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

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

ĐINH VĂN CHIẾN

PHÂN TÍCH CÁC ĐẶC TRƯNG
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
(TÓM TẮT)

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN ĐẠI PHÚC

Hà Nội - 2015


Lời cảm ơn
Luận văn này là kết quả của quá trình học tập tại Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội và quá trình thực tập tại Cục Năng lượng nguyên tử
(NLNT). Trong đó, đặc biệt là quá trình tham gia Đề tài độc lập cấp
Nhà nước “Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình vận hành đến tính
chất của nhiên liệu và vỏ thanh nhiên liệu trong lò phản ứng VVER1000“ do Cục NLNT chủ trì và thời gian đào tạo dưới sự hướng dẫn
của TS Jinzhao Zhang tại cơ quan kỹ thuật năng lượng điện
TRACTEBEL (GDF SUEZ - Vương quốc Bỉ).
Với tình cảm chân thành, em xin bày tỏ lòng biết ơn đến quý thầy cô giáo đã
tham gia giảng dạy lớp cao học khóa 2011-2013, chuyên ngành Vật lý nguyên tử, các

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 trong lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 (thanh nhiên
liệu TVS-2006).
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

1


• 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
- Phần kết luận và kiến nghị.
- Tài liệu tham khảo.

2


CHƯƠNG 1. LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-AES2006
1.1. Quá trình phát triển công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER
VVER hay WWER (Vodo-Vodyanoi Energetichesky Reactor, Water-Cooled

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).
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.
Bảng 1.1 trình bày một số đặc điểm thiết kế của lò phản ứng hạt nhân VVERAES2006.
Bảng 1. 1. Một số thông số thiết kế lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 [22]
STT

Thông số

1

Công suất nhiệt, MWt

2

Công suất điện tổ lò, MWe

Giá trị
3.200
1.198,8

4


3

Tuổi thọ lò phản ứng, năm


9

Lưu lượng chất làm mát, m3/h

85.600±2.900

10

Công suất 1 bình sinh hơi, t/h

1.602+112

11

Áp suất hơi, MPa

12

Nhiệt độ nước cấp, oC

13

Số bó thanh nhiên liệu (FA) trong vùng hoạt

163

14

Số bó thanh nhiên liệu chứa thanh hấp thụ CPSAR


Tiết diện thủy động vùng hoạt, m2

4,14

21

Chiều cao cột nhiên liệu (ở trạng thái lạnh), m

3,73

0,92

7,0
225±5

5

0,236
83.420±2.900


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]

6


CHƯƠNG 2. ĐẶC TRƯNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN

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
thay đổi các tính chất vật lý, hóa học và cơ học của nhiên vật liệu, ảnh hưởng rất lớn
đến độ bền vững và chức năng nguồn nhiệt của nhiên liệu. Ảnh hưởng bức xạ tới
zirconi và hợp kim của nó xảy ra trên bình diện vĩ mô là sự thay đổi các đặc trưng
cơ học của vật liệu này dưới ảnh hưởng của nơtron nhanh và bởi sự giòn hóa vật
liệu, có liên quan với sự hấp thụ hydro và kết tủa zirconi hydrua.
Nhìn chung, dưới tác dụng của bức xạ năng lượng cao, trong vỏ bọc hợp kim
có tạo thành hai dạng hư hại bức xạ chính đó là hư hại do thiếu hụt (các vùng trống,
các lỗ trống, lệch mạng thiếu hụt, cụm lệch mạng dạng lỗ trống) hoặc hư hại do dư
thừa nguyên tử mạng lưới tinh thể (các nguyên tử vật liệu xen mạng, cụm lệch
mạng kiểu chèn) (Hình 2.4).

Hình 2. 4. Các khuyết tật trong mạng lưới làm thay đổi tính chất vật liệu [13]

9


2.3. Đặc trưng cơ nhiệt đối với thanh nhiên liệu
2.3.1. Sự phân bố nhiệt độ trong thanh nhiên liệu [7]
Trong quá trình vận hành một lượng lớn năng lượng phát ra trong nhiên liệu
và truyền cho chất tải nhiệt. Giả thiết năng lượng phát ra trong một đơn vị thể tích
nhiên liệu là hằng số và thanh nhiên liệu dài tới mức độ dẫn nhiệt theo chiều dài
được bỏ qua, phân bố nhiệt độ có thể tính được từ công suất (p, W/m 3) theo phương
trình sau:
T(r) = T(rf) + p.(rf2 – r2).(4.kf)-1

(2.3)

