Lò phản ứng VVER-1000/V392 công suất 1000MWe đã được vận hành tại rất nhiều quốc gia trên thế giới như Bulgaria, Iran,... Lò phản ứng VVER-1000 phiên bản V392 và V466 có thểđược lựa chọn cho dựán điện hạt nhân Ninh Thuận I. Các thông số chi tiết về hệ thống lò phản ứng VVER-1000/V392 nói chung được trình bày trong báo cáo phân tích an toàn ISAR [2]. Cùng các cải tiến về công nghệ cũng như các hệ thống an toàn nhằm tăng độ tin cậy cũng như hiệu suất của nhà máy. Tuy nhiên trong phần này chỉ trình bày các đặc tính liên quan đến cải tiến về mặt nhiên liệu và các đặc tính vật lý liên quan, như độ giàu nhiên liệu và chu kỳ vận hành lò tăng lên.
Về cơ bản, lò phản ứng VVER-1000/V392 có độ làm giàu cao hơn VVER- 1000/V320 và các thế hệVVER trước đó, vì vậy độ phản ứng dự trữ sẽcao hơn kéo theo đó là chu kỳ vận hành lò phản ứng cũng dài hơn (từ 12 tháng có thể lên tới 18 tháng). Số các thanh điều khiển và thanh hấp thụ cháy được (thanh nhiên liệu chứa Gadolinium) tăng lên nhằm điều khiển lò tốt hơn và làm phẳng phân bố công suất trong lò để lò vận hành được lâu hơn và an toàn hơn. Các thông số cơ bản của lò phản ứng VVER-1000/V392 được trình bày trong bảng 3.3.
49
Bảng 3.3 Các thông số cơ bản của lò VVER-1000/V392 [2]
STT Đặc trưng Giá trị
1 Công suất nhiệt danh định, MW 3000
2 Số bó thanh nhiên liệu trong vùng hoạt 163
3 Tổng lượng UO2 trong lò, kg 82387
4 Chiều cao bó nhiên liệu trong trạng thái nóng, cm 354
5 Đường kính vùng hoạt, cm 316
6 Công suất nhiệt tuyến tính trung bình, W/cm 166,7 8 Tốc độ dòng khối qua vùng hoạt, m3/h 86000
9 Nhiệt độ lối vào, 0C 291
10 Vật liệu vỏ bọc thanh nhiên liệu Alloy ϶-110
11 Vật liệu viên nhiên liệu UO2
12 Đường kính ngoài viên nhiên liệu, cm 0,76
13 Mật độ nhiên liệu, g/cm3 10,4 - 10,7
14 Số thanh nhiên liệu chứa Gadolini (Gd2O3) 6; 9 hoặc 24
15 Vật liệu vỏ bọc thanh U-Gd Alloy ϶-110
16 Tỷ phần khối lượng Gd2O3 trong thanh U-Gd 5%
17 Số thanh nhiên liệu trong một bó 312
18 Số các kênh dẫn 18
19 Sốkênh đo 1
20 Sốthanh điều khiển trong một bó 18
50
Chu trình nhiên liệu đầu tiên của vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000/V392 gồm 163 bó nhiên liệu và bố trí của các nhóm thanh điều khiển (103 bó nhiên liệu chứa thanh điều khiển) [2].
Hình 3.6 Sơ đồ bố trí các bó nhiên liệu 1/6 vùng hoạt lò VVER-1000/V392 [2]
51
Vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000/V392 gồm 10 nhóm thanh điều khiển có thể có mặt tại 121 vị trí của bó nhiên liệu, tổng tất cả các bó chứa thanh điều khiển là 103 bó. Thanh điều khiển nhóm 10 (như hình 3.7) là nhóm điều khiển công suất, thường được đưa vào trong vùng hoạt từ 70 - 90 % chiều cao so với đáy của vùng hoạt khi lò vận hành ở mức công suất định mức và được sử dụng để điều chỉnh những thay đổi nhỏ của độ phản ứng (điều chỉnh tinh độ phản ứng) do sựdao động về nhiệt độ, nồng độ Boron,... giữ cho công suất lò luôn ở mức ổn định. Nhóm chùm thanh bù trừ là nhóm số 5, được sử dụng để làm phẳng công suất nhiệt của toàn lò. Tất cả các nhóm bó thanh điều khiển đều được sử dụng để dập lò trong trường hợp khẩn cấp và bảo vệ dự phòng.
