Luận văn Thạc sĩ: Phân tích đặc trưng thanh nhiên liệu lò phản ứng hạt nhân VVER-AES2006

Ạ Ọ

ƯỜ

Ộ Ố Đ I H C QU C GIA HÀ N I Ọ Ự

TR

NG Đ I H C KHOA H C T NHIÊN

Ạ Ọ

ĐINH VĂN CHI NẾ

Ư

Ặ

Ệ Ử Ụ

Ả Ứ

Ạ

PHÂN TÍCH CÁC Đ C TR NG Ủ C A THANH NHIÊN LI U S D NG TRONG LÒ PH N NG H T NHÂN VVER AES2006

Ọ

Ậ

Ạ LU N VĂN TH C SĨ KHOA H C

ộ Hà N i 2015

Ạ Ọ

ƯỜ

Ộ Ố Đ I H C QU C GIA HÀ N I Ọ Ự

TR

NG Đ I H C KHOA H C T NHIÊN

Ạ Ọ

ĐINH VĂN CHI NẾ

Ư

Ặ Ệ Ử Ụ

Ả Ứ

Ạ

PHÂN TÍCH CÁC` Đ C TR NG Ủ C A THANH NHIÊN LI U S D NG TRONG LÒ PH N NG H T NHÂN VVER AES2006

ậ

ử

Chuyên ngành: V t lý nguyên t

ố

Mã s : 60 44 0106

Ọ

Ậ

Ạ LU N VĂN TH C SĨ KHOA H C

Ọ

Ầ

Ạ

Ẫ

NG

ƯỜ ƯỚ I H

NG D N KHOA H C: TS. TR N Đ I PHÚC

ộ Hà N i 2015

ờ ả ơ L i c m n

ọ ậ ạ ế ậ ườ ạ ọ ả ủ Lu n văn này là k t qu c a quá trình h c t p t i Tr ọ ng Đ i h c Khoa h c

ự ậ ạ ạ ọ ự ố ộ ụ T nhiên Đ i h c Qu c gia Hà N i và quá trình th c t p t i C c Năng l ượ ng

ử ặ ệ ộ ậ ấ ề nguyên t (NLNT) . Trong đó, đ c bi t là quá trình tham gia Đ tài đ c l p c p Nhà

ướ ứ ả ưở ấ ủ ủ ậ n c “Nghiên c u nh h ệ ế ng c a quá trình v n hành đ n tính ch t c a nhiên li u

ả ứ ụ ủ ệ ỏ ờ và v thanh nhiên li u trong lò ph n ng VVER1000“ do C c NLNT ch trì và th i

ạ ẫ ủ ạ ơ ậ gian đào t o d ướ ự ướ i s h ng d n c a TS Jinzhao Zhang t ỹ i c quan k thu t năng

ệ ươ ỉ ượ l ng đi n TRACTEBEL (GDF SUEZ V ố ng qu c B ).

ả ớ ỏ ế ơ ế ầ V i tình c m chân thành, em xin bày t lòng bi t n đ n quý th y cô giáo đã

ạ ớ ậ ả ọ tham gia gi ng d y l p cao h c khóa 20112013, chuyên ngành V t lý nguyên t ử ,

ạ ọ ầ ườ ạ ọ ự ạ ọ các th y cô Khoa Sau đ i h c – Tr ụ ng Đ i h c Khoa h c T nhiên, lãnh đ o C c

ượ ử ỡ ạ ề ệ ậ Năng l ng nguyên t ọ đã t n tình giúp đ , t o đi u ki n cho em trong quá trình h c

ậ ậ t p và hoàn thành lu n văn này.

ệ ỏ ế ơ ế ắ ạ ặ Đ c bi t em xin bày t lòng bi ố ấ ầ t n sâu s c đ n TS Tr n Đ i Phúc C v n

ọ ườ ệ ạ ệ ơ ụ khoa h c C c NLNT, ng i đã có h n 40 năm kinh nghi m làm vi c t ơ i các c quan

ệ ệ ế ớ ự ạ ầ hàng đ u trong lĩnh v c công ngh đi n h t nhân trên th gi ỹ i (Canada, Pháp M ,

ỉ ị ướ ữ ứ ữ ề ế ạ B ,...) đã đ nh h ng và truy n đ t nh ng ki n th c chuyên môn, nh ng kinh

ự ệ ệ ọ ứ nghi m vô cùng quý báu trong nghiên c u khoa h c giúp em th c hi n và hoàn

ậ thành lu n văn này.

ấ ố ắ ư ắ ắ ậ ặ ả ỏ M c dù b n thân đã r t c g ng nh ng ch c ch n lu n văn không tránh kh i

ữ ế ấ ượ ữ ủ ế ậ ổ nh ng thi u sót, r t mong đ ầ c nh n nh ng ý ki n đóng góp b sung c a quý th y

cô.

ộ Hà N i, tháng 4 năm 2015

ọ H c viên

Đinh Văn Chi nế

Ụ Ụ M C L C

Ụ

Ậ

DANH M C THU T NG

Ữ 4 ...............................................................................................

Ụ

Ả

Ể

DANH M C B NG BI U

6 ..................................................................................................

M Đ UỞ Ầ 7 ...............................................................................................................................

ề

ọ

7 1.Lý do ch n đ tài ............................................................................................................

ụ

ứ 9 2.M c đích nghiên c u ......................................................................................................

ố ượ

ứ

3.Đ i t

9 ng nghiên c u ....................................................................................................

ớ ạ

ứ

ạ

4.Gi

9 i h n ph m vi nghiên c u ........................................................................................

ệ

ứ ụ 9 5.Nhi m v nghiên c u .....................................................................................................

ươ

6.Ph

ứ 10 ng pháp nghiên c u ..............................................................................................

ấ

ậ

10 7.C u trúc lu n văn .........................................................................................................

ƯƠ

Ả Ứ

Ạ 12 NG 1. LÒ PH N NG H T NHÂN VVERAES2006 .....................................

ả ứ

ể

ệ

ạ

12 1.1. Quá trình phát tri n công ngh lò ph n ng h t nhân VVER ................................

ả ứ

ể

ặ

ạ

15 1.2. Đ c đi m lò ph n ng h t nhân VVERAES2006 .................................................

ƯƠ

Ệ

Ạ

Ư

Ủ

Ặ

20 NG 2. Đ C TR NG C A THANH NHIÊN LI U H T NHÂN ....................

ể

ặ

ế ế ủ

ạ

2.1. Đ c đi m thi

ệ 20 t k c a thanh nhiên li u h t nhân [9] [15] [16] .............................

ứ ạ ố ớ

ệ

ặ

23 2.2. Đ c tr ng b c x đ i v i thanh nhiên li u [13] [16] .............................................

ặ

ệ ố ớ

ệ

ư 2.3. Đ c tr ng c nhi

t đ i v i thanh nhiên li u

26 ..........................................................

ệ ộ

ệ

ự ự

ệ

ố ậ ệ

ố ớ

ủ

ệ

ặ

ố 26 t đ trong thanh nhiên li u [7] ............................................... 2.3.1. S phân b nhi ổ ấ 29 2.3.2. S thay đ i c u trúc viên g m nhiên li u [8] [19] ........................................... ỏ 2.3.3. Quá trình m i và rão hóa v t li u [8] [11] 33 ........................................................ ệ ộ 34 t đ ng đ i v i thanh nhiên li u ..............................................

ư 2.4. Đ c tr ng th y nhi

ượ

ệ ớ ạ

ờ

t t

ị

ớ ướ ị ủ ự

ệ ướ

ỏ ệ ụ

ổ

ng nhi 2.4.1. Thông l ọ 2.4.2. S ăn mòn do c xát c a v b c thanh nhiên li u v i l ọ 2.4.3. Bi n đ i hình h c thanh nhiên li u d

ự ế ư

ệ

ặ

35 i h n và quá trình d i kh i vùng sôi nhân [20] ............. ủ ỏ ọ i đ nh v [19] 40 ........ i tác d ng th y l c [25] 41 ................... ố ớ 46 2.5. Đ c tr ng quá trình oxy hóa và hydro hóa đ i v i thanh nhiên li u [2] .................

ƯƠ

Ệ

2.5.1. Quá trình oxy hóa 46 ............................................................................................... 53 2.5.2. Quá trình hydro hóa ........................................................................................... ƯƠ 59 NG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIÊN LI U FRAPCON3.5 .........

NG 3. CH

ổ

ươ

3.1. T ng quan ch

59 ng trình FRAPCON3.5 [3] [4] ......................................................

ụ

ủ

ươ

3.1.1. M c tiêu tính toán c a ch

59 ng trình FRAPCON3.5 .......................................

ươ

i h n c a ch

ớ ạ ủ ươ

ủ

ấ

3.1.2. Các gi 3.2. C u trúc và ph

60 ng trình FRAPCON3.5 ............................................... 61 ng pháp tính toán c a code FRAPCON3.5 .................................

ấ ư ồ ấ

ầ

ủ 61 .............................................................................................. 3.2.1. C u trúc c a code ủ 3.2.2. L u đ tính toán c a code 62 ................................................................................. 66 3.2.3. C u trúc input đ u vào ...................................................................................... ủ 66 3.3. Mô hình chính c a code FRAPCON3.5 ..................................................................

Ặ

Ệ

ệ ộ t đ ng 3.3.1. Mô hình nhi 66 ........................................................................................... ơ ọ 72 .................................................................................................. 3.3.2. Mô hình c h c 3.3.3. Mô hình phát tán khí phân h chạ 74 ........................................................................ 3.3.4. Mô hình oxy hóa và hydro hóa 75 .......................................................................... Ư ƯƠ 78 NG 4. PHÂN TÍCH Đ C TR NG THANH NHIÊN LI U TVS2006 ...........

ể

ặ

ế ế

ệ

4.1. Đ c đi m thi

78 t k thanh nhiên li u TVS2006 .......................................................

ẩ

ấ

ậ ử ụ 81 4.2. Tiêu chu n ch p nh n s d ng trong phân tích [12] ..............................................

ệ

ươ

ề ộ ề ẩ 4.2.1. Tiêu chu n v đ b n 82 ....................................................................................... ạ ề ộ ế ẩ 4.2.2. Tiêu chu n v đ bi n d ng 83 ............................................................................ ề ậ ẩ 84 ............................................................................ t v t lý 4.2.3. Tiêu chu n v nhi ề ẩ 85 4.2.4. Tiêu chu n v ăn mòn ....................................................................................... 85 ng pháp phân tích và mô hình hóa [10] [24] .................................................... 4.3. Ph

ươ

ệ

ế ế

ệ

85 ng pháp phân tích ...................................................................................... 4.3.1. Ph 85 4.3.2. Mô hình hóa thanh nhiên li u TVS2006 .......................................................... 87 t k thanh nhiên li u TVS2006 ........................................................

4.4. Đánh giá thi

ế ế ế ế

ả ả ả ả

Ậ

Ế

ơ ệ 87 t .............................................................................. 4.4.1. K t qu tính toán c nhi ộ ề 94 4.4.2. K t qu tính toán đ b n .................................................................................. ế ọ ạ 100 4.4.3. K t qu tính toán bi n d ng hình h c ........................................................... ề 103 4.4.4. K t qu tính toán v quá trình oxy hóa và hydro hóa .................................... Ị 105 ......................................................................................... K T LU N VÀ KI N NGH

Ả

Ệ

110 TÀI LI U THAM KH O ...............................................................................................

Ụ Ụ 113 PH L C .........................................................................................................................

Ụ Ậ Ữ DANH M C THU T NG

ế ế Ti ng Anh Ti ng Vi ệ t ừ ế T vi t tắ t

ả ứ ạ ướ BWR Boiling Water Reactor Lò ph n ng h t nhân n c sôi

ượ ệ ớ ạ CHF Critical Heat Flux Thông l ng nhi i h n t t

ờ DNB ỏ ự D i kh i s sôi nhân Departure from Nuclear Boiling

ơ ượ ử ng nguyên t IAEA International Atomic Energy Agency C quan Năng l qu c tố ế

ấ ả LOCA Loss Of Coolant Accident ạ ự ố ấ Tai n n/s c m t ch t t i nhi ệ t

ả ứ ạ ướ ẹ LWR Light Water Reactor Lò ph n ng h t nhân n c nh

ậ ườ NO Normal Operation V n hành bình th ng

ươ PCI Pellet Cladding Interaction T ỏ ọ ố ng tác viên g m v b c

ươ ơ ọ ố PCMI T ỏ ọ ng tác c h c viên g mv b c Pellet Cladding Mechanical Interaction

ả ứ ạ ướ PWR Pressurized Water Reactor Lò ph n ng h t nhân n ự c áp l c

ạ ự ố ả ộ RIA Reactivity Initiated Accident ở Tai n n/s c kh i phát đ ph n ngứ

ạ ứ ứ SCC Stress Corrosion Cracking ấ R n n t do ăn mòn ng su t

Ủ ạ ỳ US. NRC y ban Pháp quy h t nhân Hoa K United State Nuclear Regulatory Commission

VVER ả ứ ạ ướ ự c áp l c

ể Lò ph n ng h t nhân n ki u Nga (WWER) VodoVodyanoi Energetichesky Reactor/Water Cooled WaterModerated Energy Reactor

ε ế ạ Strain Bi n d ng

σ Ứ Stress ấ ng su t

Ả Ể DANH M C Ụ B NG BI U

Ẽ Ụ DANH M C HÌNH V

M Đ UỞ Ầ

ọ ề 1.Lý do ch n đ tài

ượ ở ỗ ấ ở ố Ngày nay, khi chính sách năng l ng m i qu c gia đang tr thành v n đ ề

ế ơ ờ ế ưở ớ ề ạ ấ c p thi t h n bao gi ở ự ả h t, b i s nh h ng liên quan t i nhi u khía c nh mang

ư ế ậ ầ ấ ố ổ ộ tính ch t toàn c u nh ch ng bi n đ i khí h u, xung đ t vũ trang, an ninh hay

ồ ị ượ ể ệ ớ ượ ả chính tr … Trong khi các ngu n năng l ư ng m i ch a th hi n đ c tính kh thi

ệ ượ ạ ở ự ự ầ ả và hi u qu thì năng l ng h t nhân đã tr ủ ọ thành s l a ch n hàng đ u c a

ề ố ệ nhi u qu c gia trong đó có Vi t Nam.

ỗ ự ủ ủ ằ ệ ươ B ng các n l c c a Chính ph Vi t Nam trong ch ể ng trình phát tri n

ượ ứ ụ ụ ặ ạ ệ năng l ng h t nhân cho các ng d ng vì m c đích hòa bình, đ c bi ế t sau ký k t

ớ ố ự ự ệ ệ ậ ạ th c hi n D án đi n h t nhân Ninh Thu n v i đ i tác Liên Bang Nga cũng nh ư

ợ ươ ậ ả ủ ố ớ ệ các h p tác song ph ng khác v i Chính ph Nh t B n, Hàn Qu c; Vi t Nam đã

ạ ầ ể ệ ấ ế ể ả ự và đang g p rút tri n khai th c hi n các giai đo n c n thi ứ ả t đ đ m b o đáp ng

ể ủ ự ươ ạ cho s phát tri n c a ch ệ ng trình đi n h t nhân.

ặ ướ ả ứ ệ ậ ả M c dù, n ạ c ta đã có kinh nghi m v n hành và qu n lý lò ph n ng h t

ệ ố ấ ớ ứ ư ạ ấ ớ ặ nhân nghiên c u Đà L t. Tuy nhiên, v i đ c tr ng công su t l n, h th ng c u

ứ ạ ỏ ấ ệ ạ ắ ề ệ trúc ph c t p, nhà máy đi n h t nhân (NMĐHN) đòi h i r t kh t khe v vi c

ạ ộ ả ứ ủ ạ ả ả đ m b o ho t đ ng an toàn c a các lò ph n ng h t nhân bên trong nhà máy.

ứ ề ề ậ ặ ấ ộ Đi u đó đã đ t ra r t nhi u thách th c cho toàn b quá trình v n hành cũng nh ư

ạ ộ ư ủ ặ ả ả qu n lý nhà máy. Do đó các phân tích đánh giá đ c tr ng ho t đ ng c a lò ph n

ứ ề ấ ầ ế ủ ế ậ ả ứ ng là đi u r t c n thi t. Trong phân tích an toàn lò ph n ng ch y u t p trung

ả ứ ề ạ ấ ồ ơ ậ vào 3 v n đ chính bao g m phân tích v t lý n tron vùng ho t lò ph n ng, phân

ệ ộ ả ứ ả ứ ệ ệ ủ tích th y nhi t đ ng lò ph n ng và phân tích hi u năng nhiên li u lò ph n ng.

ừ ữ ủ ế ế ế ế ỷ T nh ng năm 80 c a th k XX cho đ n nay, các thi ệ t k thanh nhiên li u

ả ứ ừ ạ ượ ả ế ằ ố ư ử ụ s d ng trong lò ph n ng h t nhân không ng ng đ c c i ti n nh m t i u hóa

ả ứ ố ư ặ ậ các đ c tr ng v n hành trong vùng ho t ả ạ lò ph n ng. Trong su t quá trình c i

ủ ế ậ ủ ệ ế ạ ổ ti n nhiên li u, các thay đ i ch y u t p trung vào hình d ng c a thanh nhiên

ỏ ọ ư ư ủ ệ ể ệ ặ ớ ố li u cũng nh các đ c đi m c a viên g m nhiên li u và l p v b c nh tăng đ ộ

2Gd2O3, sử

ệ ớ ử ụ ệ ố làm giàu nhiên li u (lên t i 5%), s d ng các viên g m nhiên li u UO

ổ ề ậ ệ ỏ ọ ấ ằ ợ ụ d ng v b c làm b ng h p kim Zr1%Nb,… Các thay đ i v v t li u, c u trúc

ướ ứ ủ ề ậ ằ và kích th ả ệ c này nh m đáp ng các đi u ki n v n hành khác nhau c a lò ph n

ứ ư ứ ấ ớ ạ ấ ng nh m c công su t cao (1000 1600 MWe), tăng gi i h n công su t 110%

ệ ấ ộ ị công su t danh đ nh, tăng đ cháy nhiên li u (60 70 MWd/kgU) và kéo dài chu

ệ ừ ệ ỳ ế ỳ k nhiên li u (chu k nhiên li u t 12 đ n 18 tháng).

ự ế ơ ề ệ ự ệ ở ớ Do đó, các d đoán sát v i th c t ấ h n v hi u năng nhiên li u tr nên r t

ố ớ ệ ọ ế ế ệ ạ quan tr ng đ i v i vi c thi t k và đánh giá an toàn thanh nhiên li u h t nhân

ề ệ ậ ạ ộ ệ (TNLHN). Đi u này cho phép v n hành nhà máy đi n h t nhân m t cách hi u

ự ữ ậ ư ả ệ ả ấ ệ qu và an toàn nh t; cũng nh c i thi n biên d tr v n hành an toàn, tăng hi u

ả ế ạ ơ ệ ả ộ qu kinh t và qu n lý nhiên li u m t cách linh ho t h n.

ổ ậ ứ ế ẽ ả ữ Các k t qu nghiên c u trong khuôn kh lu n văn này s trình bày nh ng

ế ầ ế ề ặ ả ứ ư ể ệ ặ ể hi u bi t c n thi t v đ c đi m công ngh lò ph n ng, các đ c tr ng thi ế ế t k ,

ư ả ưở ủ ậ ậ ộ cũng nh nh h ạ ố ớ ng c a quá trình v n hành đ i v i các b ph n trong vùng ho t

ả ứ ặ ệ ệ ằ ườ ự lò ph n ng, đ c bi t là thanh nhiên li u nh m tăng c ng năng l c phân tích an

ụ ụ ệ ệ ạ toàn, ph c v cho vi c phân tích, đánh giá an toàn nhà máy đi n h t nhân mà c ụ

ệ ử ụ ề ặ ư ể th là v đ c tr ng nhiên li u s d ng.

ụ ứ 2.M c đích nghiên c u

ả ứ ể ể ệ ạ ặ Tìm hi u đ c đi m công ngh lò ph n ng h t nhân VVERAES2006;

ồ ế ế ủ ậ ẩ trong đó bao g m thi t k và các tiêu chu n v n hành c a thanh nhiên li u s ệ ử

ả ứ ạ ụ d ng trong lò ph n ng h t nhân VVERAES2006 (TVS2006);

ư ứ ậ ạ ặ ườ ủ Nghiên c u các đ c tr ng c a tr ng thái v n hành bình th ả ng và các nh

ơ ệ ứ ạ ố ớ ệ ưở h ng c lý hóa nhi ả ứ t b c x đ i v i thanh nhiên li u trong lò ph n ng

ạ h t nhân;

ư ủ ệ ậ ạ ặ ổ Phân tích các đ c tr ng c a thanh nhiên li u trong tr ng thái v n hành n

ụ ụ ế ế ệ ử ụ ả ứ ị đ nh, ph c v đánh giá thi ạ t k thanh nhiên li u s d ng trong lò ph n ng h t

nhân VVERAES2006.

ố ượ ứ 3.Đ i t ng nghiên c u

ệ ượ ơ ệ ứ ạ ề ặ Các hi n t ng c lý hóa nhi ệ ư t b c x và đ c tr ng trong đi u ki n

ườ ả ứ ủ ệ ạ ậ v n hành bình th ng c a thanh nhiên li u lò ph n ng h t nhân VVER

AES2006.

ớ ạ ứ ạ 4.Gi i h n ph m vi nghiên c u

ứ ậ ố ớ ả ứ ạ ậ ướ Lu n văn nghiên c u t p trung trong ph m vi đ i v i lò ph n ng n c áp

ủ ế ủ ư ề ế ặ ấ ự l c (VVER), trong đó các v n đ liên quan ch y u đ n các đ c tr ng c a thanh

ạ ộ ả ứ ủ ệ ạ ị ổ nhiên li u trong tr ng thái ho t đ ng n đ nh c a lò ph n ng. Các tính toán c ụ

ể ượ ố ớ ả ứ ụ ủ ệ th đ c áp d ng đ i v i thanh nhiên li u c a lò ph n ng VVERAES2006

ươ ệ ằ b ng ch ng trình tính toán nhiên li u FRAPCON3.5.

ứ ệ ụ 5.Nhi m v nghiên c u

ả ứ ể ể ệ ặ ế ế Tìm hi u công ngh lò ph n ng và đ c đi m thi t k thanh nhiên li u s ệ ử

ả ứ ả ạ ưở ụ d ng trong lò ph n ng h t nhân VVERAES2006; phân tích các nh h ơ ng c

ệ ứ ạ ố ớ ư ệ ặ lý hóa nhi t b c x đ i v i thanh nhiên li u và đánh giá đ c tr ng thi ế ế t k

ệ ệ ề ậ ổ ị ủ c a thanh nhiên li u VVERAES2006 trong đi u ki n v n hành n đ nh.

ươ ứ 6.Ph ng pháp nghiên c u

ươ ồ ứ ơ ở ệ ệ ằ ậ • Ph ậ ng pháp h i c u tài li u: Nh m thu th p tài li u làm c s lý lu n

ứ ệ ậ ộ ồ cho n i dung nghiên c u. Tài li u thu th p g m có:

ể ủ ề ự ế ớ ự ệ ệ ạ Các tài li u v s phát tri n c a lĩnh v c đi n h t nhân trên th gi i, cũng

ư ự ả ế ủ ả ứ ế ệ ạ nh s c i ti n c a các th h lò ph n ng h t nhân;

ủ ẩ ơ ị ượ ử Các quy đ nh và tiêu chu n c a C quan Năng l ng nguyên t qu c t ố ế

Ủ ơ ỳ (IAEA), y ban pháp quy Hoa K (US.NRC), C quan pháp quy Liên Bang Nga

ệ ạ ậ ả ề ệ ả v vi c đ m b o v n hành nhà máy đi n h t nhân;

ả ứ ủ ệ ề ệ ạ Các tài li u v công ngh lò ph n ng h t nhân VVER c a Liên Bang Nga

ư ặ ồ ế ế ủ bao g m VVERAES2006, trong đó có đ c tr ng thi ệ t k c a thanh nhiên li u

TVS2006;

ề ặ ư ệ ệ ề ườ ậ Các tài li u v đ c tr ng v n hành trong đi u ki n bình th ủ ng c a lò

ả ứ ạ ph n ng h t nhân;

ề ặ ủ ứ ệ ả ư Các công trình nghiên c u v đ c tr ng c a thanh nhiên li u trong lò ph n

ứ ạ ng h t nhân;

ủ ệ ươ ề ơ ở Các tài li u v c s tính toán c a ch ệ ng trình tính toán nhiên li u

FRAPCON3.5.

ươ ử ụ ự ươ • Ph ng pháp tr c quan: S d ng ch ệ ng trình tính toán nhiên li u

ủ ư ệ ặ ạ FRAPCON3.5 tính toán các đ c tr ng c a thanh nhiên li u h t nhân VVER

ề ệ ả ậ ổ ị ế AES2006 trong đi u ki n v n hành n đ nh. Phân tích, đánh giá k t qu thu đ ượ c

ậ ẩ ớ và so sánh v i các tiêu chu n v n hành.

ậ ấ 7.C u trúc lu n văn

ậ ầ ồ Lu n văn g m các ph n sau:

ầ ớ ề ề ụ ệ ở ầ : Gi ứ i thi u khái quát v đ tài, m c đích nghiên c u, Ph n m đ u

ụ ứ ệ nhi m v nghiên c u,…

ươ ế ầ ả ồ ứ : G m 4 ch ng Ph n k t qu nghiên c u

ươ ả ứ ạ ng 1: Lò ph n ng h t nhân VVERAES2006 (cid:0) Ch

ươ ư ủ ệ ạ ặ ng 2: Đ c tr ng c a thanh nhiên li u h t nhân (cid:0) Ch

ươ ươ ệ (cid:0) Ch ng 3: Ch ng trình tính toán nhiên li u FRAPCON3.5

ươ ư ệ ặ (cid:0) Ch ng 4: Phân tích đ c tr ng thanh nhiên li u TVS2006

ế ế ầ ị ậ Ph n k t lu n và ki n ngh .

ệ ả Tài li u tham kh o.

ụ ụ Ph l c.

ƯƠ Ả Ứ Ạ CH NG 1 . LÒ PH N NG H T NHÂN VVERAES2006

ả ứ ệ ể ạ 1.1. Quá trình phát tri n công ngh lò ph n ng h t nhân VVER

ử ụ ể ừ ứ Sau 60 năm nghiên c u, khai thác và s d ng k t khi NMĐHN th ươ ng

ạ ầ ượ ư ế ớ ậ m i đ u tiên đ c đ a vào v n hành trên th gi i (Obninsk Liên Xô cũ (1954)),

ể ấ ả ứ ệ ề ạ ạ ớ công ngh lò ph n ng đã phát tri n r t đa d ng và phong phú v i nhi u lo i lò

ả ứ ư ướ ả ứ ự ướ nh lò ph n ng n c áp l c (PWR/VVER), lò ph n ng n c sôi (BWR), lò

ướ ặ ạ ượ ự ọ ả ứ ph n ng n c n ng (PHWR),… Trong đó, lo i lò PWR đ c l a ch n khai thác

ơ ả ổ ế ử ụ s d ng ph bi n h n c .

VVER hay WWER (VodoVodyanoi Energetichesky Reactor, WaterCooled

ả ứ ạ ướ ự ượ WaterModerated Energy Reactor) là lo i lò ph n ng n c áp l c đ c các nhà

ế ế ế ạ ừ ứ ữ ủ thi t k Liên Bang Nga nghiên c u và ch t o t nh ng năm 60 c a th k ế ỷ

ướ ế ệ ượ ế ế tr ả ủ c. Trong các phiên b n c a th h lò VVER đ c thi ấ ứ t k có m c công su t

ệ ừ ử ụ ế ướ ẹ ậ ấ đi n t 300 MWe đ n 1700 MWe, s d ng n ồ c nh là ch t làm ch m và đ ng

ấ ả ờ ự ư ạ ả ứ ướ ự th i là ch t t i nhi ệ ươ t, t ng t nh lo i lò ph n ng n c áp l c PWR. Tuy

ả ủ ữ ặ ả ộ ư nhiên, VVER không ph i là m t phiên b n c a lò PWR do mang nh ng đ c tr ng

ệ ế ế riêng khác bi t trong thi ậ ệ ử ụ t k và v t li u s d ng [18].

ộ ố ặ ư ệ ủ ế ệ M t s đ c tr ng riêng bi t c a th h lò VVER:

ơ ằ ử ụ ả ả ố ư S d ng bình sinh h i n m ngang, đ m b o an toàn t ố ớ i u đ i v i các

ơ ườ ơ ọ ư ự ứ ứ ặ nguy c th ấ ng g p nh s ăn mòn c h c hay n t gãy do ăn mòn ng su t

ủ ố ổ ệ ẫ ớ ữ ộ (SCC),… c a các ng trao đ i nhi t, m t trong nh ng nguyên nhân d n t i tai

ấ ả ệ ấ ạ n n m t ch t t i nhi t (LOCA);

ử ụ ụ ệ ạ ấ ạ S d ng các bó nhiên li u h t nhân có c u trúc d ng l c lăng;

ẫ ở ố Không có các ng d n vào/ra đáy thùng lò;

ạ ớ ử ụ ủ ề ả ả ả ả S d ng bình đi u áp lo i l n, đ m b o kh năng an toàn c a lò ph n

ứ ữ ượ ướ ớ ng do tích tr l ng n c làm mát l n.

ế ệ ầ ượ ự ừ ữ ở Th h lò VVER đ u tiên đ c xây d ng t nh ng năm 1960 Liên Xô cũ.

ả ứ ượ ế ế ế ụ Sau đó, các lò ph n ng VVER440 và VVER1000 đ c thi t k và ti p t c xây

ở ộ ố ướ ả ự d ng Liên Xô cũ và m t s n c Đông Âu khác, trong đó phiên b n VVER

ứ ệ ấ ớ ế ế ổ ế ấ 440/V230 v i m c công su t đi n 440 MWe là thi t k ph bi n nh t. VVER

ơ ằ ử ụ ơ ấ ớ 440/V230 s d ng 6 vòng làm mát s c p v i 6 bình sinh h i n m ngang, v i h ớ ệ

ộ ư ấ ả ế ủ ả ố ộ th ng an toàn có đ d g p đôi. M t phiên b n c i ti n khác c a VVER440 là

ả ầ ạ ẩ ạ ủ VVER440/V213, đây là phiên b n đ u tiên đ t tiêu chu n an toàn h t nhân c a

ế ế ượ các nhà thi t k Liên Bang Nga. VVER440/V213 đ ấ ị ệ ố c trang b h th ng c p

ệ ố ấ ạ ẩ ấ ướ ụ ợ ứ c u vùng ho t kh n c p (ECCS) và h th ng c p n c ph tr (AFS) cũng nh ư

ệ ố ạ ấ nâng c p các h th ng khoanh vùng tai n n.

