Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu tính toán vật lý, thủy nhiệt và quản lý vùng hoạt để vận hành an toàn và sử dụng hiệu quả Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:28

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý "Nghiên cứu tính toán vật lý, thủy nhiệt và quản lý vùng hoạt để vận hành an toàn và sử dụng hiệu quả Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt" được nghiên cứu với mục tiêu: Tính toán vật lý và thủy nhiệt trong quản lý vùng hoạt và nhiên liệu đối với Lò PƯHNĐL để vận hành an toàn và khai thác hiệu quả. Đặc biệt là việc đánh giá, xác định được các thông số vật lý đặc trưng của vùng hoạt sau các đợt vận hành dài ngày cũng như thay đảo nhiên liệu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Vật lý: Nghiên cứu tính toán vật lý, thủy nhiệt và quản lý vùng hoạt để vận hành an toàn và sử dụng hiệu quả Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ------------------------------------ NGUYỄN KIÊN CƯỜNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VẬT LÝ, THỦY NHIỆT VÀ QUẢN LÝ VÙNG HOẠT ĐỂ VẬN HÀNH AN TOÀN VÀ SỬ DỤNG HIỆU QUẢ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT LUẬN ÁN TIẾN SỸ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ 1
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM ------------------------------------ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN VẬT LÝ, THỦY NHIỆT VÀ QUẢN LÝ VÙNG HOẠT ĐỂ VẬN HÀNH AN TOÀN VÀ SỬ DỤNG HIỆU QUẢ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT LUẬN ÁN TIẾN SỸ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9.44.01.06 Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN NHỊ ĐIỀN HÀ NỘI - 2023 2
MỤC LỤC MỞ ĐẦU Lý do chọn đề tài Sau khi thực hiện thành công việc chuyển đổi sang sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp vào tháng 11 năm 2011, các chương trình tính toán xác định các thông số vật lý, thủy nhiệt cũng như phân tích an toàn chi tiết, tính toán cháy nhiên liệu để quản lý vùng hoạt và nhiên liệu rất cần thiết phải được hiệu lực hóa và đưa vào sử dụng. Các chương trình tính toán có vai trò quan trọng trong việc tính toán thiết kế các thí nghiệm, thay đảo nhiên liệu phục vụ cho vận hành an toàn và khai thác có hiệu quả Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (PƯHNĐL). Việc hiệu lực hóa các chương trình tính toán liên quan đến vật lý và thủy nhiệt được tiến hành và thể hiện chi tiết trong các kết quả của luận án. Các thông số đặc trưng vật lý, an toàn thủy nhiệt ở trạng thái vận hành ổn định được xác định cho vùng hoạt sử dụng 92 bó nhiên liệu (BNL) độ giàu thấp. Các nghiên cứu tính toán phân tích an toàn cho Lò PƯHNĐL trước đây chỉ tập trung chính vào sử dụng mô hình tính toán động học Lò điểm nên khó 3
phản ảnh việc ảnh hưởng đến không gian, cũng như thay đổi độ phản ứng của thanh điều khiển đưa vào như bù trừ hoặc tự động. Chương trình PARCS có khả năng tính toán động học 3 chiều, nhiều nhóm năng lượng neutron có kết hợp thủy nhiệt nên được sử dụng trong cả phân tích an toàn. Hằng số nhóm cho chương trình PARCS được chuẩn bị từ chương trình Serpent 2 hoặc các chương trình tính toán ô mạng khác như PIJ (SRAC) hay GENMAXS. Với cấu trúc hình học phức tạp như Lò PƯHNĐL khi có mặt các kênh ngang, cột nhiệt, tính toán cháy nhiên liệu dựa vào các chương trình sử dụng phương pháp Monte Carlo thường cho kết quả hợp lý, tin cậy về thông lượng, tốc độ phản ứng cũng như hệ số nhân hiệu dụng. Kết hợp với module tính toán cháy nhiên liệu có tích hợp tính toán nhiễm độc berily, chương trình MCDL (Monte Carlo Depetion Light water reactor) được phát triển, đáp ứng yêu cầu về chính xác với sai số 10 -12 đối với nồng độ hạt nhân. Dễ dàng sử dụng với khả năng thay đổi vị trí thanh điều khiển trong quá trình tính toán cháy, cũng như có báo cáo tổng hợp các vùng và BNL theo bước thời gian tính cháy. Thông qua kết quả nghiên cứu, định hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung vào việc kết hợp tính toán động học 3 chiều cùng với chương trình tính toán thủy nhiện mô tả được cả hệ thống như chương trình RELAP5. Từ đó có thể áp dụng tốt cho phân tích an toàn của Lò PƯHNĐL cũng như Lò phản ứng nghiên cứu mới công suất cao đa mục tiêu trong tương lai. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu Các kết quả nghiên cứu chính từ luận án đã có những đóng góp như sau: - Tính toán vật lý và thủy nhiệt trong quản lý vùng hoạt và nhiên liệu đối với Lò PƯHNĐL để vận hành an toàn và khai thác hiệu quả. Đặc biệt là việc đánh giá, xác định được các thông số vật lý đặc trưng của vùng hoạt sau các đợt vận hành dài ngày cũng như thay đảo nhiên liệu. - Sử dụng chương trình động học 3 chiều PARCS khảo sát và đánh giá an toàn Lò PƯHNĐL trong tình huống chuyển tiếp và sự cố độ phản ứng. Kết quả nghiên cứu này là tiền đề để tiến hành việc kết hợp với chương trình RELAP5 nhằm có thể có được phân tích an toàn chính 4
xác hơn cho Lò PƯHNĐL cũng như Lò nghiên cứu mới trong tương lai. - Xây dựng chương trình tính toán cháy nhiên liệu có ghép nối với tính toán nhiễm độc berily đồng thời có thể cập nhật được chương trình MCNP và thư viện tính toán để áp dụng cho Lò PƯHNĐL trong việc xác định phân bố cháy nhiên liệu ba chiều. Chương trình được sử dụng nhằm mục tiêu chính là quản lý nhiên liệu, tính toán các phương án thay đảo nhiên liệu và áp dụng tốt cho Lò PƯHNĐL cũng như Lò phản ứng có vật liệu berily trong vùng hoạt. Kết hợp với hoạt động của Trung tâm tính toán, các chương trình tính toán này được dùng là bộ công cụ chính cho công tác quản lý vùng hoạt và nhiên liệu Lò PƯHNĐL. Ngoài ra, bộ chương trình này sẽ sử dụng trong tính toán thiết kế và phân tích an toàn cho Lò nghiên cứu mới công suất cao đa mục tiêu. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới Các chương trình tính toán quản lý vùng hoạt và nhiên liệu xác định các thông số vật lý và an toàn thủy nhiệt đối với các lò phản ứng nghiên cứu luôn được quan tâm do ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình tính toán thiết kế cũng như đảm bảo an toàn trong vận hành, hiệu quả trong khai thác sử dụng. Các chương trình tính toán Vật lý hiện nay phát triển theo xu hướng dùng phương pháp Monte Carlo vì sẽ có kết quả chính xác, hơn nữa tài nguyên máy tính hiện này đáp ứng tốt về nhu cầu sử dụng. Tuy nhiên, các chương trình dùng các phương pháp tất định vẫn còn nguyên giá trị khi cần thiết phải có kết quả nhanh hoặc phải tính toán với số lượng lớn như trong tính toán động học, tối ưu thay đảo nhiên liệu. Các chương trình tính toán được áp dụng cho hầu hết các lò phản ứng nghiên cứu trên thế giới đều cần phải tiến hành hiệu lực hóa khi so sánh với số liệu thực nghiệm hoặc kết quả từ bài toán chuẩn, chẳng hạn như kết quả tính toán từ các chương trình Monte Carlo. Có thể thấy rằng 5
các chương trình tính toán vật lý hiện nay trên thế giới đều cho kết quả tính toán có độ tin cậy cao, đặc biệt là các chương trình dùng phương pháp Monte Carlo. Bên cạnh đó thư viện tính toán cũng luôn được cập nhật, nâng cấp là điều kiện tốt để tiệm cận với giá trị thực nghiệm. Hơn nữa, thuật toán tính toán nhanh, kết hợp nhiều phương pháp cũng đang được phát triển nhằm đáp ứng yêu cầu trong tính toán thiết kế và quản lý vận hành lò phản ứng. Tuy nhiên, việc tiến hành hiệu lực hóa các chương trình tính toán luôn là vấn đề được quan tâm vì đặc tính của các lò phản ứng khác nhau, việc khai thác sử dụng đa dạng cũng như có những yêu cầu đặc biệt trong thiết kế với loại nhiên liệu mới. Đối với các nước có nền công nghiệp về công nghệ lò phản ứng phát triển, các chương trình tính toán về vật lý và thủy nhiệt đã được chứng thực qua việc sử dụng cho nhiều lò phản ứng nghiên cứu khác nhau. Có thể phân ra các ứng dụng chính cho các loại lò phản ứng nghiên cứu có nhiên liệu khác nhau như nhiên liệu MTR, nhiên liệu