7. Cấu trúc luận văn
4.3. Phân tích sự cố SB–LOCA
Sự cố SB-LOCA thuộc loại thứ 3 và 4 trong Tiêu chuẩn về thiết kế hệ thống sinh hơi nƣớc bằng phản ứng hạt nhân (NSSS). Do có tần suất xuất hiện cao hơn. Do vậy sự cố SB-LOCA đã đƣợc lựa chọn để phân tích. Với giả định rằng hệ thống bơm áp suất cao (HPI) trong hệ thống cấp nƣớc khẩn cấp ECCS bị hỏng hoàn toàn.
Để khảo sát các đặc trƣng chuyển tiếp của sự cố SB-LOCA và ảnh hƣởng của các yếu tố khác nhau lên các đặc trƣng chuyển tiếp, các bài toán sau đã đƣợc khảo sát:
Khảo sát các đặc trưng chuyển tiếp trong sự cố SB–LOCA: Bài toán
này ta đi khảo sát các đặc trƣng chuyển tiếp trong sự cố SB–LOCA vơi vết nứt 3% (6 inch ) trên kênh lạnh giữa bơm vòng sơ cấp và thùng lò, trên hình vẽ mô hình hóa vết nứt này xảy ra tại card 212. Kích thƣớc vết nứt nằm trong khoảng kích thƣớc vết nứt gây ra hậu quả nghiêm trọng trong việc làm mát vùng hoạt. Vị trí vết nứt nằm trên kênh lạnh, ở giữa bơm vòng sơ cấp và thùng lò chính vì vậy khi xảy ra sự cố thì một phần nƣớc ở hệ thống ECCS sẽ chảy ra ngoài vết nứt, chính vì vậy mà thời gian nƣớc đƣợc đƣa vào làm mát vùng hoạt bị hạn chế. Nguy cơ vùng hoạt bị phơi trần rất cao.
Khảo sát ảnh hưởng của kích thước vết nứt lên đặc trưng chuyển
tiếp trong sự cố SB–LOCA: Khảo sát các đặc trƣng chuyển tiếp với kích thƣớc vết
nứt là 2%, 3%, 5%, 10%, trên kênh lạnh giữa bơm vòng sơ cấp và thùng lò. Trong hai trƣờng hợp:
- Xả áp vòng 2
- Không xả áp vòng 2
Khảo sát ảnh hưởng của hệ thống cấp nước phụ ở vòng 2 (AFW)
lên các đặc trưng chuyển tiếp trong sự cố SB–LOCA: Hệ thống cấp nƣớc phụ
AFW đƣợc chạy bằng dầu Diezel với thời gian đề ba mặc định là 14 sec sau khi có tín hiệu dập lò đƣợc phát động. trong phần này ta khảo sát ảnh hƣởng của hệ thống cấp nƣớc phụ AFW lên đặc trƣng chuyển tiếp trong sự cố SB–LOCA với các khoảng thời gian trễ để khởi động là:
74
- Sau 14 giây
- Sau 300 giây
- Sau 1800 giây
4.3.1. Khảo sát các đặc trƣng chuyển tiếp trong sự cố SB–LOCA.
Trong phần này, ta đi phân tích sự cố SB–LOCA cho vết nứt 3%. Bằng cách phân tích về đƣờng cong áp suất, mực nƣớc trong thùng lò, nhiệt độ vỏ nhiên liệu qua các pha xảy ra trong quá trình chuyển tiếp, các hiện tƣợng vật lý xảy ra trong sự cố SB–LOCA.
Hình 4.5: Biểu đồ mô tả đường cong áp suất, mực nước, nhiệt độ
trong sự cố sự cố SB–LOCA với vết nứt 3 %.
