Vùng hoạt lị phản ứng VVER-1000 gồm 163 bó nhiên liệu, trong đó 61 bó có các thanh điều khiển được chia thành 10 nhóm. Các bó nhiên liệu trong vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 được sắp xếp vào các ơ mạng hình lục giác như Hình 2.6. Một số thơng số cơ bản của vùng hoạt lị phản ứng VVER-1000 được trình bày trong Bảng 2.2. Thời gian vận hành giữa các kỳ đảo nhiên liệu đối với một chu trình nhiên liệu là 12 tháng [55].
Vùng hoạt lị phản ứng VVER-1000 bao gồm 163 bó nhiên liệu UO2 với các độ giàu 235U khác nhau như 1,6 wt%, 2,4 wt%, 3,7 wt%, 4,4 wt%. Tùy vào thiết kế vùng hoạt cụ thể mà số bó nhiên liệu với mỗi độ giàu 235U được sử dụng là khác nhau. Bảng 2.3 trình bày thơng tin về các bó nhiên liệu trong 1 vùng hoạt lị phản ứng VVER-1000 [50]. Các bó nhiên liệu có tiết diện ngang hình lục giác
Bảng 2.2: Các thơng số chính vùng hoạt lị phản ứng VVER-1000 [55].
Các thông số Giá trị
Công suất nhiệt, MWt 3000
Số bó nhiên liệu trong vùng hoạt 163 Số bó nhiên liệu có chứa thanh điều khiển 61 Khoảng cách giữa tâm các bó nhiên liệu (cm) 23,6 Nhiệt độ chất tải nhiệt tại lối vào, oC 289 Nhiệt độ chất tải nhiệt tại lối ra, oC 320
được sắp xếp vào các ơ mạng hình lục giác bên trong vùng hoạt. Bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 312 thanh nhiên liệu được gắn trên các giá đỡ song song có dạng hình lục giác bằng thép khơng rỉ. Mỗi bó đều có một ống dẫn trung tâm để đưa các thiết bị đo và 18 kênh dẫn. Thanh nhiên liệu bao gồm các viên nhiên liệu UO2 được bọc trong ống hình trụ làm bằng hợp kim Zr-Nb. Vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 bao gồm 6 loại bó nhiên liệu với độ giàu 235U khác nhau.
Hình 2.5: Mơ hình bó nhiên liệu lị phản ứng VVER-1000.
Source: https://www.energyencyclopedia.com/en/nuclear-energy/nuclear-fuel/fuel-assembly
Vùng hoạt được bố trí với cụm thanh điều khiển (RCAA), số lượng cụm điều khiển thay đổi theo thiết kế và phân bố dạng đối xứng và có thể chứa từ 49 thanh hấp thụ (pcs) đến 121 pcs [67]. Các thanh điều khiển được sử dụng với mục đích điều khiển tốc độ phân hạch, duy trì cơng suất tại mức chỉ định và các mức chuyển tiếp của lò, cân bằng vùng công suất theo trục, triệt tiêu sự dao động của
Bảng 2.3: Thơng tin bó nhiên liệu của một lị phản ứng VVER-1000. Chất hấp thụ trong trường hợp này là Boron [50].
Tên bó số bó độ giàu 235U số thanh số thanh số thanh chứa (wt%) loại 1 loại 2 chất hấp thụ FA16 54 1,6 311 – – FA24 31 2,4 311 – – FA36 36 3,62 245/(3,7%) 66/(3,3%) – FA24B20 6 2,4 311 – 18 FA24B36 30 2,4 311 – 18 FA36B36 6 3,62 245/(3,7%) 66/(3,3%) 18
nồng độ Xenon. Cơ chế điều khiển chuyển động của RCAA được sử dụng bằng sự truyền động điện từ.
Hình 2.6: Cấu tạo vùng hoạt của lò phản ứng VVER-1000. [55]
2.5. Mơ phỏng bó nhiên liệu lị phản ứng VVER-1000
Các tính tốn đặc trưng hạt nhân và thiết kế bó nhiên liệu với chất hấp thụ dạng vi hạt trong luận án này được thực hiện sử dụng chương trình MVP và thư viện dữ liệu JENDL-3.3 [45, 57]. Bó nhiên liệu lị VVER-1000/V-320 hình lục giác đều gồm 300 thanh nhiên liệu chứa UO2, 12 thanh nhiên liệu chứa hỗn
Hình 2.7: Cấu hình vùng hoạt (trái) và bó nhiên liệu (phải) lị phản ứng VVER- 1000.
Hình 2.8: Thanh nhiên liệu tiêu chuẩn lị phản ứng VVER-1000 [28].
hợp UO2 + Gd2O3, 18 thanh định hướng và 01 thanh trung tâm. Độ giàu235U là 3,7 wt% ở thanh nhiên liệu chứa UO2 và 3,6 wt%với thanh nhiên liệu chứa 4,0 % Gd2O3. Các thanh nhiên liệu và thanh định hướng được sắp xếp đối xứng 1/12. Mặt cắt ngang của bó nhiên liệu với 12 thanh nhiên liệu UO2 – Gd2O3 như mơ tả trên Hình 2.10. Mơ hình chi tiết bó nhiên liệu UGD được tham khảo từ tài liệu của OECD năm 2002 [28]. Cùng với các thơng số hình học ở bài tốn chuẩn, mơ hình bó nhiên liệu được mơ phỏng cụ thể trong Hình 2.11. Trong mơ hình tính tốn bó nhiên liệu, điều kiện biên được sử dụng là phản xạ gương.
Hình 2.9: Mơ hình ơ mạng lục giác cho thanh nhiên liệu, ống dẫn, ống dẫn trung tâm trong bó nhiên liệu VVER-1000. R1 và R2 là bán kính trong và ngồi của vỏ bọc thanh nhiên liệu hoặc các thanh dẫn [28].
