Bài giảng Chương 3: Cấu trúc của lò phản ứng hạt nhân - PGS.TS Nguyễn Nhị Điền

Chương 3

Ấ

Ủ

CẤU TRÚC CỦA Ú LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

PGS TS Nguyễn Nhị Điền

1

Đà Lạt, 2011

I. MỘT VÀI THÔNG TIN CHUNG

Về mặt thiết bị: Về ặt thiết bị

Máy gia tốc Van der Graaff: Năm 1931, máy gia tốc Van der Graaff được chế tạo.ạ Máy gia tốc cynclotron: Năm 1932, E. Lawrence phát minh khả năng điều khiển chùm hạt và máy gia tốc cynclotron ra đời.

y g

y g

ạ

g

,

Máy gia tốc Betatron: Năm 1936, DW. Berst chế tạo thành công máy gia tốc betatron.

g

p

g

y

y

y

Lò phản ứng nghiên cứu: Năm 1942, E. Fermi và các cộng sự chế tạo g thành công thiết bị duy trì phản ứng dây chuyền là LPƯ nghiên cứu tại trường ĐH Chicago (Năm 1934, chính Fermi phát hiện ra phản ứng phân hạch hạt nhân khi cho nơtron tương tác với uranium).

ầ

ố

Vũ khí hạt nhân: Ngày 16/7/1945, Mỹ thử nghiệm thành công quả bom nguyên tử đầu tiên. Ngày 6/8/1945, quả bom “Little Boy” đã thả xuống Hiroshima và ngày 9/8/1945, quả bom “Fat Man” đã thả xuống Nagasaki.

Nhà máy điện hạt nhân: Ngày 27/6/1954, nhà máy điện hạt nhân đầu tiên công suất 5 MWe tại thành phố Obninsk hòa mạng lưới điện quốc gia. tiê

i thà h hố Ob i

ất 5 MW t

l ới điệ

k hò

ô

ố

i

2

Về mặt thiết bị: Phát triển theo 2 hướng: Về mặt thiết bị: Phát triển theo 2 hướng:

) 1. Năng lượng cao (MeV – GeV):

g ợ g

(

Các máy gia tốc: cynclotron, Linac, electron beam, …

- Nghiên cứu khám phá thế giới Vật lý hạt cơ bản

Cá ứ

t ị hữ bệ h à ả

ất đồ

ị hó

d

- Các ứng dụng xạ trị chữa bệnh và sản xuất đồng vị phóng xạ để sử dụng PET trong Y tế, chiếu xạ vật liệu công nghiệp, nông nghiệp, …

2. Năng lượng thấp (MeV – eV):

Các Lò phản ứng: Lò phản ứng nghiên cứu, lò năng lượng (Điện hạt nhân), lò tái sinh (sản xuất nhiên liệu chế tạo vũ khí hạt nhân), ... : nhân) lò tái sinh (sản xuất nhiên liệu chế tạo vũ khí hạt nhân) : - Sử dụng năng lượng (bức xạ và phân hạch) để phục vụ sản xuất và đời sống con người, …

- Các nghiên cứu về vật lý hạt nhân, cấu trúc hạt nhân Các nghiên cứu về vật lý hạt nhân cấu trúc hạt nhân

- Các nghiên cứu về vật lý và kỹ thuật LPƯ.

3

Hạt nhân nguyên tử: + Vì hạt nhân có năng lượng liên kết nên: ế

g ợ g ( - Muốn tách các nucleon cần một năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết  (trung bình 8 MeV). ) g

- Các hạt nhân có Z>83 thì có  <0, do vậy các hạt nhân này đều là hạt nhân phóng xạ phân rã alpha.

- Khi hạt nhân nặng vỡ ra thành 2 hạt nhân trung bình bì h thà h 2 h t hâ t Khi h t hâ ỡ ặ

cũng cần năng lượng vượt năng lượng liên kết 2 hạt nhân. Trong quá trình phân rã sinh ra năng lượng dư. Mỗi phân rã do neutron tương tác với nhiên liệu hạt nhân (U-235) sinh ra năng lượng tương tác với nhiên liệu hạt nhân (U 235) sinh ra năng lượng khoảng 200 MeV.

 Đó là cơ sở cho lò phản ứng hạt nhân, tàu ngầm nguyên tử và bom nguyên tử (bom A). bom ng ên tử (bom A)

4

- Khi 2 hạt nhân nhẹ được tổng hợp nhiệt hạch thành một hạt nhân trung bình cũng tỏa ra năng lượng lớn gấp 6 lần so với năng lượng tỏa ra do phân hạch. ỏ

 Đó là cơ sở của bom H.

Ph¶n øng PH¢N CHIA H¹t NH¢N:

,

Ph¶n øng ph©n chia h¹t nh©n ®èi víi U-233, U-235, U-238 , Pu-239, Th-232

haït nhaân

B

gamma, alpha, ...

A A

nôtron

nôtron

haït nhaân

gamma, alpha ...

l h

C

haït nhaân

U-233, U-235, Pu-239 ph©n r· d do n nhiÖt (0,025 eV); hiÖ (0 025 V) U-238, Th-232 ph©n r· do n nhanh (1 MeV).

5

nguyªn lý cña ph¶n øng ph©n h¹ch:

N¬tron nhiÖt NhiÖt n¨ng N¬tron nhanh

N N N¬tron nhiÖt

N N

Ph©n h¹ch ChÊt lμm chËm

U 235 U 235 N HÊp

thô

N N

S¬ ®å ®¬n gi¶n cña nguyªn lý ph¶n øng ph©n h¹ch

6

Ph¶n øng ph©n H¹ch D¢Y CHUYÒN:

Giả sử mỗi phân hạch tạo ra 3 nơtron

Generation

Number of neutrons

0 0

1 1

1

3

2

32 = 9

3

33 = 27n

350 = 1025n

Số nơtron được tạo ra rất nhanh qua phản ứng dây chuyền ứ

h ề

dâ

7

Lß Ph¶n øng H¹t NH¢N PH¢N H¹CH:

+ c¸c ®Æc ®iÓm cña ph¶n øng ph©n chia h¹t nh©n c¸c ®Æc ®iÓm cña ph¶n øng ph©n chia h¹t nh©n

1. Sinh ra caùc böùc xaï ion hoùa: nôtron, gamma, beta, v.v…

2. Giai phong ra nang löôïng rat lôn. 2 Giaûi phoùng ra naêng löông raát lôùn

+ lß ph¶n øng h¹t nh©n: Laø thieát bò duy trì Phaûn öùng haït

nhaân daây chuyeàn.

+ c¸c lo¹i lß ph¶n øng h¹t nh©n c¬ b¶n:

1. Loø nghieân cöùu: Söû duïng caùc böùc xaï ion hoùa (naêng löôïng böùc xaï) ñe trien khai cac öng duïng cua ky thuaät haït nhan vao xa) ñeå trieån khai caùc öùng dung cuûa kyõ thuaät hat nhaân vaøo caùc lónh vöïc kinh teá.

2. Loø naêng löôïng: Söû duïng nhieät naêng (töø naêng löôïng phaân

haïch) ñeå saûn xuaát ñieän. h h) ñ å û á ñi ä

3. Lß t¸i sinh: n+U-238 P-239, n+Th-232U-233

 Lß ph¶n øng h¹t nh©n §μ L¹t thuéc lo¹i thø 1 !  Lß ph¶n øng h¹t nh©n §μ L¹t thuéc lo¹i thø 1 !

 Lß nhiÖt h¹ch: do ph¶n øng nhiÖt h¹ch: D+T  He+n 8

s¬ ®å nguyªn lý cña lß ph¶n øng:

Thanh ®iÒu khiÓn

Vμnh ph¶n x¹ Nhiªn liÖu h¹t nh©n

Thïng lß ChÊt lμm chËm

ChÊt t¶i nhiÖt

S¬ ®å cÊu tróc c¬ b¶n cña LP¦HN

9

Ii. th«ng tin vÒ lß ph¶n øng nghiªn cøu trªn thÕ giíi

+ 3:25 phót ngμy 2/12/1942, ph¶n øng ph©n h¹ch tù duy tr× ®· ®−îc thùc hiÖn thμnh c«ng trªn LP¦ h¹t nh©n ®Çu tiªn víi tªn Pile-1 (cßn gäi lμ lß Fermi). Pil 1 ( ß

i lμ lß F

i)

+ Theo sè liÖu cña IAEA năm 2006, ®· cã 831 LP¦ nghiªn cøu c¸c lo¹i ®· ®−îc x©y dùng.

+ Thêi ®iÓm cã sè LP¦ vËn hμnh nhiÒu nhÊt lμ n¨m 1975 (390 lß vËn hμnh).