Khi sự cố SB–LOCA xảy ra áp suất, mực nƣớc trong vùng hoạt, nhiệt độ lớp
vỏ thanh nhiên liệu tại các thời điểm đƣợc mô tả trên hình 4.5. Trong hình trên ta
thấy rằng:
- Từ thời điểm 0s -> 45 s: Khi bắt đầu xảy ra sự cố tín hiệu dập lò Scram
đƣợc khởi phát , áp suất trong thùng lò giảm nhanh từ 15.6 Mpa xuống 8 Mpa. Áp suất của vòng sơ cấp giảm trong khi đó áp suất của của vòng thứ cấp tăng (hình 4.6). Do sự thất thoát nƣớc làm mát ra khỏi vết nứt làm cho áp suất của thùng lò giảm xuống nhanh chóng. Lúc này mực nƣớc trong thùng lò cũng giảm nhanh
75
xuống còn 10 m, tại thời điểm này vùng hoạt vẫn đƣợc ngập trong nƣớc làm mát, trong khoảng thời gian này pha lỏng vẫn chiếm ƣu thế. Vào khoảng thời gian này các tín hiệu khởi phát hệ thống cấp nƣớc khẩn cấp ECCS vẫn chƣa hoạt động bởi vì chƣa đạt đến ngƣỡng dƣới áp suất khởi phát của hệ thống này (hình 4.7). Lƣu lƣợng nƣớc thoát ra ngoài vết nứt cũng tăng mạnh do sự chênh lệch áp suất giữa vòng sơ cấp và bên ngoài (hình 4.8).
Hình 4.6. Áp suất vòng sơ cấp và thứ cấp.
76
Hình 4.8. Lưu lượng nước thoát ra ngoài qua vết nứt.
Hình 4.9. Lưu lượng nước qua bơm LPI
- Tại giây thứ 45s -> 400s: Áp suất vòng sơ cấp giảm từ 8 Mpa xuống còn 6 Mpa, lúc này áp suất vòng thứ cấp cũng giảm, mực nƣớc trong thùng lò cũng giảm mạnh xuống còn khoảng 5m, nhiệt độ của vỏ nhiên liệu vào khoảng 540 K, vùng hoạt bắt đầ bị phơi trần một phần, mặc dù đã dập lò nhƣng nhiệt dƣ vẫn còn trong vùng hoạt, chính lƣợng nhiệt dƣ này làm cho nƣớc bị bốc hơi nhanh chóng và làm
77
cho phần nƣớc bao bọc vùng hoạt giảm xuống, thời điểm này là thời điểm chƣa đến ngƣỡng kích hoạt hệ thống cấp nƣớc từ ECCS (với giả thiết ban đầu các bơm áp
suất cao hỏng hoàn toàn) (hình 4.7). Lƣu lƣợng nƣớc thoát ra ngoài vết nứt giảm do
sự chênh lệch áp suất giữa vòng sơ cấp và bên ngoài giảm. Lúc này dòng hai pha chiếm ƣu thế, sự hóa hơi của nƣớc làm mát liên tục đƣợc tạo ra do lƣợng nhiệt dƣ thừa không đƣợc tải đi, lúc này áp suất vòng sơ cấp và thứ cấp bằng nhau (hình 4.6). Tại giây thứ 335s sau khi xảy ra sự cố do hiệu ứng Loop seal đã ngăn cản sự cân bằng áp suất giữa vòng sơ cấp và thứ cấp, chính sự mất cân bằng áp suât này đã là cho nƣớc trong vùng hoạt bị đẩy ra ngoài vùng hoạt và mức nƣớc trong vùng hoạt bị giảm xuống đột ngột. Chính sự mất cân băng áp suất này còn đƣợc nhận thấy
trong hình 4.8 , mức nƣớc thoát ra ngoài vết nứt đột ngột tăng mạnh do sự chênh
lệch áp suất giữa vòng sơ cấp và môi trƣờng bên ngoài tăng đột ngột.
- Tại giấy thứ 400s -> 580s: Áp suất vòng sơ cấp và vòng thứ cấp gần nhƣ bằng nhau (hình 5.2), tại thời điểm này áp suất vẫn lớn hơn ngƣỡng dƣới khởi phát hệ thống cấp nƣớc từ ACC (hình 4.6). Trong giai đoạn này mực nƣớc trong thùng là giảm xuống còn 3.4m, lúc này nhiệt độ của vỏ thanh nhiên liệu tăng từ 550K lên 770K và cũng tiếp tục tăng. Lƣu lƣợng nƣớc thoát ra ngoài vết nứt giảm dần. Trong giai đoạn này đối lƣu tự nhiên chiếm ƣu thế, một phần hơi nƣớc đi qua kênh nóng lên phía bên này của ống hình chữ U ngƣợc của steam generator, hơi nóng này đƣợc ngƣng tụ do sự trao đổi nhiệt với bên ngoài và tạo ra dòng ngƣợc chảy ngƣợc qua kênh nóng xuống vùng hoạt, chính vì vậy mà mức nƣớc trong vùng hoạt tăng lên.
