CHƯƠNG 1. ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ CỐ RIA TRONG LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐẾN THANH NHIÊN LIỆU
1.3. N hững kết quả thử nghiệm sự cố RIA trên thế giới
Có rất nhiều các cuộc thí nghiệm RIA được thực hiện trên các thanh nhiên liệu sạch (tổng quan các thí nghiệm trên các thanh nhiên liệu LWR trước khi bị chiếu xạ được chi tiết trong bảng 2), sử dụng lò phản ứng xung (loại lò phản ứng vận hành bởi các tín hiệu xung) ở Mỹ, Nhật, Nga, Kazakhstan và Romania, điển hình: [5]
+ IGR (Pulse Graphite Reactor, Kurchatov, Kazakhstan) thực hiện năm 1990 – 1992.
+ BIGR (Fast Pulse Graphite Reactor, Sarov, Nga) thực hiện năm 1997 – 2000.
25
+ CABRI (Cadarache, France) thực hiện năm 1993 – 2002.
Điều kiện thí nghiệm là khác nhau giữa các thí nghiệm.
B ng 1. 1. Các thí nghiả ệm trên các thanh nhiên liệu LWR trước khi b ịchiếu x ạ
IGR BIGR CABRI
Điều kiện thí nghiệm
Chất làm mát Nước Nước Natri lỏng
Nhiệt độ chất làm mát (K) 293 293 553
Áp suất chất làm mát (MPa) 0,1 0,1 0,5
Độ rộng xung công suất (ms) 600 950 – 2 3 – 9 75 – Thanh nhiên liệu
Số thanh nhiên liệu
(PWR/BWR/VVER/MOX) 13 (0/0/13/0) 12 (0/0/12/0) 14
(10/0/0/4) Độ cháy (MWngày/kgHM) 47 49 – 47 60 – 33 76 – Độ dày lớp oxit lớp vỏ (àm) 5 3 7 – 10 126 – Độ dài hoạt hóa thanh (mm) 150 140 150 – 440 1000 – Đỉnh enthalpy nhiên liệu (J/g) 255 1051 – 481 787 – 343 832 – Enthalpy thấp nhất tại nứt nẻ
(J/g) 737 687 117 - 151
- Thí nghiệm IGR:
+ IGR là một lò phản ứng xung đồng nhất urani – graphite với một độ dài xung tự nhiên khoảng 500 – 900 ms. Vùng hoạt chứa kênh thí nghiệm trung tâm, có chứa nước làm mát. Trong các cuộc thí nghiệm, người ta đã thay thế các viên nhiên liệu độ cháy cao bằng các viên nhiên liệu sạch vào trong các thanh nhiên liệu chứa khí helium với áp suất là 1,7 MPa.
26
+ Lớp oxit ngoài lớp vỏ dày khoảng 5 àm cho việc thớ nghiệm đối với cỏc thanh nhiên liệu trước khi bị chiếu xạ, nhằm đạt tính tương ứng với độ cháy cao. Độ ăn mòn thấp của vật liệu lớp vỏ sử dụng cho các thanh nhiên liệu lò VVER được thiết kế trái ngược với các thanh nhiên liệu độ cháy cao bị ăn mòn lớn của PWR (Zry 4). –
+ Kết quả của cuộc thí nghiệm này cho thấy 5 nhóm thanh nhiên liệu bị hỏng ở enthalpy nhiên liệu cao do sự phồng lớn và vỡ ra của lớp vỏ.
Thí nghiệm BIGR:
+ BIGR cũng là một loại lò phản ứng xung urani – graphite sử dụng thí nghiệm cho các thanh nhiên liệu VVER. Vùng hoạt có đường kính là 670 và 760 mm với xung phản ứng là 2 – 5ms.
+ Các thanh nhiên liệu sử dụng với kích thước như trong lò phản ứng VVER đang sử dụng trên thế giới (trong đó có 8 thanh được lấy từ VVER – 1000 tại tổ máy thứ 5 lò phản ứng Novovoronezh của Nga). Các thanh này có độ cháy từ 47 – 49 MWngày/kgU (riêng có 4 thanh có độ cháy là 60 MWngày/kgU, được tái chế từ các thanh VVER – 440).
+ Viên nhiên liệu có đường kính 7,54 – 7,6 mm và độ dài thanh 149 -155 mm với áp suất helium đạt 0,1 – 2,1 MPa.
+ Kết quả: trong thí nghiệm, phát hiện 4 thanh bị hỏng với enthalpy nhiên liệu, độ dày lớp oxit là lớn nhất.
Thí nghiệm CABRI:
+ CABRI là thí nghiệm trên lò nước nhẹ với nhiên liệu UO2, được thiết kế có tiết diện trung bình và có thể điều chỉnh. Các thanh nhiên liệu được đặt bên trong lò và quá trình chuyển tiếp công suất được bắt đầu từ 0 với độ rộng xung 9,5 – 75 ms.
Mặc dù sử dụng natri với áp suất 0,5 MPa làm chất làm mát nhưng điều kiện làm mát được xem xét cho từng vị trí mà nhiệt độ lớp vỏ tăng tới giới hạn. Do đó, trao đổi nhiệt giữa lớp vỏ và chất làm mát được cho là giống lò LWR ở giai đoạn đầu chuyển tiếp công suất (giai đoạn quan trọng quyết định tới nứt nẻ do PCMI).
