3.3 Bó nhiên liệu VVER-1000 với hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt
3.3.3 Phân bố cơng suất trong bó nhiên liệu với hàm lượng Boron
Hình 3.13 và Hình 3.14 mơ tả phân bố cơng suất tương đối tại vị trí các thanh nhiên liệu của bó nhiên liệu mới với 18 thanh chứa vi hạt chất hấp thụ Gd2O3 (Mơ hình 1) với chất tải nhiệt chứa 50% Boron (300 ppm) và khơng có Boron. Phân bố công suất thanh nhiên liệu thu được kém phẳng hơn với thiết kế mới chất tải nhiệt chứa 100 % Boron và phẳng hơn so với thiết kế tham chiếu.
Độ lệch phân bố công suất lớn nhất trong trường hợp bó nhiên liệu thiết kế mới có chất tải nhiệt chứa 100 % Boron ở Mơ hình 1, điều này chứng tỏ mật độ cơng suất giảm nhiều nhất.
Hình 3.15 và Hình 3.16 mơ tả phân bố cơng suất trong bó nhiên liệu thiết kế mới với 18 thanh chứa vi hạt Gd2O3 (Mơ hình 2) với hàm lượng Boron trong nước tải nhiệt giảm 50% Boron (ppm) và giảm hoàn toàn (0 ppm). Tương tự kết quả thu được với Mơ hình 1, độ lệch của bó nhiên liệu thiết kế mới với chất tải nhiệt chứa 100% Boron lớn nhất so với thiết kế tham chiếu, điều này thể hiện được ảnh hưởng của chất hấp thụ Boron trong q trình hấp thụ nơtrơn, kết hợp với việc các thanh nhiên liệu thiết kế mới chứa vi hạt Gd2O3 tạo nên sự phân bố đồng đều mật độ cơng suất trong bó nhiên liệu.
Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các mơ hình phân bố thanh nhiên liệu thiết kế mới chứa vi hạt hấp thụ Gd2O3 này, thì phân bố cơng suất trở nên đồng đều hơn trong bó nhiên liệu so với các trường hợp tham chiếu. Kết quả tính tốn cũng cho thấy hệ số đỉnh cơng suất giảm từ 1,6 – 2,7%.
Hình 3.13: Phân bố cơng suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2O3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp 50% Boron (Mơ hình 1).
Hình 3.14: Phân bố cơng suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2O3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp khơng có Boron (Mơ hình 1).
Hình 3.15: Phân bố cơng suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2O3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp 50% Boron (Mơ hình 2).
Hình 3.16: Phân bố cơng suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2O3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp khơng có Boron (Mơ hình 2).
3.3.4. Hệ số đỉnh cơng suất của bó nhiên liệu vơi hàm lượng Boron thấp
µm Mơ hình 1
µm Mơ hình 2
µm Mơ hình 1
µm Mơ hình 2
Hình 3.17: Hệ số đỉnh cơng suất thanh nhiên liệu với độ cháy sâu của bó nhiên liệu mới VVER-1000 chứa 18 thanh UO2 – Gd2O3 và hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp.
Hình 3.17 mơ tả sự thay đổi của giá trị hệ số đỉnh công xuất PPF khi độ sâu cháy tăng ở thiết kế bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp. Trong tất cả các trường hợp, giá trị PPF ở giai đoạn đầu quá trình cháy nhỏ hơn giá trị tham chiếu (1,160). Trong trường hợp hàm lượng Boron 300 ppm, giá trị hệ số đỉnh công suất PPF là 1,120 và 1,126 đối với Mơ hình 1 và Mơ hình 2. Các giá trị này nhỏ hơn giá trị tham chiếu khoảng 3,5% và 2,9%.
Trường hợp khơng có Boron trong nước tải nhiệt, giá trị hệ số đỉnh công suất PPF tại điểm cháy 0 GWd/t lần lượt là 1,129 và 1,142 với Mơ hình 1 và Mơ hình 2 - Hình 3.17. Các giá trị hệ số đỉnh cơng suất này nhỏ hơn so với thiết kế tham chiếu lần lượt là 2,7% và 1,6%.
Như vậy, trong tất cả các mơ hình thiết kế bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp, kết quả đều cho thấy khả năng sử dụng chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt thay thế cho Boron trong nước tải nhiệt trong giai đoạn đầu của q trình cháy nhiên liệu. Tuy nhiên, để có thể ứng dụng thiết kế bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp, các tính tốn thiết kế phải được thực hiện cho tồn vùng hoạt, tức là tất cả các bó nhiên liệu đều phải sử dụng chất hấp thụ thay thế cho Boron trong nước. Đây là bài toán rất phức tạp và sẽ được tiếp tục thực hiện trong những nghiên cứu tiếp theo.
