Luận văn Phân tích các đặc trưng của thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân vver aes - 2006

t 0,1 - 20,6 MPa, tốc độ dòng chảy 1 - 16 m/s và đường kính thủy lực 0,36 - 1,7 cm. Trong một lò phản ứng PWR, CHF xuất hiện khi mật độ bong bóng từ vùng sôi nhân trong màng ranh giới của thanh nhiên liệu lớn đến mức bong bóng liền kề kết hợp lại và tạo thành một màng hơi trên bề mặt của thanh. Sự truyền nhiệt qua màng hơi là tương đối thấp so với qua màng chất lỏng, và sự xuất hiện CHF làm tăng đáng kể nhiệt độ bề mặt vỏ bọc. Trong điều kiện như vậy, quá trình oxy hóa nhanh chóng (hoặc thậm chí nóng chảy) vỏ bọc có thể xảy ra dẫn đến phá hỏng vỏ bọc. Với các thiết bị trong lò phản ứng, CHF được thể hiện qua DNB đối với lò PWR và điểm khô dòng (Dryout) đối với lò BWR. Đối với lò BWR, Dryout thể hiện ở điểm khởi đầu chuyển tiếp từ màng phân tán sang vùng sôi chuyển tiếp; còn đối với lò PWR, DNB thể hiện ở điểm bọt khí được phát triển, mở rộng. Vị trí DNB và Dryout được miêu tả tương ứng với tỷ phần rỗng cục bộ trong kênh dòng trên Hình 2.11. Hình 2. 11. Thông lượng nhiệt tới hạn đối với lò PWR và BWR [20] Tỷ số giữa thông lượng nhiệt tương quan đoán trước và thông lượng nhiệt vận hành thực tế áp dụng cho lò PWR được gọi là tỷ số dời khỏi vùng sôi nhân (DNBR). Tỷ số này thay đổi trên chiều dài thanh nhiên liệu và đạt giá trị nhỏ nhất ở vị trí thông lượng nhiệt tới hạn. Đối với lò BWR, điều kiện Dryout được biểu diễn theo tỷ số công suất tới hạn CPR. Giới hạn áp dụng cho các điều kiện tới hạn được đánh giá thông qua các giá trị nhỏ nhất của DNBR (MDNBR) và của CPR (MCPR). 2.4.2. Sự ăn mòn do cọ xát của vỏ bọc thanh nhiên liệu với lưới định vị [19] Sự rung động vùng hoạt dưới tác dụng của dòng chảy, tác động của dòng chảy ngang, cùng với sự suy giảm hiệu quả giảm chấn (do rão hóa hệ thống lò xo và lưới đỡ dưới tác dụng bức xạ, nhiệt độ và áp suất trong điều kiện vận hành của lò phản ứng), dẫn tới sự chuyển động tương đối giữa các phần khác nhau của bó thanh nhiên liệu. Hiện tượng không mong muốn xảy ra là sự cọ xát, va trượt giữa vỏ thanh nhiên liệu và lưới định vị, dẫn tới mòn xước thanh nhiên liệu. Một trong số những dạng ăn mòn thường gặp đối với bó thanh nhiên liệu đó là ăn mòn do cọ xát xảy ra khi các bề mặt tiếp xúc có độ cứng khác nhau dao động tương đối với cường độ nhỏ trong môi trường ăn mòn (Hình 2.12). Hình 2. 12. Hư hỏng do cọ xát giữa vỏ bọc và lưới định vị [25] Thống kê tỷ lệ các dạng hư hỏng nhiên liệu phổ biến trong thập kỷ vừa qua tại các lò phản ứng nước nhẹ của Mỹ cho thấy đây thuộc dạng hư hỏng nhiên liệu phổ biến nhất hiện nay (Hình 2.13). Hình 2. 