Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư hạt nhân: Tính toán hệ số cường độ ứng suất tại đỉnh vết nứt xảy ra trên ống trao đổi nhiệt của bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân VVER-1000

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:81

Thêm vào BST

Báo xấu

18
lượt xem 9
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư hạt nhân "Tính toán hệ số cường độ ứng suất tại đỉnh vết nứt xảy ra trên ống trao đổi nhiệt của bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân VVER-1000" được thực hiện với mục đích trình bày tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER - 1000; Tìm hiểu các khái niệm cơ bản về cơ học vật liệu; Nghiên cứu sự nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất tại đỉnh vết nứt xảy ra trên ống trao đổi nhiệt của bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư hạt nhân: Tính toán hệ số cường độ ứng suất tại đỉnh vết nứt xảy ra trên ống trao đổi nhiệt của bình sinh hơi nhà máy điện hạt nhân VVER-1000

TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA KỸ THUẬT HẠT NHÂN TRẦN MINH HÙNG – 1310525 TÍNH TOÁN HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT TẠI ĐỈNH VẾT NỨT XẢY RA TRÊN ỐNG TRAO ĐỔI NHIỆT CỦA BÌNH SINH HƠI NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN VVER-1000 GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TS. NGUYỄN THỊ NGUYỆT HÀ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP KỸ SƯ HẠT NHÂN KHÓA 2013-2018
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... i
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ............................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin cảm ơn Quý thầy cô trong khoa Kỹ Thuật Hạt Nhân và Quý thầy cô trường Đại học Đà Lạt mà em đã từng học qua các môn đại cương đã nhiệt tình truyền dạy kiến thức và tạo môi trường học tập thuận lợi cho em trong suốt 4.5 năm học tập tại trường Đại học Đà Lạt cũng như trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này. Em xin cảm ơn bạn cùng lớp HNK37 và gia định đã hỗ trợ và đồng hành cùng em trong suốt thời gian học tập tại trường Đại học Đà Lạt. Và cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến GV.TS Nguyễn Thị Nguyệt Hà, người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ hoàn thành khóa luận này. Lâm Đồng, tháng 12, năm 2017 TRẦN MINH HÙNG iii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................... iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ............................................................................ vi DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ ....................................................................viii MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 .... 2 1.1. Lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 ............................................................ 2 1.2. Bình sinh hơi .............................................................................................. 3 1.3. Môi trường làm của bình sinh hơi ............................................................... 6 1.4. Vật liệu bình sinh hơi ................................................................................. 7 1.5. Kết luận chương I ....................................................................................... 9 CHƯƠNG II: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU............. 10 2.1. Liên kết .................................................................................................... 