ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

--------------------------

ĐINH VĂN CHIẾN

PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƢNG
CỦA THANH NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER AES-2006

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2015


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

--------------------------

ĐINH VĂN CHIẾN

PHÂN TÍCH CÁC` ĐẶC TRƢNG
CỦA THANH NHIÊN LIỆU SỬ DỤNG TRONG
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER AES-2006
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử
Mã số: 60 44 0106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC


MỤC LỤC
DANH MỤC THUẬT NGỮ ..................................................................................... 4
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... 5
DANH MỤC HÌNH VẼ ............................................................................................ 6
MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 1
CHƢƠNG 1. LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-AES2006 ............................. 5
1.1. Quá trình phát triển công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER .......................... 5
1.2. Đặc điểm lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 ........................................... 8
CHƢƠNG 2. ĐẶC TRƢNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN .......... 12
2.1. Đặc điểm thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân ............................................ 12
2.2. Đặc trưng bức xạ đối với thanh nhiên liệu ..................................................... 15
2.3. Đặc trưng cơ nhiệt đối với thanh nhiên liệu ................................................... 17
2.3.1. Sự phân bố nhiệt độ trong thanh nhiên liệu .............................................17
2.3.2. Sự thay đổi cấu trúc viên gốm nhiên liệu ................................................20
2.3.3. Quá trình mỏi và rão hóa vật liệu ............................................................24
2.4. Đặc trưng thủy nhiệt động đối với thanh nhiên liệu ....................................... 25
2.4.1. Thông lượng nhiệt tới hạn và quá trình dời khỏi vùng sôi nhân .............26
2.4.2. Sự ăn mòn do cọ xát của vỏ bọc thanh nhiên liệu với lưới định vị .........31
2.4.3. Biến đổi hình học thanh nhiên liệu dưới tác dụng thủy lực .....................32
2.5. Đặc trưng quá trình oxy hóa và hydro hóa đối với thanh nhiên liệu .............. 36
2.5.1. Quá trình oxy hóa ....................................................................................36
2.5.2. Quá trình hydro hóa .................................................................................43
CHƢƠNG 3. CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIÊN LIỆU FRAPCON-3.549
3.1. Tổng quan chương trình FRAPCON-3.5 ....................................................... 49
3.1.1. Mục tiêu tính toán của chương trình FRAPCON-3.5 ..............................49
3.1.2. Các giới hạn của chương trình FRAPCON-3.5 .......................................50
3.2. Cấu trúc và phương pháp tính toán của code FRAPCON-3.5 ....................... 51
3.2.1. Cấu trúc của code.....................................................................................51
3.2.2. Lưu đồ tính toán của code .......................................................................52


