MỤC LỤC
1
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ACC (Accumulators): Bế tích nước cao áp
ADS (Automatic Depressurization System): Hệ thống giảm áp tự động.
DVI (Direct Vessel Injection): Đường dẫn nước trực tiếp vào thùng lò
IRWRT (InContainment Refueling Water Storage Tank): Bể tr ữ n ước thay đảo nhiên liệu
boongke lò.
LOCA (Small Loss Of Coolant Accident): Sự cố mất nước làm mát nhỏ
PRHR (Passive Residual Heat Removal): Hệ thống tải nhiệt dư th ụ động PXS (Passive core
Cooling System): Hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động.
PWR (Pressurized Water Reactor): Lò phản ứng nước áp lực.
RCS (Reactor Cooling System): Hệ thống làm mát lò phản ứng.
TMI2 (ThreeMiles Island – 2): Tổ máy thứ 2 nhà máy điện hạt nhân Three Miles Island.
U.S NRC (United States Nuclear Regulatory Commission): Ủy ban pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ
2
MỞ ĐẦU
Do nhu cầu điện năng tăng cao, năm 2009, Quốc hội đã phê duyệt chủ trương xây dựng
hai nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở nước ta, ở Ninh Thuận, theo công nghệ do Liên bang Nga
(gọi là Ninh Thuận 1) và Nhật Bản (gọi là Ninh Thuận 2) đề xuất. Dự kiến công nghệ đề xuất
cho Ninh Thuận 2 có thể là AP1000. Vì vậy, Luận văn này đã chọn một nội dung nghiên cứu
liên quan đến AP1000.
AP1000 là lò phản ứng hạt nhân thuộc loại PWR (lò nước áp lực) của Tập đoàn
Westinghouse. Đây là loại lò có nhiều cải tiến theo hướng an toàn thụ động (Advanced Passive)
nhiên liệu và thùng lò được sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới và được kiểm chứng qua nhiều
năm với độ tin cậy cao khi vận hành, các thành phần chính của AP1000 được giới thiệu ở Hình
1.1
AP1000 thiết kế hướng tới sự an toàn cao và hiệu suất tối ưu. Hệ thống an toàn được
thụ động hóa bằng việc sử dụng các lực tự nhiên: Áp suất, trọng lực và đối lưu. Bên cạnh đó
các tác động điều hành phức tạp để điều khiển sự an toàn được giảm thiểu.
Vùng hoạt AP1000 bao gồm 157 bó nhiên liệu, chiều dài 4.3 m, sắp xếp theo mảng
17 17. Vùng hoạt AP1000 gồm ba lớp xuyên tâm có độ giàu khác nhau; độ giàu của nhiên liệu
theo dải từ 2.35 đến 4,8%. Thiết kế một chu kỳ nhiên liệu của vùng hoạt là 18 tháng với yếu
tố công suất là 93%, tốc độ trung bình lớp phát ra cao cỡ 60000 MWD/t, các thông số chính của
AP1000 Bảng 1.1.
Bảng 1. Các thông số chính của lò AP1000
Thông số
Công suất điện, MWe
1117
Công suất nhiệt, MWt
3400
Áp suất vận hành lò phản ứng, MPa
15.5
Nhiệt độ chân nóng, °C (°F)
Số bó nhiên liệu
Kiểu bó nhiên liệu
Chiều dài hoạt động thanh nhiên liệu, m (ft)
Hệ số tuyến tính nhiệt, kw / ft
một bình điều áp cho cả hai hệ thống đơn.
Hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động PXS (Passive Core Cooling System) đảm bảo quá
trình làm mát vùng hoạt khi xảy ra những sự cố. PXS tải nhiệt dư từ vùng hoạt, bơm nước cấp
cứu và giảm áp suất mà không cần dùng một thiết bị tác động nào như máy bơm hay nguồn
điện. PXS dùng 3 nguồn nước để làm mát vùng hoạt là bể bù nước vùng hoạt CMT (Core
Makeup Tank), bể tích nước cao áp ACC (Accumulators) và bể tích nước thay đảo nhiên liệu
IRWST (Incontainment Refueling Water Storage Tank).
