Tóm tắt Luận văn Phân tích các đặc trưng của thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân VVER AES-2006

ủa các nước phương Tây. Phiên bản VVER-1200 (VVER-AES2006) hiện tại đang là cải tiến mới nhất của thế hệ VVER. Thiết kế VVER-AES2006 đáp ứng mức công suất điện 1.200 MWe với việc tối ưu hóa áp dụng công nghệ an toàn chủ động và thụ động. Điểm khác biệt quan trọng của thiết kế VVER-AES2006 đó là khả năng thực hiện độc lập các chức năng an toàn và khả năng hoạt động hài hòa giữa hai hệ thống an toàn chủ động và thụ động. Hình 1.1 mô tả các thế hệ phát triển lò phản ứng hạt nhân VVER. 4 Hình 1. 1. Các thế hệ phát triển lò phản ứng hạt nhân VVER [22] 1.2. Đặc điểm lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 Lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 là phiên bản thiết kế thuộc thế hệ III+ được hoàn thiện dựa trên cơ sở tích lũy kinh nghiệm thiết kế, kinh nghiệm vận hành 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 VVER- AES2006. Bảng 1. 1. Một số thông số thiết kế lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 [22] STT Thông số Giá trị 1 Công suất nhiệt, MWt 3.200 2 Công suất điện tổ lò, MWe 1.198,8 5 3 Tuổi thọ lò phản ứng, năm 60 4 Độ khả dụng, % 0,92 5 Số vòng tuần hoàn, vòng 4 6 Áp suất vòng sơ cấp, MPa 16,2 7 Nhiệt độ chất làm mát lối vào, oC 298,6 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 7,0 12 Nhiệt độ nước cấp, oC 225±5 13 Số bó thanh nhiên liệu (FA) trong vùng hoạt 163 14 Số bó thanh nhiên liệu chứa thanh hấp thụ CPSAR 121 15 Áp suất chất làm mát ở lối ra, MPa 16,2±0.3 16 Nhiệt độ chất làm mát ở lối vào, oС 298,2+2-4 17 Nhiệt độ chất làm mát ở lối ra, oС 328,9±5 18 Khoảng cách giữa các bó thanh nhiên liệu, m 0,236 19 Lưu lượng chất làm mát (tại nhiệt độ lối vào), m3/hr 83.420±2.900 20 Tiết diện thủy động vùng hoạt, m2 4,14 21 Chiều cao cột nhiên liệu (ở trạng thái lạnh), m 3,73 6 Hình 1. 2. Mô hình tổ hợp thiết bị vòng sơ cấp lò phản ứng VVER-AES2006 [22] Hình 1. 3. Bó thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006 [12] 7 CHƯƠNG 2. ĐẶC TRƯNG CỦA THANH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN 2.1. Đặc điểm thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân [9] [15] [16] Về cơ bản thì hình dạng, thành phần cấu trúc của thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng nước áp lực của các thiết kế là như nhau. Trong đó, thanh nhiên liệu có dạng hình trụ, các viên gốm nhiên liệu UO2/UO2-Gd2O3 được làm giàu đồng vị (235U) ở mức thấp và nạp vào trong ống vỏ bọc bằng hợp kim zirconi, sau khi khí heli được nạp vào thì hai đầu ống được hàn kín. Bên trong thanh có bộ phận lò xo bằng thép không gỉ giúp ổn định cột nhiên liệu trong quá trình vận chuyển hoặc nạp tải vào vùng hoạt. Tuy nhiên, theo hình dạng bó thanh nhiên liệu được lắp ráp và cấu trúc nạp tải ô lưới nhiên liệu trong vùng hoạt, có thể tạm chia thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân thành 2 xu hướng đó là: Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (PWR) bao gồm các nước Hoa Kỳ, Pháp, Bỉ, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc và thanh nhiên liệu theo thiết kế của Liên Bang Nga (VVER). Hình 2.1, Hình 2.2 mô tả thiết kế thanh và bó thanh nhiên liệu hạt nhân theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu [9] [15]. Hình 2. 1. Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (KSPN-Hàn Quốc) 8 Hình 2. 2. Bó thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-Châu Âu (Westinghouse) Hình 2.3 mô tả đặc điểm của thanh nhiên liệu hạt nhân tiêu chuẩn sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000 [15]. Hình 2. 3. Thanh nhiên liệu tiêu chuẩn sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000 9 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). Hình 2. 4. Các khuyết tật trong mạng lưới làm thay đổi tính chất vật liệu [13] 10 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/m3) theo phương trình sau: T(r) = T(rf) + p.(rf 2 – r2).(4.kf) -1 (2.3) Trong đó, T(r) là nhiệt độ (oC) tại bán kính r (m) bên trong thanh nhiên liệu, T(rf) là nhiệt độ tại bề mặt viên, rf là bán kính ngoài viên gốm (m) và kf là độ dẫn nhiệt bên trong viên nhiên liệu (W.m-1K-1). Hình 2. 5. Phân bố nhiệt độ giữa nhiên liệu và chất làm mát phụ thuộc công suất nhiệt tuyến tính [19] 11 2.3.2. Sự thay đổi cấu trúc viên gốm nhiên liệu [8] [19] Tốc độ sinh nhiệt lớn trong khi độ dẫn nhiệt của viên gốm UO2 và (U,Pu)O2 thấp, làm gradien nhiệt độ theo hướng tâm viên gốm có trị số rất lớn, thường từ 2.000 - 4.000 oC/cm. Từ tâm viên gốm đến bề mặt viên hình thành các khu vực nhiệt độ khác nhau (Hình 2.6): Vùng >1.600 oC; vùng từ 1.300 oC đến 1.600 oC; vùng từ 1.100 oC đến khoảng 1.300 oC và vùng <1.100 oC. Hậu quả là ứng suất nhiệt cục bộ tạo ra nứt nẻ, phồng nở và áp lực lớn tác dụng trên các lỗ thiêu kết làm chúng chuyển dịch ngược với gradien nhiệt độ, tạo thành lỗ trống trung tâm và làm thay đổi cấu trúc vật liệu. 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. 12 2.4. Đặc trưng thủy nhiệt động đối với thanh nhiên liệu Những vấn đề nhiệt thủy lực cơ bản trong lò phản ứng thường được nhắc tới là: - Chế độ dòng chảy đối với chất lỏng hai pha; - Thông lượng nhiệt tới hạn (CHF); - Lưu lượng tới hạn hai pha (TPCF); - Các nguyên lý nhiệt động học; - Các phương trình mô phỏng và thuật toán giải chúng. Khả năng tải nhiệt vùng hoạt của chất lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hình dạng của nhiên liệu, các tính chất của chất lỏng (hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, mật độ, độ nhớt), các tính chất dòng chảy (vận tốc của chất lỏng, sự phân bố của chất lỏng), vật liệu làm nhiên liệu (hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, entanpy). 