Tiếng Anh

Tiếng Việt

BWR

Boiling Water Reactor

Lò phản ứng hạt nhân nước sôi

CHF

Critical Heat Flux

Thông lượng nhiệt tới hạn

DNB

Departure from Nuclear
Boiling

Dời khỏi sự sôi nhân

IAEA

International Atomic Energy
Agency

Cơ quan Năng lượng nguyên tử
quốc tế

Tương tác cơ học viên gốm-vỏ bọc

PWR

Pressurized Water Reactor

Lò phản ứng hạt nhân nước áp lực

RIA

Reactivity Initiated Accident

Tai nạn/sự cố khởi phát độ phản ứng

SCC

Stress Corrosion Cracking

Rạn nứt do ăn mòn ứng suất

United State Nuclear
Regulatory Commission

Ủy ban Pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ

Vodo-Vodyanoi
Energetichesky Reactor/WaterCooled Water-Moderated
Energy Reactor

Lò phản ứng hạt nhân nước áp lực



DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1. 1. Các thế hệ phát triển lò phản ứng hạt nhân VVER ....................................7
Hình 1. 2. Mô hình tổ hợp thiết bị vòng sơ cấp lò phản ứng VVER-AES2006 .......11
Hình 1. 3. Bó thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 ...................11
Hình 2. 1. Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (KSPN-Hàn Quốc)
...................................................................................................................................13
Hình 2. 2. Bó thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (Westinghouse)
...................................................................................................................................13
Hình 2. 3. Thanh nhiên liệu tiêu chuẩn sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000 ....14
Hình 2. 4. Các khuyết tật trong mạng lưới làm thay đổi tính chất vật liệu ...............17
Hình 2. 5. Phân bố nhiệt độ giữa nhiên liệu và chất làm mát ...................................19
Hình 2. 6. Sự thay đổi vi cấu trúc nhiên liệu UO2 phụ thuộc nhiệt độ .....................22
Hình 2. 7. Sự biến đổi hình dạng viên gốm và vỏ thanh nhiên liệu trong lò phản ứng
...................................................................................................................................23
Hình 2. 8. Ảnh hưởng của nhiên liệu tới vỏ bọc E110RXA tại các giai đoạn ..........23
Hình 2. 9. Thanh và bó thanh nhiên liệu có thể bị cong vênh trong lò phản ứng .....24
Hình 2. 10. Đường cong đặc trưng của mô hình sôi bể ............................................28
Hình 2. 11. Thông lượng nhiệt tới hạn đối với lò PWR và BWR .............................30
Hình 2. 12. Hư hỏng do cọ xát giữa vỏ bọc và lưới định vị......................................31
Hình 2. 13. Tỷ lệ các dạng ăn mòn khác nhau trên vỏ bọc nhiên liệu ở Mỹ ............31
Hình 2. 14. Biến dạng hình học thanh nhiên liệu, (a) kiểu chữ S, (b) kiểu chữ C ....32
Hình 2. 15. Quan hệ giữa độ cong bó thanh và độ lệch khỏi kích thước khe hở ......33
Hình 2. 16. Độ cong bó thanh nhiên liệu của ba lò phản ứng Ringhals (Thụy Điển)
...................................................................................................................................35
Hình 2. 17. Hướng và biên độ uốn cong thanh nhiên liệu trong ...............................35
Hình 2. 18. Giản đồ pha Zr-O ...................................................................................37
Hình 2. 19. Sơ đồ vi cấu trúc của zirconi oxit tạo thành trong các điều kiện khác
nhau ...........................................................................................................................38


Hình 4. 7. Lưới nhiệt độ trung bình của thanh nhiên liệu .........................................78
Hình 4. 8. Tỷ lệ phát tán khí phân hạch của thanh nhiên liệu ...................................78
Hình 4. 9. Tỷ lệ phát tán khí phân hạch theo trục thanh nhiên liệu ..........................79
Hình 4. 10. Áp suất khí bên trong thanh nhiên liệu ..................................................79
Hình 4. 11. Độ cháy trung bình của thanh nhiên liệu trong 4 chu kỳ vận hành .......80
Hình 4. 12. Độ cháy theo chiều dọc thanh nhiên liệu ...............................................80
Hình 4. 13. Ứng suất hiệu dụng của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu ....................83
Hình 4. 14. Ứng suất tiếp tuyến của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu ....................83
Hình 4. 15. Biến dạng tiếp tuyến của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu ..................84
Hình 4. 16. Biến dạng đàn hồi tiếp tuyến của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu .....84
Hình 4. 17. Biến dạng đàn hồi hướng trục theo trục thanh nhiên liệu ......................85
Hình 4. 18. Biến dạng đàn hồi hướng tâm theo trục thanh nhiên liệu ......................85
Hình 4. 19. Độ giãn dài của vỏ bọc thanh nhiên liệu trong quá trình vận hành .......87
Hình 4. 20. Tốc độ rão của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu ..................................87
Hình 4. 21. Tốc độ phồng nở của nhiên liệu theo trục thanh nhiên liệu ...................88
Hình 4. 22. Độ dày lớp oxit trên bề mặt vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu ..............89
Hình 4. 23. Hàm lượng hydro tích lũy trong vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu .......89


MỞ ĐẦU
1.

Lý do chọn đề tài
Ngày nay, khi chính sách năng lượng ở mỗi quốc gia đang trở thành vấn đề

cấp thiết hơn bao giờ hết, bởi sự ảnh hưởng liên quan tới nhiều khía cạnh mang tính
chất toàn cầu như chống biến đổi khí hậu, xung đột vũ trang, an ninh hay chính
trị… Trong khi các nguồn năng lượng mới chưa thể hiện được tính khả thi và hiệu
quả thì năng lượng hạt nhân đã trở thành sự lựa chọn hàng đầu của nhiều quốc gia

