Tổng quan về lò phản ứng VVER
Sự phát triển của công nghệ VVER
VVER hay WWER (Water-Cooled Water-Moderated Energy Reactor) là lò phản ứng năng lượng nước - nước do Liên Xô (cũ) thiết kế từ những năm 1950 Công nghệ lò phản ứng VVER có nhiều phiên bản với công suất từ 300 MWe đến 1700 MWe, sử dụng nước nhẹ vừa làm chất làm chậm vừa là chất tải nhiệt, tương tự như các lò phản ứng nước áp lực khác.
Lò phản ứng VVER, thế hệ đầu tiên được phát triển từ những năm 1960 tại Liên Xô, đã chứng kiến sự ra đời của lò VVER-210 đầu tiên vào năm 1964 tại nhà máy điện Novovoronezh, với công suất 210 MWe Tiếp theo, lò VVER-365 với công suất 365 MWe được hoàn thiện vào năm 1969, cùng lúc với sự phát triển của lò VVER-440 với nhiều cải tiến Các lò VVER-440 đầu tiên, Unit 3 và 4, được xây dựng vào năm 1971 và 1972 Công nghệ lò phản ứng VVER nổi bật với thiết kế thanh nhiên liệu hình lục giác, sử dụng hợp kim Zr-Ni cho vỏ bọc thanh nhiên liệu, và bình sinh hơi nằm ngang nhằm đảm bảo an toàn trước các nguy cơ như ăn mòn cơ học và nứt gãy do ứng suất Hệ thống không có ống dẫn vào/ra ở đỉnh thùng lò và sử dụng bình điều áp lớn để tăng cường an toàn cho lò phản ứng nhờ vào khả năng tích trữ nước làm mát.
Các phiên bản cải tiến của lò phản ứng VVER-440, như V-230, đã giảm số thanh điều khiển từ 73 xuống 37 nhờ vào việc sử dụng Boron trong nước tải nhiệt Từ 1973 đến 1982, khoảng 14 lò phản ứng V-230 đã được xây dựng, với 6 vòng làm mát sơ cấp và hệ thống an toàn dư gấp đôi VVER-440/V-213 là một phiên bản cải tiến khác, được trang bị hệ thống an toàn khẩn cấp (ECCS) và hệ thống cấp nước phụ trợ (AFS) Lò phản ứng VVER-1000, với công suất 1000 MWe, có nhiều cải tiến so với các thế hệ trước, bao gồm hệ điều khiển tự động và hệ thống an toàn thụ động Thiết kế của VVER-1000 tích hợp các hệ thống an toàn chủ động và thụ động, theo tiêu chuẩn của các lò phản ứng hạt nhân thế hệ III Phiên bản VVER-1000/V-320 được coi là tiêu chuẩn cho công nghệ VVER-1000, và là cơ sở tham khảo cho nghiên cứu luận án này.
Dựa trên kinh nghiệm thiết kế và vận hành các lò VVER-1000/V-320, Liên Bang Nga đã phát triển các thiết kế mới như VVER-1000/V-428, VVER-1000/V-392 và VVER-1000/V-421, với nhiều cải tiến về độ tin cậy, an toàn và tính kinh tế Công nghệ lò phản ứng nước nhẹ VVER đã được áp dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia, bao gồm Nga, các nước thuộc Liên bang Xô Viết cũ, cũng như Trung Quốc, Phần Lan, Đức, Hungary, Slovakia, Bulgaria, Ấn Độ, Iran và một số quốc gia khác đang có kế hoạch phát triển điện hạt nhân bằng công nghệ VVER.
Các lò phản ứng nước nhẹ VVER-1000, bao gồm các phiên bản VVER-1000/V-320, VVER-1000/V-428 và VVER-1000/V-392, được phát triển dựa trên việc phân tích và đánh giá kinh nghiệm thiết kế, xây dựng và vận hành từ Viện thiết kế OKB.
Viện thiết kế OKB Gidropress đã nghiên cứu và phát triển hệ thống an toàn thụ động cho thiết kế mới thuộc thế hệ III +, cụ thể là VVER-1200.
Các cải tiến của thiết kế VVER-1200 mới nhất bao gồm tối ưu cấu trúc hệ thống với sự kết hợp giữa an toàn thụ động và chủ động, tối ưu thông số vận hành, tăng áp suất thứ cấp của bình sinh hơi, và cải tiến vật liệu chế tạo thiết bị chính cho phép thời gian vận hành lên đến 60 năm Ngoài ra, chu trình nhiên liệu được cải tiến với chu kỳ thay nhiên liệu lên đến 24 tháng, và độ cháy cực đại trong bó nhiên liệu đạt 70 MWd/kgU Vùng hoạt của lò phản ứng hạt nhân VVER-1200 có 163 bó thanh nhiên liệu và 121 thanh hấp thụ trong hệ thống bảo vệ và kiểm soát (CPSAR).
Bảng 1.1 cung cấp thống kê về các phiên bản lò phản ứng VVER, phản ánh sự phát triển của công nghệ theo thời gian và các quốc gia áp dụng công nghệ VVER.
Gen-I Gen-II Gen-III Gen-III+
Loại lò (Thiết kế) Loại lò (Thiết kế) Loại lò (Thiết kế) Loại lò (Thiết kế) VVER-210 (VVER-1) (Nga)
VVER-70 (VVER-2) (Đức) VVER-365 (VVER-3M) VVER-440 (V-179) VVER-440 (V-230) VVER-440 (V-270)
VVER-1000 (V-187) (Nga) VVER-1000 (V-302) (Nam Ukraine) VVER-1000 (V-338) (Nga, Ukraine) VVER-1000 (V-320) (Nga, Ukraine, Ukraine, Czech, Bulgaria)
VVER-440 (V-213) (Ukraine, Phần Lan, Hungari, Slovakia,
VVER-1000 (V-392) (Nga) VVER-1000 (V-446) (Iran) VVER-1000 (V-392B) (Nga) VVER-1000 (V-412) (Ấn độ) VVER-1000 (V-428) (T Quốc) VVER-640 (V-407) (Nga) VVER-1000 (V-466B) (Nga)
VVER-1200 (V-392M) (Nga) VVER-1000 (V-491) (Nga) VVER-1500 (V-448) (Nga) VVER-640 (V-407) (Nga) VVER-1000 (V-466B) (Bulgaria) VVER-1200 (V-392 M) (Trung Quốc)
Lò phản ứng VVER-1000
Hình 1.1: Hệ thống lò phản ứng VVER-1000 [26].
Hệ thống chính của lò phản ứng VVER-1000 bao gồm thùng lò, hệ thống tải nhiệt, bình sinh hơi, bơm tải nhiệt, ống tải nhiệt, bình điều áp và hệ thống làm mát khẩn cấp vùng hoạt Cấu trúc thùng lò phản ứng VVER-1000 được mô tả chi tiết, cùng với các thông số thiết kế chính của hai phiên bản V-320 và V-428 được trình bày trong bảng.
Vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 được cấu tạo từ 163 bó nhiên liệu UO2 với các mức độ giàu khác nhau, bao gồm 1,6 wt%, 2,4 wt%, 3,7 wt% và 4,4 wt% Các bó nhiên liệu có hình dạng lục giác được sắp xếp trong các ô mạng lục giác, với khoảng cách tâm giữa hai bó nhiên liệu là 23,6 cm Mỗi bó nhiên liệu có 331 vị trí cho các thanh nhiên liệu và ống dẫn, bao gồm 312 vị trí cho thanh nhiên liệu, 18 vị trí cho thanh điều khiển và 1 vị trí trung tâm cho thanh nước dùng trong thiết bị đo đạc Hệ thống điều khiển cơ học cho phép di chuyển các thanh điều khiển trong ống dẫn trong suốt quá trình vận hành của lò phản ứng.