ế ế ờ Sau năm 1975, các nhà thi ả t k Liên Bang Nga đã cho ra đ i phiên b n

ả ế ể ơ ả ớ ớ ướ VVER1000 v i các c i ti n đáng k h n so v i các phiên b n VVER tr c đó.

ơ ấ ứ ệ ấ ớ VVER1000 đáp ng công su t đi n 1000 MWe v i 4 vòng làm mát s c p có

ượ ớ ệ ố ở ớ ơ ướ ọ ỏ ấ c u trúc đ c bao b c b i l p v nhà lò v i h th ng phun h i n c giúp t ả i

ệ ư ỏ ế ế ả ứ ượ nhi t d cho v nhà lò. Các thi t k lò ph n ng VVER1000 đ ế ự c xây d ng k t

ệ ố ệ ố ủ ộ ữ ể ợ h p gi a các h th ng ki m soát an toàn ch đ ng, các h th ng an toàn th ụ

ệ ố ế ẩ ớ ả ộ đ ng và các h th ng an toàn tòa nhà lò theo liên k t quy chu n v i các lò ph n

ứ ế ệ ủ ạ ộ ướ ươ ng h t nhân thu c th h III c a các n c ph ng Tây.

ả ượ ả ế ế Phiên b n VVER1000/V320 đ c coi là phiên b n thi ẩ ủ t k tiêu chu n c a

ự ệ ệ ế ế ệ ậ công ngh lò VVER1000. D a trên kinh nghi m thi t k , kinh nghi m v n hành

ổ ớ ự ế ệ ừ các t lò VVER1000/V320 này, cùng v i s ti p thu công ngh t ủ lò PWR c a

ớ ủ ứ ả ầ Tây Âu và đáp ng các yêu c u m i c a các văn b n pháp quy Liên Bang Nga

ố ế ư ẩ ế ế ủ cũng nh các quy chu n qu c t , các nhà thi t k c a Liên Bang Nga đã cho ra

ế ế ớ ớ ề ả ề ộ ứ ệ ậ ả ờ đ i các thi t k m i v i nhi u c i thi n v đ tin c y, kh năng đáp ng an toàn

ế ư và tính kinh t nh VVER1000/V428 (AES91) hay VVER1000/V392 (AES

92).

ệ ạ ả ớ Phiên b n VVER1200 (VVERAES2006) hi n t ấ ả ế i đang là c i ti n m i nh t

ế ệ ế ế ứ ứ ệ ấ ủ c a th h VVER. Thi t k VVERAES2006 đáp ng m c công su t đi n 1.200

ệ ố ư ụ ộ ủ ộ ụ ệ ớ MWe v i vi c t i u hóa áp d ng công ngh an toàn ch đ ng và th đ ng.

ể ệ ủ ế ế ả Đi m khác bi ọ t quan tr ng c a thi ự t k VVERAES2006 đó là kh năng th c

ạ ộ ộ ậ ữ ứ ệ ả hi n đ c l p các ch c năng an toàn và kh năng ho t đ ng hài hòa gi a hai h ệ

ụ ộ ố ủ ộ th ng an toàn ch đ ng và th đ ng.

ủ ả ế ế Hai phiên b n khác nhau c a thi t k VVERAES2006 là VVER1200/V

ệ ế ế ệ ế 491 (Vi n thi t k St. Peterburg) [1] và VVER1200/V392M (Vi n thi t k ế

ệ ạ ế ế ượ ầ ư Moscow). Hi n t i, thi t k VVERAES2006 đang đ c đ u t ự xây d ng và

ị ư ẩ ậ ạ chu n b đ a vào v n hành t i ba nhà máy Novovoronezh II, Leningrad II và

ề ấ ạ Baltic (Kaliningrad) (Liên Bang Nga). Ngoài ra, còn r t nhi u nhà máy t i Liên

ư ướ ư ộ ổ ộ ỳ Bang Nga cũng nh các n c khác nh C ng hòa Séc, Th Nhĩ K hay C ng hòa

ự ự ặ ọ ọ ự Belarus,… cũng đã l a ch n ho c đang trong quá trình xem xét l a ch n xây d ng

ế ế theo thi t k này.

ả ứ ế ệ ệ ượ ắ ậ Hi n nay, các th h lò ph n ng VVER đang đ c v n hành, l p ráp xây

ọ ộ ạ ề ố ự ự d ng và xem xét l a ch n r ng rãi t i nhi u qu c gia trên th gi ế ớ ớ ự ả i v i s đ m

ề ặ ố Ấ ư ệ ộ ổ ỳ ả b o v m t công ngh nh Ukraine, Iran, Trung Qu c, n Đ , Th Nhĩ K ,

ệ ả ế ệ Belarus, Bangladesh, Bulgaria và Vi t Nam. Hình 1.1 mô t ể các th h phát tri n

ả ứ ạ lò ph n ng h t nhân VVER.

ả ứ ế ệ ể ạ Hình 1. 1. Các th h phát tri n lò ph n ng h t nhân VVER [22]

ả ứ ể ạ ặ 1.2. Đ c đi m lò ph n ng h t nhân VVERAES2006

ả ứ ả ạ ế ế Lò ph n ng h t nhân VVERAES2006 là phiên b n thi ộ t k thu c th h ế ệ

ượ ự ệ ệ ế ế III+ đ ơ ở c hoàn thi n d a trên c s tích lũy kinh nghi m thi ệ t k , kinh nghi m

ả ứ ở ư ệ ậ v n hành các lò ph n ng VVER1000/V320 Nga, cũng nh kinh nghi m xây

ậ ở Ấ ề ộ ố ố ự d ng, v n hành NMĐHN VVER n Đ , Trung Qu c và nhi u qu c gia khác

ố ớ ặ ế ế ề ệ ả ả ầ (Hình 1.2). Các yêu c u đ t ra đ i v i thi ơ ả t k là đ m b o ba đi u ki n c b n

ả ế ả ậ ớ ộ ụ đó là áp d ng các gi ệ i pháp và cách ti p c n m i; đ m bào đ an toàn và hi u

ả qu kinh t ế .

ả ế ế ủ ả ứ Hai phiên b n thi t k c a lò ph n ng VVERAES2006 là V491 và V392M

ươ ự ủ ạ ặ ớ hoàn toàn t ng t ư nhau và cũng mang các đ c tr ng c a lo i lò VVER v i thi ế t

ơ ằ ụ ệ ế k bình sinh h i n m ngang, bó thanh nhiên li u hình l c lăng (Hình 1.3), ô l ướ i

ạ ạ ể ệ ạ ả n p t i vùng ho t d ng kênh tam giác. Tuy nhiên đi m khác bi ữ ấ t duy nh t gi a

ả ế ế ế ậ ự hai phiên b n thi ề ệ ố t k này đó là d a trên các cách ti p c n khác nhau v h th ng

ả ứ ư ế ả an toàn lò ph n ng. N u nh trong phiên b n VVERAES2006/V392M t ố ư i u

ề ệ ố ụ ộ ự ụ ằ ả ộ ỗ ơ h n v h th ng an toàn th đ ng nh m gi m s ph thu c vào l i do con

ườ ả ạ ố ư ơ ng i thì phiên b n VVERAES2006/V491 l ề ệ ố i u h n v h th ng an toàn i t

ủ ộ ớ ủ ộ ủ ả ch đ ng khi có t ớ i 4 kênh an toàn ch đ ng so v i 2 kênh c a phiên b n VVER

AES2006/V392M.

ả ứ ủ ầ ồ Các thành ph n chính c a lò ph n ng VVERAES2006 [18] bao g m:

ả ứ Lò ph n ng;

ệ ố ơ ấ ầ H th ng tu n hoàn vòng s c p;

ệ ố ơ ấ ề ấ ằ H th ng cân b ng áp su t vòng s c p và bình đi u áp;

ệ ố ề ậ ấ ả ồ ộ ế ơ ấ H th ng c p/x vòng s c p, bao g m b ph n đi u ti t axit boric;

ườ ấ ướ ườ ơ ấ ẫ ơ ệ ố H th ng đ ng c p n c và đ ng d n h i vòng s c p;

ệ ố ể ả ệ H th ng ki m soát và b o v ;

ệ ố H th ng an toàn.

ộ ố ặ ể ả ế ế ủ ả ứ ạ B ng 1.1 trình bày m t s đ c đi m thi t k c a lò ph n ng h t nhân

VVERAES2006.

ả ộ ố ố ế ế ả ứ ạ B ng 1. 1. M t s thông s thi t k lò ph n ng h t nhân VVERAES2006 [22]

STT Thông số Giá trị

ấ ệ 1 Công su t nhi t, MWt 3.200

ệ ổ 2 ấ Công su t đi n t lò, MWe 1.198,8

ả ứ ọ ổ 3 Tu i th lò ph n ng, năm 60

ộ 4 ả ụ Đ kh d ng, % 0,92

ố 5 ầ S vòng tu n hoàn, vòng 4

ơ ấ ấ 6 Áp su t vòng s c p, MPa 16,2

ệ ộ ấ ố 7 Nhi t đ ch t làm mát l i vào, 298,6

ệ ộ ấ ố 8 Nhi t đ ch t làm mát l i ra, 329,7

3/h

ư ượ ấ L u l ng ch t làm mát, m 85.600±2.900 9

ấ ơ 10 Công su t 1 bình sinh h i, t/h 1.602+112

11 ấ ơ Áp su t h i, MPa 7,0

12 Nhi ệ ộ ướ ấ oC c c p, t đ n 225±5

ạ ủ ả ứ ạ ồ Vùng ho t c a lò ph n ng h t nhân VVERAES2006 g m 163 bó thanh

ớ ụ ủ ệ ể ả ấ ố ệ nhiên li u và có t ệ i 121 thanh h p th c a h th ng b o v và ki m soát

ệ ả ượ ư ấ (CPSAR) (B ng 1.2). Các bó thanh nhiên li u đ c đ a vào trong c u trúc vùng

ạ ầ ho t theo các yêu c u đáp ng ứ [14] [21]:

ấ ệ ủ ạ ị Công su t nhi t danh đ nh c a vùng ho t 3.200 MWt;

ệ ậ ả ỳ Chu k thay đ o nhiên li u v n hành 12 tháng.

ệ ế ế ủ ả ứ ự Chu trình nhiên li u thi t k c a lò ph n ng VVERAES2006 d a trên các

ầ yêu c u thi ế ế t k :

ệ ấ ấ ị ệ Công su t đi n danh đ nh 1.200 MW (công su t nhi t 3.200 MWt);

ệ ả ớ ỳ Tăng chu trình nhiên li u 4 năm v i chu k thay đ o 12 tháng;

235 (4,95±0,05%);

ệ ự ạ ộ ớ Tăng đ làm giàu nhiên li u c c đ i lên t i 5% U

ộ ệ ụ ệ ố ứ ủ ệ ả ờ Th i gian đáp ng và đ hi u d ng c a các h th ng b o v kh n c p đ ẩ ấ ủ

ả ụ ể ư ạ ạ ướ ớ ạ ạ kh d ng đ đ a vùng ho t vào tr ng thái d i h n và duy trì tr ng thái này i t

oC mà không c n b m dung d ch ch a ứ ơ

ộ ớ ố ầ ị trong su t quá trình làm ngu i t i 100

boron;

ả ậ ứ ệ ệ ế Đáp ng chu trình nhiên li u hi u qu v n hành và tính kinh t ớ so v i các

ươ ạ ủ ướ ả ứ lò ph n ng th ng m i c a n c ngoài.

ả ủ ạ ố B ng 1. 2. Các thông s chính c a vùng ho t VVERAES2006 [1] [17]

ể ặ Đ c đi m Giá trị

ệ ố ạ S bó thanh nhiên li u (FA) trong vùng ho t 163

ụ ệ ấ ố ứ S bó thanh nhiên li u ch a thanh h p th CPSAR 121

ấ ệ Công su t nhi ị t (danh đ nh), MWt 3.200

ấ ấ Áp su t ch t làm mát ở ố l i ra, MPa 16,2±0.3

oС

ệ ộ ấ Nhi t đ ch t làm mát ở ố l i vào, 298,2+2

oС

ệ ộ ấ Nhi t đ ch t làm mát ở ố l i ra, 328,9±5

ữ ệ ả Kho ng cách gi a các bó thanh nhiên li u, m 0,236

3/hr

ư ượ ấ ạ L u l ng ch t làm mát (t i nhi ệ ộ ố t đ l i vào), m 83.420±2.900

ế ủ ộ ệ ạ Ti t di n th y đ ng vùng ho t, m 4,14

ệ ở ạ ề ạ ộ Chi u cao c t nhiên li u ( tr ng thái l nh), m 3,73

ờ ạ ớ ỳ ng FA trong vùng ho t v i chu k thay 34

ườ ỳ Th i gian thông th ả đ o hàng năm, chu k

ờ ố ở ạ Th i gian cho phép t i đa FA trong vùng ho t, EFPD 49.000

ờ ạ ộ ạ ủ ữ ụ ự 8.400

ố ớ ệ ỳ ệ ả ầ Th i gian ho t đ ng hi u d ng c c đ i c a FA gi a các l n thay đ o (đ i v i chu k nhiên li u 12 tháng), EFPD

ơ ủ ệ ậ ờ Th i gian r i c a CPSAR sau tín hi u d p lò scram, s 1,24,0

ế ộ ể ố ộ T c đ CPSAR trong ch đ ki m soát, m/s 0,02

ổ ợ ế ị ơ ấ Hình 1. 2. Mô hình t h p thi ả ứ t b vòng s c p lò ph n ng VVERAES2006 [22]

ệ ạ ả ứ Hình 1. 3. Bó thanh nhiên li u lò ph n ng h t nhân VVERAES2006 [12]

ƯƠ Ệ Ạ Ư Ủ Ặ CH NG 2. Đ C TR NG C A THANH NHIÊN LI U H T NHÂN

ể ặ ế ế ủ ệ ạ 2.1. Đ c đi m thi t k c a thanh nhiên li u h t nhân [9] [15] [16]

ự ế ế ệ ầ ạ ẫ D a trên thi ủ t k nguyên m u ban đ u c a thanh nhiên li u h t nhân s ử

ả ứ ướ ự ủ ầ ạ ụ d ng trong lò ph n ng n ố ệ c áp l c c a nhà máy đi n h t nhân đ u tiên, kh i

ướ ứ ỳ ỉ ướ ậ ả các n c Hoa K , Pháp, B , Đ c, Nga,… và sau đó là các n c Nh t B n, Hàn

ể ố ế ế ủ ữ ứ ể ớ Qu c đã phát tri n các thi ặ t k c a mình v i nh ng đ c đi m riêng đáp ng theo

ầ ụ ể ầ ấ ạ ậ ề ơ ả các yêu c u c th trong v n hành. V c b n thì hình d ng, thành ph n c u trúc

ệ ử ụ ả ứ ướ ự ủ ủ c a thanh nhiên li u s d ng trong lò ph n ng n c áp l c c a các thi ế ế t k là

ư ụ ệ ạ ố ệ nh nhau. Trong đó, thanh nhiên li u có d ng hình tr , các viên g m nhiên li u

235U)

ượ ồ ị ở ứ ấ UO2/UO2Gd2O3 đ c làm giàu đ ng v ( ố ạ m c th p và n p vào trong ng

ợ ượ ạ ầ ố ỏ ọ ằ v b c b ng h p kim zirconi, sau khi khí heli đ c n p vào thì hai đ u ng đ ượ c

ậ ằ ổ ộ ị ỉ ộ hàn kín. Bên trong thanh có b ph n lò xo b ng thép không g giúp n đ nh c t

ạ ả ệ ể ặ ậ nhiên li u trong quá trình v n chuy n ho c n p t ạ i vào vùng ho t. Tuy nhiên,

ệ ạ ượ ắ ạ ả ướ theo hình d ng bó thanh nhiên li u đ ấ c l p ráp và c u trúc n p t i ô l i nhiên

ể ạ ệ ạ ế ế ủ ệ ạ li u trong vùng ho t, có th t m chia thi t k c a thanh nhiên li u h t nhân

ướ ệ ế ế ủ ỳ thành 2 xu h ng đó là: Thanh nhiên li u theo thi t k c a Hoa K Châu Âu

ồ ướ ậ ả ỉ ứ ố ỳ (PWR) bao g m các n c Hoa K , Pháp, B , Đ c, Nh t B n, Hàn Qu c và thanh

ế ế ủ ệ nhiên li u theo thi t k c a Liên Bang Nga (VVER).

ố ớ ệ ố ệ ế ế ủ ỳ Đ i v i h th ng nhiên li u theo thi ể t k c a Hoa K Châu Âu thì đi m

ủ ố ướ ệ ượ ắ chung c a kh i các n c này đó là các thanh nhiên li u đ c l p ráp thành bó

ạ ướ ặ ộ thanh có d ng h p vuông kích th c 14x14, 15x15, 16x16 ho c 17x17 thanh và

ạ ả ướ ự ệ ạ ạ ấ c u trúc n p t i ô l i nhiên li u trong vùng ho t theo d ng kênh vuông. S khác

ệ ủ ế ế ế ổ ề ướ ủ ừ bi t ch y u trong các thi t k đó là các thay đ i v kích th c c a t ng b ộ

ậ ệ ử ụ ậ ấ ạ ư ợ ỏ ọ ệ ph n c u t o và v t li u s d ng làm v b c nhiên li u nh h p kim M5 (Pháp),

ề ả ố ạ ậ Zirlo (Hàn Qu c), Zircaloy4 (Pháp, Nh t B n),… Tuy nhiên, đây đ u là các lo i

ợ ớ ượ ố ầ ủ ậ ệ v t li u h p kim c a zirconi v i hàm l ng các nguyên t thành ph n khác nhau

ằ ườ ộ ố ơ ệ ể ứ ậ ầ nh m tăng c ng m t s c tính riêng bi t đ đáp ng các yêu c u v n hành.

ả ế ế ệ ạ Hình 2.1, Hình 2.2 mô t thi t k thanh và bó thanh nhiên li u h t nhân theo

ế ế ủ ỳ thi t k c a Hoa K Châu Âu [9] [15].

ệ ế ế ủ ỳ Hình 2. 1. Thanh nhiên li u theo thi t k c a Hoa K Châu Âu (KSPNHàn

Qu c)ố

ệ ế ế ủ ỳ Hình 2. 2. Bó thanh nhiên li u theo thi t k c a Hoa K Châu Âu (Westinghouse)

ươ ự ư ệ ế ế ủ T ng t ạ nh thanh nhiên li u h t nhân PWR theo các thi t k c a Hoa

ủ ệ ầ ạ ạ ỳ K Châu Âu thì hình d ng, thành ph n c a thanh nhiên li u trong các lo i lò

ả ứ ủ ph n ng VVER (VVER/440, VVER1000, VVER1200) c a Liên Bang Nga là

ư ệ ổ ề ủ ế ự ướ nh nhau . Trong đó, các khác bi t ch y u là s thay đ i v kích th ấ c trong c u

ạ ả ụ ấ ạ ướ ệ trúc bó thanh d ng l c lăng và c u trúc n p t i ô l ạ i nhiên li u trong vùng ho t

ầ ụ ể ủ ạ ộ ế ế theo d ng kênh tam giác. Tùy thu c vào yêu c u c th c a thi ả ứ t k lò ph n ng

ố ụ ể ủ ứ ệ ấ ỳ (m c công su t, chu k nhiên li u,…) mà các thông s c th c a thanh nhiên

ả ứ ệ ể li u trong các lò ph n ng VVER có th khác nhau.

ế ế ả ế ệ ể ườ ả Trong các thi t k c i ti n nhiên li u, đ tăng c ậ ng kh năng an toàn v n

ế ế ử ụ ư ệ hành, các nhà thi ầ t k đã đ a vào s d ng các thanh nhiên li u có thành ph n

ệ ợ ỗ ệ ế ộ nhiên li u là h n h p UO ẫ 2Gd2O3. Do đ làm giàu nhiên li u tăng đ n ~5% d n

ả ứ ả ứ ể ệ ề ạ ộ ế đ n đ ph n ng trong vùng ho t cao làm cho vi c đi u khi n lò ph n ng trong

155, Gd157) là ch tấ

ỳ ầ ườ ứ ạ ấ các chu k đ u th ng r t khó khăn và ph c t p. Gadolini (Gd

ụ ơ ủ ả ạ ạ ấ h p th n tron m nh, có kh năng cháy và phân h y ngay trong vùng ho t, vì

2Gd2O3 có vai trò gi

ệ ữ ộ ự ữ ậ v y các thanh nhiên li u UO ả ứ đ ph n ng d tr ầ ban đ u

ổ ở ộ ờ ả ả ứ ủ ệ ồ ị n đ nh trong quá trình kh i đ ng c a lò ph n ng, đ ng th i c i thi n phân b ố

ậ ộ ấ ủ ạ m t đ công su t c a vùng ho t.

ừ ộ ậ ượ ằ ạ Ngo i tr ệ b ph n đ m lò xo đ ầ c làm b ng thép 08X18H10T, các đ u

ỏ ọ ề ệ ố ượ ằ ợ ắ n p và ng v b c nhiên li u đ u đ c làm b ng h p kim zirconi E110 (Zr

ơ ọ ề ặ ợ ữ ạ ậ ệ 1%Nb). H p kim zirconi E110 là lo i v t li u có các đ c tính c h c b n v ng,

ế ụ ơ ệ ấ ệ ấ ấ ả ị ti t di n h p th n tron nhi ề t r t th p và kh năng ít b ăn mòn trong các đi u

ạ ủ ệ ế ườ ả ứ ki n chi u x c a môi tr ng lò ph n ng.

ả ặ ủ ể ạ Hình 2.3 mô t ẩ ử ụ ệ đ c đi m c a thanh nhiên li u h t nhân tiêu chu n s d ng

ả ứ trong lò ph n ng VVER1000 [15].

ả ứ ệ ẩ ử ụ Hình 2. 3. Thanh nhiên li u tiêu chu n s d ng trong lò ph n ng VVER1000

ứ ạ ố ớ ư ệ ặ 2.2. Đ c tr ng b c x đ i v i thanh nhiên li u [13] [16]

ể ấ ằ ồ ấ ả ứ ạ ạ Có th th y r ng, ạ ộ lò ph n ng h t nhân là m t ngu n r t m nh các lo i

ượ ươ ỏ ọ ệ ớ ứ ạ b c x năng l ng cao. Khi t ệ ng tác v i nhiên li u và v b c thanh nhiên li u,

ơ ọ ủ ấ ậ ạ ổ ọ ậ ệ ứ b c x làm thay đ i các tính ch t v t lý, hóa h c và c h c c a nhiên v t li u,

ả ưở ấ ớ ộ ề ữ ứ ế ồ ệ ủ nh h ng r t l n đ n đ b n v ng và ch c năng ngu n nhi ệ t c a nhiên li u.

Ả ưở ạ ớ ủ ệ ợ nh h ứ ng b c x t ả i zirconi và h p kim c a nó x y ra trên bình di n vĩ mô là

ơ ọ ủ ậ ệ ư ặ ổ ướ ả ưở ủ ơ ự s thay đ i các đ c tr ng c h c c a v t li u này d i nh h ng c a n tron

ớ ự ấ ậ ệ ở ự ụ ế ủ nhanh và b i s giòn hóa v t li u, có liên quan v i s h p th hydro và k t t a

zirconi hydrua.

ứ ạ ổ ượ ấ ộ ồ Các b c x có ph năng l ng r t r ng, trong đó bao g m:

ế ơ ầ ừ ạ ượ ừ H u h t n tron phát ra t quá trình phân h ch có năng l ng t 0,5 2

ơ ệ ượ ả ượ ơ MeV. Các n tron nhi t có năng l ng kho ng 0,03 eV. Thông l ạ ng n tron đ t

15 n/cm2.s;

i 10ớ t

γ ượ ộ ứ ạ ườ ả Năng l ủ ứ ạ ng c a b c x ể ạ kho ng 1 MeV. C ng đ b c x có th đ t

13 photon/cm2.s.

i 10ớ t

ươ ủ ứ ạ ớ ậ ạ ứ ạ ơ ứ ạ ấ ấ ỗ T ng tác c a b c x v i v t ch t r t ph c t p. M i lo i b c x (n tron

α β γ ơ ệ ể ạ ả ặ nhanh và n tron nhi ứ ạ t, b c x , , , các m nh phân h ch) có đ c đi m riêng và

ạ ậ ệ ẽ ế ổ ỗ ướ ụ m i lo i v t li u s bi n đ i khác nhau d ủ ứ ạ i tác d ng c a b c x .

ế ẫ ớ ự ấ ậ ệ ơ ổ ướ ứ ụ C ch d n t i s thay đ i các tính ch t v t li u d i tác d ng b c x ạ

ả ứ trong lò ph n ng là:

ạ ả ươ ớ ậ ệ ệ a. Các m nh phân h ch t ng tác v i v t li u nhiên li u. Do kích th ướ c

ố ượ ủ ạ ớ ừ ả ạ ỡ và kh i l ng l n, nên quãng ch y c a các ion t m nh v phân h ch trong

ệ ắ ưở ủ ừ ả nhiên li u ng n (kho ng 6 10 μm trong UO ả 2), nh h ng c a các ion t các

ặ ả ủ ế ễ ạ ẩ ả ạ ố m nh phân h ch ho c s n ph m phân h ch di n ra ch y u trong kh i nhiên

ệ ắ li u r n, th hi n ể ệ ở :

ạ ử ạ ạ ị ớ Va ch m v i các nguyên t nút m ng làm ion hóa và xô d ch m ng l ướ i

tinh th UOể

ớ ủ ể ạ ả ộ ạ Đ ng năng l n c a các m nh phân h ch nhanh chóng chuy n thành d ng

9 s).

ệ ả nhi t (trong kho ng 10

2 d n t

ệ ủ ấ ẫ ớ ự ố ệ ộ ộ ẫ Do đ d n nhi t th p c a UO i s phân b nhi ồ t đ không đ ng

ệ ượ ệ ấ ổ ổ ề đ u, gây ra hi n t ậ ộ ng tái c u trúc, thay đ i m t đ nhiên li u (do thay đ i kích

ướ ặ ấ ỗ ố ạ ổ ướ ạ ấ th c ho c làm m t các l x p), thay đ i hình d ng và kích th ệ c h t, xu t hi n

ế ứ ạ ươ ơ ọ ữ ọ các v t n t, thoát khí phân h ch, gia tăng t ng tác hóa h c và c h c gi a nhiên

ỏ ọ ữ ệ ễ ế ặ ệ ệ ọ li u v b c. Nh ng di n bi n này đ c bi ố ớ t quan tr ng đ i v i nhiên li u đ ộ

cháy cao.

ạ ơ ớ ử ạ ướ ể ươ b. N tron va ch m v i các nguyên t m ng l i tinh th . T ng tác này

ạ ơ ừ ị ả ớ ả ơ ưở ọ ả x y ra t i kho ng cách l n h n t v trí n tron sinh ra, nh h ng quan tr ng t ớ i

ấ ượ ậ ệ ấ ậ ệ ệ ạ ỏ ch t l ng v t li u v thanh nhiên li u, v t li u c u trúc vùng ho t và t ớ ả ậ i c v t

ả ứ ệ li u thùng lò ph n ng.

ủ ạ ả ả ụ c. Quá trình ion hóa x y ra do tác d ng c a các m nh phân h ch, b c x ,α ứ ạ

ệ ượ ữ ộ β γ , . Nh ng tác đ ng này gây ra hi n t ỏ ậ ệ ắ ng rão m i v t li u r n và hi n t ệ ượ ng

ạ ướ ủ ả ứ ấ ớ phân h y phóng x n ậ c v i vai trò là ch t làm ch m và làm mát lò ph n ng,

ưở ụ ế ấ ẫ ớ d n t ữ ả i nh ng nh h ng gián ti p thông qua quá trình ăn mòn, h p th hydro và

ấ ế ủ ớ ạ k t t a l p t p ch t ăn mòn ( ố ớ Chalk River Unidentified Deposits CRUD) đ i v i

ạ ỏ ọ kim lo i v b c.

ả ứ ễ ế ạ ọ ồ ả ứ ố ủ Vì ph n ng phân h ch là ngu n g c c a m i di n bi n trong lò ph n ng

ủ ứ ạ ớ ậ ệ ả ộ ưở ạ h t nhân, nên tác đ ng c a b c x t i v t li u là nh h ng bao trùm, là nguyên

ự ủ ế ệ ế ặ ố ệ ộ ấ nhân tr c ti p ho c gián ti p c a các m i quan h khác (nhi t đ , áp su t, hóa

ơ ọ ả ưở ớ ứ ệ ạ ọ h c, c h c) làm nh h ng t i ch c năng nhiên li u h t nhân.