nhiên liệu từ 12 đến 18 tháng).
Do đó, các dự đoán sát với thực tế hơn về hiệu năng nhiên liệu trở nên rất quan
trọng đối với việc thiết kế và đánh giá an toàn thanh nhiên liệu hạt nhân (TNLHN).
Điều này cho phép vận hành nhà máy điện hạt nhân một cách hiệu quả và an toàn
nhất; cũng như cải thiện biên dự trữ vận hành an toàn, tăng hiệu quả kinh tế và quản
lý nhiên liệu một cách linh hoạt hơn.
Các kết quả nghiên cứu trong khuôn khổ luận văn này sẽ trình bày những hiểu
biết cần thiết về đặc điểm công nghệ lò phản ứng, các đặc trưng thiết kế, cũng như
ảnh hưởng của quá trình vận hành đối với các bộ phận trong vùng hoạt lò phản ứng,
đặc biệt là thanh nhiên liệu nhằm tăng cường năng lực phân tích an toàn, phục vụ
cho việc phân tích, đánh giá an toàn nhà máy điện hạt nhân mà cụ thể là về đặc
trưng nhiên liệu sử dụng.
2.

Mục đích nghiên cứu
- Tìm hiểu đặc điểm công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006; trong

đó bao gồm thiết kế và các tiêu chuẩn vận hành của thanh nhiên liệu sử dụng trong
lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 (TVS-2006);
- Nghiên cứu các đặc trưng của trạng thái vận hành bình thường và các ảnh
hưởng cơ - lý - hóa - nhiệt - bức xạ đối với thanh nhiên liệu trong lò phản ứng hạt
nhân;
- Phân tích các đặc trưng của thanh nhiên liệu trong trạng thái vận hành ổn
định, phục vụ đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân
VVER-AES2006.

2


3.

- Các quy định và tiêu chuẩn của Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế
(IAEA), Ủy ban pháp quy Hoa Kỳ (US.NRC), Cơ quan pháp quy Liên Bang Nga về
việc đảm bảo vận hành nhà máy điện hạt nhân;
- Các tài liệu về công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER của Liên Bang Nga
bao gồm VVER-AES2006, trong đó có đặc trưng thiết kế của thanh nhiên liệu TVS2006;

3


- Các tài liệu về đặc trưng vận hành trong điều kiện bình thường của lò phản
ứng hạt nhân;
- Các công trình nghiên cứu về đặc trưng của thanh nhiên liệu trong lò phản
ứng hạt nhân;
- Các tài liệu về cơ sở tính toán của chương trình tính toán nhiên liệu
FRAPCON-3.5.
• Phương pháp trực quan: Sử dụng chương trình tính toán nhiên liệu
FRAPCON-3.5 tính toán các đặc trưng của thanh nhiên liệu hạt nhân VVERAES2006 trong điều kiện vận hành ổn định. Phân tích, đánh giá kết quả thu được và
so sánh với các tiêu chuẩn vận hành.
7.

Cấu trúc luận văn
Luận văn gồm các phần sau:
- Phần mở đầu: Giới thiệu khái quát về đề tài, mục đích nghiên cứu, nhiệm

vụ nghiên cứu,…
- Phần kết quả nghiên cứu: Gồm 4 chương
 Chương 1: Lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006
 Chương 2: Đặc trưng của thanh nhiên liệu hạt nhân
 Chương 3: Chương trình tính toán nhiên liệu FRAPCON-3.5
 Chương 4: Phân tích đặc trưng thanh nhiên liệu TVS-2006

- Sử dụng bình điều áp loại lớn, đảm bảo khả năng an toàn của lò phản ứng do
tích trữ lượng nước làm mát lớn.
Thế hệ lò VVER đầu tiên được xây dựng từ những năm 1960 ở Liên Xô cũ.
Sau đó, các lò phản ứng VVER-440 và VVER-1000 được thiết kế và tiếp tục xây

