Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu mô phỏng và cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 sử dụng vi hạt Gd2O3 bằng chương trình MVP

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:135

Thêm vào BST

Báo xấu

26
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Vật lý "Nghiên cứu mô phỏng và cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 sử dụng vi hạt Gd2O3 bằng chương trình MVP" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000, thiết kế chất hấp thụ nơtrôn trong lò phản ứng LWR; Phương pháp nghiên cứu sử dụng mô phỏng Monte Carlo với chương trình MVP; Khảo sát khả năng sử dụng chất hấp thụ dạng hạt cho thiết kế mới với nồng độ Boron trong nước làm mát thấp.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu mô phỏng và cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 sử dụng vi hạt Gd2O3 bằng chương trình MVP

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM HOÀNG THANH PHI HÙNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ CẢI TIẾN THIẾT KẾ BÓ NHIÊN LIỆU LÒ PHẢN ỨNG VVER-1000/V-320 SỬ DỤNG VI HẠT Gd2 O3 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MVP LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM HOÀNG THANH PHI HÙNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ CẢI TIẾN THIẾT KẾ BÓ NHIÊN LIỆU LÒ PHẢN ỨNG VVER-1000/V-320 SỬ DỤNG VI HẠT Gd2O3 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MVP LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9 44 01 06 Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS. TS. Trần Hoài Nam 2. TS. Hồ Mạnh Dũng Hà Nội – 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của quý thầy PGS. TS. Trần Hoài Nam và TS. Hồ Mạnh Dũng. Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng sử dụng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ của quý thầy cô, quý anh chị ở các đơn vị liên quan cho việc thực hiện luận án đã cá nhân gửi lời cám ơn chân thành đến họ. Các số liệu và tài liệu tham khảo sử dụng trong luận án được trích dẫn đầy đủ. Tác giả luận án Hoàng Thanh Phi Hùng
ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh thực hiện đề tài “Nghiên cứu mô phỏng và cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000 sử dụng vi hạt Gd2 O3 bằng chương trình MVP” tại Trung tâm Đào tạo hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đến nay tôi đã hoàn thành nội dung nghiên cứu và hoàn thiện luận án tiến sĩ để bảo vệ các cấp. Để hoàn thành được các nghiên cứu này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và góp ý nhiệt tình từ quý thầy cô, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè. Tôi xin kính bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới quý thầy hướng dẫn là những người thầy kính mến, hết lòng giúp đỡ, dạy bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận án. Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các chú, các anh đang công tác tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân (INST), Đại học Duy Tân (DTU). Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Hoàng Văn Khánh (INST), TS. Phạm Như Việt Hà (INST), ThS. Trần Việt Phú (INST), PGS.TS. Đặng Ngọc Toàn (DTU) đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện cũng như hoàn thiện luận án này. Tôi cũng xin cảm ơn các anh chị cán bộ Trung tâm Đào tạo - Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã hỗ trợ các thủ tục cho tôi trong quá trình học tập. Xin gửi lời cảm ơn Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOS- TED), thông qua đề tài "Nghiên cứu thiết kế nhiên liệu mới và phân tích nhiễu nơtron trong chuẩn đoán an toàn lò phản ứng hạt nhân", Mã số 103.04.-2017.20, đã hỗ trợ tôi thực hiện nghiên cứu này. Luận án này là một phần nội dung của nhiệm vụ Khoa học công nghệ đã được phê duyệt ở trên. Xin chân thành cảm ơn bố mẹ hai bên gia đình, vợ và hai con gái yêu quý đã luôn ở bên cạnh động viên, giúp tôi thêm nghị lực để hoàn thành luận án. NCS Hoàng Thanh Phi Hùng