Trong đó, T(r) là nhiệt độ (oC) tại bán kính r (m) bên trong thanh nhiên liệu,



2.4. Đặc trưng thủy nhiệt động đối với thanh nhiên liệu
Những vấn đề nhiệt thủy lực cơ bản trong lò phản ứng thường được nhắc tới
là:
- Chế độ dòng chảy đối với chất lỏng hai pha;
- Thông lượng nhiệt tới hạn (CHF);
- Lưu lượng tới hạn hai pha (TPCF);
- Các nguyên lý nhiệt động học;
- Các phương trình mô phỏng và thuật toán giải chúng.
Khả năng tải nhiệt vùng hoạt của chất lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
hình dạng của nhiên liệu, các tính chất của chất lỏng (hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung
riêng, mật độ, độ nhớt), các tính chất dòng chảy (vận tốc của chất lỏng, sự phân bố
của chất lỏng), vật liệu làm nhiên liệu (hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, entanpy)
….
2.5. Đặc trưng quá trình oxy hóa và hydro hóa đối với thanh nhiên liệu [2]
2.5.1. Quá trình oxy hóa
Cơ chế oxy hóa vỏ bọc tương tự như với kim loại nói chung được đưa ra trong
Hình 2.7 dưới đây.
Vì tác nhân oxy hóa chủ yếu là nước (dạng hơi), phản ứng oxy hóa tạo ra một
lượng lớn khí hydro. Tốc độ sinh nhiệt do phản ứng oxy hóa trong vỏ bọc trở thành
đáng kể ở nhiệt độ cao hơn 1.200 oC. Tại nhiệt độ này, nhiệt oxy hóa trở thành lớn
hơn nhiệt phân rã để trở thành nguyên nhân chính làm tăng nhiệt độ nhiên liệu.
Phản ứng oxy hóa bên trong lớp vỏ thanh làm tăng nhanh nhiệt độ trong nhiên liệu
và chuyển vỏ bọc về dạng oxit ZrO2. Sự tăng trưởng nhanh màng oxit và sự hòa tan
gia tăng của oxi trong pha β-Zr tại nhiệt độ trên 1.200 oC làm mất tính dẻo trong vỏ
bọc là cơ sở đặt ra giới hạn chuẩn nhiệt độ vỏ bọc tối đa trong sự cố LOCA cơ sở là

12


Bắc Thái Bình Dương dưới sự quản lý của US.NRC để tính toán các đặc trưng của
thanh nhiên liệu LWR trong trạng thái dừng của lò phản ứng. Với các nội dung tính
toán trên, chương trình FRAPCON-3.5 được áp dụng với mục đích:
- Thẩm định độc lập các thiết kế thanh nhiên liệu của nhà chế tạo;
- Thẩm định độc lập các kết quả phân tích an toàn trong trường hợp
LOCA/RIA của nhà chế tạo nhiên liệu và đưa ra đánh giá an toàn;
- Cung cấp thư viện dữ liệu đầu vào của thanh nhiên liệu cho các chương trình
tính toán nơtronic hoặc phân tích chuyển tiếp;
- Nghiên cứu tính khả thi về việc tăng công suất và độ cháy nhiên liệu;
- Hỗ trợ vận hành.
3.1.2. Các giới hạn của chương trình FRAPCON-3.5
a. Mô hình hóa nhiên liệu của chương trình chỉ áp dụng được cho viên gốm
làm giàu urani (UO2; UO2-PuO2 (MOX) và UO2-Gd2O3) với vỏ bọc hợp kim zirconi
dưới các điều kiện của lò nước nhẹ và nước nặng.
b. Các mô hình nhiệt của chương trình dựa trên các phương trình và các điều
kiện trạng thái ổn định và tính toán với dòng nhiệt một chiều theo phương bán kính
(xuyên tâm).
c. Code FRAPCON-3.5 chỉ tính toán với các biến dạng nhỏ của lớp vỏ bọc
(


3.2.4. Lưu đồ tính toán của code
Hình 3.1 chỉ ra lưu đồ tính toán của code FRAPCON-3.5, được bắt đầu từ
phần thiết lập đầu vào (input), sau đó là các tính toán theo vòng lặp hội tụ và kết
thúc là truy xuất kết quả đầu ra (output).