27
+ Tiêu chuẩn RIA được mô tả cho nhiên liệu PWR loại 17 x 17 có sự biến đổi mạnh mẽ trong quá trình chuyển tiếp công suất. Trong 12 thí nghiệm thì có 8 thí nghiệm thực hiện với nhiên liệu UO2 và 4 là cho nhiên liệu MOX, có độ cháy từ 28 – 65 MWngày/kgU. Lớp vỏ thanh được thí nghiệm là ZIRLO và M5.
+ Thí nghiệm trên nhiên liệu UO2 có độ làm giàu 4,5 %, đỉnh enthalpy nhiên liệu trung bình đạt 343 – 832 J/g.
+ Kết quả: các thanh nhiên liệu này bị sai hỏng bởi quá trình ăn mòn lớp vỏ với lớp oxit bị vỡ vụn. Do sự phân bố không đều của nhiệt độ, không gian hydrua hóa dày đặc và phồng ra, làm giảm độ dẫn và độ bền vật liệu. Hình ảnh một viên nhiên liệu bị vỡ vụn trong thí nghiệm của CABRI được đưa ra trên hình 1.6.
Hình 1. 6. Viên nhiên li u b v vệ ị ỡ ụn được quan sát trong CABRI [ 5]
Hình 1.7 cho thấy sự nứt gãy lớp vỏ thanh nhiên liệu trong thử nghiệm REP- Na1 (độ cháy nhiên liệu đạt 64 GWd/tU) được thực hiện trong chương trình CABRI. Đây là 1 dạng nứt gãy không có sự giãn nở và được tạo ra bởi hiện tượng PCMI ở nhiệt độ rất thấp và có độ lưu trữ năng lượng thấp.
Hình 1.8 sau đây cho thấy kết quả của sự nứt gãy lớp vỏ thanh nhiên liệu trong thử nghiệm HBO 1 (độ cháy nhiên liệu đạt 50 GWd/tU) thuộc chương trình thử - nghiệm NSRR. Bề mặt ngoài của lớp vỏ Zircaloy bị gãy ở dạng giòn, còn mặt trong
28
thì bị gãy theo hướng 450. Dạng nứt gãy này là do hiện tượng PCMI ở nhiệt độ thấp và lớp vỏ đã bị giãn nở.
Hình 1. 7. Hình d ng n t gãy c a các th nghi m REP-Na1 do hiạ ứ ủ ử ệ ện tượng PCMI [5]
Hình 1. 8. Hình dạng n t gãy củứ a th nghi m HBO-1 do hiử ệ ện tượng PCM [ 5]
Hình 1.9 đưa ra kết quả nứt gãy của lớp vỏ thanh nhiên liệu trong thử nghiệm 804-1 (độ cháy nhiên liệu đạt 6 GWd/tU) thuộc chương trình thử nghiệm PBF 0 (Power Burst Facility). Lớp vỏ hợp kim dẻo hơn so với thử nghiệm HBO 1 và hiện - tượng bể vỡ xuất hiện là do các vết nứt nẻ xuyên qua chiều dày của lớp vỏ. Tuy nhiên, độ giãn dẻo là có giới hạn, nên nó không thể đáp ứng được áp lực tạo ra bởi hiện tượng PCMI ở nhiệt độ tương đối thấp.
Hình 1.10 cho thấy kết quả của sự nứt gãy lớp vỏ thanh nhiên liệu trong thử nghiệm 804 1 (độ cháy nhiên liệu ở mức 0 GWd/tU) thuộc chương trình PBF -
29
(Power Burst Facility). Lớp vỏ zircaloy này không bị nứt gãy do hiện tượng PCMI.
Tuy nhiên, lớp vỏ zircaloy lại có nhiệt độ cao hơn bởi phản ứng oxi hóa ở mặt trong và ở mặt ngoài Do đó, lớp vỏ bị nứt vỡ ngay trong quá trình làm mát khẩn cấp..
Hình 1. Hình d9. ạng n t gãy củứ a th nghi m 804-1 PBF do hiử ệ ện tượng PCMI
Hình 1. 10. K t qu c a s n t gãy l p v c a các th nghi m 803-1 (0 GWd/tU) ế ả ủ ự ứ ớ ỏ ủ ử ệ
Hình 1. 11. Biến đổi trạng thái c a l p oxi hóa ủ ớ
30
Kết tủa hydrua sẽ có xu hướng chuyển dần về những vùng có nhiệt độ thấp hơn so với nhiệt độ bình thường của hợp kim zircaloy, như ta thấy trong Hình 1. 11 Sự tụ hợp của các hydrua diễn ra ở mặt ngoài của lớp vỏ zircaloy nơi mà lớp oxi hóa ZrO2 bị bong ra.
Hình 1. 12. Hiện tượng t h p c a các kim hydrua trong l p v h p kim zircaloy ụ ợ ủ ớ ỏ ợ Hình 1.12 đưa ra những kết quả thử nghiệm thực hiện từ năm 1965 đến năm 2000 của Hoa Kỳ, Nhật Bản và Pháp. Những kết quả này cho thấy NLHN với độ cháy cao (60 GWd/tU) vẫn còn đáp ứng những tiêu chí an toàn liên quan đến sự cố RIA.
Hình 1. 13. Những k t qu ế ảthử nghiệm thực hiệ ừ năm 1965 đến năm 2000 củn t a Hoa K , Nh t Bản và Pháp [ ậ 5]
31