3.2 Bó nhiên liệu VVER-1000 cải tiến với 18 thanh UO2–Gd2O3
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 ?? mơ tả đường cong hệ số nhân vơ hạn với đường kính vi hạt Gd2O3 nằm trong khoảng 200 – 360 µm ở Mơ 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 vơ hạn của bó nhiên liệu mới gần tương đương nhất so với thiết kế tham chiếu.
Đối với Mơ hình 2 của bó nhiên liệu với 18 thanh chứa Gd2O3 đã đề xuất, do hai Mơ 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 đốn được các thơng số thiết kế
µm µm µm µm
Hình 3.7: Đường cong hệ số nhân vơ hạn k∞ với độ sâu cháy của bó nhiên liệu mới VVER-1000 chứa 18 thanh UO2 – Gd2O3 trong Mơ hình 1 ở giai đoạn đầu q trình cháy (0 – 10 GWd/t).
tối ưu của hạt Gd2O3 trùng với Mơ hình 1. Do đó, các thơng số thiết kế của chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt như đường kính vi hạt và tỉ lệ thể tích trong Mơ hình 2 được lấy giống như giá trị tối ưu thu được trong khảo sát với Mơ 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 mơ phỏng tính tốn chi tiết các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu.
Hình 3.8 mơ 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 thơng số. Chúng tơi 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 Mơ hình.
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 (%) 240 µm (%) 300 µm (%) 360 µm (%) 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 68 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 vơ 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 (Mơ hình 1).
3.2.4. Phân bố cơng suất trong bó nhiên liệu mới
Hình 3.9 và hình 3.10 hiển thị sự phân bố cơng 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 Mơ hình 1 và Mơ hình 2. Kết quả tính tốn phân bố cơng 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 cơng suất tăng tại các thanh nhiên liệu ở vị trí trung tâm và giảm ở các vị trí ngồi 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 trịn gần phía ngồi cùng của bó nhiên liệu. Đề xuất các mơ hình phân bố các thanh nhiên liệu chứa vi hạt hấp thụ này nhằm làm cho kết quả phân bố cơng suất đồng đều hơn trong bó nhiên liệu.
Bảng 3.4: So sánh hệ số đỉnh cơng 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 (Mơ hình 1) (Mơ 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
Hình 3.9: Phân bố cơng suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2O3 tại điểm cháy 0 GWd/t (Mơ hình 1). Đường kính vi hạt chất hấp thụ tối ưu là 300 µm và tỉ lệ thể tích là 3,33% .
Hình 3.10: Phân bố cơng 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 tốn phân bố cơng 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 cơng 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 mơ hình thiết kế mới so với thiết kế tham chiếu. Kết quả tính tốn giá trị mật độ công suất thanh nhiên liệu lớn nhất xuất hiện ở các thanh nhiên liệu được phân bố ở ngồi cùng của bó nhiên liệu trong cả hai Mơ hình 1 và 2. Giá trị hệ số đỉnh công suất PPF trong hai Mơ hình 1 và 2 lần lượt được xác định là 1,105 và 1,113.
Hình 3.11: Hệ số đỉnh cơng suất theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu mới chứa 18 thanh UO2 – Gd2O3
Hình 3.11 mơ tả q trình thay đổi giá trị hệ số đỉnh công suất PPF với độ cháy sâu của bó nhiên liệu thiết kế mới với gồm 18 thanh nhiên liệu chứa hạt hấp thụ Gd2O3. Kết quả mơ phỏng tính tốn chỉ ra giá trị hệ số đỉnh cơng suất
PPF lần lượt là 1,105 và 1,113 xuất hiện tại điểm cháy 0 GWd/t tương ứng trong Mơ hình 1 và Mơ hình 2. Tiến hành so sánh với giá trị PPF của bó nhiên liệu tham chiếu (1,160), các giá trị PPF của thiết kế nhiên liệu mới này giảm khoảng 4,8% và 4,2% tương ứng trong Mơ hình 1 và Mơ hình 2. Kết quả nghiên cứu này một lần nữa khẳng định khả năng sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt trong thanh nhiên liệu đồng thời điều khiển độ phản ứng dư trong quá trình cháy và làm giảm hệ số đỉnh cơng suất PPF của bó nhiên liệu VVER-1000 chứa UO2 – Gd2O3.
3.3. Bó nhiên liệu VVER-1000 với hàm lượng Boron trongchất tải nhiệt thấp chất tải nhiệt thấp
3.3.1. Khảo sát thông số thiết kế Gd2O3 đối với bó nhiên liệu thiết với hàm lượng Boron thấp lượng Boron thấp
Việc ứng dụng các vi hạt chất hấp thụ để bù đắp cho hàm lượng Boron ở chất tải nhiệt cũng được tiến hành nghiên cứu. Trong thiết kế tham chiếu, hàm lượng Boron là 600 ppm. Nghiên cứu thiết kế được thực hiện cho hai trường hợp khi hàm lượng Boron giảm xuống 50% và 0%, tương ứng với hàm lượng Boron 300 ppm và 0 ppm. Khi hàm lượng Boron giảm, kỳ vọng thu được giá trị MTC âm sâu hơn trong quá trình cháy nhiên liệu. Việc hàm lượng Boron giảm có thể góp phần tối ưu hóa q trình vận hành của hệ thống thanh điều khiển vốn dĩ khá phức tạp cũng như làm giảm độ ăn mòn của các cấu trúc vật liệu. Trong các tính tốn cháy, hàm lượng Boron được giả thiết là khơng đổi trong q trình cháy.
