›
›

Bài giảng Vật lý hạt nhân - Chương 3: Cấu trúc của lò phản ứng hạt nhân - Nguyễn Nhị Điền

pdf 73 trang ngocly 40 Free
Download
Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Bài giảng Vật lý hạt nhân - Chương 3: Cấu trúc của lò phản ứng hạt nhân - Nguyễn Nhị Điền", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

  • pdfbai_giang_vat_ly_hat_nhan_chuong_3_cau_truc_cua_lo_phan_ung.pdf

Nội dung text: Bài giảng Vật lý hạt nhân - Chương 3: Cấu trúc của lò phản ứng hạt nhân - Nguyễn Nhị Điền

  1. Chương 3 CẤU TRÚC CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN PGS TS Nguyễn Nhị Điền Đà Lạt, 2011 1
  2. I. MỘT VÀI THÔNG TIN CHUNG Về mặttthi thiếttb bị: Máy gia tốc Van der Graaff: Năm 1931, máy gia tốc Van der Graaff được chế tạo. Máy gia tốc cynclotron: Năm 1932, E. Lawrence phát minh khả năng điều khiển chùm hạt và máy gia tốc cynclotron ra đời. Máyyg gia tốc Betatron: Năm 1936, DW. Berst chế tạo thành cônggyg máy gia tốc betatron. Lò phản ứng nghiên cứu: Năm 1942, E. Fermi và các cộng sự chế tạo thành công thiết bị duyyp trì phản ứnggy dây chu yền là LPƯ nghiên cứu tại trường ĐH Chicago (Năm 1934, chính Fermi phát hiện ra phản ứng phân hạch hạt nhân khi cho nơtron tương tác với uranium). Vũ khí hạt nhân: Ngày 16/7/1945, Mỹ thử nghiệm thành công quả bom nguyên tử đầu tiên. Ngày 6/8/1945, quả bom “Little Boy” đã thả xuống Hiroshima và ngày 9/8/1945, quả bom “Fat Man” đã thả xuống Nagasaki. Nhà máy điện hạt nhân: Ngày 27/6/1954, nhà máy điện hạt nhân đầu tiên c ông suấtt5MW 5 MWe t ạiithàh thành p hố Obn ins k hòa mạng lưới điện quốc gia. 2
  3. Về mặtthit thiếttb bị: Phát triểntheon theo 2 hướng: 1. Năng lượngg( cao (MeV – GeV): Các máy gia tốc: cynclotron, Linac, electron beam, - Nghiên cứu khám phá thế giới Vật lý hạt cơ bản - Các ứng dụng xạ trị chữa bệnhàh và sản xuất đồng vị phóng xạ để sử dụng PET trong Y tế, chiếu xạ vật liệu công nghiệp, nông nghiệp, 2. Năng lượng thấp (MeV – eV): Các Lò phản ứng: Lò phản ứng nghiên cứu, lò năng lượng (Điện hạt nhân), lò tái sinh (s ảnxun xuất nhiên li ệuuch chế tạoov vũ khí h ạt nhân) , : -Sử dụng năng lượng (bức xạ và phân hạch) để phục vụ sản xuất và đời sống con người, - Các nghiên c ứuvu về vậtlýht lý hạt nhân, c ấutrúchu trúc hạt nhân - Các nghiên cứu về vật lý và kỹ thuật LPƯ. 3