ướ ụ ủ ứ ạ ượ ỏ ọ Nhìn chung, d i tác d ng c a b c x năng l ợ ng cao, trong v b c h p

ư ạ ứ ư ạ ụ ế ạ ạ ạ kim có t o thành hai d ng h h i b c x chính đó là h h i do thi u h t (các

ỗ ố ụ ệ ế ệ ạ ạ ạ ỗ ố ố vùng tr ng, các l ụ tr ng, l ch m ng thi u h t, c m l ch m ng d ng l tr ng)

ư ừ ư ạ ặ ử ạ ướ ể ho c h h i do d th a nguyên t m ng l i tinh th (các nguyên t ử ậ ệ v t li u

ụ ệ ể ạ ạ xen m ng, c m l ch m ng ki u chèn) (Hình 2.4):

ỗ ố ử ạ ử ạ ấ ạ Các l tr ng, nguyên t xen m ng, nguyên t t p ch t t o ra trong quá

ể ạ trình chuy n hóa h t nhân;

ố ệ ự ứ ử ạ Các h nhi t là khu v c có ch a các nguyên t có tr ng thái năng l ượ ng

cao;

ố ị ử ự ử ị ể Các h chuy n d ch nguyên t ứ : Khu v c ch a các nguyên t ể d ch chuy n,

ử ạ ặ ở ử ị ỗ ố l tr ng nguyên t ạ xen m ng (c p Frenkel), t o thành b i các nguyên t d ch

ể ơ ấ ứ ấ ặ chuy n s c p ho c th c p;

ế ụ ự ử ậ ỗ ố Khu v c thi u h t (nguyên t ): Vùng t p trung các l tr ng;

ặ ố ộ ử ạ ướ ớ Vùng tr ng: Vùng r ng l n không có m t nguyên t m ng l i;

ố ượ ổ ố ị ượ ổ ị Vùng tr ng đ c n đ nh hóa: Các vùng tr ng đ ấ ằ c n đ nh b ng khí l p

10B + 1n

α γ ư ạ ừ ả ứ ủ ầ đ y nh He t o thành t các ph n ng (n, ), (n, ) c a B, Ni, Fe …

→ 7Li + 4He (2.1)

58Ni(n, )γ 59Ni; 59Ni(n, )α 56Ni (2.2)

ế ậ ạ ướ ấ ậ ệ ổ Hình 2. 4. Các khuy t t t trong m ng l i làm thay đ i tính ch t v t li u [13]

ơ ặ ệ ố ớ ệ ư 2.3. Đ c tr ng c nhi t đ i v i thanh nhiên li u

ự ố ệ ộ ệ 2.3.1. S phân b nhi t đ trong thanh nhiên li u [7]

ộ ượ ậ ớ ượ Trong quá trình v n hành m t l ng l n năng l ệ ng phát ra trong nhiên li u

ấ ả ề ệ ả ế ượ ộ ơ và truy n cho ch t t i nhi t. Gi thi t năng l ng phát ra trong m t đ n v th ị ể

ệ ệ ằ ớ ệ ố tích nhiên li u là h ng s và thanh nhiên li u dài t ứ ộ ẫ i m c đ d n nhi ề t theo chi u

3) theo

ượ ỏ ố ệ ộ ể dài đ c b qua, phân b nhi t đ có th tính đ ượ ừ c t ấ công su t (p, W/m

ươ ph ng trình sau:

2 – r2).(4.kf)1

T(r) = T(rf) + p.(rf (2.3)

ạ Trong đó, T(r) là nhi ệ ộ oC) t t đ ( ệ i bán kính r (m) bên trong thanh nhiên li u,

f là bán kính ngoài viên g m (m) và k

ệ ộ ạ ề ặ ố T(rf) là nhi i b m t viên, r t đ t ộ ẫ f là đ d n

1K1).

ệ ệ nhi t bên trong viên nhiên li u (W.m

ệ ộ ở ữ ệ ỏ ệ Chênh l ch nhi t đ qua khe h gi a viên nhiên li u và v thanh:

ΔTgap = p.rf.(ri – rf).(2.kg)1 – p.rf.(2.αg)1 (2.4)

i là

ệ ệ ộ ỏ ọ ệ ở Trong đó ΔTgap là chênh l ch nhi t đ qua khe h nhiên li u v b c, r

1K1) và αg là hệ

ủ ỏ ệ bán kính trong c a v thanh (m), k ộ ẫ g là đ d n nhi ở t khe h (W.m

2K1).

ệ ề ố s truy n nhi t qua khe (W.m

ườ ỏ ợ ỏ Tr ng h p v thanh m ng:

2(rcri).(2.ri.kc)1

ΔTcan = p.rf (2.5)

ệ ệ ộ ề Trong đó ΔTcan là chênh l ch nhi t đ qua chi u dày v b c ( ỏ ọ oC), rc là bán

1).

ủ ỏ ệ ậ ệ ỏ ọ kính ngoài c a v thanh (m), và k ộ ẫ c là đ d n nhi t trong v t li u v b c (W.m

ữ ề ặ ấ ả ệ Gi a b m t thanh và ch t t i nhi t:

2(2.rch)1

ΔTo = p.rf (2.6)

ệ ệ ộ ữ ề ặ ủ ỏ ọ Trong đó, ΔTo là chênh l ch nhi ấ t đ gi a b m t ngoài c a v b c và ch t

ệ ố ề ệ ủ ề ặ ữ ỏ ả t i nhi ệ oC) và h là h s truy n nhi t ( t c a màng b m t gi a v và ch t t ấ ả i

2K1). H s màng ph thu c vào t c đ dòng ch y qua b m t, ặ

ệ ệ ố ụ ề ả ộ ố ộ nhi t (Wm

ệ ộ ỏ ự ụ ộ gradien nhi ờ t đ và ph thu c vào quá trình d i kh i s sôi nhân (DNB) trong lò

ả ứ ph n ng.

ố ớ ả ứ ệ ạ ả Đ i v i thanh nhiên li u VVER 1000: Khi ph n ng phân h ch urani x y

ệ ộ ể ủ ệ ỏ ố ra thì nhi ề t năng t a ra trong toàn b th tích c a viên g m nhiên li u và truy n

ề ặ ủ ệ ạ ủ ẽ ố ế đ n b m t c a thanh nhiên li u, t i tâm c a viên g m s có nhi ệ ộ ự ạ t đ c c đ i.

normal) thì nhi

ậ ấ ớ ị ệ ộ Khi v n hành v i công su t danh đ nh (100% P t đ trung bình trong

oC 1.600 oC, còn trên b m t c a ề ặ ủ

ả ố ệ tâm viên g m nhiên li u vào kho ng 1.500

oC. Có th th y đ

ầ ố ể ấ ượ ự ệ ệ ộ ấ ớ ả viên g m kho ng g n 470 c s chênh l ch nhi t đ r t l n –

oC trong kho ng cách bán kính viên g m nhiên li u (3,8 mm). Do

ả ệ ả ố kho ng 1.200

ầ ớ ứ ệ ể ể ố đó, c n tính toán t i th tích vùng tr ng trong thanh nhiên li u đ đáp ng l ạ i

ả ướ ủ ệ ố ở ệ kh năng tăng kích th c c a viên g m nhiên li u do giãn n nhi t.

ứ ệ ấ ậ ớ ị Khi v n hành v i công su t danh đ nh thì m c chênh l ch nhi ệ ộ ữ t đ gi a

oC, còn trong

ỏ ọ ứ ả ố viên g m và thành v b c (khe ch a khí) trung bình kho ng 100

oC.

ủ ớ ỏ ọ ỏ ọ ữ ề ả ặ ặ kho ng gi a m t trong và m t ngoài c a l p v b c (chi u dày v b c) là 23

oC.

ệ ộ ặ ủ ệ ả Khi đó, nhi t đ m t ngoài c a thanh nhiên li u kho ng 350

ố ệ ộ ữ ấ Hình 2. 5. Phân b nhi ệ t đ gi a nhiên li u và ch t làm mát

ụ ấ ộ ệ ế ph thu c công su t nhi t tuy n tính [19]

2 t

ệ ộ ự ạ ề ặ ủ ố ươ Nhi t đ c c đ i trong tâm và trên b m t c a viên g m UO ứ ng ng là

1.940 oC và 900 oC.

ệ ở ữ ệ ấ ồ Nhi t tr gi a thanh nhiên li u và ch t làm mát bao g m: Nhi ệ ở ủ ả t tr c a b n

ệ ệ ở ủ ệ ả ớ ỏ ố thân nhiên li u, nhi ữ t tr c a kho ng tr ng gi a nhiên li u và l p v , nhi ệ ở t tr

ỏ ệ ở ủ ệ ấ ộ ủ ớ c a l p v và nhi ả ứ t tr c a ch t làm ngu i. Trong thanh nhiên li u lò ph n ng

2 là l n nh t, sau đó là nhi

ệ ở ủ ệ ấ ớ ạ h t nhân LWR, nhi t tr c a nhiên li u UO ệ ở ủ t tr c a

ữ ệ ả ố ớ ỏ kho ng tr ng gi a nhiên li u và l p v .

Ở ề ệ ườ ở ữ ệ ỏ ớ ế ệ đi u ki n th ng thì khe h gi a nhiên li u và l p v có ti t di n vành

ượ ấ ệ ầ ở khuyên và đ c l p đ y b i khí (heli). Khi thanh nhiên li u cháy, trong khe h ở

ộ ố ả ạ ẩ ổ ượ đ ệ c b sung thêm m t s s n ph m phân h ch khí (xenon, krypton). Nhiên li u

ở ế ớ ự ở ồ ổ ở ệ ủ ệ ph ng n làm cho khe h bi n đ i, cùng v i s giãn n vì nhi t c a nhiên li u và

ỏ ự ế ữ ệ ỏ ọ ẽ ẫ ớ ế v b c s d n t ả ớ i ti p xúc gi a nhiên li u và l p v . S ti p xúc này làm gi m

ệ ở ủ ệ ở nhi t tr c a khe h trong quá trình cháy nhiên li u.

ổ ấ ự ố ệ 2.3.2. S thay đ i c u trúc viên g m nhiên li u [8] [19]

ệ ạ ả ứ ạ ệ Ph n ng phân chia h t nhân trong nhiên li u t o ra nhi ả t; các m nh phân

ạ ứ ế ố ạ ơ ạ h ch; n tron, tia gamma và các lo i b c x khác. Ba y u t ổ này làm thay đ i

ệ ể ầ ờ ớ thanh nhiên li u so v i th i đi m ban đ u.

2 và (U,Pu)O2

ố ộ ệ ớ ộ ẫ ệ ủ ố T c đ sinh nhi t l n trong khi đ d n nhi t c a viên g m UO

ấ ệ ộ ướ ị ố ấ ớ ố ườ th p, làm gradien nhi t đ theo h ng tâm viên g m có tr s r t l n, th ng t ừ

ề ặ ừ ố 2.000 4.000 oC/cm. T tâm viên g m đ n b m t viên hình thành các khu v c ự ế

oC; vùng t

oC đ n 1.600

oC;

ệ ộ ừ ế nhi t đ khác nhau (Hình 2.6): Vùng >1.600 1.300

oC đ n kho ng 1.300 ả

oC và vùng <1.100 oC. H u qu là ng su t ấ

ừ ế ứ ả ậ vùng t 1.100

ệ ụ ộ ạ ứ ẻ ự ớ ụ ồ ỗ nhi ở t c c b t o ra n t n , ph ng n và áp l c l n tác d ng trên các l ế thiêu k t

ể ị ượ ớ ệ ộ ạ ỗ ố làm chúng chuy n d ch ng c v i gradien nhi t đ , t o thành l tr ng trung tâm

ậ ệ ổ ấ và làm thay đ i c u trúc v t li u.

ỗ ố ỏ ườ ị ấ ả ộ Các l x p nh (đ ng kính <1 μm) b m t đi trong kho ng m t vài gi ờ

ế ự ế ấ ủ ỗ ướ ỏ ơ ạ ầ chi u x đ u tiên. S bi n m t c a các l có kích th c nh h n 1 μm là do

ườ ủ ặ ạ ả ỡ ươ t ng tác trên đ ự ng đi c a các m nh v quá trình phân h ch ho c do s di

ể ủ ấ ỗ chuy n c a các nguyên t ử ươ t ng tác l p vào các l ỏ nh này.

ậ ộ ế ệ ả ổ ậ Trong kho ng 20 2.000 MWd/tU, m t đ nhiên li u bi n đ i theo quy lu t

ρ ộ Δ = mlog(đ cháy) + b (2.7)

Trong đó: 0 = mlog(20) + b và Δρmax = mlog(2000) + b.

ễ ả ờ Ngoài ra quá trình ép nóng (hot pressing) di n ra trong kho ng 200 gi ạ ho t

ạ ả ưở ơ ớ ỗ ố ớ ấ ỗ ố ầ ộ đ ng đ u tiên l i nh h ng rõ h n t i các l x p l n (làm m t đi các l x p do

ệ ừ ề ặ ủ ỗ ố ế ủ ơ quá trình bay h i nhiên li u t b m t nóng c a l ề ặ x p và k t t a phía b m t

ộ ơ ẫ ớ ạ ả ố ố ngu i h n), d n t i t o thành kho ng tr ng phía trung tâm viên g m. Hai quá

ậ ộ ậ ệ ệ ớ ổ ả ị trình trên làm thay đ i m t đ v t li u nhiên li u t ậ i giá tr kho ng 98 99% m t

ả ứ ế ơ ệ ề ể ả ộ ộ đ lý thuy t, trong lò ph n ng n tron nhi t có th làm gi m chi u cao c t nhiên

ệ ớ ặ ớ ề ả ơ ổ ớ li u t i 7,5 cm ho c l n h n (so v i chi u cao t ng kho ng 3,66 m).

ậ ộ ự ề ệ ả ả ệ S tăng m t đ nhiên li u làm gi m kh năng truy n nhi t và tăng công

ấ ệ ẫ ớ ế ệ ộ ạ ỉ ấ ụ su t sinh nhi t tuy n tính viên nhiên li u, d n t i công su t c c b đ t đ nh và

ượ ụ ệ tăng năng l ng tích t trong các thanh nhiên li u.

ậ ộ ậ ệ ơ ế ớ ự ệ ộ Cùng v i s tăng m t đ v t li u nhiên li u theo c ch trên, m t quá trình

ứ ấ ạ ở ồ ệ ạ ả ẩ ứ ph ng n và r n n t (do ng su t nhi ộ t, do s n ph m phân h ch và do tác đ ng

ậ ệ ạ ẩ ề ố ứ ạ ớ ấ b c x t i c u trúc v t li u) l ộ ệ i đ y viên g m nhiên li u theo chi u giãn dài c t

ẫ ớ ẻ ế ạ ả và tăng bán kính. C hai quá trình trên d n t i b cong và bi n d ng thanh nhiên

ệ li u (Hình 2.7, 2.8 và Hình 2.9).

ầ ủ ế ạ ấ ố ồ Vi c u trúc ban đ u c a viên g m thiêu k t (bao g m các h t ch a l ứ ỗ ố x p

ươ ổ ấ ờ ộ có kích th ướ ươ c t ng đ ng) thay đ i r t nhanh theo th i gian và đ cháy, cho t ớ i

ấ ả ươ ứ ẽ ạ ộ đ cháy kho ng 60 GWd/tU s t o thành 4 vùng vi c u trúc t ớ ng ng v i 4

ệ ộ ể ư ỉ vùng nhi t đ k trên nh đã ch ra trong Hình 2.6.

ệ ộ ớ ổ ấ ị ế ệ ấ Gradien nhi t đ l n và vi c u trúc nhiên li u b bi n đ i r t nhanh ph ụ

ộ ừ ệ ộ ả ứ ạ ớ ứ thu c t ng vùng nhi ấ t đ sau khi công su t lò ph n ng đ t t ậ i m c v n hành.

ạ ấ ế ế ặ ắ ộ ố ệ ồ Sau khi đ t công su t thi t k , m t c t nhiên li u bao g m m t s vùng khác

ớ ạ ủ ợ ớ ị ự ứ nhau mà gi i h n c a chúng phù h p v i các giá tr nhi ệ ộ ươ t đ t ng ng: S tái

oC là d ng h t to đ ng ẳ

ủ ạ ạ ồ ơ ạ ạ ớ ấ c u trúc bao g m 2 d ng l n h n c a h t. Trên 1.500

ạ ớ ụ ẩ ỗ ế ạ ồ tr c, các h t l n lên đ y lùi các l thiêu k t và d n chúng ra biên h t. Trên 1.800

oC là quá trình tăng tr

ưở ướ ạ ị ướ ạ ộ ng kích th c h t có đ nh h ạ ng, h t có d ng c t dài và

ướ ủ ụ ự ệ ấ ượ ẹ h p h ng theo tâm nóng c a tr c nhiên li u. S tái c u trúc đ c cho là do 2

ể ủ ỗ ố ướ ệ ộ ự nguyên nhân: Do s di chuy n c a l x p theo h ng gradien nhi t đ và do quá

ự ể ế ạ ắ ị ỗ ố ủ ề trình khu ch tán tr ng thái r n. S chuy n d ch các l x p v phía tâm c a nhiên

ậ ộ ạ ệ ế ạ ổ ố ở li u gây ra quá trình bi n đ i m t đ h t và t o ra vùng tr ng ố tâm viên g m.

ậ ộ ạ ẫ ớ ự ổ ộ ẫ ệ ủ ệ S thay đ i m t đ h t này d n t i làm tăng đ d n nhi t c a nhiên li u và làm

ả ố cho nhi ệ ộ ạ t đ t i vùng tâm viên g m gi m.

ự ễ ấ ấ ậ S tái c u trúc di n ra trong vòng 24 gi ờ ạ t i công su t v n hành. Sau đó là

ữ ề ế ế ạ ậ ổ ơ ơ ớ ệ nh ng bi n đ i ch m h n, có quan h nhi u h n v i quá trình chi u x . Khi

ả ứ ấ ổ ệ ộ ị ế công su t lò ph n ng bi n đ i nhanh chóng thì nhi ệ t đ nhiên li u cũng b thay

ẫ ớ ứ ấ ệ ệ ổ ổ đ i nhanh chóng, d n t i ng su t nhi ị ứ t thay đ i làm cho nhiên li u b n t,

ế ứ ể ấ ặ ắ ữ ố ậ nh ng v t n t này có th th y rõ trên m t c t các viên g m. Trong quá trình v n

ế ứ ế ễ ể ự hành kéo dài, các v t n t phát tri n do s khu ch tán di n ra trong quá trình phân

ế ụ ễ ế ấ ờ ổ ạ h ch. Sau đó, quá trình bi n đ i vi c u trúc còn di n ra ti p t c theo th i gian và

ộ đ cháy.

2 ph thu c nhi

ự ệ ấ ổ ụ ộ Hình 2. 6. S thay đ i vi c u trúc nhiên li u UO ệ ộ t đ

ệ ộ và đ cháy nhiên li u [19]

ự ế ệ ạ ố ổ ỏ Hình 2. 7. S bi n đ i hình d ng viên g m và v thanh nhiên li u

ả ứ trong lò ph n ng [25]

Ả ưở ệ ớ ỏ ọ ủ ạ ạ Hình 2. 8. nh h ng c a nhiên li u t i v b c E110RXA t i các giai đo n

ả ứ khác nhau trong lò ph n ng VVER [25]

ướ ươ ỏ ọ ạ ể ươ ờ (a. tr ả c khi x y ra t ệ ng tác nhiên li u v b c, b. t i th i đi m t ng tác, c.

ầ ủ ộ ế ễ ệ ầ ộ ươ t ủ ng tác di n ra trên h u h t các ph n c a c t nhiên li u, 1. Tác đ ng c a

ấ ộ ướ ườ ủ ệ ch t làm mát, 2. Tác đ ng theo h ng đ ộ ng kính c a nhiên li u, 3. Tác đ ng

ướ ụ ủ ộ theo h ệ ) ng tr c c a c t nhiên li u

ể ị ệ ả ứ Hình 2. 9. Thanh và bó thanh nhiên li u có th b cong vênh trong lò ph n ng

[25]

ậ ệ ỏ 2.3.3. Quá trình m i và rão hóa v t li u [8] [11]

ự ố ỹ ậ ệ ầ ớ ỏ ủ ậ ở Ph n l n các s c k thu t gây ra b i quá trình m i c a v t li u. H ư

ỏ ượ ị ướ ộ ậ ệ ủ ỏ ị ỏ h ng do m i đ c đ nh nghĩa là xu h ng c a m t v t li u b gãy h ng do các

ặ ạ ứ ể ấ ườ ộ ấ ề ơ ế ứ v t n t phát tri n khi l p l i ng su t có c ớ ứ ng đ th p h n nhi u so v i ng

ỳ ầ ấ ỏ ế ể ư ỏ ỏ ạ ộ ứ ấ ố su t phá h ng. S chu k c n thi t đ gây ra h h ng m i t ấ i m t ng su t th p

ẽ ả ư ứ ấ ớ ỏ ệ nói chung là khá l n, nh ng s gi m khi ng su t tăng lên. M i nhi t phát sinh t ừ

ứ ệ ượ ạ ổ ệ ộ ỳ ư ỏ ấ ng su t nhi ữ c t o ra do nh ng thay đ i nhi t đ t đ theo chu k . H h ng do

ỏ ừ ế ứ ế ứ ầ ạ ặ ỏ ấ m i xu t phát t v t n t ho c lõm nh trong kim lo i. Ban đ u các v t n t lan

ề ừ ừ ấ ụ ộ ứ ả truy n t t ặ ắ và sau đó tăng nhanh khi ng su t c c b tăng lên do gi m m t c t

ị ự ngang ch u l c.

Ở ệ ộ ặ ả ọ ậ ệ ứ ề ấ ổ nhi t đ cao và ng su t ho c t ế i tr ng không đ i, nhi u v t li u ti p

ớ ố ệ ượ ế ậ ạ ộ ượ ậ ệ ọ ụ t c bi n d ng v i t c đ ch m. Hi n t ng này đ ạ c g i là rão v t li u. T i

ộ ứ ấ ệ ộ ổ ố ư ổ ộ m t ng su t và nhi ộ ầ t đ không đ i, t c đ rão g n nh không đ i trong m t

ờ th i gian dài.

ệ ộ ỏ ầ ứ ự ấ ở ờ Khi nhi ớ t đ và ng su t tăng lên, cùng v i th i gian s rão m i d n tr nên

ậ ệ ư ỏ ể ả ả ả ơ ọ ạ ộ quan tr ng h n và có kh năng gây ra h h ng v t li u. Đ đ m b o ho t đ ng

ư ỏ ế ế ả ạ ạ ổ ơ ấ an toàn, t ng bi n d ng do rão ph i th p h n bi n d ng h h ng. Zircaloy có

ớ ạ ự ấ ượ ủ ế ộ m t gi i h n rão th p, và s rão Zircaloy đ c xem xét ch y u trong thi ế ế t k

các thanh nhiên li u. ệ

ự ỏ ỏ ọ ệ ệ ậ ờ ạ S m i và rão v t li u v b c thanh nhiên li u tăng theo th i gian ho t

ự ề ạ ộ ỏ ộ đ ng, cũng là theo chi u tăng đ cháy. Bên c nh s rão m i do nguyên nhân nhi ệ t

ậ ệ ỏ ọ ệ ế ổ ị ướ ộ đ cao và bi n đ i, v t li u nhiên li u và v b c còn b giòn hóa d ụ i tác d ng

ặ ệ ề ế ể ấ ứ ạ b c x , oxy hóa và h p thu hydro, đ c bi ệ t trong các đi u ki n chuy n ti p và tai

ự ỏ ườ ế ơ ạ n n. S rão m i và giòn hóa là nguyên nhân th ng xuyên làm suy y u c tính

ấ ổ ề ệ ề ệ ấ ị ệ ộ ủ c a nhiên li u. Trong đi u ki n m t n đ nh v công su t, nhi t đ , entanpy và

ự ạ ươ ệ áp l c khí phân h ch tăng cao, t ệ ỏ ọ ng tác nhiên li u v b c gia tăng, nhiên li u

ướ ả ơ ượ ỏ ọ ạ ọ ị ứ đ ng tr c nguy c không b o toàn đ ỡ ẫ c d ng hình h c, v b c b phá v d n

ơ ấ ầ ạ ấ ớ t i phát tán ch t phóng x vào vòng tu n hoàn s c p.

ủ ặ ệ ộ ố ớ ệ ư 2.4. Đ c tr ng th y nhi t đ ng đ i v i thanh nhiên li u

ệ ượ ề ả ứ ự ế ậ Nhi u hi n t ủ ng v t lý trong lò ph n ng có liên quan đ n lĩnh v c th y

ệ ộ ư ấ ả ệ ả ả ạ ả nhi t đ ng. Quá trình l u thông ch t t i nhi t trong v ùng ho t ph i đ m b o đ ể

ạ ượ ả ệ ấ ớ nhi ệ ượ t l ng sinh ra trong v ùng ho t đ c t i ra b ên ngoài v i hi u su t cao

ả ứ ả ượ ể ớ nh t.ấ Trong lò ph n ng, n ướ ả c t i nhi ệ ừ t t ạ vùng ho t ph i đ c chuy n t i thi ế t

ế ớ ự ơ ồ ờ ặ ị b sinh h i ho c tr c ti p t ạ ứ i tuabin, đ ng th i có ch c năng làm mát vùng ho t

ả ệ ố ớ ủ ể đ đ không x y ra quá nhi ệ t đ i v i thanh nhiên li u. Quá trình làm mát ph ụ

ủ ệ ạ ấ ả ộ ố ộ ặ thu c vào t c đ dòng ch y, hình d ng c a thanh nhiên li u, áp su t, các đ c

ậ ộ ư ủ ấ ệ ế ố ạ ế ổ tr ng c a ch t làm mát (m t đ , nhi ữ t dung); nh ng y u t này l i bi n đ i tùy

ự ế ộ ả ứ ườ ề thu c vào th c t ậ lò ph n ng v n hành bình th ng hay trong các đi u ki n s ệ ự

c .ố

ữ ề ệ ủ ự ơ ả ả ứ ườ ượ ấ Nh ng v n đ nhi t th y l c c b n trong lò ph n ng th ng đ ắ c nh c

ớ t i là:

ố ớ ấ ỏ ế ộ ả Ch đ dòng ch y đ i v i ch t l ng hai pha;

ượ ệ ớ ạ Thông l ng nhi i h n (CHF); t t

ư ượ ớ ạ L u l ng t i h n hai pha (TPCF);

ệ ộ ọ Các nguyên lý nhi t đ ng h c;

ươ ậ ỏ ả Các ph ng trình mô ph ng và thu t toán gi i chúng.

ề ệ ậ ườ ơ ế ả Trong đi u ki n v n hành bình th ng c ch t i nhi ệ ừ t t ạ vùng ho t ra bên

ế ố ư ả ứ ấ ơ ượ ư ờ ngoài lò ph n ng là c ch đ i l u. Dòng ch t làm mát đ c đ a vào nh các

ấ ướ ượ ữ ố ộ ư ượ ố ự ổ ị ơ b m c p n c chính và đ c gi t c đ l u l ng l ề i vào n đ nh. S truy n

ệ ấ ư ư ạ ầ ạ ổ nhi t trong vùng ho t làm ch t l u n i lên trên t o nên dòng tu n hoàn l u thông

ấ ư ấ ấ ự t nhiên. Ng ượ ạ ổ c l i t n th t áp su t gây ra khi dòng ch t l u xuyên qua vùng

ạ ướ ồ ự ả ớ ố ớ ấ ủ ứ ả ho t có xu h ng là ngu n l c c n l n nh t c a dòng ch y đ i v i ch c năng

ệ ả t i nhi t.

ả ả ệ ạ ủ ấ ư ụ ề ộ Kh năng t i nhi t vùng ho t c a ch t l u ph thu c vào nhi u y u t ế ố ư nh

ệ ố ẫ ấ ủ ấ ỏ ủ ệ ạ ệ hình d ng c a nhiên li u, các tính ch t c a ch t l ng (h s d n nhi t, nhi ệ t

ậ ố ủ ậ ộ ộ ấ ỏ ấ ả ớ dung riêng, m t đ , đ nh t), các tính ch t dòng ch y (v n t c c a ch t l ng, s ự

ệ ố ẫ ậ ệ ấ ỏ ố ủ ệ ệ ệ phân b c a ch t l ng), v t li u làm nhiên li u (h s d n nhi t, nhi t dung

riêng, entanpy)….

ượ ệ ớ ạ ờ ỏ 2.4.1. Thông l ng nhi t t i h n và quá trình d i kh i vùng sôi nhân [20]

ườ ế ị ả ứ ướ ẹ Môi tr ng trong các thi t b lò ph n ng n ế c nh (LWR) liên quan đ n

ủ ướ ơ ượ ạ ổ ự ế s bi n đ i pha c a n c. H i đ c sinh ra trong quá trình sôi t o thành dòng hai

ướ ụ ứ ế ẫ ặ ơ ổ ờ pha n c h i. Dòng hai pha bi n đ i liên t c, t c th i và ng u nhiên, đ c bi ệ t

ế ị ả ứ ạ ệ ộ ệ là trong các thi t b lò ph n ng t ấ i áp su t và nhi ỏ t đ cao, nên vi c mô ph ng

ứ ạ ứ ấ tính toán đáp ng dòng là r t ph c t p.

ả ậ ớ ự ả ứ ọ H u qu nghi êm tr ng liên quan v i s sôi trong lò ph n ng l ữ à nh ng suy

ả ặ ơ ệ ệ ư gi m đ c tr ng c nhi ủ t và th y nhi t gây ra hi n t ứ ệ ượ n t gãy, nóng ng ch yả

ẫ ớ ấ ả ạ ả ệ ườ ệ nhiên li u, d n t i phát th i phóng x vào ch t t i nhi t và môi tr ng. Trong

ậ ế ự ố ả ả ưở ệ đi u ề ki n v n h ể ành chuy n ti p v à s c , khi ự s sôi x y ra, do nh h ủ ng c a

ườ ướ ơ ở ệ ộ ư môi tr ồ ng g m n c và h i ấ áp su t nhi t đ cao, các quá tr ình nh oxy hóa,

ươ ệ ạ hydrua hóa, ăn mòn, t ng tác nhiên li u ỏ ọ v b c,... di n raễ ớ ơ m nh h n so v i

ườ ợ tr ng h p không có hi n t ệ ượ sôi. ng

ư ậ ườ ướ ế ườ ề ẩ Nh v y môi tr ng n c liên quan đ n quá trình sôi th ề ng ti m n nhi u

ấ ượ ệ ạ ơ nguy c gây m t an toàn, khi thông l ng nhi ả ứ t trong lò ph n ng đ t giá tr t ị ớ i

ệ ấ ư ấ ạ ễ ế h n thạ ì hi u su t nhi ệ à cao nh t nh ng t l quá trình sôi l ể i d chuy n bi n theo

ấ ợ ướ h ng b t l i.

ắ ầ ạ ả ạ ấ Khi công su t vùng ho t tăng, quá trình t o nhân sôi b t đ u x y ra trên b ề

ể ệ ể ể ườ ệ ặ m t thanh nhiên li u. Đ ng cong sôi b đi n hình (Hình 2.10) th hi n trên

sat đ

ệ ể ồ ượ ệ ệ ộ ạ ị ấ ủ bi u đ quan h thông l ng nhi t nhi t đ . T i giá tr th p c a ΔT ngườ

ệ ố ư ế ề ầ ệ ố ư ư ầ cong g n nh tuy n tính, do h s truy n nhi ổ t đ i l u (h) g n nh không đ i.