lò TRIGA và nhiên liệu dáng ống đồng trục của Nga sản xuất như VVR-M2, VVR-KN và IR-4M. Hầu hết các chương trình dùng phương pháp Monte Carlo trong tính toán vật lý không gặp khó khăn trong mô tả hình học. Riêng đối với các chương trình tính toán thủy nhiệt thì đặc biệt hơn do tùy thuộc vào dạng hình học để có hệ số thủy nhiệt hợp lý. Chương trình MCNP vẫn luôn được xem là chương trình phù hợp nhất cho tính toán vật lý của các lò phản ứng. Còn các chương trình thủy nhiệt cần phải có hình học riêng nên khác đặc thù và hai loại phổ biến là dạng tấm và dạng hình trụ. Tính toán động học 3 chiều được xem là vấn đề quan trọng đặc biệt đối với các lò phản ứng nghiên cứu công suất cao và các lò công suất. Chương trình PARCS được dùng là công cụ thuộc bộ chương trình của cơ quan cấp phép NRC Hoa Kỳ có đầy đủ các tính năng tính toán từ phân tích an toàn kết hợp động học 3 chiều đến việc tính toán cháy nhiên liệu. Đối với lò nghiên cứu, tính toán động học thường ít được quan tâm và thường được dùng các chương trình tính cho lò công suất. Tuy nhiên, những tính toán động học 3 chiều luôn rất quan trọng nhằm đánh giá chính xác quá trình xảy ra chuyển tiếp hay sự cố 6
của Lò phản ứng với việc cập nhật nhanh phân bố công suất chi tiết trong vùng hoạt theo mô hình tính toán. Chương trình động học 3 chiều có thể áp dụng tốt cho tính toán tối ưu sử dụng nhiên liệu, mô phỏng lò Phản ứng. Các chương trình như RELAP5 cũng đã kết hợp với chương trình PARCS để ghép nối tính toán động học 3 chiều với tính toán thủy nhiệt. Và đây cũng là hướng sẽ được phát triển đối với các lò phản ứng nghiên cứu. Các chương trình tính toán cháy nhiên liệu của châu Âu, Hoa kỳ hay Nhật bản đều có thể áp dụng tốt cho Lò PƯHNĐL. Tuy nhiên, các chương trình cần có thay đổi để phù hợp với cấu trúc, loại nhiên liệu cũng như nhiễm độc berily như Lò PƯHNĐL. Chương trình REBUS-MCNP được xem là phù hợp với tính toán cháy nhiên liệu cho Lò PƯHNĐL. Ngoài ra, các chương trình tính toán khác như MVP-Burn, MCNP6 hoặc Serpent 2 cũng có thể sử dụng được nhưng cần phải có điều chỉnh phù hợp. Có thể thấy rằng, sự phát triển của các chương trình tính toán cho lò phản ứng nghiên cứu cũng như lò công suất trên thế giới luôn phát triển và từng bước tích hợp khả năng phù hợp với nhiều loại lò phản ứng khác nhau. Tuy nhiên, để có bộ chương trình tính toán phù hợp với đối tượng lò phản ứng cụ thể, cần phải có hiệu lực hóa khi so sánh với kết quả thực nghiệm cũng như tư số liệu tính toán của các chương trình khác. Hơn nữa, đánh giá thư viện tính toán cũng là cần thiết để có lựa chọn tốt nhất để có kết quả đáng tin cậy. 1.2. Tình hình nghiên cứu trong nước Lò PƯHNĐL đã vận hành được gần 40 năm sau khi được nâng cấp và mở rộng sử dụng nhiên liệu VVR-M2 độ giàu cao 36% U-235 từ năm 1984 và độ giàu thấp 19,75% U-235 từ năm 2012. Nhiều thí nghiệm liên quan đến xác định các thông số vật lý, thủy nhiệt đặc trưng của vùng hoạt sử dụng hai loại nhiên liệu khác nhau đã được thực hiện. Những số liệu thực nghiệm thu được ngoài việc dùng trong quản lý, vận hành và khai thác sử dụng lò phản ứng còn được sử dụng để hiệu lực hóa các chương trình tính toán cũng như các chương trình tự phát triển tại đơn vị. Các chương trình tính toán từng bước được sử dụng trên Lò PƯHNĐL với xuất phát điểm là các chương trình sử dụng phương 7
