CHƯƠNG 1. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ
LÒ PHẢN ỨNG
1.1. KHÁI NIỆM VỀ LÒ PHẢN ỨNG
1.1.1 Lịch sử lò phản ứng
Các khái niệm về một phản ứng dây chuyền hạt nhân lần đầu tiên được nhận
ra ở Hungary bởi nhà khoa học Leó Szilárd n năm 1933. Ông đã nộp một bằng
sáng chế cho ý tưởng của ông về một lò phản ứng hạt nhân đơn giản vào năm sau.
Các lò phản ứng hạt nhân nhân tạo đầu tiên, Chicago Pile-1 , được xây dựng
tại Đại học Chicago bởi một nhóm do Enrico Fermi vào năm 1942. Nó đạt được
criticality ngày 02 tháng 12 năm 1942 lúc 03:25. Cơ cấu lò phản ứng hỗ trợ đã
được làm bằng gỗ, trong đó hỗ trợ một đống các khối than chì, nhúng vào trong đó
được tự nhiên Uranium-oxide 'pseudospheres'. Nguồn sáng tạo cho một lò phản
ứng như vậy được cung cấp bởi nhà phát hiện bởi Lise Meitner , Fritz Strassman và
Otto Hahn trong năm 1938 bằng cách bắn phá uranium bằng các nơtron (được cung
cấp bởi một Alpha-on phản ứng nhiệt hạch Berili-, một " neutron howitzer ") sản
xuất một Bari dư lượng, mà họ lý luận đã được tạo ra bởi các fissioning của hạt
nhân Uranium. các nghiên cứu tiếp theo cho thấy một số nơtron cũng đã được phát
hành trong fissioning, làm cho có sẵn cơ hội cho một phản ứng dây chuyền .
1.2 MÔ TẢ CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG
1.2.1.Lò phản ứng hat nhân trong thực tế
Ngày nay, công nghệ lò phản ứng hạt nhân phát triển rất phong phú và đa dạng.
Hiện có trên 10 loại lò đang được sử dụng, nghiên cứu phát triển
Lò nước nhẹ: (bao gồm cả lò nước sôi - BWR và lò nước áp lực - PWR):
Đóng vai trò chủ đạo, chiếm tỷ trọng lớn tại nhiều nước có ĐHN. Đây là công nghệ
không những đã được phát triển, hoàn thiện và thương mại hóa rộng rãi trên thế
giới mà còn là công nghệ tiềm năng cho những cải tiến mạnh mẽ trong tương lai
gần. Các lò nước nhẹ công suất lớn đang được nâng cấp thành các lò cải tiến với
công suất lớn hơn.
1
Lò nước nặng: Bắt đầu phát triển từ Canada, cho đến nay công nghệ lò này
cũng được áp dụng tại nhiều nước, đặc biệt một số nước bắt đầu phát triển công

một cách hiệu quả hơn nhiều so với các lò LWR hiện nay. Ngoài ra, hệ thống SFR
có thể không cần phải nghiên cứu thiết kế nhiều như các hệ thống thế hệ IV khác.
b. Lò phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor – MSR)
Lò MSR (xem hình 1.3) là lò nhiên liệu lỏng có thể sử dụng để đốt các actinide, sản
xuất điện năng, hyđro, và nhiên liệu phân hạch. Trong hệ thống này, nhiên liệu
muối nóng chảy chảy qua các kênh lõi graphít. Nhiệt tạo ra trong muối nóng chảy
3
được truyền sang hệ thống chất làm mát thứ cấp thông qua bộ trao đổi nhiệt trung
gian, sau đó qua một bộ trao nhiệt nữa tới hệ thống biến đổi năng lượng. Các
actinide và phần lớn các sản phẩm phân hạch tạo nên các florua trong chất lỏng làm
mát. Nhiên liệu lỏng đồng nhất cho phép bổ sung actinide mà không yêu cầu phải
chế tạo nhiên liệu.
Hình 1.3. Lò phản ứng muối nóng chảy
Trong những năm 1960, Mỹ đã phát triển lò phản ứng tái sinh muối nóng chảy như
là phương án chính hỗ trợ cho lòphản ứng tái sinh truyền thống. Công tác nghiên
cứu gần đây tập trung vào các chất làm mát florua lithi và berylli vớithori hoà tan
và nhiên liệu U 233. Bộ Năng lượng Mỹ có kế hoạch tiếp tục hợp tác trong tương
lai với các chương trình lò phản ứng muối nóng chảy của Euratom
c. Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn (supercritical water-cooled
reactor - SCWR)
4
Hình 1.4. Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn
Lò SCWR (xem hình 1.4) hứa hẹn nhiều ưu thế đáng kể về mặt kinh tế, với hai lý
do: có thể đơn giản hoá thiết kế nhà máy và hiệu suất nhiệt tăng cao. Nhiệm vụ
chính của SCWR là phát điện với chi phí thấp nhờ kết hợp hai công nghệ đã qua
thử thách: công nghệ LWR truyền thống và công nghệ lò hơi siêu tới hạn đốt nhiên
liệu hoá thạch. Căn cứ các nghiên cứu thiết kế có thể tiên đoán hiệu suất nhiệt của
nhà máy sẽ cao hơn các lò LWR hiện nay khoảng một phần ba.
Từ hình vẽ có thể thấy các hệ thống còn lại của nhà máy và các đặc điểm an toàn
thụ động của lò SCWR cũng tương tự như đối với lò BWR, nhưng lại đơn giản hơn