Hình 1.2: Thùng lò phản ứng VVER-1000 [68].
Chất hấp thụ nơtrôn sử dụng trong lò phản ứng
1.2.1 Các chất hấp thụ nơtrôn phổ biến
Chất hấp thụ nơtrôn được sử dụng phổ biến trong các lò phản ứng LWRs bao gồm Gd2O3 và B4C, cùng với một số chất khác như CdO, Sm2O3, Eu2O3, Dy2O3, Er2O3 và HfO2 Những chất này có thể được áp dụng làm chất hấp thụ nơtrôn trong thiết kế bó nhiên liệu Trong dải năng lượng nhiệt của nơtrôn, các đồng vị như 10B, 113Cd và 149Sm có tiết diện hấp thụ lớn, góp phần quan trọng vào hiệu suất của lò phản ứng.
151Eu, 155Gd, 157Gd, 161Dy, 164Dy, 167Er và 177 Hf.
Hình 1.3 mô tả tiết diện hấp thụ nơtrôn của một số đồng vị hấp thụ Gd, B,
Thông số VVER-1000 Kiểu lò
V-320 V-428 Công suất nhiệt, MWt Áp suất vòng 1, MPa Áp suất vòng 2, MPa
Tốc độ dòng chảy nước tải nhiệt, m /h 3
Nhiệt độ nước tải nhiệt lối ra, Co
Tổng số bó nhiên liệu, pcs
Tổng số thanh hấp thụ trong cụm CPSAR, pcs
Tổng khối lượng Uranium, tấn Độ giàu U, wt%235
Thời gian vận hành lò (năm)
3000 15,7 6,27 86000 321 163 121 80 4,4 40 Bảng 1.2: Các thông số thiết kế cơ bản của lò phản ứng VVER-1000 [68].
Hình 1.4 so sánh tiết diện phản ứng hấp thụ nơtrôn của một số đồng vị trong dải năng lượng nơtrôn nhiệt, trong khi Bảng 1.4 liệt kê các chất hấp thụ nơtrôn phổ biến cùng với các tính chất vật lý của chúng Nhiệt độ nóng chảy của các chất hấp thụ này thường lớn hơn 2000oC, với giá trị thấp nhất là 1427oC đối với CdO, cao hơn nhiệt độ thanh nhiên liệu trong quá trình vận hành lò phản ứng Điều này đảm bảo rằng chất hấp thụ không bị nóng chảy khi được thiết kế gắn với các thanh nhiên liệu.
Boron, một chất hấp thụ phổ biến, thường được sử dụng trong các thanh điều khiển (B4C) hoặc dưới dạng axit Boric H3BO3 hòa tan trong nước tải nhiệt Trong một số thiết kế hiện tại, ZrB2 được áp dụng như một lớp phủ bên ngoài các viên nhiên liệu Các thiết kế thanh nhiên liệu tích hợp chất hấp thụ nơtrôn, được gọi là IBA (Integrated Burnable Absorber), không trộn lẫn chất hấp thụ với nhiên liệu UO2, giữ nguyên các tính chất truyền nhiệt của nhiên liệu so với các hỗn hợp truyền thống.
Boron, đồng vị có đóng góp quan trọng cho quá trình hấp thụ nơtrôn là
10B với tiết diện hấp thụ là 3844 b tại năng lượng 0,0253 eV [8].
Erbium đóng vai trò là chất hấp thụ trong một số thiết kế lò phản ứng PWR, với đồng vị 167Er có tiết diện hấp thụ nơtrôn đạt 650 b ở năng lượng nhất định.
0,0253 eV [8] Tuy nhiên, tiết diện hấp thụ của 167 Er nhỏ hơn nhiều so với tiết diện hấp thụ của
10B, 155 Gd hay 157 Gd - Hình 1.4 [62] Điều này làm cho tốc độ
Đồng vị 167 Er có tiết diện hấp thụ nơtrôn cao hơn so với các đồng vị Gd, B, Er và Dy, cho phép nó hấp thụ nơtrôn chậm hiệu quả hơn Điều này dẫn đến việc hàm lượng chất hấp thụ còn dư nhiều sau giai đoạn cháy, từ đó giúp kiểm soát độ phản ứng dư của nhiên liệu tươi Vì vậy, đồng vị 167 Er là lựa chọn phù hợp hơn cho các thiết kế chất hấp thụ nhằm điều khiển độ phản ứng trong thời gian cháy dài.
Trong quá trình hấp thụ nơtrôn, các đồng vị 149Sm và 151Eu chuyển hóa thành 155Gd và 157Gd Đồng thời, các đồng vị 161Dy và 164Dy cũng được chuyển hóa thành 167Er sau một số phản ứng bắt nơtrôn.
Isotope 177Hf có tiết diện hấp thụ nơtrôn thấp, nhưng sau khi hấp thụ nơtrôn, nó vẫn duy trì khả năng hấp thụ nơtrôn, dẫn đến việc hình thành chuỗi đồng vị hấp thụ dài, bao gồm cả 176Hf.
Các đồng vị hấp thụ dài như 177Hf, 178Hf, 179Hf và 180Hf chỉ phù hợp cho các thiết kế cần kiểm soát độ phản ứng trong thời gian cháy dài Đối với bó nhiên liệu VVER-1000, chất hấp thụ chủ yếu có vai trò điều khiển độ phản ứng trong giai đoạn cháy từ 0 đến 10 GWd/t Trong giai đoạn cháy sau, cần phải tính toán để đảm bảo hàm lượng chất hấp thụ còn dư.
Hình 1.4 so sánh tiết diện hấp thụ nơtrôn của một số đồng vị trong dải năng lượng nơtrôn nhiệt, cho thấy sự khác biệt giữa các đồng vị Việc lựa chọn đồng vị phù hợp là quan trọng để tránh sụt giảm độ phản ứng trong quá trình tương tác với nơtrôn.
Gd2O3 là chất hấp thụ nơtrôn phổ biến nhất trong các thiết kế bó nhiên liệu tích hợp chất hấp thụ (IBA), nhờ vào thành phần các đồng vị tự nhiên của nó Bảng 1.3 trình bày chi tiết về thành phần các đồng vị Gd có trong tự nhiên.
Việc sử dụng Gd2O3 làm chất hấp thụ nơtrôn trong thiết kế nhiên liệu giúp kiểm soát độ phản ứng dự trữ cao trong giai đoạn đầu của quá trình cháy nhiên liệu Điều này cũng góp phần duy trì sự phân bố công suất đồng đều trong vùng hoạt của lò phản ứng, nhờ vào tiết diện hấp thụ nơtrôn cao của các đồng vị.
155Gd và 157 Gd, và tỉ lệ các đồng vị này trong tự nhiên lớn (chiếm khoảng 30%) nên việc sử dụng
Gd2O3 dạng vi hạt được sử dụng để điều chỉnh độ phản ứng trong thời gian ngắn và dài thông qua việc tối ưu hóa kích thước hạt Luận án này tập trung vào việc cải tiến đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu VVER-1000 truyền thống bằng cách đề xuất sử dụng chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt Các đồng vị và độ phổ biến của chúng cũng được xem xét để nâng cao hiệu quả của nghiên cứu.
Bảng 1.4: Các thông số vật lý của một số chất hấp thụ nơtrôn [62].