13. Tỷ lệ các dạng ăn mòn khác nhau trên vỏ bọc nhiên liệu ở Mỹ [19] Hiện tượng ăn mòn do cọ xát phụ thuộc nhiều vào thiết kế nhiên liệu và vào quá trình chế tạo. Trong lò phản ứng quá trình ăn mòn do cọ xát giữa lưới định vị và thanh nhiên liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, trong đó bao gồm cả các yếu tố về cơ chế rung động thủy lực, cũng như sự rão mỏi vật liệu hay các điều kiện vận hành cụ thể của lò phản ứng. Hiện nay những ảnh hưởng trực tiếp tới nhiên liệu do ăn mòn cọ xát được đánh giá chủ yếu thông qua quá trình hậu kiểm bằng các thử nghiệm sau chiếu xạ. 2.4.3. Biến đổi hình học thanh nhiên liệu dưới tác dụng thủy lực [25] Dưới tác dụng của lực thủy động dòng chất làm mát cùng với sự rão hóa của vật liệu lớp vỏ bọc nhiên liệu sẽ dẫn đến nguy cơ biến dạng của các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt. Sự biến dạng của các thanh nhiên liệu thường có dạng hình chữ S hoặc chữ C như trong Hình 2.14. Hình 2. 14. Biến dạng hình học thanh nhiên liệu, (a) kiểu chữ S, (b) kiểu chữ C [25] Hậu quả của việc biến dạng hình học các thanh nhiên liệu sẽ dẫn đến: - Hiện tượng cong vênh của các ống dẫn thanh điều khiển trong BTNLHN. Điều này làm cho các cụm thanh điều khiển không rơi vào vùng hoạt theo thời gian thiết kế; - Làm thay đổi khe hở giữa các thanh nhiên liệu (là kênh dẫn chất làm chậm và tải nhiệt, bình thường khoảng 2 mm), dẫn tới phân bố lại công suất và nhiệt độ cục bộ không đồng đều (Hình 2.15); - Gây khó khăn khi phải thay đảo (lắp đặt hoặc rút ra) BTNLHN trong vùng hoạt hoặc trong bể chứa BTNLHN đã qua sử dụng. Hình 2. 15. Quan hệ giữa độ cong bó thanh và độ lệch khỏi kích thước khe hở danh định giữa các bó thanh [8] Thiết kế nhiên liệu đã có những thay đổi để khắc phục các hậu quả trên. Trong hai thập kỷ qua, phản hồi kinh nghiệm cho thấy rằng dòng làm mát tại đầu vào vùng hoạt tạo ra lực rung lắc cao ở phần dưới của bó thanh nhiên liệu dẫn tới một số hiện tượng ăn mòn nghiêm trọng ở phần dưới thanh nhiên liệu. Để giảm bởi khuyết tật, nhà thiết kế nhiên liệu thêm vào gần đầu dưới bó thanh nhiên liệu một lưới định vị không có cánh trộn dòng làm mát. Lưới định vị thêm vào làm tăng lực nâng và tăng suy giảm áp suất của bó thanh nhiên liệu và do đó làm giảm rung lắc sinh ra bởi dòng làm mát lên các thanh nhiên liệu. Những cải tiến khác như về độ dày ống dẫn hướng, củng cố khả năng giảm chấn, và lựa chọn vật liệu tốt hơn cho các chi tiết cấu trúc bó thanh nhiên liệu đã làm giảm thiểu ảnh hưởng xấu của dòng chảy thủy lực tới bó thanh nhiên liệu. So sánh giữa biến đổi của bó thanh nhiên liệu PWR và VVER dưới áp lực thủy động, có một số điểm chính sau: - Bó thanh nhiên liệu VVER theo thiết kế có khung giữ tuy độ ổn định tốt hơn so với bó thanh PWR nhưng độ suy giảm áp suất lại cao hơn nên mang lại ít lợi ích hơn về khả năng làm mát, DNB,; - Biến dạng giãn dài của bó thanh VVER thấp hơn so với bó thanh PWR; đồng thời với thiết kế có khung giữ nên bó thanh VVER giảm thiểu tốt hơn sự rủi ro trong quá trình nạp tải nhiên liệu và cố định các thanh nhiên liệu; - Trong điều kiện tai nạn/sự cố LOCA, phần chân đế của bó thanh nhiên liệu PWR chịu lực tác động của dòng làm mát nhỏ hơn so với bó thanh nhiên liệu VVER. Lực thủy