2.5. Đặc trưng quá trình oxy hóa và hydro hóa đối với thanh nhiên liệu [2] 2.5.1. Quá trình oxy hóa Cơ chế oxy hóa vỏ bọc tương tự như với kim loại nói chung được đưa ra trong Hình 2.7 dưới đây. Vì tác nhân oxy hóa chủ yếu là nước (dạng hơi), phản ứng oxy hóa tạo ra một lượng lớn khí hydro. Tốc độ sinh nhiệt do phản ứng oxy hóa trong vỏ bọc trở thành đáng kể ở nhiệt độ cao hơn 1.200 oC. Tại nhiệt độ này, nhiệt oxy hóa trở thành lớn hơn nhiệt phân rã để trở thành nguyên nhân chính làm tăng nhiệt độ nhiên liệu. Phản ứng oxy hóa bên trong lớp vỏ thanh làm tăng nhanh nhiệt độ trong nhiên liệu và chuyển vỏ bọc về dạng oxit ZrO2. Sự tăng trưởng nhanh màng oxit và sự hòa tan gia tăng của oxi trong pha β-Zr tại nhiệt độ trên 1.200 oC làm mất tính dẻo trong vỏ bọc là cơ sở đặt ra giới hạn chuẩn nhiệt độ vỏ bọc tối đa trong sự cố LOCA cơ sở là 13 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. Hình 2. 7. Sơ đồ diễn biến quá trình oxy hóa kim loại vỏ bọc [2] 14 2.5.2. Quá trình hydro hóa 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. 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 (<5% biến dạng). d. Code đánh giá các biến dạng lớp vỏ bọc do PCMI dựa trên dữ liệu nhảy mức công suất. 16 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). Bảng 3. 1. Các khối chính của code FRAPCON-3.5 [3] Khối Mô tả FRPCON Phần chính của code, bao gồm các mô hình cơ - nhiệt FRACAS-I Chứa các thủ tục con của mô hình cơ học FRACAS-I MATPRO Khối thuộc tính vật liệu MATPRO 3.2.2. Cấu trúc input đầu vào Tệp input đầu vào của code FRAPCON-3.5 được chia thành 4 mô-đun: - 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. 17 3.2.4. Lưu đồ tính toán của code Hình 3.1 chỉ ra lưu đồ tính toán của code FRAPCON-3.5, được bắt đầu từ phần thiết lập đầu vào (input), sau đó là các tính toán theo vòng lặp hội tụ và kết thúc là truy xuất kết quả đầu ra (output). Hình 3. 1. Lưu đồ tính toán của code FRAPCON-3.5 [3] 18 CHƯƠNG 4. PHÂN TÍCH ĐẶC TRƯNG THANH NHIÊN LIỆU TVS-2006 4.1. Đặc điểm thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 Về cơ bản, cấu trúc thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 không có nhiều thay đổi so với các thiết kế sử dụng trong lò phản ứng VVER-1000, trong đó bao gồm các phần đầu trên, đầu dưới và phần thân ống bằng lớp vỏ hợp kim zirconi E110 (Zr-1%Nb) (Hình 4.1). Bảng 4.1 trình bày một số thông số thiết kế và Hình 4.1 mô tả đặc điểm của thanh nhiên liệu TVS-2006. Bảng 4. 1. Các thông số thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 [12] Thông số Giá trị Viên gốm nhiên liệu UO2 Độ làm giàu (U235), % 1,6-2,0-2,4-3,0-3,6-4,0-4,4 Tỷ số O/U 2,000-2,015 Mật độ nhiên liệu UO2, g/cm 3 10,4-10,7 Kích thước hạt tinh thể, µm 10-20 Hình dạng viên gốm, Hình trụ rỗng với lỗ trống ở tâm Đường kính ngoài viên gốm, mm 7,6-0,03 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 Nb, % khối lượng O, % khối lượng N, C, Si, Al, Mo, Ni, Fe, % khối lượng 98,67-98,87 0,9-1,1 < 0,1 < 0,13 19 Đường kính ngoài, mm 9,1±0,04 Đường kính trong, mm 7,73+0,06 Tính chất vật liệu (điều kiện tiêu chuẩn): Nhiệt dung riêng, kJ/kg.oC Hệ số dẫn nhiệt, W/m.oC Mật độ, g/ cm3 Mô-đun Young, MPa Tỷ số Poison, (theo trục/theo bán kính) Giới hạn kéo đứt (theo trục/theo bán kính), MPa Giới hạn đàn hồi (theo trục/theo bán kính), MPa 0,25 17,2 6,55 9,4x104 0,346/0,354 380-440/360-420 210-260/320-390 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 2,1 