  4. Hạt nhân nguyên tử: + Vì hạt nhân có năng lượng liên kết nên: -Muốn tách các nucleon cần một năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết  ((gtrung bình 8 MeV). -Các hạt nhân có Z>83 thì có  <0, do vậy các hạt nhân này đều là hạt nhân phóng xạ phân rã alpha. - Khi hạtthâ nhân nặng vỡ ra thàn h 2 hạthâtt nhân trung bì bìhnh cũng cần năng lượng vượt năng lượng liên kết 2 hạt nhân. Trong quá trình phân rã sinh ra năng lượng dư. Mỗi phân rã do neutron tương tác với nhiên li ệuhu hạt nhân (U-235)sinhran) sinh ra năng lượng khoảng 200 MeV. Đó là cơ sở cho lò phản ứng hạt nhân, tàu ngầm nguyên tử và bom nguy ên tử (bom A) . - Khi 2 hạt nhân nhẹ được tổng hợp nhiệt hạch thành một hạt nhân trung bình cũng tỏa ra năng lượng lớn gấp 6 lần so với năng lượng tỏa ra do phân hạch. Đó là cơ sở của bom H. 4
  5. Ph¶n øng PH¢N CHIA H¹t NH¢N: Ph¶n øng ph©n chia h¹t nh©n ®èi víi U-233, U-235, U-238 Pu-239, Th-232 haït nhaân B gamma, alpha, A nôtron nôtron haït nhaân U-233, U-235, Pu-239 ph©n r· do n n hiÖt (0,025 e V); gamma, alhlpha U-238, Th-232 ph©n r· C do n nhanh ( 1 MeV). haït nhaân 5
  6. nguyªn lý cña ph¶n øng ph©n h¹ch: N¬tron nhiÖt NhiÖt n¨ng N¬tron nhanh N N N¬tron nhiÖt N Ph©n h¹ch ChÊt lμm chËm U 235 U 235 N HÊp thô N S¬ ®å ®¬n gi¶n cña nguyªn lý ph¶n øng ph©n h¹ch 6
  7. Ph¶n øng ph©n H¹ch D¢Y CHUYÒN: Giả sử mỗi phân hạch tạo ra 3 nơtron Number of Generation neutrons 0 1 1 3 2 32 = 9 3 33 = 27n 350 = 1025n Số nơtron được tạo ra rất nhanh qua phản ứng dây c huyền 7
  8. Lß Ph¶n øng H¹t NH¢N PH¢N H¹CH: + c¸c ®Æc ®iÓm cña ph¶n øng ph©n chia h¹t nh©n 1. Sinh ra caùc böùc xaï ion hoùa: nôtron, gamma, beta, v.v 2. GiaGiaiûi phong phoùng ra nang naêng löônglöôïng rat raátlô lônùn. + lß ph¶n øng h¹t nh©n: Laø thieát bò duy trì Phaûn öùng haït nhaân daây chuyeàn. + c¸c lo¹i lß ph¶n øng h¹t nh©n c¬ b¶n: 1. Loø nghieân cöùu: Söû duïng caùc böùc xaï ion hoùa (naêng löôïng böùc xa)xaï) ñe å trietrienånkhaica khai cacùcö öngùng du dungïng cua cuûaky kyõ thuaät hathaït nhanhanânva vaoøo caùc lónh vöïc kinh teá. 2. Loø naêng löôïng: Söû duïng nhieät naêng (töø naêng löôïng phaân hh)ñåûhaïch) ñeå saûn xuaá áñiät ñieän. 3. Lß t¸i sinh: n+U-238 P-239, n+Th-232 U-233 Lß ph¶n øng h ¹t nh©n §μ L¹t thuéc lo ¹ithøi thø 1 ! Lß nhiÖt h¹ch: do ph¶n øng nhiÖt h¹ch: D+T He+n8
  9. s¬ ®å nguyªn lý cña lß ph¶n øng: Thanh ®iÒu khiÓn Vμnh ph¶n x¹ Nhiªn liÖu h¹t nh©n Thïng lß ChÊt lμm chËm ChÊt t¶i nhiÖt S¬ ®å cÊu tróc c¬ b¶n cña LP¦HN 9