ự ạ ề ọ ệ ả ố ư ự Không có s t o b t và quá trình truy n nhi t x y ra do đ i l u t ấ nhiên ch t

ộ ượ ệ ỏ Ở ệ ộ l ng. nhi t đ 10 12 đ trên bão hòa, thông l ng nhi t tăng nhanh v i s ớ ự

ệ ộ ỏ ọ ề ệ ệ ượ tăng nhi t đ thành v b c. Quá trình truy n nhi t tăng do hi n t ng sôi nhân,

ả ố ầ ề ặ ắ ọ ơ ự ạ ể ộ ẫ vì s t o thành và chuy n đ ng b t h i làm tăng ch y r i g n b m t r n, d n

ệ ố ấ ỏ ự ề ả ơ ộ ớ ộ ẫ t ề i tr n l n nhi u h n ch t l ng trong khu v c màng đã c i thi n t c đ truy n

nhi t. ệ

ệ ộ ề ặ ắ ượ ệ ộ ụ Khi nhi t đ b m t r n v t quá nhi t đ bão hòa, quá trình sôi c c b ộ

ả ệ ộ ố ướ ấ ơ ệ ộ ả x y ra ngay c khi nhi t đ bên trong kh i n c th p h n nhi t đ bão hòa.

ệ ộ ướ ạ ớ ể ở Nhi t đ n ề ặ ố i l p biên trên b m t đ t nóng có th tr c t ế ủ thành đ cao đ n

ể ở ứ ả ộ m c quá trình sôi b vùng quá ngu i (subcooled) x y ra. Các bong bóng s ẽ

ề ặ ỏ ớ ờ ệ ộ ố ướ ư ng ng t ụ ướ tr c khi r i kh i l p b m t vì nhi t đ kh i n ơ ấ c còn th p h n

ệ ộ nhi t đ bão hòa.

ườ ủ ư ể ặ Hình 2. 10. Đ ng cong đ c tr ng c a mô hình sôi b [20]

ệ ộ ề ặ ượ ệ ể ạ ớ Khi tăng nhi t đ b m t, thông l ng nhi t có th đ t t i thông l ượ ng

ệ ớ ạ ạ ể ạ ả nhi i h n, t t t i đó quá trình sôi màng x y ra. T i đi m này, các bong bóng

ế ợ ứ ề ế ơ ộ ớ nhi u đ n m c chúng k t h p thành m t l p h i cách ly xung quanh thanh nhiên

ộ ẫ ệ ệ ượ ệ ả ả li u, làm gi m đ d n nhi t và thông l ng nhi t gi m nhanh.

ượ ệ ớ ạ ượ ệ ự ấ ỏ ạ Thông l ng nhi i h n là thông l t t ng nhi t c c đ i mà ch t l ng bão

ể ấ ụ hòa có th h p th .

ể ả ế ộ ề ể Trong ch đ sôi nhân phát tri n hoàn toàn, đi u có th x y ra là thông

ệ ể ổ ệ ộ ề ặ ớ ượ l ng nhi ế t tăng mà không bi n đ i đáng k nhi t đ b m t cho t ể i đi m v ượ t

ạ ủ ự ể ể quá vùng sôi nhân (DNB), t ộ i đi m này s chuy n đ ng c a các bong bóng trên

ạ ớ ể ẫ ớ ứ ủ ủ ệ ớ ự ạ ề ặ b m t m nh t i m c có th d n t ả i kh ng ho ng th y nhi t, v i s t o thành

ề ặ ạ ớ ụ ơ màng h i liên t c trên b m t và đ t t i CHF.

ộ Trong quá trình sôi quá ngu i (subcooled boiling), CHF là hàm s c a t c đ ố ủ ố ộ

ộ ố ớ ứ ấ ấ ộ ộ ươ ch t làm mát, m c đ quá ngu i và áp su t. Có m t s l n các t ng quan (h ệ

ệ ứ ứ ượ ử ụ ể ự th c) tính toán CHF. Trong đó h th c Bernath (2001) đ c s d ng đ d báo

ự ề ệ ệ ớ ạ ộ CHF trong vùng sôi quá ngu i (d a trên đi u ki n quá nhi t vách t i h n khi cháy

ệ ề ệ ố ư ả ố ỗ ươ ki t và quá trình truy n nhi ợ t đ i l u h n h p ch y r i). Ph ng trình Bernath

ả ố ể ượ ủ ấ ự ả ế cho k t qu t i thi u cho nên nó đ c coi là d tính b o th nh t:

(2.8)

(2.9)

(2.10)

crit là thông l

2), hcrit là h s truy n ề

ượ ệ ớ ạ ệ ố Trong đó, q’’ ng nhi i h n (W/m t t

2K), Tcrit là nhi

ệ ớ ạ ấ nhi i h n (W/m t t ệ ộ ề ặ ớ ạ oC), p là áp su t (MPa), u t đ b m t t i h n (

w là đ

i là đ

ả ộ ố ườ ủ ự ướ ườ là t c đ dòng ch y (m/s), D ng kính th y l c t (m), D ng kính

ệ ồ ngu n nhi t (m).

ươ ố ớ ể ế ữ ệ ậ T ụ ng quan này có th áp d ng đ i v i các kênh ti t di n tròn, ch nh t và

ế ả ấ ố ộ hình vành khăn (xuy n), áp su t 0,1 20,6 MPa, t c đ dòng ch y 1 16 m/s và

ủ ự ườ đ ng kính th y l c 0,36 1,7 cm.

ậ ộ ả ứ ệ ấ ộ ừ Trong m t lò ph n ng PWR, CHF xu t hi n khi m t đ bong bóng t vùng

ớ ủ ệ ớ ứ ế sôi nhân trong màng ranh gi ề i c a thanh nhiên li u l n đ n m c bong bóng li n

ề ặ ủ ự ạ ơ ộ ề ế ợ ạ k k t h p l ề i và t o thành m t màng h i trên b m t c a thanh. S truy n

ệ ơ ươ ự ấ ấ ỏ ấ ớ ố nhi t qua màng h i là t ệ ng đ i th p so v i qua màng ch t l ng, và s xu t hi n

ể ệ ộ ề ặ ỏ ọ ư ậ ệ ề CHF làm tăng đáng k nhi t đ b m t v b c. Trong đi u ki n nh v y, quá

ể ả ỏ ọ ặ ậ ả ẫ trình oxy hóa nhanh chóng (ho c th m chí nóng ch y) v b c có th x y ra d n

ỏ ọ ỏ ế đ n phá h ng v b c.

ớ ế ị ả ứ ượ ể ệ ố ớ V i các thi t b trong lò ph n ng, CHF đ c th hi n qua DNB đ i v i lò

ố ớ ố ớ ể PWR và đi m khô dòng (Dryout) đ i v i lò BWR. Đ i v i lò BWR, Dryout th ể

ệ ở ể ở ầ ế ừ ể ể hi n đi m kh i đ u chuy n ti p t ế màng phân tán sang vùng sôi chuy n ti p;

ể ệ ở ể ố ớ ượ ở ộ ể còn đ i v i lò PWR, DNB th hi n ọ đi m b t khí đ c phát tri n, m r ng. Vị

ượ ớ ỷ ứ ầ ỗ trí DNB và Dryout đ c mi êu t ả ươ t ng ng v i t ph n r ng c c b ụ ộ trong kênh

dòng trên Hình 2.11.

ượ ệ ớ ạ ố ớ Hình 2. 11. Thông l ng nhi i h n đ i v i lò PWR và BWR [20] t t

ỷ ố ữ ượ ướ ượ T s gi a thông l ng nhi ệ ươ t t ng quan đoán tr c và thông l ng nhi ệ t

ự ế ụ ượ ỷ ố ờ ỏ v n hậ ành th c t áp d ng cho l ò PWR đ c g i l ọ à t s d i kh i vùng sôi nhân

ỷ ố ổ ạ ị (DNBR). T s này thay đ i tr ên chi u dề ệ ài thanh nhiên li u và đ t giá tr nh ỏ

ấ ở ị ượ ệ ớ ạ ệ nh t v trí thông l ng nhi i h n. Đ i v i l ề ố ớ ò BWR, đi u ki n Dryout đ t t ượ c

ỷ ố ấ ớ ạ ớ ạ ụ ề ễ bi u ể di n theo t s công su t t i h n CPR. Gi ệ i h n áp d ng cho các đi u ki n

ượ ấ ủ ỏ ị ạ i ớ h n đ t c đánh giá thông qua các giá tr nh nh t c a DNBR (MDNBR) v à

c a ủ CPR (MCPR).

ủ ỏ ọ ệ ớ ướ ị ự ọ ị 2.4.2. S ăn mòn do c xát c a v b c thanh nhiên li u v i l i đ nh v [19]

ạ ướ ự ộ ủ ủ ụ ộ S rung đ ng vùng ho t d ả i tác d ng c a dòng ch y, tác đ ng c a dòng

ả ả ệ ố ớ ự ệ ả ấ ả ch y ngang, cùng v i s suy gi m hi u qu gi m ch n (do rão hóa h th ng lò

ứ ụ ạ ệ ộ ề ệ ấ xo và l ướ ỡ ướ i đ d i tác d ng b c x , nhi ậ t đ và áp su t trong đi u ki n v n

ả ứ ẫ ớ ự ủ ộ ươ ữ ầ ố hành c a lò ph n ng), d n t ể i s chuy n đ ng t ng đ i gi a các ph n khác

ệ ượ ủ ệ ự ọ ả nhau c a bó thanh nhiên li u. Hi n t ố ng không mong mu n x y ra là s c xát,

ượ ữ ỏ ệ ướ ị ị ẫ ớ ướ va tr t gi a v thanh nhiên li u và l i đ nh v , d n t i mòn x c thanh nhiên

li u.ệ

ữ ạ ố ộ ườ ố ớ ặ M t trong s nh ng d ng ăn mòn th ệ ng g p đ i v i bó thanh nhiên li u

ề ặ ế ộ ứ ả ọ đó là ăn mòn do c xát x y ra khi các b m t ti p xúc có đ c ng khác nhau dao

ươ ố ớ ườ ộ ỏ ườ ộ đ ng t ng đ i v i c ng đ nh trong môi tr ng ăn mòn (Hình 2.12).

ữ ỏ ọ ư ỏ ọ ướ ị Hình 2. 12. H h ng do c xát gi a v b c và l ị i đ nh v [25]

ố ổ ế ư ỏ ệ ậ ạ Th ng kê t ỷ ệ l ỷ ừ các d ng h h ng nhiên li u ph bi n trong th p k v a

ạ ả ứ ướ ẹ ủ ạ ấ ộ ỹ qua t i các lò ph n ng n ư ỏ c nh c a M cho th y đây thu c d ng h h ng

ổ ế ệ ệ ấ nhiên li u ph bi n nh t hi n nay (Hình 2.13).

ỷ ệ ỏ ọ ệ ở ỹ ạ Hình 2. 13. T l các d ng ăn mòn khác nhau trên v b c nhiên li u M [19]

ệ ượ ụ ề ọ ộ ế ế ệ Hi n t ng ăn mòn do c xát ph thu c nhi u vào thi t k nhiên li u và

ế ạ ọ ả ứ vào quá trình ch t o. Trong lò ph n ng quá trình ăn mòn do c xát gi a l ữ ướ i

ế ố ụ ệ ề ộ ị ị đ nh v và thanh nhiên li u ph thu c vào nhi u y u t khác nhau, trong đó bao

ế ố ề ơ ế ủ ự ư ự ả ộ ồ g m c các y u t ỏ ậ ệ v c ch rung đ ng th y l c, cũng nh s rão m i v t li u

ụ ể ủ ả ứ ề ệ ậ hay các đi u ki n v n hành c th c a lò ph n ng….

ữ ệ ả ưở ế ớ ự ệ ọ Hi n nay nh ng nh h ng tr c ti p t i nhiên li u do ăn mòn c xát đ ượ c

ủ ế ử ể ệ ằ ế ậ đánh giá ch y u thông qua quá trình h u ki m b ng các th nghi m sau chi u

x .ạ

ế ổ ệ ướ ủ ự ụ ọ 2.4.3. Bi n đ i hình h c thanh nhiên li u d i tác d ng th y l c [25]

ủ ự ớ ự ướ ụ ủ ấ ộ D i tác d ng c a l c th y đ ng dòng ch t làm mát cùng v i s rão hóa

ệ ẽ ẫ ơ ế ỏ ọ ủ ế ạ ủ ậ ệ ớ c a v t li u l p v b c nhiên li u s d n đ n nguy c bi n d ng c a các thanh

ự ế ủ ệ ệ ạ ạ ườ nhiên li u trong vùng ho t. S bi n d ng c a các thanh nhiên li u th ng có

ư ữ ặ ữ ạ d ng hình ch S ho c ch C nh trong Hình 2.14.

ữ ế ể ể ệ ạ ọ ữ Hình 2. 14. Bi n d ng hình h c thanh nhiên li u, (a) ki u ch S, (b) ki u ch C

[25]

ệ ẽ ẫ ả ủ ế ệ ế ạ ậ ọ H u qu c a vi c bi n d ng hình h c các thanh nhiên li u s d n đ n:

ệ ượ ủ ể ề ẫ ố Hi n t ng cong vênh c a các ng d n thanh đi u khi n trong BTNLHN.

ụ ề ề ể ạ ơ ờ Đi u này làm cho các c m thanh đi u khi n không r i vào vùng ho t theo th i

gian thi ế ế t k ;

ở ữ ệ ẫ ấ ổ ậ Làm thay đ i khe h gi a các thanh nhiên li u (là kênh d n ch t làm ch m

ả ệ ườ ẫ ớ ả ố ạ và t i nhi t, bình th ng kho ng 2 mm), d n t i phân b l ấ i công su t và nhi ệ t

ề ồ ộ ụ ộ đ c c b không đ ng đ u (Hình 2.15);

ặ ặ ả ắ ả Gây khó khăn khi ph i thay đ o (l p đ t ho c rút ra) BTNLHN trong vùng

ể ứ ử ụ ạ ặ ho t ho c trong b ch a BTNLHN đã qua s d ng.

ệ ữ ộ ộ ệ ỏ ướ ở Hình 2. 15. Quan h gi a đ cong bó thanh và đ l ch kh i kích th c khe h

ữ ị danh đ nh gi a các bó thanh [8]

ế ế ổ ể ữ ụ ệ ắ ả ậ Thi t k nhiên li u đã có nh ng thay đ i đ kh c ph c các h u qu trên.

ấ ằ ệ ả ậ ồ ỷ Trong hai th p k qua, ph n h i kinh nghi m cho th y r ng dòng làm mát t ạ i

ạ ạ ự ắ ở ướ ủ ầ đ u vào vùng ho t t o ra l c rung l c cao ầ ph n d ệ i c a bó thanh nhiên li u

ộ ố ệ ượ ọ ở ướ ẫ ớ d n t i m t s hi n t ng ăn mòn nghiêm tr ng ầ ph n d ệ i thanh nhiên li u.

ể ả ế ậ ế ế ầ ướ ệ ầ ở Đ gi m b i khuy t t t, nhà thi t k nhiên li u thêm vào g n đ u d i bó thanh

ộ ướ ị ộ ị ướ ị ệ nhiên li u m t l i đ nh v không có cánh tr n dòng làm mát. L ị i đ nh v thêm

ấ ủ ự ệ ả vào làm tăng l c nâng và tăng suy gi m áp su t c a bó thanh nhiên li u và do đó

ệ ắ ả ở làm gi m rung l c sinh ra b i dòng làm mát lên các thanh nhiên li u.

ư ề ộ ữ ế ẫ ả ố ướ ủ ả Nh ng c i ti n khác nh v đ dày ng d n h ố ng, c ng c kh năng

ậ ệ ố ơ ả ấ ọ ế ấ ự gi m ch n, và l a ch n v t li u t t h n cho các chi ti t c u trúc bó thanh nhiên

ể ả ệ ưở ủ ự ớ ủ ả ấ ả li u đã làm gi m thi u nh h ng x u c a dòng ch y th y l c t i bó thanh

nhiên li u. ệ

ổ ủ ữ ệ ế ướ So sánh gi a bi n đ i c a bó thanh nhiên li u PWR và VVER d ự i áp l c

ộ ố ể ủ ộ th y đ ng, có m t s đi m chính sau:

ế ế ữ ị ệ Bó thanh nhiên li u VVER theo thi t k có khung gi ộ ổ tuy đ n đ nh t ố t

ấ ạ ư ả ớ ộ ơ ơ h n so v i bó thanh PWR nh ng đ suy gi m áp su t l i cao h n nên mang l ạ i ít

ề ả ơ ợ l i ích h n v kh năng làm mát, DNB,…;

ủ ế ấ ạ ơ ớ Bi n d ng giãn dài c a bó thanh VVER th p h n so v i bó thanh PWR;

ờ ớ ế ế ữ ả ồ đ ng th i v i thi t k có khung gi nên bó thanh VVER gi m thi u t ể ố ơ ự t h n s

ạ ả ố ị ệ ệ ủ r i ro trong quá trình n p t i nhiên li u và c đ nh các thanh nhiên li u;

ạ ự ố ế ủ ề ệ ầ Trong đi u ki n tai n n/s c LOCA, ph n chân đ c a bó thanh nhiên

ỏ ơ ị ự ủ ệ ộ ớ ệ li u PWR ch u l c tác đ ng c a dòng làm mát nh h n so v i bó thanh nhiên li u

VVER.

ự ủ ủ ộ ướ ự ự ạ ắ L c th y đ ng c a dòng n c gây áp l c và t o ra s rung l c bó thanh

ị ự ủ ệ ướ ệ nhiên li u, trong khi thanh nhiên li u ch u l c nén ép c a các lò xo h ố ng xu ng

ứ ạ ự ủ ệ ệ ủ và s dài ra c a bó thanh nhiên li u do b c x . Nói chung bó thanh nhiên li u c a

ướ ự ủ ế ề ệ ộ ườ ộ ạ lò n ớ c áp l c (PWR) ti p xúc v i đi u ki n th y đ ng c ứ ng đ m nh và m c

ộ ộ ỗ đ h n đ n cao.

ự ấ ổ ủ ữ ế ấ ộ ơ ị ủ S b t n đ nh c a dòng ch t làm mát là m t trong nh ng c ch phá h y

ạ ạ ứ ắ ả ậ ầ ộ ả các b ph n thành ph n trong vùng ho t, t o ra các rung l c quá m c đ m b o

ậ ố ủ ớ ể ậ ả ộ ủ c a các b ph n gi m xóc, khi mà v n t c dòng làm mát đ l n đ năng l ượ ng

ụ ừ ủ ự ộ ượ ượ ở ấ h p th t tác đ ng th y l c v t quá năng l ầ ng tiêu tán b i các thành ph n

ạ ạ ữ ủ ự ế ẫ ả ộ ổ ỗ gi m xóc. Tác đ ng c a nh ng bi n đ i h n lo n t o ra áp l c ng u nhiên xung

ề ặ ủ ể ư ỏ ệ ầ quanh b m t nhiên li u đ đ làm mài mòn và làm h h ng các thành ph n

nhiên li u.ệ

ể ỷ ư ượ ế ệ ể ố Vào cu i th k 20, vi c không đ a đ ề c h t các thanh đi u khi n (RCCA)

ử ệ ẩ ấ ạ ậ ượ vào vùng ho t khi d p lò kh n c p hay trong quá trình th nghi m đã đ c quan

ộ ố ế ạ ế ớ ệ ậ ở tâm b i m t s nhà v n hành và nhà ch t o nhiên li u trên th gi ự ố ầ i. S c đ u

ủ ả ở ụ ệ ể ạ ạ tiên c a lo i này x y ra nhà máy đi n h t nhân Ringhals 4 (Th y Đi n) năm

ề ể ộ ượ ạ ộ 1994, khi mà m t thanh đi u khi n không chèn đ c toàn b vào vùng ho t (IRI

ự ố ự ố ươ ự ượ Insertion Rod Incident). Sau s c này, các s c IRI t ng t đã đ c xem xét

ộ ố ả ứ ở ề ướ ư ỉ trong m t s lò ph n ng khác nhi u n ỳ c nh Hoa K , Pháp, B ,…

ữ ệ ề ộ ư ướ ấ Hình 2.16, Hình 2.17 cho th y d li u v đ cong, cũng nh h ng và biên

ủ ự ớ ộ ệ ộ ủ đ c a các tác đ ng th y l c t ả ứ i bó thanh nhiên li u trong các lò ph n ng

Ringhals.

ệ ủ ả ứ ộ ụ Hình 2. 16. Đ cong bó thanh nhiên li u c a ba lò ph n ng Ringhals (Th y

Đi n)ể

ướ ệ ộ ố Hình 2. 17. H ng và biên đ u n cong thanh nhiên li u trong

ả ứ ạ vùng ho t lò ph n ng [25]

ố ớ ư ệ ặ 2.5. Đ c tr ng quá trình oxy hóa và hydro hóa đ i v i thanh nhiên li u [2]

2.5.1. Quá trình oxy hóa

ả ứ ỏ ọ ệ ừ ồ Tác nhân oxy hóa v b c nhiên li u trong lò ph n ng có t các ngu n sau

đây:

ệ ỏ a. Phía trong v thanh nhiên li u:

ơ ẩ ẵ ố ừ ệ H i m có s n trong viên g m t ế ạ quá trình ch t o nhiên li u;

ạ ướ ướ ủ ả ậ ẩ N c và các s n ph m phân h y phóng x n c xâm nh p qua k n t v ẽ ứ ỏ

ệ ủ ả ứ ạ thanh trong quá trình làm vi c c a lò ph n ng h t nhân.

ệ ỏ b. Phía ngoài v thanh nhiên li u:

ướ ớ ấ ả ệ ơ N c v i vai trò là ch t t i nhi ậ t và làm ch m n tron;

ừ ạ ướ ủ Oxy, H2O2 t quá trình phân h y phóng x n c:

→ H2O H + OH (2.11)

2H2O H→ 2 + H2O2 (2.12)

2H2O2 2H→ 2O + O2 (2.13)

ự ớ ủ ớ ạ ệ ộ Do ái l c l n c a oxi v i zirconi, ngay t i nhi ề ặ t đ phòng, trên b m t

ớ ố ộ ớ ả ộ ề zirconi đã hình thành m t l p oxit chi u dày kho ng 2 5 nm v i t c đ phát

α ể ướ ạ ủ ộ ị tri n cao, kích th c h t oxit m n. Đ hòa tan c a oxi trong zirconi là 28,6% t ạ i

500 oC (Hình 2.18).

ả ồ Hình 2. 18. Gi n đ pha ZrO [11]

ấ ạ ườ ạ ổ ị T i áp su t th ng zirconi oxit có ba d ng thù hình: Monoclinic ( n đ nh ở

oC) và cubic (2.370 oC). Oxit zirconi có nhi

ệ ộ nhi t đ phòng), tetragonal (1.205 t đệ ộ

oC.

ả nóng ch y 2.680

ể ừ ự ể ạ Khi chuy n t ẫ zirconi kim lo i sang oxit có s tăng 50 60% th tích, d n

ứ ứ ấ ạ ấ ớ ớ ự ạ t i s t o thành ng su t nén trong l p oxit và ng su t kéo trong kim lo i. Do

ị ớ ạ ẽ ế ứ ề ế ớ ơ ộ đó n u chi u dày màng oxit l n h n m t giá tr t i h n s hình thành v t n t trên

2 trong các đi u ki n khác nhau đ

ề ệ ượ ư ự ề ặ b m t oxit. S hình thành ZrO c đ a ra trên

Hình 2.19.

ỏ ọ ươ ế ơ ự ư ớ ạ ượ ư C ch oxy hóa v b c t ng t nh v i kim lo i nói chung đ c đ a ra

ướ trong Hình 2.20 d i đây.

ễ ướ Quá trình oxy hóa di n ra theo các b c sau:

ướ ượ ấ ề ặ ụ ạ Tr c tiên oxy đ c h p ph trên b m t kim lo i;

ạ ề ạ ộ ố ả ứ ả ớ Oxy ph n ng v i kim lo i n n t o thành các đ o oxit; m t s nguyên t ử

ế ạ oxy khu ch tán vào kim lo i;

ề ặ ố ớ ộ ớ ủ ả Các đ o oxit n i v i nhau và hình thành m t l p bao ph trên b m t kim

lo i;ạ

ủ ể ế ạ ờ ớ L p oxit phát tri n nh quá trình khu ch tán c a các ion kim lo i và oxy;

ứ ẫ ỗ ố ẩ ớ ỏ Các n t g y, l ạ tr ng và sai h ng hình thành trong l p oxit và đ y m nh

ế quá trình khu ch tán.

ơ ồ ủ ề ệ ạ ấ Hình 2. 19. S đ vi c u trúc c a zirconi oxit t o thành trong các đi u ki n

oC, (b) oxi

oC và 100bar, (c) h i n

ở ơ ướ ở khác nhau [8] (a) n ướ ở c 350 400 c 400

ượ Hai d ngạ ăn mòn khác nhau đ c quan sát khi chiếu x ạ trong lò phản ứng:

ạ ứ D ng t o l p ạ ớ oxit đồng nh t thấ ường xảy ra với các lò phản ng n ước áp

ể ấ ủ ướ lực được cung c p đ ủ hydro hòa tan đ ngăn c ản s ự phân ly c a n c. L ượ ng

hydro đ đ ủ ể phản ứng phân ly không xảy ra theo chiều thuận. Khi các màng oxit

ỡ ớ tr ở nên rất dày trên 100 μm thì s ự phá v l p oxit xảy ra. Một s ố v ỏ bọc v ỡ lớp

ấ ơ ộ oxit có đ dày th ơ p h n. Ăn ấ mòn đồng nh t là c ch ế trội quan sát được trong

ả ứ các lò ph n ng PWR. L ớp oxit phát tri n để ồng nhất trên mặt ngoài của v ỏ nhiên

ả liệu. Kh năng ch ng ố ăn mòn ph ụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu trúc vi

ẫ ượ ư mô của Zircaloy. M u ăn m ấ òn đồng nh t quan sát đ c nh trong H ình 2.21.

ơ ồ ễ ạ ỏ ọ ế Hình 2. 20. S đ di n bi n quá trình oxy hóa kim lo i v b c [2]

ạ ớ ấ ỳ ồ Hình 2. 21. Ăn mòn t o l p đ ng nh t sau 1 và 3 chu k [2]

ạ ạ ố ả ứ Ăn mòn d ng h ch (n t) th ường xảy ra trong các lò ph n ng BWR n iơ

ự mà s phân ly n ước và s ự sôi cho phép oxy tích lũy trong nước. Các hạt nhỏ

thường có dạng h t đạ ậu và tạo nhân rất sớm trong quá trình ph i x ơ ạ lò phản

ạ ạ ể ứng. Quá trình ăn mòn d ng h ch có th chia thành 4 b ước (Hình 2.22). Đầu tiên

là s ự hình thành oxit đồng nh t ấ ZrO2 hoặc ZrO2x, sau đó lớp oxit dày lên, nứt gẫy

ỏ ớ của các l p oxit d n đẫ ến s ự thâm nhập của H2O vào bề mặt v thanh nhiên li ệu.

ặ Cuối cùng, s ự hình thành và nứt v lỡ p đi l ặp lại của ZrO2 tạo ra các vùng ZrO2

rỗng xốp cao dạng cột.

ủ ế ướ ạ ạ ơ Vì tác nhân oxy hóa ch y u là n ả ứ c (d ng h i), ph n ng oxy hóa t o ra

ộ ượ ố ớ ộ ệ ả ứ m t l ng l n khí hydro. T c đ sinh nhi ỏ ọ t do ph n ng oxy hóa trong v b c

oC. T i nhi ạ

ể ở ở ệ ộ ệ ộ ệ tr thành đáng k nhi ơ t đ cao h n 1.200 t đ này, nhi t oxy hóa

ơ ở ệ ể ở ớ tr thành l n h n nhi t phân rã đ tr thành nguyên nhân chính làm tăng nhi ệ ộ t đ

ả ứ ệ ớ ỏ nhiên li u. Ph n ng oxy hóa bên trong l p v thanh làm tăng nhanh nhi ệ ộ t đ

2. S tăng tr

ề ạ ỏ ọ ể ệ ự ưở trong nhiên li u và chuy n v b c v d ng oxit ZrO ng nhanh

β ự ủ ạ ệ ộ màng oxit và s hòa tan gia tăng c a oxi trong pha Zr t i nhi t đ trên 1.200

ơ ở ặ ỏ ọ ẻ ấ ớ ạ ẩ làm m t tính d o trong v b c là c s đ t ra gi i h n chu n nhi ệ ộ ỏ ọ ố i t đ v b c t

oC, đ ng th i m c đ oxy hóa c c đ i trong

ự ố ơ ở ự ạ ứ ộ ồ ờ đa trong s c LOCA c s là 1.204

ệ ượ ỏ ớ ạ ầ ủ ộ ớ l p v thanh nhiên li u đ c gi i h n là 17% đ dày ban đ u c a nó.

ứ ữ ề ợ ượ ự ệ Nh ng nghiên c u v quá trình ăn mòn h p kim ZrNb đ ớ c th c hi n v i

ữ ứ ế ầ ổ ộ bi n đ i khá r ng thành ph n Nb. Tuy nhiên đáng chú ý là nh ng nghiên c u quá

ạ ợ ủ ượ ử ụ ả ứ ộ trình ăn mòn c a 3 lo i h p kim đ c s d ng r ng rãi trong lò ph n ng là Zr

1%Nb (E110, M5), Zr2,5%Nb (E125), Zr1%Sn1%Nb0,10,4%Fe (E635, Zirlo).