Thành phần khí: He, % thể tích Tạp chất, % thể tích > 99,99 < 0,01 Vòng đệm: Số vòng Đường kính ngoài, mm Đường kính dây xoắn, mm Thép không gỉ 12X18H10T 40 7,5692 1,00076 20 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; 21 - Phân tích các kết quả sử dụng đánh giá theo các tiêu chuẩn thiết kế được chấp nhận. 4.3.2. Mô hình hóa thanh nhiên liệu TVS-2006 Thanh nhiên liệu TVS-2006 được mô hình hóa sử dụng chương trình FRAPCON-3.5 dựa trên các thông số thiết kế, dữ liệu tham chiếu trong vận hành thử nghiệm ở các tổ lò VVER-1000 và dữ liệu được đưa ra từ PSAR-AES2006. 4.4. Đánh giá thiết kế thanh nhiên liệu TVS-2006 4.4.1. Kết quả tính toán cơ - nhiệt Các phân tích kết quả tính toán cơ - nhiệt của thanh nhiên liệu TVS-2006 bao gồm các tham số đặc trưng tin cậy về cơ - nhiệt đó là nhiệt độ cực đại của nhiên liệu, tỷ lệ phát tán khí phân hạch và áp suất bên trong thanh nhiên liệu do các sản phẩm khí phân hạch sinh ra. Từ các kết quả tính toán và so sánh với kết quả từ PSAR và tiêu chuẩn cho phép về đặc trưng cơ - nhiệt của thanh nhiên liệu TVS-2006 cho thấy các kết quả theo tính toán đáp ứng khá tốt các tiêu chuẩn đưa ra và phù hợp tin cậy cơ - nhiệt học của thanh nhiên liệu TVS-2006 trong vận hành. Tuy nhiên, áp suất trong thanh nhiên liệu và độ bất định của nhiệt độ bề mặt bên ngoài lớp vỏ bọc là khá thấp. Điều này có thể là do các thông tin không đầy đủ về lịch sử công suất thiết kế và các độ bất định trong PSAR-AES2006. Do đó, kết quả này cần phải được xem xét thêm. Ngoài ra, theo như giá trị áp suất được chỉ ra trong Bảng 4.2 thì giá trị áp suất bên trong thanh nhiên liệu đưa ra trong PSAR là khá cao theo phản hồi kinh nghiệm vận hành cũng như theo thiết kế với chiều dài cột nhiên liệu dài hơn. Thông số này thường có giá trị nằm trong khoảng 10 - 12 MPa sau 4 chu kỳ vận hành chứ không phải là 15,2 MPa. Điều này cần phải được đánh giá lại với các tính toán bổ sung theo lịch sử công suất có độ tin cậy cao hơn. Các kết quả tính toán về nhiệt độ, áp suất và tỷ lệ phát tán khí phân hạch được đưa ra trong Bảng 4.2 và Hình 4.2 - 4.6. 22 Bảng 4. 2. Các kết quả tính toán cơ - nhiệt thanh nhiên liệu TVS-2006 Tham số Hiệu dụng Độ bất định Cực đại PSAR Giá trị giới hạn Biên dự trữ an toàn, K* Biên an toàn chuẩn, [K] Nhiệt độ nhiên liệu, K 1551,84 467,84 1710,53 1860,15 3113,14 1,82 1,1 Nhiệt độ bề mặt ngoài vỏ bọc, K 601,56 277,67 606,08 628,15 628,15 1,04 - FGR, % 2,44 1,14 3,58 3 - - - Áp suất trong thanh, MPa 4,97 0,72 5,69 15,9 16,2 2,85 1,1 * K= Giá trị giới hạn/Cực đại Hình 4. 2. Nhiệt độ trung bình tâm nhiên liệu theo chiều dọc thanh nhiên liệu 23 Hình 4. 3. Nhiệt độ bề mặt bên ngoài lớp vỏ bọc theo chiều dọc thanh nhiên liệu Hình 4. 4. Lưới nhiệt độ trung bình của thanh nhiên liệu 24 Hình 4. 