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
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

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]

4


STT

Thông số

Giá trị

1

Công suất nhiệt, MWt

3.200

2

Công suất điện tổ lò, MWe

1.198,8


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

11

Áp suất hơi, MPa

12

Nhiệt độ nước cấp, oC

13

Số bó thanh nhiên liệu (FA) trong vùng hoạt

163


Lưu lượng chất làm mát (tại nhiệt độ lối vào), m3/hr

20

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]

6




2.2. Đặc trưng 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
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).

9


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




Hình 2. 6. Sự thay đổi vi cấu trúc nhiên liệu UO2 phụ thuộc nhiệt độ
và độ cháy nhiên liệu [19]
2.3.3. Quá trình mỏi và rão hóa vật liệu [8] [11]
Phần lớn các sự cố kỹ thuật gây ra bởi quá trình mỏi của vật liệu. Hư hỏng do
mỏi được định nghĩa là xu hướng của một vật liệu bị gãy hỏng do các vết nứt phát
triển khi lặp lại ứng suất có cường độ thấp hơn nhiều so với ứng suất phá hỏng. Ở
nhiệt độ cao và ứng suất hoặc tải trọng không đổi, nhiều vật liệu tiếp tục biến dạng
với tốc độ chậm. Hiện tượng này được gọi là rão vật liệu. Tại một ứng suất và nhiệt
độ không đổi, tốc độ rão gần như không đổi trong một thời gian dài.
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);

12


- 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

thông số vật liệu quan trọng nhất phải được đánh giá trong các thử nghiệm cơ học là
độ dẻo vật liệu, tức là khả năng của vật liệu biến dạng dẻo mà không bị hư hỏng.
Thường thì sự tăng tốc độ biến dạng và giảm nhiệt độ thử nghiệm sẽ làm giảm độ
dẻo của vật liệu.

15


CHƯƠNG 3. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIÊN LIỆU FRAPCON-3.5
3.1. Tổng quan chương trình FRAPCON-3.5 [3] [4]
3.1.1. Mục tiêu tính toán của chương trình FRAPCON-3.5
FRAPCON-3.5 là code được phát triển bởi Phòng Thí nghiệm Quốc gia Tây
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

- Mô đun điều khiển ($FRPCN);
- Mô-đun mô tả thiết kế và vận hành ($FRPCON);
-Mô-đun các tùy chọn mô hình đánh giá ($EMFPCN);
- Mô-đun phân bố đồng vị plutoni ($FRPMOX).
3.2.3. Mô hình chính của code FRAPCON-3.5
Các mô hình chính trong code FRAPCON-3.5 sử dụng để tính toán các đặc
trưng của thanh nhiên liệu trong quá trình vận hành. Trong đó, bao gồm mô hình cơ
học, mô hình nhiệt động, mô hình phát tán khí phân hạch và mô hình oxy hóa hydro hóa của lớp vỏ bọc. Trong từng mô hình của code có thể có nhiều tùy chọn
mô hình khác nhau nhưng trong giới hạn luận văn này chỉ trình bày về các mô hình
được lựa chọn sử dụng trong áp dụng tính toán cụ thể.
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

17


thúc là truy xuất kết quả đầu ra (output).

18


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


Đường kính lỗ trống ở tâm, mm

1,2+0,2

Chiều cao viên gốm, mm

9,0-12,0

Lớp vỏ bọc nhiên liệu (Zr-1%Nb, E110)
Thành phần hợp kim:
Zr, % khối lượng

98,67-98,87

Nb, % khối lượng

0,9-1,1

O, % khối lượng

< 0,1

19


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

< 0,13



380-440/360-420

Giới hạn đàn hồi (theo trục/theo bán kính), MPa

210-260/320-390

Thanh nhiên liệu
Hình dạng thiết kế

Xem Hình 4.1

Tổng chiều dài thanh, mm

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


Hình 4. 1. Thanh nhiên liệu hạt nhân TVS-2006 [12]
4.2. Tiêu chuẩn chấp nhận sử dụng trong phân tích [12]
Trong nội dung luận văn này trình bày các tiêu chuẩn chấp nhận của Liên
Bang Nga sử dụng để đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu và cơ bản được đưa ra theo
4 tiêu chuẩn giới hạn bao gồm: Tiêu chuẩn về độ bền (Strength Criteria - SC), tiêu
chuẩn về độ biến dạng (Deformation Criteria - DC), tiêu chuẩn về nhiệt - vật lý
(Thermal physic Criteria - TC) và tiêu chuẩn về ăn mòn (Corrosion Criteria - KC).
4.3. Phương pháp phân tích và mô hình hóa [10] [24]
4.3.1. Phương pháp phân tích
- Xây dựng mô hình hóa FRAPCON-3.5 đối với thanh nhiên liệu TVS-2006
sử dụng dữ liệu thiết kế từ Hồ sơ phân tích an toàn sơ bộ PSAR-AES2006;
- Giả định hoặc lấy xấp xỉ các thông số chưa đầy đủ trong input đầu vào và
thực hiện tính toán sử dụng chương trình FRAPCON-3.5;
- 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

21




Cực đại PSAR

Giá trị
giới
hạn

Biên dự
trữ an
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

5,69

15,9

16,2

2,85

1,1

* K= Giá trị giới hạn/Cực đại

22


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

23