iii MỤC LỤC MỤC LỤC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT . . . . . . v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x MỞ ĐẦU . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 6 1.1 Tổng quan về lò phản ứng VVER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.1 Sự phát triển của công nghệ VVER . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.2 Lò phản ứng VVER-1000 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2 Chất hấp thụ nơtrôn sử dụng trong lò phản ứng . . . . . . . . . . . 11 1.2.1 Các chất hấp thụ nơtrôn phổ biến . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.2 Tiết diện hấp thụ hiệu dụng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3 Các thiết kế chất hấp thụ nơtrôn trong bó nhiên liệu . . . . . . . . 17 1.4 Vấn đề tồn tại của thanh nhiên liệu chứa Gd2 O3 . . . . . . . . . . . 21 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Phương trình vận chuyển nơtrôn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 2.2 Chương trình MVP/GMVP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 2.2.1 Mô tả các chức năng MVP/GMVP . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.2.2 Điều kiện biên . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.3 Mô hình hình học ngẫu nhiên . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.2.4 Tính toán cháy với MVP_BURN . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.3 Độ phản ứng và hiệu ứng nhiệt độ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.1 Hệ số nhân nơtrôn và độ phản ứng . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.3.2 Hệ số phản hồi nhiệt độ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.4 Vùng hoạt và bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000 . . . . . . . . . 40 2.5 Mô phỏng bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000 . . . . . . . . . . . 42 2.6 So sánh tính toán bó nhiên liệu sử dụng chương trình MVP và SRAC 45 2.7 Kết luận chương 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
iv CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BÓ NHIÊN LIỆU CẢI TIẾN SỬ DỤNG Gd2 O3 DẠNG VI HẠT 52 3.1 Bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2 O3 dạng vi hạt . . 53 3.1.1 Hệ số nhân nơtrôn k∞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.1.2 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu . . . . . . . . . . . . . 59 3.2 Bó nhiên liệu VVER-1000 cải tiến với 18 thanh UO2 –Gd2 O3 . . . . 63 3.2.1 Phân bố các thanh nhiên liệu chứa Gd2 O3 . . . . . . . . . . 63 3.2.2 Khảo sát thông số thiết kế Gd2 O3 dạng vi hạt . . . . . . . . 65 3.2.3 Hệ số nhân nơtrôn vô hạn k∞ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 3.2.4 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu mới . . . . . . . . . . 69 3.3 Bó nhiên liệu VVER-1000 với hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.1 Khảo sát thông số thiết kế Gd2 O3 đối với bó nhiên liệu thiết với hàm lượng Boron thấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.3.2 Hệ số nhân nơtrôn vô hạn k∞ của bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 3.3.3 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 3.3.4 Hệ số đỉnh công suất của bó nhiên liệu vơi hàm lượng Boron thấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 3.4 Hệ số phản hồi của chất làm chậm đối với bó nhiên liệu VVER-1000 sử dụng Gd2 O3 dạng vi hạt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.5 Kết luận chương 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 KẾT LUẬN 85 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 87 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89