10 2.2. Khuyết tật................................................................................................. 11 2.3. Khuếch tán ............................................................................................... 13 2.4. Biến vị...................................................................................................... 14 2.5. Ứng suất, biến dạng .................................................................................. 15 2.6. Định luật Hooke ....................................................................................... 18 2.7. Ứng suất mặt và biết dạng mặt ................................................................. 20 2.8. Nứt ........................................................................................................... 21 2.9. Biểu thị ứng suất trong hệ tọa độ Đề Các.................................................. 22 2.10. Kết luận chương II ................................................................................... 28 CHƯƠNG III: SỰ NỨT DO MÔI TRƯỜNG ĂN MÒN VÀ ỨNG SUẤT XẢY RA TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN ..................................................... 29 3.1. Tổng quan về nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất ............................... 30 3.2. Khởi tạo SCC ........................................................................................... 32 3.3. Lan truyền SCC ........................................................................................ 33 3.3.1. Cơ chế hòa tan ................................................................................... 35 3.3.2. Vết nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất giữa các liên kết hạt ........ 36 3.3.3. Mô hình hòa tan trượt hoặc mô hình phá vỡ lớp màng ....................... 37 iv
3.3.4. Các mô hình cơ học gãy ..................................................................... 41 3.4. Ảnh hưởng của hydro đến thép không gỉ .................................................. 46 3.4. Hệ số cường độ ứng suất .......................................................................... 49 3.5. Kết luận chương III .................................................................................. 53 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN SỰ TÍCH TỤ CỦA HYDRO TRONG THÉP KHÔNG GỈ VÀ KẾT QUẢ TÍNH TOÁN HỆ SỐ CƯỜNG ĐỘ ỨNG SUẤT .................................................................................................................... 54 4.1. Kết quả tính toán sự tích tụ của hydro trong thép không gỉ ....................... 54 4.2. Kết quả hệ số cường độ ứng suất theo công thức bán thực nghiệm ........... 58 4.3. Kết quả mô phỏng trên phần mềm ANSYS WORKBENCH 15.0 ............. 61 4.4. Kết quả tính bài toán Westergaard ............................................................ 65 4.5. Kết luận chương IV .................................................................................. 66 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 70 v
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt SIF Stress Intensity Factor Hệ số cường độ ứng suất FEA Finite Element Analysis Phương pháp phân tích mặt phẳng hữu hạn SCC Stress Corrosion Nứt trong môi trường ăn mòn và có ứng Cracking suất áp vào NMĐHN Nhà máy điện hạt nhân IGSCC Intergranular Stress Gãy liên kết giữa các hạt nguyên tử do Corrosion Cracking SCC FCC Face-Centered Cubic Lập phương tâm diện KL Kim loại vi