+ HiÖn nay cã 68 n−íc ®· hoÆc ®ang cã LP¦ nghiªn cøu víi: + HiÖn nay cã 68 n−íc ®· hoÆc ®ang cã LP¦ nghiªn cøu víi: 287 lß ®ang vËn hμnh vμ 10 lß ®ang x©y dùng vμ 10 lß ®· cã kÕ ho¹ch x©y dùng.

+ Có 114 lò đã dừng hoạt động nhưng chưa tháo dỡ 410 lò đã + Có 114 lò đã dừng hoạt động nhưng chưa tháo dỡ, 410 lò đã và đang tháo bỏ.

+ Có 40 quốc gia thuộc các nước đang phát triển có LPƯNC với 84 lò đang vận hành và 7 lò đang xây dựng. 84 lò đ

ậ hà h à 7 lò đ

â d

10

+ Ph©n bè sè LP¦ ®ang vËn hμnh theo vïng: g g Ë 63 60 73 20

- B¾c Mü: - T©y ©u: g - §«ng ©u: - Ch©y Mü la tinh: - Ch©u phi/ trung cËn ®«ng: 15 Ch©u ¸: - Ch©u ¸:

56 56

Developing

sè l−îng lp− nc ®ang vËn hμnh theo c¸c n¨m

Industrialized

390

382

365

Total 450 450 400

372

338

306

320

284

320

321

306

281

283

C N ¦ P L L

172

252

199

Ó ®

223

g n î −

155

86

83

76

85

l è S

82

69

350 300 250 200 150 100

52

39

17

3737

 - Sè LP¦ trong c¸c n−íc ®ang ph¸t triÓn ®ang t¨ng. - Sè LP¦ trong c¸c n−íc ph¸t triÓn ®ang gi¶m. ®ang gi¶m

50 0

1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000

11

60% ó thời

ậ hà h t ê 40 ă

p ụ g

g ậ

g

,

Phân bố tuổi của LPƯ đang vận hành: + khoảng 60% có thời gian vận hành trên 40 năm; + kh ả i + khoảng 80% đã vận hành trên 30 năm. + trong 20 năm tới, số LPƯ đang vận hành sẽ tiếp tục giảm và dự đoán chỉ 1/3 trong số trên sẽ còn hoạt động.

Phân bố tuổi của các LPƯ đang vận hành (số liệu năm 2008)

22

20

18

16

14 14

12

10

Ư Ư P L g n ợ ư l

ố S

8

6 6

4

2

0

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Số năm vận hành

12

24% LPƯ ó ô

Phân bố LPƯ đang vận hành theo công suất lò: + Khoảng 24% LPƯ có công suất trên 10 MWt; + Kh ả ất t ê 10 MWt + Đến khoảng năm 2020 chỉ còn khoảng 35 LPƯ có công suất trên 10 MWt vận hành. + Trong 20 năm tới, số LPƯ đang vận hành sẽ tiếp tục giảm và dự đoán chỉ 1/3 trong số trên (khoảng 100 lò) sẽ còn hoạt động.

100 MW >= 100 MW 4%

>= 20 MW 8%

< 1 kW 18%

>= 10 MW 12%

Các LPƯNC có công suất từ 1 MWt

ph©n bè sè lp− nc cã c«ng suÊt tõ 1 mw trë lªn

30

>= 1 kW 26%

26

22

25

>= 2 MW 23%

18

17 17

20

15

10

8

C N N ¦ P L g n î −

6

10

4

l è S

>= 500 kW 9%

5

1

0

5 3 - 3 2

5 4 - 0 4

0 7 - 0 5

5 . 1 - 0 . 1

0 . 4 - 0 . 2

0 . 9 - 0 . 5

0 2 - 0 . 0 1

0 0 4 - 0 0 1

3 6 5 - 0 0 5

C«ng suÊt nhiÖt, MW

Phân bố công suất của các Phân bố công suất của các LPƯNC đang vận hành 13

+ Trong 287 LPƯ nghiên cứu đang vận hành được phân theo loại LPƯ như sau:

68 (23,7%) 33 (11,5%) 40 (14,1%) 40 (14,1%) 12 (4,2%) 60 (21,1%) 6 (2,1%) 6 (2 1%) 19 (6,7%) 7 (2,5%) 42 (14,6%) 42 (14 6%)

14

+ Lò pool-type, lò loại bể: + Lò tank-type, lò loại thùng: + Lò TRIGA-type: Lò TRIGA type: + Lò nước nặng: + Cơ cấu tới hạn: + SLOWPOKE: + SLOWPOKE: + HOMOG.: + ARGONAUT: + Các loại khác: + Cá l i khá (zero power, fast sodium, sodium cooled, LMFBR, …)

PHÂN LOẠI LPƯNC THEO MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG: PHÂN LOẠI LPƯNC THEO MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG:

164 164

57,1% 57 1%

1 1

Nghiên cứu (đa mục Nghiên cứu (đa mục tiêu - multipurpose)

2

Thử nghiệm vật liệu

23

8,1%

3

Phục vụ đào tạo

37

13,0%

60

21,1%

4

Cơ cấu tới hạn (dùng nghiên cứu, đào tạo) ) hiê ứ đà t

5

Thử nghiệm thiết kế

2

0,7%

6 6

1 1

0,3% 0 3%

Thử nghiệm sản xuất Thử nghiệm sản xuất điện

287

15

ấ ( )

+ Theo công suất LPƯ nghiên cứu có thể phân ra: + Theo công suất, LPƯ nghiên cứu có thể phân ra: - Lò công suất không (Z) < 10 kWt - Lò công suất thấp (L): từ 10 kWt - 1 MWt - Lò công suất trung bình (M): từ 1 - 10 MWt - Lò công suất cao (H): > 10 MWt - Lò xung - Lò nơtron nhanh - Cơ cấu tới hạn (critical assembly)

+ Nhiên liệu cho LPƯ nghiên cứu: - độ giàu U-235 cao: 19,75% - 93% - Hình dạng: dạng thanh dạng ống tròn dạng ống vuông - Hình dạng: dạng thanh, dạng ống tròn, dạng ống vuông, dạng ống lục giác, dạng tấm.

16

+ Cơ chế làm nguội vùng hoạt: tự nhiên, cưỡng bức. + Cơ chế làm nguội vùng hoạt: tự nhiên cưỡng bức + Phản xạ vùng hoạt: berylium, graphite, nước nặng.

+ Chỉ tính riêng các nước tham gia hợp tác vùng Châu Á - Thái + Chỉ tính riêng các nước tham gia hợp tác vùng Châu Á Thái Bình Dương có bức tranh như sau:

1 lò công suất 20 MW mới đưa vào vận hành (8/2006) 1 lò công suất 20 MW mới đưa vào vận hành (8/2006) 1 lò công suất 3 MW đang vận hành (từ 1983)

ậ hà h 1 MW 100 MW 40 MW 1 ắ

pp g

- Úc: Úc: - Bangladesh: - Trung quốc: >10: đang vận hành, 2 xây mới (60 MW và 20 MW) 4: đang vận hành 1 MW, 100 MW, 40 MW, 1 sắp xây 4 đ - Ấn độ: Ấ độ â 3: đang vận hành 100 kW, 2 MW, 30 MW - Indonesia: 1: đang vận hành 30 MW (từ 1995) - Hàn quốc: 1: đang vận hành 1 MW (từ 1987) - Malaysia: 2: đang vận hành 10 MW và 30 kW - Pakistan: - Philippines: 1: đang chờ tháo dỡ 3 MW - Thái Lan: - Việt Nam:

1: đang vận hành 2 MW, 1: đang xây mới 10 MW 1: đang vận hành tại Đà Lạt 0,5 MW (1963, 1984); đang thuyết minh dự án xây dựng lò 15 MWt.

y ự g

W

ự

y

g

17

CÁC ĐẶC TRƯNG CHÍNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU:

1. Loại lò (1):

 Với LPƯ có công suất cao > 10 MWt, chủ yếu có 2 loại:  Với LPƯ có công suất cao > 10 MWt chủ yếu có 2 loại: + Lò dạng bể (pool type) + Lò dạng thùng (tank type) + Lò dạng bể có 2 loại: thùng hở trong bể (open-tank in pool) + Lò dạng bể có 2 loại: thùng hở trong bể (open tank in pool)

thùng kín trong bể (closed-tank in pool)

ể

ắ

g ạ y

18

Loại thùng hở có nhiều ưu điểm: ề + thao tác trong vùng hoạt dễ dàng hơn, + uyển chuyển hơn trong quá trình sử dụng về góc độ cải tạo, lắp đặt thêm thiết bị, ế + giá thành thiết kế và chế tạo thấp hơn, …  Hầu hết các LPƯNC đa mục tiêu hiện nay đều dùng loại ụ (open-tank in pool), có bể chính và bể phụ. ệ ể ể

1. Loại lò (2):

Loại thùng không có Loại thùng không có nắp đậy trong bể lò (lò FRM-II, 20 MW của Đức). Đức).