pháp sai phân hữu hạn (HEXAGAII, III), phương pháp nodal (HEXNOD23) 2 và 3 chiều cùng với các chương trình tính toán ô mạng WIMS-D5, LEOPAD để xác định hằng số nhóm. Các chương trình này được dùng để tính toán và xác định các thông số chính là hệ số nhân và thông lượng neutron theo nhóm năng lượng. Tính toán cháy nhiên liệu và thay đảo nhiên liệu cũng được thực hiện bằng các chương trình như HEXA-BURNUP, HEXNOD23. Tiếp theo hệ thống chương trình SRAC được sử dụng để tính toán quản lý nhiên liệu và vùng hoạt bằng việc sử dụng các chương trình tính toán chính là PIJ, CITATION và CORE-BN. Các kết quả tính toán từng bước đã đa dạng hơn và có độ tin cậy cao hơn. Đồng thời hệ thống chương trình WIMS-5D và CITATION được khai thác cho tính toán vật lý và cháy đối với Lò PƯHNĐL. Các chương trình MCNP và MVP từng bước được sử dụng cho Lò PƯHNĐL trong tính toán vật lý và cho kết quả chính xác khi so sánh với kết quả thực nghiệm. Hệ chương trình WIMS-ANL và REBUS cũng như REBUS-MCNP được sử dụng chủ yếu cho tính toán thiết kế vùng hoạt độ giàu thấp và chuyển đổi nhiên liệu. Các chương trình này cho thấy có độ tin cậy cao và phù hợp với lò nghiên cứu sử dụng nhiên liệu do Liên bang Nga sản xuất. Còn chương trình thủy nhiệt trước đây áp dụng cho Lò PƯHNĐL được phát triển tại đơn vị qua tính toán giải tích, sau đó sử dụng chương trình COOLOD nhưng mô hình không thật sự phù hợp với loại nhiên liệu và cấu trúc vùng hoạt có giếng hút như Lò PƯHNĐL. Trong quá trình tính toán chuyển đổi nhiên liệu cũng như khởi động vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp, chương trình PLTEMP4.2 cho thấy có khả năng áp dụng tốt cho Lò PƯHNĐL với cơ chế đối lưu tự nhiên, có hệ thức thủy nhiệt phù hợp nhiên liệu do Nga sản xuất và mô hình có giếng hút phía trên vùng hoạt. Và chương trình hoàn toàn đáp ứng tốt yêu cầu trong tính toán an toàn thủy nhiệt ở trạng thái dừng khi tiến hành thiết lập các cấu hình vùng hoạt trong thiết kế và thay đảo nhiên liệu. Viện Nghiên cứu hạt nhân (NCHN) có BNL độ giàu cao gắn cặp nhiệt điện và được sử dụng để hiệu lực hóa chương trình tính toán PLTEMP, kết quả cho thấy sai khác giữa kết quả tính toán và thực nghiệm là không đáng kể, dưới 3 0C. 8
Tính toán cháy nhiên liệu cho Lò PƯHNĐL được thực hiện bằng chương trình CORE-BN trong hệ SRAC cho kết quả tương đối tốt nhưng còn thiếu hiệu chỉnh nhiễm độc berily, sau đó cũng được thực hiện bằng cách cập nhật hằng số nhóm các vật liệu có berily bị chiếu xạ neutron trong quá trình vận hành lò phản ứng. Hệ chương trình WIMS-ANL và REBUS sau đó là REBUS-MCNP được dùng để tính toán cháy nhiên liệu cho Lò PƯHNĐL có tính đến nhiễm độc berily. Tuy nhiên, các chương trình này khi áp dụng cho đối tượng lò phản ứng nghiên cứu khác với nhiên liệu khác thì phải tính toán thư viện cho chương trình tính cháy REBUS và khá phức tạp khi sử dụng. Loại trừ khả năng này, chương trình MCDL được phát triển với input đơn giản, có thể đáp ứng cho các lại nhiên liệu lò phản ứng nghiên cứu khác nhau. Các chương trình MVP-Burn, MCNP6 và Serpent cũng được sử dụng cho tính toán cháy nhiên liệu nhưng hiệu quả nhất là chương trình Serpent vì tiện lợi, hiệu quả. Việc đo đạc độ cháy của 106 BNL độ giàu cao trước khi chuyển về Liên bang Nga là số liệu rất quan trọng để có thể hiệu lực hóa các chương trình tính toán. Luận án “ Nghiên cứu thực nghiệm các đặc trưng vật lý neutron trong Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt” của TS Hà Văn Thông thực hiện năm 1990 được thực hiện nhằm xác định các thông số Vật lý vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu cao. Trong luận án, tác giả đã nghiên cứu các vấn đề về động học Lò phản ứng mà chủ yếu là sự có mặt của photoneutron sinh ra do sự có mặt của vật liệu berily tại vành phản xạ, bẫy neutron cũng như các thanh berily. Các thông số tĩnh học của vùng hoạt độ giàu cao trong giai đoạn khởi động được xác định chủ yếu thông qua thực nghiệm như phân bố trường neutron theo chiều cao và bán kính vùng hoạt, hệ số không đồng đều của phân bố trường neutron, Laplacien, kích thước hiệu dụng và độ dài ngoại suy. Kết quả của luận án góp phần tăng thêm hiểu biết và ứng dụng triển khai trên Lò PƯHNĐL như sản xuất đồng vị phóng xạ, phân tích kích hoạt, vận hành an toàn. Luận án nghiên cứu đối với vùng hoạt nhiên liệu độ giàu cao đã được thực hiện của PGS. TS. Đỗ Quang Bình năm 1996 “Nghiên cứu các đặc trưng động học và bố trí nhiên liệu tối ưu cho Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ” cũng 9