Hình 3. 1. Lưu đồ tính toán của code FRAPCON-3.5 [3]

17


CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG THANH NHIÊN LIỆU TVS-2006
4.1. Đặc điểm thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006
Về cơ bản, cấu trúc thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 không có nhiều thay
đổi so với các thiết kế sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000, trong đó bao gồm
các phần đầu trên, đầu dưới và phần thân ống bằng lớp vỏ hợp kim zirconi E110
(Zr-1%Nb) (Hình 4.1).
Bảng 4.1 trình bày một số thông số thiết kế và Hình 4.1 mô tả đặc điểm của
thanh nhiên liệu TVS-2006.
Bảng 4. 1. Các thông số thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 [12]
Thông số

Giá trị

Viên gốm nhiên liệu UO2
Độ làm giàu (U235), %

1,6-2,0-2,4-3,0-3,6-4,0-4,4


Zr, % khối lượng

98,67-98,87

Nb, % khối lượng

0,9-1,1

O, % khối lượng

< 0,1

N, C, Si, Al, Mo, Ni, Fe, % khối lượng

< 0,13

18


Đường kính ngoài, mm

9,1±0,04

Đường kính trong, mm

7,73+0,06

Tính chất vật liệu (điều kiện tiêu chuẩn):
Nhiệt dung riêng, kJ/kg.oC



4033,0

Chiều cao cột nhiên liệu, mm

3730

Khối lượng nhiên liệu trong thanh, kg

1,712

Chiều cao vùng trống trong thanh, mm

252

Áp suất khí ban đầu, MPa

2,1

Thành phần khí:
He, % thể tích

> 99,99

Tạp chất, % thể tích

< 0,01

Vòng đệm:



20


- Phân tích các kết quả sử dụng đánh giá theo các tiêu chuẩn thiết kế được
chấp nhận.
4.3.2. Mô hình hóa thanh nhiên liệu TVS-2006
Thanh nhiên liệu TVS-2006 được mô hình hóa sử dụng chương trình
FRAPCON-3.5 dựa trên các thông số thiết kế, dữ liệu tham chiếu trong vận hành
thử nghiệm ở các tổ lò VVER-1000 và dữ liệu được đưa ra từ PSAR-AES2006.
4.4. Đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006
4.4.1. Kết quả tính toán cơ - nhiệt
Các phân tích kết quả tính toán cơ - nhiệt của thanh nhiên liệu TVS-2006 bao
gồm các tham số đặc trưng tin cậy về cơ - nhiệt đó là nhiệt độ cực đại của nhiên
liệu, tỷ lệ phát tán khí phân hạch và áp suất bên trong thanh nhiên liệu do các sản
phẩm khí phân hạch sinh ra.
Từ các kết quả tính toán và so sánh với kết quả từ PSAR và tiêu chuẩn cho
phép về đặc trưng cơ - nhiệt của thanh nhiên liệu TVS-2006 cho thấy các kết quả
theo tính toán đáp ứng khá tốt các tiêu chuẩn đưa ra và phù hợp tin cậy cơ - nhiệt
học của thanh nhiên liệu TVS-2006 trong vận hành. Tuy nhiên, áp suất trong thanh
nhiên liệu và độ bất định của nhiệt độ bề mặt bên ngoài lớp vỏ bọc là khá thấp. Điều
này có thể là do các thông tin không đầy đủ về lịch sử công suất thiết kế và các độ
bất định trong PSAR-AES2006. Do đó, kết quả này cần phải được xem xét thêm.
Ngoài ra, theo như giá trị áp suất được chỉ ra trong Bảng 4.2 thì giá trị áp suất bên
trong thanh nhiên liệu đưa ra trong PSAR là khá cao theo phản hồi kinh nghiệm vận
hành cũng như theo thiết kế với chiều dài cột nhiên liệu dài hơn. Thông số này
thường có giá trị nằm trong khoảng 10 - 12 MPa sau 4 chu kỳ vận hành chứ không
phải là 15,2 MPa. Điều này cần phải được đánh giá lại với các tính toán bổ sung
theo lịch sử công suất có độ tin cậy cao hơn.
Các kết quả tính toán về nhiệt độ, áp suất và tỷ lệ phát tán khí phân hạch được

toàn, K*

Biên
an
toàn
chuẩn,
[K]

467,84 1710,53 1860,15 3113,14

1,82

1,1

601,56

277,67

606,08

628,15

628,15

1,04

-

FGR, %



* K= Giá trị giới hạn/Cực đại

Hình 4. 2. Nhiệt độ trung bình tâm nhiên liệu theo chiều dọc thanh nhiên liệu

22


Hình 4. 3. Nhiệt độ bề mặt bên ngoài lớp vỏ bọc theo chiều dọc thanh nhiên liệu

Hình 4. 4. Lưới nhiệt độ trung bình của thanh nhiên liệu

23