ỡ

ti

19

Lò công suất cao cần có bể phân rã 16N (decay tank) sinh ra do phản ứng 16O(n, p)16N. Đây là phản ứng có ngưỡng 10.2 MeV. 16N 10 2 M V 16N phân rã thành 16O trong thời gian 7.14 s và phát ra tia γ cứng năng ứ ă lượng 6.13 MeV.

1. Loại lò (3):

Lò loại bể bơi không có nắp đậy (lò WWR, 10 MW của Nga). MW của Nga).

ệ

Bể lò có 3 ngăn: bể lò, bể chứa thanh nhiên liệu đã cháy và bể phân rã N-16 phía dưới bể chứa nhiên liệu.

8

ă

ắ

9

ề

20

1- vỏ bể lò, 2- vùng hoạt, 3- vành 1- vỏ bể lò 2- vùng hoạt 3- vành phản xạ, 4- các kênh của hệ thống điều khiển và bảo vệ lò (CPS), 5- van đối lưu tự nhiên, 6- van tràn, 7- tấ tấm ngăn, 8- vòi phun, 9- nắp có thể ó thể òi h di chuyển, 10 - đèn, 11- cơ chế vận chuyển các côngtainơ đồng vị, 12- động cơ của CPS, 13- phòng đặt động cơ của các thanh điều khiển và ể bảo vệ lò, 14- tấm cản xạ, 15- các kênh cho detector nơtron.

1. Loại lò (4):

Lò loại bể bơi TRIGA 14 MW của Rumani.

21

Đặc biệt: + Trong cùng một bể lò ó 2 LPƯ lò TRIGA lò có 2 LPƯ: lò TRIGA làm việc ở chế độ công suất ổn định 14 ệ ộ MW và một lò làm việc ở chế độ xung công suất đến 2000 MW nên còn gọi là lò TRIGA Dual Core Dual Core. + 14 MW là lò có công suất lớn nhất trong số ệ có các lò TRIGA hiện có G các ò trên thế giới.

1. Loại lò (5):

Lò loại bể bơi cải tiến CARR 60 MW (China).

g

), q

Nước làm nguội đi + Nước làm nguội đi từ trên xuống dưới, qua bình dẫn hướng (guiding tank), qua (g vùng hoạt, đi vào bể ể phân rã N-16 (decay tank). + Bể lò chứa 700 m3 nước, trong bể lò đặt bình dẫn hướng, vỏ g chứa vùng hoạt (core-housing vessel) và bể phân rã N-16.

22

2. Chất làm mát (1):

+ Nước nhẹ và nước nặng là sự lựa chọn chung nhất cho chất làm mát của LPƯ nghiên cứu.

ệ

ặ g) g g p (

+ Nước nặng có ưu điểm là sẽ tiết kiệm nơtron hơn nước nhẹ, tuy nhiên lại có những nhược điểm đáng kể vì giá thành đắt và hệ thống phức tạp. ạp g p + Khi sử dụng nước nặng để làm mát, cần phải có một hệ thống làm nguội vòng sơ cấp khá phức tạp để ngăn chặn tritium (sinh ra do n tương tác với nước nặng) giải phóng vào g môi trường. + Vì việc thao tác thường xuyên trên vùng hoạt của LPƯ để thay đổi nhiên liệu và các thí nghiệm chiếu xạ nên việc giữ sự thay đổi nhiên liệu và các thí nghiệm chiếu xạ nên việc giữ sự tinh khiết của nước nặng luôn là vấn đề cần quan tâm.

át h hệ thố hất là h là ớ

23

 Hầu hết các thiết kế cho LPƯNC loại bể (không có áp lực) đề đều chọn nước nhẹ làm chất làm mát cho hệ thống tải nhiệt tải hiệt h vòng sơ cấp.

3. Phương pháp làm mát (1):

+ Có 2 phương pháp: dòng chảy làm nguội hướng lên trên vùng hoạt và dòng chảy làm nguội hướng xuống dưới vùng hoạthoạt.

+ Ưu điểm của hệ thống làm nguội cưỡng bức với dòng chảy hướng lên trên: hướng lên trên:

g ợ ạ ,

ự

g

g

g

y

y

- Việc thay đổi từ đối lưu cưỡng bức sang đối lưu tự nhiên là hoàn toàn tự nhiên vì dòng chảy cùng hướng lên trên vùng hoạt. Ngược lại, do có sự thay đổi hướng chảy xuống trong đối lưu cưỡng bức sang hướng chảy lên do đối lưu tự nhiên, hệ thống chảy xuống cần phải được thiết kế thận trọng nhằm tránh sự đình trệ của dòng chảy trong quá trình thay đổi hướng chảy.

- Việc lắp đặt và bảo dưỡng các thiết bị đo lưu lượng và

nhiệt độ ở lối ra vùng hoạt ở từng vị trí có đặt nhiên liệu hoàn toàn dễ dàng.

- Giảm khả năng tắc nghẽn kênh làm nguội mà có thể dẫn

đến làm sôi chất làm nguội trong vùng hoạt.

24

3. Phương pháp làm mát (2):

ấ t ú khá đặt t ê iá đỡ khi l dò l

+ Tuy nhiên, dòng chảy hướng lên cũng có nhược điểm là có thể gây ra sự rung động của các thanh nhiên liệu và một số cấu trúc khác đặt trên giá đỡ khi lưu lượng dòng chảy lên trở hả lê t ở nên rất lớn.

+ Khi thiết kế dòng chảy hướng lên cần quan tâm: + Khi thiết kế dòng chảy hướng lên cần quan tâm:

- Bơm có bánh đà để dần dần dừng lại sau khi ngắt điện,

đưa sự chuyển tiếp nhẹ nhàng từ cơ chế đối lưu cưỡng bức sang đối lưu tự nhiên, đối lưu tự nhiên

- Van nắp, tự động mở do chênh áp, đưa nước bể lò đi

qua vùng hoạt để đối lưu tự nhiên.

+ Khi thiết kế dòng chảy hướng xuống cần quan tâm:

- Có hệ điện nuôi liên tục (diezel, UPS) để nuôi một số

25

bơm để đề phòng mất điện lưới. b ất điệ l ới để đề hò

3. Phương pháp làm mát (3):

+ Gồm 2 mạch làm mát song song, với bơm và bình trao đổi bơm và bình trao đổi nhiệt riêng biệt. + Mỗi mạch có khả năng tải 50% công suất nhiệt của lò. + Lưu lượng là 2530 m3/h. Khoảng 10% được trích ra và đổ ổ vào đáy bể lò thay vì đi vào khoang chứa dưới vùng hoạt. dưới vùng hoạt

hả lê dù

ội h ớ

là

Hệ thống làm nguội hướng chảy lên dùng van Hệ thố nắp (lò HANARO 30 MW, Hàn Quốc)

+ Khi mất điện lưới, các bơm sẽ dừng, việc làm nguội vùng hoạt sẽ bằng cơ chế đối l bằng cơ chế đối lưu tự nhiên bằng cách: van nắp (flap valve) mở ra t nhiên bằng cách an nắp (flap al e) mở ra do trọng lực khi không có dòng chảy cưỡng bức, tạo ra dòng chảy 26 đối lưu giữa vùng hoạt với nước bể lò.

3. Phương pháp làm mát (4):

h d

hò

+ Gồm bể phân rã N- 16 và 3 mạch làm mát (3 bơm làm mát loại bánh đà và 3 bình trao đổi nhiệt) + 2 mạch làm việc và 1 1 mạch dự phòng, mỗi mạch có khả năng tải 50% công suất lò. Tổng lưu suất lò Tổng lưu lượng là 1900 m3/h.

Hệ thống làm nguội hướng chảy lên sử dụng Hệ thống làm nguội hướng chảy lên sử dụng bơm bánh đà và van nắp (lò OPAL, 20 MW, Úc)

27

+ Khi các bơm dừng, 2 van nắp lắp đặt lệch nhau về chiều cao trên mỗi đường ống quay trở lại bể lò, nằm cao hơn giếng hút. Nếu nước bể lò giảm đường ống quay trở lại bể lò, nằm cao hơn giếng hút. Nếu nước bể lò giảm xuống (sự cố mất nước bể lò), van ở vị trí cao sẽ tác động như cái ngắt siphông và ngăn ngừa sự giảm mực nước lò xuống thấp hơn phần trên của giếng hút. Van ở vị trí thấp sẽ mở và tạo ra dòng chảy đối lưu tự nhiên.

