SRAC cũng là một chương trình tính toán được phát triển và sử dụng rộng rãi bởi Viện nghiên cứu Năng lượng nguyên tử Nhật Bản với mục đích tính toán vật lý nơtrôn cho một số lò phản ứng nơtrôn nhiệt từ năm 1978 [65].
Bảng 2.4: Các thông số thiết kế bó nhiên liệu UO2 – Gd2O3 lò phản ứng VVER- 1000.
Thông số Đơn vị Giá trị
Số thanh trung tâm Thanh 1
Số thanh định hướng Thanh 18
Số thanh nhiên liệu chứa Gd Thanh 12 Số thanh nhiên liệu UO2 Thanh 300 Bán kính trong vỏ bọc thanh nhiên liệu cm 0,3860 Bán kính ngoài vỏ bọc thanh nhiên liệu cm 0,4582 Bán kính trong thanh trung tâm cm 0,4800 Bán kính ngoài thanh trung tâm cm 0,5626
Bán kính trong ống dẫn cm 0,5450
Bán kính ngoài ống dẫn cm 0,6323
Khoảng cách ô mạng viên nhiên liệu cm 1,2750 Khoảng cách từ tâm các thanh nhiên liệu cm 23,6 Nhiệt độ các vật liệu cấu trúc K 575,0
Nhiệt độ nhiên liệu K 1027,0
Độ giàu nhiên liệu 235U wt% 3,7
Khối lượng riêng Gd2O3 g/cm3 7,4
Hình 2.12: Hệ số nhân vô hạn k∞ theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu VVER- 1000 có chứa Gd2O3 trộn đều được tính toán mô phỏng bằng chương trình MVP và SRAC.
Hình 2.12 biểu diễn đường cong hệ số nhân nơtrôn vô hạn k∞ của bó nhiên liệu VVER-1000 có chứa Gd2O3 trộn đều theo độ sâu cháy, giá trị k∞ tính toán bằng chương trình SRAC và k∞ trung bình chuẩn (Benchmark mean=BM) được tính từ kết quả của các chương trình MCNP4B, MCU, TVS-M, WIMSA, HELIOS1.4 và MULTICELL với các thư viện số liệu khác nhau [28]. Hệ số nhân
k∞ được tính bằng chương trình MVP ngoài điểm cháy ban đầu 0 GWD/t, các vị trí còn lại đều cho kết quả nhỏ hơn giá trị trung bình chuẩn và giá trị tính bằng chương trình SRAC - Kết quả chi tiết được thể hiện trong Bảng 2.5.
Kết quả tính từ MVP và SRAC cho thấy giá trị k∞ giảm đột ngột ở những bước cháy đầu là do có sự xuất hiện của 135Xe và 149Sm cho tới khi mật độ các đồng vị này đạt trạng thái bão hòa sau khoảng 40 giờ hoạt động. Khi đó, giá trị
k∞ xấp xỉ quanh giá trị 1,130 cho đến điểm cháy 10 GWd/t thì bắt đầu quá trình giảm tuyến tính theo độ sâu cháy nhiên liệu. Bởi vì sau độ cháy 10 GWd/t, hầu hết 155Gd và 157Gd trong các thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 đã cháy hết.
Hình 2.13 so sánh phân bố công suất trong bó nhiên liệu theo vị trí phân bố của các thanh nhiên liệu thu được từ tính toán MVP và kết quả thu được từ chương trình SRAC [13]. Kết quả cho thấy phân bố công suất thu được từ 2 mô hình tính toán khá phù hợp, độ lệch lớn nhất khoảng 5,23% đối với các thanh nhiên liệu chỉ chứa uranium và xuất hiện tại vị trí ngoài cùng bó nhiên liệu. Độ lệch lớn nhất khoảng 8,36 % đối với thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 đồng nhất.
Hình 2.14 so sánh phân bố công suất trong bó nhiên liệu theo vị trí phân bố của các thanh nhiên liệu thu được từ tính toán MVP và kết quả giá trị trung bình chuẩn BM [13]. Kết quả cho thấy phân bố công suất thu được từ 2 mô hình tính toán khá phù hợp, độ lệch lớn nhất khoảng 2,48% đối với các thanh nhiên liệu chỉ chứa uranium và cũng xuất hiện tại vị trí ngoài cùng bó nhiên liệu. Độ lệch lớn nhất khoảng 12,96 % đối với thanh nhiên liệu chứa Gd2O3. Độ lệch phân bố công suất đối với thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 xuất hiện ở các kết quả tín toán trên là do hàm lượng đóng góp của Gd2O3 trong thanh nhiên liệu khác nhau.