Hệ thống CMT thay thế hệ thống phun an toàn áp suất cao HPSI ( High Pressure Safety
Injection) của những loại lò phản ứng hạt nhân PWR thông thường. CMT cung cấp nước trộn
5
với axit boric dưới áp suất cao và dẫn dung dịch axitboric theo hai đường song song. CMT được
thiết kế để hoạt động dưới mọi áp suất của hệ thống sơ cấp nhờ sự tác động của trọng lực do
được đặt cao hơn những đường ống của hệ thống làm mát lò phản ứng RCS. Một đường điều
chỉnh áp suất nối chân lạnh với đỉnh của CMT và đường ống ra kết nối phần dưới của CMT
qua đường dẫn nước trực tiếp vào thùng lò DVI (Direct Vessel Injection).
ACC của AP1000 giống như ACC của những lò phản ứng hạt nhân PWR thông thường.
ACC có dạng hình cầu chứa ¾ nước lạnh có axit boric và chịu áp suất nén bởi khí nitơ. Đường
ống ra của ACC được kết nối với hệ thống DVI. Một cặp van kiểm tra (check valves) ngăn
chặn nước trong ACC khi vận hành bình thường. Khi áp suất giảm xuống dưới áp suất của
ACC (cộng với áp suất của van kiểm tra), nước sẽ được đưa vào phần dưới của vùng hoạt
downcomer qua DVI.
Hình 1. Hệ thống làm mát lò phản ứng AP1000
PXS còn có hệ thống tải nhiệt dư thụ động PRHR (Passive Residual Heat Removal),
được thiết kế để tải nhiệt dư của RCS trong quá trình sự cố. PRHR nằm trong IRWST ở chiều
cao trên vùng hoạt. Đường ống dẫn vào của PRHR được kết nối với một chân nóng trong khi đó
Một đầu phun giảm áp, 2 đầu ra van an toàn và van giảm áp được đặt ở đầu trên, bộ gia
nhiệt dùng điện được bố trí ở đầu dưới và có thể tháo rời để thay thế. Đầu dưới bao gồm một
vòi gắn với đường nối bình điều áp với chân nóng. Trong quá trình co và giãn nở nhiệt hệ thống
chất làm mát, dòng chất làm mát đi vào và đi ra khỏi bình điều áp thông qua đường nối này. Cấu
tạo bình điều áp lò phản ứng AP1000 được thể hiện qua Hình 1.5.
1.2.2. Van an toàn của bình điều áp
Hai van an toàn của bình điều áp là loại van tự dẫn động, tải lò xo có chức năng giảm áp.
Các van này được đặt ở nắp bình điều áp. Khi áp suất hệ thống vượt quá áp suất phát động của
các van này, thì áp suất sẽ được xả vào boongke lò. Áp suất phát động của van là 17,23 MPa.
Áp suất phát động và khả năng kết hợp của chúng được thiết lập dựa trên nguyên tắc áp suất
hệ thống chất làm mát lò phản ứng không được vượt quá giới hạn áp suất tối đa trong điều
kiện vận hành mức B mất tải nhất thời (110% của 17,23MPa).
8
Hình 1. Hệ thống giảm áp thụ động trong lò phản ứng AP1000
Kích thước van an toàn của bình điều áp được thiết kế dựa trên phân tích sự cố mất toàn
bộ dòng hơi nước đến tuabin khi lò phản ứng đang vận hành ở công suất 102%. Tốc độ xả của
van được yêu cầu ít nhất là bằng tốc độ dòng lớn nhất từ đường ống nối bình điều áp với chân
nóng vào bình điều áp trong suốt quá trình chuyển tiếp sự cố này.