3.4. Hệ số phản hồi của chất làm chậm đối với bó nhiênliệu VVER-1000 sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt liệu VVER-1000 sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt
Đối với thiết kế mới của bó nhiên liệu VVER-1000 sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt Gd2O3, do tổng thành phần nhiên liệu, chất hấp thụ và hàm lượng Boron trong dung dịch tải nhiệt không thay đổi so với thiết kế tham chiếu, nên có thể dự đốn được thiết kế mới này khơng làm thay đổi nhiều về hệ số phản hồi độ phản ứng của chất làm chậm MTC. Tuy nhiên, đối với bó nhiên liệu được thiết kế mới và có thay đổi hàm lượng Boron trong dung dịch tải nhiệt, ở đây là hai trường hợp hàm lượng Boron thấp hơn và không có Boron, thì lúc này hệ số MTC sẽ bị ảnh hưởng đáng kể. Đây cũng là một trong những thông số quan trọng liên quan đến an tồn lị phản ứng. Khi nhiệt độ của nước tải nhiệt tăng lên với cùng điều kiện về áp suất sẽ làm giảm mật độ phân tử nước. Mật độ các hạt nhân H và O giảm sẽ làm giảm sự nhiệt hóa của phổ nơtrơn, và do đó giảm tốc độ phản ứng phân hạch, dẫn đến hệ số nhân nơtrơn giảm, hay nói cách khác là hệ số phản hồi độ phản ứng của chất làm chậm MTC âm.
Tuy nhiên, khi nước tải nhiệt có hàm lượng Boron hịa tan, việc mật độ phân tử nước giảm khi tăng nhiệt độ cũng kéo theo mật độ hạt nhân Boron giảm theo. Do Boron hấp thụ nơtrơn, nên khi mật độ Boron giảm có nghĩa là tốc độ hấp thụ nơtrơn giảm, và do đó góp phần làm tăng giá trị hệ số nhân nơtrôn, tức là hiệu ứng dương theo chiều ngược lại so với nước tải nhiệt. Do đó, giá trị MTC của thiết kế mới với hàm lượng Boron thấp cần được đánh giá chi tiết trong quá trình cháy nhiên liệu. So sánh các giá trị MTC giữa các thiết kế mới với chất hấp
thụ dạng vi hạt và bó nhiên liệu tham chiếu cũng được thực hiện.
Hình 3.18 mô tả giá trị hệ số phản hồi nhiệt độ MTC của các bó nhiên liệu theo độ sâu cháy. Trong hầu hết các trường hợp MTC có xu hướng giảm khi độ sâu cháy tăng. Xu hướng giảm MTC khi độ sâu cháy tăng là do sự dịch chuyển phổ nơtrôn về dải năng lượng cao, sự tạo thành Plutonium và các sản phẩm phân hạch, những đồng vị có tính hấp thụ nơtrôn cao. Khi nhiệt độ chất làm chậm tăng, đỉnh phổ thông lượng nơtrôn nhiệt dịch chuyển về vùng cộng hưởng. Một số sản phẩm phân hạch có tiết diện hấp thụ nơtrôn trong vùng cộng hưởng lớn làm giá trị âm của MTC giảm nhiều hơn. Giá trị hệ số phản hồi MTC trong tất cả các trường hợp nằm trong khoảng -60,0 đến -32,5 pcm/K - Hình 3.18. Tại thời điểm bắt đầu quá trình cháy, hệ số phản hồi nhiệt độ MTC trong trường hợp khơng có Boron trong nước tải nhiệt có giá trị âm hơn các trường hợp khác khoảng 10%.
Hình 3.18: Hệ số phản hồi theo nhiệt độ làm chậm với độ cháy sâu của bó nhiên liệu mới VVER-1000 chứa 18 thanh UO2 – Gd2O3 và hàm lượng Boron thấp
3.5. Kết luận chương 3
Nghiên cứu đã đánh giá được tính khả thi của việc sử dụng chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt trong thiết kế bó nhiên liệu VVER-1000 nhằm có thể điều khiển độ phản ứng dự trữ cao của bó nhiên liệu trong giai đoạn đầu của q trình cháy (0 –10 GWd/t), đồng thời có hệ số truyền nhiệt tăng so với thiết kế truyền thống: Với cùng một lượng chất hấp thụ Gd2O3 đường kính vi hạt 60 µm phân bố trong 12 thanh nhiên liệu của bó nhiên liệu VVER-1000 như thiết kế truyền thống thu được kết quả hệ số nhân vơ hạn theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu xấp xỉ nhau. Mật độ công suất tại các thanh nhiên liệu chứa các hạt Gd2O3 tăng khoảng 11% (0,364 – 0,403) và (0,366 – 0,407) tại độ cháy 0 GWd/t. Hệ số đỉnh công suất PPF giảm khoảng 0,94% (1,167 – 1,156) so với thiết kế truyền thống.