3. Phương pháp làm mát (5):

Hệ thống làm nguội hướng chảy lên của lò CRCN/RPM-1 20 MW, Brazil

+ Gồm 2 mạch, mỗi mạch có khả năng tải 50% công suất nhiệt của lò. + Có 1 bơm dự phòng cho mỗi hmạch. + Khoảng 10% lưu lượng tổng sẽ chảy từ trên đỉnh giếng từ trên đỉnh giếng hút xuống các đầu hút để ngăn ngừa các sản phẩm kích các sản phẩm kích hoạt đi lên trên bể lò.

g,

ự

g

ệ

+ Khi các bơm dừng, việc làm mát bằng đối lưu tự nhiên của bể lò nhờ vào việc mở của van đối lưu tự nhiên.

28

3. Phương pháp làm mát (6):

+ Gồm 2 mạch nằm ngoài bể lò, mỗi mạch có 1 bình trao đổi nhiệt và 2 bơm nối song song (1 vận hành và 1 dự phòng), có khả năng tải 50% ô 50% công suất nhiệt của ất hiệt ủ lò. + Các bơm được trang bị bánh đà có quán tính bị bánh đà có quán tính lớn để có thể kéo dài sự vận hành của bơm đến 60 giây sau khi mất điện. 60 giây sau khi mất điện

Hệ thống làm nguội hướng chảy lên của lò ETRR-2 22 MW, Hy lạp

ố

ố

ể

29

+ Khi các bơm dừng, 2 van nắp mở nhờ vào trọng lực, tạo dòng chảy đối lưu giữa vùng hoạt và nước bể lò. Mỗi van nắp được đặt trên nhánh quay lại bể lò. Các đường ống nối với thùng lò được đặt cao hơn mặt trên của vùng hoạt. Thiết bị ngắt siphông được trang bị để ngăn ngừa sự mất nước bể lò trong trường hợp xảy ra sự cố mất nước.

3. Phương pháp làm mát (7):

p ệ

ợ

ế

Hệ thống làm nguội hướng chảy xuống của lò JRR-3M 20 MW, Nhật bản

 Để tránh sự đình trệ của dòng chảy trong quá trình thay đổi chiều: quá trình thay đổi chiều: + Gồm 4 bơm, 2 bơm chính và 2 bơm phụ cùng làm việc trong chế cùng làm việc trong chế độ vận hành bình thường nhưng 2 bơm p ụ phụ được cấp điện liên tục từ nguồn điện sự cố (gồm UPS và máy phát) nên khi sự cố mất điện lưới, 2 bơm phụ sẽ tiếp tục làm việc để lấy nhiệt dư sinh ra trong vùng hoạt. hoạt

+ Lưu lượng chất làm mát khi vận hành bình thường là 2400 m3/h và nhiệt độ của bình thường là 2400 m /h và nhiệt độ của nước ở lối vào và ra vùng hoạt tương 30 ứng là 35oC và 42oC .

3. Phương pháp làm mát (8):

p

g

y

)

f

 Dùng bể làm mát khẩn cấp để lấy nhiệt phân rã khi có sự cố: + Bể làm mát khẩn cấp được nối với Bể làm mát khẩn cấp được nối với bể phân rã ở phần đáy và phần trên để hở đến không khí trên mặt lò. + Trong khi vận hành bình thường + Trong khi vận hành bình thường, bể làm mát khẩn cấp luôn trống và sẵn sàng tiếp nhận nước khi bơm vòng sơ cấp ngưng hoạt động. vòng sơ cấp ngưng hoạt động

Hệ thống làm mát hướng chảy xuống của lò WWR 10 MW, Nga Hệ thống làm mát hướng chảy xuống của lò WWR 10 MW, Nga 1- bể lò, 2- các bơm tuần hoàn vòng sơ cấp, 3- bình trao đổi nhiệt giữa vòng sơ cấp và thứ cấp, 4- bể làm nguội khẩn cấp, 5- hệ lọc nước (water p purification system), 6- tháp làm mát, 7- các bơm tuần hoàn vòng thứ cấp 8- bể cấp bù, 9- hố thu nước rỏ rỉ, 10 – bơm nước từ hố thu, 11- đầu phun mưa, 12- các điểm thu gom, 13- van tràn, 14- van đối lưu tự nhiên.

31

3. Phương pháp làm mát (9):

Làm mát vùng hoạt khẩn cấp nhờ vào sự trợ giúp của bể làm nguội khẩn cấp hay hệ thống thu thập khẩn cấp hay hệ thống thu thập nước rò vòng 1 bơm vào lò. Khi mất điện cấp cho bơm vòng 1, trong 1 phút đầu dòng chảy của trong 1 phút đầu, dòng chảy của nước sẽ đi từ bể lò qua vùng hoạt, đến bể phân rã và đến bể làm nguội vùng hoạt khẩn cấp. vùng hoạt khẩn cấp Bể làm nguội khẩn cấp chứa đến 10 m3.

32

g ệ , g ộ g

Khi dòng chảy cưỡng bức này kết thúc, van đối lưu tự nhiên sẽ mở để đối lưu tự nhiên của nước trong bể lò. Trường hợp mất nước bể lò do hỏng một trong các kênh thí nghiệm, các bơm của hố thu nước sẽ cấp nước trở lại cho lò nhờ các nhánh đường ống phun mưa.

3. Phương pháp làm mát (10): mát (10):

Chế độ làm mát Chế độ làm mát vùng hoạt khi lò vận hành bình thường:

i

33

Các đường ống làm mát khẩn cấp (ECC); van nắp (flapping ắ (fl valves) và van mở do sức căng (opening strainers) được đóng lại.

Hệ thống làm nguội hướng chảy xuống của lò CARR, 60 MW, China

3. Phương pháp làm mát (11): mát (11):

Chế độ làm mát Chế độ làm mát vùng hoạt khẩn cấp

( ă i

ẫ

34

Các đường ống làm Các đường ống làm mát khẩn cấp (ECC) và van mở do sức căng (opening strainers) được mở ra; còn van nắp (flapping valves) vẫn đóng lại.

Hệ thống làm nguội hướng chảy xuống của lò CARR, 60 MW, China

3. Phương pháp làm mát (12):

Chế độ làm mát vùng hoạt bằng đối lưu tự nhiên trong trường hợp lò dừng trường hợp lò dừng bình thường và trong trường hợp sự cố. sự cố

i i

35

Van mở do sức căng (opening strainers) và ) à t ( van nắp (flapping valves) được mở ra.

Hệ thống làm nguội hướng chảy xuống của lò CARR, 60 MW, China

3. Phương pháp làm mát (13): mát (13):

Lớp nước nóng 2- 3m với nhiệt độ cao hơn 2-3oC so với nước bể lò. nước bể lò.

36

Trao đổi nhiệt chỉ xẩy ra phía dưới lớp nước ra phía dưới lớp nước nóng để giảm độ phóng xạ đi lên mặt lò ra ngoài. ra ngoài

Hệ thống làm nguội hướng chảy xuống của lò CARR, 60 MW, China

4. Nhiên liệu (1):

+ Độ giàu nhiên liệu:

HEU (độ giàu cao): > 20% U-235 (36%, 90%, 93%, …) 20% U 235 (19,75%, 8,5%, …) LEU (độ giàu thấp): < 20% U-235 (19,75%, 8,5%, …) LEU (độ giàu thấp):

+ Thành phần nhiên liệu:

UAlx+Al (mật đô uranium đến 2,5 g/cm3) UAlx Al (mật độ uranium đến 2,5 g/cm ) U3Si2+Al (mật độ uranium đến 4,8 g/cm3) U3Si+Al (mật độ uranium đến 3,5 g/cm3) U3O8+Al (mật độ uranium đến 3,0 g/cm3) U O +Al (mật đô uranium đến 3 0 g/cm3) UO2+Al (mật độ uranium đến 3,0 g/cm3) UZrHx (nhiên liệu TRIGA, mật độ uranium 3,7 g/cm3)

37

+ Vỏ bọc nhiên liệu: Vật liệu nhôm H Hợp kim 800H ki 800H Thép không rỉ .

 Công nghệ khuếch tán UO2 vào nền nhôm.