trình. Trong sơ đồ cấu trúc ta thấy có 2 nhiễu là Distubance variable I (DVI) và
Distubance variable II (DVII). Trong đó nhiễu thứ nhất DVI ảnh hưởng đến biến
quá trình chính (Primary process), nhiễu thứ hai DVII ta không xét đến vì cấu trúc
này không loại trừ được ảnh hưởng của nhiễu này. Vì loại nhiễu này thường xuất
hiện trong công đoạn cuối cùng của quá trình.
Cấu trúc phân tầng yêu cầu phải biết biến quá trình phụ (secondary process
variable). Biến quá trình phụ này phải thoả mãn các yêu cầu sau:
- Nó có thể đo được bằng sensor
- Phần tử điều khiển cuối cùng (Final control element - ví dụ : Valve ) được sử
dụng để điều khiển quá trình chính (Primary variable) cũng phải điều khiển biến quá
trình phụ.
- Nhiễu ảnh hưởng đến biến quá trình chính cũng phải ảnh hưởng đến biến quá trình
phụ.
7
- Biến quá trình phụ phải nằm trong biến quá trình cơ sở trong cấu trúc điều khiển.
Vòng phụ là 1 cấu trúc phản hồi truyền thống. Cấu trúc phân tầng có thể giải quyết
nhiều nhiễu miễn là mỗi nhiễu tác động đến biến quá trình phụ trước khi ảnh hưởng
đến biến quá trình chính.
+ Giải pháp Cascade Control
Bước đầu trong thiết kế Cascade là để đảm bảo rằng mục đích kiểm soát của hệ
điều khiển là loại bỏ nhiễu. Sơ đồ cho thấy bộ điều khiển không cần điểm đặt. Trên
thực tế, điểm đặt sẽ cố định ở mức giữa của bể chứa trong quá trình vận hành bình
thường. Mục đích là để duy trì mức chất lỏng tại điểm đặt trong khi loại bỏ nhiễu áp
suất thay đổi ở phía trên bể chứa.
Hình 2.2. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển Cascade điều khiển mức
bằng cách điều khiển dòng chảy.
Để hoàn chỉnh cho hệ thống điều khiển Cascade, phải tiến hành xác định biến
phụ. Mức chất lỏng là biến số chính và kiểm soát nó là mục tiêu thiết kế trung tâm
trong chiến lược điều khiển. Để có biến phụ, ta giả định là tốc độ dòng chảy trong
ống. Để phù hợp với những tiêu chuẩn cho thiết kế điều khiển Cascade điều kiện được