Nghiên cứu thiết kế bó nhiên liệu cải tiến sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt nhằm đồng thời giảm độ phản ứng dự trữ cao của bó nhiên liệu trong giai đoạn đầu của q trình cháy (0 – 10 GWd/t), giảm giá trị hệ số đỉnh công suất PPF khoảng 4,2 và 4,8% bằng việc tăng số thanh nhiên liệu chứa các vi hạt chất hấp thụ lên thành 18 thanh và phân bố trong hai mơ hình đã đề xuất, tỉ lệ thể tích Gd2O3 trong mỗi thanh nhiên liệu giảm xuống là 3,33%. Lượng chất hấp thụ Gd2O3 đường kính vi hạt 300 µm phân bố trong 18 thanh nhiên liệu của bó nhiên liệu VVER-1000 thu được kết quả hệ số nhân vô hạn theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu xấp xỉ nhau thiết kế tham chiếu
Khảo sát thiết kế bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp ở hai trường hợp hàm lượng Boron giảm xuống 50% và khơng có Boron (hàm lượng Boron cịn 300 ppm và 0 ppm) trong chất tải nhiệt, thực hiện đối với 2 mơ hình bó nhiên liệu có 18 thanh nhiên liệu chứa các vi hạt Gd2O3. Trường hợp hàm lượng Boron là 300 ppm, đường kính và tỉ lệ thể tích vi hạt chất hấp thụ được lựa chọn là 320 µm và 5,5%.
Trường hợp hồn tồn khơng có Boron, đường kính tối ưu của các
vi hạt chất hấp thụ được xác định là 360 µm và tỉ lệ thể tích là 8,0% thu được hệ số nhân vô hạn của cả hai bó nhiên liệu mới trong 2 trường hợp hàm lượng Boron 300 và 0 ppm trong giai đoạn cháy từ 0 đến 10 GWd/t xấp xỉ với thiết kế tham chiếu. Ở hai trường hợp này, giá trị hệ số đỉnh cơng suất tính tốn được giảm khoảng 1,6% và 2,7% so với thiết kế truyền thống.
KẾT LUẬN
Trong luận án này, chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu khảo sát khả năng sử dụng chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt trong thiết kế bó nhiên liệu VVER-1000/V320 nhằm vừa điều khiển độ phản ứng dự trữ cao của bó nhiên liệu trong giai đoạn đầu của quá trình cháy mà hệ số truyền nhiệt của thanh nhiên liệu chứa
vi hạt Gd2O3 tăng so với thiết kế truyền thống, đồng thời thiết kế phân bố các thanh nhiên liệu để giảm hệ số cơng suất cực đại theo vị trí các thanh nhiên liệu. Các kết luận chính của luận án như sau:
Tính khả thi khi sử dụng chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt trong bó nhiên liệu VVER-1000/V320:
• Kết quả tính tốn khảo sát thơng số thiết kế của Gd2O3 dạng vi hạt (đường kính hạt) cho thấy với cùng một lượng Gd2O3 (5% thể tích) phân bố trong 12 thanh nhiên liệu của bó nhiên liệu VVER-1000 như thiết kế truyền thống, đường kính hạt Gd2O3 được chọn là 60 µm, khi đó thu được kết quả hệ số nhân vơ hạn theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu xấp xỉ với bó nhiên liệu truyền thống.
• Phân bố cơng suất tại các thanh nhiên liệu cho thấy mật độ công suất tại các thanh chứa hạt Gd2O3 tăng khoảng 11% tại độ cháy 0 GWd/t. Mật độ công suất tại các vị trí khác xấp xỉ với thiết kế truyền thống. Hệ số đỉnh công suất PPF giảm khoảng 0,9% so với thiết kế truyền thống.
Thiết kế cải tiến bó nhiên liệu sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt
• Nhằm giảm giá trị hệ số đỉnh công suất PPF, thiết kế cải tiến được thực hiện với việc phân bố chất hấp thụ đều hơn trong bó nhiên liệu, tức là tăng số thanh nhiên liệu chứa các vi hạt chất hấp thụ lên thành 18 thanh. Hàm lượng
chất hấp thụ trong 12 thanh (5% thể tích của mỗi thanh), để giữ nguyên hàm lượng chất hấp thụ trong bó nhiên liệu thì tỉ lệ thể tích Gd2O3 trong mỗi thanh nhiên liệu giảm xuống là 3,33%.
