Lò phản ứng hạt nhân có một đặc điểm rất đặc biệt: tỏa năng lượng trong lò không chấm dứt ngay sau dừng phản ứng dây chuyền và còn quán tính nhiệt bình thường. Việc tỏa nhiệt dư kéo dài nhiều ngày, hàng tuần và hàng tháng do chính các quá trình phân rã hạt nhân, điều này sinh ra một loạt những vấn đề phức tạp về kỹ thuật và tạo ra mối nguy hiểm cho thiết bị, con người và môi trường xung quanh (ví dụ trong sự cố NMĐHN Three Mile Island) [1].
Do vậy, sẽ có ý nghĩa khi xem xét điểm đặc biệt này của lò phản ứng hạt nhân và giải thích những quy luật cơ bản của các quá trình tỏa nhiệt dư.
18
Tốc độ giảm tỏa nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân sau khi dừng lò được quyết định bởi các yếu tố sau đây [1] :
Quán tính nhiệt của các vật liệu vùng hoạt và lượng nhiệt tích lũy trong đó (điều vốn có của tất cả các thiết bị và các nguồn năng lượng).
Phân hạch nhiên liệu do các neutron trễ và neutron quang điện (nếu lò phản ứng có nước nặng hoặc Berili).
Phân rã 𝛼, 𝛽 của các sản phẩm phân hạch đã tích lũy trong suốt thời gian lò phản ứng hạt nhân hoạt động, kèm theo tỏa năng lượng lớn và chuyển hóa các hạt nhân về dạng ổn định hơn hoặc trạng thái hoàn toàn ổn định.
Công suất nhiệt do phân hạch bởi các neutron trễ có thể không tính đến sau khoảng 3-5 phút [1]. Như vậy, thành phần chính của công suất nhiệt trong lò phản ứng hạt nhân sau khi dừng và trong suốt khoảng thời gian dài sẽ là sự tỏa nhiệt do các chuỗi phân rã 𝛾, 𝛽 của các mảnh vỡ phân hạch và các sản phẩm phân rã của chúng, sự tỏa nhiệt này được gọi là tỏa nhiệt dư.
Trong những giây đầu tiên sau khi dừng lò phản ứng, mức tỏa nhiệt dư vào khoảng 6.5% mức công suất trước khi dừng. Như vậy, đối với lò phản ứng có công suất nhiệt 3000MW, mức tỏa nhiệt dư vào khoảng 195 MW [1]. Công suất đó tương ứng với công suất của một tổ máy trung bình của nhà máy nhiệt điện.
Vấn đề là công suất này cần phải đưa ra khỏi lò phản ứng và ra khỏi vòng sơ cấp trong bất kỳ điều kiện nào.
3.5. Chế độ “Hot shutdown” và cách phục hồi
Chế độ “Hot shutdown”:
Chế độ “Hot shutdown” được hiểu là dập lò tức thời xuống 0% từ công suất đang hoạt động (ví dụ 100%). Chế độ hot shutdown này chỉ xảy ra khi lò nằm trong bảo vệ khẩn cấp EP (Emergency Protection). Đây là một trong những cơ chế bảo vệ khẩn cấp quan trọng nhất trong việc bảo vệ lò khi xảy ra các biến cố nghiêm trọng. Khi chế độ này được kích hoạt, tất cả các nhóm thanh điều khiển sẽ được nhúng ngập
19
vào lõi lò phản ứng (Reactor core) một cách tự động. Đối với WWER-1000, khi EP được kích hoạt hot shutdown được thực hiện trong thời gian 1 phút 30 giây.
Cách phục hồi công suất từ hot shutdown:
Cụ thể cho lò WWER-1000, việc khắc phục công suất lò từ hot shutdown được thông qua các bước như trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Các thao tác phục hồi công suất từ hot shutdown
STT Thao tác
1 Chế độ “hot shutdown” xuất hiện
2 Đợi áp suất trong ống góp hơi chính ổn đỉnh (đạt đến giá trị 60 kgf/cm2)
và điểu chỉnh van thoát hơi nước chính (MSRV) lần 1.