Chất hấp thụ nơtrôn B 4 C CdO Sm 2 O 3 Eu 2 O 3 Gd 2 O 3 Dy 2 O 3 Er 2 O 3 HfO 2 Đồng vị hấp thụ chính 1 0 B 113 Cd 149 Sm 151 Eu 155 Gd, 157 Gd 161 Dy, 164 Dy 167 Er 177 Hf
Thành phần đồng vị hấp thụ (wt%)
Quóng đường tự do trung bỡnh (àm) a
18,6 9,68 4164,6 2758 α - Tại vùng năng lượng lân cận nơtrôn nhiệt E n = 0,0253 eV
1.2.2 Tiết diện hấp thụ hiệu dụng
Tiết diện hấp thụ vĩ mô của chất hấp thụ thay đổi theo thời gian cháy và phụ thuộc vào cách phân bố của chất hấp thụ Khi chất hấp thụ nơtrôn được phân bố đồng đều, tiết diện hấp thụ vĩ mô hiệu dụng theo thời gian có thể được tính toán.
0 Φ (t) dt (1.1) với σ a là tiết diện hấp thụ vi mô; N 0 và N (t) là mật độ hạt nhân ban đầu và tại thời điểm t; Φ(t) là thông lượng nơtrôn.
Khi sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt, nếu bán kính của chúng nhỏ hơn nhiều so với quãng đường tự do trung bình của nơtrôn nhiệt trong môi trường bên ngoài và lớn hơn nhiều so với quãng đường tự do trung bình của nơtrôn bên trong hạt hấp thụ, các hạt này sẽ hấp thụ toàn bộ nơtrôn tương tác với bề mặt của chúng Do đó, các hạt hấp thụ có thể được xem như vật hấp thụ đen, và tiết diện hấp thụ hiệu dụng sẽ tương ứng với tiết diện hình học, được mô tả qua công thức.
(t) = n P ã π ã R 2 (1.2) với n P là số vi hạt chất hấp thụ; R là bán kính của vi hạt chất hấp thụ.
Trong quá trình cháy nhiên liệu, lớp ngoài cùng của vi hạt chất hấp thụ sẽ cháy trước Để đơn giản hóa, giả sử rằng bán kính các hạt giảm dần theo độ sâu cháy, giữ cho mật độ số nguyên tử bên trong các hạt đồng nhất Cân bằng giữa tốc độ hấp thụ và suy giảm của chất hấp thụ dẫn đến việc thu được một phương trình vi phân.
Tích phân phương trình 1.3 và thay vào phương trình 1.2 ta thu được tiết diện hấp thụ hiệu dụng cho các hạt hấp thụ đen: Φ (t) dt a
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 2.2 Phương trình vận chuyển nơtrôn
Mô hình hình học ngẫu nhiên
Mô hình hình học ngẫu nhiên (Statistic Geometry Model - STGM) trong chương trình MVP được áp dụng để mô tả sự phân bố ngẫu nhiên của các hạt Gd 2 O 3 trong thanh nhiên liệu, phục vụ cho thiết kế cải tiến bó nhiên liệu VVER-1000 Quá trình mô phỏng STGM giúp xác định vị trí của các vi hạt thông qua mẫu phân bố thống kê theo quỹ đạo bay của nơtrôn trong không gian phân bố của vi hạt, được gọi là hàm phân bố lân cận gần nhất (Nearest Neighbor Distribution - NND).
Chương trình MCRDF và MVP có thể áp dụng lý thuyết phân bố NND dựa trên giả thuyết thống kê đồng nhất để mở rộng phân bố NND Cụ thể, công thức tính phân bố NND là d dr (N N D (r)) = 3.
Với f p là tỷ lệ thể tích (packing fraction), r là khoảng cách từ vị trí tham chiếu trên một đơn vị của đường kính nhiên liệu cầu.
Mô hình hình học thống kê được tích hợp vào MVP/GMVP nhằm mô phỏng phân bố ngẫu nhiên của các hạt nhiên liệu trong lò phản ứng nhiệt độ cao (HTR) và Pebble Bed Reactor Nhóm nghiên cứu của Murata và cộng sự là những người đầu tiên áp dụng mô hình này trong các chương trình Monte Carlo, tiếp theo là phát triển các chương trình MCNP-CFP và MCNP-BALL Chương trình MVP/GMVP sử dụng mô hình hình học thống kê dựa trên nguyên lý tương tự như MCNP-CFP.
Tính toán cháy với MVP_BURN
Chương trình MVP_BURN tích hợp tính toán cháy từ chương trình MVP năng lượng liên tục và module BURN, sử dụng phương pháp Bateman cải tiến để giải quyết các bài toán cháy nhiên liệu Kết quả mang lại là tốc độ của các phản ứng như phản ứng bắt tiết diện vi mô, phản ứng phân hạch và phản ứng (n,2n) MVP_BURN, được phát triển vào nửa sau thập niên 1990, đã trở thành công cụ phổ biến và hữu ích trong việc xử lý các bài toán cháy phức tạp Các phiên bản tiếp theo của MVP_BURN mở rộng bộ thư viện dựa trên dữ liệu hạt nhân khác nhau, khẳng định tính hiệu quả trong tính toán Khi sử dụng MVP, người dùng có thể định nghĩa mô hình hình học và thành phần vật liệu, từ đó tính toán tốc độ phản ứng vi mô của các đồng vị, cho phép liên kết trực tiếp giữa MVP và BURN.
Sơ đồ mô tả quá trình tính cháy với MVP_BURN bắt đầu bằng việc chuẩn bị dữ liệu tiết diện và nhiệt độ thích hợp trong module MVP_ART Tính toán trạng thái cân bằng được thực hiện trong MVP để thu được phân bố tốc độ phản ứng vi mô Phương trình suy giảm được giải quyết thông qua các phân bố, nhằm thu thập dữ liệu thành phần tại điểm cháy tiếp theo MVP_BURN áp dụng phương pháp Bateman để giải phương trình suy giảm và thực hiện tính toán cháy bằng cách lặp lại nhiều lần, tạo thành chuỗi MVP ở trạng thái dừng cùng với các tính toán suy giảm.
Hình 2.1: Sơ đồ mô tả quá trình tính toán cháy MVP [44].
Chương trình tính toán có các chức năng chính như thực hiện các phép toán cho toàn hệ thống với lượng lớn đồng vị nhiên liệu và mô hình hình học thống kê Bộ thư viện MVP cho phép sử dụng phương pháp nội suy với nhiệt độ tùy ý Chương trình thể hiện tính linh động cao, cho phép thay đổi hình học và thành phần cấu tạo của vật liệu hay chuỗi cháy theo từng loại lò phản ứng Tính toán cháy rẽ nhỏnh giúp đánh giá sự thay đổi của độ phản ứng tức thì tại bất kỳ điểm cháy nào Cuối cùng, phương pháp hiệu chỉnh dự đoán được áp dụng cho bất kỳ thời điểm nào trong quá trình cháy để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác cao.
Mô hình chuỗi cháy trong MVP_BURN được lựa chọn dựa trên mục đích sử dụng, thiết kế và đặc trưng của từng loại lò phản ứng, như thể hiện trong bảng 2.1 Mô hình chuỗi cháy tiêu chuẩn thường được khuyến nghị để tiết kiệm bộ nhớ, trong khi mô hình đa mục đích phục vụ cho phân tích vật liệu sau chiếu xạ Các tính toán cháy với hai mô hình này đã được xác nhận qua sự phù hợp của kết quả tính toán cho lò phản ứng nước nhẹ và lò phản ứng nhân nhanh FBR Hình 2.4 minh họa chuỗi cháy u4cm6fp50bp16T được sử dụng trong thiết kế bó nhiên liệu Để áp dụng chương trình Monte Carlo năng lượng liên tục cho các bài toán cháy nhiên liệu thực tế, cần bổ sung dữ liệu cho hạt nhân nặng, sản phẩm phân hạch và các đồng vị có tiết diện hấp thụ cao Sử dụng mô hình chuỗi cháy trong thư viện MVP_BURN cho phép người dùng dễ dàng điều chỉnh các thông số theo yêu cầu của từng loại nhiên liệu và lò phản ứng.
