7. Cấu trúc luận văn
3.1. Tổng quan về chương trình RELAP5
32 Với 2 sin 2 c c V g z E H g J g J q’’: thông lƣợng nhiệt. q’’’: tỷ lệ theo thể tích nhiệt. p’: chu vi.
J: cơ học tƣơng đƣơng với năng lƣợng nhiệt. - Mô hình hai chất lỏng
Mô hình hai chất lỏng là những nỗ lực để cung cấp một mô tả hợp lý đầy đủ và chính xác về dòng chảy của một hỗn hợp của các giai đoạn khác nhau của một hoặc nhiều thành phần mà không đi đến cùng cực thƣờng không thực tế của việc theo dõi mặt tách khối lƣợng bị chiếm đóng bởi các giai đoạn khác nhau. Các mô hình này có thể cho phép sự khác biệt đáng kể giữa tốc độ và nhiệt độ của khí và chất lỏng (xuất phát từ dòng đồng nhất và rời khỏi trạng thái cân bằng nhiệt động lực học) có thể xuất hiện trong quá trình chuyển tiếp các dòng nƣớc nóng. Mô hình thuộc loại này đƣợc dựa trên việc sử dụng các phƣơng trình bảo toàn riêng biệt cho pha hơi và pha lỏng. Mô hình bảo toàn với 3 phƣơng trình dẫn đến từ việc tính xấp xỷ một chất lỏng đƣợc thay thế bằng mô hình sáu phƣơng trình.
Đơn giản nhất của mô hình hai chất lỏng. bằng việc xác định hai tham số
1, 2
.
1 , 2 1
Các phƣơng trình bảo toàn cho từng giai đoạn sau đó có thể đƣợc viết với hình thức giống hệt nhau. Nếu đơn vị SI đƣợc sử dụng, chúng ta có:
' i i i i i i V t z i=1,2…. (3.2) 2 i i i i i i i zi V V P M t z z i=1,2…… (3.3) i i i i i i i i i i i E V E P E t z t z i=1,2…… (3.4) ở đây:
33
i
E : tổng mật độ năng lƣợng nội tại.
'i
: tỷ lệ giai đoạn chuyển pha thứ i’
zi
M : tỷ lệ truyền động lƣợng tại pha thứ i’
i
V : tỷ lệ truyền năng lƣợng tại pha thứ i’
i
U : năng lƣợng mặt.
- Mô hình bốn phƣơng trình:
Một số vấn đề và thời gian tính toán tƣơng đối dài kết hợp với mô hình hai chất lỏng đã dẫn một số điều tra viên sử dụng một mô hình đơn giản là mô hình bốn phƣơng trình bảo toàn. Trong các phƣơng pháp tiếp cận rộng rãi nhất, phƣơng trình vi phân cho khối lƣợng, năng lƣợng và bảo toàn động lƣợng đƣợc kết hợp với một phƣơng trình mô tả sự phụ thuộc vào thời gian hành vi của sự khác biệt pha vận tốc. Trong cái gọi là “mô hình trƣợt cơ học”, các phƣơng rình mô tả sự khác biệt vận tốc phụ thuộc vào thời gian (phƣơng trình cơ học trƣợt) thu đƣợc bằng cách trừ đi các công thức phù hợp với các phƣơng trình chất lỏng và hơi để có đƣợc một phƣơng trình duy nhất. phƣơng trình này sau đó đƣợc giả quyết cho đạo hàm vận tốc trƣợt. chúng ta có: 2 1 1 2 1 2 1 2 1 1 1 ' gl i i gl gl gl g l g g g l l l g g l l g l l g l g l g g l g l V M P A B V V V A B V A B V V V V V V V t z z z (3.5)
- Tác động của bơm đối với dòng hai pha.