5


dựng ở Liên Xô cũ và một số nước Đông Âu khác, trong đó phiên bản VVER440/V230 với mức công suất điện 440 MWe là thiết kế phổ biến nhất. VVER440/V230 sử dụng 6 vòng làm mát sơ cấp với 6 bình sinh hơi nằm ngang, với hệ
thống an toàn có độ dư gấp đôi. Một phiên bản cải tiến khác của VVER-440 là
VVER-440/V213, đây là phiên bản đầu tiên đạt tiêu chuẩn an toàn hạt nhân của các
nhà thiết kế Liên Bang Nga. VVER-440/V213 được trang bị hệ thống cấp cứu vùng
hoạt khẩn cấp (ECCS) và hệ thống cấp nước phụ trợ (AFS) cũng như nâng cấp các
hệ thống khoanh vùng tai nạn.
Sau năm 1975, các nhà thiết kế Liên Bang Nga đã cho ra đời phiên bản
VVER-1000 với các cải tiến đáng kể hơn so với các phiên bản VVER trước đó.
VVER-1000 đáp ứng công suất điện 1000 MWe với 4 vòng làm mát sơ cấp có cấu
trúc được bao bọc bởi lớp vỏ nhà lò với hệ thống phun hơi nước giúp tải nhiệt dư
cho vỏ nhà lò. Các thiết kế lò phản ứng VVER-1000 được xây dựng kết hợp giữa
các hệ thống kiểm soát an toàn chủ động, các hệ thống an toàn thụ động và các hệ
thống an toàn tòa nhà lò theo liên kết quy chuẩn với các lò phản ứng hạt nhân thuộc
thế hệ III của các nước phương Tây.
Phiên bản VVER-1000/V-320 được coi là phiên bản thiết kế tiêu chuẩn của
công nghệ lò VVER-1000. Dựa trên kinh nghiệm thiết kế, kinh nghiệm vận hành
các tổ lò VVER-1000/V-320 này, cùng với sự tiếp thu công nghệ từ lò PWR của
Tây Âu và đáp ứng các yêu cầu mới của các văn bản pháp quy Liên Bang Nga cũng
như các quy chuẩn quốc tế, các nhà thiết kế của Liên Bang Nga đã cho ra đời các
thiết kế mới với nhiều cải thiện về độ tin cậy, khả năng đáp ứng an toàn và tính kinh
tế như VVER-1000/V-428 (AES-91) hay VVER-1000/V-392 (AES-92).
Phiên bản VVER-1200 (VVER-AES2006) hiện tại đang là cải tiến mới nhất

các lò phản ứng VVER-1000/V-320 ở Nga, cũng như kinh nghiệm xây dựng, vận
hành NMĐHN VVER ở Ấn Độ, Trung Quốc và nhiều quốc gia khác (Hình 1.2).
Các yêu cầu đặt ra đối với thiết kế là đảm bảo ba điều kiện cơ bản đó là áp dụng các
giải pháp và cách tiếp cận mới; đảm bào độ an toàn và hiệu quả kinh tế.
Hai phiên bản thiết kế của lò phản ứng VVER-AES2006 là V491 và V392M
hoàn toàn tương tự nhau và cũng mang các đặc trưng của loại lò VVER với thiết kế
bình sinh hơi nằm ngang, bó thanh nhiên liệu hình lục lăng (Hình 1.3), ô lưới nạp
tải vùng hoạt dạng kênh tam giác. Tuy nhiên điểm khác biệt duy nhất giữa hai phiên
bản thiết kế này đó là dựa trên các cách tiếp cận khác nhau về hệ thống an toàn lò
phản ứng. Nếu như trong phiên bản VVER-AES2006/V392M tối ưu hơn về hệ
thống an toàn thụ động nhằm giảm sự phụ thuộc vào lỗi do con người thì phiên bản
VVER-AES2006/V491 lại tối ưu hơn về hệ thống an toàn chủ động khi có tới 4
kênh an toàn chủ động so với 2 kênh của phiên bản VVER-AES2006/V392M.
Các thành phần chính của lò phản ứng VVER-AES2006 [18] bao gồm:
- Lò phản ứng;
- Hệ thống tuần hoàn vòng sơ cấp;
- Hệ thống cân bằng áp suất vòng sơ cấp và bình điều áp;
- Hệ thống cấp/xả vòng sơ cấp, bao gồm bộ phận điều tiết axit boric;
- Hệ thống đường cấp nước và đường dẫn hơi vòng sơ cấp;
- Hệ thống kiểm soát và bảo vệ;
- Hệ thống an toàn.
Bảng 1.1 trình bày một số đặc điểm thiết kế của lò phản ứng hạt nhân VVERAES2006.

8


Bảng 1. 1. Một số thông số thiết kế lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 [22]
STT

Thông số


6

Áp suất vòng sơ cấp, MPa

16,2

7

Nhiệt độ chất làm mát lối vào, oC

298,6

8

Nhiệt độ chất làm mát lối ra, oC

329,7

9

Lưu lượng chất làm mát, m3/h

85.600±2.900

10

Công suất 1 bình sinh hơi, t/h

1.602+112

dụng để đưa vùng hoạt vào trạng thái dưới tới hạn và duy trì trạng thái này trong
suốt quá trình làm nguội tới 100 oC mà không cần bơm dung dịch chứa boron;
- Đáp ứng chu trình nhiên liệu hiệu quả vận hành và tính kinh tế so với các lò
phản ứng thương mại của nước ngoài.
Bảng 1. 2. Các thông số chính của vùng hoạt VVER-AES2006 [1] [17]
Đặc điểm