tập trung vào nghiên cứu động học lò trong thực nghiệm bao gồm xác định cấu hình vị trí các thanh điều khiển thấp nhất để Lò đạt tới hạn, mức công suất tới hạn tối thiểu, mức công suất nguồn, đáp ứng của mật độ neutron trong các trạng thái dưới tới hạn và tới hạn. Các thông tin này có ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo vận hành Lò an toàn. Từ đó cũng đề xuất phương án đo độ cháy BNL trong vùng hoạt thông qua sự phụ thuộc độ phản ứng và độ cháy theo hàm tuyến tính. Đồng thời, luận án cũng đề cập đến việc xây dựng các chương trình tính toán Vật lý, cháy nhiên liệu (2 chiều), tính toán dự báo cháy nhiên liệu và bố trí nhiên liệu tối ưu cho Lò phản ứng. Các kết quả cũng tập trung chính vào vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu cao. Luận án “ Phát triển mô hình tính toán Vật lý và tối ưu quản lý nhiên liệu vùng hoạt (HEU) của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt” của NCS Phan Thị Thùy Giang năm 2021 thực hiện các nội dung: Xây dựng và hiệu lực mô hình tính toán vật lý neutron cho các phân tích tới hạn và cháy nhiên liệu của Lò PƯHNĐL sử dụng chương trình SRAC. Đánh giá định lượng ảnh hưởng của các thư viện dữ liệu hạt nhân ENDF/B-VII.0, JENDL-3.3 và JENDL-4.0 lên kết quả tính toán tới hạn và giá trị thanh điều khiển tự động trong so sánh với các tính toán từ mô hình MCNP5 và số liệu thực nghiệm. Phát triển phương pháp quản lý nhiên liệu vùng hoạt mới sử dụng thuật toán tiến hóa vi phân rời rạc (DE) áp dụng cho Lò PƯHNĐL nạp tải nhiên liệu VVR-M2 loại HEU. Các kết quả của luận án đã tạo ra nền tảng cho tính toán Vật lý, cháy nhiên liệu và thay đảo nhiên liệu tối ưu cho vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu cao. Các luận án đã thực hiện nghiên cứu cho đối tượng chính là Lò PƯHNĐL bao gồm tính toán và thực nghiệm đối với vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu cao trong giai đoạn 1984 đến trước năm 2007. Các kết quả từ các luận án là bước đi cơ bản trong quá trình tiếp cận và làm chủ về công nghệ Lò phản ứng. Ngoài ra, những kết quả này hoàn toàn có thể áp dụng cho vùng hoạt sử dụng hoàn toàn nhiên liệu độ giàu thấp từ năm 2012 đến hiện nay. Động học 3 chiều chưa được áp dụng cho Lò PƯHNĐL mà chỉ áp dụng động học lò điểm trong chương trình RELAP 5 cũng như chương trình 10
DRSIM tự phát triển. Các chương trình này được hiệu lực hóa bằng cách so sánh với kết quả thực nghiệm khi đưa vào độ phản ứng nhỏ hơn 10 cent theo bước. Các tính toán động học lò 3 chiều cần phải áp dụng vì có tính đến không gian và liên tục cập nhật thông tin về phân bố công suất của vùng hoạt trong quá trình khảo sát theo bước thời gian. Có thể thấy rằng các chương trình tính toán hiện đại trong quản lý vùng hoạt và nhiên liệu cũng như phân tích an toàn từng bước được áp dụng và là kết quả của nghiên cứu nhiều năm. Từ đó hình thành được hệ thống chương trình sử dụng trong quản lý, vận hành và khai thác hiệu quả Lò PƯHNĐL. CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHO LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU ĐỘ GIÀU THẤP 2.1. Mô hình tính toán vật lý và thủy nhiệt Các chương trình tính toán vật lý cho Lò phản ứng có thể chia làm hai loại chính là sử dụng phương pháp tất định và phương pháp Monte Carlo. Các chương trình sử dụng phương pháp tất định thường được tiến hành theo hai bước bao gồm: tính toán hằng số nhóm thông qua việc giải phương trình vận chuyển để có được các thông số như hệ số khuếch tán, các tiết diện; tiếp theo là tính toán toàn Lò bằng các phương pháp như sai phân hữu hạn, nodal để giải phương trình khuếch tán 2 hoặc 3 chiều với số liệu hằng số nhóm đã chuẩn bị. Thông số thu nhận chính trong tính toán toàn lò là hệ số nhân, phân bố thông lượng neutron hoặc công suất. Các hệ chương trình tính toán sử dụng phương pháp tất định hiện đang sử dụng chính cho Lò PƯHNĐL dùng nhiên liệu độ giàu thấp là hệ chương trình SRAC2006, WIMS-ANL và REBUS. Các chương trình tính toán hằng số nhóm được sử dụng chủ yếu là PIJ và WIMS-ANL với mô hình cho nhiên liệu, các thanh điều khiển và phần nhôm đi theo phía dưới, các kênh chiếu xạ, bẫy neutron, các ô mạng phía biên vùng hoạt, các ô mạng trên vành phản xạ graphite có cả mâm quay, kênh ngang và cột nhiệt. Tổng số các ô mạng cần chuẩn bị hằng số nhóm vào khoảng 45 loại. Số nhóm năng 11