Hai pha chất lỏng trong một máy bơm ly tâm dẫn đến sự xuống cấp đáng kể về hiệu suất trên một phạm vi rộng của các phần lỗ trống. Hai phƣơng pháp tiếp cận khác nhau để sử lý vấn đề này. Trong một cách tiếp cận, một mô hình phân tích đƣợc sử dụng để dự đoán hai pha trong bơm, từ việc thực hiện dòng đơn pha. Hằng số mô hình đƣợc điều chỉnh phù hợp cũng nhƣ có thể cho số liệu thực nghiệm. Do sự phức tạp của vấn đề, phƣơng pháp này chỉ đúng cho mức độ trung bình. Một mô hình khác nữa là sử dụng các đƣờng cong về thực nghiệm và các tính toán mô phỏng của hai code RELAP và TRAC. Sử dụng các phƣơng pháp nội suy tuyến tính
34
thì mô hình này đã cho những kết quả khả quan khi dòng hai pha đi vào bơm ly tâm.
Với những mô hình trên đây ta chỉ đi mô tả một cách ngắn gọn thời điểm xuất hiện dòng hai pha nhƣ sau: Do sự thất thoát nƣớc làm mát qua vết rách nên mực nƣớc trong thùng lò giảm xuống, lúc này lƣợng nƣớc mất chƣa đƣợc bù đắp từ lƣợng nƣớc của các hệ thống cấp nƣớc khẩn cấp còn lại vì áp suất trong thùng lò vẫn ở trên ngƣỡng khởi phát tín hiệu của hệ thống cấp nƣớc khẩn cấp còn lại. Nƣớc trong vùng hoạt bắt đấu sôi mạnh và pha hơi bắt đầu xuất hiện trong thùng lò. Khi đó áp suất giảm còn khoảng 6 Mpa. Trong gia đoạn này dòng hai pha chiếm ƣu thế. Dòng hai pha bao gồm pha hơi và pha lỏng.
Hình 2.2: Hình vẽ mô tả dòng hai pha
2.2.3. Đối lƣu tự nhiên:
Đối lƣu tự nhiên của trao đổi nhiệt liên quan đến dòng nhiệt cùng với truyền nhiệt và khuếch tán, nói chung đƣợc chia thành hai quá trình cơ bản. Nếu chuyển động của chất lỏng phát sinh từ tác nhân bên ngoài, ví dụ nhƣ gió, quat gió.. hoặc chuyển động các các đối tƣợng nhiệt, trong đó áp suất để điều khiển dòng chảy, quá trình này đƣợc gọi là đối lƣu. Mặt khác không có dòng chảy gây ra bên ngoài tồn tại và dòng chảy phát sinh “tự nhiên ” từ sự tác động của khác biệt mật độ là kết quả từ sự khác biệt về nhiệt độ và nồng độ trong một trƣờng lực chẳng hạn nhƣ trọng lực, do dòng chảy tạo ra. Làm mát các cơ qua gia nhiệt trong môi trƣờng xung quanh tạo ra một dòng chảy trong môi trƣờng xung quanh nó. Dòng chảy có xu hƣớng làm tăng phát sinh nhiệt và vật liệu đƣợc loại bỏ ra môi trƣờng xung quanh, tuần hoàn
35
dòng chảy thúc đẩy bởi sự khác biệt nhiệt độ và độ mặn trong các đại dƣơng và dòng chảy đƣợc hình thành hỏa hoạn là những ví dụ khác nhau của đối lƣu tự nhiên. Lƣu thông tự nhiên xảy ra trong vòng lặp chính của lò PWR (trong trƣờng hợp lƣu lƣợng nƣớc không đƣợc bơm vào) bất cứ khi nào các lực nổi gây ra sự khác biệt trong mật độ chất lỏng trong vòng lặp đủ để vƣợt qua sự cản trở dòng chảy của các thành phần vòng lặp (steam generator, của bơm làm mát chính..). các chất lỏng khác nhau về mật độ xảy ra nhƣ là kết quả của việc làm nóng nó trong vùng hoạt và các chất lỏng đƣợc làm mát trong các Steam generator. Chính sự khác nhau về mật độ chất lỏng đã gây ra sự chuyển dịch qua các vòng sơ cấp, nhằm loại bỏ nhiệt từ vùng hoạt dễ dàng hơn. Tùy thuộc vào chất lỏng ở vòng sơ cấp, lƣu thông tự nhiên bao gồm ba chế độ làm mát khác nhau:
- Dòng đơn pha
- Dòng hai pha
- Reflux condensation
Tiến trình từ phƣơng thức dòng đơn pha sang dòng hai pha và phƣơng thức ngƣng tụ lƣu hồi xảy ra làm giảm lƣu lƣợng chất lỏng lỏng trong vòng sơ cấp. Đối lƣu tự nhiên của dòng chảy trong lò PWR đƣợc định hƣớng bởi độ dốc nhiệt độ mật độ cảm ứng, đƣợc tăng cƣờng bởi sự khác biệt nhiệt độ cao ở trung tâm giữa nóng (vùng hoạt) và lạnh (steam generator) ở các khu vực trong vòng sơ cấp. Độ dốc mật độ này tạo ra một hiệu hứng nổi làm xuất hiện tuần hoàn tự nhiên. Vì vậy, dòng đơn pha trong tuần hoàn tự nhiên có chất lỏng ban đầu quá lạnh chủ yếu bị thúc đẩy bởi sự khác biệt mật độ chất lỏng trong vòng sơ cấp. Dòng hai pha trong tuần hoàn tự nhiên thƣờng đƣợc xác định là dòng chảy liên tục của chất lỏng và hơi. Trong chế độ tuần hoàn tự nhiên, hơi nƣớc đƣợc tạo ra trong lõi và đi vào chân nóng và chảy cùng với chất lỏng bão hòa của steam generator nơi mà có ít nhất một số hơi nƣớc đƣợc ngƣng tụ. Do đó, độ dốc mật độ bị ảnh hƣởng trong chế độ hai pha không chỉ bởi sự khác biệt về nhiệt độ, mà còn chủ yếu do khoảng trống trong vòng sơ cấp. Trong cả hai giai đoạn tuần hoàn tự nhiên đơn pha và hai pha, tốc độ dòng chảy tham số nhiệt động quan trọng nhất đƣợc gỡ bỏ. Ngƣợc lại, trong suốt quá trình lƣu
36
hồi ngƣng tụ, đơn pha là pha hơi tạo ra trong lõi chảy qua các chân nóng và đƣợc ngƣng tụ trong các steam generator và dòng chảy quay trở lại vùng hoạt là chất lỏng. Tóm lại ba mô hình tuần hoàn tự nhiên đƣợc phân biệt dựa trên hàng loạt các đặc trƣng tỷ lệ dòng chảy, sự khác biệt nhiệt trong trong vòng lặp, và sự khác biệt hiện tƣợng cơ bản.
Hình 2.3: Các mô hình làm mát của tuần hoàn tự nhiên trong lò PWR
Cơ chế truyền tải nhiệt chiếm ƣu thế trong một pha làm mát là sự đối lƣu, làm cho tốc độ dòng chảy trong vòng lặp là thông số quan trọng nhất chi phối tản nhiệt. Nhiệt đƣợc tạo ra từ vùng hoạt đƣợc chuyển đến các chân nóng của steam generator (tản nhiệt) thông qua các chất lỏng quá lạnh ban đầu. Nhiệt đƣợc truyền từ bên sơ cấp sang bên thứ cấp trong các steam generator. Chu kỳ làm mát đƣợc hoàn thành khi chất lỏng đƣợc làm lạnh dòng chảy sơ cấp trở lại tàu lò phản ứng. Lƣợng nhiệt ra khỏi vùng hoạt thông qua dòng đơn pha làm mát tuần hoàn tự nhiên là lƣợng đƣợc tạo ra bởi mức độ phân rã năng lƣợng nhiệt (khoảng 5 % lƣợng nhiệt trong vùng hoạt).
