Bình sinh hơi tạo hơi ở những điều kiện (áp suất, nhiệt độ và độ khô) cần thiết cho việc vận hành tua-bin bằng cách truyền nhiệt từ chất làm mát sơ cấp đến nước truyền thứ cấp. Bình sinh hơi của WWER-1000 là bộ phận trao đổi nhiệt nằm ngang loại vỏ và ống, có thiết bị tách ẩm sẵn bên trong. Bình sinh hơi nằm ngang có tiết diện bay hơi lớn nên có lợi thế là tốc độ bay hơi chậm, dẫn đến việc tách ẩm một cách hiệu quả từ hơi, bằng thiết kế tách ẩm cơ bản. Rìa áp suất của phần hơi của bình sinh hơi được làm bằng thép được ép nén, dạng đĩa lõm, bề mặt đáp ứng truyền tải nhiệt và những thành phần bên trong khác.
Phần sơ cấp của bình sinh hơi bao gồm đường ống phân phối đầu vào và đầu ra, gọi là bộ góp. Những bề mặt truyền tải nhiệt dạng ống hình chữ U bằng thép không rỉ (TI-stabilised) tỏa nhiệt từ đầu vào bộ góp chính (đầu nóng) và kết thúc ở đầu ra bộ góp chính (đầu lạnh). Vỏ bình sinh hơi đồng thời còn chứa hệ thống phân phát nước và 1 đầu ống riêng biệt của nguồn nước khẩn cấp.
17
Hình 1.9. Bình sinh hơi [2]. 1.2.5.7. Máy bơm tuần hoàn chính
Những máy bơm tuần hoàn chính là những máy bơm di chuyển chất làm mát trong những vòng khép kín đi qua bình áp suất lò, đường ống làm mát lò và những bình sinh hơi. Máy bơm làm mát lò là máy bơm li tâm thẳng đứng một trục, hoạt động độc lập.
Yêu cầu cơ bản đối với vận hành máy bơm tuần hoàn chính là phải hoạt động với độ tin cậy cao và bền vững mà không cần bất cứ sự can thiệp nào của nhân viên điều hành trong một thời gian dài. Máy bơm tuần hoàn chính được bố trí trong khu bảo vệ kín nên thực tế không có khả năng sửa chữa trong thời gian lò phản ứng hoạt động.
Những đặc tính cơ bản của máy bơm tuần hoàn chính [2]. - Công suất 20000 m3/h
- Áp suất đầu hút 156 kg/cm2 - Số vòng quay 1000 vòng/phút
- Công suất tiêu thụ cho nước lạnh/nóng 7000/5300 kW - Khối lượng 140 tấn
18
Máy bơm tuần hoàn chính có thể hoạt động liên tục trong mọi chế độ khoảng 10000 giờ, thời gian làm việc trước khi hỏng lớn hơn hoặc bằng 18000 giờ và tuổi thọ trung bình từ 30 năm trở lên.
1.2.5.8. Hệ thống phụ trợ lò
Để hoàn thành tất cả các tính năng, hệ thống lò được cung cấp thêm những hệ thống phụ, bổ trợ hệ thống làm mát lò bằng việc thực hiện nhiều tính năng khác nhau.
Hệ thống điều khiển hóa học và thể tích lò: Chức năng chính của hệ thống này là điều chỉnh nồng độ axit boric trong chất làm mát chính để điều khiển những thay đổi về mức độ phản ứng trong thời gian dài, bắt nguồn từ việc thay đổi nhiệt độ chất làm mát lò những khi tắt máy (lạnh) và lúc vận hành tối đa công suất (nóng), đốt nhiên liệu và những chất độc cháy được, tích lũy sản phẩm phân hạch trong nguyên liệu và xenon tức thời.
Hệ thống loại bỏ nhiệt thặng dư hoạt động như một nơi chứa nhiệt dài hạn của lò. Hệ thống loại bỏ nhiệt phân rã trong giai đoạn thứ 2 của quá trình mát lên của nhà máy (được tính trước). Ở giai đoạn thứ nhất, nhiệt dư được loại bỏ bởi hơi thoát ra từ bình sinh hơi đến bình ngưng của tua-bin.
1.2.5.9. Hệ thống tua-bin
Hệ thống tua-bin được thiết kế để vận hành ở 3000 vòng/phút trên hơi nước bão hòa, cùng chung với việc lò WWER-1000 có mức đầu ra của nhiệt là 3000 MWt. Mức đầu ra được đánh giá của máy phát sẽ là 995 MW, đối với nước làm mát ở nhiệt độ 32o
Cvà độ khô 0,995.