v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ký hiệu Tên gọi η Hệ số sinh nơtron f Hệ số sử dụng nơtron nhiệt Lt Xác suất không rò nơtrôn nhiệt Lf Xác suất không rò của nơtrôn nhanh kef f Hệ số nhân hiệu dụng k∞ Hệ số nhân vô hạn 1 pcm 1 pcm = =10−5 (per cent mille - Một phần 100000 nghìn phần trăm) 1 ppm 1 ppm = =10−6 (parts per million - Một 1000000 phần triệu) pr Xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng ε Hệ số phân hạch nhanh wt% Phần trăm về khối lượng GWd/t Đơn vị độ cháy (GW. Ngày/tấn nhiên liệu)
vi Chữ viết tắt Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh AFS Hệ thống cấp nước phụ trợ Auxiliary Feedwater System ANISN Chương trình tính toán dịch One Dimensional Discrete chuyển theo phương pháp DO Ordinates Transport Code (Discrete Ordinates) với tán with Anisotropic Scattering xạ không đẳng hướng BM Bài toán chuẩn BenchMark BOC Giai đoạn đầu chu trình Beginning Of Cycle BP Chất hấp thụ cháy được Burnable Poison BPP Vi hạt hấp thụ cháy được Burnable Poison Particle CITATION Chương trình tính toán vùng Nuclear reactor core analysis hoạt lò phản ứng hạt nhân code system CFP Các hạt nhiên liệu được phủ Coated Fuel Particles lớp chất hấp thụ nơtron CG Hình học tổ hợp Combinatorial Geometry CGVIEW Công cụ vẽ và kiểm tra dữ Program to draw cross- liệu về mặt cắt hình học trong sectional views of MVP/G- MVP và GMVP MVP calculation geometry CPSAR Các thanh hấp thụ trong hệ Control and Protection thống bảo vệ và điều khiển System Absorber Rods ECCS Hệ thống làm mát vùng hoạt Emergency Core Cooling khẩn cấp System EFPH Giờ hoạt động toàn thời gian Effective Full Power Hour EOC Giai đoạn cuối chu trình End Of Cycle ENDF Tập tin số liệu hạt nhân đã Evaluated Nuclear Data được đánh giá File FP Sản phẩm phản ứng phân Fission Product hạch
vii FBR Lò phản ứng nhân nhanh Fast Breeder Reactor FR Lò phản ứng nhanh Fast Reactor IBA Thanh nhiên liệu tích hợp Integral Burnable Absorber chất cháy JENDL Thư viện số liệu hạt nhân Japanese Evaluated Nuclear Nhật Bản đã được đánh giá Data Library LEU Uranium độ giàu thấp Low Enriched Uranium LICEM Chương trình tính toán tạo Neutron Cross Section Li- hệ thư viện tiết diện nơtron brary Production Code Sys- LICEM tem for Continuous Energy Monte Carlo Code MVP LOCA Sự cố mất nước tải nhiệt Loss Of Coolant Accident LWR Lò phản ứng nước nhẹ Light-Water Reactor MCRDF Chương trình mô phỏng MC Packing simulation code tính toán hàm phân bố của to calculate distribution nhiên liệu có dạng quả cầu function of hard spheres đặc by Monte Carlo method : MCRDF MTC Hệ số nhiệt độ chất làm chậm Moderator Temperature Coefficient MORSE Chương trình mô phỏng The Multigroup Oak Ridge MORSE cho nhiều nhóm Stochastic Experiment nơtron tại phòng thí nghiệm Oak Ridge MPI Bộ thư viện MPI Message Passing Interface MVP Chương trình mô phỏng Continuous-energy Monte MVP Carlo code MVP for neutron and photon transport NND Phân bố láng giềng gần nhất Nearest Neighbor Distribution