3 Bơm Boron vào mạch chính.
4 Rút lần lượt các nhóm thanh điều khiển từ 1-9, riêng nhóm 10 để nhúng
trong lò 25%-40%.
5 Pha loãng boron trong mạch chính bằng nước tinh khiết.
6 Đợi công suất đạt 35%-40%, bật chế độ ACP (Automatic control power), điều chỉnh van xả hơi nước chính lần (MSRV) lần 2.
20
Chương 4
PHỤC HỒI CÔNG SUẤT TỪ SỰ CỐ “HOT SHUTDOWN” CHO LÒ WWER-1000 BẰNG PHẦN MỀM WWER-1000 4.1. Mô tả chi tiết kịch bản
4.1.1. Kích hoạt chế độ “Hot shutdown” 4.1.1.1. Thiết lập điều kiện đầu
Chúng tôi thực hiện mô phỏng lò được thực hiện “hot shutdown” và tiến hành phục hồi công suất lò (100%). Điều kiện đầu được thiết lập ở task “Rated state operation.1load”, như trong hình 4.1. Ở đó, một số thông số lò ban đầu được trình bày như trong hình 4.1.
21
Bảng 4.1. Các thông số lò ở điều kiện đầu (điều kiện hoạt động bình thường)
STT Thông số Giá trị
1 Thông lượng neutron (%) 99,9
2 Vị trí nhóm thanh điều khiển số 10 (%) 80
3 Nồng độ boron (g/kg) 7,545
4 Công suất nhiệt của lò phản ứng (MW) 3025,21
5 Áp suất lò phản ứng (kg/cm2) 159,48
6 Áp suất trong MSH (kg/cm2) 60,2
7 Mức nước trong bình điều áp (mm) 886,863 8 Mức nước trong bình sinh hơi 1 (mm) 224,1 9 Mức nước trong bình sinh hơi 2 (mm) 224,6
10 Lưu lượng nước cung cấp cho SG–1 1,49
11 Chỉ số của van điều khiển tua-bin 0,94
12 Độ phản ứng (%∆К/К) -0,004
13 Điều khiển vị trí mực nước trong SG-1 0,67
4.1.1.2. Kích hoạt chế độ “hot shutdown”
22
Trong trang điều khiển độ phản ứng (CPS), chúng tôi nhấn nút EP để dập lò phản ứng khẩn cấp. Trong khoảng thời gian 8 giây sau đó, tất cả các thanh điều khiển sẽ được nhúng ngập vào trong lõi lò phản ứng. Kết quả của động thái này là công suất sẽ lò sẽ giảm từ 100% xuống còn 0.009% trong khoảng thời gian 1 phút 30 giây.
Những tín hiệu sau bắt đầu xuất hiện trong trang hiện thị thông báo và sự cố:
* Tín hiệu "EP from CR": EP được vận hành từ control room key.
* Tín hiệu "MSV closed": van hơi nước chính (Main steam valve) bị đóng, van điều chỉnh hơi nước tua-bin cũng bị đóng.
Lúc này, áp suất trong mạch phụ được duy trì bởi van nối tắt tua-bin RC11(12)S01(02) và áp suất trong mạch chính được duy trì bởi hệ thống điều hòa áp suất YP10W01-04.
23
4.1.2. Phục hồi công suất từ “hot shutdown” cho lò WWER-1000 4.1.2.1. Điều chỉnh van xả hơi nước chính lần 1
Sau khi kích hoạt sự cố EP, nhấn nút EP lần thứ hai để tắt chế độ này. Chúng tôi vào trang mô phỏng vòng sơ cấp (2C), đợi cho đến khi các tham số trong mạch thứ cấp ổn định, tức là áp suất trong ống góp hơi chính (Main Steam Header) phải đạt đến giá trị 60 (kgf/cm2). Sau đó chuyển van nối tắt tua-bin - RC11(12)S01(02) sang chế độ AUTO, đồng thời chuyển van xả hơi nước chính (MSRV) sang chế độ St [8]. Ở chế độ này, áp suất trong ống góp hơi chính (Main steam header) sẽ được duy trì ổn định tự động, lượng hơi dư thừa sẽ được bơm từ van nối tắt tua-bin - RC11(12)S01(02) sang bồn ngưng tụ.