Bảng 3.4 Các đặc trưng của bó nhiên liệu VVER-1000/V392 [2]
TT Đặc trưng Giá trị
1 Độ dài bó nhiên liệu, mm 4570
2 Khối lượng (không chứa thanh điều khiển), kg ~720 3 Độ rộng của bó nhiên liệu tính cả miếng góc, cực đại, mm 235,1 4 Số thanh nhiên liệu và thanh chứa Gd trong một bó 312 5 Mẫu sắp xếp các bó nhiên liệu, kể cả nhiên liệu chứa Gd Tam giác đều
6 Bước giữa các thanh nhiên liệu, mm 12,75
7 Đường kính ngoài vỏ bọc nhiên liệu, mm 9,1 ± 0,05
8 Khối lượng nhiên liệu trong bó, kg 505,4 ± 4,5
9 Sốống dẫn cho các thanh điều kiển trong bó nhiên liệu 18
10 Vật liệu làm ống dẫn Alloy Э-635
11 Đường kính ngoài của ống dẫn, mm 12,6
12 Đường kính trong của ống dẫn, mm 10,9
13 Sốlưới giằng trên bó nhiên liệu 15
14 Công suất nhiệt tuyến tính W/cm Thanh nhiên liệu U 448 Thanh nhiên liệu U-Gd 360 15 Tốc độ di chuyển khi vận hành của bó thanh điều khiển, m/s 0,02
52
17 Khối lượng của lưới định vị, kg 0,5
18 Đường kính ngoài của ống dẫn thiết bịđo, mm 13,0 19 Đường kính trong của ống dẫn thiết bịđo, mm 11,0 20 Vật liệu miếng góc (Độ rộng ởchân 25mm và độ dày 0.65 mm) Alloy Э-635 21 Số các miếng góc trong bó nhiên liệu 6
22 Vật liệu viên nhiên liệu UO2
23 Khối lượng UO2 trong bó nhiên liệu (U và U-Gd), kg ~ 1,620 24 Vật liệu vỏ bọc thanh nhiên liệu (U và U-Gd) Alloy Э-110 25 Đường kính trong của vỏ bọc thanh nhiên liệu (U và U-Gd), mm 7,73 + 0,06 26 Độ dài tổng cộng của thanh nhiên liệu (U và U-Gd), mm 3836 27 Chiều cao bó nhiên liệu ở trạng thái lạnh (U và U-Gd), mm 3530 28 Đường kính ngoài của viên nhiên liệu, mm 7,6 29 Đường kính lỗở tâm viên nhiên liệu (U và U-Gd), mm 1,2 30 Áp suất ban đầu của Hêli trong vỏ bọc thanh nhiên liệu, MPa 2,0 31 Số các thanh nhiên liệu loại U-Gd trong mẫu bó FA-A-5M 6 - 9 32 Vật liệu hấp thụ trong thanh nhiên liệu U-Gd Gd2O3
33 Phần trăm Gd2O3 trong thanh nhiên liệu, % khối lượng 5 34 Sốthanh điều khiển trong bó nhiên liệu 18 35 Đường kinh ngoài vỏ bọc của thanh điều khiển, mm 8,2 36 Thời gian các bó thanh điều khiển rơi xuống đáy vùng hoạt trong
trường hợp khẩn cấp, giây 1,2 đến 4
37 Vật liệu ởđỉnh và đáy cốđịnh bó nhiên liệu 08X18H10T 38 Vật liệu của lò xo hãm bó nhiên liệu XH77TЮP
39 Khoảng cách giữa tâm các bó nhiên liệu, mm 236
Trên đây là các đặc trưng cơ bản của bó nhiên liệu trong lò phản ứng VVER- 1000/V392, các đặc trưng cụ thể về cấu hình các loại bó nhiên liệu và sự xắp xếp của các bó nhiên liệu trong vùng hoạt sẽđược trình bày trong phần sau.
