CHƯƠNG 3 : CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TỐN THỦY NHIỆT RELAP5
4.2. Phân tích sự cố LOCA vỡ 10% kênh nóng trong thực nghiệm ROSA/LSTF sử dụng chương trình
4.2.1. Phân tích bài tốn
Bài tốn đặt ra là sự cố LOCA vỡ 10% trong kênh nóng trong nhà máy điện hạt nhân, theo giả định là hệ thống phun áp suất cao ko hoạt động, hệ thống cấp nước phụ hỏng và không hoạt động đồng thời với tín hiệu scram đã được khởi phát.
4.2.1.1 Điều khiển các biến Logic Bảng 4: Bảng điều khiển các biến Logic
Sự kiện Điều kiện
Vỡ Thời gian t = 0
Khởi động tín hiệu scram Áp suất bên sơ cấp = 12.97Mpa
Bắt đầu mô phỏng đường cong suy giảm công suất vùng hoạt
Bắt đầu bơm chất tải nhiệt vòng sơ cấp Khởi động tín hiệu scram Turbine trip (đóng van dừng) Khởi động tín hiệu scram Đóng van cơ lập dịng hơi chính Khởi động tín hiệu scram Ngừng nước cấp chính Khởi động tín hiệu scram Khởi động tín hiệu phun an tồn Áp suất bên sơ cấp = 12.97Mpa Bắt đầu hệ thống Accumlator Áp suất bên sơ cấp = 4.51 Mpa
Bắt đầu hệ thống phun áp suất thấp Áp suất PV lower plenum = 1.29 MPa Công suất vùng hoạt ban đầu 10 MW
Bảng 5: Thông số ban đầu bên sơ cấp
Nhiệt độ kênh lạnh ban đầu 598 K Nhiệt độ kênh nóng ban đầu 562 K
Lưu lượng khối ban đầu 24.3 kg/s / vòng Lưu lượng tù downcomer – bypass kênh nóng ban đầu 0.05 kg/s / vịng
Bảng 6: Thơng số ban đầu của bình điều áp
Áp suất ban đầu 15.5 MPa Mực nước ban đầu 2.7 m
Bảng 7: Thơng số ban đầu của bình sinh hơi
Áp suất bên thứ cấp ban đầu 7.3 MPa Mực nước bên thứ cấp ban đầu 10.3 m Tốc dịng hơi chính ban đầu 2.74 kg/s Tốc độ nước cấp chính 2.74 kg/s Nhiệt độ nước cấp chính 495 K
Nước cấp phụ Khơng hoạt động Đường kính trong lỗ van xả ( RV ) 19.4 mm
Bảng 8: Thông số ban đầu hệ thống ECCS
Hệ thống bơm áp suất cao Không hoạt động
Hệ thống ACC
Áp suất ban đầu Áp suất bên sơ cấp = 4.51 MPa
Nhiệt độ nước 320 K
Thể tích nước ban đầu 1.68 / 0.56 m3 (ban đầu / vỡ/vòng )
Hệ thống bơm áp suất thấp
Khởi động hệ thống Áp suất PV lower plenum = 1.29 MPa
Nhiệt độ chất lỏng 310 K
Hình 4.1 Mơ tả vết vỡ 10%
Vết vỡ được mô phỏng bằng cách sử dụng một 31,9 mm đường kính bên trong cạnh sắc lỗ đặt ở hạ lưu của một ống nằm ngang, đường ống được nối với các chân nóng của vịng (tức là vịng mà khơng có bình điều áp). Diện tích lưu lượng lỗ tương ứng với 10% của khu vực kênh nóng cắt ngang của PWR tham khảo. Vịng có vết vỡ được đặt trên vịng A.
Hình 4.2 Mơ phỏng LOCA vỡ 10% kênh nóng trong thực nghiệm ROSA/LSTF bằng
4.2.2. Phân tích kết quả bài tốn
Mô phỏng này bao gồm hai phần:
+ Phần 1: Mô tả trạng thái ổn định của lị phản ứng, nhằm kiểm tra tính chính xác của điều kiện ban đầu ( phần này không thể hiện trên biểu đồ ). + Phần 2: Thể hiện q trình chuyển tiếp được khảo sát trong 1000s tính từ
thời điểm xảy ra vết vỡ.