viii OECD/NEA Tổ chức Hợp tác và Phát triển Organisation for Economic Kinh tế/ Cơ quan năng lượng Co-operation and nguyên tử quốc tế Development / N uclear Energy Agency PBR Lò phản ứng đá cuội Pebble Bed Reactor PPF Hệ số đỉnh công suất Power Peak Factor PVM Máy tính ảo chạy song song Parallel Virtual Machine PWR Lò phản ứng nước áp lực Pressurized Water Reactor STG Thống kê hình học Statistical Geometry SRAC Chương trình mô phỏng Standard Reactor Analysis SRAC Code VIM Chương trình mô phỏng VIM The continuous energy sự truyền nơtron do ANL Monte Carlo neutron phát triển transport’code at Argonne National Laboratory VVER Lò phản ứng nước nhẹ Water-Water Energetic Reactor WABA Thanh nhiên liệu hình vành WetAnnular Burnable khuyên chứa chất hấp thụ Absorber Al2 O3 / B4 C
ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các phiên bản lò phản ứng VVER tương ứng với các thế hệ công nghệ lò phản ứng [38]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Bảng 1.2 Các thông số thiết kế cơ bản của lò phản ứng VVER-1000 [68]. 12 Bảng 1.3 Thành phần các đồng vị Gd trong tự nhiên và tiết diện hấp thụ nơtrôn tại năng lượng 0,0253 eV (20 o C) [8]. . . . . . . . . . . . 15 Bảng 1.4 Các thông số vật lý của một số chất hấp thụ nơtrôn [62]. . . . 15 Bảng 2.1 Các mô hình chuỗi cháy nhiên liệu trong MVP_BURN [49]. . 34 Bảng 2.2 Các thông số chính vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 [55]. . 41 Bảng 2.3 Thông tin bó nhiên liệu của một lò phản ứng VVER-1000. Chất hấp thụ trong trường hợp này là Boron [50]. . . . . . . . . . . 42 Bảng 2.4 Các thông số thiết kế bó nhiên liệu UO2 – Gd2 O3 lò phản ứng VVER-1000. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 Bảng 2.5 Bảng hệ số nhân nơtrôn vô hạn k∞ tính bằng chương trình MVP và so sánh với kết quả tính bằng chương trình SRAC và giá trị trung bình chuẩn trong khoảng cháy 0–40 GWd/t. . . . . . . . . 48 Bảng 3.1 Hệ số nhân vô hạn k∞ của bó nhiên liệu với 12 thanh chứa hạt Gd2 O3 có đường kính 40 – 100 µm tại các bước cháy trong khoảng 0 – 10 GWd/t và so sánh với bó nhiên liệu tham chiếu. . . . 57 Bảng 3.2 Sự thay đổi số nguyên tử của hai đồng vị 155 Gd và 157 Gd trong thanh nhiên liệu UO2 – Gd2 O3 trong quá trình cháy. Đường kính vi hạt Gd2 O3 được lựa chọn là 60 µm. . . . . . . . . . . . . . . 58 Bảng 3.3 So sánh hệ số nhân vô hạn k∞ của bó nhiên liệu có 18 thanh chứa các hạt Gd2 O3 với bó nhiên liệu có 12 thanh nhiên liệu chứa Gd2 O3 đồng nhất tại các bước cháy trong khoảng 0 – 10 GWd/t (Mô hình 1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 Bảng 3.4 So sánh hệ số đỉnh công suất PPF với bó nhiên liệu có 12 (60 µm) và 18 (300 µm) thanh chứa các hạt Gd2 O3 tại các bước cháy trong khoảng 0 –10 GWd/t. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
x Bảng 3.5 Các thông số tối ưu của bó nhiên liệu thiết kế mới sử dụng Gd2 O3 dạng vi hạt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Hệ thống lò phản ứng VVER-1000 [26]. . . . . . . . . . . . . . 10 Hình 1.2 Thùng lò phản ứng VVER-1000 [68]. . . . . . . . . . . . . . . . 11 Hình 1.3 Tiết diện hấp thụ nơtrôn của một số đồng vị Gd, B, Er và Dy 13 Hình 1.4 So sánh tiết diện hấp thụ nơtrôn của một số đồng vị trong dải năng lượng nơtrôn nhiệt [62]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 Hình 1.5 Điều khiển độ phản ứng dự trữ của lò phản ứng với chất hấp thụ.[10] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 Hình 2.1 Sơ đồ mô tả quá trình tính toán cháy MVP [44]. . . . . . . . . 32 Hình 2.2 Sơ đồ mô hình hình học thống kê trong MVP/GMVP [45]. . . 34 Hình 2.3 Mô hình chuỗi cháy nhiên liệu u4cm6 cho các actinides [49]. . 35 Hình 2.4 Mô hình chuỗi cháy nhiên liệu fp50bp16 cho các sản phẩm phân hạch và các nhân nhiễm độc [49]. . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 Hình 2.5 Mô hình bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000. . . . . . . . . 41 Hình 2.6 Cấu tạo vùng hoạt của lò phản ứng VVER-1000. [55] . . . . . 42 Hình 2.7 Cấu hình vùng hoạt (trái) và bó nhiên liệu (phải) lò phản ứng VVER-1000. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 Hình 2.8 Thanh nhiên liệu tiêu chuẩn lò phản ứng VVER-1000 [28]. . . 43 Hình 2.9 Mô hình ô mạng lục giác cho thanh nhiên liệu, ống dẫn, ống dẫn trung tâm trong bó nhiên liệu VVER-1000. R1 và R2 là bán kính trong và ngoài của vỏ bọc thanh nhiên liệu hoặc các thanh dẫn [28]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Hình 2.10 Bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000 với 12 thanh chứa UO2 – Gd2 O3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Hình 2.11 Mô hình bó nhiên liệu VVER-1000 trong chương trình MVP. 45 Hình 2.12 Hệ số nhân vô hạn k∞ theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu VVER-1000 có chứa Gd2 O3 trộn đều được tính toán mô phỏng bằng chương trình MVP và SRAC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
xii Hình 2.13 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2 O3 đồng nhất sử dụng chương trình mô phỏng tính toán MVP và SRAC [13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 Hình 2.14 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2 O3 đồng nhất sử dụng chương trình mô phỏng tính toán MVP và BM [13]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 Hình 3.1 Hệ số nhân vô hạn k∞ theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2 O3 . a) Đường cong k∞ trong khoảng cháy từ 0 đến 10 GWd/t. Đường kính vi hạt Gd2 O3 được lựa chọn là 60 µm. b) So sánh đường cong k∞ theo độ sâu cháy với đường kính vi hạt Gd2 O3 là 60 µm trong khoảng cháy từ 0 đến 40 GWd/t. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 Hình 3.2 Sự thay đổi của 155 Gd và 157 Gd trong quá trình cháy của thanh nhiên liệu UO2 – Gd2 O3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 Hình 3.3 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2 O3 dạng vi hạt tại 0 GWd/t và so sánh với bó nhiên liệu tham chiếu. Đường kính vi hạt Gd2 O3 tối ưu là 60 µm và hàm lượng đóng góp là 5,0%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 Hình 3.4 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2 O3 dạng vi hạt tại 10 GWd/t và so sánh với bó nhiên liệu tham chiếu. Đường kính vi hạt Gd2 O3 tối ưu là 60 µm và tỷ lệ đóng góp là 5,0%. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 Hình 3.5 Hệ số đỉnh công suất PPF theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu gồm 12 thanh UO2 – Gd2 O3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 Hình 3.6 Hai mô hình bó nhiên liệu VVER-1000 mới với 18 thanh UO2 – Gd2 O3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 Hình 3.7 Đường cong hệ số nhân vô hạn k∞ với độ sâu cháy của bó nhiên liệu mới VVER-1000 chứa 18 thanh UO2 – Gd2 O3 trong Mô hình 1 ở giai đoạn đầu quá trình cháy (0 – 10 GWd/t). . . . . . . . 66
xiii Hình 3.8 Đường cong hệ số nhân vô hạn k∞ theo độ cháy sâu của bó nhiên liệu mới VVER-1000 với 18 thanh UO2 – Gd2 O3 . Đường kính tối ưu của hạt Gd2 O3 được lựa chọn là 300 µm và tỉ lệ thể tích là 3,33% cho cả hai Mô hình. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 Hình 3.9 Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2 O3 tại điểm cháy 0 GWd/t (Mô hình 1). Đường kính vi hạt chất hấp thụ tối ưu là 300 µm và tỉ lệ thể tích là 3,33% . 70 Hình 3.10 Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2 O3 tại điểm cháy 0 GWd/t (Mô hình 2). Đường kính vi hạt chất hấp thụ tối ưu là 300 µm và tỉ lệ thể tích là 3,33% . 