Giá trị

Số bó thanh nhiên liệu (FA) trong vùng hoạt

163

Số bó thanh nhiên liệu chứa thanh hấp thụ CPSAR

121

Công suất nhiệt (danh định), MWt

3.200

Áp suất chất làm mát ở lối ra, MPa

16,2±0.3

Nhiệt độ chất làm mát ở lối vào, oС

298,2+2-4

Nhiệt độ chất làm mát ở lối ra, oС


Thời gian rơi của CPSAR sau tín hiệu dập lò scram, s

1,2-4,0

Tốc độ CPSAR trong chế độ kiểm soát, m/s

10

0,02


Hình 1. 2. Mô hình tổ hợp thiết bị vòng sơ cấp lò phản ứng VVER-AES2006 [22]

Hình 1. 3. Bó thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 [12]

11


CHƢƠNG 2. ĐẶC TRƢNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN
2.1. Đặc điểm thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân [9] [15] [16]
Dựa trên thiết kế nguyên mẫu ban đầu của thanh nhiên liệu hạt nhân sử dụng
trong lò phản ứng nước áp lực của nhà máy điện hạt nhân đầu tiên, khối các nước
Hoa Kỳ, Pháp, Bỉ, Đức, Nga,… và sau đó là các nước Nhật Bản, Hàn Quốc đã phát
triển các thiết kế của mình với những đặc điểm riêng đáp ứng theo các yêu cầu cụ
thể trong vận hành. Về cơ bản thì hình dạng, thành phần cấu trúc của thanh nhiên
liệu sử dụng trong lò phản ứng nước áp lực của các thiết kế là như nhau. Trong đó,
thanh nhiên liệu có dạng hình trụ, các viên gốm nhiên liệu UO2/UO2-Gd2O3 được
làm giàu đồng vị (235U) ở mức thấp và nạp vào trong ống vỏ bọc bằng hợp kim
zirconi, sau khi khí heli được nạp vào thì hai đầu ống được hàn kín. Bên trong thanh



tam giác. Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của thiết kế lò phản ứng (mức công suất,
chu kỳ nhiên liệu,…) mà các thông số cụ thể của thanh nhiên liệu trong các lò phản
ứng VVER có thể khác nhau.
Trong các thiết kế cải tiến nhiên liệu, để tăng cường khả năng an toàn vận
hành, các nhà thiết kế đã đưa vào sử dụng các thanh nhiên liệu có thành phần nhiên
liệu là hỗn hợp UO2-Gd2O3. Do độ làm giàu nhiên liệu tăng đến ~5% dẫn đến độ
phản ứng trong vùng hoạt cao làm cho việc điều khiển lò phản ứng trong các chu kỳ
đầu thường rất khó khăn và phức tạp. Gadolini (Gd155, Gd157) là chất hấp thụ nơtron
mạnh, có khả năng cháy và phân hủy ngay trong vùng hoạt, vì vậy các thanh nhiên
liệu UO2-Gd2O3 có vai trò giữ độ phản ứng dự trữ ban đầu ổn định trong quá trình
khởi động của lò phản ứng, đồng thời cải thiện phân bố mật độ công suất của vùng
hoạt.
Ngoại trừ bộ phận đệm lò xo được làm bằng thép 08X18H10T, các đầu nắp và
ống vỏ bọc nhiên liệu đều được làm bằng hợp kim zirconi E110 (Zr-1%Nb). Hợp
kim zirconi E110 là loại vật liệu có các đặc tính cơ học bền vững, tiết diện hấp thụ
nơtron nhiệt rất thấp và khả năng ít bị ăn mòn trong các điều kiện chiếu xạ của môi
trường lò phản ứng.
Hình 2.3 mô tả đặc điểm của thanh nhiên liệu hạt nhân tiêu chuẩn sử dụng
trong lò phản ứng VVER-1000 [15].

Hình 2. 3. Thanh nhiên liệu tiêu chuẩn sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000

14


2.2. Đặc trƣng bức xạ đối với thanh nhiên liệu [13] [16]
Có thể thấy rằng, lò phản ứng hạt nhân là một nguồn rất mạnh các loại bức xạ
năng lượng cao. Khi tương tác với nhiên liệu và vỏ bọc thanh nhiên liệu, bức xạ làm