Phân loại mô hình chuỗi cháy nhiên liệu
Tên mô hình chuỗi cháy nhiên liệu
Lò phản ứng nơtrôn nhiệt
Lò phản ứng nơtrôn nhanh Chuỗi cháy tiêu chuẩn
(Các tính toán hạt nhân) u4cm6fp50bp16 T th2cm6fp50bp16 u4cm6fp50bp16F 8 th2cm6fp50bp16
Chuỗi cháy đa mục tiêu
(Phân tích sau khi chiếu xạ) u4cm6fp104bp12 T
(Đánh giá các mô hình khác) th2cm6fp193bp6
F Bảng 2.1: Các mô hình chuỗi cháy nhiên liệu trong MVP_BURN [49].
Hình 2.2: Sơ đồ mô hình hình học thống kê trong MVP/GMVP [45].
Hình 2.3: Mô hình chuỗi cháy nhiên liệu u4cm6 cho các actinides [49].
Độ phản ứng và hiệu ứng nhiệt độ
2.3.1 Hệ số nhân nơtrôn và độ phản ứng
Hệ số nhân vô hạn k ∞ được áp dụng cho không gian lò phản ứng vô hạn, giả định không có nơtrôn nào thoát ra ngoài Trong khi đó, hệ số nhân hiệu dụng k ef f được tính toán cho không gian hữu hạn, tính đến yếu tố rò rỉ nơtrôn Hệ số nhân nơtrôn hiệu dụng được định nghĩa là tỉ số giữa nơtrôn sinh ra trong thế hệ hiện tại và thế hệ trước Đối với vùng hoạt có kích thước hạn chế, nơtrôn sẽ trải qua quá trình làm chậm và khuếch tán, tạo ra nơtrôn nhiệt.
Khi đó, mối liên hệ giữa hệ số nhân hiệu dụng k ef f và hệ số nhân vô hạn k ∞ được biểu diễn như sau: k ef f = k ∞ L f L t (2.21)
Trong nghiên cứu về xác suất rò rỉ nơtrôn, L t đại diện cho xác suất không rò nơtrôn nhiệt, trong khi L f là xác suất không rò nơtrôn nhanh Đối với môi trường đồng nhất vô hạn, hệ số nhân nơtrôn k∞ được áp dụng, với điều kiện L f = 1 và L t = 1.
Hệ số nhân vô hạn k ∞ có thể được biểu diễn thông qua công thức 4 hệ số như sau: k ∞ = εp r ηf (2.22)
Hình 2.4: Mô hình chuỗi cháy nhiên liệu fp50bp16 cho các sản phẩm phân hạch và các nhân nhiễm độc [49].
Trong đó, ε là hệ số phân hạch nhanh; pr là xác suất thoát hấp thụ cộng hưởng; η là hệ số sinh nơtrôn, f là hệ số sử dụng nơtrôn nhiệt.
Trong mỗi chu trình, số nơtrôn ban đầu bị hấp thụ được ký hiệu là n Lò phản ứng nhiệt sử dụng Uranium đã được làm giàu làm nhiên liệu chính Một số nơtrôn nhanh sẽ mất dần năng lượng qua quá trình tán xạ để chuyển thành nơtrôn nhiệt, gây ra những tác động quan trọng trong quá trình phản ứng hạt nhân.
M V M α Φ phân hạch 235U và 238U Khi năng lượng của nơtrôn vượt quá 1 MeV, phần lớn nơtrôn nhanh sẽ kích thích phản ứng phân hạch ở 238U, vì 238U chiếm tỷ lệ lớn hơn trong thanh nhiên liệu so với 235U.
Trong mỗi quá trình phân hạch nhanh của uranium-235 (235U), nếu nhiều hơn một nơtrôn được sinh ra, tổng số nơtrôn sẽ tăng lên Hệ số phân hạch nhanh của nơtrôn được ký hiệu là ε, được tính bằng số nơtrôn nhanh do các phân hạch của uranium-238 (238U) tạo ra.
Số nơtrôn nhanh được tạo ra bởi các phản ứng phân hạch (2.23)
Số nơtrôn nhiệt hấp thụ bởi 238U được ký hiệu là nε, với năng lượng khoảng 1 MeV Trong quá trình tán xạ, nơtrôn sẽ mất dần năng lượng để đạt mức năng lượng nhiệt cần thiết, và số lượng nơtrôn còn lại sẽ bị ảnh hưởng bởi quá trình thoát cộng hưởng Xác suất thoát cộng hưởng được ký hiệu là p r, được tính theo công thức: p r = Số nơtrôn đạt mức năng lượng nhiệt / Tổng số nơtrôn còn lại sau khi rò nhanh Do đó, số nơtrôn đạt mức năng lượng nhiệt sẽ là nεp r.
Sau khi đạt được mức năng lượng nhiệt cần thiết, nơtrôn nhiệt sẽ khuếch tán cho đến khi bị hấp thụ hoàn toàn bởi nhiên liệu, chất làm chậm và các thành phần khác trong lò phản ứng hạt nhân Hệ số sử dụng nhiệt, ký hiệu là f, được tính bằng số nơtrôn nhiệt bị hấp thụ bởi nhiên liệu chia cho tổng số nơtrôn nhiệt bị hấp thụ trong lò phản ứng.
Tỷ lệ nơtrôn nhiệt bị hấp thụ trong một đơn vị thể tích trong một giây được tính bằng công thức α Φ, trong đó α là tiết diện hấp thụ vĩ mô của nơtrôn nhiệt và Φ là thông lượng nhiệt của nơtrôn Do đó, tỷ lệ nơtrôn nhiệt bị hấp thụ trong thể tích V trong 1 giây sẽ là α Φ V.
Theo công thức 2.25, ký hiệu F đại diện cho nhiên liệu, M là chất làm chậm, và P bao gồm các chất khác trong lò phản ứng như vật liệu cấu trúc, chất làm mát, thanh điều khiển và sản phẩm phân hạch Biểu thức f được áp dụng cho cả lò phản ứng đồng nhất và không đồng nhất, với công thức f = F α Φ F V F +.
(2.26)Trong lò phản ứng đồng nhất, số hạng V sẽ tương tự như thông lượng của α Φ M α Φ F nơtrôn do đó biểu thức f trên sẽ được viết lại như sau: f = F α Φ F +
Số nơtrôn đạt năng lượng nhiệt cần thiết bị hấp thụ trong lõi nhiên liệu là nεpr f
Độ phản ứng của lò phản ứng hạt nhân được xác định bởi sự thay đổi liên tục của hệ số nhân nơtrôn, phản ánh công suất của lò theo thời gian Để so sánh sự thay đổi của nơtrôn giữa thế hệ hiện tại và thế hệ trước, ta sử dụng công thức ρ = k − 1/k, trong đó ρ biểu thị độ phản ứng và k là hệ số nhân nơtrôn.
Khi nhiệt độ của nhiên liệu hoặc chất làm chậm thay đổi, độ phản ứng sẽ bị ảnh hưởng Để mô tả sự thay đổi này theo nhiệt độ, chúng ta sử dụng hệ số phản hồi nhiệt độ của độ phản ứng, ký hiệu là α T, được xác định bởi phương trình α T = dρ/dT.
Trong bài viết này, ρ đại diện cho độ phản ứng, trong khi T là nhiệt độ của các thành phần như nhiên liệu và chất làm chậm Nếu T là nhiệt độ của nhiên liệu và chất làm chậm, thì hệ số nhiệt độ tương ứng α T được xác định là hệ số nhiệt độ của nhiên liệu (FTC) và chất làm chậm (MTC) Việc thay thế ρ từ phương trình sẽ giúp làm rõ mối quan hệ giữa các yếu tố này.