71 Hình 3.11 Hệ số đỉnh công suất theo độ sâu cháy của bó nhiên liệu mới chứa 18 thanh UO2 – Gd2 O3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 Hình 3.12 Đường cong k∞ với độ sâu cháy của bó nhiên liệu VVER-1000 với hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp. . . . . . . . . . . . . 75 Hình 3.13 Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2 O3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp 50% Boron (Mô hình 1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 Hình 3.14 Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2 O3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp không có Boron (Mô hình 1). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 Hình 3.15 Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2 O3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp 50% Boron (Mô hình 2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 Hình 3.16 Phân bố công suất của bó nhiên liệu VVER-1000 gồm 18 thanh UO2 – Gd2 O3 tại điểm cháy 0 GWd/t, trường hợp không có Boron (Mô hình 2). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 Hình 3.17 Hệ số đỉnh công suất thanh nhiên liệu với độ cháy sâu của bó nhiên liệu mới VVER-1000 chứa 18 thanh UO2 – Gd2 O3 và hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp. . . . . . . . . . . . . . . . . . 81 Hình 3.18 Hệ số phản hồi theo nhiệt độ làm chậm với độ cháy sâu của bó nhiên liệu mới VVER-1000 chứa 18 thanh UO2 – Gd2 O3 và hàm lượng Boron thấp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
1 MỞ ĐẦU Vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 bao gồm 163 bó nhiên liệu UO2 với các độ giàu khác nhau. Trong đó, một số bó nhiên liệu VVER-1000 được thiết kế bao gồm một số thanh nhiên liệu chứa chấp hấp thụ nơtrôn (burnable absorber = BA/ burnable poison = BP) được sắp xếp một cách hợp lý nhằm kiểm soát độ phản ứng dự trữ cao và hệ số công suất cực đại của bó nhiên liệu trong giai đoạn đầu của quá trình cháy. Các thiết kế chất hấp thụ trong bó nhiên liệu lò phản ứng năng lượng nhằm duy trì độ phản ứng của bó nhiên liệu lò gần như không đổi (constant reactivity) trong giai đoạn đầu của quá trình cháy nhiên liệu (như đối với các loại lò LWRs từ 0 – 10 GWd/t) để tránh việc xuất hiện độ phản ứng cực đại, dễ dẫn đến xuất hiện đỉnh công suất trong quá trình cháy [12]. Sau giai đoạn đó, chất hấp thụ sẽ cháy hết, độ phản ứng của thanh nhiên liệu khi đã cháy một phần sẽ cháy bình thường. Nhiều nghiên cứu thiết kế chất hấp thụ tích hợp trong thanh nhiên liệu cùng với các nghiên cứu khảo sát ứng dụng các chất hấp thụ khác nhau đã được thực hiện [3, 18, 29, 62]. Nghiên cứu về chất hấp thụ trong thanh nhiên liệu để kiểm soát độ phản ứng dư và nâng cao đặc trưng an toàn lò phản ứng đang là đề tài được nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới quan tâm [19, 47, 52, 66]. Chất hấp thụ có thể được trộn đều vào một số thanh nhiên liệu trong bó nhiên liệu như trong các thiết kế truyền thống của lò phản ứng PWR và VVER, hoặc được thiết kế là một lớp bọc bên ngoài viên nhiên liệu, cũng có thể được thiết kế tích hợp với các ống dẫn trong bó nhiên liệu, hoặc các mô hình kết hợp sử dụng một số chất hấp thụ khác nhau [21, 35, 53]. Các chất hấp thụ nơtrôn phổ biến với tỉ lệ cao các đồng vị có tiết diện hấp thụ nơtrôn cao như: Gd2 O3 (155 Gd, 157 Gd), B4 C (10 B), ErO2 (167 Er), HfO2 , CdO [24, 59, 64]. Gd2 O3 là một trong những chất hấp thụ nơtrôn thường được sử dụng nhất trong các thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng nước nhẹ LWRs do có tiết diện hấp thụ nơtrôn cao của các đồng vị 155 Gd và 157 Gd [3]. Tiến hành trộn đều nhiên liệu UO2 với khoảng vài phần trăm khối lượng Gd2 O3 , mục đích chính là kiểm soát độ phản ứng dư cao trong giai đoạn đầu (0 – 10 GWd/t) của quá trình cháy nhiên