53
3.3.2 Cấu hình các loại bó nhiên liệu VVER-1000/V392
Cấu hình VVER-1000/V392 gồm rất nhiều các loại bó nhiên liệu khác nhau như 13A, 22A, 30A9P, 39A9P, 39A6P, 40A9Q, 44A9Q, 44A9P, 44A6Q, 47A9P, 47A6Q. Bài toán này chúng ta chỉ quan tâm đến chu trình nhiên liệu thứ nhất do vậy có các bó nhiên liệu sau đây được quan tâm: 13A, 22A, 30A9P, 39A9P, 39A6P. Trong phần này trình bày các cấu hình cụ thể của 5 loại bó nhiên liệu sử dụng trong chu trình nhiên liệu đầu tiên kể trên.
a. Bó nhiên liệu loại 13A và 22A
Các thanh nhiên liệu có độ giàu 1,3% hoặc 2,2% U235 được bố trí trong bó nhiên liệu và có 18 ống dẫn thanh điều khiển và 1 ống dẫn thiết bị đo được thể hiện trên hình 3.8.
Hình 3.8 Cấu hình bó nhiên liệu 13A và 22A [2]
b. Bó nhiên liệu loại 30A9P và 44A9P
Các thanh nhiên liệu có độ giàu 3,0% hoặc 4,0% U235 và các thanh nhiên liệu chứa Gadolini (5% Gd2O3) được bốtrí như hình 3.9.
54
Hình 3.9 Cấu hình bó nhiên liệu loại 30A9P và 44A9P [2]
c. Bó nhiên liệu loại 39A9P
Gồm các thanh nhiên liệu có độ giàu 3,6% và 4,0% U235 cùng 9 thanh nhiên liệu chứa Gadolini (5% Gd2O3). Hình học chi tiết được bốtrí như hình 3.10.
55
d. Bó nhiên liệu loại 39A6P
Cấu hình tương tựnhư 39A9P nhưng sốlượng thanh Gd là 6 thanh. Xem chi tiết trên hình 3.11.
Hình 3.11 Cấu hình bó nhiên liệu 39A6P [2]
Tổng số các bó nhiên liệu trong vùng hoạt VVER-1000/V392 là 163 bó nhiên liệu, 5 loại bó nhiên liệu là 13A, 22A, 30A9P, 39A9P, 39A6P được xắp xếp trong cấu hình vùng hoạt đã được trình bày trong hình 3.6 phần 3.3.1.
Chất làm chậm trong vùng hoạt có nhiệt độ 2800C, nồng độ axít boric là 1700ppm. Các kết quả tính toán vật lý cho cấu hình vùng hoạt VVER-1000/V392 được thể hiện trong phần 3.3.3.
56
3.3.3 Một số kết quả tính toán
a. Thông lượng nơtron
Thực hiên tính toán tại trạng thái lò phản ứng như sau: - Nhiệt độ chất làm chậm là 2800C;
- Nồng độ axit boric là 1700 ppm;
- Nhóm thanh điều khiển số 10 (điều khiển công suất) được đưa vào vùng hoạt 80%.
Sau khi chạy chương trình MCNP5 với các thông số đầu vào của vùng hoạt lò phản ứng như trên và lấy giá trị kết quả là thông lương nơtron nhiệt trung bình tại tâm của mỗi bó nhiên liệu trong vùng hoạt lò phản ứng ta được phân bốnhư sau.
Phân bốthông lượng nơtron nhiệt theo chiều bán kính: (Tally F4 là giá trị xắc suất tìm thấy nơtron tại ô mạng lấy tally).
Hình 3.12 Phân bố thông lượng nơtron nhiệt theo chiều bán kính
Nhận xét:
Hình 3.12 thể hiện thông lượng nơtron nhiệt trong các bó nhiên liệu ở gần tâm lò có giá trị cao hơn so với các bó nhiên liệu ở bên ngoài do mật độ công suất tập trung ở tâm lò là lớn nhất. Để thấy rõ hơn phân bố của nơtron nhiệt trong vùng hoạt, hình 3.13 thể hiện phân bốthông lượng nơtron nhiệt toàn vùng hoạt.