- Tại giây thứ 580s -> 1496s: Áp suất vòng sơ cấp giảm xuống khoảng 2Mpa, giai đoạn này nằm trong ngƣỡng khởi phát của ACC, lúc này ACC bắt đầu xả nƣớc đổ vào thùng lò làm mức nƣớc trong thùng lò tăng lên 4.1m. Do lƣợng nƣớc trong ACC ít nên chỉ làm nguội đi một phần nào nhiệt độ trong thùng lò, tại các đỉnh nhiệt độ (hình 4.5) là các thời điểm áp suất vòng so cấp giảm và áp suất vòng thứ cấp tăng.
78
Tại giây thứ 1496s ->3000s: Áp suất vòng sơ cấp và vòng thứ cấp gần nhƣ bằng nhau, nƣớc trong ACC đƣợc xả hết vào thùng lò, đây cũng là thời điểm áp suất đạt ngƣỡng dƣới khởi phát hệ thống bơm áp suất thấp (LPI), do lƣu lƣợng nƣớc từu bơm LPI lớn nên mức nƣớc trong thùng lò tăng lên 5.8m, phần vùng hoạt đƣợc làm lúc này đƣợc làm ngập hoàn toàn, nhiệt độ vỏ thanh nhiên liệu giảm xuống 486 K, lúc này lƣu lƣợng nƣớc thoát ra ngoài vết nứt giảm. kết thúc giai đoạn Reflux. Vùng hoạt đƣợc làm ngập hoàn toàn trong nƣớc làm mát.
4.3.2. Khảo sát ảnh hƣởng của kích thƣớc vết nứt lên đặc trƣng chuyển tiếp trong sự cố SB–LOCA.
+) Trong trường hợp không xả áp vòng 2:
Hình 5.6 chỉ ra suy giảm áp suất trong quá trình chuyển tiếp khi có sự cố SB–LOCA với các kích thƣớc vết nứt khác nhau. Trên hình vẽ ta nhận thấy, khi kích thƣớc vết nứt càng lớn thì sự suy giảm của áp suất càng nhanh và khi đó các hệ thống cấp cứu khẩn cấp càng đƣợc kích hoạt sớm, khi đó nguy cơ vùng hoạt bị phơi trần càng thấp.
79
Hình 4.11. Nước thoát ra ngoài vết nứt với các kích thước vết nứt khác nhau.
80
Hình 4.13. Tốc độ dòng qua bơm áp suất thấp theo kích thước các vết nứt
Hình 4.11 chỉ ra tốc độ nƣớc thoát ra ngoài vết nứt với các kích thƣớc khác nhau, ta nhận thấy rằng với các vết nứt càng lớn, nƣớc thoát ra ngoài vết nứt càng cao, do sự suy giảm áp suất càng nhanh với vết nứt có kích thƣớc 10% nên độ chênh lệch áp suất giữa vòng sơ cấp và áp suất vòng thứ cấp càng cao chính vì vậy tốc độ dòng thoát ra ngoài vết nứt cao với vết nứt lớn. Với các vết nứt nhỏ hơn, do sự suy giảm của đƣờng cong áp suất vòng sơ cấp chậm (hình 4.10) nên sự chênh lệch về áp suất theo kích thƣớc vết nứt của vòng sơ cấp với bên ngoài cũng giảm theo kích thƣớc vết nứt, do vậy tốc độ dòng ra ngoài vết nứt cũng giảm theo kích thƣớc vết nứt. Trong hình 4.12 và hình 4.13 chỉ ra sự suy giảm mực nƣớc trong ACC và tốc độ dòng qua bơm LPI, ta cũng thấy rằng với vết nứt có kích thƣớc vết nứt càng lớn thì thời gian khởi phát hệ thống cấp nƣớc khẩn cấp từ hệ thống ECCS càng sớm, và vùng hoạt càng đƣợc bao bọc trong nƣớc làm mát sớm hơn.
81
Hình 4.14. Mức nước trong thùng lò với các vết nứt có kích thước khác nhau.