3. Điều chỉnh bộ điều khiển P thứ cấp sử dụng giá trị điểm đặt chuẩn (nhiệm vụ
chính của nó là phản hồi lại lệnh điểm đặt từ bộ điều khiển sơ cấp). Kiểm tra nó để
chắc chắn thực hiện từ điểm đặt.
4. Để bộ điều khiển thứ cấp tự động, nó trở thành một phần của quá trình chính.
Chọn một bộ điều khiển với hoạt động kết hợp cho mạch vòng sơ cấp (PI hoặc
PID). Sử dụng tiêu chuẩn thiết kế lọc bỏ nhiễu như là một công việc chính của bộ
điều khiển sơ cấp.
5. Điều chỉnh bộ điều khiển sơ cấp sử dụng phương pháp sẽ được lựa chọn ở phần
sau và kiểm tra phương pháp đó sao cho phù hợp và có kết quả chấp nhận được.
6. Với cả hai bộ điều chỉnh hoạt động tự động, việc điều chỉnh Cascade đã hoàn
thành.
2.3. KHẢO SÁT QUÁ TRÌNH PHẢN ỨNG NHIỆT TRONG LÒ CÓ VỎ
BỌC (EXPLORING THE JACKETED REACTOR
PROCESS)
2.3.1. Quá trình phản ứng trong lò có vỏ bọc
Mô hình lò phản ứng jacketed trên hình 2.3, điều khiển cascade vòng lặp
phản hồi đơn, lò phản ứng là bồn (két) chất lỏng chuyển động nhẹ được khuấy trộn
có quá trình toả nhiệt. Trong thời gian tạo phản ứng cần giữ nhiệt độ không đổi vì
thế sự chuyển đổi thành phần của hỗn hợp được cấp (reactant feed) đối với sản
phẩm mong muốn có thể bị ảnh hưởng do nhiệt độ của ống thoát ra từ lò phản ứng.
Để kiểm soát nhiệt độ thoát ra trong ống thoát (biến số chính), bồn chứa được
bao bọc một jacket mà chất lỏng làm mát chảy qua. Bộ điều khiển điều chỉnh một
van để thay đổi tốc độ chảy của chất lỏng làm lạnh. Nếu nhiệt độ trong ống quá cao,
bộ điều khiển mở van. Điều này làm tăng tốc độ chảy nước làm lạnh, để làm nguội
lò phản ứng và giảm quá trình toả nhiệt. Cuối cùng, nhiệt độ đo được của dòng chảy
thoát ra từ lò phản ứng hoạt động sẽ gián tiếp kiểm tra được nhiệt độ trong lò phản
ứng. Như trên hình 2.3, biến nhiễu của quá trình là chất làm lạnh chảy vào jacket.
Vấn đề cần nghiên cứu ở đây với mục đích kiểm soát là duy trì nhiệt độ ống
10
thoát của lò phản ứng tại điểm đặt bằng cách loại bỏ nhiễu gây ra do thay đổi nhiệt

dưới mức độ hoạt động theo thiết kế.
Vì thế việc kiểm tra quá trình động sẽ đưa ra một bảng dữ liệu hữu ích, ở đây
đầu ra của bộ điều khiển theo thiết kế có giá trị 50% tăng lên 53% sau đó giảm
xuống 47% và cuối cùng trở về giá trị 50%. Nhiệt độ ống thoát của lò phản ứng
phản hồi chính xác sau mỗi giá trị đặt của bộ điều khiển.
Hình 2.4. Kết quả điều khiển bằng mô phỏng lò phản ứng với
mạch vòng đơn cho mô hình quá trình có dạng FOPDT.
Với FOPDT khớp với dữ liệu động học của quá trình được tính toán bởi phần
mềm thiết kế bằng mô phỏng biểu diễn trên hình 2.4. Mô hình khá hợp lý dựa trên
cơ sở quan sát bằng mắt, vì thế đưa ra những giá trị cho thiết kế:
Hệ số khuyếch đại quá trình K
P
= - 0.36
0
C%
Hằng số thời gian
τ
P
=1.6 min
Thời gian chết
θ
P
= 0.88 min
Để ứng dụng mối tương quan IMC, đầu tiên phải tính toán hằng số thời gian
cho vòng lặp, ở đây ta chọn theo chuẩn điều chỉnh:
12
τ
C
> 0.1
τ