0.00E+00 1.00E-07 2.00E-07 3.00E-07 4.00E-07 5.00E-07 6.00E-07 7.00E-07 8.00E-07 -200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 Giá tr ị t ally F 4 Vị trí theo chiều bán kính (cm)
57
58
b. Độ phản ứng theo nhiệt độ chất làm chậm
Hiệu ứng thay đổi của độ phản ứng theo nhiệt độ chất làm chậm là một hiệu ứng rất quan trọng trong việc điều khiển lò phản ứng. Trong bài toán này để xem xét sựthay đổi của độ phản ứng theo nhiệt độ chất làm chậm, ta xét cấu hình vùng hoạt như sau:
- Thanh điều khiển công suất (nhóm 10) được đưa 80% vào vùng hoạt;
- Thay đổi nhiệt độ của chất làm chậm trong giải từ 553-6030K (tương ứng với nhiệt độ chênh lệch giữa kênh nóng và kênh lạnh của vòng tải nhiệt lò phản ứng khoảng 280 – 3300C).
Thực hiện tính toán giá trị keff theo từng giá trị của nhiệt độ chất làm chậm. Kết quả tính toán sựthay đổi của độ phản ứng theo nhiệt độ chất làm chậm được thể hiện trong bảng 3.5.
Bảng 3.5 Sự thay đổi của độ phản ứng theo nhiệt độ chất làm chậm.
Nhiệt độ chất làm chậm ( 0K) Mật độ (g/cm3) Hệ số nhân keff Độ phản ứng ρ (Δk/k) Sai số 603 0,6514 0,98513 -0,01509 0,00091 593 0,6803 0,99033 -0,00976 0,00083 583 0,7047 0,99573 -0,00429 0,00065 573 0,7241 0,99800 -0,00200 0,00081 563 0,7462 1,00087 0,00087 0,00094 553 0,7533 1,00170 0,00170 0,00077 Nhận xét:
Khi nhiệt độtăng lên dẫn tới mật độ của chất làm chậm giảm đi, do vậy lượng nơtron bị làm chậm cũng giảm đi từđó số phân hạch giảm đi do thông lượng nơtron nhiệt giảm vì vậy độ phản ứng cũng giảm theo. Trong thực tế, tại các trạng thái hoặc chếđộ mà nhiệt độ chất tải nhiệt bị giảm đithì độ phản ứng sẽtăng lên, do vậy khi thiết kế lò phản ứng chúng ta phải lưu ý đến điều này.
59
Hình 3.14 Sự phụ thuộc của độ phản ứng vào nhiệt độ chất làm chậm
c. Hiệu suất của thanh điều khiển
Mục đích của việc tính toán hiệu suất thanh điều khiển nhằm xem xét sự thay đổi của độ phản ứng phụ thuộc vào việc đưa thanh điều khiển vào vùng hoạt. Và để tính toán vị trí thiết kế các thanh điều khiển nhóm điểu khiển công suất, vị trí của nhóm thanh điều khiển công suất sẽ được bố trí tại vị trí có mật độ công suất cao, nhằm điều khiển tốt hơn, chính xác hơn theo yêu cầu khi điều khiển lò phản ứng.
Cấu hình vùng hoạt gồm 103 bó nhiên liệu chứa thanh điều khiển được chia thành 10 nhóm, các thanh điều khiển (nhóm 10) nhóm điều khiển công suất được bố trí như hình 3.6 và hình 3.7. Đểđánh giásơ bộ hiệu suất, thanh điều khiển được đưa vào vùng hoạt mỗi bước là 50cm dọc theo chiều cao vùng hoạt (cho mục đích tính toán mô phỏng).
Trong bài toán này ta xét nhiệt độ chất làm chậm tại 2800C, không có boron trong chất làm chậm cũng như không có mặt của các bó thanh điều khiển ngoài nhóm điều khiển công suất (nhóm 10).