động của dòng nước gây áp lực và tạo ra sự rung lắc bó thanh nhiên liệu, trong khi thanh nhiên liệu chịu lực nén ép của các lò xo hướng xuống và sự dài ra của bó thanh nhiên liệu do bức xạ. Nói chung bó thanh nhiên liệu của lò nước áp lực (PWR) tiếp xúc với điều kiện thủy động cường độ mạnh và mức độ hỗn độn cao. Sự bất ổn định của dòng chất làm mát là một trong những cơ chế phá hủy các bộ phận thành phần trong vùng hoạt, tạo ra các rung lắc quá mức đảm bảo của các bộ phận giảm xóc, khi mà vận tốc dòng làm mát đủ lớn để năng lượng hấp thụ từ tác động thủy lực vượt quá năng lượng tiêu tán bởi các thành phần giảm xóc. Tác động của những biến đổi hỗn loạn tạo ra áp lực ngẫu nhiên xung quanh bề mặt nhiên liệu đủ để làm mài mòn và làm hư hỏng các thành phần nhiên liệu. Vào cuối thể kỷ 20, việc không đưa được hết các thanh điều khiển (RCCA) vào vùng hoạt khi dập lò khẩn cấp hay trong quá trình thử nghiệm đã được quan tâm bởi một số nhà vận hành và nhà chế tạo nhiên liệu trên thế giới. Sự cố đầu tiên của loại này xảy ra ở nhà máy điện hạt nhân Ringhals 4 (Thụy Điển) năm 1994, khi mà một thanh điều khiển không chèn được toàn bộ vào vùng hoạt (IRI - Insertion Rod Incident). Sau sự cố này, các sự cố IRI tương tự đã được xem xét trong một số lò phản ứng khác ở nhiều nước như Hoa Kỳ, Pháp, Bỉ, Hình 2.16, Hình 2.17 cho thấy dữ liệu về độ cong, cũng như hướng và biên độ của các tác động thủy lực tới bó thanh nhiên liệu trong các lò phản ứng Ringhals. Hình 2. 16. Độ cong bó thanh nhiên liệu của ba lò phản ứng Ringhals (Thụy Điển) Hình 2. 17. Hướng và biên độ uốn cong thanh nhiên liệu trong vùng hoạt lò phản ứng [25] 2.5. Đặc trưng quá trình oxy hóa và hydro hóa đối với thanh nhiên liệu [2] 2.5.1. Quá trình oxy hóa Tác nhân oxy hóa vỏ bọc nhiên liệu trong lò phản ứng có từ các nguồn sau đây: a. Phía trong vỏ thanh nhiên liệu: Hơi ẩm có sẵn trong viên gốm từ quá trình chế tạo nhiên liệu; Nước và các sản phẩm phân hủy phóng xạ nước xâm nhập qua kẽ nứt vỏ thanh trong quá trình làm việc của lò phản ứng hạt nhân. b. Phía ngoài vỏ thanh nhiên liệu: - Nước với vai trò là chất tải nhiệt và làm chậm nơtron; - Oxy, H2O2 từ quá trình phân hủy phóng xạ nước: H2O → H + OH (2.11) 2H2O → H2 + H2O2 (2.12) 2H2O2 → 2H2O + O2 (2.13) Do ái lực lớn của oxi với zirconi, ngay tại nhiệt độ phòng, trên bề mặt zirconi đã hình thành một lớp oxit chiều dày khoảng 2 - 5 nm với tốc độ phát triển cao, kích thước hạt oxit mịn. Độ hòa tan của oxi trong α zirconi là 28,6% tại 500 oC (Hình 2.18). Hình 2. 