ộ ố ế ả ượ ừ ữ ứ M t s k t qu thu đ nh ng nghiên c u này là: c t

ậ ệ ế ạ ử ộ Quá trình ch t o v t li u (cán kéo, gia công ngu i và x lý nhi ệ ả t) nh

β ớ ự ố ủ ủ ả ố ưở h ng t ợ i s phân b c a pha Zr, làm tăng kh năng ch ng ăn mòn c a h p

ặ ệ ệ ộ ấ ơ ệ ộ kim ZrNb, đ c bi ử t khi x lý nhi ệ ạ t t i nhi t đ th p h n nhi t đ monotectoid

ộ ượ (590 610 oC, tùy thu c hàm l ng oxy);

ọ ướ ệ ượ ủ ả Hóa h c n ặ c, đ c bi t hàm l ấ ng oxy c a ch t làm mát nh h ưở ng

ế ề ợ ượ ự nhi u đ n quá trình ăn mòn h p kim ZrNb, khi hàm l ng oxy ≥15ppb. S tăng

ướ ự ế ợ quá trình ăn mòn h p kim ZrNb trong n ể c oxy hóa liên quan đ n s chuy n

ở ể ế ẫ NbO2 thành Nb2O5, d n đ n quá trình giãn n th tích;

ơ ế ạ ạ Hình 2. 22. C ch ăn mòn d ng h ch [2]

ề ặ ỏ ọ ế ộ ớ Thi c làm tăng đ dày màng oxit trên b m t ngoài v b c ZrNb. V i

ượ ư hàm l ợ ng Sn 0,2 0,3% quá trình ăn mòn h p kim ZrNb tăng nhanh, nh ng khi

ượ ạ ạ ớ ườ hàm l ng Sn >0,5% thì l ả i ít nh y c m v i môi tr ặ ng khi có m t LiOH hàm

ượ l ng cao;

ụ ấ ấ ợ ớ ơ H p kim ZrNb h p th hydro th p h n so v i Zircaloy;

ề ả ợ ợ Nb làm gi m quá trình ăn mòn h p kim ZrNb trong lò PWR. Nhi u h p

ệ ủ ứ ệ ầ ợ ộ kim ZrNb đáp ng nhu c u làm vi c c a nhiên li u có đ cháy cao. H p kim Zr

ử ấ ả ố 2,5%Nb x lý đúng có kh năng ch ng ăn mòn cao nh t trong lò PWR. Khi hàm

ụ ể ế ạ ố ợ ượ l ng kim lo i chuy n ti p trong h p kim >0,25% thì tác d ng ch ng ăn mòn

ớ ườ ạ ả ơ ị gi m đi. Quá trình ăn mòn trong dung d ch LiOH m nh h n so v i tr ợ ng h p

Zircaloy.

ố ớ ợ ợ ọ ấ Nhìn chung, đ i v i lò PWR, h p kim ZrNb là h p kim quan tr ng nh t

ệ ế ả hi n nay và có kh năng thay th Zircaloy.

ườ ướ ấ ả ệ ấ ờ ồ Trong môi tr ng n c (là ch t t i nhi ậ t đ ng th i là ch t làm ch m

ả ứ ủ ố ộ ướ ụ ế ơ ơ n tron) c a lò ph n ng, t c đ ăn mòn tăng d ứ ạ i tác d ng b c x . C ch tác

ứ ạ ớ ộ đ ng b c x t i quá trình ăn mòn th hi n ể ệ ở :

ướ ạ ướ ủ ố ạ Các g c t o thành d i quá trình phân h y phóng x n c (oxy, hydroxyl,

ề ặ ỏ ọ hydroperoxit) tham gia vào quá trình oxy hóa b m t v b c;

ệ ề ặ ạ ẽ ứ ậ ả ả ơ ớ N tron làm suy gi m l p oxit b o v b m t, t o k n t xâm nh p vào

kim lo i;ạ

ổ ề ấ ậ ữ ế ơ ệ ậ ệ ướ Nh ng bi n đ i v tính ch t v t lý, c , nhi t v t li u d ứ ụ i tác d ng b c

ổ ố ộ ề ệ ạ ạ x t o đi u ki n thay đ i t c đ ăn mòn.

ơ ế ệ ả ợ ướ ỡ ớ Hình 2.23 trình bày c ch phá v l p b o v oxit h p kim zirconi d i tác

t o thành t

ộ ố ủ ạ ừ ủ ụ d ng c a m t g c O ạ quá trình phân h y phóng x .

ạ ộ ạ ộ ừ ủ ủ ố Hình 2. 23. Tác đ ng c a g c ho t đ ng t o thành t quá trình phân h y phóng

ạ ỏ ọ ạ ướ ớ x n c t i quá trình ăn mòn kim lo i v b c [2]

2.5.2. Quá trình hydro hóa

ể ắ ể ạ ạ ậ ứ Hydro xâm nh p vào kim lo i th r n làm giòn hóa và có th làm r n n t

ả ấ ạ ặ ưở ớ ậ ệ kim lo i. M c dù quá trình h p thu hydro và nh h ủ ng c a nó t i v t li u đã

ứ ề ế ề ậ ấ ỷ ượ đ ề ề ơ ế ễ c nghiên c u qua nhi u th p k , song đ n nay nhi u v n đ v c ch di n

ư ượ ế ẫ bi n quá trình v n ch a đ ể c hi u bi ế ầ ủ t đ y đ .

ạ ề ủ ế ỏ ọ ợ Zirconi là kim lo i n n ch y u cho các h p kim dùng làm v b c nhiên

ầ ấ ả ứ ấ ả ệ ạ ệ li u và các thành ph n c u trúc trong lò ph n ng h t nhân dùng ch t t i nhi t là

ợ ế ệ ệ ả ấ ướ n c. Các h p kim này có ti ắ ơ t di n b t n tron nhi ấ ả t th p, đ m b o các tính ch t

ộ ề ế ạ ơ ị ố ơ ọ c h c trong và sau khi b chi u x trong dòng n tron nhanh, và có đ b n ch ng

ả ứ ậ ướ ẹ ạ ăn mòn cao. Trong quá trình v n hành lò ph n ng n c nh (LWR), tr ng thái

ụ ệ ả ỏ ị ơ ở ơ ọ ủ c h c c a v thanh nhiên li u trên c s zirconi b suy gi m do tác d ng liên

ế ố ụ ợ ủ h p c a ba y u t ủ ứ ạ là quá trình oxy hóa, hydrua hóa và tác d ng c a b c x .

ể ả ợ ưở ế Hydro trong các h p kim zirconi có th nh h ấ ơ ả ng đ n các tính ch t c b n

ơ ọ ư ề ệ ạ ứ ủ ậ ệ c a v t li u nh : Hình d ng và các ch c năng c h c. Nhi u tài li u đã công b ố

ộ ề ữ ể ế ả ấ ộ ủ ộ ẻ cho th y hydua có th làm gi m đ d o và tác đ ng đ n đ b n v ng c a

ộ ố ớ ứ ằ ỉ ố ệ Zircaloy. M t s l n các nghiên c u hi n nay ch ra r ng các hydua làm tăng t c

ộ ố ườ ề ợ ộ đ quá trình ăn mòn đ u. Ngoài ra trong m t s tr ả ng h p hydro/hydrua nh

ậ ệ ế ố ư ệ ế ậ ộ ưở h ng đ n t c đ rão v t li u. Tuy nhiên hi n còn ch a có k t lu n rõ ràng là,

ố ộ ủ ệ ả li u hydro/hydrua làm tăng hay gi m t c đ rão c a Zircaloy.

ờ ử ụ ả ậ ể ệ ộ ỳ ả ứ Đ tăng hi u qu v n hành lò ph n ng nh s d ng m t chu k nhiên

ể ượ ệ ả ơ ấ ả ườ ộ li u dài h n và gi m thi u l ng ch t th i, ng i ta tăng đ cháy bó thanh nhiên

ệ ề ế ờ ơ ườ li u >45 GWd/tU. Đi u này làm tăng th i gian ph i chi u trong môi tr ng lò

ả ứ ẫ ớ ế ớ ỏ ọ ệ ph n ng, d n t i suy y u l p v b c nhiên li u do quá trình giòn hóa hydrua và

ơ ư ỏ ậ ệ ỏ ọ ấ gia tăng oxy hóa v t li u do h p thu hydro, tăng nguy c h h ng v b c trong

ạ ự ố ả ị ơ ở các tai n n/s c gi đ nh trong c s thi ế ế t k .

ấ ủ ả ộ ợ ề Do đ hòa tan th p c a hydro trong n n h p kim zirconi (kho ng 100 ppm

ố ượ ạ ệ ộ ậ ả ứ ế ầ kh i l ng t i nhi t đ v n hành lò ph n ng), h u h t hydro thoát ra do quá

ơ ướ ướ ữ ể ế ủ ợ trình ăn mòn gi a h i n c/n c và h p kim zirconi có th k t t a d ướ ạ i d ng

ộ ượ ứ ợ hydrua. Pha hydrua này nói chung giòn và khi h p kim zirconi ch a m t l ng đ ủ

ơ ọ ủ ạ ị ứ ứ ớ l n zirconi hydrua thì các ch c năng c h c c a kim lo i b suy thoái. Do ch c

ớ ủ ộ ế ơ ọ ứ ạ ấ ạ ộ ố ị năng c h c ch u tác đ ng l n c a tr ng thái ng su t và t c đ bi n d ng, nên

ả ể ế ộ ố ươ ử ệ ắ b t bu c ph i k đ n các thông s này trong ph ẫ ng pháp th nghi m và m u

ả ượ ự ọ ớ ề ặ ả ặ ạ ọ ồ ệ ph i đ c l a ch n đ ng d ng v m t hình h c v i hoàn c nh đ c bi t trong lò

ố ậ ệ ả ứ ả ượ ấ ộ ọ ph n ng. M t trong các thông s v t li u quan tr ng nh t ph i đ c đánh giá

ậ ệ ơ ọ ộ ẻ ử ứ ủ ệ ả ậ ệ trong các th nghi m c h c là đ d o v t li u, t c là kh năng c a v t li u

ị ư ỏ ế ẻ ạ ườ ộ ế ự ạ ố bi n d ng d o mà không b h h ng. Th ng thì s tăng t c đ bi n d ng và

ả ệ ộ ử ộ ẻ ủ ậ ệ ệ ẽ gi m nhi ả t đ th nghi m s làm gi m đ d o c a v t li u.

ể ả ưở ế ợ Các hydrua có th nh h ừ ng đ n h p kim zirconi trong quá trình ng ng

ườ ặ ườ ả ứ ủ ậ lò, quá trình v n hành bình th ng ho c không bình th ng c a lò ph n ng,

ư ư ữ ạ ừ ệ ờ cũng nh trong quá trình l u gi t m th i nhiên li u. Trong quá trình ng ng lò đ ể

oC, trong khi nhi

ệ ệ ộ ợ ả ạ n p nhiên li u, nhi t đ h p kim zirconi kho ng 30 40 t đệ ộ

oC. Trong tr

ả ứ ứ ậ ườ ươ t ng ng khi lò ph n ng v n hành bình th ng là 290 400 ngườ

ư ệ ầ ể ị ư ỏ ợ h p đ u, bó thanh nhiên li u có th b h h ng do thao tác, nh bó thanh có th ể

ấ ử ạ ử ườ ệ ợ va ch m các c u t khác và phép th trong tr ớ ố ử ng h p này là th nghi m v i t c

ấ ớ ạ ườ ợ ạ ộ ế đ bi n d ng r t l n t i nhi ệ ộ ườ t đ th ng. Còn trong tr ả ứ ng h p lò ph n ng

ườ ị ư ỏ ệ ạ ớ ạ ậ v n hành bình th ng, nhiên li u không b h h ng thì tình tr ng gi i h n là s ự

ử ơ ọ ế ệ ạ ấ ộ ườ quá đ công su t gây ra bi n d ng nhiên li u. Phép th c h c trong tr ợ ng h p

ớ ố ộ ế ấ ạ ử ệ ạ ệ ộ này là th nghi m v i t c đ bi n d ng th p t i nhi t đ cao.

ử ạ ệ ộ ộ ẻ ủ ậ ệ ấ ệ Th nghi m kéo t i nhi t đ phòng cho th y đ d o c a v t li u Zircaloy

ả ượ gi m khi tăng hàm l ng hydro (Hình 2.24 và Hình 2.26).

ộ ề ấ ổ ủ ậ ệ Hình 2.25 cho th y đ b n kéo c a v t li u Zircaloy2 không thay đ i cho

ượ ọ ượ ượ ớ t i hàm l ng hydro 500 ppm (tr ng l ng). Đây chính là hàm l ự ạ ủ ng c c đ i c a

ượ ộ ố ệ ấ ả ớ ạ ế ế hydro đ c m t s nhà s n xu t nhiên li u dùng làm gi i h n thi t k cho các

ầ ấ ả ử ế ệ ằ ợ ư thành ph n c u trúc b ng h p kim zirconi. Trong khi đó, k t qu th nghi m đ a

ố ớ ấ ượ ự ạ ra trên Hình 2.26 đ i v i Zircaloy4 cho th y hàm l ng c c đ i là 300 ppm

ượ ư ả ầ ưở ớ ớ ạ ồ ủ ọ (tr ng l ng). Hydrua g n nh không nh h ng t i gi ậ i h n đàn h i c a v t

li u. ệ

Ả ưở ủ ượ ớ ộ ẻ ủ Hình 2. 24. nh h ng c a hàm l ng hydro t i đ d o c a Zircaloy2

ệ ộ ạ t i nhi t đ phòng ( Yeniscavich, 1958) [8]

Ả ưở ủ ượ ớ ộ ề Hình 2. 25. nh h ng c a hàm l ng hydro t ủ i đ b n kéo c a Zircaloy2

ệ ộ ạ t i nhi t đ phòng ( Yeniscavich, 1958) [8]

Ả ưở ủ ượ ấ ơ ọ ủ ế Hình 2. 26. nh h ng c a hàm l ng hydro đ n tính ch t c h c c a Zircaloy

ạ ệ ộ 4 t i nhi t đ phòng ( Lin and Hamasaki, 1979) [8]

Ả ưở ứ ạ ủ ệ ộ ớ ộ ẻ ủ nh h ng ph c t p c a nhi ợ i đ d o c a h p kim zirconi b t đ t ị

ượ ư hydrua hóa đ c đ a ra trên các Hình 2.27, Hình 2.28 và Hình 2.29. Các th ử

ự ệ ệ ị ị ế nghi m kéo th c hi n trên Zircaloy2 và Zircaloy4 đã b hydrua hóa, có b chi u

ậ ệ ế ặ ạ ị ượ ệ ạ x ho c không b chi u x . Các v t li u này đ c gia công nhi ề t trong các đi u

ậ ệ ế ệ ki n khác nhau (v t li u tôi tái k t tinh (Recristallized AnnealedRXA) đ ượ ử c x

ệ ạ ầ ế ạ ố ớ ệ ộ ớ ậ ệ ơ lý nhi i đ u cu i quá trình ch t o v i nhi t t t đ cao h n so v i v t li u tôi

ấ ư ẫ ớ ậ ệ ử ứ kh ng su t d (Stress Relief AnnealedSRA), d n t ộ ề i v t li u RXA có đ b n

ớ ậ ệ ộ ẻ ồ ị ư ừ ơ ơ ấ kém h n, nh ng đ d o cao h n so v i v t li u SRA). T các đ th này th y

ượ ậ ệ ừ ả ằ r ng, hàm l ộ ẻ ủ ng hydro tăng đã làm gi m đ d o c a v t li u. T Hình 2.27 và

ấ ằ ự ệ ộ ượ ộ ẻ ậ ệ Hình 2.28 cũng th y r ng s tăng nhi t đ duy trì đ c đ d o v t li u ngay c ả

oC hàm l

ượ ạ ượ ớ khi hàm l ng hydro tăng. T i 300 ng hydro tăng t ố i 2.000 ppm (kh i

ậ ệ ạ ẫ ả ưở ượ l ế ng) trong v t li u không chi u x v n không gây nh h ng l n t ớ ớ ộ ẻ i đ d o

ấ ả ưở ủ ớ ộ ẻ ủ ậ ệ ủ ậ ệ c a v t li u. Hình 2.29 cho th y nh h ng c a hydro t i đ d o c a v t li u b ị

ạ ớ ế ế ạ ơ ị ớ ậ ệ chi u x l n h n so v i v t li u không b chi u x .

Ả ưở ủ ượ ớ ộ ẻ ủ ậ ệ Hình 2. 27. nh h ng c a hàm l ng hydro t i đ d o c a v t li u Zry4 SRA

oC [8]

ế ạ ạ ị ệ ộ và Zry2 RXA không b chi u x t i nhi t đ 20

Ả ưở ủ ượ ớ ộ ẻ ủ ậ ệ Hình 2. 28. nh h ng c a hàm l ng hydro t i đ d o c a v t li u Zry4 SRA

oC [8]

ế ạ ạ ị ệ ộ và Zry2 RXA không b chi u x t i nhi t đ 300

Ả ưở ủ ượ ự Hình 2. 29. nh h ng c a hàm l ng hydro và s chi u x t ế ạ ớ ộ ẻ ủ ậ i đ d o c a v t

oC [8]

ệ ạ ệ ộ li u Zry2 RXA t i nhi t đ 300

ƯƠ ƯƠ Ệ CH NG 3. CH NG TRÌNH TÍNH TOÁN NHIÊN LI U FRAPCON3.5

ổ ươ 3.1. T ng quan ch ng trình FRAPCON3.5 [3] [4]

ụ ủ ươ 3.1.1. M c tiêu tính toán c a ch ng trình FRAPCON3.5

ệ ệ ả ộ Kh năng tính toán m t cách chính xác hi u năng thanh nhiên li u lò n ướ c

ẹ ướ ụ ủ ệ ề ộ ộ nh LWR d i đi u ki n đ cháy kéo dài là m t m c tiêu chính c a ch ươ ng

ả ứ ứ ạ ơ ủ trình nghiên c u an toàn lò ph n ng c a C quan Pháp quy h t nhân Hoa K ỳ

ể ạ ượ ở ộ ụ ươ (US.NRC). Đ đ t đ c m c tiêu này, US.NRC đã m r ng ch ng trình phát

ể ươ ư ự ề ệ ầ tri n các ch ng trình ph n m m phân tích (code) cũng nh th c hi n các th ử

ủ ệ ể ả ẩ nghi m mô hình chu n đ đánh giá kh năng phân tích c a các code.

ượ ệ ể ở ố FRAPCON3.5 là code đ c phát tri n b i Phòng Thí nghi m Qu c gia Tây

ươ ắ ướ ự ủ ể ặ ả B c Thái Bình D ng d ư i s qu n lý c a US.NRC đ tính toán các đ c tr ng

ả ứ ừ ủ ệ ạ ạ ủ c a thanh nhiên li u LWR trong tr ng thái d ng c a lò ph n ng. Đây là tr ng

ệ ề ề ể ấ ổ ự thái mà công su t và đi u ki n biên có s thay đ i không đáng k . Đi u này bao

ườ ư ậ ợ ỳ ở ấ ổ ặ ị ồ g m các tr ng h p nh v n hành chu k dài công su t n đ nh ho c có s ự

ứ ặ ả ấ ấ ố ờ ư nh y m c công su t th p. Code tính toán các tham s (theo th i gian) đ c tr ng

ệ ồ ố ệ ộ ủ ấ ủ c a thanh nhiên li u bao g m phân b nhi t đ c a thanh, áp su t khí bên trong

ủ ớ ủ ớ ỏ ọ ứ ế ấ ạ ỏ ọ thanh, ng su t bi n d ng c a l p v b c, oxy hydro hóa c a l p v b c, t ỷ

ạ ạ ượ ế ế ể ể ệ l phát tán khí phân h ch,… Bên c nh đó, code đ c thi ấ t k đ có th truy xu t

ề ể ế ệ ầ các đi u ki n ban đ u cho các phân tích chuy n ti p [5] [6].

ả ớ ỗ ấ FRAPCON3.5 là phiên b n m i nh t (phát hành tháng 5/2014) trong chu i

ủ ủ ả ả ớ ố các phiên b n c a code FRAPCON3. Đ i v i các phiên b n c a code

ụ ể ộ ướ ả ế FRAPCON3 và c th là phiên b n FRAPCON3.5 có m t b ọ c ti n quan tr ng

ệ ơ ạ ỏ ố ầ ằ ả trong vi c đ n gi n hóa code b ng cách lo i b các thông s đ u vào (input) m ở

ứ ạ ự ế ế ộ ọ ớ ả ộ r ng và các tính năng l a ch n mô hình ph c t p có tác đ ng l n đ n k t qu .

ị ặ ị ươ ượ ộ ố ặ ố Ngoài ra, các giá tr m c đ nh t ng thích đ c cài đ t cho m t s thông s mà

ườ ể ử ụ ặ ự ể ế ọ ng ợ i dùng có th s d ng đ tham chi u ho c l a ch n các mô hình phù h p

ớ v i các bài toán khác nhau.

ớ ộ ươ ượ V i các n i dung tính toán trên, ch ng trình FRAPCON3.5 đ ụ c áp d ng

ụ ớ v i m c đích:

ộ ậ ẩ ị ế ế ệ ủ ế ạ Th m đ nh đ c l p các thi t k thanh nhiên li u c a nhà ch t o;

ộ ậ ế ả ẩ ị ườ Th m đ nh đ c l p các k t qu phân tích an toàn trong tr ợ ng h p

ế ạ ủ ư ệ LOCA/RIA c a nhà ch t o nhiên li u và đ a ra đánh giá an toàn;

ư ệ ữ ệ ủ ệ ầ ấ Cung c p th vi n d li u đ u vào c a thanh nhiên li u cho các ch ươ ng

ể ế ơ ặ trình tính toán n tronic ho c phân tích chuy n ti p;

ề ệ ứ ệ ấ ả ộ Nghiên c u tính kh thi v vi c tăng công su t và đ cháy nhiên li u;

ỗ ợ ậ H tr v n hành.

ớ ạ ủ ươ 3.1.2. Các gi i h n c a ch ng trình FRAPCON3.5

ư ấ ỳ ộ Cũng nh b t k m t code tính toán nào khác, code FRAPCON3.5 cũng có

ế ớ ạ ữ ớ ạ ủ ồ ạ nh ng h n ch gi ấ ị i h n nh t đ nh. Các gi i h n c a code FRAPCON3.5 g m:

ệ ủ ươ ụ ượ a. Mô hình hóa nhiên li u c a ch ỉ ng trình ch áp d ng đ ố c cho viên g m

ỏ ọ ớ ợ làm giàu urani (UO2; UO2PuO2 (MOX) và UO2Gd2O3) v i v b c h p kim

ướ ủ ề ướ ướ ặ zirconi d ệ i các đi u ki n c a lò n ẹ c nh và n ố c n ng. Không mô hình đ i

ệ ệ ạ ấ ạ ớ ớ v i các d ng nhiên li u khác (nhiên li u kim lo i) và v i các ch t làm mát khác

ể ể ể ỏ ổ ề (natri l ng), tuy nhiên có th thay đ i mô hình đ có th mô hình hóa các đi u

ệ ớ ạ ộ ổ ki n này. Gi i h n đ cháy trung bình là 62 GWd/tU, trong khi nên thay đ i tăng

ớ ạ ớ ạ ệ ộ ươ ở ệ ộ gi i h n này. Gi i h n nhi t đ trong ch ng trình là nhi ả ủ t đ nóng ch y c a

ỏ ọ ệ ặ ớ ạ ủ ớ nhiên li u ho c c a l p v b c. Khi nhi ệ ộ ượ t đ v t quá gi ả i h n x y ra nóng

ả ươ ừ ch y thì ch ng trình d ng tính toán.

ệ ủ ươ ự ươ b. Các mô hình nhi t c a ch ng trình d a trên các ph ng trình và các

ề ệ ạ ổ ớ ị ệ ộ đi u ki n tr ng thái n đ nh và tính toán v i dòng nhi ề t m t chi u theo ph ươ ng

ả ế ư ệ ặ ợ ớ bán kính (xuyên tâm). Gi thi ủ t này phù h p v i vi c mô hình hóa đ c tr ng c a

ụ ư ỷ ố ườ ớ ươ ệ thanh nhiên li u (ví d nh t ề s chi u dài đ ng kính l n). T ng t ự ư ậ nh v y,

ữ ệ ừ ự ả ạ ạ ứ các mô hình phát tán khí phân h ch d a trên tr ng thái d ng và d li u nh y m c

ả ậ ấ ượ ố ộ công su t ch m (slow power ramp data) nên không ph n ánh đ c t c đ phát tán

ề ệ ấ ầ ả ổ ệ ặ khi c n ph i quan tâm trong đi u ki n công su t thay đ i nhanh. Do đó, vi c đ t

ướ ư ờ ớ ơ ượ các b c th i gian nên l n h n 0,1 ngày nh ng không v t quá 50 ngày (riêng

ư ặ ệ ướ ờ ố ớ đ i v i các phân tích đ c tr ng nhi ể ử ụ t thì có th s d ng các b ấ c th i gian th p

ỡ ơ h n và vào c 0,001 ngày).

ỏ ủ ớ ế ạ ỉ ỏ ọ ớ c. Code FRAPCON3.5 ch tính toán v i các bi n d ng nh c a l p v b c

ế ạ ơ ệ ề ả ế ấ ả (<5% bi n d ng). T t c các mô hình c nhi t đ u gi thi ụ ố ứ t theo đ i x ng tr c

ụ ệ ộ ọ ả ế ị thanh nhiên li u mà không có quy đ nh ràng bu c theo d c tr c. Các gi thi t này

ố ớ ệ ệ ợ ợ ớ là phù h p đ i v i vi c mô hình hóa thanh nhiên li u LWR (không phù h p v i

ệ ướ ặ thanh nhiên li u lò n c n ng).

ữ ệ ỏ ọ ự ế ạ ớ ả d. Code đánh giá các bi n d ng l p v b c do PCMI d a trên d li u nh y

ớ ộ ỏ ọ ứ ế ả ạ ấ ớ m c công su t. V i đ cháy kho ng 65 GWd/tU, bi n d ng l p v b c có th ể

ớ ữ ệ ự ộ ộ ơ ượ v t ngoài d đoán m t chút. V i d li u đ cháy cao h n (>65 GWd/tU), có th ể

ẽ ư ướ ự ề ế ỏ ọ ạ code FRAPCON3.5 s đ a ra d ự ả i d đoán v bi n d ng v b c khi có s nh y

ứ ấ m c công su t.

ấ ươ ủ 3.2. C u trúc và ph ng pháp tính toán c a code FRAPCON3.5

ủ ấ 3.2.1. C u trúc c a code

ủ ụ ủ ấ ồ ượ C u trúc c a code FRAPCON3.5 bao g m trên 200 th t c con đ c nhóm

ả ố ố ượ thành 3 kh i (B ng 3.1). Trong đó, hai kh i FRPCON và MATPRO đ ầ c yêu c u

ỗ ầ ự ạ ộ ọ ố ộ ắ b t bu c cho m i l n ch y th c thi. Kh i FRACASI là m t tùy ch n riêng v ề

ườ ử ụ ơ ọ mô hình c h c cho ng i dùng s d ng.

ả ủ ố B ng 3. 1. Các kh i chính c a code FRAPCON3.5 [3]

Kh iố Mô tả

ủ ầ ơ ồ ệ FRPCON Ph n chính c a code, bao g m các mô hình c nhi t

ơ ọ ủ ụ ủ ứ FRACASI Ch a các th t c con c a mô hình c h c FRACASI

ậ ệ ố ộ MATPRO Kh i thu c tính v t li u MATPRO

ư ồ ủ 3.2.2. L u đ tính toán c a code

ư ủ ồ ỉ ượ Hình 3.1 ch ra l u đ tính toán c a code FRAPCON3.5, đ c b t đ u t ắ ầ ừ

ế ậ ộ ụ ặ ầ ầ ph n thi t l p đ u vào (input), sau đó là các tính toán theo vòng l p h i t ế và k t

ấ ế ả ầ thúc là truy xu t k t qu đ u ra (output).

ư ồ ủ Hình 3. 1. L u đ tính toán c a code FRAPCON3.5 [3]

ư ữ ệ ở ạ ự ệ ầ ầ ồ ở ạ Sau khi th c hi n ph n kh i t o (bao g m đ a d li u đ u vào, kh i t o

ế ế ế ụ ượ ự ệ các bi n và mô t ả ả gi thi t bài toán), code ti p t c đ c th c hi n theo 4 vòng

ặ l p chính:

ặ ướ ỗ ầ ự ủ ạ ờ “Vòng l p b ặ c th i gian”: Trong m i l n ch y th c thi c a “vòng l p

ờ ả ấ ề ằ ơ ệ ủ ướ b c th i gian”, code gi i v n đ cân b ng c nhi t c a thanh nhiên li u ệ ở ộ m t

ụ ử ể ớ ộ ờ ị ừ ữ ệ ầ ấ đi m m i theo l ch s công su t thanh (ph thu c th i gian) t d li u đ u vào;

ế ầ ặ ặ ị “Vòng l p phát tán khí”: Vòng l p này tu n hoàn đ n khi giá tr tính toán

ụ ấ ộ ệ ộ ủ c a áp su t khí trong thanh (ph thu c nhi ể t đ , th tích và t ỷ ệ l phát tán khí

ộ ụ ạ phân h ch) h i t ;

ụ ặ ạ ặ ọ ặ ỗ “Vòng l p đo n d c tr c”: Trong m i “vòng l p phát tán khí”, “vòng l p

ẽ ự ụ ế ệ ạ ạ ọ ớ ọ đo n d c tr c” s th c hi n các tính toán liên ti p v i các phân đo n chia d c

ụ ệ tr c thanh nhiên li u;

ộ ẫ ặ ệ ỏ ọ ệ ố “Vòng l p đ d n nhi ặ t khe tr ng nhiên li u v b c”: Đây là vòng l p

ủ ư ặ ạ ố ớ ừ ặ ạ ồ ặ trong cùng c a l u đ l p. Vòng l p này l p l ọ i đ i v i t ng phân đo n chia d c

ụ ệ ằ ạ ệ ươ ế tr c thanh nhiên li u đ n khi đ t cân b ng nhi t (theo ph ng bán kính thanh

ệ ằ ệ ị ệ ộ nhiên li u). Cân b ng nhi ệ ạ ượ t đ t đ c khi giá tr chênh l ch nhi t đ tính t ừ ề b

ặ ố ớ ặ m t ngoài viên g m t i m t trong v b c h i t ỏ ọ ộ ụ .

ồ ọ ư ủ ặ ỉ ủ ụ Hình 3.2 ch ra l u đ g i các th t c con trong các vòng l p c a code

FRAPCON3.5.