Hình 4.15. Nhiệt độ của vỏ thanh nhiên liệu với các vết nứt có kích thước khác
nhau.
Hình 4.14 ta nhận thấy mực nƣớc trong thùng lò giảm xuống chậm tùy theo kích thƣớc vết nứt, vết nứt càng lớn thì mực nƣớc trong thùng lò càng giảm nhanh hơn. Mực nƣớc trong thùng lò giảm nhanh cũng do lƣợng nƣớc thoát ra ngoài vết nứt nhiều hay ít (hình 4.11) và cũng do áp suất vòng sơ cấp giảm nhanh hay chậm (hình 4.10). Do áp suất giảm chậm với các vết nứt có kích thƣớc nhỏ, lƣu lƣợng nƣớc thoát ra ngoài vết nứt chậm hơn, vì áp suất giảm chậm nên các tín hiệu khởi phát hệ thống cấp nƣớc khẩn cấp ECCS càng lâu, lƣợng nƣớc từ ACC và bơm LPI
82
chƣa đạt đến ngƣỡng kích hoạt nên chƣa có nƣớc đƣợc cấp vào thùng lò chính vì vậy mà vùng hoạt bị phơi trần một phần trong khoảng thời gian lâu hơn (hình 4.14), chính vì vậy mà với các vết nứt có kích thƣớc càng nhỏ nhiệt độ lớp vỏ thanh nhiên liệu càng tăng cao (hình 4.15). Qua hình 4.15 ta cũng nhận thấy rằng mức độ nguy hiểm của sự cố SB–LOCA với vết nứt có kích thƣớc càng nhỏ thì mức độ nghiêm trọng cho vùng hoạt và các hệ thống, thiết bị trong thùng lò càng cao.
+) Trong trường hợp có xả áp vòng 2:
Trong phần này ta đi nghiên cứu các đặc trƣng chuyển tiếp trong sự cố SB–LOCA có vết nứt với các kích thƣớc 2%, khi ta tiến hành xả áp vòng 2 nhằm giảm nhẹ hậu quả của sự cố.
Hình 4.16. Đường suy giảm áp suất vòng sơ cấp trong sự cố SB–LOCA với vết nứt
83
Hình 4.17. Mực nước trong thùng lò trong sự cố SB–LOCA với vết nứt có kích
thước 2% (4 inch).
Hình 4.18. Đường cong nhiệt độ vỏ thanh nhiên liệu trong sự cố SB–LOCA với vết
nứt 2 % (4 inch).
Khi ta tiến hành xả áp vòng thứ cấp, thì khi đó áp suất vòng thứ cấp sẽ nhỏ hơn áp suất vòng sơ cấp (hình 4.16) vì vậy mà vòng thứ cấp luôn mát hơn vòng sơ cấp và lƣợng nhiệt trong vòng sơ cấp đƣợc truyền tải nhanh hơn sang vòng thứ cấp. Lúc này do áp suất vòng sơ cấp khi đã xả áp nên mức nƣớc trong thùng lò cũng thấp hơn mức nƣớc trong trƣờng hợp không xả áp (hình 4.17), khi đó nƣớc bị bay hơi nhiều hơn lƣợng hơi nƣớc này một phần nào cũng tải đi lƣợng nhiệt trong thùng lò
84
và làm cho nhiệt độ trong thùng lò thấp hơn so với nhiệt độ trong thùng lò khi ta chƣa tiến hành xả áp vòng thứ cấp (hình 4.18). Lúc này do áp suất vòng sơ cấp giảm nhanh hơn nên tín hiệu khởi phát hệ thống cấp nƣớc khẩn cấp từ ACC sớm hơn (hình 4.19)
Hình 4.19. Mức nước trong ACC trong sự cố SB–LOCA với vết nứt có kích
thước 2 %.
Hình 4.20. Tốc độ dòng của bơm LPI trong sự cố SB–LOCA với vết nứt 2%.
Khi đó tín hiệu khởi phát hệ thống cấp nƣớc từ bơm áp suất thấp (LPI) sớm hơn (hình 4.20) chính vì vậy mà vùng hoạt đƣợc làm ngập nhanh hơn trong trƣờng hợp xả áp vòng thứ cấp so với trƣờng hợp không xả áp vòng thứ cấp (hình 4.17).