Qua kết quả mô phỏng và tính toán sử dụng MVP giá trị hệ số nhân vô hạn
k∞ và phân bố công suất đối với bó nhiên liệu VVER-1000 có chứa Gd2O3 đồng nhất, nhận thấy có sự phù hợp khá tốt của các kết quả tính toán sử dụng chương
Bảng 2.5: Bảng hệ số nhân nơtrôn vô hạn k∞ tính bằng chương trình MVP và so sánh với kết quả tính bằng chương trình SRAC và giá trị trung bình chuẩn trong khoảng cháy 0–40 GWd/t.
Độ sâu cháy k∞
(GWd/t) MVP BM SRAC Dev.1 % Dev.2 % 0 1,165 1,135 1,166 2,68 -0,04 1 1,124 1,134 1,125 -0,89 -0,01 2 1,124 1,136 1,125 -1,02 -0,03 3 1,123 1,137 1,125 -1,22 -0,14 4 1,124 1,137 1,127 -1,17 -0,23 5 1,127 1,139 1,130 -1,01 -0,29 6 1,129 1,140 1,133 -1,01 -0,44 7 1,130 1,141 1,136 -1,02 -0,53 8 1,129 1,140 1,135 -0,96 -0,55 9 1,126 1,135 1,131 -0,78 -0,44 10 1,119 1,128 1,123 -0,75 -0,36 11 1,111 1,119 1,114 -0,69 -0,32 12 1,101 1,112 1,105 -0,92 -0,32 13 1,092 1,103 1,096 -0,94 -0,34 14 1,084 1,094 1,087 -0,88 -0,28 15 1,074 1,085 1,078 -0,90 -0,31 20 1,036 1,043 1,038 -0,69 -0,22 25 0,999 1,004 1,001 -0,54 -0,23 30 0,965 0,968 0,967 -0,31 -0,17 35 0,934 0,937 0,935 -0,36 -0,12 40 0,905 0,907 0,906 -0,21 -0,10 Dev.1 = 100(MVP-BM)/BM Dev.2 = 100(MVP-SRAC)/SRAC
trình MVP và SRAC so với các kết quả tính toán trong báo cáo của OECD/NEA [28]. Các giá trị k∞ và độ lệch hệ số nhân nơtrôn vô hạn k∞ của bó nhiên liệu khi sử dụng MVP và SRAC biến thiên ở trong khoảng 0,01–0,55%, độ lệch lớn nhất tại độ sâu cháy 8 GWd/t (0,55%). Độ lệch các kết quả giữa chương trình tính toán MVP và SRAC, MVP và BM là chấp nhận được, cho thấy được sự phù hợp của các mô hình tính toán. Do đó, mô hình MVP được xây dựng có đủ độ tin cậy để áp dụng cho các tính toán thiết kế bó nhiên liệu sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt.
49
Hình 2.13: Phân bố công suất trong bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2O3 đồng nhất sử dụng chương trình mô phỏng tính toán MVP và SRAC [13].
50
Hình 2.14: Phân bố công suất trong bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2O3 đồng nhất sử dụng chương trình mô phỏng tính toán MVP và BM [13].
2.7. Kết luận chương 2
Trong chương này, chúng tôi đã tổng quan một số khái niệm cơ bản cũng như một số chức năng chính của chương trình tính toán mô phỏng MVP/GMVP được sử dụng cho các tính toán trong luận án. Đồng thời thực hiện tính toán hệ số nhân và phân bố công suất bó nhiên liệu với 12 thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 của lò VVER-1000/V-320.
Các kết quả tính toán mô phỏng và tính toán sử dụng MVP giá trị hệ số nhân vô hạn k∞ và phân bố công suất trong bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 có chứa Gd2O3 đồng nhất, nhận thấy có sự phù hợp khá tốt với giá trị tính toán sử dụng SRAC.
Với các bó nhiên liệu, kết quả tính toán bằng cả MVP và so sánh với SRAC và BM cho kết quả có độ lệch khá nhỏ đối với hệ số nhân vô hạn. Sự khác nhau này là do phương pháp tính cũng như thư viện số liệu sử dụng, tuy nhiên nó cũng thể hiện được độ tin cậy của cả 2 công cụ và phương pháp tính toán. Kết quả tính phân bố công suất cũng cho ta thấy được phân bố công suất khá đồng đều bên trong bó nhiên liệu.