Hệ thống tua-bin bao gồm một tua-bin áp suất cao 2 dòng và ba tua-bin áp suất thấp 2 dòng. Tua-bin có khả năng vận hành ổn định ở những dãy tần số từ 47,5Hz đến 51,5Hz, mà không cần giới hạn thời gian nào. Tua-bin có một hệ thống điều khiển điện-thủy lực, được hỗ trợ bằng một hệ thống thủy lực cơ học. Những tính năng hiện đại như thiết bị ước lượng ứng suất, hệ thống theo dõi hiệu suất trực tuyến, máy tách ẩm… đã được kết hợp vào hệ thống tua-bin.
19
1.2.5.10. Vòng mạch thứ cấp
Hơi sinh ra từ bình sinh hơi đi qua tua-bin áp suất cao. Giữa tua-bin áp suất cao và tua-bin áp suất thấp, hơi ẩm được loại bỏ bằng máy tách ẩm và hơi nước được đun lại ở khu đun lại của máy tách ẩm. Khí thải của tua-bin được ngưng đọng ở máy ngưng đọng hơi và làm mát bằng nước biển. Chất lỏng sau khi ngưng đọng, với sự trợ giúp từ máy bơm hút, được bơm qua một nhóm các máy đun áp suất thấp đến với một máy thoát khí. Bồn thoát khí xử lý các loại khí không ngưng đọng được và đảm bảo lượng nước luôn đủ. Nước cung cấp được những máy bơm của máy đun sôi đẩy qua những máy đun để đến bình sinh hơi.
Hình 1.10. Sơ đồ của vòng tuần hoàn nước cung cấp [8].
1.2.5.11. Hệ thống làm mát và thổi khẩn cấp của bình sinh hơi
Hệ thống làm mát và thổi khẩn cấp của bình sinh hơi được dùng để loại bỏ nhiệt dư và làm mát lõi trong trường hợp khẩn cấp do mất điện hoặc mất hệ thống loại bỏ nhiệt dư thông qua bên thứ cấp. Dưới điều kiện vận hành bình thường, nó còn được dùng cho việc thổi tắt của bình sinh hơi nhằm mục đích thanh lọc nguồn nước của bình sinh hơi. Hệ thống này gồm 4 bộ truyền động độc lập và trong trường hợp mất điện đến trạm, tất cả những máy bơm của hệ thống được khởi động theo chương trình nạp liên tiếp sau khi nguồn điện dự phòng khẩn cấp được phục hồi.
20
Khi áp suất bình sinh hơi lên đến 7,35 MPa, những van trên đường khí hơi đến máy trao đổi nhiệt được mở một cách tự động. Những máy bơm tuần hoàn lại sẽ bơm những dung dịch ngưng đọng được làm mát trở về bình sinh hơi. Van điều khiển trong máy bơm giúp duy trì tự động mức áp suất 6,67 MPa của bình sinh hơi. Hệ thống vận hành trong 1 vòng khép kín và không cần thêm nguồn nước nào.
1.2.5.12. Hệ thống loại bỏ nhiệt thụ động
Hệ thống loại bỏ nhiệt thụ động giúp loại bỏ nhiệt dư trong lõi trong trường hợp hệ thống loại bỏ nhiệt bình thường không hoạt động, do mất nguồn điện AC cục bộ của hệ thống bình thường lẫn hệ thống khẩn cấp.
Hệ thống gồm 4 mạch làm mát độc lập, mỗi mạch được kết nối với từng bình sinh hơi riêng biệt. Trong thiết kế này, ống khí trao đổi nhiệt dạng có vây, đặt ở bên ngoài thùng lò, được dùng để đưa nhiệt trong lõi ra môi trường bên ngoài.
Những máy trao đổi nhiệt được kết nối với bên thứ cấp của bình sinh hơi, để những hơi từ những bình sinh hơi được ngưng đọng trong máy trao đổi nhiệt và dung dịch ngưng đọng được đưa về lại nguồn nước của bình sinh hơi, đồng thời gìn giữ lại nguồn nước của bên thứ cấp. Những máy trao đổi nhiệt nhìn giống như những ống khói, được đặt trên đỉnh của phần phụ thùng lò (RBA). Việc nâng những máy trao đổi nhiệt lên trên những bình sinh hơi, giúp đảm bảo có một vòng tuần hoàn chất làm mát tự nhiên đáng tin cậy trong vòng mạch nước hay hơi.
Vỏ máy trao đổi nhiệt có dạng hình hộp chữ nhật, có những phần trên và dưới được kết nối với những ống dẫn khí. Ống dẫn khí ở trên có hình dạng ống khói. Không khí mát được đưa vào ống dẫn khí ở bên dưới. Những van khói kiểu lá chắn được đặt ở đầu vào và đầu ra của ống dẫn khí. Ở bên phía ống, máy trao đổi nhiệt được kết nối với bình sinh hơi bằng những đường ống dẫn.