24
4.1.2.2. Cung cấp boron vào mạch chính
Để thực hiện việc này, chúng tôi vào trang hệ thống thổi bù (TK) và vận hành máy bơm boron-TB10D02, đồng thời phải mở các van: TB10S17, TB10S26, TB10S24 vì các van này năm trên đường đi boron [8]. Sau khi thực hiện các thao trác trên, boron đậm đặc sẽ được bơm từ hồ TB10B01 đến mạch chính (1C). Vậy ở mốc thời gian 800 giây (13 phút 20 giây), boron bắt đầu được bơm vào mạch chính.
Hình 4.5. Cung cấp boron vào mạch chính
Lưu ý: Để duy trì tốc độ dòng chảy, chúng tôi phải để cho van TK80S01, TK50S01 và TK40S01 mở. Nếu tắt hai van TK50S01 và TK40S01 thì boron sẽ không thể vào trong mạch chính (1C) vì hai van này là hai van trung gian giữa hệ thống thổi bù (TK) vào mạch chính (1C), còn nếu tắt van TK80S01 thì boron sẽ đi vào mạch chính rất chậm, vì van TK80S01 bảo đảm cho tính tuần hoàn của boron trong toàn mạng.
25
Hình 4.6. Ba van quan trọng khi bơm boron vào mạch chính
Quan sát nồng độ boron trong mạch chính bằng cách nhìn vào ô TV30Q01 (Hình 4.7), nồng độ boron ban đầu trong mạch chính là 7,545 (g/kg), trong quá trình bơm boron vào mạch chính, chúng tôi sẽ thấy giá trị này tăng rất chậm. Vì lẽ đó, để tiết kiệm thời gian, chúng tôi sẽ thiết lập thời gian nhanh trong trình mô phỏng bằng cách thiết lập Set Scale bằng 10 (xem phụ lục 1). Lúc này, chúng tôi đã có thể thấy giá trị boron trong mạch chính tăng một cách rõ ràng.
26
4.1.2.3 Chọn giá trị nồng độ boron bơm vào mạch chính
Theo sự đề nghị của tác giả, khi boron đậm đặc vào khoảng 12-16 (g/kg) sau được bơm vào mạch chính, chúng tôi ngưng máy bơm boron TB10D02. Tuy nhiên, trong quá trình chúng tôi khảo sát thực tế thì trong khoảng giá trị từ 12-16 (g/kg), sau khi đã hồi phục được lò rồi, thì một số giá trị không thể duy trì sự ổn định của lò.
Hình 4.7. Cách quan sát nồng độ boron trong mạch chính
Biểu hiện không bền vững ở đây là sau khi phục hồi, mực nước trong hệ thống điều hòa áp suất liên tục giảm khi lượng boron ban đầu bơm vào mạch chính không phù hợp. Sự giảm liên tục mực nước của hệ thống điều hòa áp suất được cảnh báo trong trang thông báo và hiển thị sự cố (TAB). Đầu tiên là hệ thống cảnh báo mực nước trong hệ thống điều hòa áp suất trong vòng sơ cấp (1C) đã dưới mức 500(mm).
27
Hình 4.8. Cảnh báo mực nước điều áp trong TAB
Nếu để điều này tiếp diễn, tức là khi mực nước trong hệ thống điều hòa áp suất giảm xuống dưới 400 (mm), thì chế độ EP (Emergency Protection) sẽ được kích hoạt tự động. Do đó, lò sẽ bị dập sau khi đã được phục hồi một thời gian.
Hình 4.9. Thông báo dập lò vì mực nước bình điều áp quá thấp
Sau khi khảo sát, chúng tôi chọn giá trị 14,75 (g/kg) để làm số liệu chuẩn để thực hiện các bước tiếp theo, và sự ổn định của lò khi chọn giá trị boron khác bơm vào mạch chính sẽ được trình bày ở phần phân tích và đánh giá kết quả.