18. Giản đồ pha Zr-O [11] Tại áp suất thường zirconi oxit có ba dạng thù hình: Monoclinic (ổn định ở nhiệt độ phòng), tetragonal (1.205 oC) và cubic (2.370 oC). Oxit zirconi có nhiệt độ nóng chảy 2.680 oC. Khi chuyển từ zirconi kim loại sang oxit có sự tăng 50 - 60% thể tích, dẫn tới sự tạo thành ứng suất nén trong lớp oxit và ứng suất kéo trong kim loại. Do đó nếu chiều dày màng oxit lớn hơn một giá trị tới hạn sẽ hình thành vết nứt trên bề mặt oxit. Sự hình thành ZrO2 trong các điều kiện khác nhau được đưa ra trên Hình 2.19. Cơ chế oxy hóa vỏ bọc tương tự như với kim loại nói chung được đưa ra trong Hình 2.20 dưới đây. Quá trình oxy hóa diễn ra theo các bước sau: - Trước tiên oxy được hấp phụ trên bề mặt kim loại; - Oxy phản ứng với kim loại nền tạo thành các đảo oxit; một số nguyên tử oxy khuếch tán vào kim loại; - Các đảo oxit nối với nhau và hình thành một lớp bao phủ trên bề mặt kim loại; - Lớp oxit phát triển nhờ quá trình khuếch tán của các ion kim loại và oxy; - Các nứt gẫy, lỗ trống và sai hỏng hình thành trong lớp oxit và đẩy mạnh quá trình khuếch tán. Hình 2. 19. Sơ đồ vi cấu trúc của zirconi oxit tạo thành trong các điều kiện khác nhau [8] (a) nước ở 350 oC, (b) oxi ở 400 oC và 100bar, (c) hơi nước ở 400 oC Hai dạng ăn mòn khác nhau được quan sát khi chiếu xạ trong lò phản ứng: - Dạng tạo lớp oxit đồng nhất thường xảy ra với các lò phản ứng nước áp lực được cung cấp đủ hydro hòa tan để ngăn cản sự phân ly của nước. Lượng hydro đủ để phản ứng phân ly không xảy ra theo chiều thuận. Khi các màng oxit trở nên rất dày trên 100 μm thì sự phá vỡ lớp oxit xảy ra. Một số vỏ bọc vỡ lớp oxit có độ dày thấp hơn. Ăn mòn đồng nhất là cơ chế trội quan sát được trong các lò phản ứng PWR. Lớp oxit phát triển đồng nhất trên mặt ngoài của vỏ nhiên liệu. Khả năng chống ăn mòn phụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu trúc vi mô của Zircaloy. Mẫu ăn mòn đồng nhất quan sát được như trong Hình 2.21. Hình 2. 20. Sơ đồ diễn biến quá trình oxy hóa kim loại vỏ bọc [2] Hình 2. 21. Ăn mòn tạo lớp đồng nhất sau 1 và 3 chu kỳ [2] - Ăn mòn dạng hạch (nốt) thường xảy ra trong các lò phản ứng BWR nơi mà sự phân ly nước và sự sôi cho phép oxy tích lũy trong nước. Các hạt nhỏ thường có dạng hạt đậu và tạo nhân rất sớm trong quá trình phơi xạ lò phản ứng. Quá trình ăn mòn dạng hạch có thể chia thành 4 bước (Hình 2.22). Đầu tiên là sự hình thành oxit đồng nhất ZrO2 hoặc ZrO2-x, sau đó lớp oxit dày lên, nứt gẫy của các lớp oxit dẫn đến sự thâm nhập của H2O vào bề mặt vỏ thanh nhiên liệu. Cuối cùng, sự hình thành và nứt vỡ lặp đi lặp lại của ZrO2 tạo ra các vùng ZrO2 rỗng xốp cao dạng cột. 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 1.204 oC, đồng thời mức độ oxy hóa cực đại trong lớp vỏ thanh nhiên liệu được giới hạn là 17% độ dày ban đầu của nó. Những nghiên cứu về quá trình ăn mòn hợp kim Zr-Nb được thực hiện với biến đổi khá rộng thành phần Nb. Tuy nhiên đáng chú ý là những nghiên cứu quá trình ăn mòn của 3 loại hợp kim được sử dụng rộng rãi trong lò phản ứng là Zr-1%Nb (E110, M5), Zr-2,5%Nb (E125), Zr-1%Sn-1%Nb-0,1-0,4%Fe (E635, Zirlo). Một số kết quả thu được từ những nghiên cứu này là: - Quá trình chế tạo vật liệu (cán kéo, gia công nguội và xử lý nhiệt) ảnh hưởng tới sự phân bố của pha β-Zr, làm tăng khả năng chống ăn mòn của hợp kim Zr-Nb, đặc biệt khi xử lý nhiệt tại nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ monotectoid (590 - 610 oC, tùy thuộc hàm lượng oxy); - Hóa học nước, đặc biệt hàm lượng oxy của chất làm mát ảnh hưởng nhiều đến quá trình ăn mòn hợp kim Zr-Nb, khi hàm lượng oxy ≥15ppb. Sự tăng quá trình ăn mòn hợp kim Zr-Nb trong nước oxy hóa liên quan đến sự chuyển NbO2 thành Nb2O5, dẫn đến quá trình giãn nở thể tích; Hình 2. 