4.2.2.1 Cơng suất của vùng hoạt
Hình 4.3 cho thấy cơng suất lị giảm theo thời gian. Khi xảy ra vết vỡ, áp suất bên sơ cấp giảm nhanh, chính sự giảm áp suất này gây ra các tín hiệu scram lị phản ứng tại áp suất P = 12,97 MPa. Cơng suất vùng hoạt bắt đầu giảm sau khi bị trễ 42s, nó đã được so sánh với cơng suất thực nghiệm. Cơng suất lị giảm nhanh đến khoảng 1,6 Mpa sau 400s.
4.2.2.2 Áp suất bên sơ cấp và bên thứ cấp
Hình 4.4 thể hiện áp suất của bên sơ cấp ( khảo sát tại bình điều áp ). Sau khi mở van vỡ, áp suất bên sơ cấp giảm nhanh, nhưng tốc độ suy giảm thay đổi theo thời gian. Khi áp suất bên sơ cấp giảm xuống 12,97 MPa tín hiệu scram được khởi phát. Áp suất bên sơ cấp giảm liên tục và trở nên thấp hơn áp suất bên thứ cấp vào khoảng 100s. Tốc độ suy giảm áp suất thay đổi khi nước trong vùng hoạt bắt đầu hóa hơi và sơi. Về căn bản áp suất giảm khi dịng qua vết vỡ thay đổi từ chất lỏng đơn pha sang hỗn hợp hai pha. Hiện tượng chiếm ưu thế trong quá trình này là sự truyền nhiệt và truyền khối lượng giữa chất lỏng và hơi, truyền nhiệt từ nhiên liệu và các cấu trúc kim loại đến nước làm mát, truyền nhiệt trong các bình sinh hơi và dẫn nhiệt chuyển tiếp trong các chất rắn. Như vậy, tốc độ dòng qua vết vỡ và enthalpy của nó cũng ảnh hưởng mạnh đến sự suy giảm áp suất áp. Trong khi đó áp suất vịng thứ cấp hầu như khơng có thay đổi gì.
Kết quả tính tốn bằng RELAP5 cho thấy đường cong suy giảm áp suất được dự đoán khá tốt, sai khác rất ít so với thực nghiệm.
Hình 4.4 Áp suất bên sơ cấp và thứ cấp
4.2.2.3 Tốc độ dòng
Tốc độ dòng nước chảy qua vết vỡ thay đổi nhanh theo thời gian (Hình 4.5). Tốc độ theo khối lượng của dịng chảy ra ngồi vết vỡ đạt tới giá trị cực đại trong một phần của giây nhưng sau đó giảm khi áp suất hệ thống giảm. Kết quả cho thấy tốc độ dòng chảy qua vết vỡ giảm khi dòng thay đổi từ dòng đơn pha sang dòng 2 pha bão hòa trong 10s đầu tiên, và sau đó là dịng một pha hơi tại 280s. Như có thể thấy tốc độ dịng qua vết vỡ trong 100s đầu tiên được mơ phỏng khá tốt trong khi đó khoảng từ 200s đến 700s thì thấp hơn một chút. Nhìn chung tốc độ dịng chảy qua vết vỡ đã được dự đốn khá tốt trong mơ phỏng.
Khi áp suất giảm xuống, hệ thống ECCS bắt đầu hoạt động để bù lại lượng nước đã mất qua vết vỡ. Trong mơ phỏng này bài tốn đặt ra rằng hệ thống bơm an tồn áp suất cao (HPSI) khơng hoạt động. ( Hình 4.6) cho thấy sự phun nước xảy ra 2
lần cho mỗi ACC. Các bình nước dự trữ (ACC) được khởi động khi áp suất bên sơ cấp giảm xuống 4,5 Mpa. ACC phun nước làm mát tại 330s, khi áp suất giảm xuống dưới 1,6 Mpa thì các ACC ngừng hoạt động tại 487s. Khi các ACC ngừng hoạt động, lượng nước vẫn bị thoát ra qua vết vỡ. Nhiệt độ vùng hoạt vẫn tăng lên làm q trình hóa hơi chiếm ưu thế làm tăng áp suất bên sơ cấp. Khi áp bên sơ cấp lên trên 1,6 Mpa thì tín hiệu các ACC lại được khởi động lần thứ 2 tại 599s đưa nước bổ sung vào vùng hoạt đến 703s, khi đó ACC được cơ lập.