4. Nhiên liệu (2):

+ Loại cấu trúc nhiên liệu:

Dạng tấm (plate), nhiên liệu MTR, WWR, IRT Dạng thanh (rod), nhiên liệu TRIGA th h ( d) hiê liệ TRIGA D Dạng ống nhỏ (tube), nhiên liệu lò HANARO, của các lò của Nga

+ Nhiên liệu dạng tấm (plate) có các loại:

p ệ

) - các tấm phẳng ghép lại (nhiên liệu MTR) g g p ạ ( - các tấm uốn thành hình ống lục giác hoặc hình ống

tròn nhiều lớp (nhiên liệu WWR)

38

- các tấm uốn thành hình ống vuông (nhiên liệu IRT) - các tấm uốn thành hình ống vuông (nhiên liệu IRT) + Nhiên liệu dạng tấm (plate) cho sự truyền nhiệt tốt hơn so với nhiên liệu dạng thanh (rod) và dạng ống nhỏ (tube) do có ti sô diện tích bê mặt trên thê tích lớn hơn. do có tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn hơn

4. Nhiên liệu (3):

+ BNL gồm các ống nhỏ được làm từ U3Si+Al, mật độ của uran trong nhiên liệu là 3,15 uran trong nhiên liệu là 3,15 g/cm3, vỏ bọc bằng nhôm, độ giàu 19,75% U-235

Mỗi ố ó đ ờ

+ Mỗi ống nhiên liệu có đường hiê liệ kính 6,35 mm, dài 700 mm và được bọc bằng vỏ nhôm dày 0,76 mm.

+ Các ống nhiên liệu được ghép lại với nhau thành BNL. ghép lại với nhau thành BNL. Có 2 loại BNL: BNL loại 36 ống và BNL loại 18 ống nhiên liệu.

Bó nhiên liệu gồm nhiều ống nhỏ chứa Bó nhiên liệu gồm nhiều ống nhỏ chứa nhiên liệu (lò HANARO, Hàn Quốc) 39

4. Nhiên liệu (4):

g

ệ

,

+ Vật liệu làm nhiên liệu là loại U3Si+Al, mật độ của uran trong nhiên liệu là 4,8 g/cm3, có vỏ bọc bằng nhôm và độ làm giàu 20% U-235 theo khối lượng.ợ g

t

hiê liệ

ầ

hậ

+ Mỗi BNL có 19 tấm với chiều cao của phần chứa nhiên liệu uran trong mỗi ỗi tấm là 70 cm và chiều ngang là 8 cm. + Bề dày của phần lõi nhiên ề liệu là 0,7 mm, độ dày của vỏ bọc là 0,4 mm và kẽ hở của kê h h kênh cho chất làm chậm chảy hả hấ là qua là 2,7 mm.

Bó nhiên liệu chuẩn dạng tấm loại Bó nhiên liệu chuẩn dạng tấm loại MTR (lò CRCN/RPM-1, Brazil) 40

4. Nhiên liệu (5):

ạ

+ Nhiên loại U3Si2+Al có mật độ 4,8 g/cm3. Có hai loại BNL: loại chuẩn và BNL đi kèm thanh điều khiển (TĐK).

+ Mỗi BNL chuẩn có tiết diện vuông 7 62 cm x 7 62 cm và có vuông 7,62 cm x 7,62 cm và có chiều cao toàn bộ 115 cm. BNL đi kèm TĐK có kích thước 6,4 cm x 6,4 cm x 88 cm, nhỏ hơn cm x 6 4 cm x 88 cm nhỏ hơn so với BNL chuẩn.

ợ g

ệ

+ Mỗi tấm nhiên liệu được gắn thêm dây cadmi có khả năng cháy được.

41

Bó nhiên liệu dạng tấm (JRR-3M, Bó nhiên liệu dạng tấm (JRR-3M Nhật bản)

4. Nhiên liệu (6):

g

+ BNL loại WWR-M2 gồm 3 thanh nhiên liệu đồng trục, thanh ngoài ụ g cùng có hình lục giác và 2 thanh trong có dạng hình tròn.

+ Mỗi thanh nhiên liệu có 3 lớp. Phần nhiên liệu dày khoảng 0 7 Phần nhiên liệu dày khoảng 0,7 mm (loại HEU và 0,94 loại LEU) được làm bằng UO2-Al (uranium dioxide khuếch tán lên nền dioxide khuếch tán lên nền nhôm) với độ giàu 19,7% hoặc 36% U-235 theo khối lượng.

ằ

+ Vỏ bọc bằng nhôm dày 0,9 mm (loại HEU) và 0,78 mm (loại LEU). Kích thước ô mạng là 35 mm. là 3

42

Bó nhiên liệu WWR-M2 của Nga

7 5

4. Nhiên liệu (7):

5 2

1

3

0 17 2

g

ộ

ệ

5 5

4

0 2 2 1

+ BNL loại WWR-M5 gồm 6 thanh nhiên liệu đồng trục có dạng hình ống tròn với các kích thước 70, 61, 52, 43, 34, 25 mm. Vỏ bọc bằng nhôm dày khoảng 0,6 mm. Độ dài phần nhiên liệu khoảng g p 100 cm.

3

d

0 0 0 1 ~

2

d

d

7 7 3 1

1

d

[ m m ]

8 0 %

3 6 %

+ Là loại nhiên liệu UO2-Al với độ giàu 36% U-235 theo khối đô giàu 36% U-235 theo khối lượng, mật độ 3,0 g/cm3.

d 0 . 8 0 . 6 0 - 0 . 6 2 d 0 . 4 0 . 7 3 - 0 . 7 6 d 0 . 8 0 . 6 3 - 0 . 6 6

1 2 3

2

d i

f i

1 . f u e l t u b e s 2 . h o l d e r 3 3 . d i s t a n c e f i n s 4 . c l a d d i n g 5 . f u e l

ề

Fig.3. Fuel element

ấ

Bó nhiên liệu WWR-M5 của Nga

+ Có loại nhiên liệu tương tự về kích thước nhưng độ giàu 90% U-235 dùng trong các lò công suất cao để thử nhiên liệu như lò MIR, công suất 100 MW ở Dimitrovgrad, Nga.

43

4. Nhiên liệu (8):

+ Bó nhiên liệu loại IRT-4 gồm các ống đồng trục hình vuông đồng trục hình vuông phía ngoài và ống tròn phía trong cùng, là loại nhiên liệu UO2- là loại nhiên liệu UO2 Al với độ giàu 19,75% U-235 theo khối lượng. lượng

Bó nhiên liệu IRT-4 của Nga

+ Loại bó nhiên liệu này gắn với tên của này gắn với tên của một loại LPƯ của Nga là lò IRT.

44

4. Nhiên liệu (9):

y

)

+ Bó nhiên liệu dạng thanh thay cho loại WWR-M2 (kích thước ô mạng 64 mm thay vì 35 mm) để dễ thao tác khi tái nạp nhiên liệu. Việc sản xuất nhiên liệu loại thanh đơn giản và rẻ tiền hơn.

+ Vỏ bên ngoài có hình lục giác, bên trong lấp đầy 90 thanh nhiên liệu loại ống với bước 5,3 mm. liệu loại ống với bước 5 3 mm

iá để ó thể đặt à

+ Diện tích vùng trung tâm của BNL được chiếm giữ bởi lỗ có hình lục giác để có thể đặt vào hì h l đó các kênh điều khiển và bảo vệ lò, các kênh dùng cho việc chiếu xạ.

hiế

45

Bó nhiên liệu dạng thanh do Bó nhiên liệu dạng thanh do Nga chế tạo dùng cho lò 10 MW

4. Nhiên liệu (10):

hất hiễ độ ắ thê

+ Để kiểm soát độ phản ứng dự trữ rất lớn trong nhiên liệu có mật độ uran cao, ngoài việc sử dụng thanh điều khiển, ở các BNL được gắn thêm chất nhiễm độc có thể cháy (lò ó thể há (lò ở á BNL đ JRR-M3 và lò OPAL).

+ Chất nhiễm độc có thể cháy được sử dụng để tạo sự cân + Chất nhiễm độc có thể cháy được sử dụng để tạo sự cân bằng độ phản ứng hợp lý trong suốt thời gian sống của vùng hoạt và để giảm sự chênh lệch độ phản ứng đến mức chấp nhận được. chấp nhận được

ộ p g ậ

46

+ Việc dùng các BNL với mật độ uran khác nhau cũng là cách giảm bớt độ phản ứng dự trữ ở đầu chu trình vận g ự hành.

4. Nhiên liệu (11):

+ Mỗi BNL có tiết diện vuông 8 cm x 8 cm và có chiều cao toàn bộ trên 1 m; có 21 tấm nhiên liệu trong mỗi BNL.

g ạ g

+ Mỗi tấm nhiên liệu được chế tạo từ việc gắn đồng đều các hạt U3Si2 vào trong mạng tinh thể nhôm và sau đó bọc bên ngoài bằng vỏ nhôm.