2.28 vào phương trình 2.30 và do k ≈ 1 ta được: α T = dk k 2 dT ≈ dk dT (2.30)
Nếu hệ số phản hồi nhiệt độ α T dương, khi nhiệt độ tăng sẽ làm tăng hệ số nhân nơtrôn k và dẫn đến tăng công suất, gây ra nguy cơ không an toàn cho lò phản ứng Ngược lại, nếu α T âm, hệ số k sẽ giảm khi nhiệt độ tăng, giúp giảm công suất và duy trì nhiệt độ an toàn cho nhiên liệu trong vùng hoạt Do đó, thiết kế lò phản ứng cần đảm bảo hệ số phản hồi nhiệt độ âm để đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động.
2.3.2 Hệ số phản hồi nhiệt độ
Trong quá trình hoạt động của lò phản ứng, sự biến đổi công suất dẫn đến thay đổi nhiệt độ của nhiên liệu và chất làm chậm, gây ra hiệu ứng Doppler Hiệu ứng này làm biến đổi hình dạng các cộng hưởng hấp thụ do sự thay đổi vận tốc của các nguyên tử và phân tử Khi nhiệt độ tăng, vận tốc chuyển động của các hạt nhân bia cũng tăng, dẫn đến sự thay đổi năng lượng tương đối giữa nơtrôn và hạt nhân bia Do đó, chỉ một phần nơtrôn ở mức năng lượng E i tương tác với hạt nhân tại tiết diện cực đại σ i, trong khi phần còn lại tương tác với năng lượng khác, dẫn đến tiết diện nhỏ hơn.
Giá trị E i tăng lên khi hạt nhân bia đứng yên, trong khi năng lượng nơtrôn ở gần E i tương tác với hạt nhân không chỉ qua tiết diện nhỏ ở phần giảm của tiết diện, mà còn qua tiết diện lớn gần cỡ σ i Điều này dẫn đến sự gia tăng các cánh ở hai bên đường cong cộng hưởng.
Bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd 2 O 3 dạng vi hạt
Bó nhiên liệu của lò VVER-1000 gồm 12 thanh chứa Gd2O3, giúp điều khiển độ phản ứng dư và hệ số nhân nơtrôn k ∞ trong giai đoạn đầu của quá trình cháy nhiên liệu (0 – 10 GWd/t) Sau giai đoạn này, hàm lượng các đồng vị hấp thụ nơtrôn chính là 155 Gd và 157 Gd gần như cháy hết Hệ số nhân vô hạn k ∞ giảm tuyến tính theo độ sâu cháy, tương tự như đường cong hệ số nhân của bó nhiên liệu không chứa Gd2O3.
Mục tiêu của nghiên cứu này là thiết kế chất hấp thụ dạng vi hạt nhằm đạt được đường cong hệ số nhân vô hạn k ∞ cho bó nhiên liệu mới, tương đương với bó nhiên liệu truyền thống UO2 – Gd2O3 Để thực hiện điều này, đường kính vi hạt của chất hấp thụ và hàm lượng Gd2O3 được khảo sát để đảm bảo rằng đường cong hệ số nhân của bó nhiên liệu thiết kế mới tương tự như bó nhiên liệu tham khảo Các nghiên cứu trước đây đã thành công trong việc ứng dụng chất hấp thụ dạng vi hạt trong viên nhiên liệu của lò phản ứng đá cuội Pebble Bed Reactor (PBR) để điều khiển độ phản ứng của nhiên liệu trong khoảng cháy lớn.
Để duy trì độ phản ứng ổn định trong thời gian cháy dài, cần duy trì phân bố công suất đều dọc theo chiều cao vùng hoạt, với mức công suất đạt 100 GWd/t Các hạt Gd2O3 được lựa chọn với kích thước từ 820 đến 950 µm để đảm bảo hiệu suất tối ưu.
Trong thiết kế bó nhiên liệu VVER-1000, việc điều khiển độ phản ứng trong thời gian cháy dài không phải là mục tiêu chính Mục tiêu chủ yếu là sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt để đạt được đường cong hệ số nhân tương tự như bó nhiên liệu truyền thống, với giá trị k ∞ gần như không đổi trong khoảng cháy từ 0 đến 10 GWd/t Do đó, kích thước của các hạt được xem xét kỹ lưỡng.
Gd2O3 có thể dự đoán nhỏ hơn nhiều so với các thiết kế với nhiên liệu lò phản ứng PBR.
Trong quá trình khảo sát thiết kế chất hấp thụ dạng vi hạt Gd2O3, 4 thông số thiết kế của Gd2O3 cần được khảo sát bao gồm:
1) Số thanh nhiên liệu chứa Gd2O3;
2) Vị trí các thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 trong bó nhiên liệu;
3) Hàm lượng Gd2O3 trong thanh nhiên liệu hay tỉ lệ thể tích (Packing fraction) của các hạt Gd 2 O 3 trong thanh nhiên liệu;
4) Đường kính vi hạt Gd2O3.
Trong thiết kế này, mục tiêu là tạo ra bó nhiên liệu mới với đặc trưng hạt nhân tương đương bó nhiên liệu tham chiếu Để đơn giản hóa khảo sát, số thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 được cố định là 12 thanh, phân bố giống như bó nhiên liệu truyền thống Yêu cầu thiết kế chất hấp thụ nhằm điều khiển độ phản ứng trong giai đoạn 0 – 10 GWd/t, và sau giai đoạn này, các đồng vị hấp thụ cần phải cháy hết để tránh giảm độ phản ứng Các yêu cầu thiết kế này tương tự như bó nhiên liệu tham chiếu, cho phép xác định hàm lượng Gd2O3 trong thiết kế vi hạt tương đương với thiết kế tham chiếu.
Gd 2 O 3 được cố định ở 5% tỉ lệ thể tích (Packing fraction = 0,05) đúng bằng với thiết kế tham chiếu trong mô hình hình học thống kê [45] Khi đó, các tính toán khảo sát các thông số thiết kế chất hấp thụ dạng vi hạt được đơn giản hóa là khảo sát và xác định đường kính tối ưu của các hạt Gd 2 O 3
Hình 3.1a trình bày ảnh hưởng của đường kính vi hạt Gd2O3 đến đường cong hệ số nhân vô hạn k ∞ theo độ sâu cháy nhiên liệu từ 0 – 10 GWd/t, với đường kính vi hạt được khảo sát trong khoảng 40 – 100 µm Bảng 3.1 cung cấp chi tiết giá trị của hệ số nhân vô hạn k ∞ tại các bước cháy tương ứng với các giá trị đường kính của hạt Gd2O3 và so sánh với bó nhiên liệu tham chiếu Mục tiêu là đạt được đường cong hệ số nhân vô hạn gần giống với bó nhiên liệu tham chiếu, từ đó xác định đường kính tối ưu của hạt Gd2O3 là 60 µm Tiếp theo, tính toán phân bố công suất theo vị trí các thanh nhiên liệu và hệ số đỉnh công suất của bó nhiên liệu mới được thực hiện Hình 3.1b mô tả đường cong hệ số nhân của thanh nhiên liệu thiết kế mới với vi hạt chất hấp thụ có đường kính 60 µm và tỉ lệ thể tích 5%, cho thấy đường cong hệ số nhân vô hạn đạt được gần giống với bó nhiên liệu tham chiếu có cùng hàm lượng Gd2O3.
Hệ số nhân vô hạn k ∞ của bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2O3 được phân tích theo độ sâu cháy Đồ thị k ∞ được trình bày cho khoảng cháy từ 0 đến 10 GWd/t, với đường kính vi hạt Gd2O3 là 60 μm So sánh đường cong k ∞ theo độ sâu cháy trong khoảng từ 0 đến 40 GWd/t cho thấy sự ảnh hưởng của đường kính vi hạt đến hệ số nhân.