Nói chung, sự ổn định của các chế độ làm mát khác nhau của lƣu thông tự nhiên, cũng nhƣ sự ổn định quá độ giữa các chế độ là mối quan tâm bởi vì lƣu thông
37
tự nhiên sẽ là cơ chế chủ yếu loại bỏ nhiệt phân hủy trong vùng hoạt đối với một số tai nạn trong lò PWR hoặc ở trạng thái chuyển tiếp, và bất ổn trong quá trình lƣu thông tự nhiên có thể dẫn đến sự gián đoạn của dòng chảy lƣu thông tự nhiên với sự giảm tƣơng ứng có thể dẫn đến một sự gián đoạn của dòng chảy lƣu thông tự nhiên với sự giảm tƣơng ứng trong việc loại bỏ nhiệt phân hủy trong vùng hoạt. Nhƣ vậy một sự hiểu biết các yếu tố ảnh hƣởng đến sự khởi đầu không ổn định của dòng chảy cũng nhƣ ảnh hƣởng của những bất ổn về tản nhiệt nhiệt sâu là cần thiết.
Hình 2.4. Hình vẽ mô tả hiện tượng đối lưu tự nhiên.
Bên cạnh đó sự hiện diện của chất khí không ngƣng tụ cũng ảnh hƣởng đến quá trình tuần hoàn tự nhiên, sự có mặt của chất khí không ngƣng tụ bên phía sơ cấp của SGs (steam generator) hoạt động ở chế độ dòng hai pha hoặc chế độ hồi lƣu là mối quan tâm khi các khí không ngƣng tụ này có thể gây ra sự phân phối lại các địa điểm ngƣng tụ cũng nhƣ ảnh hƣởng đến lƣợng chất lỏng đang đƣợc đi xuống phía bên kia của ống chữ U. Vì vậy, khả năng tồn tại khí không ngƣng tụ có một ảnh hƣởng đáng kể đến lƣu thông tự nhiên. Sự hiện diện của khí không ngƣng tự trong vòng sơ cấp có thể cản trở, thậm chí đình trệ dòng chảy lƣu thông tự nhiên, qua đó làm giảm đáng kể hoặc chấm dứt khả năng tản nhiệt của SGs cho cả hai giai đoạn đơn pha và hai pha. Khí không ngƣng tự có thể đƣợc đƣa vào vòng sơ cấp qua các tiêm an toàn hoặc do sự xuống cấp của nhiên liệu. Ví dụ nhƣ, hydro từ hơi áp
38
suất, không khí hòa tan trong nƣớc tiếp nhiên liệu, Nito từ ACC (khi nó cạn nƣớc), một số nguồn khí không ngƣng tụ khác.
2.2.4. Giai đoạn lấp đầy lại ( refill )
Ban đầu hơi nƣớc và nƣớc từ khoang dƣới vùng hoạt và khoang lƣu hồi bị thoát ra ngoài qua vết nứt (Hình 2.5). Nƣớc lạnh hơn từ hệ thống ECCS trộn với hơi nƣớc trong kênh lạnh tạo ra các dao động do hiện tƣợng ngƣng tụ do sự tiếp xúc trực tiếp của hơi nƣớc với dòng nƣớc lạnh hơn này. Khi ở trong khoang lƣu hồi, nƣớc đƣợc bơm từ hệ thống ECCS có thể chảy xuống do trọng lực hoặc bị thổi ra ngoài qua vết nứt theo hƣớng của dòng hơi nƣớc do hiện tƣợng giới hạn dòng thuận nghịch (Hình 2.5).
Hình 2.5. Hiện tượng hóa hơi và ngưng tụ trong suốt giai đoạn giảm mực nước
Hình 2.6. Minh họa sự đi tắt của nước được bơm từ hệ thống ECCS trong 2 vòng
39
Khi nƣớc từ hệ thống ECCS tiếp xúc với các vách rất nóng trong khoang lƣu hồi, hơi nƣớc đƣợc tạo ra bởi hiện tƣợng sôi hạt nhân (Hình 2.6). Điều này làm giảm áp suất thủy tĩnh của nƣớc trong khoang lƣu hồi và khoang phía dƣới vùng hoạt.