Hình 4.10. Đồ thị biểu diễn mực nước trong bình điều áp ở nồng độ boron 14,75 (g/kg) theo thời gian
28
Sau khi nồng độ boron bơm vào mạch chính đạt giá trị 14,75 (g/kg), chúng tôi tiến hành đóng máy bơm boron (TB10D02), khóa các van TB10S17, TB10S26, TB10S24 để boron từ bồn dự trữ boron TB10B10 không còn đi vào mạch chính (1C). Đồng thời, chúng tôi thiết lập lại thời gian của lò phản ứng bằng với thời gian thực, tức là chúng tôi thiết lập Set scale = 1. Tại mốc thời điểm 18.360 giây (khoảng 5 giờ 6 phút), chúng tôi dừng máy bơm boron.
4.1.2.4. Rút các nhóm thanh điều khiển lên để hồi phục công suất
Đầu tiên, chúng tôi phải loại bỏ tất cả các tín hiệu cảnh báo trong trang thông báo và hiển thị sự số bằng cách nhấn nút “Deblocking”, đặc biệt phải nhấn nút “EP Deblock” để có thể thay đổi vị trí các nhóm thanh nhiên liệu.
Vào trang điều khiển độ phản ứng (CPS), rút các nhóm thanh điều khiển khỏi lõi lò (bắt đầu từ 1 đến 9). Cho phép nhóm 10 thâm nhập vào lõi với chiều cao ngoài lò là 60-75% [8].
29
Cách rút các nhóm thanh điều khiển ra khỏi lò phản ứng [8]:
- Vào trang thông báo và hiển thị sự cố, đảm bảo rằng các tín hiệu trong trang (TAB) đã được “deblock”, công việc này cho phép thay đổi vị trí thanh điều khiển.
- Vào trang điều khiển độ phả ứng (CPS), chọn nhóm thanh điều khiển cần rút trong ngân hàng thanh điều khiển “2 GGP KEY” bằng cách nhấp chuột vào nhóm đó. Sau khi được chọn, đèn đỏ phía dưới nhóm thanh đó sẽ sáng lên.
- Để rút nhóm thanh điều khiển đã chọn, chúng tôi dùng khóa “GROUP” và vặn khóa sao cho đèn đỏ của khóa “GROUP” sáng lên, trong khi đèn đỏ này đang sáng, tức là thanh đang được rút ra. Chúng tôi có thể theo dõi vị trí của thanh bằng cách sử dụng bảng “CR GROUPS STATE” hoặc có thể xem ở ô “2 GGP”. Như đã nói ở phần bơm boron, mục đích của việc rút thanh nhiên liệu là để phục vụ cho mục đích phục hồi công suất lò phản ứng.
30
4.1.2.5. Pha loãng boron trong mạch chính
Để pha loãng boron trong mạch chính, đầu tiên chúng tôi vào trang hệ thống thổi bù (TK), mở các van TK70S11, TK70S14 để nước tinh khiết có thể chảy từ bồn TK70B01 sang mạch chính (1C) [8]. Việc bơm nước tinh khiết vào mạch chính khác việc bơm boron ở chỗ là không cần bật bất kì một máy bơm nào. Bồn nước tinh khiết trong lò WWER-1000 được thiết kế đủ cao, sao cho chỉ cần mở các van trên đường dẫn nước tinh khiết, thì nước tinh khiết sẽ tự chảy vào trong mạch chính. Vậy ở mốc thời gian 20.900 giây (khoảng 5 giờ 45 phút) chúng tôi bắt đầu pha loãng boron trong mạch chính.