ư ồ ọ ủ ụ ủ Hình 3. 2. L u đ g i các th t c con c a code FRAPCON3.5 [3]

ầ ấ 3.2.3. C u trúc input đ u vào

ủ ệ ầ ượ T p input đ u vào c a code FRAPCON3.5 đ c chia thành 4 môđun:

ố ướ ể ề ị ờ Mô đun đi u khi n ($FRPCN): Xác đ nh s b ạ ố c th i gian, s phân đo n

ụ ươ ử ụ ọ chia theo tr c và ph ng bán kính, các tùy ch n mô hình s d ng trong các tính

toán;

ả ế ế ữ ệ ậ ồ Môđun mô t thi t k và v n hành ($FRPCON): G m các d li u v ề

ố ế ế ướ ỏ ọ ử ấ ố ớ ị thông s thi t k (kích th c viên g m, l p v b c,…), l ch s công su t, phân

ấ ọ ụ ệ ề ấ ấ ấ ố b công su t d c tr c, các đi u ki n biên (áp su t khí trong thanh, áp su t ch t

ệ ộ ấ làm mát, nhi t đ ch t làm mát t ạ ố i l i vào,…);

ọ Môđun các tùy ch n mô hình đánh giá ($EMFPCN);

ố ồ ị Môđun phân b đ ng v plutoni ($FRPMOX).

ủ 3.3. Mô hình chính c a code FRAPCON3.5

ử ụ ể ặ Các mô hình chính trong code FRAPCON3.5 s d ng đ tính toán các đ c

ủ ư ệ ậ ồ tr ng c a thanh nhiên li u trong quá trình v n hành. Trong đó, bao g m mô hình

ệ ộ ạ ơ ọ c h c, mô hình nhi t đ ng, mô hình phát tán khí phân h ch và mô hình oxy hóa

ủ ớ ỏ ọ ừ ủ ề ể ọ hydro hóa c a l p v b c. Trong t ng mô hình c a code có th có nhi u tùy ch n

ư ớ ạ ề ậ mô hình khác nhau nh ng trong gi ỉ i h n lu n văn này ch trình bày v các mô

ượ ự ọ ử ụ ụ hình đ ụ ể c l a ch n s d ng trong áp d ng tính toán c th .

ệ ộ 3.3.1. Mô hình nhi t đ ng

ệ ộ ượ ử ụ ố Mô hình nhi t đ ng đ c s d ng trong tính toán phân b nhi ệ ộ ủ t đ c a

ệ thanh nhiên li u (Hình 3.4).

ệ ượ ả ế ệ ố Thanh nhiên li u đ c mô hình hóa theo gi thi t viên g m nhiên li u hình

ụ ặ ố ứ ở ướ ụ ố tr đ t đ i x ng trong ng thanh hình tr bao quanh b i n ề c làm mát. Các đi u

ệ ườ ươ ki n biên (nhi ệ ộ ấ ả t đ ch t t i nhi ệ ố t l i vào, đ ng kính gia nhi ệ ươ t t ng đ ủ ng c a

ượ ố ộ ờ ố ệ kênh làm mát và thông l ng dòng kh i theo th i gian) và t c đ sinh nhi ế t tuy n

ữ ệ ụ ầ ọ ượ ử ụ ể ệ ộ tính d c tr c thanh trong d li u đ u vào đ c s d ng đ tính nhi ố t đ kh i

b theo mô hình tăng enthalpy dòng làm mát đ n kênh. Sau đó, tính

ơ ướ n c làm mát T

f t

ệ ệ ộ ừ ớ ề ặ ệ toán chênh l ch nhi t đ ΔT dòng làm mát t ớ i b m t thanh nhiên li u qua l p

ấ ắ ọ ự ệ ệ ộ ề ặ ạ t p ch t l ng đ ng ở ề ặ ượ b m t đ c th c hi n. Nhi ủ t đ b m t bên trong c a

cf đ

ỏ ượ ằ ị ệ ộ ớ l p v thanh T c xác đ nh b ng tính toán nhi ớ t đ tăng qua l p oxit zirconi

ỏ ọ ớ ệ ộ ớ ề ặ ệ ượ ờ ị và l p v b c nh đ nh lý Fourier. Nhi t đ tăng t i b m t nhiên li u đ c xác

ừ ẫ ệ ố ệ ộ ề ặ ị đ nh t mô hình d n nhi t khe tr ng hình vành khăn và nhi t đ b m t nhiên

fs đ

ượ ố ố ị ệ ộ ệ ượ li u Tệ c xác đ nh. Cu i cùng, phân b nhi t đ trong nhiên li u đ c tính

toán (Hình 3.3).

ả ế ớ ạ ọ Các gi thi t và gi ấ ử ụ i h n quan tr ng nh t s d ng trong mô hình nhi ệ ộ t đ ng

ố ệ ộ ệ ể đ tính toán phân b nhi t đ thanh nhiên li u là:

ệ ươ ả ọ ưở ể ẫ D n nhi t theo ph ụ ng d c tr c có nh h ớ ẫ ng không đáng k so v i d n

ệ ươ ị ỏ ề ườ nhi t theo ph ng bán kính và b b qua do t ỷ ệ l chi u dài đ ng kính thanh

l n;ớ

ẫ ỏ ệ ươ ử ụ ị B qua d n nhi t theo góc ph ố ứ ng v (do s d ng phân tích đ i x ng

tr c);ụ

ề ệ ữ ỗ ướ ổ ờ Các đi u ki n biên gi không đ i trong m i b c th i gian;

ả ế ệ ở ạ ừ Gi thi t dòng nhi tr ng thái d ng; t

ả ế ụ ượ ở ướ Gi thi ệ t thanh nhiên li u hình tr tròn đ c bao quanh b i n c làm mát.

ố ệ ộ ệ ạ Hình 3. 3. Phân b nhi t đ thanh nhiên li u h t nhân [3]

ệ ộ ỏ ọ ệ ư ồ Hình 3. 4. L u đ tính toán nhi t đ nhiên li u và v b c [3] [4]

ệ ộ ố ấ 3.3.1.1. Nhi t đ kh i ch t làm mát

ệ ộ ố ượ ả ế Nhi ấ t đ kh i ch t làm mát đ c tính toán theo gi thi ơ t kênh làm mát đ n

kênh và là kênh kín:

(3.1)

ệ ộ ố ạ ộ ụ Trong đó, Tb(z) là nhi ấ t đ kh i ch t làm mát t i đ cao z theo tr c thanh

in là nhi

ệ ộ ấ ố ượ ệ nhiên li u (K), T t đ ch t làm mát l i vào (K), q”(z) là thông l ng nhi ệ t

2), Cp là nhi

ệ ạ ộ ệ ủ ấ ề ặ b m t thanh nhiên li u t i đ cao z (W/m t dung c a ch t làm mát

2), Af là di n tích kênh ệ

ượ ố ủ (J/kg.K), G là thông l ấ ng kh i c a ch t làm mát (kg/s.m

2), Do là đ

ấ ườ ủ ỏ ọ dòng ch t làm mát (m ng kính ngoài c a v b c.

ệ ộ ề ặ ệ 3.3.1.2. Nhi t đ b m t thanh nhiên li u

ệ ộ ề ặ ệ ạ ộ ệ Nhi t đ b m t thanh nhiên li u t ụ i đ cao z theo tr c thanh nhiên li u:

ệ ộ ố ạ ộ ụ Trong đó, Tb(z) là nhi ấ t đ kh i ch t làm mát t i đ cao z theo tr c thanh

w(z) là nhi

f(z)

ệ ộ ề ặ ệ ạ ộ ệ nhiên li u (K), T t đ b m t thanh nhiên li u t i đ cao z (K), ∆T

cr(z) là độ

ệ ộ ớ ố ư ưỡ ứ ạ ộ ộ ả là đ gi m nhi t đ l p màng đ i l u c ng b c t i đ cao z (K), ∆T

ox(z) là đ gi m nhi

ả ệ ộ ớ ạ ấ ề ặ ạ ộ ộ ả gi m nhi t đ l p t p ch t b m t t i đ cao z (K), ∆T ệ ộ t đ

sat là nhi

JL là độ

ạ ộ ệ ộ ủ ớ l p oxit t i đ cao z (K), T ấ t đ bão hòa c a ch t làm mát (K), ∆T

ả ệ ộ ạ ộ gi m nhi t đ sôi nhân t i đ cao z.

3.3.1.3. Gradien nhi ệ ộ ỏ ọ t đ v b c

ệ ộ ỏ ọ ượ ứ ề Gradien nhi t đ v b c đ ể c tính toán theo bi u th c truy n nhi ệ ạ t tr ng

ố ụ ớ ộ ẫ ừ ệ ồ ấ thái d ng qua kh i tr v i đ d n nhi t đ ng nh t:

o là bán kính ngoài c a vủ ỏ

ộ ả ệ ộ ỏ ọ Trong đó, ∆Tc là đ gi m nhi t đ v b c (K), r

i là bán kính trong c a v b c (m), k

ỏ ọ ủ ệ ủ ớ ọ b c (m), r ộ ẫ c là đ d n nhi ỏ ọ t c a l p v b c

(W/m.K).

ệ ộ ố ệ 3.3.1.4. Gradien nhi ỏ ọ t đ khe tr ng nhiên li u v b c

ệ ộ ỏ ọ ệ ố ượ ự Gradien nhi t đ khe tr ng nhiên li u v b c đ c tính toán d a trên

ượ ệ ề ặ ệ ạ ộ ộ ẫ ệ ủ thông l ng nhi t b m t thanh nhiên li u t i đ cao z và đ d n nhi t c a khe

ỏ ọ ệ ố tr ng nhiên li u v b c:

ượ ệ ề ặ Trong đó, h = hr + hgas + hsolid, q”(z) là thông l ng nhi t b m t thanh nhiên

2), hr là đ d n nhi

2.K), hgas là đ d n ộ ẫ

ệ ạ ộ ộ ẫ ệ ứ li u t i đ cao z (W/m ạ t b c x (W/m

2.K), hsolid là đ d n nhi

ệ ủ ứ ố ộ ẫ ệ ế nhi t c a khe tr ng ch a khí (W/m t do ti p xúc nhiên

2.K).

ệ ỏ ọ li u v b c (W/m

ố ệ ộ ệ 3.3.1.5. Phân b nhi ố t đ viên g m nhiên li u

ố ệ ộ ệ ố ượ ự Phân b nhi t đ viên g m nhiên li u đ ẫ c tính toán d a trên mô hình d n

ệ ươ ứ ữ ể ươ nhi t theo ph ạ ng pháp sai phân h u h n. Bi u th c tích phân ph ng trình đ ộ

ệ ừ ạ ẫ d n nhi t trong tr ng thái d ng:

(3.6)

2), n là

ộ ẫ ệ ề ặ ể Trong đó, k là đ d n nhi t (W/m.K), s là b m t th tích tính toán (m

3), T là nhi

ơ ườ ồ ệ ị ề ặ vecto đ n v b m t thông th ng, S là ngu n nhi t bên trong (W/m tệ

3), x là t a đ không gian (m).

ọ ộ ể ộ đ (K), V là th tích tính toán (m

ấ ệ ệ ố ượ ướ C u trúc nhi t (viên g m nhiên li u) đ c chia thành các ô l i sai phân

ể ướ ấ ấ ỉ ạ ể ướ ẽ ẫ ế ớ ữ ạ h u h n v i các đi m l i. L y x p x sai phân t i các đi m l i s d n đ n h ệ

ươ ế ề ệ ầ ớ ố ệ ộ ph ng trình tuy n tính. V i các đi u ki n ban đ u và các thông s nhi t đ ng,

ượ ệ ạ ự ể ướ các tính toán đ c th c hi n t i các đi m l i (Hình 3.5).

ố ể ướ Hình 3. 5. Phân b đi m l i sai phân [3]

ơ ọ 3.3.2. Mô hình c h c

ượ ự ọ ử ụ Mô hình c h c ơ ọ FRACASI đ c l a ch n s d ng trong các tính toán v ề

ừ ứ ệ ế ế ạ ấ ạ ạ ẻ bi n d ng thanh nhiên li u trong tr ng thái d ng ( ng su t, bi n d ng d o).

ỏ ọ ế ạ ồ ớ Trong đó, mô hình FRACASI g m mô hình bi n d ng l p v b c và mô hình

ế ệ ạ bi n d ng nhiên li u.

ỏ ọ ự ế ạ ớ ả ế Mô hình bi n d ng l p v b c trong FRACASI d a trên gi thi t:

ộ ẻ ế Lý thuy t tăng đ d o;

ậ Quy lu t dòng PrandtlReuss;

ề ơ ọ ẳ ự ướ S hóa b n c h c đ ng h ng;

ấ ứ ỏ ọ ứ ớ ỏ ố ệ ộ ộ L p v b c m ng ( ng su t, s c căng và phân b nhi t đ qua đ dày v ỏ

b c);ọ

ỏ ọ ệ ượ ế ế ệ ả ượ N u nhiên li u ti p xúc v b c thì không x y ra hi n t ng tr t theo

ụ ở ề ặ ỏ ọ ớ tr c ệ b m t nhiên li u l p v b c;

ỏ ọ Ứ ế ấ ạ ể ố ớ ng su t và bi n d ng u n l p v b c không đáng k ;

ỏ ọ ố ứ ả ọ ủ ớ ụ ế ạ T i tr ng và bi n d ng c a l p v b c đ i x ng tr c;

ự ế ệ ạ ả ế Mô hình bi n d ng nhiên li u trong FRACASI d a trên gi thi t:

ở ỉ ệ ự ế ồ ở Ch có giãn n nhi ạ t, ph ng n và s nén ép là nguyên nhân bi n d ng

nhiên li u;ệ

ự ả ệ ở ở Không có s c n tr giãn n nhiên li u;

ự ế ủ ệ ạ Không có s bi n d ng rão c a nhiên li u;

ấ ủ ệ ẳ ướ Các tính ch t c a nhiên li u là đ ng h ng.

ệ ế ạ ượ ự Mô hình phân tích bi n d ng thanh nhiên li u đ c xây d ng theo 2 c ch ơ ế

ậ ả ườ ầ ợ ậ v t lý x y ra trong quá trình v n hành. Tr ệ ả ng h p đ u tiên x y ra khi nhiên li u

ỏ ọ ế ớ ườ ế ầ ợ l p v b c không ti p xúc. Trong tr ả ng h p này, c n ph i quan tâm đ n các

ấ ố ố ệ ộ ụ ể ủ ớ thông s áp su t bên trong, bên ngoài và phân b nhi t đ c th c a l p v ỏ

ườ ợ ượ ế ố ọ ở ơ ườ ứ ợ thanh. Tr ng h p này đ c g i là c ch “khe tr ng m ”. Tr ng h p th hai

ỏ ọ ệ ệ ế ớ ệ ộ ớ là khi nhiên li u l p v b c ti p xúc (nhiên li u có nhi ỏ ọ ơ ớ t đ l n h n l p v b c

ớ ớ ỏ ọ ế ế ở ệ ộ ệ ẫ d n đ n giãn n và ti p xúc v i l p v b c). Nhi t đ nhiên li u có xu h ướ ng

ẫ ở ệ ỏ ọ ườ ợ ế ự gia tăng d n đ n s giãn n nhi ớ t làm phình l p v b c. Tr ng h p này đ ượ c

ể ả ế ố ơ ố ọ g i là c ch “khe tr ng đóng”. Ngoài ra, khe tr ng đóng có th x y ra do s ự

ủ ớ ỏ ọ ệ ấ ở ồ ị ị ủ ph ng n , tái đ nh v và rão c a l p v b c lên nhiên li u do áp su t cao c a

ấ dòng ch t làm mát.

ươ ươ Các ph ng trình 3.7 3.12 là ph ng trình chính trong mô hình FRACASI:

ướ ẻ ạ ố ượ ự ị ầ d p Tr ế c tiên, các s gia bi n d ng d o ban đ u đ c xác đ nh. D a trên

ấ ệ ữ ứ ị ả ứ ấ nh ng giá tr này và ng su t l ch thu đ ượ ừ ế c t k t qu ng su t, các ph ươ ng

ế ạ ằ ị ượ ậ trình cân b ng, đ nh lu t Hooke và bi n d ng đ ố ớ c tính toán đ i v i các liên quan

ứ ự ụ ệ ế ạ ấ ồ ồ ồ ệ ẻ ế đ n s đàn h i bao g m bi n d ng d o đàn h i hi u d ng và ng su t hi u

e d p

ẻ ế ế ạ ố ượ d ng σ ụ ố e (Hình 3.6). Cu i cùng, các s gia bi n d ng d o ti p theo đ c tính

ậ ượ ệ ặ ạ ự toán t ừ quy lu t dòng PrandtlReuss. Quá trình này đ c th c hi n l p l i cho

ộ ụ d pe ế đ n khi h i t (Hình 3.6).

ư ồ ế ạ ồ Hình 3. 6. L u đ tính toán bi n d ng đàn h i [3]

3.3.3. Mô hình phát tán khí phân h chạ

ạ ượ ử ụ ể Mô hình phát tán khí phân h ch Forsberg Massih đ c s d ng đ tính

ệ ở ạ ừ ạ toán t ỷ ệ l phát tán khí phân h ch trong thanh nhiên li u tr ng thái d ng.

ổ ươ ượ ụ ạ ộ ộ ạ ộ T ng đ ng l ng khí phân h ch (ph thu c đ cháy) t ủ i đ cao z c a

thanh nhiên li u:ệ

(3.13)

ổ ươ ượ ạ Trong đó, GPT(z) là t ng đ ng l ng khí phân h ch (mole), BU(z) là đ ộ

3), VF(z) là th tích nhiên li u (cm

3), Av

ệ ở ộ ạ ệ ể cháy nhiên li u đ cao z (phân h ch/cm

ộ ạ ạ ằ ố ố ử ạ là h ng s Avogadro, PR là t c đ t o khí phân h ch (nguyên t /100 phân h ch)

ố ớ đ i v i các khí krypton, xenon và heli.

ươ ế Ph ng trình khuy ch tán khí:

(3.14),

β ượ ượ ằ Trong đó, C là hàm l ng khí, là hàm l ng khí sinh ra, D là h ng s ố

ế ờ khuy ch tán, t là th i gian.

ố ớ ở ạ ớ ộ ừ Đ i v i khí phát tán tr ng thái d ng (T <1381 K) v i đ cháy cao thì t ỷ ệ l

ượ khí phát tán đ c tính:

(3.15)

ụ ộ ộ Trong đó, F là t ỷ ệ l ố khí phát tán, BU là đ cháy c c b (GWd/tU), C = 0 đ i

ố ớ ộ ớ v i BU ≤40 GWd/tU, C = 0,01.(BU 40)/10 đ i v i đ cháy >40 GWd/tU và F

≤0,05.

3.3.4. Mô hình oxy hóa và hydro hóa

ớ ộ ượ ủ ớ Các tính toán đ dày l p oxit và hàm l ỏ ọ ng hydrua tích lũy c a l p v b c

ự ệ ậ ố nhiên li u trong quá trình v n hành d a trên mô hình oxy hóa và hydrua hóa đ i

ỏ ọ ợ ớ ậ ệ v i v t li u v b c là h p kim zirconi Zr1%Nb.

ỏ ọ ủ ậ ằ ộ ớ ợ Đ dày l p oxit c a v b c b ng h p kim zirconi Zr1%Nb là hàm b c ba

ế ủ ớ ụ ể ờ ộ ộ ph thu c vào th i gian khi đ dày chuy n ti p c a l p oxit <7μm:

(3.16)

9 (m3/day), Q1 = 27446

ộ ớ Trong đó, s là đ dày l p oxit (m), A = 6,3.10

ệ ộ ề ặ (cal/mol), R = 1,98 (cal/mol.K), T1 là nhi ờ ạ t đ b m t kim lo i oxit (K), t là th i

gian (days).

ươ Tích phân Ph ng trình 3.16, ta có:

(3.17)

ướ ế ờ Trong đó, i, i+1 là b c th i gian liên ti p.

ụ ế ộ ớ ộ ộ ớ Khi đ dày l p oxit ≥7 μm, đ dày l p oxit là hàm tuy n tính ph thu c vào

ượ thông l ơ ng n tron:

(3.18)

ể ữ ả ồ ớ ộ ệ ộ ề ặ Do ph n h i đáng k gi a đ dày l p oxit và nhi ạ t đ b m t kim lo i

ự ươ ữ ộ ậ ộ ố ượ oxit nên có s t ớ ng quan gi a đ dày l p oxit và m t đ kh i l ử ụ ng. S d ng

ỉ ấ x p x tích phân ta có:

(3.19)

ớ ộ ượ Sau đó, đ dày l p oxit đ c tính:

(3.20)

2), To là nhi

ậ ộ ố ượ ệ ộ ề ặ Trong đó, ∆w là m t đ kh i l ng (g/cm t đ b m t oxit

3/g), Q2

λ γ ấ ệ ủ ớ ch t làm mát, ộ ẫ là đ d n nhi t c a l p oxit (W/cm.K), = 0,6789 (cm

2), ko = 11863+3,5.104.(1,91.10

ượ ệ =29816 (cal/mol), q” là thông l ng nhi t (W/cm

15Ф) 0,24 (g/(cm2.day)), Ф là thông l

2/s).

ượ ơ ng n tron nhanh (E >1MeV) (n/cm

ữ ỏ ọ ợ ố ớ ả ứ ỏ ọ ớ Đ i v i quá trình hydro hóa l p v b c, khi ph n ng gi a v b c h p kim

ướ ả ả ị ấ và n c x y ra thì t ỷ ệ l hydro gi i phóng và b h p th c c b b i v b c đ ụ ụ ộ ở ỏ ọ ượ c

ạ ộ ả ứ ủ ề ướ ọ g i là t ỷ ệ l ệ tích lũy hydro. Trong đi u ki n ho t đ ng c a lò ph n ng n c áp

ệ ố ỷ ệ ượ ệ ả ỉ ự l c thì h s t l tích lũy hydro đ ậ ồ c ch ra theo ph n h i kinh nghi m v n

ố ớ ợ ị ố hành và đ i v i h p kim zirconi Zr1%Nb thì t ỷ ệ l này có tr s là 0,1.

ƯƠ Ư Ặ Ệ CH NG 4 . PHÂN TÍCH Đ C TR NG THANH NHIÊN LI U TVS2006

ể ặ ế ế ệ 4.1. Đ c đi m thi t k thanh nhiên li u TVS2006

ơ ở ủ ệ ế ế ệ ử ụ ả ứ C s c a vi c thi t k thanh nhiên li u s d ng trong lò ph n ng VVER

ự ệ ế ế ậ ủ ế AES2006 (TVS2006) ch y u d a trên kinh nghi m thi t k và v n hành trong

ổ ẩ ồ các t lò VVER1000. Trong đó bao g m các bài toán chu n (benchmark) cũng

ế ớ ư ự ệ nh các tính toán, phân tích th c nghi m trên th gi ạ i thông qua quá trình ho t

ả ứ ủ ạ ướ ộ đ ng c a các lò ph n ng h t nhân n ự c áp l c khác.

ề ơ ả ấ ế ế ệ V c b n, c u trúc thi ề t k thanh nhiên li u TVS2006 không có nhi u

ớ ổ ế ế ử ụ ả ứ thay đ i so v i các thi t k s d ng trong lò ph n ng VVER1000, trong đó bao

ầ ầ ầ ướ ỏ ợ ằ ầ ớ ố ồ g m các ph n đ u trên, đ u d i và ph n thân ng b ng l p v h p kim zirconi

E110 (Zr1%Nb) (Hình 4.1).

ứ ủ ệ ể ả ầ ố ẩ ộ Ph n trên c a thanh nhiên li u có m t vùng tr ng đ ch a các s n ph m

ỏ ọ ủ ự ẩ ả ằ ả ạ ớ ạ phân h ch nh m gi m áp l c lên l p v b c c a các s n ph m khí phân h ch

ố ớ ớ ỏ ọ ậ ố ượ sinh ra trong quá trình v n hành đ i v i l p v b c. Vùng tr ng này đ ạ c n p

ấ ằ ớ ượ ầ ơ ầ đ y b ng khí heli v i áp su t 2,1 MPa. Khí heli đ c b m đ y trong thanh nhiên

ừ ự ứ ủ ớ ỏ ợ ệ ộ li u giúp ngăn ng a s n t gãy c a l p v h p kim zirconi E110 do các tác đ ng

ự ấ ồ ờ ả ạ ủ c a áp l c ch t làm mát và khí phân h ch phát tán trong thanh, đ ng th i c i

ệ ố ơ ề ả ố ớ thi n t t h n kh năng truy n nhi ệ ừ t t ỏ ọ ệ viên g m nhiên li u sang l p v b c.

ạ ớ ế ị ể ệ ỗ ấ Ngoài ra, khí heli r t nh y v i các thi t b ki m tra giúp phát hi n l ỏ i sai h ng rò

ế ạ ệ ắ ộ ỉ ủ r c a thanh nhiên li u trong toàn b các quá trình l p ráp ch t o bó thanh nhiên

ệ ậ ả li u và ngay c trong quá trình v n hành.

ệ ộ ượ ữ ổ ệ ạ ở ị C t nhiên li u bên trong luôn đ c gi n đ nh b i vòng đ m, giúp h n ch ế

ươ ớ ớ ơ ọ ỏ ọ ữ ệ ố ố t i đa t ng tác c h c gi a các viên g m nhiên li u v i l p v b c thanh nhiên

ư ạ ả ể ể ệ ậ ằ ị li u và cân b ng d ch chuy n trong quá trình v n chuy n cũng nh n p t i nhiên

li u.ệ

ộ ố ả ố ế ế ả ặ B ng 4.1 trình bày m t s thông s thi t k và Hình 4.1 mô t ể đ c đi m

ệ ủ c a thanh nhiên li u TVS2006.

ả ố ế ế ệ B ng 4. 1. Các thông s thi t k thanh nhiên li u TVS2006 [12]

Thông số Giá trị

ố ệ Viên g m nhiên li u UO

ầ ồ ị Thành ph n đ ng v urani:

ố ượ U235, %kh i l ng 3,58

ố ượ U238, %kh i l ng 96,36

ố ượ U234, %kh i l ng 0,03

ố ượ U236, %kh i l ng 0,03

ố ượ ổ ố ượ T ng kh i l ng urani, % kh i l ng 87,88

ố ượ ạ ấ T p ch t, % kh i l ng < 0,08

235), %

ộ Đ làm giàu (U 1,62,02,43,03,64,04,4

ỷ ố T s O/U 2,0002,015

2, g/cm3

ậ ộ ệ M t đ nhiên li u UO 10,410,7

ướ ạ ể Kích th c h t tinh th , µm 1020

ạ ố ớ ỗ ố ở Hình d ng viên g m, ụ ỗ Hình tr r ng v i l tr ng tâm

ườ ố Đ ng kính ngoài viên g m, mm 7,60,03

ườ ỗ ố ở Đ ng kính l tr ng tâm, mm 1,2+0,2

ề ố Chi u cao viên g m, mm 9,012,0

ớ ỏ ọ ệ L p v b c nhiên li u (Zr1%Nb, E110)

ợ ầ Thành ph n h p kim:

ố ượ Zr, % kh i l ng 98,6798,87

ố ượ Nb, % kh i l ng 0,91,1

ố ượ O, % kh i l ng < 0,1

ố ượ N, C, Si, Al, Mo, Ni, Fe, % kh i l ng < 0,13

ườ Đ ng kính ngoài, mm 9,1±0,04

ườ Đ ng kính trong, mm 7,73+0,06

ấ ậ ệ ề ệ ẩ Tính ch t v t li u (đi u ki n tiêu chu n):

ệ Nhi t dung riêng, kJ/kg.

0,25 ệ ố ẫ ệ H s d n nhi t, W/m.

17,2 ậ ộ M t đ , g/ cm3

6,55 Môđun Young, MPa

9,4x104 ỷ ố ụ T s Poison, (theo tr c/theo bán kính)

0,346/0,354 ứ ụ ạ i h n kéo đ t (theo tr c/theo bán kính),

ớ Gi MPa 380440/360420

ụ ạ ồ i h n đàn h i (theo tr c/theo bán kính), 210260/320390

ớ Gi MPa

Thanh nhiên li uệ

ạ Hình d ng thi ế ế t k Xem Hình 4.1

ề ổ T ng chi u dài thanh, mm 4033,0

ệ ề ộ Chi u cao c t nhiên li u, mm 3730

ố ượ Kh i l ng ệ nhiên li u trong thanh, kg 1,712

ề ố Chi u cao vùng tr ng trong thanh , mm 252

ầ ấ Áp su t khí ban đ u, MPa 2,1

ầ Thành ph n khí:

ể He, % th tích > 99,99

ể ạ ấ T p ch t, % th tích < 0,01

Vòng đ m:ệ ỉ Thép không g 12X18H10T

ố S vòng 40

ườ Đ ng kính ngoài, mm 7,5692

ườ ắ Đ ng kính dây xo n, mm 1,00076

ạ ệ Hình 4. 1. Thanh nhiên li u h t nhân TVS2006 [12]

ấ ẩ ậ ử ụ 4.2. Tiêu chu n ch p nh n s d ng trong phân tích [12]

ố ớ ệ ạ ứ Đ i v i các nhà máy đi n h t nhân, ể đ đáp ng các tiêu chí an toàn chung

ộ ệ ố ủ ừ ả ứ ư ặ ạ ố ớ đ i v i toàn b h th ng, ự d a trên đ c tr ng riêng c a t ng lo i lò ph n ng mà

ẩ ố ớ các tiêu chu n gi ậ ớ ạ v n hành i h n ụ ể an toàn c th trong thi ế ế đ i v i các thanh t k

ể ệ ậ ạ ộ nhiên li u h t nhân có th khác nhau . Trong n i dung lu n văn này trình bày các

ử ụ ủ ể ẩ ấ ậ ế ế tiêu chu n ch p nh n c a Liên Bang Nga s d ng đ đánh giá thi t k thanh

ơ ả ệ ư ẩ ồ nhiên li u và c b n đ ượ đ a ra theo c 4 tiêu chu n gi ớ ạ bao g m: Tiêu i h n

ề ộ ề ẩ ề ộ ế ẩ chu n v đ b n (Strength Criteria ạ SC), tiêu chu n v đ bi n d ng

ề ẩ ậ (Deformation Criteria DC), tiêu chu n v nhi ệ v t lý (Thermal physic Criteria t

ề ẩ TC) và tiêu chu n v ăn mòn (Corrosion Criteria KC). Đây là các tiêu chu nẩ

ụ ệ ề ậ ườ ế ể ớ ượ đ c áp d ng trong đi u ki n v n hành bình th ng và chuy n ti p v i các s ự

ệ ấ ườ ki n b t th ng trong thi ế ế t k .