2 liệu. Sau giai đoạn đó, phần lớn các đồng vị có tiết diện hấp thụ nơtrôn cao được sử dụng làm chất hấp thụ trong các thanh nhiên liệu như 155 Gd và 157 Gd đã cháy hết, khi đó độ phản ứng của bó nhiên liệu trở lại giống như bó nhiên liệu không chứa chất hấp thụ [30, 48]. Tuy nhiên, do Gd2 O3 có độ dẫn nhiệt nhỏ hơn so với độ dẫn nhiệt của nhiên liệu UO2 , nên khi trộn đều Gd2 O3 vào UO2 thì tạo ra hỗn hợp nhiên liệu có độ dẫn nhiệt kém hơn so với nhiên liệu ban đầu chỉ có UO2 [25]. Đối với các nghiên cứu và thiết kế cải tiến nhiên liệu lò phản ứng, vấn đề về hiệu quả sử dụng nhiên liệu và hiệu quả kinh tế là một trong những điểm mấu chốt của quá trình nghiên cứu, các thiết kế nâng cao công suất hoạt động của lò phản ứng (power upgrading) và thiết kế nhiên liệu với độ sâu cháy cao hơn (high burnup fuel) đang được xem như những mục tiêu quan trọng [6, 15, 69]. Khi đó, độ dẫn nhiệt cao của các thanh nhiên liệu sẽ là một trong những tính chất đặc trưng của nhiên liệu trong các thiết kế cải tiến. Do đó, nghiên cứu cải thiện độ dẫn nhiệt của nhiên liệu UO2 –Gd2 O3 là một trong những vấn đề đang được quan tâm bởi nhiều nhóm nghiên cứu thực nghiệm trên thế giới [9, 36, 70]. Để làm tăng độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu UO2 chứa Gd2 O3 , kết quả thực nghiệm chỉ ra rằng nếu Gd2 O3 được đưa vào các viên nhiên liệu dưới dạng các hạt vi mô, thay vì trộn đều với nhiên liệu UO2 như thiết kế thông thường, thì độ dẫn nhiệt chung của viên nhiên liệu sẽ cao hơn so với viên nhiên liệu trộn đều UO2 –Gd2 O3 . Sử dụng cùng một lượng Gd2 O3 trong viên nhiên liệu, Gd2 O3 ở dạng vi hạt có độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu cao hơn so với hỗn hợp nhiên liệu trộn đều [32]. Điều đó có nghĩa rằng việc sử dụng các vi hạt Gd2 O3 sẽ giúp tăng đáng kể độ dẫn nhiệt của viên nhiên liệu. Quá trình chế tạo các viên nhiên liệu chứa các vi hạt Gd2 O3 cũng không quá phức tạp. Các vi hạt Gd2 O3 được trộn với nhiên liệu UO2 với tỷ lệ thể tích xác định, sau đó được nén dưới áp suất cao và nhiệt độ cao để tạo thành viên nhiên liệu. Do các yêu cầu cấp thiết trên, đề tài NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ CẢI TIẾN THIẾT KẾ BÓ NHIÊN LIỆU LÒ PHẢN ỨNG VVER- 1000/V-320 SỬ DỤNG VI HẠT Gd2 O3 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MVP được thực hiện với mong muốn đóng góp một phần nhỏ trong lĩnh vực tính toán vật lý lò phản ứng.
3 Vấn đề đặt ra là khi sử dụng chất hấp thụ dưới dạng các hạt hấp thụ vi mô, hiệu ứng tự che chắn (self-shielding effect) sẽ làm cho tốc độ cháy của chất hấp thụ rất khác so với khi phân bố đồng nhất và đều. Ảnh hưởng của mô hình chất hấp thụ dạng vi hạt lên các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu sẽ khác so với các thiết kế truyền thống. Do đó, về mặt tính chất vật lý, cần thực hiện các nghiên cứu khảo sát tính khả năng sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt trong các bó nhiên liệu thay cho thiết kế truyền thống. Luận án tập trung vào các nghiên cứu tính toán đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000 có sử dụng Gd2 O3 . Các nghiên cứu tính toán được thực hiện nhằm giải quyết một số vấn đề sau: 1) Nghiên cứu tính khả thi trong việc ứng dụng Gd2 O3 dạng vi hạt trong nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 nhằm điều khiển độ phản ứng dự trữ và tăng hệ số truyền nhiệt của thanh nhiên liệu UO2 –Gd2 O3 . 