Gd2O3 đồng nhất Đường kính vi hạt Gd2O3
Bảng 3.1 trình bày hệ số nhân vô hạn k ∞ của bó nhiên liệu, bao gồm 12 thanh chứa hạt Gd2O3 với đường kính từ 40 đến 100 mm, trong các bước chạy từ 0 đến 10 GWd/t Kết quả này được so sánh với bó nhiên liệu tham chiếu để đánh giá hiệu suất và tính chất của hệ thống.
Hình 3.2: Sự thay đổi của 155 Gd và 157Gd trong quá trình cháy của thanh nhiên liệu UO2 – Gd2O3 Độ sâu cháy (GWd/t)
Bảng 3.2 trình bày sự thay đổi số nguyên tử của hai đồng vị 155 Gd và 157 Gd trong thanh nhiên liệu UO2 – Gd2O3 trong quá trình cháy, với đường kính vi hạt Gd2O3 được lựa chọn là 60 àm.
Hình 3.2 và Bảng 3.2 minh họa sự biến đổi số nguyên tử của hai đồng vị 155 Gd và 157 Gd trong thanh nhiên liệu trong quá trình cháy So sánh giữa thiết kế sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt và thiết kế tham chiếu với chất hấp thụ phân bố đều cho thấy hai đồng vị này đóng vai trò quan trọng trong việc hấp thụ nơtrôn.
Trong hai thiết kế, sự giảm sút của 155Gd và 157Gd theo độ sâu cháy tương tự nhau Dữ liệu từ Bảng 3.2 cho thấy, tại mức 10 GWd/t, số nguyên tử 155Gd giảm khoảng 160 lần, trong khi số nguyên tử 157Gd giảm đến 1030 lần Đến cuối chu trình cháy của bó nhiên liệu ở mức 40 GWd/t, số nguyên tử 155Gd đã giảm khoảng 1500 lần.
157Gd giảm 1200 lần Tốc độ cháy của đồng vị 157 Gd nhanh hơn 155 Gd do tiết diện hấp thụ nơtrôn của
157Gd trong dải năng lượng nhiệt lớn hơn so với
Độ lệch về tốc độ cháy các đồng vị hấp thụ trong hai thiết kế nhỏ hơn 2,5%, cho thấy thiết kế Gd2O3 dạng vi hạt không ảnh hưởng đáng kể đến vai trò của chất hấp thụ trong việc điều khiển độ phản ứng dự trữ của bó nhiên liệu Sự tương đồng của đường cong hệ số nhân vô hạn trong hai thiết kế chất hấp thụ trong thanh nhiên liệu được giải thích bởi điều này.
3.1.2 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu
Hình 3.3 và 3.4 thể hiện sự phân bố công suất tương đối của bó nhiên liệu với thiết kế mới sử dụng chất hấp thụ nơtrôn Gd2O3 dạng vi hạt, tại các mức cháy 0 GWd/t và 10 GWd/t.
Do ảnh hưởng của chất hấp thụ nơtrôn chủ yếu trong giai đoạn cháy từ
Trong giai đoạn này, công suất được phân bố từ 0 đến 10 GWd/t, với sự tập trung vào các so sánh về phân bố công suất và hệ số đỉnh công suất Phân bố công suất được thể hiện qua 1/6 bó nhiên liệu, nhờ vào tính đối xứng hình học, và được so sánh với thiết kế tham chiếu đã sử dụng.
Bó nhiên liệu VVER-1000 cải tiến với 18 thanh UO 2 –Gd 2 O 3
3.2.1 Phân bố các thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 Đối với bó nhiên liệu không có Gd 2 O 3 , phân bố công suất theo các thanh nhiên liệu khá đồng đều, hệ số đỉnh công suất PPF trong khoảng 1,04 – 1,07 trong suốt quá trình cháy 0 – 40 GWd/t Trong khi đó, các đường biểu diễn hệ số đỉnh công suất PPF với độ sâu cháy của bó nhiên liệu chứa Gd2O3 cho thấy ảnh hưởng của chất hấp thụ trong khoảng 0 – 10 GWd/t làm cho giá trị hệ số đỉnh công suất PPF cao như Hình 3.5 Do đó, vấn đề đặt ra là nghiên cứu thiết kế bó nhiên liệu mới sử dụng vi hạt Gd2O3 nhằm giảm hệ số đỉnh công suất PPF tại giai đoạn đầu của quá trình cháy là có tính khả thi Các tính toán khảo sát được thực hiện nhằm tối ưu hóa số thanh nhiên liệu chứa Gd2O3 và phân bố của chúng trong bó nhiên liệu nhằm làm giảm giá trị hệ số đỉnh công suất PPF.
Do tính đối xứng hình học 1/6 của bó nhiên liệu VVER-1000, việc khảo sát số thanh nhiên liệu có chứa chất hấp thụ trong thiết kế mới sẽ chỉ cho ra các giá trị nhất định.
Việc xác định vị trí tối ưu cho các thanh chứa chất hấp thụ trong bó nhiên liệu trở nên phức tạp với các giá trị lớn, đặc biệt là khi áp dụng vi hạt Gd 2 O 3 Chúng tôi đã thực hiện nhiều tính toán khảo sát để thu thập dữ liệu đầy đủ, từ đó so sánh và xác định số lượng thanh nhiên liệu chứa vi hạt Gd 2 O 3 cũng như vị trí sắp xếp của chúng Kết quả là chúng tôi đã đề xuất hai mô hình bó nhiên liệu mới với 18 thanh chứa vi hạt Gd 2 O 3, được sắp xếp như trong Hình 3.6.
Hình 3.6: Hai mô hình bó nhiên liệu VVER-1000 mới với 18 thanh UO2 –
3.2.2 Khảo sát thông số thiết kế Gd 2 O 3 dạng vi hạt
Trong quá trình khảo sát các thông số thiết kế, mục tiêu chính là thu được đường cong hệ số nhân vô hạn tương đương với thiết kế tham chiếu Dựa trên kết quả nghiên cứu từ Chương 2, có thể dự đoán rằng tổng hàm lượng Gd2O3 trong bó nhiên liệu của thiết kế mới sẽ giữ nguyên so với thiết kế tham chiếu, tức là sẽ được phân bổ đều cho 18 thanh nhiên liệu thay vì 12 thanh Kết quả là, tỉ lệ thể tích của các hạt Gd2O3 trong mỗi thanh nhiên liệu được xác định là 3,33%, thấp hơn so với hàm lượng Gd2O3 trong thiết kế 12 thanh.
Khi Gd2O3 được phân bố đều hơn trong 18 thanh nhiên liệu, tốc độ cháy của các đồng vị hấp thụ nơtrôn chính sẽ tăng lên Để đạt được đường cong hệ số nhân tương tự giá trị tham chiếu, đường kính các hạt Gd2O3 cần phải lớn hơn so với thiết kế hiện tại với 12 thanh chứa Gd2O3 Việc tăng đường kính vi hạt Gd2O3 trong khi giữ tổng thể tích không đổi sẽ dẫn đến giảm tổng diện tích bề mặt của các hạt hấp thụ, từ đó làm giảm tiết diện hấp thụ nơtrôn hiệu dụng Cần thực hiện các tính toán khảo sát để xác định đường kính tối ưu của các hạt Gd2O3 nhằm đảm bảo đường cong hệ số nhân vô hạn của bó nhiên liệu mới tương tự như bó nhiên liệu tham chiếu.