ẩ ề ộ ề 4.2.1. Tiêu chu n v đ b n

ứ ứ ấ ớ ỏ ọ 4.2.1.1. SC1 Các n t gãy l p v b c do ăn mòn ng su t (SCC)

ố ớ ơ ể ả ệ ệ ề ả ộ ề ủ Đi u ki n chung đ đ m b o đ b n c a thanh nhiên li u đ i v i c ch ế

ế ậ ả ả ầ ỏ ọ ầ SCC là c n ph i gi m các khuy t t ề ặ ớ t ban đ u trên b m t l p v b c và ngăn

ặ ự ế ậ ậ ể ủ ch n s phát tri n c a các khuy t t t trong quá trình v n hành.

θ c a l p v b c c n ph i đ m b o:

ấ ế ệ ứ ề ế ỏ ọ ầ ả ả ủ ớ ả Do đó, đi u ki n ng su t ti p tuy n σ

σ θ < [σSC1],

SC1] = 230 MPa là ngứ

ỏ ọ ứ ủ ế Trong đó, σθ là ng su t ti p tuy n c a v b c, [σ ấ ế

ưỡ ỏ ọ ế ậ ủ ế ạ ấ su t ng ng SCC c a v b c E110 đã chi u x có các khuy t t ầ t ban đ u ≤35

µm.

ị Biên an toàn thi ế ế ượ t k đ c xác đ nh:

K = [σSC1]/ σ θ ≥ [KSC1], trong đó [KSC1] = 1,2 là biên an toàn chu nẩ .

Ứ ấ ưỡ 4.2.1.2. SC2 ng su t ng ủ ớ ỏ ọ ng c a l p v b c

Ứ ấ ươ ươ ấ ủ ớ ệ ớ ng su t t ng đ ỏ ọ ng l n nh t c a l p v b c nhiên li u không đ ượ c

ồ ủ ậ ệ ớ ỏ ọ ứ ấ ượ v t quá ng su t đàn h i c a v t li u l p v b c.

0.2, trong đó, σ0.2 là ng su t ấ

σ σ σ Ứ ớ ạ ượ ị ứ ấ ng su t gi i h n [ ] đ c xác đ nh: [ ] =

ch y.ả

ẩ ề ự ả ộ ề ớ ỏ ọ 4.2.1.3. SC3 Tiêu chu n v s suy gi m đ b n l p v b c

ượ ử ụ ị ủ ớ ể ố ẩ Tiêu chu n này đ ỏ ọ c s d ng đ đánh giá biên ch ng ch u c a l p v b c

ỏ ọ ầ ả ả ệ ề ả ấ ớ trong các đi u ki n áp su t khác nhau. L p v b c c n ph i đ m b o đ ượ ứ c s c

ề ế ị ướ ề ệ ượ ấ ướ ủ ế ch u b n ti p tuy n d i đi u ki n v t quá c a áp su t n c làm mát. Do đó,

ề ệ ề ấ ượ ử ụ ố ớ ẩ ấ ủ đi u ki n v áp su t c a ch t làm mát đ c s d ng đ i v i tiêu chu n này:

Pcool < [Plim],

lim] là gi

ấ ấ ớ ạ ế ế ủ Trong đó, Pcool là áp su t ch t làm mát, [P i h n thi ấ t k c a áp su t

ấ ch t làm mát.

lim]/Pcool ≥ [KSC3],

ố ớ ẩ ượ ị Biên an toàn đ i v i tiêu chu n này đ c xác đ nh: K = [P

SC3] = 1,5.

ẩ ẩ ố ớ Biên an toàn chu n đ i v i tiêu chu n này [K

ớ ạ ế ạ 4.2.1.4. SC4 Gi ẻ ủ ớ ỏ ọ i h n bi n d ng d o c a l p v b c

ượ ử ụ ộ ề ớ ỏ ọ ể ướ ẩ Tiêu chu n này đ c s d ng đ đánh giá đ b n l p v b c d ề i đi u

ưở ệ ủ ắ ầ ờ ệ ả ki n nh h ơ ng c nhi ẩ t trong th i gian ng n khi yêu c u chung c a tiêu chu n

ượ ấ ượ ứ ứ ớ ạ ế ậ ủ SC1 đ ư c đáp ng, nh ng ng su t v t quá gi i h n thi ẩ t l p c a tiêu chu n

ế ậ ế ể ủ ầ SC1. Trong đó, có xét đ n các khuy t t ư ự t ban đ u cũng nh s phát tri n c a các

ế ậ ề ặ ớ ỏ ọ khuy t t t trên b m t l p v b c.

ẻ ủ ớ ỏ ọ ế ế ẻ ế ế ạ ẩ ạ Tiêu chu n bi n d ng d o c a l p v b c là bi n d ng d o ti p tuy n tích

≤ [ qe

lũy không đ ượ ượ c v t quá 0,5%: ],

ủ ớ ỏ ọ ế ẻ ế ạ Trong đó, ế là bi n d ng d o ti p tuy n tích lũy c a l p v b c, [ ] =

ớ ạ ế ẻ ế ế ạ 0,5% là gi i h n bi n d ng d o ti p tuy n.

ẩ ề ộ ế ạ 4.2.2. Tiêu chu n v đ bi n d ng

4.2.2.1. DC1 Gi ớ ạ ự ế ổ ườ i h n s bi n đ i đ ớ ỏ ọ ng kính l p v b c

ị ớ ạ ổ ườ ệ ớ ượ ị Giá tr gi ế i h n bi n đ i đ ỏ ọ ng kính l p v b c nhiên li u đ c quy đ nh

ộ ế ế ủ ệ ỗ ố ớ đ i v i toàn b thi ườ t k bó thanh nhiên li u. Đ ng kính c a m i thanh nhiên

ệ ể ả ả ặ ả ướ ủ ộ li u có th tăng ho c gi m sao cho đ m b o kích th c c a toàn b bó thanh

ư ư ệ ặ ả nhiên li u gi m nh ng không quá 0,10 mm ho c tăng nh ng không quá 0,05 mm

ề ệ ậ trong các đi u ki n v n hành.

DC1] = 1,2.

ố ớ ẩ ượ Biên an toàn đ i v i tiêu chu n này đ ị c xác đ nh [K

ớ ạ ủ ệ 4.2.2.2. DC2 Gi i h n giãn dài c a thanh nhiên li u

ệ ượ ủ ộ ớ ạ Đ giãn dài c a thanh nhiên li u đ c gi ữ ầ ả i h n trong kho ng cách gi a đ u

ủ ủ ệ ệ ầ ố ch t trên c a thanh nhiên li u và đ u trên c a bó thanh nhiên li u.

ạ ạ ớ ủ ệ ạ Trong tr ng thái l nh, gi i h n giãn dài c a thanh nhiên li u là 50

ạ ớ ạ mm.Trong tr ng thái nóng, gi i h n giãn dài là 56 mm.

DC2 = H/ΔL,

ố ớ ẩ ượ Biên an toàn đ i v i tiêu chu n này đ ị c xác đ nh: K

ữ ầ ủ ệ ả ố Trong đó, H là kho ng cách gi a đ u ch t trên c a thanh nhiên li u và l ướ i

ở ầ ệ ớ ộ ủ chia đ u bó thanh nhiên li u (không tính t ệ i đ giãn dài c a thanh nhiên li u),

ộ ươ ố ế ạ ố ủ ệ ầ ΔL là đ giãn dài t ng đ i c a thanh nhiên li u theo thông s ch t o ban đ u.

DC2] = 1,25.

ố ớ ẩ ẩ ượ Biên an toàn chu n đ i v i tiêu chu n này đ ị c xác đ nh [K

ẩ ề ệ 4.2.3. Tiêu chu n v nhi ậ t v t lý

ớ ạ ệ ộ ủ ệ 4.2.3.1. TC1 Gi i h n nhi t đ c a nhiên li u

melt,

ớ ạ ệ ộ ủ ệ ượ ệ ộ Gi i h n nhi t đ c a nhiên li u đ ị c xác đ nh là nhi ả ủ t đ nóng ch y c a

ệ nhiên li u: [T] = T

melt là nhi

ớ ạ ệ ộ ệ ệ ộ Trong đó, [T] là gi i h n nhi t đ nhiên li u, T ả ủ t đ nóng ch y c a

melt (UO2) = 2.840 – 0,56.B (oC), B là đ cháy (MWd/kgU)).

ộ nhiên li u (Tệ

TC1] = 1,1.

ẩ ẩ ố ớ Biên an toàn chu n đ i v i tiêu chu n này là [K

ớ ạ ệ ấ 4.2.3.2. TC2 Gi i h n áp su t khí bên trong thanh nhiên li u

ệ ấ Áp su t khí bên trong thanh nhiên li u không đ ượ ượ c v t quá áp su t c a h ấ ủ ệ

ẩ ủ ố ớ ơ ấ ấ ố ỹ th ng vòng s c p (đ i v i tiêu chu n c a Âu M , áp su t khí bên trong thanh

<100 bar):

ấ ệ ố ơ ấ [Pg] = Pc, trong đó Pc là áp su t h th ng vòng s c p;

TC2] = 1,1.

ố ớ ẩ ẩ ượ Biên an toàn chu n đ i v i tiêu chu n này đ ị c xác đ nh: [K

ẩ ề 4.2.4. Tiêu chu n v ăn mòn

ự ủ ớ ỏ ọ ề ặ 4.2.4.1. KC1 S oxy hóa b m t bên ngoài c a l p v b c

ớ ạ ộ ớ Gi i h n đ dày l p oxit [h] = 60 µm,

KC1] = 1,5.

ố ớ ẩ ượ Biên an toàn đ i v i tiêu chu n này đ ị c xác đ nh [K

ự ớ ỏ ọ 4.2.4.2. KC2 S hydro hóa l p v b c

ớ ạ ượ ỏ ọ ố ớ ụ ẩ ấ ớ Gi i h n hàm l ng hydro h p th trong l p v b c đ i v i tiêu chu n này

ị ượ đ c xác đ nh [H] = 0,04%.

ươ 4.3. Ph ng pháp phân tích và mô hình hóa [10] [24]

ươ 4.3.1. Ph ng pháp phân tích

ươ ộ ậ ế ế ệ Ph ng pháp đánh giá đ c l p thi ử ụ t k thanh nhiên li u TVS2006 s d ng

trong phân tích:

ố ớ ự ệ Xây d ng mô hình hóa FRAPCON3.5 đ i v i thanh nhiên li u TVS2006

ữ ệ ế ế ừ ồ ơ ơ ộ ử ụ s d ng d li u thi t k t H s phân tích an toàn s b PSARAES2006;

ả ị ố ư ầ ủ ặ ấ ầ ấ ỉ Gi đ nh ho c l y x p x các thông s ch a đ y đ trong input đ u vào và

ử ụ ự ệ ươ th c hi n tính toán s d ng ch ng trình FRAPCON3.5;

ả ử ụ ế ẩ Phân tích các k t qu s d ng đánh giá theo các tiêu chu n thi ế ế ượ c t k đ

ấ ậ ch p nh n.

ệ 4.3.2. Mô hình hóa thanh nhiên li u TVS2006

ượ ử ụ ươ ệ Thanh nhiên li u TVS2006 đ c mô hình hóa s d ng ch ng trình

ự ố ế ế ữ ệ ế ậ FRAPCON3.5 d a trên các thông s thi t k , d li u tham chi u trong v n hành

ệ ở ử ổ ữ ệ ượ ư ừ th nghi m các t lò VVER1000 và d li u đ c đ a ra t PSARAES2006:

ướ ủ ề ệ ệ Kích th c c a thanh nhiên li u và các đi u ki n biên đ ượ ấ ừ ữ ệ d li u c l y t

ế ế ệ ượ ụ ằ ạ ọ thi t k . Thanh nhiên li u đ ặ c chia thành 50 đo n d c tr c b ng nhau; 17 m t

ươ ể ằ biên theo ph ng bán kính; 45 vành th tích b ng nhau theo bán kính;

ạ ộ ự ủ ệ ệ ỳ Các tính toán th c hi n trong 4 chu k ho t đ ng c a nhiên li u (1372,8

ệ ụ ngày hi u d ng EFPD):

ử ị ượ ấ ừ ữ ệ ủ ấ ử ụ + L ch s công su t s d ng trong tính toán đ d li u c a PSAR c l y t

ữ ệ ệ ở ử ậ ổ ế AES2006 và d li u tham chi u trong v n hành th nghi m các t lò VVER

1000 (Hình 4.2);

ấ ọ ụ ươ ố ủ ả ố + Phân b công su t d c tr c t ng đ i mang tính b o th trong thanh nóng

ấ ượ ử ụ ệ ộ ự ạ ủ ệ nh t đ c s d ng trong đánh giá nhi ỏ ọ t đ c c đ i c a nhiên li u và v b c

ả thanh (B ng 4.2).

ố ộ ệ ủ ệ ế Hình 4. 2. T c đ sinh nhi t tuy n tính c a thanh nhiên li u TVS2006 [12] [24]

ả ấ ọ ữ ệ ụ ươ ố ố ủ B ng 4. 2. D li u phân b công su t d c tr c t ệ ng đ i c a thanh nhiên li u

[12]

Thông số Giá trị

5 15 25 35 45 50 55 65 75 85 95

ề Chi u cao vùng ho t,ạ %

Kz 0,5 0,5

0,8 3 1,0 7 1,2 5 1,3 5 1,35 7 1,3 5 1,2 5 1,0 7 0,8 3

ế ế ệ 4.4. Đánh giá thi t k thanh nhiên li u TVS2006

ơ ế ả ệ 4.4.1. K t qu tính toán c nhi t

ế ả ơ ệ ủ ệ Các phân tích k t qu tính toán c nhi t c a thanh nhiên li u TVS2006

ố ặ ề ơ ư ậ ồ ệ bao g m các tham s đ c tr ng tin c y v c nhi t đó là nhi ệ ộ ự ạ ủ t đ c c đ i c a

ệ ệ ạ nhiên li u, t ỷ ệ l ấ phát tán khí phân h ch và áp su t bên trong thanh nhiên li u do

ẩ ạ ả các s n ph m khí phân h ch sinh ra.

ế ả ố ệ ộ ấ ệ ộ Các k t qu tính toán phân b nhi ệ t đ nhiên li u cho th y nhi t đ nhiên

ị ự ạ ở ầ ỳ ậ ệ ằ ấ ạ li u đ t giá tr c c đ i ứ đ u chu k v n hành th nh t và b ng 1746,53 K

melt = 3113,14 K (2839,99 °С)

ớ ạ ệ ộ (1473,38 oC). Gi i h n nhi ệ t đ nhiên li u là [T] = T

ứ ấ ự ữ ỳ ậ ở ầ ( đ u chu k v n hành th nh t), biên d tr an toàn K = 1,82.

ệ ộ ỳ ậ ủ ệ ượ Nhi t đ trung bình c a nhiên li u trong 4 chu k v n hành không v t quá

ệ ộ ườ ự 1020,4 K (747,25 °С). Nhi t đ trung bình đ ạ ằ ệ ng tâm nhiên li u c c đ i b ng

1064,55 K (791,4 °С).

ệ ộ ỏ ọ ự ạ ớ Nhi ệ t đ trung bình l p v b c nhiên li u có c c đ i là 612,33 K (339,18

ệ ộ ệ ự ạ ề ặ ỏ ọ ớ °С). Nhi t đ trung bình b m t ngoài l p v b c nhiên li u c c đ i là 606,08 K

ị ượ ị ớ ạ (332,93 °С), giá tr này không v t quá giá tr gi i h n 628,15 K (355 °С).

ỷ ệ ệ ạ ằ ở T l phát tán khí phân h ch trong thanh nhiên li u b ng 3,58% ố cu i chu

ứ ụ ộ ự ạ ạ ỳ ậ k v n hành th 4 và t ỷ ệ l phát tán khí phân h ch c c b c c đ i là 3,89%.

ấ ự ạ ỳ ậ ệ ằ Áp su t c c đ i bên trong thanh nhiên li u trong 4 chuy k v n hành b ng

ự ữ 5,69 MPa, biên d tr an toàn K=2,85.

ế ấ ả ộ ộ ệ Các k t qu tính toán đ cháy nhiên li u cho th y đ cháy nhiên li u c c b ệ ụ ộ

ạ ủ ệ ệ ằ ộ ự c c đ i c a thanh nhiên li u b ng 73,62 MWd/kgU. Đ cháy nhiên li u trung

ự ạ ủ ươ ứ ế ớ bình c c đ i c a thanh là 54,33 MWd/kgU. So sánh t ng ng v i các k t qu t ả ừ

PSAR là 71,7 MWd/kgU và 66,0 MWd/kgU.

ớ ế ả ừ ừ ế ả ẩ T các k t qu tính toán và so sánh v i k t qu t PSAR và tiêu chu n cho

ề ặ ư ơ ệ ủ ệ ấ phép v đ c tr ng c nhi ế t c a thanh nhiên li u TVS2006 cho th y các k t

ứ ả ố ư ẩ ậ ợ qu theo tính toán đáp ng khá t ơ t các tiêu chu n đ a ra và phù h p tin c y c

ệ ọ ủ ệ ậ nhi ấ t h c c a thanh nhiên li u TVS2006 trong v n hành. Tuy nhiên, áp su t

ộ ấ ị ủ ệ ệ ộ ề ặ ớ trong thanh nhiên li u và đ b t đ nh c a nhi ỏ ọ t đ b m t bên ngoài l p v b c

ủ ề ị ử ề ể ầ ấ là khá th p. Đi u này có th là do các thông tin không đ y đ v l ch s công

ế ế ộ ấ ị ấ su t thi t k và các đ b t đ nh trong PSARAES2006.

ạ ộ ả ứ ủ ả ẩ ạ Trong quá trình ho t đ ng c a lò ph n ng, các s n ph m khí phân h ch

2 s làm tăng áp su t trong thanh

ả ừ ệ ố ẽ ấ ượ đ c gi i phóng t viên g m nhiên li u UO

ệ ườ ớ ạ ệ ấ nhiên li u. Trong tr ợ ng h p gi ơ i h n áp su t bên trong thanh nhiên li u cao h n

ỏ ọ ơ ấ ể ấ ả ố ẫ ữ ớ áp su t vòng s c p thì kho ng cách gi a l p v b c viên g m có th tăng, d n

ệ ề ả ệ ệ ộ ệ ả ế đ n vi c gi m kh năng truy n nhi t làm gia tăng nhi t đ nhiên li u. Khi đó

ạ ượ ả ề ơ ượ l ng khí phân h ch đ c gi ấ ế ụ i phóng nhi u h n và ti p t c làm gia tăng áp su t

ệ ứ ệ ề ề ễ ộ bên trong thanh nhiên li u. Đi u này gây ra hi u ng dây chuy n di n ra m t

ự ộ ủ ệ ạ ỏ cách t ấ đ ng và t o ra các sai h ng nhanh chóng c a thanh nhiên li u. Áp su t

ế ự ấ ổ ẻ ủ ớ ể ẫ ỏ ọ ệ trong thanh nhiên li u cao có th d n đ n s b t n tính d o c a l p v b c gây

ụ ộ ứ ườ ợ ượ ệ ớ ạ ị ượ ra các đ t gãy c c b . Trong tr ng h p thông l ng nhi i h n b v t t t quá

ế ẽ ẫ ớ ự ụ ể ạ ộ ộ ộ trong tr ng thái chuy n ti p s d n t i s hình thành đ t ng t khí c c b trong

ỏ ọ ự ư ệ ế ẽ ạ ắ ớ thanh nhiên li u gây bi n d ng l p v b c, t c ngh n s l u thông dòng t ả i

ệ ự ủ ệ ậ ỏ nhi t và gây ra s sai h ng c a các thanh nhiên li u lân c n.

ả ượ ế ầ ư ả Do đó, k t qu này c n ph i đ c xem xét thêm. Ngoài ra, theo nh giá tr ị

ấ ượ ả ấ ỉ ị áp su t đ ệ c ch ra trong B ng 4.3 thì giá tr áp su t bên trong thanh nhiên li u

ư ệ ả ậ ồ ư đ a ra trong PSAR là khá cao theo ph n h i kinh nghi m v n hành cũng nh theo

ế ế ớ ề ệ ộ ơ ố ườ thi t k v i chi u dài c t nhiên li u dài h n. Thông s này th ị ằ ng có giá tr n m

ứ ả ả ỳ ậ trong kho ng 10 12 MPa sau 4 chu k v n hành ch không ph i là 15,2 MPa.

ả ượ ề ầ ạ ớ ử ổ ị Đi u này c n ph i đ c đánh giá l i v i các tính toán b sung theo l ch s công

ấ ậ ộ ơ su t có đ tin c y cao h n.

ề ế ả ệ ộ ấ Các k t qu tính toán v nhi t đ , áp su t và t ỷ ệ l ạ phát tán khí phân h ch

ả ượ ư đ c đ a ra trong B ng 4.3 và Hình 4.3 4.12.

ả ế ả ơ ệ ệ B ng 4. 3. Các k t qu tính toán c nhi t thanh nhiên li u TVS2006

Tham số PSAR

Hi u ệ d ngụ C c ự đ iạ

Đ ộ b t ấ đ nhị Giá tr ị i ớ gi h nạ Biên d ự tr an ữ toàn, K*

Biên an toàn chu n,ẩ [K]

ệ ộ t đ nhiên 1551,84 467,84 1,82 1,1

Nhi li u, Kệ 1710,5 3 1860,1 5 3113,1 4

601,56 277,67 606,08 628,15 628,15 1,04

ệ ộ ề t đ b Nhi ỏ ặ m t ngoài v b c, Kọ

2,44 1,14 3,58 3 FGR, %

4,97 0,72 5,69 15,9 16,2 2,85 1,1

ấ Áp su t trong thanh, MPa

ị ớ ạ * K= Giá tr gi ự ạ i h n/C c đ i

ệ ộ ỳ ậ ủ Hình 4. 3. Nhi ệ t đ trung bình c a nhiên li u trong 4 chu k v n hành

ệ ộ ề ệ ệ ọ Hình 4. 4. Nhi t đ trung bình tâm nhiên li u theo chi u d c thanh nhiên li u

ệ ộ ớ ỏ ọ ề ệ ọ Hình 4. 5. Nhi t đ trung bình l p v b c theo chi u d c thanh nhiên li u

ệ ộ ề ặ ớ ỏ ọ ệ ề ọ Hình 4. 6. Nhi t đ b m t bên ngoài l p v b c theo chi u d c thanh nhiên li u

ướ ệ ộ ệ Hình 4. 7. L i nhi ủ t đ trung bình c a thanh nhiên li u

ỷ ệ ủ ệ ạ Hình 4. 8. T l phát tán khí phân h ch c a thanh nhiên li u

ỷ ệ ụ ệ ạ Hình 4. 9. T l phát tán khí phân h ch theo tr c thanh nhiên li u

ấ ệ Hình 4. 10. Áp su t khí bên trong thanh nhiên li u

ỳ ậ ủ ệ ộ Hình 4. 11. Đ cháy trung bình c a thanh nhiên li u trong 4 chu k v n hành

ệ ề ọ ộ Hình 4. 12. Đ cháy theo chi u d c thanh nhiên li u

ộ ề ế ả 4.4.2. K t qu tính toán đ b n

ả ứ ư ệ ậ ệ Kinh nghi m v n hành thanh nhiên li u trong lò ph n ng cũng nh các tính

ấ ề ử ệ ế ế ấ ứ toán phân tích và th nghi m cho th y ng su t b n kéo ti p tuy n là đ i l ạ ượ ng

ủ ớ ỏ ọ ộ ề ư ậ ạ ổ ị ặ đ c tr ng cho đ b n c a l p v b c trong tr ng thái v n hành n đ nh và các

ế ể ề ả ạ ộ ề ủ quá trình chuy n ti p. Đi u này gi i thích t i sao phân tích đ b n c a thanh

ệ ẽ ậ ạ ượ ứ ấ nhiên li u s t p trung vào các đ i l ng ng su t này.

Ở ờ ầ ủ ề ặ ỳ ứ ể ế ủ ớ ấ ế th i đi m đ u c a chu k , ng su t ti p tuy n trên b m t trong c a l p

ủ ế ở ị ệ ộ ấ ổ ỏ ọ ượ v b c đ c xác đ nh ch y u b i gradien nhi t đ và áp su t thay đ i bên ngoài

ệ ủ ắ ầ ữ ả ậ ấ thanh nhiên li u c a ch t làm mát. Khi b t đ u v n hành, kho ng cách gi a viên

ỏ ọ ở ộ ủ ệ ế ệ ơ ở ự ố g m nhiên li u và v b c m r ng do s co ngót c a nhiên li u (c ch “m ”),

ậ ờ ở ệ ủ ệ ẽ ả theo th i gian v n hành do giãn n nhi t và phân m nh c a nhiên li u, s có xu

ự ế ỏ ọ ữ ế ả ơ ướ h ệ ng x y ra s ti p xúc gi a nhiên li u và v b c (c ch “kín”). Sau khi

ỏ ọ ế ệ ả ướ ệ ẽ ươ kho ng cách nhiên li u và v b c ti p xúc kín, tr c tiên nhiên li u s t ng tác

ớ ớ ẽ ả ỏ ọ ề ươ ứ ố “m m” v i l p v b c, sau đó s x y ra t ng tác “c ng” khi viên g m nhiên

ắ ầ ế ứ ủ ề ệ ế ế ấ ả ề ặ ẫ li u b t đ u phân m nh. Đi u này d n đ n ng su t ti p tuy n c a b m t

ớ ướ ở ở ặ ế ỏ ọ trong l p v b c gia tăng tr c tiên tâm và sau đó là các m t ti ủ ệ t di n c a

thanh nhiên li u.ệ

ấ ỏ ọ ỳ ậ ạ ổ ị ở ứ ứ Trong 4 chu k v n hành, ng su t v b c đ t n đ nh ả m c kho ng 70

ự ạ ằ ụ ứ ệ ấ ấ ị ơ 80 MPa và ng su t hi u d ng c c đ i b ng 103,28 MPa, giá tr này là th p h n

ứ ế ự ạ ủ ớ ẻ ủ ậ ệ ỏ ọ Ứ ấ ế ấ ả ng su t ch y d o c a v t li u v b c. ng su t ti p tuy n c c đ i c a l p v ỏ

ể ả ứ ấ ườ ọ b c là 95,49 MPa. ỉ Các ng su t cao ch có th x y ra trong tr ế ợ ng h p bi n

ỏ ọ ớ ở ệ ủ ệ ứ ế ạ ấ ạ d ng l p v b c (kéo căng) do giãn n nhi t c a nhiên li u ( ng su t bi n d ng)

ố ớ ớ ỏ ọ ế ể ể trong su tố quá trình chuy n ti p. Các ki m tra đ i v i l p v b c trên thanh

oC cho

ệ ề ệ ấ ớ ở ệ ộ nhiên li u đã cháy v i đi u ki n áp su t khí bên trong nhi t đ T = 380

ấ ế ấ ứ ế ả ằ ỏ th y ng su t ti p tuy n gây sai h ng n m trong kho ng 490 530 MPa v i đ ớ ộ

d o d δ ẻ ư p = 3 5%.

ế ủ ớ ị ự ạ ố ớ ỏ ọ ế ế ạ Đ i v i bi n d ng ti p tuy n c a l p v b c, giá tr c c đ i theo tính toán

ự ữ ồ ủ ớ ố ớ ạ ằ b ng 0,2%, biên d tr ế an toàn K=2,5. Đ i v i bi n d ng đàn h i c a l p v ỏ

ươ ế ế ươ ụ ọ ị ự ạ ọ b c, giá tr c c đ i theo ph ằ ng ti p tuy n b ng 0,06%, theo ph ng d c tr c là

ươ 0,09% và theo ph ng bán kính là 0,0629%.

ệ ở ộ ả ứ ử Các th nghi m đ cháy 50 60 MWd/kgU trong lò ph n ng MIR cho

ạ ớ ế ế ế ấ ạ ư ạ ớ ẫ ẻ th y bi n d ng d o ti p tuy n đ t t ỏ ọ i 0,5% v n không gây ra h h i l p v b c

ượ ấ ớ ạ ị và giá tr này đ c l y làm gi i h n.

ủ ớ ỏ ọ ề ứ ế ế ấ ạ ả ấ Các k t qu tính toán v ng su t và bi n d ng c a l p v b c cho th y

ượ ề ệ ậ ẩ ổ ị ứ đáp ng đ c các tiêu chu n cho phép và các đi u ki n v n hành n đ nh.

ả ề ứ ủ ớ ỏ ọ ế ế ấ ạ ượ ư Các k t qu v ng su t và bi n d ng c a l p v b c đ c đ a ra trong

ả B ng 4.4 và Hình 4.13 4.18.