85
4.3.3. Khảo sát ảnh hƣởng của bơm cấp nƣớc phụ (AFW) ở vòng thứ cấp lên các đặc trƣng chuyển tiếp trong sự cố SB–LOCA.
Trong bài toán này, ta biết rằng hệ thống cấp nƣớc phụ AFW ở vòng thứ cấp đƣợc chạy bằng dầu Diezel với khoảng thời gian khởi động là 14 sec (tùy theo thiết kế), nhƣng ở đây ta giả thiết rằng do những nguyên nhân nào đó mà hệ thống này không đƣợc khởi động nhƣ thiết kế, việc khởi động hệ thống này có thể tại thời điểm 300 sec hoặc lâu hơn nữa là 1800 sec sau khi có sự cố xảy. Vậy việc khởi động trễ hệ thống AFW có làm ảnh hƣởng lên các đặc trƣng chuyển tiếp trong sự cố SB–LOCA hay không?
Để giải đáp lời thắc mắc này ta hãy cùng đi khảo sát ảnh hƣởng của việc khởi động trễ hệ thống AFW lên các đặc trƣng chuyển tiếp trong sự cố SB–LOCA.
Hình 4.21. Áp suất vòng sơ cấp trong trường hợp khởi động trễ AFW
Nhìn vào hình 4.21 ta nhận thấy khi thời gian khởi phát hệ thống AFW càng trễ thì khả năng áp suất vòng sơ cấp tăng trở lại càng cao, nhƣ vậy đồng nghĩa với việc hỗn hợp nƣớc và hơi nƣớc thoát ra ngoài qua vết nứt càng lớn (hình 4.22).
86
Hình 4.22. Lưu lượng hơi và nước qua vết nứt trong trường hợp khởi động trễ AFW
Khi đó, hệ thống cấp nƣớc khẩn cấp ECCS đƣợc khởi phát chậm hơn, thời điểm nƣớc trong bình ACC xả vào thùng lò sẽ trễ hơn. (hình 4. 23).
87
Hình 4.24. Mực nước trong thùng lò trong trường hợp khởi động trễ AFW
Hình 4.25. Nhiệt độ vỏ nhiên liệu trong trường hợp khởi động trễ AFW
Khi áp suất có xu hƣớng tăng trở lại và giảm chậm hơn luôn cao hơn ngƣỡng khởi phát hệ thống cấp nƣớc khẩn cấp ECCS sẽ kéo theo vùng hoạt bị phơi trần trong thời gian lâu hơn (hình 4.24) chính vì thế mà nhiệt độ của vỏ thanh nhiên liệu càng tăng cao khi ta khởi phát hệ thống AFW trễ (hình 4.25). Ở hình 4.25 ta nhận thấy do một số nguyên nhân nào đó đã làm cho hệ thống AFW khởi động trễ lên đến 1800 sec (30 phút) thì khi đó vùng hoạt sẽ bị tan chảy hoàn toàn trƣớc khi vùng hoạt đƣợc làm ngập trở lại (hình 4.24), việc khởi động hệ thống cấp nƣớc phụ ở
88
vòng thứ cấp càng sớm bao nhiêu thì thời gian vùng hoạt bị phơi trần càng ít, áp suất có xu hƣớng giảm nhanh xuống đến ngƣỡng khởi phát hệ thống cấp nƣớc khẩn cấp ECCS nên vùng hoạt sẽ đƣợc bao bọc trong nƣớc nhanh hơn, khi đó nguy cơ vùng hoạt bị tan chảy thấp.
89
KẾT LUẬN
Sự cố SB–LOCA thuộc loại sự cố có thể gây hậu quả nghiêm trọng có xác suất xuất hiện đủ lớn đòi hỏi phải đƣợc xem xét trong phân tích an toàn nhà máy điện hạt nhân. Hậu quả của sự cố phụ thuộc vào kích thƣớc của vết nứt, vị trí nứt và hoạt động của các bơm trong vòng sơ cấp, bơm cấp nƣớc phụ (AFW) vòng thứ cấp và việc xả áp vòng thứ cấp.
Luận văn này đã nghiên cứu ảnh hƣởng của một vết nứt điển hình 3%, mô tả