DANH MỤC BẢNG Bảng 1. Các thông tin cơ bản về lò VVER-1000 [2] ................................................ 2 Bảng 2. Các thông số chính của bình sinh hơi [4] .................................................... 6 Bảng 3. Thành phần của các loại thép không gỉ [5] .................................................. 7 Bảng 4. Các thông số để tính nồng độ CH2 trong thép không gỉ [15]...................... 54 Bảng 5. Nồng độ hydro theo thời gian trong thép không gỉ .................................... 55 Bảng 6. Các thông số dùng để tính sự ảnh hưởng hydro tới hệ số cường độ ứng suất của thép không gỉ [15] ........................................................................................... 58 Bảng 7. Quan hệ giữa hệ số cường độ ứng suất và nồng độ hydro trong thép không gỉ theo thời gian..................................................................................................... 59 Bảng 8. Bảng kết quả của các phương pháp tính hệ số cường độ ứng suất khác nhau .............................................................................................................................. 66 vii
DANH MỤC HÌNH VÀ BIỂU ĐỒ Hình 1. Sơ đồ minh họa NMĐHN loại lò VVER-1000 [4]....................................... 2 Hình 2. Bình sinh hơi [4] ......................................................................................... 4 Hình 3. Mặt cắt dọc bình sinh hơi [4] ...................................................................... 5 Hình 4. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr tới tốc độ ăn mòn [5] ................................... 8 Hình 5. Ứng dụng của các loại thép không gỉ trong nhà máy điện hạt nhân [6] ........ 8 Hình 6. Thế năng L-J[8] ........................................................................................ 11 Hình 7. (a) Kiểu khuyết tật Frenkel, (b) kiểu khuyết tật Schottky [8] ..................... 12 Hình 8. (a) Biến vị, (b) Sự di chuyển của biến vị [7] .............................................. 14 Hình 9. Lực P được áp lên thanh nằm ngang với tiết diện A’ [7] ........................... 15 Hình 10. Lực P được áp lên thanh nằm ngang gây biến dạng chiều dài  [7] ......... 15 Hình 11. Lực P được áp lên thanh với tiết diện A’ [7] ........................................... 17 Hình 12. Lực P được áp lên một bề mặt của khối hình chữ nhật [7] ....................... 17 Hình 13. Mô tả quan hệ ứng suất và biến dạng của vật liệu [7] .............................. 18 Hình 14. Mối quan hệ giữa ứng suất và độ biến dạng của vật liệu [9] .................... 21 Hình 15. Ba dạng nứt gãy cơ bản [10] ................................................................... 22 Hình 16. Khe nứt hình elip trong mặt phẳng vô hạn [11] ....................................... 22 Hình 17. Tấm phẳng hữu hạn với một vết nứt ở biên [11] ...................................... 25 Hình 18. Tấm phẳng hữu hạn với hai vết nứt ở biên [11] ....................................... 26 Hình 19. Tấm phẳng hữu hạn với vết nứt bên trong [11]........................................ 26 Hình 20. Tấm phẳng hữu hạn với một vết nứt nghiêng bên trong [11] ................... 27 Hình 21. Tấm phẳng với vết nứt biên chịu tải tập trung ở giữa và hai gối .............. 27 Hình 22. a, Vết nứt SCC giữa các hạt; b, Vết nứt SCC bên trong các hạt [13] ....... 29 Hình 23. Sơ đồ các quá trình diễn ra tại đỉnh vết nứt[12] ....................................... 31 Hình 24. Sơ đồ mô tả ba giai đoạn quá trình nứt SCC [13] .................................... 34 Hình 25. Môi trường ảnh hưởng đến sự phân bố của Crom [13] ............................ 37 Hình 26. Quan hệ giữa tốc độ lan truyền vết nứt và dòng giải phóng từ anod [13] . 38 Hình 27. Mô hình rạng vỡ lớp màng [13] .............................................................. 38 Hình 28. Sơ đồ thể hiện tỷ lệ mật độ điện tích oxy hóa / thời gian đối với sự biến dạng một đỉnh nứt và các mặt bên không biến dạng của vết nứt [13] ..................... 40 viii