Trong mơ phỏng, hệ thống LPSI đã được bắt đầu sớm hơn do ảnh hưởng của các ACC phun nước làm mát. LPSI trong vòng A được phát động khi áp suất phần trên vùng hoạt giảm xuống 1,29 MPa tại 797 giây. Tốc độ dịng của LPSI tăng dần theo thời gian (Hình 4.7). LPSI tiếp tục làm mát vùng hoạt và nhiệt độ chất lỏng dần dần được giảm xuống.
Tốc độ dòng tại các vịng cũng được dự đốn khá tốt được thể hiện trong (Hình 4.8). Sự tăng hay giảm của tốc độ các dòng thay đổi phụ thuộc vào áp suất bên thứ cấp và sự hoạt động của các ACC.
Hình 4.8 Tốc độ dòng tại các vòng
4.2.2.4 Mực nước tại các vị trí.
Sau khi mở van vỡ, lượng nước thốt ra ngồi vết vỡ rất nhanh và thay đổi theo thời gian. Mực nước trên các vòng cũng thay đổi tùy thuộc vào các giai đoạn. Sự giảm áp suất khiến sự suất hiện của hỗn hợp hai pha nước và hơi. (Hình 4.9) cho ta thấy mực nước trên các vịng là khác nhau. Mực nước vịng A trên kênh nóng (có vết vỡ) thường cao hơn vịng B do sự thốt nước qua vết vỡ tại vịng A và hoạt động của các ACC của 2 vòng cũng khác nhau. Mực nước các vịng tăng giảm phụ thuộc vào thời gian,nó giảm nhanh trong khoảng từ 0s đến 330s do sự mất nước qua vết vỡ. Nhưng ngay sau đó nó được tăng lên do dự hoạt động của hệ thống ECCS cụ thể là các ACC. Kết quả
mô phỏng cho thấy được đường biểu diễn cũng phản ánh được xu hướng thay đổi mực nước tại các vịng.
Hình 4.10 cho ta thấy sự chênh lệch áp suất ở các vị trí trong SG A. Trong kết quả mô phỏng là sự chênh lệch áp suất giữa đỉnh và chân của ống hình chữ - U trong SG A. Sự chênh lệch áp suất này là do sự chênh lệch mực nước trong ống chữ - U. Kết quả mơ phỏng được dự đốn khá tốt so với thực nghiệm. Trong sự giảm áp suất nhanh của bên sơ cấp, tín hiệu scram được tạo ra khi áp suất giảm tới 12,97 MPa. Khởi động tín hiệu scram là ngun nhân việc đóng của các loại van cơ lập dịng hơi chính trong SG (MSIVs) và các bơm nước làm mát chính. Áp suất các SG bên thứ cấp tăng nhanh sau khi đóng các MSIV cho đến khi bù lại áp suất trong SG. Áp suất của SG bên thứ cấp dao động giữa7,82 – 8,18 MPa với việc mở và đóng các van xả an tồn (RV). Mực nước của các SG bên thứ cấp giảm để đáp ứng với việc mở RV.
Mực nước tại UP (Hình 4.11) và vùng hoạt ( Hình 4.12) cũng thay đổi theo thời gian. Trong kết quả mô phỏng ta khảo sát sự chênh lệch áp suất giữa đỉnh và đáy của UP và vùng hoạt. Sự chênh lệch áp suất này là sự chênh lệch về áp suất thủy tĩnh do có sự thay đổi về mực nước tại 2 vị trí này. Kết quả mơ phỏng cho thấy xu hướng giảm mực nước tại 2 vị trí này có sựu khác nhau về thời điểm xảy ra. Sự thay đổi của mực nước trong vùng hoạt phụ thuộc vào dòng chảy ra ngồi vết vỡ và từ dịng từ bình nước dự trữ ACC. Mực nước thấp nhất tại 330s khi các bình ACC ngừng hoạt động. Nhưng sau đó mực nước đã tăng lên và được duy trì do sự hoạt động lại của các ACC và hệ thống LISP.