Các kết quảtính toán được đưa ra trong bảng 3.6.
-0.016 -0.014 -0.012 -0.010 -0.008 -0.006 -0.004 -0.002 0.000 0.002 0.004 553 563 573 583 593 603 Đ ộ ph ản ứng Nhiệt độ (K)
60
Bảng 3.6. Hiệu suất thanh điều khiển nhóm 10
Các trường hợp Độdài đưa vào vùng hoạt (cm) keff Độ phản ứng ρ (Δk/k) Sai số 1 0 1,17382 0,14808 0,00092 2 50 1,17353 0,14787 0,00086 3 100 1,17281 0,14734 0,00063 4 150 1,17122 0,14619 0,00085 5 200 1,16926 0,14476 0,00121 6 250 1,16784 0,14372 0,00077 7 300 1,16745 0,14343 0,00093 8 353 1,16681 0,14296 0,00082
Hình 3.15 Đường cong vi phân hiệu suất thanh điều khiển nhóm 10
Nhận xét:
Rõ ràng khi dịch chuyển thanh điều khiển đến vị trí trên cùng và dưới cùng của vùng hoạt, độ phản ứng của lò phản ứng ít thay đổi và có sự thay đổi mạnh khi đi qua tâm vùng hoạt. Ta thấy độ phản ứng giảm dần theo chiều đưa vào của thanh điều khiển, nghĩa là việc đưa thanh điều khiển đóng vai trò đưa vào vùng hoạt một độ phản ứng âm, giúp điều khiển công suất của lò phản ứng bằng việc đưa thanh điều khiển vào trong vùng hoạt lò phản ứng.
0.1410 0.1420 0.1430 0.1440 0.1450 0.1460 0.1470 0.1480 0.1490 0.1500 -50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 Đ ộ p hản ứn g
61
d. Phân bố công suất nhiệt tuyến tính
Phân bố công suất được đặc trưng bởi các tham sốliên quan đến công suất cực đại trong viên nhiên liệu và bó nhiên liệu. Các tham số này rất quan trọng trong thiết kế hạt nhân và thiết kế nhiệt của lò phản ứng.
Trong chếđộ vận hành bình thường giá trị tới hạn của tốc độ sinh nhiệt tuyến tính phải nằm trong dải cho phép. Đối với lò phản ứng VVER-1000/V392 thì đường giới hạn công suất theo chiều cao Z được thể hiện trong [2]. Trong đó tốc độ sinh nhiệt tuyến tính cực đại của thanh nhiên liệu là 448 W/cm và với thanh nhiên liệu chứa Gd là 360 W/cm. Để tính toán chính xác được phân bố công suất dọc theo chiều cao vùng hoạt ta cần biết phân bố nhiệt độ dọc theo chiều cao, do đó cần kết hợp tính toán vật lý với tính toán thủy nhiệt để có thể đưa ra được kết quả chính xác. Vì vậy để khảo sát phân bố tốc độ sinh nhiệt tuyến tính theo chiều cao vùng hoạt, mô hình tính toán kết hợp giữa MCNP5 và RELAP5 được xem xét. Sơ đồ thuật toán được thực hiện như hình 3.16.
1 Giả thiết phân bố nhiệt độ có dạng hàm cosin dọc theo chiều cao thanh nhiên liệu cùng với các thông số vật liệu hình học tương ứng và thực hiện tính toán bằng MCNP5.
2 Kết quả đầu ra sau khi chạy MCNP5 là phân bố công suất dọc theo chiều cao vùng hoạt, chuyển kết quả tính phân bố công suất vào input của RELAP5, tính cho trạng thái dừng với 100% công suất.
3 Kết quả đầu ra sau khi chạy RELAP5 là phân bố nhiệt độ dọc theo chiều cao vùng hoạt của tâm viên nhiên liệu, lớp vỏ bọc và chất làm chậm kết quảnày được đưa vào input MCNP5 để tính lại phân bố công suất.
4 Thu được kết quả.