0
C, dùng để kiểm tra bộ điều khiển duy trì nhiệt độ ống
thoát theo thiết kế 86
0
C, với sai lệch khoảng 2.5
0
C trong suốt quá trình thể hiện trên
hình 2.5.
Hình 2.5. Kết quả loại bỏ nhiễu trong cấu trúc điều khiển Cascade cho
lò phản ứng bộ điều khiển dạng PI.
13
Hình 2.6. Cấu trúc điều khiển Cascade cho lò phản ứng loại bỏ nhiễu.
a. Cấu trúc Cascade
Như trong phần nghiên cứu vòng lặp đơn, mục tiêu điều khiển là loại bỏ nhiễu vì vậy
phải xem xét cấu trúc Cascade như thế nào cho hợp lý. Biến số chính vẫn là giữ nhiệt
độ cho ống thoát ra của lò phản ứng.
Hình 2.7.Sơ đồ cấu trúc điều khiển Cascade lò phản ứng
14
Để thiết kế Cascade, ta cần xác định một biến phụ. Như hình 5.12, trạm điều
khiển dùng nhiệt độ ra làm lạnh jacket. Các yêu cầu thiết kế Cascade:
- Nhiệt độ làm lạnh đo được bằng một cảm biến.
- Cùng một van để đo nhiệt độ ống thoát ra của lò phản ứng (biến chính) và nhiệt
độ ra làm lạnh jacket.
- Sự thay đổi nhiệt độ vào làm lạnh jacket làm nhiễu loạn nhiệt độ ống thoát của lò
phản ứng sẽ tác động nhiệt độ ra làm lạnh jacket.
- Nhiệt độ ra làm lạnh jacket nằm ngoài nhiệt độ ống thoát của lò phản ứng trong
đó nó sẽ có phản ứng đầu tiên với những thay đổi về vị trí van và thay đổi nhiệt độ
làm lạnh jacket.
Sơ đồ thực hiện điều khiển Cascade cho lò phản ứng với mô hình trên hình
2.6, có cấu trúc biểu diễn trên hình 2.7, nó cũng giống như mọi Cascade gồm 2 hệ đo,

= 50%
Ban đầu ở trạng thái ổn định theo thiết kế, hai đầu đo được dùng để ghi kại đầu ra bộ
điều khiển, dữ liệu của biến số trình bày trên hình 2.8:
Hình 2.8. Mô hình quá trình dạng FOPDT khi cho đầu ra của bộ điều khiển phụ
thay đổi và phản ứng của biến quá trình phụ
Đầu ra bộ điều khiển giảm từ giá trị thiết kế 50% tăng lên 55%, sau đó xuống
45% rồi trở về 50%. Sự hoạt động của biến phụ được kiểm soát. Mô hình động
FOPDT khớp với dữ liệu được chỉ ra trong hình 3.23, với giới hạn mô hình kiểm
soát vòng lặp phụ:
Hệ số khuyếch đại quá trình K
P
= - 0.37
0
C/%
Hằng số thời gian τ
P

= 1.9 min
Thời gian chết θ
P
= 0.25 min
16
Mặc dù loại nhiễu là một mục tiêu tổng quát, mục đích vòng lặp phụ là bám
sát sự thay đổi điểm đặt mà bộ điều khiển chính tính toán. Sử dụng những giới hạn
mô hình FOPDT này trong ITAE để điều khiển tương quan lượng điều chỉnh (set
point tracking correlation). Giả định rằng tương quan IMC không dùng cho bộ điều
khiển P-Only cho giới hạn điều chỉnh sau:
Hệ số khuyếch đại của bộ điều khiển K
C
= - 6.4%/

Thay
se
P
S
P
θ
θ
−≅
−
1
vào phương trình mô hình quá trình ta có:

1
)1(
+
−
=
∗
s
sK
G
P
PP
P
τ
θ
(2.1)
Mà

)()( sGsGG

Ta có thể diễn giải,
)(sG
C
∗
mô hình của bộ điều khiển IMC bằng mô hình
chuyển đổi cộng thêm bộ lọc F(s):

)(
)(
1
)( sF
sG
sG
P
C
∗
−
∗
=
(2.3)
Trong đó bộ lọc IMC có dạng:

1
1
)(
+
=
s
sF
C

+
=
∗
sK
s
sK
s
sG
CP
P
CP
P
C
τ
τ
τ
τ
(2.5)
Chúng ta suy luận từ mô hình bộ điều khiển IMC với mô hình bộ điều khiển
trong hệ kín kinh điển

)()(1
)(
)(
sGsG
sG
sG
PC
C
C






+=
s
KsG
I
CPIC
τ
1
1)(
(2.7)
Chúng ta xác định được thông số của bộ điều khiển:

)(
PCP
P
C
K
K
θτ
τ
+
=
và τ
I
= τ
P

046,158.0
)36.0).(7,2(
58,1
.
=−
−−
=−=
p
pc
p
c
KK
θ
τ
τ
s
s
ssK
sG
PPCP
P
C
58,1
158,1
.699,2
58,1
1
1.
)58,0046,1)(36,0(
58,11

58.0
S
+
−
=
+
=
−
−
s
e
s
eK
G
S
P
p
P
P
τ
θ
- Xây dựng hàm nhiễu:
Nhiễu trong quá trình là sự thay đổi nhiệt độ đầu vào của nước làm mát. Để
cho sự tính toán được đơn giản ta sử dụng mô hình nhiễu dạng FOPDT, với các
thông số của hàm nhiễu đã được tính toán cho kết quả như sau:
Hệ số khuyếch đại của nhiễu : K
D
= 0.95
Hằng số thời gian : τ
D

)1(
)1(
)(
sDe
s
s
K
K
U
S
D
p
P
D
dfeedForwar
PD












+
+

)58,03,1(
)(
.
)192,1(
)158,1(
.
36,0
95,0
)1(
)1(
−−
−−
+
+
−
=






+
+







hiện trên hình 3.3,bộ điều khiển P-Only tín hiệu đặt thay đổi nhảy bậc với giá trị
thiết kế là 69
0
C, nhảy lên 72
0
C sau đó xuống 66
0
C rồi trở về giá trị
69
0
C. Từ kết quả trên hình 3.2 chúng ta thấy rằng biến quá trính chính bám giá trị
đặt chứng tỏ khả năng loại bỏ nhiễu của bộ điều khiển. Thông qua thử nghiệm mô
hình bằng mô phỏng dữ liệu thiết kế hệ thống được xác định như sau:
Hệ số khuyếch đại quá trình: K
P
= 0,70 (
0
C của hơi đầu ra/
0
C đầu ra nước
làm mát) Hằng số thời gian: τ
P
= 0,55 phút; Thời gian chết: θ
P
= 0,71 phút
Hình 3.2. Kết quả thiết kế bộ điều khiển biến quá trình chính
với bộ điều khiển P-Only.
Các đặc tính thu được trên hình 3.2, được thực hiện cho hệ thống điều khiển
Cascade với bộ điều khiển cho biến phụ có dạng PI còn bộ điều khiển cho biến
chính là P-Only. Kết quả thu được được so sánh với hệ thống điều khiển mạch vòng

- Hệ thống có khả năng loại bỏ nhiễu, loại bỏ đựoc hoàn toàn .Đầu ra của bộ
điều khiển nhảy bậc từ giá trị thiết kế là 46% xuống 40% rồi lên 46%.
- Nhiệt độ dòng chảy ra ở ống thoát của lò phản ứng đo được bắt đầu ổn định
ở giá trị đặt thiết kế là 86
0
C. Để kiểm nghiệm bộ điều khiển ,nhiệt độ đầu vào của
vỏ làm mát nhảy bậc từ giá trị thiết kế là 46
0
C xuống 40
0
C và quay trở lại. Nhìn
trên đồ hình ta thấy được bộ điều khiển PI mạch vòng đơn có khả năng duy trì nhiệt
độ dòng ra lò phản ứng gần giá trị đặt không đổi là 86
0
C với sai lệch nhỏ.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] - Ts.Hoàng Xuân Bình, Bài giang Điều khiển quá trình.
[2] – Nguyễn Phùng Quang , Matlab &simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động
– NXB khoa hoc và kỹ thuật Hà Nội 2005
[3].TS. Nguyễn Phùng Quang, Điều khiển quá trình - NXB Khoa học kỹ thuật Hà
Nội 2002.