3.2.3 Hệ số nhân nơtrôn vô hạn k ∞ Đường kính của các vi hạt Gd2O3 được tiến hành khảo sát và đồng thời thực hiện đánh giá ảnh hưởng của kích thước vi hạt lên đường cong hệ số nhân vô hạn trong giai đoạn 0 – 10 GWd/t Hình 3.7 và Bảng ?? mô tả đường cong hệ số nhõn vụ hạn với đường kớnh vi hạt Gd 2 O 3 nằm trong khoảng 200 – 360 àm ở
Mô hình 1 Chi tiết giá trị hệ số nhân vô hạn tại các bước cháy được cho trong
Bảng ?? Từ đó, giá trị đường kính vi hạt hấp thụ Gd 2 O 3 tối ưu được lựa chọn là
Ở nhiệt độ 300 °C, các giá trị hệ số nhân vụ hạn của nhiên liệu mới gần tương đương với thiết kế tham chiếu Đối với Mô hình 2 của bó nhiên liệu với 18 thanh chứa Gd2O3, do Mô hình thiết kế 1 và 2 có sự tương đồng, chỉ khác nhau về vị trí các thanh nhiên liệu chứa Gd2O3, nên có thể dễ dàng dự đoán các thông số thiết kế.
Đường cong hệ số nhân vô hạn k ∞ cho thấy mối quan hệ với độ sâu cháy của bó nhiên liệu VVER-1000, bao gồm 18 thanh UO2 – Gd2O3 trong Mô hình 1, ở giai đoạn đầu của quá trình cháy (0 – 10 GWd/t) Hạt Gd2O3 đạt tối ưu trong Mô hình 1, do đó các thông số thiết kế như đường kính vi hạt và tỉ lệ thể tích của chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt cần được điều chỉnh phù hợp.
Giá trị tối ưu trong khảo sát với Mô hình 1 được xác định là đường kính hạt 300 µm và hàm lượng đúng góp 3,33% Các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu đã được thực hiện mô phỏng và tính toán chi tiết.
Hình 3.8 trình bày đường cong hệ số nhân vô hạn k ∞ liên quan đến độ cháy nhiên liệu trong hai trường hợp đã được tối ưu hóa các thông số Chúng tôi thực hiện so sánh giữa đường cong hệ số nhân vô hạn của thiết kế tham chiếu và thiết kế mới.
12 thanh UO 2 – Gd 2 O 3 , kết quả cho thấy sự tương đồng. àm àm
Đường cong hệ số nhân vô hạn k ∞ được phân tích theo độ cháy sâu của bó nhiên liệu VVER-1000, bao gồm 18 thanh UO2 – Gd2O3 Để tối ưu hóa hiệu suất, đường kính hạt Gd2O3 được lựa chọn là 300 àm, cùng với tỷ lệ thể tích là 3,33% cho cả hai mô hình.
Bảng 3.3 trình bày sự so sánh hệ số nhân vô hạn k ∞ của bó nhiên liệu gồm 18 thanh chứa Gd2O3 với bó nhiên liệu 12 thanh Gd2O3 đồng nhất, trong khoảng bước cháy từ 0 đến 10 GWd/t (Mô hình 1).
Hệ số đỉnh công suất PPF
3.2.4 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu mới
Hình 3.9 và hình 3.10 thể hiện sự phân bố công suất thanh nhiên liệu của bó nhiên liệu mới với 18 thanh chứa vi hạt Gd2O3 trong cả hai Mô hình 1 và Mô hình 2 Kết quả cho thấy phân bố công suất gần như phẳng hơn so với thiết kế tham chiếu, với mật độ công suất tăng ở các thanh trung tâm và giảm ở các thanh ngoài cùng Thiết kế mới này sắp xếp các thanh chứa vi hạt Gd2O3 đồng đều hơn, dẫn đến sự giảm lượng chất hấp thụ ở các thanh gần trung tâm và tăng ở các thanh ngoài Mô hình phân bố này được đề xuất nhằm cải thiện độ đồng đều trong phân bố công suất của bó nhiên liệu.
Bảng 3.4: So sỏnh hệ số đỉnh cụng suất PPF với bú nhiờn liệu cú 12 (60 àm) và 18 (300 àm) thanh chứa cỏc hạt Gd2O3 tại cỏc bước chỏy trong khoảng 0 –10GWd/t.
Hình 3.9: Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO 2 – Gd 2 O 3 tại điểm cháy 0 GWd/t (Mô hình
1) Đường kớnh vi hạt chất hấp thụ tối ưu là 300 àm và tỉ lệ thể tớch là 3,33%
Hình 3.10: Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO 2 – Gd 2 O 3 tại điểm cháy 0 GWd/t (Mô hình
2) Đường kớnh vi hạt chất hấp thụ tối ưu là 300 àm và tỉ lệ thể tớch là 3,33%
Kết quả tính toán phân bố công suất cho thấy độ lệch mật độ công suất lớn nhất đạt khoảng 9,0%, trừ các vị trí của thanh nhiên liệu chứa vi hạt.
Độ lệch về phân bố công suất trong Gd2O3 lớn hơn do sự thay đổi vị trí phân bố của các thanh nhiên liệu chứa vi hạt Gd2O3 và hàm lượng của chúng trong hai mô hình thiết kế mới so với thiết kế tham chiếu Kết quả tính toán cho thấy mật độ công suất lớn nhất xuất hiện ở các thanh nhiên liệu ngoài cùng trong cả hai Mô hình 1 và 2 Hệ số đỉnh công suất PPF trong Mô hình 1 và 2 lần lượt được xác định là 1,105 và 1,113.
Hình 3.11: Hệ số đỉnh công suất theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu mới chứa
Bó nhiên liệu VVER-1000 với hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp
3.3.1 Khảo sát thông số thiết kế Gd 2 O 3 đối với bó nhiên liệu thiết với hàm lượng Boron thấp
Nghiên cứu ứng dụng vi hạt chất hấp thụ nhằm bù đắp hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt đã được tiến hành Trong thiết kế tham chiếu, hàm lượng Boron được xác định là 600 ppm Nghiên cứu này được thực hiện cho hai trường hợp: khi hàm lượng Boron giảm xuống 50% và khi hàm lượng Boron đạt 0%.
Khi hàm lượng Boron giảm từ 300 ppm xuống 0 ppm, giá trị MTC âm có khả năng sâu hơn trong quá trình cháy nhiên liệu Sự giảm Boron không chỉ tối ưu hóa hoạt động của hệ thống thanh điều khiển phức tạp mà còn giảm độ ăn mòn của các cấu trúc vật liệu Trong các tính toán cháy, hàm lượng Boron thường được giả định là không đổi.
Khi hàm lượng Boron giảm, cần tăng cường lượng Gd2O3 để bù đắp, nhưng chất hấp thụ Gd2O3 chỉ hiệu quả trong giai đoạn đầu của quá trình cháy (0 – 15 GWd/t) Ở giai đoạn sau, không còn chất hấp thụ trong thanh nhiên liệu Việc tối ưu hóa các thông số hạt Gd2O3 đã được thực hiện trên hai mô hình bó nhiên liệu với 18 thanh nhiên liệu chứa hạt Gd2O3.
3.6 Điều này có nghĩa rằng số thanh chứa chất hấp thụ và phân bố của chúng cố định Đường kính vi hạt và hàm lượng đóng góp của vi hạt chất hấp thụ được khảo sát để thu được đường cong hệ số nhân tương tự như thanh nhiên liệu tham chiếu Rõ ràng các hạt có đường kính và hàm lượng đóng góp trong bó nhiên liệu lớn hơn so sánh với trường hợp 100% Boron Quá trình tối ưu hóa các thông số
Gd2O3 như đường kính vi hạt và hàm lượng đã được thực hiện Kết quả tối ưu được tóm tắt trong Bảng 3.5.
Bảng 3.5: Các thông số tối ưu của bó nhiên liệu thiết kế mới sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt.