lượng được co lại và dùng cho các chương trình toàn Lò như CITATION, REBUS khoảng 7 nhóm năng lượng. Hình 2.1. Mô hình tính toán cho nhiên liệu loại VVR-M2 của Lò PƯHNĐL (Mô hình tính toán bằng chương trình a)MCNP, b)PIJ và c)WIMS-ANL) Đối với các thanh điều khiển bù trừ với sự có mặt của vật liệu hấp thụ neutron lớn nên tỉ số dòng neutron trên thông lượng neutron tại biên ô mạng được xác định và sử dụng trong tính toán toàn lò. Các chương trình tính toán toàn Lò được sử dụng dựa trên hình học lục giác. Theo chiều cao, đối với chương trình CITATION, các ô mạng chia đều theo chiều cao và có sự đồng nhất hóa vật liệu một số vùng nhất định. Ngược lại, trong chương trình REBUS, chiều cao của ô mạng được phân chia tùy theo vùng vật liệu cũng như yêu cầu của bài toán. Hình 2.2. Mô hình tính toán cho Lò PƯHNĐL bằng chương trình REBUS (a) và CITATION (b) Các chương trình tính toán sử dụng phương pháp Monte Carlo như MCNP, MVP hoặc Serpent 2, mô hình tính toán hoàn toàn được mô tả gần như 12
thực tế, ngoại trừ phần hình học phía đầu và đuôi BNL khá phức tạp nên được đồng nhất hóa. Hình 2.3. Mô hình tính toán cho Lò PƯHNĐL bằng chương trình MCNP Các chương trình tính toán dùng phương pháp Monte Carlo hoàn toàn có thể mô phỏng với hình học phức tạp như Lò PƯHNĐL bao gồm cả cấu trúc kênh ngang, cột nhiệt cũng như chi tiết các kênh chiếu xạ trong vùng hoạt, các khối berily tại bẫy và xung quanh vùng hoạt. Thư viện tính toán được dùng với dạng gần như liên tục và hoàn toàn có thể chủ động xây dựng khi dùng chương trình NJOY2016 để xử lý các số liệu từ nguồn ENDF/B, JEFF hoặc JENDL. Tính toán thủy nhiệt cho Lò PƯHNĐL được thực hiện chủ yếu bằng chương trình PLTEMP4.2. Chương trình đã được hiệu lực hóa bằng cách so sánh trực tiếp với số liệu thực nghiệm sử dụng BNL thí nghiệm có cặp nhiệt điện đối với vùng hoạt sử dung nhiên liệu độ giàu cao 36% U-235. Với đặc điểm nhiên liệu dạng đồng trục, phía trên vùng hoạt có giếng hút và sử dụng cơ chế đối lưu tự nhiên để tải nhiệt mô hình tính toán hoàn toàn được mô tả hợp lý bằng chương trình PLTEMP4.2. Hơn nữa, các hệ thức thủy nhiệt dùng cho nhiên liệu VVR-M2 được cho sẵn trong chương trình. 13
Hình 2.4. Mô hình tính toán thủy nhiệt cho Lò PƯHNĐL bằng chương trình PLTEMP (a: BNL; b: Mô hình BNL, c: Mô hình vùng hoạt và giếng hút) Các thông số an toàn như tỉ số khởi điểm sôi (ONBR), tỉ số khủng hoảng sôi (DNBR), lưu lượng chất làm nguội qua vùng hoạt, nhiệt độ nhiên liệu, vỏ bọc được xác định với điều kiện nhiệt độ lối vào 32 0C, công suất vận hành 500 kW. Ngoài ra, việc phân tích các hệ số bất định cũng được thực hiện từ chương trình với các thông số cụ thể liên quan đến các tính chất thủy nhiệt của nhiên liệu, vùng hoạt làm việc. 2.2. Mô hình tính toán cho chương trình PARCS Chương trình PARCS được sử dụng trong tính toán động học 3 chiều dựa trên tính toán vật lý, động học và thủy nhiệt. Hằng số nhóm sử dụng trong tính toán được chuẩn bị từ chương trình Serpent 2 bao gồm chi tiết các ô mạng tương tự như chương trình REBUS. Số nhóm trong tính toán chủ yếu là 2 nhóm năng lượng neutron và các thông số thủy nhiệt dùng chủ yếu từ chương trình nên thật sự chưa phù hợp với yêu cầu như Lò PƯHNĐL. 14