Những van trên những lối của hơi hay nước thường được mở và chỉ đóng khi bảo trì máy trao đổi nhiệt. Van khói kiểu lá chắn trên đường không khí đi qua được đóng khi qua máy phát điện từ. Nếu mất nguồn điện, cuộn cảm của máy phát điện từ bị yếu dần và những cửa tự mở bằng chính trọng lượng của chúng.
21
Do việc đun nóng không khí và những khác biệt về khối lượng riêng của không khí bên trong và bên ngoài của vỏ, không khí được lưu thông qua vỏ bằng gió lò tự nhiên và dòng khí được thiết kế được thiết lập một cách từ từ. Do đó, nhiệt phân rã bị loại bỏ.
1.2.5.13. Hệ thống truyền nhanh boron
Hệ thống truyền nhanh boron được dùng để đưa lò về trạng thái ngừng hoạt động an toàn, bằng cách truyền dung dịch axit boric nồng độ cao, trong trường hợp hệ thống bảo vệ lò gặp sự cố. Hệ thống bao gồm 4 bồn chứa boron nồng độ cao (40g/kg), mỗi bồn được đặt đối diện mỗi bộ máy bơm chất làm mát lò. Khi phát hiện sự cố từ hệ thống bảo vệ lò, van điện từ đối diện bồn được mở ra và bồn trở thành một phần thể tích của hệ thống chất làm mát lò. Dung dịch boron từ bồn được chảy tự động vào chất làm mát lò bằng những máy bơm chất làm mát chính.
1.3. Cơ sở lý thuyết về việc làm giàu nhiên liệu
Để có thể sử dụng cho lò phản ứng WWER, nhiên liệu phải có tỉ lệ urani 235 trong khoảng từ 2%-5%, vì urani 235 là đồng vị duy nhất có khả năng phân hạch một cách tự nhiên. Thế nhưng trong tự nhiên urani được tìm thấy ở dạng urani 238 chiếm 99,284%, urani 235 chiếm 0,711% và một lượng rất nhỏ urani 234 khoảng 0,0058%. Do đó việc làm tăng tỉ lệ urani 235 trong urani tự nhiên được gọi là làm giàu nhiên liệu.
Việc làm giàu urani chủ yếu là dựa vào sự khác nhau trong tính linh động
do có sự khác biệt rất nhỏ về khối lượng giữa urani 235 và urani 238. Trong các phương pháp làm giàu được nghiên cứu thì có hai phương pháp đã được
phát triển đến quy mô công nghiệp, đó là phương pháp khuếch tán khí và phương pháp siêu ly tâm.
Phương pháp khuếch tán khí [13]:
Trước khi làm giàu bằng phương pháp này, tetraflorua urani thu được sau công đoạn tuyển quặng và tinh chế được biến đổi thành hexaflorua urani (UF6)
22
là chất có thể dễ dàng chuyển sang thể khí (bắt đầu từ nhiệt độ 0
56 C), bởi vì việc làm giàu chỉ có thể thực hiện dễ dàng ở pha khí.
Theo phương pháp khuếch tán khí, người ta cho UF6 ở thể khí đi qua một loạt các màng ngăn (membrane) là những vách (wall) đục lỗ rất nhỏ. Các phân tử hexaflorua urani 235 nhẹ hơn các phân tử hexaflorua urani 238 nên đi qua các hàng rào này nhanh hơn, nên urani dần dần được làm giàu. Tuy nhiên do khối lượng riêng của hai đồng vị rất gần nhau nên sự di chuyển chậm của urani 238 so với urani 235 cũng rất ít. Do đó, trong nhà máy làm giàu urani, ví dụ nhà máy Eurodif ở Tricastin, Pháp, cung cấp hơn một phần ba sản lượng thế giới về urani giàu, thao tác phải lặp đi lặp lại 1400 lần để sản xuất ra urani có hàm lượng urani 235 cần thiết có thể dùng trong các nhà máy địên hạt nhân thông thường.
Phương pháp siêu ly tâm [13]:
Người ta dùng máy ly tâm quay với tốc độ rất nhanh. Hexaflorua urani 238 nặng hơn nên bị đẩy dần ra ngoài biên, còn hexaflorua urani 235 được giữ lại phía bên trong. Sự khác biệt mặc dù rất nhỏ về khối lượng giữa hai phân tử cho phép nâng dần hàm lượng urani 235. Muốn đạt được hàm lượng urani 235 đủ cao thì phải qua nhiều giai đoạn nối tiếp nhau.