Mô hình Hàm lượng Số thanh Đường kính Tỷ lệ thể tích PPF
Boron (ppm) Gd2O3 (àm) (%) Không có chất hấp thụ
3.3.2 Hệ số nhân nơtrôn vô hạn k ∞ của bó nhiên liệu với hàm lượng
Hình 3.12 thể hiện đường cong hệ số nhân vô hạn của bó nhiên liệu cùng với các trường hợp tối ưu dựa trên thiết kế tham chiếu Khi hàm lượng Boron giảm 50% (300 ppm) so với thiết kế truyền thống, đường kính tối ưu của hạt sẽ được điều chỉnh tương ứng.
Gd 2 O 3 được lựa chọn là 320 àm và tỉ lệ thể tớch là 5,5% cho cả 2 Mụ hỡnh 1 và 2.
So sánh hai mô hình bó nhiên liệu mới cho thấy các đường cong hệ số nhân vô hạn theo độ sâu cháy khá tương đồng, với Mô hình 2 có giá trị lớn hơn Mô hình 1 khoảng 90 pcm Đường kính vi hạt Gd2O3 và tỉ lệ thể tích tối ưu cho chất tải nhiệt không có Boron được xác định lần lượt là 360 µm và 8,0% Tổng hàm lượng Gd2O3 trong bó nhiên liệu tăng lên 1,65 và 2,40 cho thiết kế chất tải nhiệt có 50% Boron và không có Boron Trong giai đoạn cháy 10 – 15 GWd/t, giá trị hệ số nhân vô hạn của bó nhiên liệu lớn hơn giá trị tham chiếu khoảng 160 và 330 pcm cho hai trường hợp chất tải nhiệt chứa 50% Boron và không có Boron, khi ảnh hưởng của chất hấp thụ lên nhiên liệu đã hết Kết quả tính toán được thể hiện cụ thể trong Hình 3.12.
Hình 3.12: Đường cong k∞ với độ sâu cháy của bó nhiên liệu VVER-1000 với hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp.
3.3.3 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp
Hình 3.13 và Hình 3.14 thể hiện sự phân bố công suất tương đối tại vị trí các thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu mới, bao gồm 18 thanh chứa vi hạt chất hấp thụ.
Mô hình 1 sử dụng Gd2O3 với chất tải nhiệt chứa 50% Boron (300 ppm) và không có Boron cho thấy phân bố công suất thanh nhiên liệu kém phẳng hơn Ngược lại, thiết kế mới với chất tải nhiệt chứa 100% Boron có phân bố công suất phẳng hơn so với thiết kế tham chiếu Đặc biệt, độ lệch phân bố công suất lớn nhất xuất hiện trong trường hợp bó nhiên liệu thiết kế mới với chất tải nhiệt 100% Boron, chứng tỏ rằng mật độ công suất đã giảm đáng kể.
Hình 3.15 và Hình 3.16 trình bày phân bố công suất trong bó nhiên liệu mới với 18 thanh chứa vi hạt Gd2O3 (Mô hình 2), trong đó hàm lượng Boron trong nước tải nhiệt được giảm 50% và hoàn toàn (0 ppm) Kết quả cho thấy, độ lệch của bó nhiên liệu thiết kế mới với chất tải nhiệt 100% Boron lớn hơn so với thiết kế tham chiếu, điều này chứng tỏ ảnh hưởng của Boron trong quá trình hấp thụ nơtrôn Sự kết hợp giữa các thanh nhiên liệu chứa vi hạt Gd2O3 đã tạo ra phân bố mật độ công suất đồng đều trong bó nhiên liệu.
Nghiên cứu cho thấy rằng các mô hình phân bố thanh nhiên liệu mới với vi hạt hấp thụ Gd2O3 giúp công suất phân bố đồng đều hơn trong bó nhiên liệu so với các trường hợp tham chiếu Hệ số đỉnh công suất cũng giảm từ 1,6 – 2,7%.
Hình 3.13: Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO 2 – Gd 2 O 3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp 50% Boron (Mô hình 1).
Hình 3.14: Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO 2 – Gd 2 O 3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp không có Boron (Mô hình 1).
Hình 3.15: Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2O3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp 50% Boron (Mô hình 2).
Hình 3.16: Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO 2 – Gd 2 O 3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp không có Boron (Mô hình 2).
3.3.4 Hệ số đỉnh công suất của bó nhiên liệu vơi hàm lượng Boron thấp àm àm àm àm
Hệ số đỉnh công suất thanh nhiên liệu VVER-1000, bao gồm 18 thanh UO2 – Gd2O3, cho thấy sự phụ thuộc vào độ cháy sâu và hàm lượng Boron thấp trong chất tải nhiệt.
Hình 3.17 cho thấy sự thay đổi của hệ số đỉnh công suất PPF khi độ sâu cháy tăng trong thiết kế bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp Trong tất cả các trường hợp, giá trị PPF ở giai đoạn đầu của quá trình cháy đều thấp hơn giá trị tham chiếu là 1,160 Cụ thể, với hàm lượng Boron 300 ppm, hệ số đỉnh công suất PPF đạt 1,120 cho Mô hình 1 và 1,126 cho Mô hình 2, cho thấy sự giảm khoảng 3,5% và 2,9% so với giá trị tham chiếu.
Trong trường hợp thiếu Boron trong nước tải nhiệt, hệ số đỉnh công suất PPF tại điểm cháy 0 GWd/t được xác định lần lượt là 1,129 và 1,142 cho Mô hình 1 và Mô hình 2, như thể hiện trong Hình 3.17 Những giá trị này thấp hơn so với thiết kế tham chiếu, với sự giảm sút lần lượt là 2,7% và 1,6%.
Trong các mô hình thiết kế bó nhiên liệu có hàm lượng Boron thấp, việc sử dụng chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt thay thế cho Boron trong nước tải nhiệt trong giai đoạn đầu của quá trình cháy nhiên liệu cho thấy hiệu quả khả thi Tuy nhiên, để áp dụng thiết kế này, cần thực hiện các tính toán thiết kế cho toàn bộ vùng hoạt, đảm bảo rằng tất cả các bó nhiên liệu đều sử dụng chất hấp thụ thay thế Đây là một thách thức phức tạp và sẽ được nghiên cứu tiếp trong các công trình tiếp theo.
3.4 Hệ số phản hồi của chất làm chậm đối với bó nhiên liệu VVER-1000 sử dụng Gd 2 O 3 dạng vi hạt Đối với thiết kế mới của bó nhiên liệu VVER-1000 sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt Gd 2 O 3 , do tổng thành phần nhiên liệu, chất hấp thụ và hàm lượng Boron trong dung dịch tải nhiệt không thay đổi so với thiết kế tham chiếu, nên có thể dự đoán được thiết kế mới này không làm thay đổi nhiều về hệ số phản hồi độ phản ứng của chất làm chậm MTC Tuy nhiên, đối với bó nhiên liệu được thiết kế mới và có thay đổi hàm lượng Boron trong dung dịch tải nhiệt, ở đây là hai trường hợp hàm lượng Boron thấp hơn và không có Boron, thì lúc này hệ số MTC sẽ bị ảnh hưởng đáng kể Đây cũng là một trong những thông số quan trọng liên quan đến an toàn lò phản ứng Khi nhiệt độ của nước tải nhiệt tăng lên với cùng điều kiện về áp suất sẽ làm giảm mật độ phân tử nước Mật độ các hạt nhân H và O giảm sẽ làm giảm sự nhiệt hóa của phổ nơtrôn, và do đó giảm tốc độ phản ứng phân hạch, dẫn đến hệ số nhân nơtrôn giảm, hay nói cách khác là hệ số phản hồi độ phản ứng của chất làm chậm MTC âm.