1.2.3. Hệ thống van giảm áp tự động ADS
Một số chức năng của hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động của lò AP1000 được thiết
kế dựa trên việc giảm áp của hệ thống chất làm mát lò phản ứng. Chức năng này được thực
hiện nhờ các van giảm áp thụ động ADS (Automatic Depressurization System). Các van giảm áp
tự động gắn với bình điều áp được sắp xếp thành 6 bộ song song, mỗi bộ gồm 2 van nối tiếp
mở theo 3 giai đoạn. Khi áp suất hệ thống vượt quá áp suất phát động của các van này, thì hơi
nước sẽ được xả vào bể chứa trữ nước tiếp nhiên liệu trong boongke lò IRWRT (In
680
Đường kính đường nối bình điều áp với chân nóng (in)
18
Chiều dày thành đường nối bình điều áp với chân nóng (in)
1,78
Đường kính đường ống phun giảm áp (in)
4
Áp suất van phun giảm áp (bắt đầu mở, MPa)
15,68
Áp suất van phun giảm áp (mở hoàn toàn, MPa)
16,03
Bảng 1. Các thông số thiết kế của van an toàn của bình điều áp
Số lượng
2
Đường kính đầu van an toàn (in.)
14
động lượng và năng lượng cho hai pha nước và hơi/khí trong hệ thống không cân bằng. Trong
trường hợp cụ thể, kết hợp với điều kiện biên các phương trình cơ bản được thiết kế để giải
quyết các biến số phụ thuộc, trong đó có áp suất (P), nội năng theo pha (Ug, Uf), tỷ lệ khối
lượng pha (αg, αf), vận tốc dòng các pha (Vg, Vf), chất lượng hơi (Xn) và nồng độ Boron (ρb).
2.2. Cấu trúc của chương trình RELAP5
2.2.1. Cấu trúc của chương trình
Chương trình RELAP5 có cấu trúc “trên – xuống” và được tổ chức theo dạng môđun thể
hiện trong Hình 2.1
Hình 2. Cấu trúc chương trình RELAP5
Cấu trúc chương trình ở mức cao nhất được chia thành 3 khối:
+
INPUT: Có nhiệm vụ đọc file Input,kiểm tra và xử lý dữ liệu nhập vào (New, Restart,
Initialization…)
+
STRIP: Trích dữ liệu từ tệp RESTART.
+
TRNCTL: Có nhiệm vụ lựa chọn giải bài toán thủy nhiệt ở chuyển tiếp hay trạng
thái dừng.
2.2.2. Cấu trúc tệp dữ liệu đầu vào
Tệp dữ liệu đầu vào của RELAP5 mô tả toàn bộ các thuộc tính của hệ thống thủy nhiệt
cần tính toán. Do đó, trước khi viết tệp dữ liệu đầu vào cần thu thập toàn bộ số liệu và hệ
CCCXXNN
Dữ liệu cấu trúc thủy động
1CCCGXNN
Dữ liệu cấu trúc nhiệt
6SSNNXXX
Mô hình bức xạ
201MMMNN
Thuộc tính của cấu trúc nhiệt
202TTTNN
20300000 – 20349999
Bảng dữ liệu chung
Hình vẽ yêu cầu
205CCCNN
Thành phần điều khiển hệ thồng
30000NNN
Dữ liệu động học lò
500 – Nút giữa chân nóng và đường nối bình điều áp với chân nóng, được mô
phỏng bằng một môđun dạng nút đơn phụ thuộc thời gian;
13
501 – Đường nối bình điều áp với chân nóng, được mô phỏng bằng một môđun
dạng ống;
502 – Nút giữa bình điều áp với đường nối bình điều áp với chân nóng, được mô
phỏng bằng một môđun dạng nút đơn;
503 – Bình điều áp, được mô phỏng bằng một môđun dạng ống. Đoạn bình
hình trụ chứa nước được chia thành 6 đoạn có chiều cao như nhau và đoạn bình
hình trụ chứa hơi nước được chia thành 7 đoạn có chiều cao như nhau;
540 Van an toàn của bình điều áp, được mô phỏng bằng một môđun dạng van
điều khiển;
541 Bể chứa nước sau van an toàn của bình điều áp, được mô phỏng bằng một
môđun dạng đơn khối phụ thuộc thời gian;
550, 551, 552 – Các van giảm áp tự động giai đoạn 1, 2 và 3 của bình điều áp,
được mô phỏng bằng các môđun dạng van môtơ;
553, 554, 555 – Bể chứa nước sau van xả an toàn của bình điều áp, được mô
phỏng bằng một môđun dạng đơn khối phụ thuộc thời gian;
511 – Van của hệ thống phun giảm áp của bình điều áp, được mô phỏng bằng
một môđun dạng van điều khiển;
H = 607 inch = 15,4178 m
Đường kính trong
90 in.