5. Tỷ lệ phát tán khí phân hạch của thanh nhiên liệu Hình 4.6. Áp suất khí bên trong thanh nhiên liệu 4.4.2. Kết quả tính toán độ bền Trong 4 chu kỳ vận hành, ứng suất vỏ bọc đạt ổn định ở mức khoảng 70 - 80 MPa và ứng suất hiệu dụng cực đại bằng 103,28 MPa, giá trị này là thấp hơn ứng suất chảy dẻo của vật liệu vỏ bọc. Ứng suất tiếp tuyến cực đại của lớp vỏ bọc là 95,49 MPa. Các ứng suất cao chỉ có thể xảy ra trong trường hợp biến dạng lớp vỏ 25 bọc (kéo căng) do giãn nở nhiệt của nhiên liệu (ứng suất biến dạng) trong suốt quá trình chuyển tiếp. Các kiểm tra đối với lớp vỏ bọc trên thanh nhiên liệu đã cháy với điều kiện áp suất khí bên trong ở nhiệt độ T = 380 oC cho thấy ứng suất tiếp tuyến gây sai hỏng nằm trong khoảng 490 - 530 MPa với độ dẻo dư δp = 3 - 5%. Các kết quả tính toán về ứng suất và biến dạng của lớp vỏ bọc cho thấy đáp ứng được các tiêu chuẩn cho phép và các điều kiện vận hành ổn định. Các kết quả về ứng suất và biến dạng của lớp vỏ bọc được đưa ra trong Bảng 4.3 và Hình 4.7 - 4.18. Bảng 4. 3. Các kết quả tính toán độ bền thanh nhiên liệu Tham số lớp vỏ bọc Hiệu dụng Độ bất định Cực đại PSAR Giá trị giới hạn Biên dự trữ an toàn, K Biên an toàn chuẩn, [K] Ứng suất hiệu dụng, MPa 83,32 19,96 103,28 - - - - Ứng suất tiếp tuyến, MPa 76,99 18,50 95,49 70-80 230 2,41 1,2 Biến dạng tiếp tuyến, % 0,14 0,06 0,20 - 0,5 2,5 - Biến dạng đàn hồi tiếp tuyến, % 0,05 0,01 0,06 - - - - Biến dạng đàn hồi hướng trục, % 0,07 0,02 0,09 - - - - Biến dạng đàn hồi hướng tâm, % 0,06 0,0029 0,0629 - - - - 26 Hình 4. 7. Ứng suất hiệu dụng của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu Hình 4. 8. Ứng suất tiếp tuyến của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu 27 Hình 4. 9. Biến dạng tiếp tuyến của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu Hình 4. 10. Biến dạng đàn hồi tiếp tuyến của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu 28 4.4.3. Kết quả tính toán biến dạng hình học Trong 4 chu kỳ vận hành, độ giãn dài cực đại của cột nhiên liệu bằng 5,02 mm và độ giãn dài cực đại của thanh nhiên liệu trong các điều kiện vận hành là bằng 30,23 mm. Các nghiên cứu phân tích thực nghiệm về độ giãn dài của bó thanh nhiên liệu do nhiệt và chiếu xạ (~0,15%) thì khoảng cách độ hở giữa đầu trên của thanh nhiên liệu và khối đỉnh của bó thanh trong trạng thái nóng là bằng ~61,6 mm (không tính đến độ giãn dài của thanh nhiên liệu). Biên dự trữ an toàn đối với độ giãn dài của thanh nhiên liệu K = 61,6/30,23 = 2,04. Khi trạng thái vật liệu của vỏ bọc chịu mức áp suất đạt đến tới hạn cũng như tích lũy trong thời gian dài các biến dạng rão và phồng nở thì lớp vỏ bọc thanh nhiên liệu rất dễ dàng bị gãy vụn ngay lập tức. Các kết quả tính toán cho thấy tốc độ rão cực đại của vỏ bọc bằng 6,48.10-11 m/m/s và tốc độ phồng nở cực đại của lớp vỏ bọc là bằng 8,64.10-11 m/m/s. Các kết quả tính toán độ biến dạng của thanh nhiên liệu được đưa ra trong Bảng 4.4 và Hình 4.11-4.13. Bảng 4. 4. Các kết quả tính toán biến dạng hình học thanh nhiên liệu Tham số Hiệu dụng Độ bất định Cực đại PSAR Giá trị giới hạn Biên dự trữ an toàn, K Biên an toàn chuẩn, [K] Độ giãn dài của cột nhiên liệu, mm 3,18 1,84 5,02 - - - - Độ giãn dài của thanh nhiên liệu, mm 18,31 11,92 30,23 47,7 61,6 2,04 - Tốc độ rão của vỏ bọc, m/m/s 5,78 0,70 6,48 - - - - Tốc độ phồng nở, m/m/s 7,63 1,01 8,64 - - - - 29 Hình 4. 