+ Chiều cao của phần chứa nhiên liệu là 61,5 cm. Bề dày của phần liệu là 61 5 cm Bề dày của phần nhiên liệu là 0,61 mm và độ dày của tấm nhiên liệu ở phía trong là 1,35 mm và tấm bên ngoài là 1,5 mm.

à tấ bê

ài là 1 5

ắ

Mặt cắt ngang của BNL MTR có chất nhiễm độc có thể cháy (lò OPAL).

 Các sợi cadmi được gắn vào trong các BNL để làm chất nhiễm độc có thể cháy được nhằm điều khiển độ phản ứng.

47

4. Nhiên liệu (12):

+ Một thiết kế rất đặc biệt là lò phản ứng với vùng hoạt chỉ dùng một bó nhiên liệu dạng hình xuyến .

+ Bó nhiên liệu loại U3Si2-Al với độ làm giàu 93% U-235 theo khối lượng chứa 8 1 kg uran gồm hai lượng, chứa 8,1 kg uran gồm hai ống đồng tâm, ở giữa được đặt 113 tấm nhiên liệu uốn cong.

ỗ ấ

+ Mỗi tấm có độ dày 1,36 mm và cao 720 mm. Giữa các đĩa là các kênh chảy làm nguội có độ rộng 2,2 mm.

ộ g

y

(

Bó nhiên liệu dạng hình xuyến độ giàu 93% (lò FRM-II, Đức).

+ Chu trình vận hành của LPƯ là 52 ngày, cũng chính là thời gian cháy của bó nhiên liệu trong vùng hoạt. + Mỗi BNL khoảng 1.5 triệu US$.

48

5. Vùng hoạt (1):

+ Vùng hoạt là nơi đặt các bó nhiên liệu, các thanh điều khiển hấp thụ và một số kênh chiếu xạ đứng.

+ Khái niệm có vùng hoạt bên trong (inner core) và vùng hoạt bên ngoài (outer core). ngoài (outer core)

ể

ề

Vùng hoạt với bó nhiên liệu dạng ống, gồm vùng hoạt trong và vùng hoạt hoạt trong và vùng hoạt ngoài (lò HANARO).

ằ

+ Vùng hoạt bên trong được bao quanh bởi vòng nếp gấp. Có 4 thanh điều khiển và 4 thanh dừng lò mà phía bên trong chứa các BNL loại 18 thanh. Có 20 ống hình lục giác chứa các BNL loại 36 thanh, và 3 kênh đứng để lắp đặt thiết bị chiếu xạ. + Vùng hoạt bên ngoài gồm 8 ống thẳng đứng hình tròn nằm trong vành phản xạ nước nặng. Các BNL loại 18 thanh có thể nạp vào những ống này.

49

5. Vùng hoạt (2):

+ Vùng hoạt gồm 26 bó nhiên liệu chuẩn, 6 thanh điều khiển và 5 kênh dành cho việc chiếu xạ.

+ Mỗi thanh điều khiển bao gồm chất hấp thụ hafnium dạng hộp và thanh nhiên liệu đi kèm. thanh nhiên liệu đi kèm

ể

Vùng hoạt với bó nhiên liệu dạng tấm (lò JRR-3M).

ấ

+ Vành phản xạ berili được đặt giữa vùng chứa nhiên liệu và tường trong của bể phản xạ nước nặng. Bể phản xạ bằng nước nặng cao 1,6 m và có đường kính ngoài 2 m.

+ Có 9 kênh chiếu xạ đứng trong vùng hoạt (5 hốc trong vùng nhiên liệu và 4 hốc trong các khối berili), 1 thiết bị nguồn nơtron nhiên liệu và 4 hốc trong các khối berili) 1 thiết bị nguồn nơtron lạnh được bố trí trong bể nước nặng. Có 9 kênh ngang.

50

5. Vùng hoạt (3):

+ Sử dụng berilium làm chất phản xạ vùng hoạt. phản xạ vùng hoạt.

ù h t để hiế á

ật liệ t

+ Có 7 kênh chiếu mẫu đứng t trong vùng hoạt để chiếu xạ các bia đồng vị cũng như thử nghiệm vật liệu (có thể đặt 2 kê h thử kênh thử nghiệm vật liệu trong hiệ vùng hoạt);

+ Có 16 kênh đứng trong vành phản xạ berili và 5 kênh ngang.

Vùng hoạt với bó nhiên liệu WWR-M2.

51

5. Vùng hoạt (4):

+ Vùng hoạt có 30 BNL dạng tấm (loại MTR), được chia ra thành hai nửa và ghép với bể nước nặng dày 40 cm, và được bao quanh bởi các thanh berili.

+ Mỗi một nửa vùng hoạt sẽ ở + Mỗi một nửa vùng hoạt sẽ ở dưới tới hạn nhưng khi được ghép lại, hệ thống (gồm hai nửa vùng hoạt cộng với bể nước vùng hoạt cộng với bể nước nặng) sẽ có độ phản ứng dự trữ đủ cho một chu trình vận hành g y 25 ngày.

Vùng hoạt gồm 2 nửa với bó nhiên liệu dạng tấm (lò ) CRCN/RPM-1).

+ Các hốc chiếu xạ cho các vật liệu khác nhau được đặt bên trong vùng hoạt, trong bể nước nặng và trong hoạt trong bể nước nặng và trong vùng các thanh phản xạ berili.

52

6. Hệ điều khiển và bảo vệ (loại vật liệu):

+ Ba loại vật liệu hấp thụ nơtron được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển và bảo vệ LPƯ nghiên cứu: hafnium như lò HANARO, JRR-3M, FRM-II, …; Ag-In-Cd ; Ag In Cd hafnium như lò HANARO JRR 3M FRM II (silver-indium-cadmium) như lò OPAL, ETRR-2, CRCN/RPM- 1, …và B4C như lò của Nga.

+ Hafnium có nhiều ưu điểm hơn B4C. Hafnium là vật liệu tương đối mềm nhưng có thể làm cứng hơn bằng việc kẹp chúng giữa các đĩa thép không gỉ. chúng giữa các đĩa thép không gỉ

53

+ B4C phải bọc trong một vỏ kín nước để ngăn ngừa sự giải phóng tritium đến nước lò và ngăn ngừa sự hòa tan của B4C phóng tritium đến nước lò và ngăn ngừa sự hòa tan của B4C vào chất làm nguội. Nếu như vỏ bọc B4C bị rò sẽ dẫn đến sự nhiễm bẩn nước lò và gây ra sự chiếu xạ cao cho nhân viên vận hành. vận hành

6. Hệ điều khiển và bảo vệ (thanh ĐK đi kèm):

+ Các thanh điều khiển kèm theo nhiên liệu (lò JRR-3M) gây ra một số hạn chế trong việc vận hành LPƯ như sự phức tạp trong thuật toán điều khiển và có thể xảy ra hư hỏng phần trong thuật toán điều khiển và có thể xảy ra hư hỏng phần nhiên liệu khi cho thanh điều khiển rơi.

+ Các thanh điều khiển gồm phần hấp thụ theo sau bởi phần + Các thanh điều khiển gồm phần hấp thụ theo sau bởi phần rỗng hấp thụ thấp (hollow low-absorption) (lò TRIGA). Khi chất hấp thụ được rút ra, phần rỗng sẽ đi vào vùng hoạt. Phần rỗng theo sau tượng trưng một thể tích không có Phần rỗng theo sau tượng trưng một thể tích không có nhiên liệu tương đối lớn trong vùng hoạt mà có thể gây ra một đỉnh thông lượng nơtron địa phương.

ể

54

+ Để tránh đỉnh thông lượng nơtron địa phương, một số ố LPƯ (lò HANARO, CRCN/RPM-1, OPAL) đã di chuyển các phần hấp thụ vào trong khe nước giữa các BNL hoặc sử dụng thanh điều khiển đi kèm thanh nhôm (lò Nga). ề ể

6. Hệ điều khiển và bảo vệ (cơ cấu dẫn động thanh ĐK):

+ Các động cơ thanh điều khiển hoặc được đặt ở phía trên hoặc phía dưới vùng hoạt.

g g g ạ y ,

+ Việc đặt động cơ phía dưới vùng hoạt cho sự thao tác ở vùng hoạt thuận tiện hơn so với việc đặt động cơ ở phía trên vùng hoạt. Tuy nhiên, việc thao tác dễ dàng trong vùng g ệ hoạt sẽ được đổi lại bằng việc gia tăng khả năng sự cố mất nước bể lò do các thanh điều khiển xuyên qua phần dưới bể lò thấp hơn độ cao của vùng hoạt. g ộ p ạ

55

+ Mặt khác cũng nên chú ý rằng mối hàn giữa chất hấp thụ và thanh nối cần được theo dõi thường xuyên do có thể hư và thanh nối cần được theo dõi thường xuyên do có thể hư hỏng bởi chiếu xạ, vì khi thanh điều khiển đi lên trên vùng hoạt thì phần nối đi vào vùng bị chiếu xạ cao.