Hình 29. Mối liên hệ giữa các thông số kiểm soát cơ bản và sự hình thành vết nứt SCC[13] ................................................................................................................ 40 Hình 30. Quan hệ giữa tốc độ biến dạng và tốc độ lan truyền vết nứt trong mô hình hòa tan trượt [13] ................................................................................................... 42 Hình 31. Sơ đồ biểu diễn mô hình hấp phụ [13] ..................................................... 44 Hình 32. Sơ đồ vỡ hóa học gây ra rạng nứt liên kết [13] ........................................ 45 Hình 33. Phân tử nước và phân tử hydroni [15] ..................................................... 47 Hình 34. Các quá trình lý hóa diễn ra tại đỉnh vết nứt [15]..................................... 47 Hình 35. Mô tả trạng thái hydro trong thép không gỉ [15] ...................................... 48 Hình 36. Vùng đàn hồi trên vật liệu ....................................................................... 50 Hình 37. Sự phụ thuộc nồng độ hydro trong thép không gỉ theo thời gian.............. 57 Hình 38. Sự phụ thuộc của hệ số cường độ ứng suất và nồng độ hydro trong kim loại theo thời gian .................................................................................................. 60 Hình 39. Giao diện khởi động của phần mềm ANSYS WORKBENCH 15.0 ......... 61 Hình 40. Giao diện ANSYS WORKBENCH 15.0 ................................................. 62 Hình 41. Cách bước tiến hành tính toán mô phỏng ................................................ 63 Hình 42. Meshing trên toàn bộ mô hình ................................................................. 63 Hình 43. Meshing tại vết nứt ................................................................................. 64 Hình 44. Sự thay đổi ứng suất trên mô hình vết nứt ............................................... 64 Hình 45. Giá trị hệ số cường độ suất K1 tại đỉnh vết nứt........................................ 65 ix
MỞ ĐẦU Một trong những thành phần quan trọng của nhà máy điện hạt nhân là bình sinh hơi (Stream Generators). Chức năng của bình sinh hơi là lấy nhiệt từ vòng sơ cấp để đun nước ở vòng thứ cấp tạo hơi với áp suất cao làm quay tua bin phát điện. Các ống trao đổi nhiệt (tubes) của bình sinh hơi phải làm việc trong môi trường khắc nghiệt và chịu ảnh hưởng của các tác nhân như: chênh lệch nhiệt độ, áp suất, các tương tác hóa học và phóng xạ cao… Các tác nhân này ảnh hưởng mạnh đến các thành phần cuả NMĐHN nói chung và các ống trong bình sinh hơi nói riêng, từ đó có khuynh hướng phát triển những khuyết tật và các vết nứt trên chúng, làm giảm tuổi thọ của chúng. Vấn đề đảm bảo sự an toàn và độ tin cậy của các thiết bị trong NMĐHN là vấn đề được chú ý của ngành kỹ thuật hạt nhân. Do đó, sự hiểu biết về sự hình thành và phát triển của vết nứt là kiến thức thiết yếu để đảm bảo tính toàn vẹn về cấu trúc của thành phần và thiết bị trong NMĐHN. Nhiều nghiên cứu đã đề cập đến tác động của các môi trường làm việc trong nhà máy tới các thiết bị. Ví dụ như: phóng xạ gây ra sự ăn mòn của thép [1], hay ảnh hưởng boron đến tính chất cơ học thép 60SiCr7 [2]. Tuy nhiên, mục đích của khóa luận này là nghiên cứu về ảnh hưởng của hydro đến vật liệu của bình sinh hơi thông qua việc tính toán hệ số cường độ ứng suất trên ống trao đổi