• Hai mơ hình bó nhiên liệu với 18 thanh chứa Gd2O3 được lựa chọn với cách sắp xếp vị trí khác nhau. Các thông số của vi hạt chất hấp thụ được tính
tốn và khảo sát, từ đó đánh giá các đặc trưng nơtrơn của bó nhiên liệu. Đường kính tối ưu của hạt Gd2O3 được chọn là 300 µm cho cả hai mơ hình nhằm thu được đường cong hệ số nhân vơ hạn tương tự thiết kế tham chiếu. Khi đó, hệ số đỉnh cơng suất PPF tại vị trí thanh nhiên liệu giảm khoảng 4,2 – 4,8% so với thiết kế truyền thống. Việc giảm hệ số PPF sẽ giúp tăng độ an tồn trong vận hành lị phản ứng.
Bó nhiên liệu với Gd2O3 dạng hạt và hàm lượng Boron thấp
• Với trường hợp hàm lượng Boron là 300 ppm, đường kính và tỉ lệ thể tích vi hạt chất hấp thụ được tính tốn khảo sát và lựa chọn là 320 µm và 5,5%. Đối với trường hợp hồn tồn khơng có Boron, đường kính tối ưu của các hạt hấp thụ được xác định là 360 µm và tỉ lệ thể tích là 8,0%. Khi đó, kết quả tính tốn hệ số nhân vơ hạn của cả hai bó nhiên liệu mới trong 2 trường hợp hàm lượng Boron 300 ppm và 0 ppm trong giai đoạn cháy từ 0 – 10 GWd/t xấp xỉ với thiết kế tham chiếu.
HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
Các kết quả nghiên cứu trong luận án cho thấy: Xét về khía cạnh vật lý, tính khả thi sử dụng chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt trong thiết kế bó nhiên liệu lị phản ứng VVER-1000 nhằm cải tiến các đặc trưng hạt nhân của thanh nhiên liệu, và có thể áp dụng chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt trong thiết kế bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp. Tuy nhiên, các kết quả thu được trong luận án mới chỉ là kết quả bước đầu trong q trình thiết kế nhiên liệu mới lị phản ứng VVER-1000. Các hướng nghiên cứu mở rộng sẽ tiếp tục được thực hiện để có đánh giá đầy đủ hơn.
• Tiếp tục các nghiên cứu đánh giá đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu mới sử dụng chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt. Tính tốn đánh giá hệ số nhạy (sensitivity analysis) đối với các sai lệch trong của các thông số thiết kế chất hấp thụ lên đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu. Ví dụ như đánh giá ảnh hưởng của độ sai lệch của kích thước các hạt Gd2O3, tỉ lệ thể tích Gd2O3 trong viên nhiên liệu, ...
• Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của bó nhiên liệu mới thiết kế với chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt lên đặc trưng hạt nhân tồn vùng hoạt của lị phản ứng VVER-1000 khi sử dụng thay thế cho bó nhiên liệu truyền thống. Đối với mơ hình tính tốn tồn vùng hoạt sử dụng chương trình MVP mơ tả chi tiết các bó nhiên liệu với Gd2O3 dạng vi hạt, các tính tốn sẽ trở nên phức tạp, đòi hỏi nhiều thời gian và tài ngun máy tính.
• Mở rộng nghiên cứu ứng dụng chất hấp thụ dạng vi hạt trong các thiết kế bó nhiên liệu của các loại lò phản ứng LWRs khác.
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ
1. Hoai-Nam Tran, Van-Khanh Hoang, Peng Hong Liem, Hung T.P. Hoang, Neutronics design of VVER-1000 fuel assembly with burnable poison particles, Nuclear Engineering and Technology 51(7), 2019, pp. 1729– 1737. (SCIE, Q1, IF: 1.846)
2. Hoai-Nam Tran, Hung T.P. Hoang, Peng Hong Liem, Feasibility of using Gd2O3 particles in VVER1000 fuel assembly for controlling excess reactivity, Energy Procedia 131, 2017, pp. 29-–36. (Scopus)
3. Van Khanh Hoang, Thanh Phi Hung Hoang, Hoai Nam Tran Neutronics feasibility of using Gd2O3 particles in VVER-1000 fuel assembly, Nuclear Science and Technology 6(3) (2016), pp 1–7.
4. Hoai-Nam Tran, Van-Khanh Hoang, Peng Hong Liem, Hung T.P. Hoang, Application of burnable poison particles for improving neutronics performance of VVER-1000 fuel assembly, Proc. Vietnam National Conference on Nuclear Science and Technology (VINANST13), Halong, Quang Ninh, Vietnam, Au-gust 7–9, 2019.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Anh:
[1] Masaki Amaya and Mutsumi Hirai (1997), “Recovery behavior of thermal conductivity in irradiated U02pellets”, Journal of nuclear materials, 247, pp. 76–81.
[2] Masaki Amaya et al. (1996), “Thermal conductivity measurements on 10 wt% Gd203 doped U02+ x”, Journal of nuclear materials, 231 (1-2), pp. 29–33.
[3] Marielle Asou and Jacques Porta (1997), “Prospects for poisoning reactor cores of the future”, Nuclear engineering and design, 168 (1-