Hình 4.13. Pha loãng boron trong mạch chính
Lưu ý: Để duy trì lưu lượng dòng nước tinh khiết vào mạch chính, chúng tôi phải giữ cho van TK80S01 mở (phần này đã được giả thích rõ trong phần boron vào mạch chính). Quan sát trong ô TV30Q01, chúng tôi thấy nồng độ boron bắt đầu giảm nhưng rất chậm. Để tiết kiệm thời gian, chúng tôi thiết lập thời gian nhanh cho trình mô phỏng bằng cách thiết lập Set scale bằng 10. Sau khi thiết lập thời gian nhanh, chúng tôi dễ dàng quan sát sự suy giảm của nồng độ boron trong mạch chính.
31
Tiếp theo, chúng tôi quay trở về trang điều khiển độ phản ứng (CPS), đợi cho đến khi công suất lò đạt từ 35%-40% thì chúng tôi quay trở về trang hệ thống thổi bù (TK), khóa các van TK70S11, TK70S14 để nước tinh khiết từ bồn TK70B01 không tiếp tục pha loãng boron trong mạch chính [8]. Vậy ở thời điểm 102.620 giây (28 giờ 30 phút) chúng tôi dừng pha loãng boron. Sau đó, chúng tôi lại quay trở về trang CPS chọn chế độ ACP (Automatic control power) để nhóm thanh số 10 điều khiển công suất lò phản ứng quanh giá trị 35%-40%. Lưu ý việc thiết lập lại thời gian thực, cho Set Scale bằng 1.
32
4.1.2.6. Điều chỉnh van xả hơi nước chính lần 2
Để thực hiện thao tác này, chúng tôi vào trang mô phỏng mạch thứ cấp (2C), để cung cấp hơi nước đến tua-bin, chúng tôi thiết lập chế độ auto cho van điều chỉnh hơi nước tua-bin (RA11S03) [8].
Bên cạnh đó chúng tôi thiết lập chế độ điều chỉnh bằng tay (rem mod - manual) cho van nối tắt tua-bin (Turbine bypass valves)-RC11S01 và đóng nó lại, làm tương tự với các van RC12S01, RC11S02, RC12S02 [8].
Chuyển van xả hơi nước chính (Main steam release valves - MSRV) chế độ “P mode” lúc ban đầu, rồi lại chuyển các van nối tắt tua-bin trở về trạng thái auto. Bây giờ, các van nối tắt tua-bin sẽ hoạt động như là các van an toàn cho ống góp hơi chính (Main steam header - MSH) [8]. Vì khi lượng hơi dư thừa sau khi đã đủ cung cấp cho tua-bin, sẽ được đưa qua các van đó đến thẳng bồn ngưng tụ, tránh việc gia tăng áp suất gây nguy hiểm có ống góp hơi chính (MSH).
33
4.1.2.7. Trở về trạng thái ban đầu (đạt công suất 100%)
Quay trở về trang điều khiển độ phản ứng (CPS), tắt chế độ ACP (Automactic control power) để thanh số 10 không còn duy trì công suất lò ở khoảng 35%-40%. Tiếp đó, nếu độ phản ứng chưa đủ làm công suất lò tăng thêm thì chúng tôi tiếp tục pha loãng boron bằng hệ thống thổi bù (TK), còn nếu không thì chúng tôi bỏ qua bước pha loãng boron.
Lưu ý: Khi công suất đạt đến 100%, chúng tôi phải chọn chế độ ACP (Automatic control power) ngay lập tức để lò phản ứng duy trì công suất này. Nếu không chọn chế độ ACP kịp thời, khi công suất lò vượt quá giá trị “Set point” (mặc định là 107% công suất lò, giá trị này người dùng có thể tùy chỉnh trong trang CPS) của lò phản ứng, chế độ EP (Emergency protection) sẽ được kích hoạt, và lò phản ứng sẽ bị dập khẩn cấp. Nếu chưa đủ kinh nghiệm trọng việc vận hành phần mềm, thì người dùng nên thiết lập chế độ thời gian chậm (Set scale = 0.1) cho lò phản ứng khi công suất lò đang tăng từ 95%-100% để thuận tiện trong việc xử lý.
Đến đây, tại thời điểm 107.300 giây (29 giờ 48 phút) chúng tôi đã hoàn tất việc