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
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 quá 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 chất hấp thụ 600 – – – 1,067 Tham chiếu Vi hạt hấp thụ Mơ hình 1 Mơ hình 2 Mơ hình 1 Mơ hình 2 Mơ hình 1 Mơ hình 2 600 600 600 600 300 300 0 0 12 12 18 18 18 18 18 18 – 60 300 300 320 320 360 360 5,0 5,0 3,33 3,33 5,5 5,5 8,0 8,0 1,160 1,157 1,105 1,113 1,120 1,126 1,129 1,142
3.3.2. Hệ số nhân nơtrơn vơ 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 vô 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 cơng 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 cơng 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 µm µm µm Mơ hình 1 Mơ hình 2 Mơ hình 1 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 công 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 quá 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 toàn 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 nhiên 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 khơng thay đổi so với thiết kế tham chiếu, nên có thể dự đốn được thiết kế mới này không 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 khơng 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 mơ 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 nơtrơn 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 nơtrơn 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 quá 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 quá 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 vơ 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 công 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 cơng 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