nhiệt. Một trong những công cụ để tính hệ số cường độ ứng suất (SIF) hiệu quả và phổ biến nhất hiện nay là phần mềm ANSYS. ANSYS là hãng phần mềm mô phỏng kỹ thuật hạng đầu trên thế giới hiện nay. ANSYS được thành lập năm 1970, có hơn 3,000 chuyên gia trong lĩnh vực phân tích phần tử hữu hạn (FEA), động lực học chất lưu, điện tử, bán dẫn, phần mềm nhúng và thiết kế tối ưu. Với 40 năm hình thành và phát triển, ANSYS là công ty phần mềm mô phỏng kỹ thuật lớn nhất thế giới, có hơn 45,000 khách hàng, bao gồm 96 công ty trong 100 công ty công nghiệp theo tập chí FORTURE 500 đánh giá [3]. Và vì thế, trong bài khóa luận này đã sử dụng phần mềm ANSYS phiên bản 15.0 của hãng ANSYS để tính hệ số cường ứng suất (SIF) với phương pháp phân tích phần tử hữu hạn (FEA). Việc dùng phần mềm ANSYS WORKBENCH phiên bản 15.0 để mô phỏng và tính toán hệ số cường độ ứng suất (SIF) có ý nghĩa là: giúp giảm chi phí thực nghiệm và có kết quả thực nghiệm để so sánh với kết quả tính toán lý thuyết. 1
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN VVER-1000 1.1. Lò phản ứng hạt nhân VVER-1000 Nhà máy điện hạt nhân là một hệ thống thiết bị điều khiển và kiểm soát phản ứng hạt nhân dây chuyền ở trạng thái dừng nhằm sinh năng lượng dưới dạng nhiệt, sau đó năng lượng nhiệt này được chuyển hóa thành cơ năng quay tua bin thông qua các thiết bị của nhà máy. Hình 1 mô tả sơ đồ mình họa nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER-1000. Hình 1. Sơ đồ minh họa NMĐHN loại lò VVER-1000 [4] Các thông tin cơ bản của NMĐHN loại lò VVER-1000 được cho ở bảng 1. Bảng 1. Các thông tin cơ bản về lò VVER-1000 [2] Tên đầy đủ VVER-1000 Loại lò phản ứng Lò áp suất Chất làm mát Nước nhẹ Chất làm chậm Nước nhẹ Phổ neutron Neutron nhiệt Công suất nhiệt 3000.00 MWth Tổng công suất điện 1060.00 MWe 2
Nhà máy điện hạt nhân loại lò VVER-1000 là lò áp suất nên lò sẽ có hai vòng làm mát tách biệt nhau, điều này giảm thiểu khả năng rò rỉ phóng xạ ra môi trường bên ngoài. Cụ thể sẽ được trình bày ở phần dưới đây [4]: - Nhiệt được tạo ra trong lõi lò phản ứng từ các phản ứng phân hạch nhiên liệu hạt nhân, sau đó nhiệt này được loại bỏ khỏi lõi lò bằng chất làm mát (nước). Chất làm mát được vận chuyển tới bình sinh hơi thông qua ống dẫn gọi là “hot leg”. - Bình sinh hơi là một bộ trao đổi nhiệt, tại đây nhiệt từ vòng sơ cấp truyền qua vòng thứ cấp bằng cách đun nước vòng thứ cấp tạo thành hơi nước quay tua bin. - Sau khi trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi, chất làm mát lại được đưa trở ngược lại lò phản ứng thông qua đường ống gọi là “cold leg”. - Có bốn chu trình nhỏ trong vòng sơ cấp. Ở mỗi chu trình, chất làm mát được bơm bởi bơm áp lực cao (được đặt ở mỗi góc) tới bình sinh hơi. - Trong vòng sơ cấp, hơi nước được hình thành trong bình sinh hơi và được đưa tới hệ thống cân bằng (balance of plat systems). Phần lớn hơi nước sinh ra trong bình sinh hơi được đưa tới tua bin để làm quay tua bin phát điện. - Sau khi làm quay tua bin, hơi nước được bơm tới hệ thống ngưng tụ và được ngưng tụ. Từ hệ thống ngưng tụ nước được chuyển tới hệ thống hạ áp và nhiệt rồi qua hệ thống khử để loại bỏ những khí không ngưng tụ được. Từ hệ thống khử, nước được đưa qua hệ thống tăng áp và nhiệt rồi tới bình sinh hơi. 1.2. Bình sinh hơi Bình sinh hơi trong nhà máy điện hạt nhân loại VVER-1000 là một thiết bị trao đổi nhiệt một chiều với bề mặt trao đổi nhiệt chìm [4]. Tổng quan của bình sinh hơi này được thể hiện ở hình 2. 3