Hình 2.10: Bó nhiên liệu lị phản ứng VVER-1000 với 12 thanh chứa UO2 – Gd2O3.
Trong mơ hình bó nhiên liệu với chất hấp thụ dạng vi hạt, các hạt Gd2O3 phân bố một cách ngẫu nhiên trong viên nhiên liệu UO2, do đó mơ hình hình học thống kê (STG) của chương trình MVP được sử dụng để mô phỏng phân bố ngẫu nhiên của các hạt Gd2O3. Đối với các tính tốn sử dụng chương trình MVP, số lịch sử sự kiện được chọn là 25×106 để đảm bảo sai số thống kê tương đối của hệ số nhân vô hạn nhỏ hơn 0,02%.
Hình 2.11: Mơ hình bó nhiên liệu VVER-1000 trong chương trình MVP.
2.6. So sánh tính tốn bó nhiên liệu sử dụng chương trìnhMVP và SRAC MVP và SRAC
Nhằm đánh giá sự phù hợp của mơ hình mơ phỏng bó nhiên liệu đề xuất sử dụng trong các tính tốn của luận án. Các tính tốn được thực hiện bằng chương trình MVP với bó nhiên liệu VVER-1000 tham chiếu và tiến hành so sánh với kết quả tính tốn từ chương trình SRAC. SRAC cũng là một chương trình tính tốn được phát triển và sử dụng rộng rãi bởi Viện nghiên cứu Năng lượng nguyên tử Nhật Bản với mục đích tính tốn vật lý nơtrơn cho một số lị phản ứng nơtrơn nhiệt từ năm 1978 [65].
Bảng 2.4: Các thơng số thiết kế bó nhiên liệu UO2 – Gd2O3 lị 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 ngồi vỏ bọc thanh nhiên liệu cm 0,4582 Bán kính trong thanh trung tâm cm 0,4800 Bán kính ngồi thanh trung tâm cm 0,5626
Bán kính trong ống dẫn cm 0,5450
Bán kính ngồi 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 vơ hạn k∞ theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu VVER- 1000 có chứa Gd2O3 trộn đều được tính tốn mơ phỏng bằng chương trình MVP và SRAC.
Hình 2.12 biểu diễn đường cong hệ số nhân nơtrơn vơ hạn k∞ của bó nhiên liệu VVER-1000 có chứa Gd2O3 trộn đều theo độ sâu cháy, giá trị k∞ tính tốn 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 ngồi điểm cháy ban đầu 0 GWD/t, các vị trí cịn 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 q 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 cơng suất trong bó nhiên liệu theo vị trí phân bố của các thanh nhiên liệu thu được từ tính tốn MVP và kết quả thu được từ chương trình SRAC [13]. Kết quả cho thấy phân bố công suất thu được từ 2 mơ hình tính tốn 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 ngồi 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 cơng suất trong bó nhiên liệu theo vị trí phân bố của các thanh nhiên liệu thu được từ tính tốn MVP và kết quả giá trị trung bình chuẩn BM [13]. Kết quả cho thấy phân bố công suất thu được từ 2 mơ hình tính tốn 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 ngồi 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 tốn trên là do hàm lượng đóng góp của Gd2O3 trong thanh nhiên liệu khác nhau.
Qua kết quả mơ phỏng và tính tốn sử dụng MVP giá trị hệ số nhân vô hạn
k∞ và phân bố cơng 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 tốn 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 tốn trong báo cáo của OECD/NEA [28]. Các giá trị k∞ và độ lệch hệ số nhân nơtrơn vơ 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 tốn MVP và SRAC, MVP và BM là chấp nhận được, cho thấy được sự phù hợp của các mơ hình tính tốn. Do đó, mơ hình MVP được xây dựng có đủ độ tin cậy để áp dụng cho các tính tốn thiết kế bó nhiên liệu sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt.
Hình 2.13: Phân bố cơng suất trong bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2O3 đồng nhất sử dụng chương trình mơ phỏng tính tốn MVP và SRAC [13].
Hình 2.14: Phân bố cơng suất trong bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2O3 đồng nhất sử dụng chương trình mơ phỏng tính tốn 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 tốn mơ phỏng MVP/GMVP được sử dụng cho các tính tốn trong luận án. Đồng thời thực hiện tính tốn hệ số nhân và phân bố cơng suất bó nhiên liệu với 12 thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 của lò VVER-1000/V-320.
Các kết quả tính tốn mơ phỏng và tính tốn sử dụng MVP giá trị hệ số nhân vô hạn k∞ và phân bố cơng 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 tốn sử dụng SRAC.
Với các bó nhiên liệu, kết quả tính tốn 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 cơng cụ và phương pháp tính tốn. Kết quả tính phân bố cơng suất cũng cho ta thấy được phân bố công suất khá đồng đều bên trong bó nhiên liệu.
Các tính tốn này cho ta dữ liệu về các đặc trưng nơtrôn của thanh và bó nhiên liệu lị VVER-1000/V-320 khi sử dụng chất hấp thụ trong các thanh nhiên liệu để phục vụ cho tính tốn tồn lị 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 thơng qua q 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 cơng suất theo vị trí thanh nhiên liệu hay không? Khi đặc trưng hạt nhân hệ số đỉnh cơng suất giảm sẽ góp phần tăng độ an tồn trong q trình vận hành lị phản ứng [60].
Mục tiêu thứ nhất là khảo sát thiết kế mới nhằm làm giảm hệ số đỉnh cơng 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 thơng 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 tốn phức tạp do có nhiều thơng 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 tồn của lị phản ứng. Hệ số phản hồi nhiệt độ của độ phản ứng là một thông