Các tính toán này cho ta dữ liệu về các đặc trưng nơtrôn của thanh và bó nhiên liệu lò VVER-1000/V-320 khi sử dụng chất hấp thụ trong các thanh nhiên liệu để phục vụ cho tính toán toàn lò và tính cháy sau này.
CHƯƠNG 3.
THIẾT KẾ BÓ NHIÊN LIỆU CẢI TIẾN SỬ DỤNG
Gd2O3 DẠNG VI HẠT
Nội dung thứ nhất của chương 3 trình bày tính khả thi của việc sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt trong bó nhiên liệu VVER-1000 thông qua quá trình tiến hành khảo sát các bán kính khác nhau của vi hạt hấp thụ và đánh giá ảnh hưởng lên các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu. Mục tiêu của việc sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt nhằm kiểm soát độ phản ứng cao của bó nhiên liệu trong giai đoạn đầu của quá trình cháy. Kết quả thu được đường biểu diễn hệ số nhân vô hạn (k∞) theo độ sâu cháy của thiết kế mới xấp xỉ với bó nhiên liệu truyền thống. Điểm nhấn của thiết kế mới là sử dụng vi hạt hấp thụ Gd2O3 trộn với nhiên liệu UO2 thì độ dẫn nhiệt của thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 tăng lên. Tuy nhiên, câu hỏi tiếp theo được đặt ra là có thể sử dụng chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt để đồng thời đạt được những mục tiêu như ban đầu và giảm hệ số đỉnh công suất theo vị trí thanh nhiên liệu hay không? Khi đặc trưng hạt nhân hệ số đỉnh công suất giảm sẽ góp phần tăng độ an toàn trong quá trình vận hành lò phản ứng [60].
Mục tiêu thứ nhất là khảo sát thiết kế mới nhằm làm giảm hệ số đỉnh công suất PPF của bó nhiên liệu. Khi đó, yêu cầu phải phân bố chất hấp thụ đồng đều hơn so với thiết kế truyền thống là 12 thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ. Điều đó có nghĩa là số thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ sẽ tăng lên và phân bố đồng đều hơn trong bó nhiên liệu. Các thông số thiết kế của chất hấp thụ cần được khảo sát trong thiết kế này bao gồm:
1. Số thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ.
2. Vị trí các thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ trong bó nhiên liệu. 3. Đường kính các hạt hấp thụ Gd2O3.
4. Tỉ lệ thể tích chất hấp thụ trong mỗi thanh nhiên liệu (Packing fraction). Đây là bài toán phức tạp do có nhiều thông số thiết kế cần phải khảo sát. Mục tiêu là thu được thiết kế tối ưu sao cho đường cong hệ số nhân vô hạn k∞
theo độ sâu cháy gần với thiết kế tham chiếu, trong khi hệ số đỉnh công suất nhỏ hơn. Trên cơ sở là ưu điểm về hệ số truyền nhiệt cao vẫn được đảm bảo.
Mục tiêu thứ hai là khảo sát thiết kế bó nhiên liệu mới với hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp. Hàm lượng Boron trong nước tải nhiệt giảm sẽ góp phần làm cho hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm MTC âm hơn, do đó nâng cao độ an toàn của lò phản ứng. Hệ số phản hồi nhiệt độ của độ phản ứng là một thông số quan trọng đóng góp trong việc xem xét độ an toàn trong quá trình vận hành lò phản ứng nước nhẹ, được định nghĩa là sự thay đổi độ phản ứng trên độ thay đổi trung bình nhiệt độ của chất làm chậm. Hệ số phản hồi nhiệt độ MTC phải luôn âm, tuy nhiên để hệ số này âm hơn cũng là một trong những mục tiêu nhằm đảm bảo an toàn vận hành lò phản ứng [41]. Hơn nữa, thiết kế nhiên liệu với hàm lượng Boron trong nước tải nhiệt thấp cho phép đơn giản quá trình vận hành của hệ thống điều khiển hàm lượng Boron, cũng như giảm sự ăn mòn của các vật liệu cấu trúc. Do đó, xu thế hiện nay đó là thiết kế các lò tiên tiến không chứa Boron trong chất làm chậm và có độ phản ứng dự trữ nhỏ là những đặc trưng đang được các nhà khoa học tập trung khai thác nhằm đáp ứng yêu cầu an toàn và kinh tế ở các thiết kế thế hệ tiếp theo [27, 61, 37, 46, 71]