Hình 2. Bình sinh hơi [4] Thùng bình sinh hơi được thiết kế để đặt trong tòa nhà lò (containment building). Bình sinh hơi bao gồm vỏ bình đã qua tôi luyện, đáy đúc hình elip và các vòi được hàn vào. Vỏ bình được thiết kế thuận tiện cho việc cho việc kiểm tra bên trong từ vòng sơ cấp [4]. Bề mặt trao đổi nhiệt bao gồm 10978 ống với đường kính 16x1.5 cm mỗi ống được bố trí theo chiều ngang trong như trong hình 2. Các bó ống được kết nối với bộ thu vòng sơ cấp (collectors) và các mép ống được hàn hồ quang điện argon trên bề bên trong của bộ thu. Vật liệu ống trao đổi nhiệt là thép không gỉ austenitic. Các bộ thu vòng sơ cấp được thế kế để chất làm mát phân phối nhiệt cho ống trao đổi nhiệt. Bề mặt trong của bộ thu được phủ hai lớp chống ăn mòn. Tấm phân phối hơi được lắp đặt ở phần trên của bình sinh hơi. Tấm có lỗ được bố trí dưới mực nước của bình sinh hơi để phục vụ cho việc cân bằng lượng hơi. Bên trong bình sinh hơi, gần đáy thùng, do sự sắp xếp thích hợp của bộ nước cấp và bộ thổi của bình sinh hơi nên tạo ra các điều kiện cho sự tích tụ nước với muối và các tạp chất khác (được gọi là vùng muối “salt cell”). Bình sinh hơi dự trữ một lượng lớn nước nhằm cung cấp các đặc tính động năng tốt cho toàn bộ nhà lò trong các trường hợp mất nước cấp [4]. Bảng 2 cho biết các thông số chính của bình sinh hơi của nhà NMĐHN loại VVER-1000 4
Hình 3. Mặt cắt dọc bình sinh hơi [4] 1. Ống dẫn hơi chính 7. Ống dẫn chất tải nhiệt chính 2. Lớp bọc nắp đậy vòng thứ cấp 8. Các ống trao đổi nhiệt 3. Hạt đậu 9. Bộ cân bằng áp suất hơi 4. Nắp đậy vòng sơ cấp 10. Ống cấp nước 5. Nắp đậy thứ cấp 11. Bộ tách hơi 6. Nắp đậy sơ cấp 12. Ống dẫn hơi 5
Bảng 2. Các thông số chính của bình sinh hơi [4] Thông số Giá trị Công suất hơi, t/h 1470 Áp suất tại lối ra SG, MPa 6.27 Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối vào SG, 0C 321 Nhiệt độ chất làm mát vòng sơ cấp tại lối ra SG, 0C 291 Nhiệt độ nước cấp, 0C 220 Nhiệt độ nước cấp khi bộ gia nhiệt áp suất cao tắt, 0C 164 Độ ẩm hơi tại lối ra SG, % 0.20 1.3. Môi trường làm của bình sinh hơi - Môi trường nhiệt độ cao, áp suất cao Trong bình sinh hơi nước ở nhiệt độ rất cao: trong vòng sơ cấp, nhiệt độ ở đầu vào chân nóng (inlet) là 593.15  3.50 K, áp suất khoảng 15.7  0.3 MPa nên nước ở thể lỏng. Ở vòng thứ cấp, nhiệt độ dòng hơi là 552 K tại áp suất 6.28  0.20 MPa nước tồn tại ở dạng hơi. Nước ở vòng thứ cấp khi tiếp xúc với bề mặt ống trao đổi nhiệt thì xảy ra sự sôi của nước [4]. - Môi trường phóng xạ lớn Neutron, các hạt nhân phóng xạ và các hạt nhân ở trạng thái kích thích được sản sinh ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân U-235 tạo ra môi trường trong lò có hoạt độ phóng xạ rất cao (các tia phóng xạ là n,  ,  ,  ). Các tia phóng xạ có tác động mạnh vào cấu trúc vật liệu làm giảm độ bền, gây biến đổi cấu trúc trong vật liệu [1]. - Các chất hóa học Do trong lò có hoạt độ phóng xạ cao, khi nước bị chiếu xạ sẽ bị phân hủy thành ion và chất oxy hóa nguy hiểm như OH ,H2O2, O2, H2, O2eaq , H. Các ion và chất này phản ứng lẫn nhau và tương tác với môi trường xung quanh theo các phương trình sau: O2 + 2H+ + 2e-  H2O2 (1) H2O2 + 2H+ + 2e-  2H2O (2) 6
H2  H2+(ads) + e- (3) H2+(ads)  2H+ +e- (4) H2O2 là chất oxy hóa mạnh, chất này tạo ra môi trường oxy hóa dẫn đến sự ăn mòn vật liệu trong nước khi tiếp xúc với phóng xạ [1]. 1.4. Vật liệu bình sinh hơi Một trong những loại vật liệu dùng để chế tạo thành phần của bình sinh hơi (võ bình, ống trao đổi nhiệt…) là thép không gỉ. Thép không gỉ là hợp kim của sắt chứa hơn 11% kim loại Crom và vì thế có khả năng hình thành một lớp màng bảo vệ như một lớp chống oxi hóa thụ động. Lớp vỏ bảo vệ thụ động này được hình thành chủ yếu bởi kim loại Crom. Thép không rỉ thường được chia thành nhiều loại dựa trên cấu trúc vi mô của chúng. Theo đó, sẽ có bốn loại thép không gỉ là thép không rỉ ferritic, austenitic, martensitic và duplex (bảng 3). Bảng 3. Thành phần của các loại thép không gỉ [5] Loại Thành phần (%) Tính Tính từ cứng C Cr Ni Mo khác martensitic >0.10 11-14 0-1 - V có có >0.17 16-18 0-2 0-2 martensitic-