22. Cơ chế ăn mòn dạng hạch [2] - Thiếc làm tăng độ dày màng oxit trên bề mặt ngoài vỏ bọc Zr-Nb. Với hàm lượng Sn 0,2 - 0,3% quá trình ăn mòn hợp kim Zr-Nb tăng nhanh, nhưng khi hàm lượng Sn >0,5% thì lại ít nhạy cảm với môi trường khi có mặt LiOH hàm lượng cao; - Hợp kim Zr-Nb hấp thụ hydro thấp hơn so với Zircaloy; - Nb làm giảm quá trình ăn mòn hợp kim Zr-Nb trong lò PWR. Nhiều hợp kim Zr-Nb đáp ứng nhu cầu làm việc của nhiên liệu có độ cháy cao. Hợp kim Zr-2,5%Nb xử lý đúng có khả năng chống ăn mòn cao nhất trong lò PWR. Khi hàm lượng kim loại chuyển tiếp trong hợp kim >0,25% thì tác dụng chống ăn mòn giảm đi. Quá trình ăn mòn trong dung dịch LiOH mạnh hơn so với trường hợp Zircaloy. Nhìn chung, đối với lò PWR, hợp kim Zr-Nb là hợp kim quan trọng nhất hiện nay và có khả năng thay thế Zircaloy. Trong môi trường nước (là chất tải nhiệt đồng thời là chất làm chậm nơtron) của lò phản ứng, tốc độ ăn mòn tăng dưới tác dụng bức xạ. Cơ chế tác động bức xạ tới quá trình ăn mòn thể hiện ở: - Các gốc tạo thành dưới quá trình phân hủy phóng xạ nước (oxy, hydroxyl, hydroperoxit) tham gia vào quá trình oxy hóa bề mặt vỏ bọc; - Nơtron làm suy giảm lớp oxit bảo vệ bề mặt, tạo kẽ nứt xâm nhập vào kim loại; - Những biến đổi về tính chất vật lý, cơ, nhiệt vật liệu dưới tác dụng bức xạ tạo điều kiện thay đổi tốc độ ăn mòn. Hình 2.23 trình bày cơ chế phá vỡ lớp bảo vệ oxit hợp kim zirconi dưới tác dụng của một gốc O2 tạo thành từ quá trình phân hủy phóng xạ. Hình 2. 23. Tác động của gốc hoạt động tạo thành từ quá trình phân hủy phóng xạ nước tới quá trình ăn mòn kim loại vỏ bọc [2] 2.5.2. Quá trình hydro hóa Hydro xâm nhập vào kim loại thể rắn làm giòn hóa và có thể làm rạn nứt kim loại. Mặc dù quá trình hấp thu hydro và ảnh hưởng của nó tới vật liệu đã được nghiên cứu qua nhiều thập kỷ, song đến nay nhiều vấn đề về cơ chế diễn biến quá trình vẫn chưa được hiểu biết đầy đủ. Zirconi là kim loại nền chủ yếu cho các hợp kim dùng làm vỏ bọc nhiên liệu và các thành phần cấu trúc trong lò phản ứng hạt nhân dùng chất tải nhiệt là nước. Các hợp kim này có tiết diện bắt nơtron nhiệt thấp, đảm bảo các tính chất cơ học trong và sau khi bị chiếu xạ trong dòng nơtron nhanh, và có độ bền chống ăn mòn cao. Trong quá trình vận hành lò phản ứng nước nhẹ (LWR), trạng thái cơ học của vỏ thanh nhiên liệu trên cơ sở zirconi bị suy giảm do tác dụng liên hợp của ba yếu tố là quá trình oxy hóa, hydrua hóa và tác dụng của bức xạ. Hydro trong các hợp kim zirconi có thể ảnh hưởng đến các tính chất cơ bản của vật liệu như: Hình