Di = 90 inch = 2,286 m
Tiết diện
15,4178 m
2,286 m
S = Di2 x π /4 = 4,1022 m2
4,1022 m2
Thể tích
2.100ft3
V = 2.100 ft3 = 59,4654 m3
59,4653 m3
Thể tích nước
1.000ft3
Sn = Vn/Hn = 3,2821 m2
3,2821m2
Dn= (4Sn/3,14)1/2 = 2,0448 m
2.0448m
Hhơ i= (VhơiVn)/S = 6,6094 m
6,6094m
Đường kính nắp quy
đổi
(*)
Chiều cao phần thân
chứa hơi nước
Chiều cao phần thân
và nắp
14,192m
14,192m
Chiều cao phần thân
Htn = 14,192 – Hhơi – Hn
2,2551 m3
1,2258m
Tiết diện đáy quy
đổi
(*)
Đường kính đáy quy
đổi(*)
Sđ=Vđ/Hđ=3,3742 m2
3,3742 m2
Dđ=(4Sđ/3,14)1/2 = 2,0732 m
2,0732 m
: Các thông số của nắp và đáy bình điều áp sau khi đã được quy đổi thành hình trụ với
(*)
thể tích và chiều cao của nắp và đáy bình điều áp không đổi.
Trong mô phỏng, đoạn ống hình trụ chứa nước được chia thành 6 đoạn nhỏ hơn có
chiều cao như nhau và đoạn ống hình trụ chứa hơi nước được chia thành 7 đoạn nhỏ hơn có
chiều cao như nhau.
Chiều cao mỗi đoạn nhỏ của phần chứa nước là: hn =6,3531 /6 = 1,0589m
3
4
5
16
(kg/m3)
∆H
∆P (Pa)
P (Pa)
T (K)
594,89
0,6129
3646,0808
15447504,3562
595,05
1,14235
6797,5537
15421796,0133
617,50
617,6
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
595,53
1,0589
6306,0672
15415489,9461
617,47
595,65
0,9442
5627,1487
15392304,0891
617,34
596,07
0,9442
5628,0929
15386675,9961
617,32
596,18
0,9442
5629,1316
15381046,8646
617,29
596,28
Giá trị thông số
Thông số
Giá trị
thu thập
Đường kính trong
Tiết diện
14 in.
Giá trị đưa vào RELAP
Giá trị đổi đơn vị
Di=14 inch =0,3556 m
0,3556 m
S = Di2*π/4 = 0,0993 m2
0,0993m2
Bảng 2. Thông số thủy nhiệt của van an toàn
Giá trị thông số
Thông số
Nhiệt độ
17
Sau khoảng 30 giây thì áp suất trong bình điều áp đã đạt được trạng thái dừng. Áp suất
bình điều áp ở trạng thái dừng cỡ 15,47 MPa phù hợp với giá trị lý thuyết là 15,51 MPa Hình 3.1.