Nƣớc từ hệ thống ECCS khi đi qua khoang lƣu hồi để xuống khoang dƣới vùng hoạt có thể bị đẩy trở lại. Sự ngƣng tụ do tiếp xúc trực tiếp của hơi nƣớc với nƣớc đƣợc bơm từ hệ thống ECCS tiếp tục xảy ra. Tốc độ suy giảm áp suất giảm khi sự chênh lệch áp suất giữa thùng lò và nhà lò giảm. Kết quả là lƣợng hơi nƣớc đƣợc sinh ra do nƣớc hóa hơi giảm. Cuối cùng, lƣợng nƣớc đƣợc đổ trong khoang dƣới vùng hoạt tăng trong khi lƣợng nƣớc chảy qua vết nứt giảm. Khoang dƣới vùng hoạt bắt đầu đƣợc lấp đầy trở lại.
Hình 2.7. Dòng thuận nghịch của nước và hơi nước
Vùng hoạt bắt đầu nóng lên chậm do dòng hơi nƣớc chảy qua vùng hoạt giảm theo sự giảm áp suất và nƣớc trong phần phía trên của khoang trên vùng hoạt hoặc bình điều áp bị rút hết. Với sự suy giảm tốc độ dòng hơi nƣớc, rất ít nƣớc đƣợc bơm từ hệ thống ECCS bị thổi tắt ra ngoài vết nứt. Hầu hết nƣớc đƣợc bơm từ hệ thống ECCS sẽ chảy vào lấp đầy khoang lƣu hồi và khoang dƣới vùng hoạt. Giai đoạn lấp đầy trở lại sẽ kết thúc khi mực nƣớc trong khoang phía dƣới chạm tới đáy của bể lò.
40
2.2.5. Giai đoạn làm ngập trở lại ( reflood )
Giai đoạn làm ngập vùng hoạt trở lại theo sau giai đoạn refill. Ở thời điểm ban đầu của giai đoạn này, vùng hoạt đƣợc lấp đầy chỉ với hơi nƣớc và lớp vỏ thanh
nhiên liệu có thể đạt tới nhiệt độ cao cỡ 10000C, nhƣng phổ biến từ 5500C đến
8000C. Khi nƣớc tải nhiệt bắt đầu làm ngập vùng hoạt trở lại, hầu nhƣ mọi dòng hai
pha có thể nhận biết đƣợc và cơ chế truyền nhiệt có thể đƣợc nhận thấy.
Vùng hoạt bắt đầu đƣợc lấp đầy sau khi khoang lƣu hồi và khoang dƣới vùng hoạt đã đƣợc lấp đầy (Hình 2.8 ). Ban đầu vùng hoạt đƣợc lấp đầy khá nhanh do khoang lƣu hồi đƣợc duy trì đầy nƣớc bởi sự bơm liên tục của hệ thống ECCS và có rất ít sự cản trở trong vòng không bị nứt do không có dòng hơi nƣớc và không có nƣớc bay hơi trong bình sinh hơi.
Do nhiệt độ cao của các thanh nhiên liệu, các cơ chế nhiệt trong vùng hoạt trong suốt giai đoạn này bao gồm toàn bộ phổ: bắt đầu với chất lỏng đơn pha, sau đó đi qua vùng hoạt với sôi hạt nhân, sôi quá độ, sôi màng, dòng hai pha nổi sóng, dòng các hạt nƣớc nhỏ phân tán và dòng hơi nƣớc đơn pha.
Hình 2.8. Sơ đồ hệ thống lò phản ứng ở cuối giai đoạn lấp đầy trở lại
và đầu giai đoạn làm ngập trở lại.
Do nhiệt độ cao của các thanh nhiên liệu, các cơ chế nhiệt trong vùng hoạt bao gồm toàn bộ phổ: bắt đầu với chất lỏng đơn pha, sau đó đi qua vùng hoạt với sôi hạt nhân, sôi quá độ, sôi màng, dòng hai pha nổi sóng, dòng các hạt nƣớc nhỏ phân tán và dòng hơi nƣớc đơn pha.
41
Hình 2.9. Các chế độ sôi
Do các giọt nƣớc va chạm với các đai của bó nhiên liệu, hiện tƣợng nhúng lạnh (tôi) ở phần đỉnh của các bó nhiên liệu và nhúng lạnh tại chỗ xuất hiện cùng với sự ngƣng đọng ở phần đáy của các bó nhiên liệu (Hình 2.10).