dạng và các chức năng cơ học. Nhiều tài liệu đã công bố cho thấy hydua có thể làm giảm độ dẻo và tác động đến độ bền vững của Zircaloy. Một số lớn các nghiên cứu hiện nay chỉ ra rằng các hydua làm tăng tốc độ quá trình ăn mòn đều. Ngoài ra trong một số trường hợp hydro/hydrua ảnh hưởng đến tốc độ rão vật liệu. Tuy nhiên hiện còn chưa có kết luận rõ ràng là, liệu hydro/hydrua làm tăng hay giảm tốc độ rão của Zircaloy. Để tăng hiệu quả vận hành lò phản ứng nhờ sử dụng một chu kỳ nhiên liệu dài hơn và giảm thiểu lượng chất thải, người ta tăng độ cháy bó thanh nhiên liệu >45 GWd/tU. Điều này làm tăng thời gian phơi chiếu trong môi trường lò phản ứng, dẫn tới suy yếu lớp vỏ bọc nhiên liệu do quá trình giòn hóa hydrua và gia tăng oxy hóa vật liệu do hấp thu hydro, tăng nguy cơ hư hỏng vỏ bọc trong các tai nạn/sự cố giả định trong cơ sở thiết kế. Do độ hòa tan thấp của hydro trong nền hợp kim zirconi (khoảng 100 ppm khối lượng tại nhiệt độ vận hành lò phản ứng), hầu hết hydro thoát ra do quá trình ăn mòn giữa hơi nước/nước và hợp kim zirconi có thể kết tủa dưới dạng hydrua. Pha hydrua này nói chung giòn và khi hợp kim zirconi chứa một lượng đủ lớn zirconi hydrua thì các chức năng cơ học của kim loại bị suy thoái. Do chức năng cơ học chịu tác động lớn của trạng thái ứng suất và tốc độ biến dạng, nên bắt buộc phải kể đến các thông số này trong phương pháp thử nghiệm và mẫu phải được lựa chọn đồng dạng về mặt hình học với hoàn cảnh đặc biệt trong lò phản ứng. Một trong các 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. Các hydrua có thể ảnh hưởng đến hợp kim zirconi trong quá trình ngừng lò, quá trình vận hành bình thường hoặc không bình thường của lò phản ứng, cũng như trong quá trình lưu giữ tạm thời nhiên liệu. Trong quá trình ngừng lò để nạp nhiên liệu, nhiệt độ hợp kim zirconi khoảng 30 - 40 oC, trong khi nhiệt độ tương ứng khi lò phản ứng vận hành bình thường là 290 - 400 oC. Trong trường hợp đầu, bó thanh nhiên liệu có thể bị hư hỏng do thao tác, như bó thanh có thể va chạm các cấu tử khác và phép thử trong trường hợp này là thử nghiệm với tốc độ biến dạng rất lớn tại nhiệt độ thường. Còn trong trường hợp lò phản ứng vận hành bình thường, nhiên liệu không bị hư hỏng thì tình trạng giới hạn là sự quá độ công suất gây ra biến dạng nhiên liệu. Phép thử cơ học trong trường hợp này là thử nghiệm với tốc độ biến dạng thấp tại nhiệt độ cao. Thử nghiệm kéo tại nhiệt độ phòng cho thấy độ dẻo của vật liệu Zircaloy giảm khi tăng hàm lượng hydro (Hình 2.24 và Hình 2.26). Hình 2.25 cho thấy độ bền kéo của vật liệu Zircaloy-2 không thay đổi cho tới hàm lượng hydro 500 ppm (trọng lượng). Đây chính là hàm lượng cực đại của hydro được một số nhà sản xuất nhiên liệu dùng làm giới hạn thiết kế cho các thành phần cấu trúc bằng hợp kim zirconi. Trong khi đó, kết quả thử nghiệm đưa ra trên Hình 2.26 đối với Zircaloy-4 cho thấy hàm lượng cực đại là 300 ppm (trọng lượng). Hydrua gần như không ảnh hưởng tới giới hạn đàn hồi của vật liệu. Hình 2. 24. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của Zircaloy-2 tại nhiệt độ phòng (Yeniscavich, 1958) [8] Hình 2. 25. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ bền kéo của Zircaloy-2 tại nhiệt độ phòng (Yeniscavich, 1958) [8] Hình 2. 26. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro đến tính chất cơ học của Zircaloy-4 tại nhiệt độ phòng (Lin and Hamasaki, 1979) [8] Ảnh hưởng phức tạp của nhiệt độ tới độ dẻo của hợp kim zirconi bị hydrua hóa được đưa ra trên các Hình 2.27, Hình 2.28 và Hình 2.29. Các thử nghiệm kéo thực hiện trên Zircaloy-2 và Zircaloy-4 đã bị hydrua hóa, có bị chiếu xạ hoặc không bị chiếu xạ. Các vật liệu này được gia công nhiệt trong các điều kiện khác nhau (vật liệu tôi tái kết tinh (Recristallized Annealed-RXA) được xử lý nhiệt tại đầu cuối quá trình chế tạo với nhiệt độ cao hơn so với vật liệu tôi khử ứng suất dư (Stress Relief Annealed-SRA), dẫn tới vật liệu RXA có độ bền kém hơn, nhưng độ dẻo cao hơn so với vật liệu SRA). Từ các đồ thị này thấy rằng, hàm lượng hydro tăng đã làm giảm độ dẻo của vật liệu. Từ Hình 2.27 và Hình 2.28 cũng thấy rằng sự tăng nhiệt độ duy trì được độ dẻo vật liệu ngay cả khi hàm lượng hydro tăng. Tại 300 oC hàm lượng hydro tăng tới 2.000 ppm (khối lượng) trong vật liệu không chiếu xạ vẫn không gây ảnh hưởng lớn tới độ dẻo của vật liệu. Hình 2.29 cho thấy ảnh hưởng của hydro tới độ dẻo của vật liệu bị chiếu xạ lớn hơn so với vật liệu không bị chiếu xạ. Hình 2. 27. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của vật liệu Zry-4 SRA và Zry-2 RXA không bị chiếu xạ tại nhiệt độ 20 oC [8] Hình 2. 28. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro tới độ dẻo của vật liệu Zry-4 SRA và Zry-2 RXA không bị chiếu xạ tại nhiệt độ 300 oC [8] Hình 2. 29. Ảnh hưởng của hàm lượng hydro và sự chiếu xạ tới độ dẻo của vật liệu Zry-2 RXA tại nhiệt độ 300 oC [8] 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 Khả năng tính toán một cách chính xác hiệu năng thanh nhiên liệu lò nước nhẹ LWR dưới điều kiện độ cháy kéo dài là một mục tiêu chính của chương trình nghiên cứu an toàn lò phản ứng của Cơ quan Pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ (US.NRC). Để đạt được mục tiêu này, US.NRC đã mở rộng chương trình phát triển các chương trình phần mềm phân tích (code) cũng như thực hiện các thử nghiệm mô hình chuẩn để đánh giá khả năng phân tích của các code. 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. Đây là trạng thái mà công suất và điều kiện biên có sự thay đổi không đáng kể. Điều này bao gồm các trường hợp như vận hành chu kỳ dài ở công suất ổn định hoặc có sự nhảy mức công suất thấp. Code tính toán các tham số (theo thời gian) đặc trưng của thanh nhiên liệu bao gồm phân bố nhiệt độ của thanh, áp suất khí bên trong thanh, ứng suất - biến dạng của lớp vỏ bọc, oxy - hydro hóa của lớp vỏ bọc, tỷ lệ phát tán khí phân