Nhiệt độ nước và hơi bão hào trong bình điều áp cỡ 617,75 độ K Hình 3.2. Ngoài ra, xem xét
hoạt động của các van tiêm, van an toàn, van giảm áp thụ động thì chúng được đóng hoàn toàn.
19
Hình 3. Nhiệt độ nước và hơi trong bình điều áp ở trạng thái dừng
3.2. Kết quả ở trạng thái chuyển tiếp
Bảng 3. Diễn biến các sự cố
Sự kiện
Van an toàn bình điều áp mở vô ý
0.0
Áp suất giảm đến tín hiệu dập lò
18.55
Hạ thanh điều khiển dập lò
20.55
Bắt đầu bơm nước vào vùng hoạt
23.23
Kết thúc thời gian nghiên cứu
này áp suất bình điều áp cũng giảm nhanh hơn giai đoạn trước nên đường cong áp suất có độ
dốc lớn hơn Hình 3.3.
So sánh kết quả tính toán sự cố vô ý mở van an toàn bình điều áp của của luận văn và
tính toán của U.S NRC[2] ta hai kết quả là khá giống nhau Hình 3.3 và Hình 3.4. Cụ thể đường
đồ thị áp suất trong cả hai kết quả có dạng tương đồng, ta có thể phân tích thành 3 đoạn theo
thời gian. Đầu tiên, từ 0 giây đến khoảng 23 giây đường đồ thị áp suất giảm đều. Thứ hai, từ 23
giây trở đi tới khoảng 28 giây thì áp suất giảm mạnh hơn – đường đồ thị áp suất dốc hơn đoạn
trước đó. Thứ ba, từ giây thứ 28 tới khi kết thúc thời gian khảo sát (35 giây) áp suất vẫn giảm
nhưng không còn giảm nhanh như trước đó nữa, đường đồ thị đỡ dốc hơn. Ngoài ra, đường đồ
thị áp suất của luận văn Hình 3.3 không hoàn toàn trơn và có sai lệch không đáng kể so với
đường đồ thị áp suất của NRC Hình 3.4 vì trong luận văn chỉ mô phỏng được riêng bình điều áp
mà chưa mô phỏng được các thành phần khác của nhà máy. Luận văn xem các thông số liên
quan tới các thành phần khác là điều kiện biên và các điều kiện biên được lựa chọn theo Bảng
3.2.
Bảng 3. Lựa chọn điều kiện biên (lối vào chân nóng)
23
Thời gian (s)
Nhiệt độ (K)
Áp suất (MPa)
0
617
15,61
cũng thấy có sai số nhỏ giữa tính toán của luận văn và của U.S NRC. Sai số này là do điều kiện
ban đầu, điều kiện biên và phần mềm tính trong luận văn và U.S NRC.
Hình 3. Nhiệt độ hơi nước và nước trong bình điều áp
24
KẾT LUẬN
Luận văn đã mô phỏng thành công bình điều áp lò AP1000 bằng chương trình tính toán
thủy nhiệt RELAP5 tại trạng thái dừng và trạng thái chuyển tiếp khi xảy ra sự cố vô ý mở van
an toàn.
Luận văn đã thực hiện được các tính toán liên quan đến áp suất, nhiệt độ của bình điều
áp trong trạng thái dừng và chuyển tiếp.
Kết quả tính toán cho thấy, dữ liệu đầu vào của bình điều áp là phù hợp với kết quả
của những nghiên cứu trước đó, có thể sử dụng làm cơ sở để hoàn thiện xây dựng dữ liệu đầu
vào cho toàn bộ lò AP1000 và thực hiện các phân tích an toàn khác.
Kiến nghị: Tiếp tục nghiên cứu để hoàn thiện mô phỏng toàn bộ lò AP1000, để có thể
hỗ trợ công tác thẩm định an toàn nếu công nghệ AP1000 được chính thức đề xuất cho dự án
điện hạt nhân Ninh Thuận 2.
25
Copyright: Tài liệu đại học ©