6. Hệ điều khiển và bảo vệ (cơ cấu dẫn động thanh ĐK):

y

ệ

ộ g

g

p

ạ

+ 6 thanh ĐK dạng tấm làm bằng hợp kim Ag-In-Cd. Mỗi thanh được g g gắn với hệ thống truyền động nhờ nam châm điện đặt trong phòng dưới bể lò. Các TĐK được giữ nằm ở phía trên vùng hoạt khi rút thanh; trọng lực sẽ đóng vai trò làm thanh rơi vào vùng hoạt. Các thanh di chuyển nhờ vào môtơ bước.

Cơ cấu dẫn động thanh điều khiển nằm dưới vùng hoạt (lò ETRR-2) nằm dưới vùng hoạt (lò ETRR-2)

+ Hệ thống dừng lò thứ hai là đổ dung dịch hấp thụ nơtron t dị h hấ th đổ d (gadolinium nitrate) vào 4 buồng được đặt giữa các BNL và vành phản xạ bao quanh và vành phản xạ bao quanh vùng hoạt.

56

6. Hệ điều khiển và bảo vệ (cơ cấu dẫn động thanh ĐK):

+ 5 thanh ĐK dạng tấm làm bằng + 5 thanh ĐK dạng tấm làm bằng hợp kim Ag-In-Cd. Mỗi thanh được gắn với hệ thống truyền động nhờ nam châm điện đặt trong phòng nam châm điện đặt trong phòng dưới bể lò. Cho phép: - Đưa thanh nhanh vào vùng hoạt; - Cách ly với nhà lò; - Cách ly với nhà lò; - Có chức năng khóa liên động vùng khởi động.

Cơ cấu dẫn động thanh điều khiển nằm dưới vùng hoạt (lò OPAL)

ằ

57

3

1

2

4

ệ

6. Hệ điều khiển và bảo vệ ệ (cơ cấu dẫn động thanh ĐK):

+5.0

9

5 6

7

10

8

-1.7

H3, H8 - 135 cm H7 - 115 cm H4, H5, H6 - 95 cm

11

13

12

14

Cơ cấu dẫn động thanh điều khiển nằm trên mặt lò (lò khiển nằm trên mặt lò (lò MARIA, 30 MW, Balan)

8. beam tube shutter 9. fuel channel 10. ionization chambers shield 11. core and support structure 12. core and reflector support plate 58 13. reflector blocks 14. beam tube compensator joint

1. control rod drive mechanism 2. mounting plate 3. ionization chamber channel 4. ionization chamber drive mechanism 5. fuel and loop channels support plate 6. plate support console 7. horizontal beam tube shutter drive mechanism

6. Hệ điều khiển và bảo vệ (các chức năng chính):

+ Hệ an toàn hay hệ bảo vệ sự cố + Hệ điều khiển + Hệ các khóa liên độngg + Hệ giao diện với máy tính + Hệ giám sát + Hệ hiển thị thông tin. ị g ệ

Phân thành 3 mức có tính thứ bậc như sau: g + Giám sát (các bảng và bàn điều khiển, các màn hình theo ( ,

dõi, đèn báo, …)

+ Điều khiển (hệ máy tính hoặc PLC với các giao diện thích

hợp, hệ bảo vệ sự cố) hợp hệ bảo vệ sự cố)

59

+ Thực thi tại hiện trường (các hệ đo thông số công nghệ, các thiết bị xử lý thông thường hoặc thông minh, các hệ thừa hành, các điều khiển động cơ, môtơ bước, …). ề ể

6. Hệ điều khiển và bảo vệ (nguyên lý):

Operation

p

RPS Console RPS C l

Stations

Rod Movement Rod Movement Console Panel Instruments

Supervision

Printer

Level

Network

Protection

Reactor Protection System

Signals

Control

Level

(Fully Hardwired)

Trip Action

Field Bus Compatibility

Monitoring & Control

Signals

Triple

Redundant

Motors

Field

Stepper

Drivers

Level

(To

electro

-

Motors

magnetic

clutches)

Nucleonic and Processes signals for Reactor Protection System

Process Signals & Actuactors

Position

Sensors

Control Rod Drives

Sơ đồ nguyên lý của một hệ điều khiển và bảo vệ điển hình

60

6. Hệ điều khiển và bảo vệ (nguyên lý):

61

Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển và bảo vệ lò VR-1

6. Hệ điều khiển và bảo vệ (nguyên lý):

linear power

NM-1000

power trend recorder

fission chamber chamber

bar graph

period

Amplifier, Amplifier, Counters / Transmitter

log

% power

Display Microprocessor Keypad

FT #1

direct wired indicator

NP-1000

FT #2

ion chamber

Power Safety Channel

power monitor channel

% power

% power

fuel temp. # 1

Thermocouple amplifier # 1

Informaion proses computer t

Color display

rod control switches

Data Acquisition And Control Unit l U it C t (DAC)

Thermocouple amplifier # 2

fuel temp. # 2 # 2 t fuel temp. # 3

Thermocouple amplifier # 3

high resolution color monitor

water temp. # 1

RTD amplifier # 1

high speed transmitter

reactor mode switches

DAC computer

IPC computer

cooling system

water temp. # 2

RTD RTD amplifier # 2

reactor status display monitor

RTD amplifier # 3

water temp. # 3

printer

analog inputs

digital inputs

computer keyboard keyboard

computer keyboard

% power

Rod Drives (5)

rod control & logic

NPP-1000

ion chamber

Pulse Channel Channel

62

Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển và bảo vệ lò Bandung, 2 MW

6. Hệ điều khiển và bảo vệ (các nguyên tắc):

bả ê tắ ầ đá ứ khi thiết kế hệ điề

S ỏ f

Cá Các nguyên tắc cơ bản cần đáp ứng khi thiết kế hệ điều khiển và bảo vệ: + Sai hỏng đơn (single fail principle) + Sai hỏng an toàn (fail safe principle) ) à (f + Tính dư thừa (redundancy) và + Tính đa dạng (diversity)

Một số nguyên lý trong thiết kế cần được xem xét và đảm bảo đối với các hệ điều khiển và bảo vệ là: + Nguyên lý chọn 2 trên 3, nghĩa là chỉ khi 2 trong 3 kênh đo độc + Nguyên lý chọn 2 trên 3 nghĩa là chỉ khi 2 trong 3 kênh đo độc lập cùng có tín hiệu thì mới có tín hiệu thừa hành lối ra. + Tính độc lập giữa hệ điều khiển và hệ bảo vệ sự cố. + Có tối thiểu một kênh bảo vệ sự cố độc lập không có yếu tố + Có tối thiểu một kênh bảo vệ sự cố độc lập không có yếu tố chương trình phầm mềm mà chỉ có mạch phần cứng (fully hardwired). + Cách ly về điện giữa phần tín hiệu tương tự và tín hiệu số xử + Cách ly về điện giữa phần tín hiệu tương tự và tín hiệu số xử lý logic để tránh tạp nhiễu ảnh hưởng đến phần xử lý tín hiệu 63 logic.

6. Hệ điều khiển và bảo vệ (bố trí)

Phòng điều khiển chính của LPƯ là nơi lắp đặt hệ thống điều khiển và giám sát LPƯ. Việc theo dõi công suất, điều khiển các thanh an toàn - bù trừ, điều chỉnh tự động công suất và dừng lò khi có sự cố được thực hiện từ phòng điều khiển chính.

ố

ề

ể

ể

ể

Phòng kiểm soát sự cố, đặt cách xa khỏi phòng điều khiển chính. Các chức năng có thể có tại phòng kiểm soát sự cố gồm: ố ồ + Một hoặc hai kênh đo độc lập để theo dõi công suất của lò phản ứng.

+ Dập lò khẩn cấp bằng tay cho mỗi hệ thống dập lò thứ nhất và hệ thống dập lò thứ hai khi có tình huống bất thường.