Hình 2.5. Mô hình tính toán sử dụng trong chương trình PARCS (a-chiều bán kính và b-chiều cao) 2.3. Chương trình MCDL Chương trình MCDL được phát triển dựa trên việc kết hợp chương trình MCNP và Module tính toán cháy nhiên liệu có đánh giá nhiễm độc berily (có sự xuất hiện các đồng vị H-3, He-3 và Li-6 khi berily bị chiếu xạ bởi neutron). Phương trình Beteman được giải dựa trên phương pháp Runge Kutta (RADAU II) có sai số khoảng 10 -12 đối với mật độ nguyên tử trong tính toán. Chương trình được xây dựng với các module: Kiểm soát chung; Chạy chương trình MCNP thu nhận thông lượng và tốc độ phản ứng phân hạch, bắt neutron, sinh neutron đối với berily có phản ứng (n, α), (n, p) và (n, t); Đọc số liệu output từ chương trình và tính toán cháy nhiên liệu; Cập nhật số liệu để tạo input mới cho chương trình. Chương trình có khả năng tính toán với sự thay đổi vị trí thanh điều khiển theo bước thời gian xác định. Input của chương trình gồm có input chung để xác định các vùng có nhiên liệu, thể tích, thời gian vận hành tương ứng với công suất và vị trí các thanh điều khiển theo bước tính cháy. Input chi tiết của chương trình MCNP gồm các phần mô tả vật liệu, cấu trúc hình học. Thư viện của chương trình gồm các thông số liên quan đến 21 đồng vị nặng và 50 sản phẩn phân hạch cũng như các tỉ số sinh đồng vị từ các đồng vị nặng. Chương trình MCNP và thư viện tính toán hoàn toàn có thể thay đổi, cập nhật mới mà không ảnh hưởng đến kết quả tính toán cháy từ chương trình. Ngoài output là input được cập nhật thành phần đồng vị theo bước cháy cho chương trình MCNP, thông tin báo cáo độ cháy trung bình và chi tiết các vùng nhiên liệu cũng như khối lượng các đồng vị uranium, plutonium được đưa trong file trung gian, file tổng kết đưa ra các thông tin cuối cùng về phân bố cháy của các vùng và toàn bộ BNL trong vùng hoạt. 15
Chương trình được áp dụng trong tính toán cháy nhiên liệu cho vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu cao và độ giàu thấp. Theo chiều cao, các BNL được chia thành 5 đến 10 phần có thể tích giống nhau để xác định độ cháy theo thời gian vận hành Lò. Trong tính toán thay đảo nhiên liệu cho vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp, chương trình được sử dụng như là công cụ chủ yếu. Hơn nữa, việc tính toán cập nhật độ cháy nhiên liệu, cũng như dùng cho tính toán thiết kế tăng cường khả năng sản xuất đồng vị I-131 trên Lò PƯHNĐL cũng được thực hiện bằng chương trình MCDL. Chương trình MCDL được hiệu lực hóa thông qua việc so sánh trực tiếp với kết quả tính toán từ chương trình REBUS-MCNP, SRAC và số liệu thực nghiệm đo đạc 106 BNL đã cháy có độ giàu cao trước khi chuyển trả về Liên bang Nga vào năm 2013. So với các chương trình tính toán cháy khác, chương trình MCDL dễ dàng sử dụng và cập nhật, ngoài ra chương trình có thể chạy cả trong hệ điều hành Window hoặc Linux với khả năng chạy song song của chương trình MCNP bằng môi trường MPI. 16
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả tính toán vật lý và thủy nhiệt Vùng hoạt sử dụng 92 BNL độ giàu thấp được tính toán chi tiết các thông số đặc trưng bằng chương trình MCNP, REBUS bao gồm: từ tới hạn, độ phản ứng dự trữ, độ hiệu dụng các thanh điều khiển, phân bố thông lượng neutron, hệ số bất đồng đều công suất, các hệ số phản hồi nhiệt độ và thông số động học. Một số các thông số quan trọng này được sử dụng trong tính toán thủy nhiệt bằng chương trình PLTEMP cũng như phân tích an toàn bằng chương trình RELAP5. BNL độ giàu cao và độ giàu thấp được đánh giá về hệ số nhân, phổ neutron cũng như so sánh khi dùng thư viện tính toán khác nhau. So với BNL độ giàu cao, BNL độ giàu thấp có giá trị hệ số nhân thấp hơn, phổ neutron có phần nhiệt thấp hơn. Do vậy làm giảm thông lượng trung bình neutron trong vùng hoạt cũng như tại các vị trí chiếu xạ. Bẫy neutron dó có xếp 12 thanh berily xung quanh nên gia tăng vật liệu làm chậm neutron và duy trì được thông lượng neutron cao trong bẫy để có thể tiếp tục sử dụng cho sản xuất đồng vị hiệu quả. 25 cấu hình vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp được thiết lập trong quá trình tiến hành khởi động vật lý và năng lượng. Các cấu hình được 17