Khi hàm lượng Boron giảm, thì cần lượng Gd2O3 nhiều hơn để bù vào lượng giảm Boron. Tuy nhiên, chất hấp thụ Gd2O3 chỉ được sử dụng để điều khiển đường cong hệ số nhân vơ hạn trong giai đoạn đầu q trình cháy (0 – 15 GWd/t). Do đó, tại giai đoạn sau đó của q trình cháy, sẽ khơng cịn chất hấp thụ ở thanh nhiên liệu. Tối ưu hóa các thơng số hạt Gd2O3 đã được thực hiện ở 02 mơ hình của bó nhiên liệu với 18 thanh nhiên liệu chứa hạt Gd2O3 được mơ tả ở Hình 3.6. Điều này có nghĩa rằng số thanh chứa chất hấp thụ và phân bố của chúng cố định. Đường kính vi hạt và hàm lượng đóng góp của vi hạt chất hấp thụ được khảo sát để thu được đường cong hệ số nhân tương tự như thanh nhiên liệu tham
chiếu. Rõ ràng các hạt có đường kính và hàm lượng đóng góp trong bó nhiên liệu lớn hơn so sánh với trường hợp 100% Boron. Q trình tối ưu hóa các thơng số Gd2O3 như đường kính vi hạt và hàm lượng đã được thực hiện. Kết quả tối ưu được tóm tắt trong Bảng 3.5.
Bảng 3.5: Các thơng số tối ưu của bó nhiên liệu thiết kế mới sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt.
Mơ hình Hàm lượng Số thanh Đường kính Tỷ lệ thể tích PPF
Boron (ppm) Gd2O3 (µm) (%) Khơng có 600 – – – 1,067 chất hấp thụ Tham chiếu 600 12 – 5,0 1,160 Vi hạt hấp thụ 600 12 60 5,0 1,157 Mơ hình 1 600 18 300 3,33 1,105 Mơ hình 2 600 18 300 3,33 1,113 Mơ hình 1 300 18 320 5,5 1,120 Mơ hình 2 300 18 320 5,5 1,126 Mơ hình 1 0 18 360 8,0 1,129 Mơ hình 2 0 18 360 8,0 1,142
3.3.2. Hệ số nhân nơtrôn vô hạn k∞ của bó nhiên liệu với hàm lượng
Boron thấp
Hình 3.12 biểu diễn đường cong hệ số nhân vơ hạn của bó nhiên liệu và các trường hợp tối ưu với thiết kế tham chiếu. Trong trường hợp hàm lượng Boron giảm 50% (300 ppm) so với thiết kế truyền thống, đường kính tối ưu của hạt Gd2O3 được lựa chọn là 320 µm và tỉ lệ thể tích là 5,5% cho cả 2 Mơ hình 1 và 2. So sánh giữa 2 mơ hình bó nhiên liệu mới, các đường cong biểu diễn hệ số nhân vơ hạn theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu là khá xấp xỉ nhau. Giá trị hệ số nhân vơ hạn của bó nhiên liệu với Mơ hình 2 lớn hơn một chút so với Mơ hình 1 nhưng độ lệch trong khoảng 90 pcm.
Đường kính vi hạt Gd2O3 và tỉ lệ thể tích đối với trường hợp chất tải nhiệt khơng có Boron được khảo sát và lựa chọn tối ưu là 360 µm và 8,0%. Tiến hành so sánh với kết quả tham chiếu, tổng hàm lượng Gd2O3 trong bó nhiên liệu tăng lên lần lượt là 1,65 và 2,40 đối với thiết kế chất tải nhiệt có 50% hàm lượng Boron
và chất tải nhiệt khơng có Boron. Trong cả hai trường hợp chất tải nhiệt chứa 50% Boron và khơng có Boron, giá trị hệ số nhân vơ hạn của bó nhiên liệu lớn hơn giá trị tham chiếu lần lượt khoảng 160 và 330 pcm ở giai đoạn cháy 10 – 15 GWd/t, giai đoạn này ảnh hưởng của chất hấp thụ lên nhiện liệu đã hết. Kết quả tính tốn được biểu diễn cụ thể ở Hình 3.12.
µm µm µm
Hình 3.12: Đường cong k∞ với độ sâu cháy của bó nhiên liệu VVER-1000 với hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp.
3.3.3. Phân bố cơng suất trong bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp
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