Bên cạnh đó còn có một phương pháp khác cho phép làm giàu urani 235 chỉ qua một giai đoạn đó là phương pháp làm giàu bằng laser. Khác với hai kỹ thuật làm giàu trình bày ở trên, phương pháp này phân ly đồng vị bằng cách chiếu tia laser vào hơi nguyên tử urani.Nguyên lý phân ly đồng vị bằng tia laser là lấy đi một electron của urani 235 bằng cách sử dụng năng lượng của chùm tia laser, không ảnh hưởng đến urani 238. Tia laser có bước sóng được lựa chọn một cách chính xác, cung cấp năng lượng cần thiết để bức electron khỏi nguyên tử urani 235, chứ không phải nguyên tử urani 238. Sau khi bị ion hoá (mang một điện tích dương), urani 235 được tách ra khỏi hơi uran nhờ một điện trường và được thu về phía cực âm trên bộ góp [13].
23
CHƢƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ NHIỄM ĐỘC XENON VÀ SAMARI TRONG LÒ PHẢN ỨNG
2.1. Sự nhiễm độc trong lò phản ứng
Khi lò phản ứng hoạt động, trong lò sẽ tích lũy một số sản phẩm phân hạch (Rh-105, I-131, Ba-140,…) gây nhiễm độc cho lò phản ứng. Các sản phẩm phân hạch này có khả năng hấp thụ neutron làm giảm độ phản ứng không mong muốn và ảnh hưởng đến mật độ thông lượng neutron trong lò.
Trong tất cả các sản phẩm phân hạch, Xenon-135 và Samari-149 là hai đồng vị gây nhiễm độc đáng kể trong lò phản ứng, bởi vì [4]:
Xenon có tiết diện hấp thụ vĩ mô neutron nhiệt khoảng 6 2,5.10 bar
lớn nhất trong tất cả các chất đã biết; nhanh chóng đạt đến nồng độ cân bằng sau 30 đến 40 giờ, gia tăng nhiễm độc sau khi dừng lò (hố Iod).
Samari có tiết diện hấp thụ vĩ mô neutron nhiệt khoảng 4
5.10 bar, đạt đến nồng độ cân bằng sau 8 đến 10 ngày, gia tăng nhiễm độc sau khi dừng lò (hố Promete).
2.2. Nhiễm độc Xenon
Hình 2.1. Sơ đồ động học của đồng vị Xenon [4].
* Nồng độ Iodine trong lò phản ứng: I I f I I dN N dt (2.1) Với:
NIlà nồng độ nguyên tử I-135 trên cm3.
I là tỉ lệ sản phẩm phân hạch của I-135 (0,061). f là tiết diện phân hạch vĩ mô.
(xỉ) 6,7 giờ 0,5 phút 9,2 giờ + (xỉ) n
24
Φ là thông lượng neutron trung bình.
I là hằng số phân rã của I-135 (2,87 x 10-5 s-1). Nghiệm phương trình có dạng: 0 ( ) It I f I I I N t N e (2.2)
Giả sử nồng độ Iodine trong lò ban đầu I 0 0I I f
I N N (2.3) Suy ra: ( ) I f (1 It) I I N t e (2.4)
Khi t thì nồng độ Iodine tiến đến trạng thái cân bằng I eq( ) I f
I N (2.5) * Nồng độ Xenon trong lò phản ứng: Xe Xe Xe f I I Xe Xe a Xe dN N N N dt (2.6) Với:
NI, NXe là nồng độ nguyên tử I-135 và Xe-135 trên cm3. I là tỉ lệ sản phẩm phân hạch của I-135 (0,061).
Xe là tỉ lệ sản phẩm phân hạch của Xe-135 (0,003). f là tiết diện phân hạch vĩ mô.
Φ là thông lượng neutron trung bình. Xe
a
là tiết diện hấp thụ vi mô của Xe-135. I là hằng số phân rã của I-135 (2,87 x 10-5 s-1).
Xe là hằng số phân rã của Xe-135 (2,09 x 10-5 s-1). Nghiệm phương trình có dạng: * 0 * * ( ) I I It Xet I Xe f Xe Xe I Xe N N t e Be (2.7) trong đó *Xe Xe Xea
25 0 * * ( I Xe) f I I Xe I Xe N B (2.8) Suy ra: * 0 0 * * * * ( ) ( ) I I It ( I I I Xe f ) Xet I Xe f Xe Xe I Xe I Xe Xe N N N t e e (2.9)
Khi t thì nồng độ Xenon tiến đến trạng thái cân bằng
( ) * I Xe f Xe eq Xe N (2.10)
Nồng độ cân bằng của Xenon phụ thuộc vào thông lượng neutron như sau: Ta có: f 5fN5 5fNu
trong đó: 5
f
là tiết diện phân hạch của 235U .
5
N là số hạt nhân235Utrung bình theo thể tích vùng hoạt.
u
N là số hạt nhân urani trung bình theo thể tích vùng hoạt.