ả ộ ề ế ệ ả B ng 4. 4. Các k t qu tính toán đ b n thanh nhiên li u

PSAR

Tham số ỏ ọ ớ l p v b c Hi uệ d ngụ C cự đ iạ

Độ b tấ đ nhị Giá trị iớ gi h nạ Biên dự tr anữ toàn, K

Biên an toàn chu n,ẩ [K]

ấ 83,32 19,96 103,28

Ứ ng su t ệ ụ hi u d ng, MPa

76,99 18,50 95,49 7080 230 2,41 1,2

ấ Ứ ng su t ế ế ti p tuy n, MPa

0,14 0,06 0,20 0,5 2,5

ế ạ Bi n d ng ế ế ti p tuy n, %

0,05 0,01 0,06

ạ ế Bi n d ng đàn h i ồ ế ế ti p tuy n, %

0,07 0,02 0,09

ạ ế Bi n d ng đàn h i ồ ướ h ng tr c, %ụ

0,06 0,0629

0,002 9 ạ ế Bi n d ng đàn h i ồ

ướ h ng tâm, %

ủ ỏ ọ ệ ụ Ứ ụ ệ ấ Hình 4. 13. ng su t hi u d ng c a v b c theo tr c thanh nhiên li u

ấ ế Ứ ụ ệ ế ủ ỏ ọ Hình 4. 14. ng su t ti p tuy n c a v b c theo tr c thanh nhiên li u

ế ủ ỏ ọ ụ ế ệ ế ạ Hình 4. 15. Bi n d ng ti p tuy n c a v b c theo tr c thanh nhiên li u

ế ủ ỏ ọ ồ ế ụ ệ ế ạ Hình 4. 16. Bi n d ng đàn h i ti p tuy n c a v b c theo tr c thanh nhiên li u

ồ ướ ế ạ ụ ụ ệ Hình 4. 17. Bi n d ng đàn h i h ng tr c theo tr c thanh nhiên li u

ồ ướ ế ạ ụ ệ Hình 4. 18. Bi n d ng đàn h i h ng tâm theo tr c thanh nhiên li u

ế ế ả ạ ọ 4.4.3. K t qu tính toán bi n d ng hình h c

ự ạ ủ ộ ỳ ậ ệ ằ ộ Trong 4 chu k v n hành, đ giãn dài c c đ i c a c t nhiên li u b ng 5,02

ự ạ ủ ề ệ ệ ậ ộ mm và đ giãn dài c c đ i c a thanh nhiên li u trong các đi u ki n v n hành là

ằ b ng 30,23 mm.

ề ộ ứ ủ ự ệ Các nghiên c u phân tích th c nghi m v đ giãn dài c a bó thanh nhiên

ệ ệ ộ ở ữ ế ầ ạ li u do nhi ủ ả t và chi u x (~0,15%) thì kho ng cách đ h gi a đ u trên c a

ố ỉ ủ ệ ằ ạ thanh nhiên li u và kh i đ nh c a bó thanh trong tr ng thái nóng là b ng ~61,6

ự ữ ủ ế ệ ộ mm (không tính đ n đ giãn dài c a thanh nhiên li u). Biên d tr ố an toàn đ i

ủ ệ ớ ộ v i đ giãn dài c a thanh nhiên li u K = 61,6/30,23 = 2,04.

ấ ạ ế ớ ạ ậ ệ ủ ứ ạ ị ỏ ọ Khi tr ng thái v t li u c a v b c ch u m c áp su t đ t đ n t i h n cũng

ư ạ ờ ớ ồ ở ỏ ọ ế nh tích lũy trong th i gian dài các bi n d ng rão và ph ng n thì l p v b c

ệ ấ ễ ậ ứ ụ ế ả ị thanh nhiên li u r t d dàng b gãy v n ngay l p t c. Các k t qu tính toán cho

ấ ố ạ ủ ỏ ọ ự ằ ộ ồ ộ ố th y t c đ rão c c đ i c a v b c b ng 6,48.1011 m/m/s và t c đ ph ng n ở

100

ỏ ọ ằ ự ạ ủ ớ c c đ i c a l p v b c là b ng 8,64.1011 m/m/s.

ộ ế ủ ệ ế ạ ả ượ ư Các k t qu tính toán đ bi n d ng c a thanh nhiên li u đ c đ a ra trong

ả B ng 4.5 và Hình 4.194.21.

ả ế ế ệ ả ạ ọ B ng 4. 5. Các k t qu tính toán bi n d ng hình h c thanh nhiên li u

Tham số PSAR

Hi uệ d ngụ C cự đ iạ

Độ b tấ đ nhị Giá trị iớ gi h nạ Biên dự tr anữ toàn, K Biên an toàn ẩ chu n, [K]

3,18 1,84 5,02

ộ Đ giãn dài ủ ộ c a c t nhiên li u, ệ mm

18,31 30,23 47,7 61,6 2,04

11,9 2

ộ Đ giãn dài ủ c a thanh nhiên li u, ệ mm

5,78 0,70 6,48

ố ộ T c đ rão ủ ỏ ọ c a v b c, m/m/s

7,63 1,01 8,64

101

ố ộ T c đ ở ồ ph ng n , m/m/s

ủ ỏ ọ ệ ậ ộ Hình 4. 19. Đ giãn dài c a v b c thanh nhiên li u trong quá trình v n hành

102

ủ ỏ ọ ố ộ ụ ệ Hình 4. 20. T c đ rão c a v b c theo tr c thanh nhiên li u

ố ộ ở ủ ụ ệ ệ ồ Hình 4. 21. T c đ ph ng n c a nhiên li u theo tr c thanh nhiên li u

ế ả ề 4.4.4. K t qu tính toán v quá trình oxy hóa và hydro hóa

ậ ớ ộ ượ Trong quá trình v n hành, đ dày l p oxit và hàm l ng hydro tích lũy trong

ỏ ọ ả ưở ề ề ả ệ ể ớ l p v b c có th gây ra các nh h ng v kh năng truy n nhi t cũng nh s ư ự

ẹ ủ ớ ỏ ọ ượ ỏ ọ ớ toàn v n c a l p v b c nhiên li u. ệ Hàm l ợ ng hydro cao trong l p v b c h p

ủ ề ả ặ ộ ồ ờ ậ kim zirconi làm tăng đ giòn đ ng th i làm suy gi m các đ c tính b n c a v t

li u.ệ

ỏ ọ ề ế ả ệ Các k t qu tính toán v quá trình oxy và hydro hóa v b c thanh nhiên li u

ề ặ ỏ ọ ự ạ ấ ộ ớ ự ữ cho th y đ dày l p oxit c c đ i trên b m t v b c là 20,21 μm, biên d tr an

ượ ự ạ ằ toàn K= 2,97. Hàm l ự ữ ng tích lũy hydro c c đ i b ng 73,42 ppm, biên d tr an

toàn K= 5,45.

ấ ớ ỏ ọ ứ ế ệ ả ậ Các k t qu tính toán cho th y l p v b c thanh nhiên li u đáp ng tin c y

ủ ệ ề ệ ậ ả ậ ổ kh năng v n hành c a thanh nhiên li u TVS2006 trong đi u ki n v n hành n

103

ả ứ ủ ị đ nh c a lò ph n ng VVERAES2006.

ế ả ớ ượ ộ Các k t qu tính toán đ dày l p oxit và hàm l ớ ng hydro tích lũy trong l p

ả ỏ ọ ượ ư v b c đ c đ a ra trong B ng 4.6 và Hình 4.22 4.23.

ả ế ả ộ ớ ượ B ng 4. 6. Các k t qu tính toán đ dày l p oxit và hàm l ng hydro tích lũy

Tham số PSAR Giá tr ị

Hi u ệ d ngụ C c ự đ iạ

Đ ộ b t ấ đ nhị i ớ gi h nạ Biên d ự tr an ữ toàn, K

Biên an toàn chu n, ẩ [K]

ộ ớ 15,11 5,10 20,21 30 60 2,97 1,5

Đ dày l p oxit, μm

ượ 68,05 5,37 73,42 6080 400 5,45

Hàm l ng hydro, ppm

104

ề ặ ỏ ọ ụ ệ ớ ộ Hình 4. 22. Đ dày l p oxit trên b m t v b c theo tr c thanh nhiên li u

ượ ỏ ọ ụ ệ Hình 4. 23. Hàm l ng hydro tích lũy trong v b c theo tr c thanh nhiên li u

Ậ Ế Ế Ị K T LU N VÀ KI N NGH

ả ứ ề ấ ề Phân tích an toàn lò ph n ng trong các NMĐHN là v n đ bao trùm nhi u

ệ ượ ứ ạ ạ ả ồ hi n t ng, quá trình ph c t p x y ra trong vùng ho t. Chúng bao g m toàn b ộ

ề ặ ơ ữ ế ễ ả ệ ứ nh ng di n bi n x y ra v m t c lý hóa nhi ạ ố ớ t b c x đ i v i các trang

ế ị ả ứ ệ ươ ồ ố ờ ạ ẫ thi t b lò ph n ng. Đ ng th i, chính m i quan h t ng tác qua l i l n nhau

ạ ộ ứ ạ ọ ơ ệ ể ế ắ ắ ẫ ớ ự d n t ậ i s ph c t p trong vi c n m b t và hi u rõ m i c ch ho t đ ng, v n

ứ ứ ả ả ớ ạ ứ hành, đ m b o đáp ng các ch c năng an toàn. Trong gi ủ i h n nghiên c u c a

ả ứ ề ạ ậ ộ ạ lu n văn này đã trình bày m t khía c nh v phân tích an toàn lò ph n ng h t

ố ượ ệ ệ ề ứ nhân đó là v an toàn hi u năng nhiên li u. Trong đó, đ i t ng nghiên c u chính

ả ứ ệ ề ạ ạ ớ ệ là v công ngh lò ph n ng h t nhân VVERAES2006 v i lo i thanh nhiên li u

ử ụ s d ng là TVS2006.

ứ ệ ể ể ạ ả 1. Khi nghiên c u, tìm hi u quá trình phát tri n lo i công ngh lò ph n

ứ ố ớ ủ ệ ạ ể ấ ng VVER c a Liên Bang Nga đ i v i các nhà máy đi n h t nhân, có th th y

ầ ử ụ ứ ệ ậ ộ ượ ự đ ủ c s hoàn thi n ngày càng cao, đáp ng đ tin c y và nhu c u s d ng c a

ườ ả ề ặ ỹ ắ ầ ừ ả ự ậ con ng ư ả i c v m t k thu t cũng nh đ m b o s an toàn. B t đ u t phiên

ế ế ấ ớ ớ ế ế ế ả b n thi t k VVER440 v i công su t 440 MWe cho t i các thi ớ t k tiên ti n v i

105

ứ ệ ấ ơ ỗ m c công su t đi n cao h n VVER1000, VVER1200 (AES2006), m i phiên

ế ế ư ắ ữ ế ậ ấ ả b n thi ặ ẫ ề t k có nh ng cách ti p c n v n đ an toàn khác nhau nh l p đ t b y

ạ ử ụ ệ ố ủ ộ ụ ộ ố ư vùng ho t, s d ng h th ng an toàn ch đ ng và th đ ng, t ệ ố i u hóa h th ng

ệ ậ ạ ẫ ướ ụ ế ấ ư nhiên li u,… nh ng t p trung l i v n h ạ ng đ n m c tiêu cao nh t đó là đ t

ố ư ể ệ ừ ề ể ặ ấ ượ ự đ c s an toàn t i u nh t. Đi u đó th hi n ngay trong t ng đ c đi m thi ế ế t k

ư ệ ố ỗ ộ ư ủ ậ ầ ặ ệ mang tính đ c tr ng riêng c a m i b ph n thành ph n nh h th ng nhiên li u

2Gd2O3 hay bình

ụ ệ ạ ố ử ụ ớ v i bó thanh d ng l c lăng, s d ng viên g m nhiên li u UO

ữ ướ ể ơ ứ ấ sinh h i ki u ngang cho phép tăng không gian tích tr n c trong vòng th c p so

ứ ủ ể ạ ẳ ơ ế ế ủ ớ v i ki u bình sinh h i th ng đ ng c a các lo i lò theo thi t k c a Châu Âu

ề ả ỳ ả ệ ự ố ớ ự ấ ả Hoa K . Đi u này làm tăng kh năng t i nhi t khi x y ra s c v i s m t kh ả

ủ ấ ườ ướ ấ ớ ấ ấ năng cung c p ch t làm mát c a đ ng n ẩ c c p kh n c p t ơ i bình sinh h i.

ể ể ề ả ơ Ngoài ra, bình sinh h i ki u ngang còn giúp gi m thi u chi u cao nhà lò, do đó

ấ ủ ệ ố ệ ả ố ị ị ả c i thi n kh năng ch ng ch u đ a ch n c a h th ng,…

ệ ồ ệ ồ ờ 2. Thanh nhiên li u là ngu n phát nhi ơ t, đ ng th i là n i phát sinh các

ả ứ ế ậ ạ ấ ệ nguyên nhân gây m t an toàn lò ph n ng. Cách ti p c n an toàn h t nhân hi u

ả ả ấ ừ ự ể ế ủ ề ậ ệ ắ ầ ấ qu ph i xu t phát t s hi u bi t sâu s c và đ y đ v v t li u và c u trúc

ệ ươ ữ ệ ề ề ặ ổ thanh nhiên li u, v nh ng thay đ i nhi u m t trong quan h t ứ ạ ng tác ph c t p

ệ ở ễ ề ệ ế ậ ố di n ra trong thanh nhiên li u ặ các đi u ki n v n hành. Khi đ i chi u các đ c

ể ế ế ệ ủ ế ế đi m thi t k thanh nhiên li u c a Liên Bang Nga (VVER) và theo thi t k Hoa

ỳ ườ ề ể ấ ấ ữ K Châu Âu (PWR), ng i ta th y có r t nhi u đi m chung. ổ Nh ng thay đ i

ỏ ọ ủ ả ứ ệ ệ ấ ề tính ch t nhiên li u và v b c c a thanh nhiên li u lò ph n ng VVER trong đi u

ệ ậ ườ ề ơ ả ươ ự ư ệ ki n v n hành bình th ng v c b n t ng t ả ứ nh thanh nhiên li u lò ph n ng

ế ế ữ ậ ộ PWR theo thi ỳ t k Hoa K Châu Âu . Do v y, nh ng n i dung trình bày trong

ầ ủ ạ ỏ ọ ệ ả ậ ầ lu n văn ph n nào cũng đã ph n ánh đ y đ tr ng thái nhiên li u và v b c thanh

ố ớ ả ả ứ ệ ạ ế ế nhiên li u đ i v i c 2 lo i lò ph n ng VVER và PWR theo thi ỳ t k Hoa K

ề ệ ậ ườ Châu Âu trong đi u ki n v n hành bình th ng.

ệ ộ ượ ư ề ặ ở ố M t thanh nhiên li u đ ị ả c đ c tr ng b i nhi u thông s và ch u nh

106

ệ ượ ủ ề ơ ệ ộ ế ố ừ ứ ạ ưở h ng c a nhi u hi n t ng c lý hóa nhi t b c x . M t y u t v a là

ế ố ế ổ ờ ạ ậ ả ị nguyên nhân làm bi n đ i các y u t ồ khác, đ ng th i l ộ i ch u h u qu tác đ ng

ế ố ự ủ ế ế ề ặ ớ tr c ti p ho c gián ti p c a nhi u y u t khác nhau, chúng liên quan v i nhau

ệ ượ ứ ạ ạ ạ ấ thông qua các hi n t ả ả ng r t đa d ng và ph c t p x y ra trong vùng ho t lò ph n

ng.ứ

ượ ơ ở ữ ệ ự ự ề 3. Các code tính toán đ c xây d ng d a trên nhi u c s d li u thu

ự ễ ậ ừ ứ ạ ử ệ ớ ượ ừ đ c t quá trình v n hành th c ti n và t các th nghi m ph c t p v i chi phí

ụ ạ ươ ạ ố ớ l n, đã t o ra công c giúp phân tích và đánh giá t ệ ng đ i toàn di n tr ng thái

ỏ ọ ủ ư ệ ề ệ ậ ặ ố và đ c tr ng c a viên g m và v b c nhiên li u trong các đi u ki n v n hành

ả ứ ậ ộ ủ c a lò ph n ng. Trong đó, FRAPCON3.5 là code có đ tin c y cao và đã đ ượ c

ử ụ ư ủ ằ ặ ẩ ấ ở ị th m đ nh, c p phép s d ng b i US.NRC nh m đánh giá đ c tr ng c a thanh

ả ứ ủ ệ ệ ậ ạ ị ổ nhiên li u trong tr ng thái v n hành n đ nh c a lò ph n ng. Hi n nay,

ượ ử ụ ệ FRAPCON3.5 đang đ c s d ng trong vi c:

ộ ậ ẩ ị ế ế ệ ủ ế ạ Th m đ nh đ c l p các thi t k thanh nhiên li u c a nhà ch t o;

ế ớ ể ẩ ộ ậ ể ế ế ị Liên k t v i code phân tích chuy n ti p đ th m đ nh đ c l p các k t qu ả

ườ ế ạ ủ ệ ợ phân tích an toàn trong tr ư ng h p LOCA/RIA c a nhà ch t o nhiên li u và đ a

ra đánh giá an toàn;

ư ệ ữ ệ ủ ệ ầ ấ Cung c p th vi n d li u đ u vào c a thanh nhiên li u cho các ch ươ ng

ể ế ơ ặ trình tính toán n tronic ho c phân tích chuy n ti p;

ề ệ ứ ệ ấ ả ộ Nghiên c u tính kh thi v vi c tăng công su t và đ cháy nhiên li u;

ỗ ợ ậ H tr v n hành.

ự ữ ứ ể ượ 4. D a trên nh ng nghiên c u, tìm hi u, code FRAPCON3.5 đã đ c áp

ử ụ ư ủ ể ệ ặ ụ d ng đ tính toán đ c tr ng c a thanh nhiên li u TVS2006 s d ng trong lò

ả ứ ở ạ ườ ph n ng VVER1200 (AES2006) ậ tr ng thái v n hành bình th ế ng. Các k t

ả ượ ẩ ộ ớ ạ ậ qu tính toán đ c phân tích, đánh giá theo b tiêu chu n gi ư i h n v n hành đ a

107

ổ ậ ở ơ ủ ạ ra b i c quan pháp quy h t nhân c a Liên Bang Nga. Trong đó, n i b t lên là 4

ề ộ ế ề ẩ ẩ ạ ồ ề ộ ề ấ v n đ chính bao g m: Tiêu chu n v đ b n, tiêu chu n v đ bi n d ng, tiêu

ề ẩ ệ ề ẩ ậ chu n v nhi t v t lý và tiêu chu n v ăn mòn.

ằ ả ấ ươ ế Các phân tích cho th y k t qu tính toán b ng ch ng trình FRAPCON3.5

ố ư ủ ệ ề ặ ự d đoán khá t ệ t các đ c tr ng c a thanh nhiên li u TVS2006 trong đi u ki n

ề ấ ổ ố ơ ị ị ủ ậ v n hành n đ nh. Các giá tr tính toán c a các tham s quan tâm đ u th p h n giá

ị ớ ạ ự ữ ấ ự ữ ớ ẩ ộ tr gi i h n và cho th y biên d tr ơ an toàn l n h n biên d tr chu n. M t vài

ư ề ế ệ ể ả ấ sai khác nh v k t qu tính toán áp su t khí trong thanh nhiên li u có th là do

ề ị ư ủ ử ấ ầ ế ế ộ ấ ị ch a đ y đ thông tin v l ch s công su t thi t k và các đ b t đ nh trong

ư ươ ầ PSARAES2006 cũng nh các ph ả ng pháp phân tích. Ngoài ra, cũng c n ph i

ạ ữ ệ ượ ư ừ ự ế ệ ả ố xem xét l i d li u đ c đ a ra t ồ tài li u đ i chi u phân tích d a trên ph n h i

ệ ậ kinh nghi m v n hành và thi ế ế t k .

ự ứ ệ ậ ả Qua quá trình nghiên c u và th c hi n lu n văn này tác gi có m t s đ ộ ố ề

ị ư ế ấ xu t, ki n ngh nh sau:

ể ề ả ầ ả ậ ộ ơ ứ ế Đ có đ tin c y cao h n v các k t qu phân tích, c n ph i nghiên c u

ắ ề ấ ộ ươ ể ộ m t cách sâu s c v c u trúc, ph ủ ng pháp mô hình hóa c a code; ki m tra đ tin

ế ớ ố ầ ệ ậ ự ậ ủ c y c a các thông s đ u vào input; th c hi n tính toán liên k t v i các code v t

ủ ơ ệ ư ị ử ệ ề ằ ổ lý n tron, code th y nhi t nh m b sung các đi u ki n biên nh l ch s công

su t;ấ

ủ ư ệ ệ ể ầ ặ ộ ả Đ đánh giá m t cách toàn di n đ c tr ng c a thanh nhiên li u, c n ph i

ạ ủ ự ố ề ệ ể ế ể ớ ả phát tri n các tính toán v i đi u ki n chuy n ti p và s c /tai n n c a lò ph n

ứ ư ứ ề ể ệ ặ ả ớ ế ng. Trong đó, v i đi u ki n chuy n ti p đ c tr ng là bài toán nh y m c công

ệ ự ố ề ạ ặ ấ ớ ư su t, v i đi u ki n s c /tai n n đ c tr ng là bài toán LOCA/RIA. Các tính toán

ả ử ụ ự ố ề ệ ể ế ầ ộ ạ này c n ph i s d ng m t code phân tích đi u ki n chuy n ti p, s c /tai n n

ư ẫ khác nh FRAPTRAN1.5 [5] [6], tuy nhiên, code FRAPCON3.5 v n ph i đ ả ượ c

ể ệ ề ể ế ầ ử ụ s d ng đ tính toán đi u ki n ban đ u cho các quá trình chuy n ti p hay s ự

108

ạ ố c /tai n n.

ư ậ ứ ư ế ặ ậ Nh v y, lu n văn này đã ti n hành nghiên c u, phân tích các đ c tr ng c ơ

ệ ứ ạ ủ ụ ệ ạ lý hóa nhi t b c x c a thanh nhiên li u h t nhân và áp d ng đánh giá thi ế t

ệ ề ệ ậ ườ ế k thanh nhiên li u VVERAES2006 trong đi u ki n v n hành bình th ủ ng c a

ả ứ ứ ệ ẽ ế ậ ả ả ủ lò ph n ng. Các k t qu nghiên c u c a lu n văn s là tài li u tham kh o b ổ

ố ớ ơ ư ơ ệ ả ậ ích đ i v i c quan v n hành nhà máy đi n cũng nh c quan qu n lý nhà n ướ c

ệ ư ả ả ằ ầ ẩ ỉ ẫ trong vi c đ a ra các tiêu chu n và ch d n nh m đ m b o các yêu c u an toàn

ệ ẽ ạ ậ ậ ờ ộ ệ ồ cho v n hành nhà máy đi n h t nhân. Đ ng th i, lu n văn cũng s là m t tài li u

ề ặ ơ ệ ứ ạ ủ ệ ư ữ h u ích v các đ c tr ng c lý hóa nhi ố t b c x c a thanh nhiên li u đ i

ứ ơ ườ ạ ọ ớ v i các c quan nghiên c u hay các tr ng đ i h c có chuyên nghành liên quan

109

ệ ạ ế đ n đi n h t nhân.

Ả Ệ TÀI LI U THAM KH O

1. A. Altshuller (2009), NPP2006 with reactor VVER1200/491, Saint Petersburg

Institute, Rusia.

2. Charles Patterson, Friedrich Garzarolli, Ron Adamson (2010), Processes going

on in nonfailed Rod during Normal Operation, A.N.T. International, Sweden.

3. Geelhood K.J., W.G. Luscher and C.E. Beyer (2014), FRAPCON3.5: A

Computer Code for the Calculation of SteadyState, ThermalMechanical

Behaviour of Oxide Fuel Rods for High Burnup, NUREG/CR7022, Vol.1, US

NRC, USA.

4. Geelhood K.J., W.G. Luscher and C.E. Beyer (2014), FRAPCON3.5: Integral

Assessment, NUREG/CR7022, Vol.2, US NRC, USA.

5. Geelhood K.J., W.G. Luscher and J.M. Cuta (2014), FRAPTRAN1.5: A

Computer Code for the Transient Analysis of Oxide Fuel Rods, NUREG/CR7023,

Vol.1, US NRC, USA.

6. Geelhood K.J. and W.G. Luscher (2014), FRAPTRAN1.5: Integral Assessment,

NUREG/CR7023, Vol.2, US NRC, USA.

7. H. Bailly, D. Menessier and C. Prunier (1996), Le combustible nucléaire des

ơ réacteurs à eau sous pression et des réacteurs à n trons rapides: Conception et

Comportement, CEA. EYROLLES, Paris, France.

8. IAEA (2007), Computational Analysis of the Behaviour of Nuclear Fuel Under

Steady State, Transient and Accident Conditions, IAEATECDOC1578, Vienna.

9. Jacopo Buongiorno (2010), “PWR Description”, MIT OpenCourseWare, USA.

10. Jinzhao Zhang (2013), “Simulation of fuel behaviors under LOCA and RIA

110

using FRAPTRAN code and uncertainty analysis with DAKOTA”, IAEA Technical

Meeting on Modeling of WaterCooled Fuel Including Design Basis and Severe

Accidents, China.

11. K.L. Murty (2013), Materials Ageing and Degradation in Light Water

Reactors, Mechanisms and Management, Woodhead Publishing Limited, USA.

12. Kopytov I.I., S.B.Ryzhov, Yu.M. Semchenkov et al. (2009), Prelimary safety

analysis report Novovoronezh NPP2 Power Unit 1, Rusia.

13. Massoud T. Simnad (2002), Nuclear Reactor Materials and Fuels, University of

California, San Diego.

14. Molchanov V.L. (2009), Nuclear fuel VVER reactors. Actual state and trends,

Russia.

15. Nuclear engineering international (2004), Fuel review: Design data, USA.

16. Olander D.R (1975), Fundamental aspects of nuclear reactor elements, USA.

17. ROSATOM (2011), Concept Solutions by the example of Leningrad NPP2,

Design AES2006, Rusia.

18. ROSATOM (2009), The AES2006 reactor plant, a strategic choice, Rusia.

19. Todd Allen (2012), Nuclear fuel performance, University of Wisconsin, USA.

20. Todreas N.E & al (1990), Nuclear systems: Thermal hydraulic fundamentals,

Hemisphere pushing corporation.

21. TVEL (2011), Nuclear fuel for VVER reactors, fuel company of Rosatom,

Russia.

22. Vitaly Ermolaev (2009), “Introduction to the AES2006 NPP design based on

VVER (PWR) technology”, AES2006 Intended for Loviisa3, Rusia.

23. X.A. Andrushenko, A.M. Aphrov, B.IU. Vaciliev, V.N. Genheralov, K.B.

Koxounov, IU.M. Shemchenkov, V.Ph. Ukraixev (2010), NPP with VVER1000

111

reactor types, Moskva, Rusia.

24. Yegorova L., G.Abyshov et al. (1999), Data Base on the Behavior of High

Burnup Fuel Rods with Zr1%Nb Cladding and UO2 Fuel (VVER Type) under

Reactivity Accident Conditions, NUREG/IA0156, Vol.3, US NRC, USA.

25. Yu Wenchi & al (2011), “PWR fuel element stability analysis”, 2011 Water

112

Reactor Fuel Performance Meeting, Chengdu, China.

Ụ Ụ PH L C

Ặ Ư Ỏ Ệ INPUT MÔ PH NG Đ C TR NG THANH NHIÊN LI U TVS2006

******************************************************************* * FRAPCON3.5, Steadystate fuel rod analysis code * * * * CASE DESCRIPTION: TVS2006 fuel rod for VVERAES2006 *UNIT FILE DESCRIPTION * * Output: * * Output : * * 6 STANDARD PRINTER OUTPUT * * Scratch: * * 5 SCRATCH INPUT FILE FROM ECH01 * * Input: FRAPCON3.5 INPUT FILE (UNIT 55)BY CHIENDINH ******************************************************************* * GOESINS: FILE05='nullfile', STATUS='UNKNOWN', FORM='FORMATTED', CARRIAGE CONTROL='NONE' * * GOESOUTS: FILE06='TVS2006Nominal.out', STATUS='UNKNOWN', CARRIAGE CONTROL='LIST' FILE66='TVS2006Nominal.plot', STATUS='UNKNOWN', FORM='FORMATTED',CARRIAGE CONTROL='LIST' /******************************************************************* TVS2006 fuel rod for VVER_AES2006 reactor $frpcn im=29, nr=17, ngasr=45, na=50, mechan=2 $end $frpcon dco=0.0091, thkcld=0.000685, thkgap=0.000065, totl=3.730, cpl=0.252 dspg=0.0075692, dspgw=0.00100076, vs=40 hplt=0.01150112, rc=0.0006, hdish=0, dishsd=0.0032 chmfrw=0.0008242, chmfrh=0.0003 enrch=4.4, imox=0, comp=0 fotmtl=2.005, gadoln=0, ppmh2o=0, ppmn2=0.007 den=97.2, deng=0.5, roughf=0.000002, rsntr=123.16, tsint=1872.594444 icm=5, cldwks=0.0, roughc=0.0000005, catexf=0.05, chorg=0.6 fgpav=2100000, idxgas=1, nunits=0 iplant=2, pitch=0.01275, icor=0, crdt=0, crdtr=0, flux=10*22100000000000000

113

Ạ Ậ ƯỜ TRONG TR NG THÁI V N HÀNH BÌNH TH NG

crephr=10, sgapf=31, slim=0.05, qend=0.3, ngasmod=2 jdlpr=1, nopt=0, nplot=1, ntape=0, nread=0, nrestr=0 ProblemTime= 0.1, 0050.1, 0100.1, 0150.1, 0200.1, 0250.1, 0300.1, 0343.2 0393.2, 0443.2, 0493.2, 0543.2, 0593.2, 0643.2, 0686.4 0736.4, 0786.4, 0836.4, 0886.4, 0936.4, 0986.4, 1029.6 1079.6, 1129.6, 1179.6, 1229.6, 1279.6, 1329.6, 1372.8 qmpy= 24.4988, 24.2788, 24.0588, 23.8388, 23.6187, 23.3987, 23.1787, 22.9886 21.6278, 20.2669, 18.9061, 17.5452, 16.1844, 14.8235, 13.6477 13.2892, 12.9306, 12.5721, 12.2136, 11.8550, 11.4965, 11.1867 11.1867, 11.1867, 11.1867, 11.1867, 11.1867, 11.1867, 11.1867 nsp=0 p2=16200000.0, tw=571.35, go=3930.0 iq=0, fa=1 x(1)= 0.000, 0.1865, 0.5595, 0.9325, 1.3055, 1.6785 1.865, 2.0515, 2.4245, 2.7975, 3.1705, 3.5435, 3.730 qf(1)= 0.500, 0.50, 0.83, 1.07, 1.25, 1.35 1.357, 1.35, 1.25, 1.07, 0.83, 0.50, 0.50 x(50)= 0.000, 0.1865, 0.5595, 0.9325, 1.3055, 1.6785 1.865, 2.0515, 2.4245, 2.7975, 3.1705, 3.5435, 3.730 qf(50)= 0.500, 0.50, 0.83, 1.07, 1.25, 1.35 1.357, 1.35, 1.25, 1.07, 0.83, 0.50, 0.50 jn=13, 13 jst= 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1 $end

114