Hình 4.12 Mực nước tại vùng hoạt
4.2.2.5 Nhiệt độ thanh nhiên liệu
Hình 4.13 chỉ ra nhiệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu thay đổi theo thời gian. Khoảng thời gian từ 0s tới 330s nhiệt độ thanh nhiên liệu giảm cùng với tín hiệu scram, vùng hoạt vẫn ngập nước cho đến khi áp suất hệ thống giảm đến điểm phát động hệ thống ACC và bắt đầu quá trình tải nhiệt lâu dài. Khi vùng hoạt bắt đầu khơng có nước bao bọc, nhiệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu trong phần phía trên của vùng hoạt bắt đầu tăng lên nhanh chóng. Tại 330s là khi các ACC ngừng hoạt động nhiệt độ thanh nhiên liệu tăng nhanh. Sự tăng nhiệt độ ban đầu này sẽ dừng khi vùng hoạt được ngập nước trở lại do sự hoạt động trở lại của hệ thống ACC. Sau đó nhiệt độ thanh nhiên liệu sẽ giảm dần. Thời điểm xuất hiện và kích thước của các đỉnh nhiệt độ trên biểu đồ cũng phụ thuộc vào kích thước vết vỡ. Kết quả mơ phỏng cũng dự đốn khá tốt xu hướng và thời gian xảy ra các đỉnh nhiệt độ này. Tuy nhiên vẫn còn sai khác so với thực nghiệm.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Sự cố LOCA được xem là có xác suất xảy ra lớn. Quá trình chuyển tiếp của sự cố LOCA là một quá trình phức tạp với nhiều hiện tượng vật lý và thủy nhiệt khác nhau. Do đó, sự cố LOCA được xem xét, phân tích làm cơ sở thiết kế cũng như là một phần của phân tích an tồn trong báo cáo SAR (Safety Analysis Report) của lò phản ứng hạt nhân.
Kết quả tính tốn, khảo sát bằng chương trình RELAP5/Mod3.2 đối với sự cố LOCA vỡ 10% kênh nóng cho thấy với sự vận hành đúng chức năng của các hệ thống cấp cứu (ECCS) duy trì chức năng làm mát vùng hoạt lị phản ứng. Kết quả tính tốn trong mơ phỏng tương đối phù hợp với kết quả thực nghiệm. Điều này khẳng định khả năng mơ phỏng bằng chương trình RELAP5 đối với sự cố làm mất chất tải nhiệt vùng hoạt (LOCAs) và các q trình chuyển tiếp khác cho lị phản ứng PWR.
Đồ án này đã phân tích được sự cố LOCA vỡ 10% kênh nóng bằng các kết quả tính toán từ phần mềm RELAP5/Mod3.2. Kịch bản sai hỏng kép: LOCA + hệ thống HPSI + hệ thống bơm nước cấp phụ không hoạt động được mô phỏng cụ thể, chi tiết và cho thấy được khả năng khảo sát trong kịch bản.
Nghiên cứu về sự cố LOCA vỡ 10% kênh nóng trên cơ sở thực nghiệm ROSA/LSTF là tiền đề, để nghiên cứu sự cố tai nạn này cho lò PWR trong tương lai. Hơn nữa, khả năng, áp dụng chương trình RELAP5/Mod3.2 sẽ được nâng cao, dần làm chủ chương trình tính tốn thủy nhiệt này. Các nghiên cứu trên sẽ giúp ích lớn trong việc đào tạo đối với thẩm định, tính tốn an tồn hạt nhân đối với dự án nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận của Việt Nam, sử dụng công nghệ của Nga (VVR – 1000) và công nghệ Nhật Bản.
Hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm hoàn thiện một hồ sơ về sự cố mất nước tải nhiệt trong lò phản ứng PWR để có thể kịp thời xử lý và ngăn ngừa sự cố một cách tốt nhất.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lamarsh, Theory of nuclear reactors.
[2] Neil E. Todreas, Mujid S. Kazimi,Massachusetts Institute of Technology,
Nuclear systems I - Thermal Hydraulic Fundamentals.
[3] SCIENTECH, Inc.Rockville, Maryland, Idaho Falls, Idaho:
RELAP5/MOD3.2 Code manual volume I Code structure; system models; and solution methods; volume II: User’ guide and input requirements; volume V user’s guidelines. Washington, DC 03/1998.
[4] The ROSA-V Group: ROSA-V Large scale test facility (LSTF) – System
description for the third and fourth simulated fuel assemblies, Japan Atomic Energy Research Institute 03/2003.
PHỤ LỤC
Input file trạng thái chuyển tiếp của bài tốn vỡ LOCA vỡ 10% kênh nóng trong thực nghiệm ROSA/LSTF.
= sb-hl-02
*----------------------------------------------------------------------------------------------------- *
* 1st restart from steady state : up to 15000.0 sec. *
*----------------------------------------------------------------------------------------------------- *
0000100 restart transnt *
0000103 927 *
*----------------------------------------------------------------------*
* time-end min-stp max-stp edt-opt mnor majr rst *
*----------------------------------------------------------------------*