2) Nghiên cứu thiết kế cải tiến bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 có sử dụng Gd2 O3 dạng hạt nhằm đồng thời điều khiển độ phản ứng dự trữ cao giống như thiết kế truyền thống, giảm hệ số công suất cực đại theo vị trí thanh nhiên liệu, và cải thiện hệ số truyền nhiệt của thanh nhiên liệu UO2 –Gd2 O3 . Các thông số vi hạt chất hấp thụ được tối ưu hóa để thu được đường cong biểu diễn độ phản ứng với độ cháy có hệ số đỉnh công suất PPF nhỏ hơn so với giá trị tham chiếu. 3) Nghiên cứu sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt để thiết kế bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 có hàm lượng Boron thấp hòa tan trong nước tải nhiệt, đồng thời khảo sát ảnh hưởng của các thiết kế mới lên hệ số phản hồi nhiệt độ của chất làm chậm. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Luận án tập trung nghiên cứu thực hiện các mục tiêu chính như sau: • Nghiên cứu đánh giá tính khả thi khi sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt trong thiết kế bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 nhằm đạt được các đặc trưng hạt nhân xấp xỉ với bó nhiên liệu truyền thống khi Gd2 O3 được trộn đều vào nhiên liệu UO2 . Với việc khai thác ứng dụng đặc điểm các hạt Gd2 O3 cao
4 hơn đáng kể so với dạng bột trong hỗn hợp nhiên liệu UO2 – Gd2 O3 . • Thiết kế bó nhiên liệu mới sử dụng Gd2 O3 dạng vi hạt nhằm đồng thời đạt được hệ số nhân vô hạn xấp xỉ với thiết kế truyền thống, giảm hệ số đỉnh công suất tại thanh nhiên liệu nóng nhất, và khai thác đặc điểm tăng hệ số truyền nhiệt của thanh nhiên liệu chứa Gd2 O3 . • Nghiên cứu khả năng sử dụng Gd2 O3 dạng vi hạt trong thiết kế cải tiến bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 với hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp. Các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu mới này sẽ được khảo sát và so sánh với bó nhiên liệu tham chiếu. Hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp sẽ góp phần làm cho hệ số phản hồi nhiệt độ của chất làm chậm (MTC) âm hơn, do đó tăng độ an toàn của lò phản ứng. Do các hạt hấp thụ có kích thước nhỏ và được phân bố ngẫu nhiên trong các thanh nhiên liệu, việc mô phỏng cấu hình này chỉ có thể thực hiện bởi chương trình mô phỏng Monte Carlo MVP. Trong luận án này, các mô phỏng tính toán thiết kế bó nhiên liệu được thực hiện bởi chương trình MVP và thư viện dữ liệu hạt nhân JENDL-3.3. Tóm tắt nội dung luận án Nội dung luận án bao gồm 3 chương và phần kết luận: Chương 1 trình bày tổng quan về lò phản ứng hạt nhân VVER-1000, thiết kế chất hấp thụ nơtrôn trong lò phản ứng LWR, vấn đề tồn tại và mục tiêu nghiên cứu của luận án. Chương 2 trình bày phương pháp nghiên cứu sử dụng mô phỏng Monte Carlo với chương trình MVP. Chương 3 trình bày chi tiết kết quả nghiên cứu khảo sát các đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 khi sử dụng chất hấp thụ dạng vi hạt với đặc tính độ dẫn nhiệt của thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ vi hạt tăng so với nhiên liệu truyền thống. Đánh giá tính khả thi về mặt đặc trưng vật lý nơtrôn đối với mô hình chất hấp thụ dạng vi hạt trộn nhẫu nhiên trong nhiên liệu. Nghiên cứu thiết kế cải tiến bó nhiên liệu VVER-1000/V-320 sử dụng
5 chất hấp thụ Gd2 O3 dạng vi hạt nhằm đồng thời giảm hệ số công suất cực đại. Khảo sát khả năng sử dụng chất hấp thụ dạng hạt cho thiết kế mới với nồng độ Boron trong nước làm mát thấp. Cuối cùng là phần kết luận, tóm tắt các kết quả đạt được trong luận án và đề xuất các hướng nghiên cứu mở rộng.