nhanh với hàm lượng Cr tăng lên khoảng 17%. Đây là lý do tại sao nhiều loại thép không rỉ chứa từ 17-18% Cr [5]. Hình 4. Ảnh hưởng của hàm lượng Cr tới tốc độ ăn mòn [5] - Ứng dụng của thép không gỉ trong nhà máy điện hạt nhân Hình 5. Ứng dụng của các loại thép không gỉ trong nhà máy điện hạt nhân [6] 8
Ngoài những ưu điểm về độ bền, độ cứng, độ dẻo, đô dai va đập cao hơn thép cacbon thì thép không gỉ có những tính chất như tính chịu nhiệt, chịu ăn mòn tốt [5] do vậy ứng dụng của thép trong MĐHN là vô cùng đa dạng và phong phú. Ví dụ, trong hình 5 có thể thấy thép không gỉ được ứng dụng để làm ống trao đổi nhiệt trong bình sinh hơi (gồm các hợp kim 600MA, 600TT, 690TT, 800) hay vỏ bình sinh hơi… 1.5. Kết luận chương I  Trong chương I đã tìm hiểu được các vấn đề như sau: - Các thông số cơ bản và nguyên lý hoạt động của NMĐHN loại VVER-1000. - Cấu trúc tổng quan và các thông số cơ bản của bình sinh hơi trong NMĐHN loại lò VVER-1000. - Phân tích và tìm hiểu môi trường làm việc của các thiết bị cụ thể của bình sinh hơi. - Tìm hiểu về thép không gỉ và các ứng dụng của thép không gỉ trong NMĐHN. 9
CHƯƠNG II: CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ CƠ HỌC VẬT LIỆU Cơ học vật liệu là một phân ngành của cơ học nghiên cứu về ứng xử của vật liệu rắn chịu lực. Mục tiêu chính trong lĩnh vực này là mô hình hóa sự biến dạng của một vật liệu cụ thể dưới tác dụng của nhiều loại tải khác nhau. Chương này sẽ cung cấp kiến thức tổng quan về những phần liên quan đến chương sau về cơ học hành vi vật liệu và sự phát triển của vết nứt do môi trường ăn mòn và ứng suất (SCC), cũng như giới thiệu các khái niệm về các loại liên kết, các loại khuyết tật, ứng suất, sự biến dạng, định luật Hooke, hệ số cường độ ứng suất của vật liệu. Vật liệu quan tâm ở đây là thép không gỉ. 2.1. Liên kết Các loại liên kết giữa hai nguyên tử gồm: liên kết ion, liên kết cộng hóa trị, liên kết kim loại. Các loại liên kết này được xem là các liên kết mạnh hay còn gọi là các liên kết sơ cấp. Trong đó, bản chất của liên kết ion là lực hút tĩnh điện giữa hai ion mang điện tích trái dấu. Liên kết cộng hóa trị là liên kết được hình thành giữa các nguyên tử bằng một hay nhiều cặp điện tử góp chung và liên kết kim loại là liên kết bên trong các kim loại, là sự chia sẻ các điện tử tự do giữa các nguyên tử kim loại trong mạng lưới tinh thể. Ngoài các lực liên kết sơ cấp được kể ở trên, trong liên kết giữa hai nguyên tử còn có loại liên kết yếu hay liên kết thứ cấp Van der Waals là liên kết do hiệu ứng hút nhau giữa các nguyên tử bị phân cực. Thế năng Lennard-Jones (L-J) mô tả những liên kết này của nguyên tử hình cầu (khí trơ). Do các liên kết sơ cấp này có hành vi tương tự về mặt mô tả toán học của thế năng trong một số hình thức, thế năng L-J cũng được dùng để mô tả liên kết của kim loại, mặc dù nó không hoàn toàn chính xác cho liên kết kim loại [6]. Một phiên bản khái quát cho thế năng L-J được cho bởi: A B V r     (5) rn rm Với loại thế năng L-J với n=6, m=12, A=2 và B=1 có thể xem hình 6, như đã nhắc ở trên, thế năng L-J cho thế năng của hai nguyên tử tương tác với nhau. Trong đó r là khoảng cách giữa nguyên tử A và B. Lực tác dụng lên nguyên tử dV  r  F r    . Do đó, dr 10