11. Độ giãn dài của vỏ bọc thanh nhiên liệu trong quá trình vận hành Hình 4. 12. Tốc độ rão của vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu 30 Hình 4. 13. Tốc độ phồng nở của nhiên liệu theo trục thanh nhiên liệu 4.4.4. Kết quả tính toán về quá trình oxy hóa và hydro hóa Trong quá trình vận hành, độ dày lớp oxit và hàm lượng hydro tích lũy trong lớp vỏ bọc có thể gây ra các ảnh hưởng về khả năng truyền nhiệt cũng như sự toàn vẹn của lớp vỏ bọc nhiên liệu. Hàm lượng hydro cao trong lớp vỏ bọc hợp kim zirconi làm tăng độ giòn đồng thời làm suy giảm các đặc tính bền của vật liệu. Các kết quả tính toán về quá trình oxy và hydro hóa vỏ bọc thanh nhiên liệu cho thấy độ dày lớp oxit cực đại trên bề mặt vỏ bọc là 20,21 μm, biên dự trữ an toàn K= 2,97. Hàm lượng tích lũy hydro cực đại bằng 73,42 ppm, biên dự trữ an toàn K= 5,45. Các kết quả tính toán độ dày lớp oxit và hàm lượng hydro tích lũy trong lớp vỏ bọc được đưa ra trong Bảng 4.5 và Hình 4.14 - 4.15. 31 Bảng 4. 5. Các kết quả tính toán độ dày lớp oxit và hàm lượng hydro tích lũy Tham số Hiệu dụng Độ bất định Cực đại PSAR Giá trị giới hạn Biên dự trữ an toàn, K Biên an toàn chuẩn, [K] Độ dày lớp oxit, μm 15,11 5,10 20,21 30 60 2,97 1,5 Hàm lượng hydro, ppm 68,05 5,37 73,42 60-80 400 5,45 - Hình 4. 14. Độ dày lớp oxit trên bề mặt vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu Hình 4. 15. Hàm lượng hydro tích lũy trong vỏ bọc theo trục thanh nhiên liệu 32 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong giới hạn nghiên cứu của luận văn này đã trình bày một khía cạnh về phân tích an toàn lò phản ứng hạt nhân đó là về an toàn hiệu năng nhiên liệu. Trong đó, đối tượng nghiên cứu chính là về công nghệ lò phản ứng hạt nhân VVER- AES2006 với loại thanh nhiên liệu sử dụng là TVS-2006. 1. Khi nghiên cứu, tìm hiểu quá trình phát triển loại công nghệ lò phản ứng VVER của Liên Bang Nga đối với các nhà máy điện hạt nhân, có thể thấy được sự hoàn thiện ngày càng cao, đáp ứng độ tin cậy và nhu cầu sử dụng của con người cả về mặt kỹ thuật cũng như đảm bảo sự an toàn. 2. Thanh nhiên liệu là nguồn phát nhiệt, đồng thời là nơi phát sinh các nguyên nhân gây mất an toàn lò phản ứng. Cách tiếp cận an toàn hạt nhân hiệu quả phải xuất phát từ sự hiểu biết sâu sắc và đầy đủ về vật liệu và cấu trúc thanh nhiên liệu, về những thay đổi nhiều mặt trong quan hệ tương tác phức tạp diễn ra trong thanh nhiên liệu ở các điều kiện vận hành. Những nội dung trình bày trong luận văn phần nào cũng đã phản ánh đầy đủ trạng thái nhiên liệu và vỏ bọc thanh nhiên liệu đối với cả 2 loại lò phản ứng VVER và PWR theo thiết kế Hoa Kỳ - Châu Âu trong điều kiện vận hành bình thường. 3. Các code tính toán được xây dựng dựa trên nhiều cơ sở dữ liệu thu được từ quá trình vận hành thực tiễn và từ các thử nghiệm phức tạp với chi phí lớn, đã tạo ra công cụ giúp phân tích và đánh giá tương đối toàn diện trạng thái và đặc trưng của viên gốm và vỏ bọc nhiên liệu trong các điều kiện vận hành của lò phản ứng. Trong đó, FRAPCON-3.5 là code c