+ Theo dõi tình trạng phóng xạ cao trong nhà lò và phòng điều + Theo dõi tình trạng phóng xạ cao trong nhà lò và phòng điều khiển chính; điều khiển bằng tay hệ thống giam giữ/giam cầm phóng xạ để thực hiện sự cách ly tòa nhà lò nếu được yêu cầu. + Hiển thị các thông số quan trọng đối với sự an toàn của LPƯ + Hiển thị các thông số quan trọng đối với sự an toàn của LPƯ như công suất lò, mức nước bể lò, nhiệt độ nước làm mát, ... 64

7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (1):

Chia thành 3 loại: các thiết bị đặt trong vùng hoạt, các thiết bị đặt trong vành phản xạ và các kênh thực nghiệm nằm ngang, bao gồm: g g g

tứ thời BNCT

+ Các kênh chiếu xạ đứng (trong vùng hoạt hay vành phản xạ), để sản xuất đồng vị phóng xạ, thử nghiệm vật liệu, … + Các kênh chuyển mẫu khí nén (PTS) hay thủy lực (HTS), để phân tích kích hoạt nơtron hay sản xuất đồng vị phóng xạ; Các kênh chiếu xạ thể tích lớn, dùng để chiếu xạ mẫu và pha + Các kênh chiếu xạ thể tích lớn, dùng để chiếu xạ mẫu và pha tạp tinh thể đơn Si; + Các kênh vòng dùng để thử nghiệm vật liệu và nhiên liệu nhân; + Các hốc để đặt thiết bị cho nguồn nơtron lạnh; + Các hốc để đặt thiết bị cho nguồn nơtron lạnh; + Các kênh thí nghiệm nằm ngang (tiếp tuyến hay hướng tâm), dùng cho nghiên cứu, chụp ảnh nơtron, phân tích kích hoạt gamma tức thời, BNCT, v.v... + Cột nhiệt.

65

7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (2):

ạ

g

ệ ,

ệ

+ Có 3 bẫy nơtron ở vùng hoạt bên trong và 4 vị trí chiếu xạ ở vùng g ợ g hoạt bên ngoài (nơi có thông lượng ( nơtron nhanh và nơtron trên nhiệt cao) dùng để chiếu xạ thử nghiệm nhiên liệu và vật liệu, sản xuất ậ ĐVPX.

Lò HANARO, 30 MW

+ Có 25 kênh chiếu xạ đứng nằm trong vành phản xạ nước nặng để trong vành phản xạ nước nặng để chiếu xạ sản xuất ĐVPX, phân tích kích hoạt nơtron, pha tạp silicon (NTD1 và NTD2) và lắp đặt nguồn (NTD1 và NTD2) và lắp đặt nguồn nơtron lạnh (CNS).

(ST1 ST4) hiễ

h tá

hiệ

t

66

+ Có 7 kênh tiếp tuyến nằm ngang được thiết kế cho từng mục đí h thí đích thí nghiệm như tán xạ nơtron (ST1-ST4), nhiễu xạ nơtron t (ND1-ND3), chụp ảnh nơtron (NR), nơtron lạnh (CNS), kênh phân tích (PGNAA), chiếu xạ bằng bắt nơtron của Bo (BNCT), ...

7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (3):

+ Không có thiết bị chiếu xạ + Không có thiết bị chiếu xạ đứng nằm trong vùng hoạt của LPƯ, chúng chỉ được đặt trong vành phản xa ̣(không chiếu xạ vành phản xa (không chiếu xạ để thử nhiên liệu).

ế

+ Các thiết bị chiếu xạ trong vành phản xạ gồm: thiết bị ồ chiếu xạ cho sản xuất đồng vị phóng xạ, các thiết bị chiếu xạ kê h khí é kênh khí nén và các thiết bị à á thiết bị dùng để chiếu xạ vật liệu có thể tích lớn.

Lò OPAL, 20 MW

+ Ba trong 5 kênh thí nghiệm tiếp tuyến nằm ngang được thiết kế cho mục đích sử dụng nguồn nơtron lạnh mục đích sử dụng nguồn nơtron lạnh và nguồn nơtron nóng.

67

7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (4):

+ Thiết kế ưu tiên cho các thí nghiệm sử dụng chùm nơtron từ các kênh ngang. từ các kênh ngang.

+ Một nguồn nơtron lạnh chứa chất lỏng D2, được đặt ở vị trí có thông l ợng nhiệt cao có thông lượng nhiệt cao nhất, cung cấp nơtron lạnh cho 3 kênh ngang.

+ Một nguồn nơtron nóng graphite được đặt trong vùng cực đại của thông lượng nhiệt và dịch chuyển phổ nơtron đến độ dài sóng ngắn nhất.

Lò FRM-II, 20 MW

68

+ Một kênh xuyên suốt hai mặt của tường bảo vệ sinh học sẽ được dùng để đặt mẫu bảo vệ sinh học sẽ được dùng để đặt mẫu chiếu U-235 (khoảng 1g) để sinh ra các sản phẩm phân hạch.

7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (5):

Gồ 29 BNL l

+ Gồm 29 BNL loại thanh TRIGA i th h TRIGA chuẩn, một thiết bị chiếu xạ nơtron nhanh, 4 thanh điều khiển và một thiết bị sản xuất Ir-192 à ột thiết bị ả ất I 192 trong vùng hoạt.

+ Phần chứa nhiên liệu của vùng + Phần chứa nhiên liệu của vùng hoạt được phản xạ hai mặt bởi berili và hai mặt còn lại bởi nước nặng. nặng.

Lò ONRC, 10 MW

+ 23 khối berili có hốc ở giữa để làm chỗ cho các thí nghiệm chiếu xạ hay cho phép các dòng chảy của chất làm nguội đi ngang qua.

ấ

ị

ặ g

p

g

ạ

ạ

ạ

y

69

+ Có 3 kênh chuyển mẫu khí nén để chiếu các ĐVPX sống rất ngắn. 4 vị trí chiếu xạ trong vành phản xạ nước nặng để chiếu xạ chuyển đổi silicon. 6 kênh ngang dùng cho nhiễu xạ kế dạng bột có độ phân giải cao, chụp ảnh nơtron, PGNAA, BNCT ...

7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (6):

Vertical channels

CNS: Cold neutron source HNS: Hot neutron source CI,NI: isotope hole CI NI: isotope hole MT: Material irradiation

monitoring hole NTD: NTD silicon hole AT: NAA hole SRDM: Safety rod drive

mechanism Horizontal beam tubes Horizontal beam tubes

HT1: Cold neutron source beam

tube

HT2: Multi-filtration neutron

beam tube b t b HT3, HT4, HT6, HT8, HT9:

Lò CARR, 60 MW.

g

Thermal neutron beam tube g HT5: Long tangential beam tube HT7: Hot neutron source beam

tube

70

8. Các thiết bị khác (1):

+ Bể dịch vụ để chứa các bó nhiên liệu đã cháy và các mẫu sau khi chiếu xạ và một kênh trung chuyển. Bể dịch vụ được nối với bể lò qua kênh trung chuyển. bể lò qua kênh trung chuyển

+ Hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt có chức năng giữ cho nhiệt độ trong vùng hoạt nằm trong giới hạn an toàn.

71

Các phương án: - Hệ thống thụ động (nước được phun vào vùng hoạt nhờ trọng lực) như ở lò CRCN/RPM-1 và OPAL. - Sử dụng bơm được nuôi bằng nguồn điện acqui để bơm nước từ bể phân rã vào bể lò (như ở lò ONRC). nước từ bể phân rã vào bể lò (như ở lò ONRC). - Trong thiết kế của Nga, nhờ vào sự trợ giúp của bể làm nguội khẩn cấp và hệ thống thu thập nước rò để bơm nước trở lại vào bể lò. trở lại vào bể lò

8. Các thiết bị khác (2):

+ Hệ thống tạo ra lớp nước nóng trên bề mặt bể lò để bảo vệ nhân viên làm việc không bị chiếu xạ gây ra bởi các sản phẩm phóng xạ trong nước lò. Hệ thống này còn có chức năng làm phóng xạ trong nước lò Hệ thống này còn có chức năng làm sạch liên tục nước ở bề mặt và kiểm soát mức nước bể lò .

+ Hệ phát hiện hư hỏng nhiên liệu đang sử dụng trong LPƯ nhằm + Hệ phát hiện hư hỏng nhiên liệu đang sử dụng trong LPƯ nhằm theo dõi liên tục các sản phẩm phân hạch trong hệ nước vòng sơ cấp hoặc hệ thống theo dõi hoạt độ phóng xạ trong hệ thống thông gió của lò phản ứng. thông gió của lò phản ứng

+ Một vài hotcell được đặt trong gian nhà lò, phía sau bể

bể lò để là th ậ tiệ iệ th tá h h

72

dịch vụ hay sau bể lò, để làm thuận tiện cho việc thao tác dị h với các mẫu sau chiếu xạ.

8. Các thiết bị khác (3):

Hệ phát hiện hư hỏng bó nhiên liệu của lò Dhruva, India Hệ phát hiện hư hỏng bó nhiên liệu của lò Dhruva India

73