tính toán cho thấy có sự ổn định từ kết quả các chương trình sử dụng phương pháp Monte Carlo như MCNP và MVP trong khi các chương trình SRAC, REBUS cho kết quả có bất định cao hơn. Kết quả cho thấy hệ số nhân trong bình khi dùng chương trình MCNP với thư viện ENDF/BVII.1 có giá trị xấp xỉ 0,9997. Độ lệch chuẩn tính toán hệ số nhân trong khoảng từ 0.00006 đến 0.0001 đối với chương trình MCNP, còn các chương trình tất định khoảng 10 - 5 . Thực nghiệm chịu sai số chủ yếu là do vị trí thanh điều khiển cũng như nhiệt độ của nước trong bể lò và có giá trị khoảng 0.0115%. Các thanh điều khiển được tính toán và so sánh với kết quả thực nghiệm sử dụng phương pháp chu kỳ tiệm cận để xác định độ hiệu dụng thanh điều khiển tự động và phương pháp bù trừ để xác định độ hiệu dụng các thành bù trừ. Sai khác độ phản ứng giữa tính toán và thực nghiệm chỉ dưới 7%, cho thấy có sự phù hợp rất tốt giữa tính toán và thực nghiệm. Độ hiệu dụng một số BNL, thanh berily ở các vị trí quan trọng trong vùng hoạt cũng được xác định và cho kết quả có sai khác không đáng kể so với thực nghiệm. Phân bố thông lượng neutron tại các vị trí chiếu mẫu được quan tâm nhằm đánh giá khả năng khai thác sử dụng của Lò PƯHNĐL. So với các cấu hình vùng hoạt trước đây khi sử dụng nhiên liệu độ giàu cao và vùng hoạt hỗn hợp, vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp có giảm đi từ 10 đến gần 20% ngoại trừ bẫy neutron. Phương pháp kích hoạt lá dò được sử dụng để xác định thông lượng nhiệt tương đối (lá dò Lu) và tuyệt đối (lá dò Au), sai khác giữa tính toán và thực nghiệm tối đa dưới 10%. Phân bố thông lượng neutron nhiệt trong vùng hoạt có xu hướng lệch về phía trên vùng hoạt do có mặt cột nhiệt và ảnh hưởng từ các kênh ngang. 18
Hình 3.1. Phân bố thông lượng neutron nhiệt trong vùng hoạt (×1012 n/cm2.s) Tại các vị trí chiếu mẫu phục vụ cho sản xuất đồng vị, phân tích kích hoạt, thông lượng neutron được xác định như trong Bảng 3.1. Thông lượng neutron nhiệt (E E > 0,625 eV) và nhanh (0,821 keV < E < 10 MeV) được xác định với giá trị trung bình và cực đại. Bảng 3.1. Phân bố thông lượng neutron tại các vị trí chiếu mẫu Trên Nhiệt Nhanh Vị trí nhiệt (n/cm2.s) (n/cm2.s) (n/cm2.s) 2,23E+1 Cực đại 6,52E+12 2,56E+12 Bẫy 3 neutron 1,62E+1 Trung bình 4,54E+12 1,79E+12 3 5,16E+1 Cực đại 6,76E+12 4,04E+12 kênh 2 13-2 3,51E+1 Trung bình 4,79E+12 2,93E+12 2 6,06E+1 Cực đại 8,31E+12 5,33E+12 Kênh 2 7-1 4,06E+1 Trung bình 5,88E+12 3,84E+12 2 1,07E+1 Cực đại 8,33E+12 4,31E+12 Kênh 3 1-4 7,91E+1 Trung bình 5,79E+12 3,03E+12 2 19
Mâm 3,65E+1 Trung bình 7,58E+11 1,93E+11 quay 2 Vào tháng 7 năm 2019, vùng hoạt có lắp thêm 2 kênh chiếu xạ tại ô 5-6 và 9-6 thay thế 2 thanh berily có thông lượng trung bình khoảng 1,8×10 13 n/cm2.s để tăng cường sản xuất đồng vị I-131 trên Lò PƯHNĐL. Hệ số bất đồng đều công suất (bằng tích hệ số bất đồng đều theo chiều cao, bàn kính và bên trong BNL nóng nhất) được xác định theo vị trí của các thanh điều khiển bù trừ. Kết quả cho thấy, giá trị cực đại vào khoảng 2,65 và bé hơn 3,0 nên đáp ứng yêu cầu về an toàn thủy nhiệt. Hình 3.2. Phân bố công suất tương đối theo chiều cao BNL nóng nhất tại ô 10- 5 với vị trí các thanh điều khiển Các hệ số phản hồi nhiệt độ của nước và nhiên liệu cũng như hệ số rỗng đều có giá trị âm, đảm bảo tính an toàn nội tại của nhiên liệu và vùng hoạt đối với các điều kiện chuyển tiếp và sự cố. Các thông số động học được xác định với tỉ số neutron trễ khoảng 0,76%, so với vùng hoạt sử dụng nhiên liệu độ giàu cao là 0,81% và thời gian sống của neutron tức thời khoảng 8,7×10-5 s. Tính toán phân tích an toàn thủy nhiệt ở trạng thái vận hành ổn định tại mức công suất 500 kW được thực hiện bằng chương trình PLTEMP. Khi không có các bất định, nhiệt độ cực đại vỏ bọc nhiên liệu chỉ khoảng 90,4 0C, các thông số an toàn thủy nhiệt được đảm bảo, nhiệt độ cực đại của chất làm nguội khoảng 58 0C, lưu lượng nước làm mát qua vùng hoạt khoảng 26,3 m 3/h. Thông 20