hạch, Bên cạnh đó, code được thiết kế để có thể truy xuất các điều kiện ban đầu cho các phân tích chuyển tiếp [5] [6]. FRAPCON-3.5 là phiên bản mới nhất (phát hành tháng 5/2014) trong chuỗi các phiên bản của code FRAPCON-3. Đối với các phiên bản của code FRAPCON-3 và cụ thể là phiên bản FRAPCON-3.5 có một bước tiến quan trọng trong việc đơn giản hóa code bằng cách loại bỏ các thông số đầu vào (input) mở rộng và các tính năng lựa chọn mô hình phức tạp có tác động lớn đến kết quả. Ngoài ra, các giá trị mặc định tương thích được cài đặt cho một số thông số mà người dùng có thể sử dụng để tham chiếu hoặc lựa chọn các mô hình phù hợp với các bài toán khác nhau. 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 Cũng như bất kỳ một code tính toán nào khác, code FRAPCON-3.5 cũng có những hạn chế giới hạn nhất định. Các giới hạn của code FRAPCON-3.5 gồm: 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. Không mô hình đối với các dạng nhiên liệu khác (nhiên liệu kim loại) và với các chất làm mát khác (natri lỏng), tuy nhiên có thể thay đổi mô hình để có thể mô hình hóa các điều kiện này. Giới hạn độ cháy trung bình là 62 GWd/tU, trong khi nên thay đổi tăng giới hạn này. Giới hạn nhiệt độ trong chương trình là ở nhiệt độ nóng chảy của nhiên liệu hoặc của lớp vỏ bọc. Khi nhiệt độ vượt quá giới hạn xảy ra nóng chảy thì chương trình dừng tính toán. 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). Giả thiết này phù hợp với việc mô hình hóa đặc trưng của thanh nhiên liệu (ví dụ như tỷ số chiều dài - đường kính lớn). Tương tự như vậy, các mô hình phát tán khí phân hạch dựa trên trạng thái dừng và dữ liệu nhảy mức công suất chậm (slow power ramp data) nên không phản ánh được tốc độ phát tán khi cần phải quan tâm trong điều kiện công suất thay đổi nhanh. Do đó, việc đặt các bước thời gian nên lớn hơn 0,1 ngày nhưng không vượt quá 50 ngày (riêng đối với các phân tích đặc trưng nhiệt thì có thể sử dụng các bước thời gian thấp hơn và vào cỡ 0,001 ngày). c. Code FRAPCON-3.5 chỉ tính toán với các biến dạng nhỏ của lớp vỏ bọc (<5% biến dạng). Tất cả các mô hình cơ - nhiệt đều giả thiết theo đối xứng trục thanh nhiên liệu mà không có quy định ràng buộc theo dọc trục. Các giả thiết này là phù hợp đối với việc mô hình hóa thanh nhiên liệu LWR (không phù hợp với thanh nhiên liệu lò nước nặng). d. Code đánh giá các biến dạng lớp vỏ bọc do PCMI dựa trên dữ liệu nhảy mức công suất. Với độ cháy khoảng 65 GWd/tU, biến dạng lớp vỏ bọc có thể vượt ngoài dự đoán một chút. Với dữ liệu độ cháy cao hơn (>65 GWd/tU), có thể code FRAPCON-3.5 sẽ đưa ra dưới dự đoán về biến dạng vỏ bọc khi có sự nhảy mức công suất. 3.2. Cấu trúc và phương pháp tính toán của code FRAPCON-3.5 3.2.1. Cấu trúc của code Cấu trúc của code FRAPCON-3.5 bao gồm trên 200 thủ tục con được nhóm thành 3 khối (Bảng 3.1). Trong đó, hai khối FRPCON và MATPRO được yêu cầu bắt buộc cho mỗi lần chạy thực thi. Khối FRACAS-I là