  10. Ii. th«ng tin vÒ lß ph¶n øng nghiªn cøu trªn thÕ giíi + 3:25 phót ngμy 2/12/1942, ph¶n øng ph©n h¹ch tù duy tr× ®· ®−îc thùc hiÖn thμnh c«ng trªn LP¦ h¹t nh©n ®Çu tiªn víi tªn Pile-1(1 (c ßn gäi il lμ lß F ermi) . + Theo sè liÖu cña IAEA năm 2006, ®· cã 831 LP¦ nghiªn cøu c¸c lo¹i ®· ®−îc x©y dùng. + Thêi ®iÓm cã sè LP¦ vËn hμnh nhiÒu nhÊt lμ n¨m 1975 (390 lß vËn hμnh). + HiÖn nay cã 68 n−íc ®· hoÆc ®ang cã LP¦ nghiªn cøu víi: 287 lß ®ang vËn hμnh vμ 10 lß ®ang x©y dùng vμ 10 lß ®· cã kÕ ho¹ch x©y dùng. +Có+ Có 114 lò đãdã dừng ho ạt động nh ưng ch ưaatháod tháo dỡ, 410 lò đã và đang tháo bỏ. + Có 40 quốc gia thuộc các nước đang phát triển có LPƯNC với 84 lò đang vận hành và 7lò7 lò đang xâdây dựng. 10
  11. + Ph©n bè sè LP¦ ®anggË vËn hμnh theo vïng: - B¾c Mü: 63 - T©y ©u: 60 - §«ng ©u: 73 - Ch©y Mü la tinh: 20 - Ch©u phi/ trung cËn ®«ng: 15 - Ch©u ¸: 56 Developing sè l−îng lp− nc ®ang vËn hμnh theo c¸c n¨m Industrialized 450Total 390 400 372 382 365 338 350 320 306 - Sè LP¦ trong c¸c 300 320 321 284 P¦ NC P¦ 306 n−íc ®ang ph¸t 250 281 283 LL 172 triÓ®Ón ®ang t¨ng. 200 252 199 îng îng 223 − 150 155 - Sè LP¦ trong c¸c 76 86 83 85 Sè l 100 69 82 39 52 n−íc ph¸t triÓn 17 50 37 ®ang gi¶m. 0 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 11
  12. Phân bố tuổi của LPƯ đang vận hành: + khoảng 60% cóthó thờiii gian vận hànhth tr ên 40 năm; + khoảng 80% đã vận hành trên 30 năm. + trong 20 năm tới, số LPƯ đang vận hành sẽ tiếp tục giảm và dự đoán chỉ 1/3 trong số trên sẽ còn hoạt động. Phân bố tuổi của các LPƯ đang vận hành (số liệu năm 2008) 22 20 18 16 ƯƯ 14 12 ng LP ng ượ 10 l ố S 8 6 4 2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Số năm vận hành 12
  13. Phân bố LPƯ đang vận hành theo công suất lò: + Khoảng 24%LP% LPƯ cóôó công suấttt trê n 10 MWt; + Đến khoảng năm 2020 chỉ còn khoảng 35 LPƯ có công suất trên 10 MWt vận hành. + Trong 20 năm tới, số LPƯ đang vận hành sẽ tiếp tục giảm và dự đoán chỉ 1/3 trong số trên (khoảng 100 lò) sẽ còn hoạt động. >= 20 M W >= 100 MW M W 8% 4% >= 10 M W = 1 kW 30 26 26% >= 2 MW 25 22 C 18 23% NN 17 20 15 10 8 îng LP¦ LP¦ îng − 10 6 4 >= 500 kW Sè l 5 1 9% 0 Phân b ố công su ất của các 23-35 40-45 50-70 1.0-1.5 2.0-4.0 5.0-9.0 10.0-20 100-400 500-563 LPƯNC đang vận hành C«ng suÊt nhiÖt, MW 13
  14. + Trong 287 LPƯ nghiên cứu đang vận hành được phân theo loại LPƯ như sau: + Lò pool-type, lò loạibể: 68 (23,7%) +Lòtank-type,lòloại thùng: 33 (11,5%) + Lò TRIGA-type: 40 (14,1%) +Lònướcnặng: 12 (4,2%) +Cơ cấutớihạn: 60 (21,1%) + SLOWPOKE: 6 (2,1%) + HOMOG.: 19 (6,7%) + ARGONAUT: 7 (2,5%) + Các loại khác: 42 (14,6%) (zero power, fast sodium, sodium cooled, LMFBR, ) 14
  15. PHÂN LOẠILPI LPƯNC THEO M ỤC ĐÍCH SỬ DỤNG: 1 Nghiên c ứu(u (đama mục 164 57, 1% tiêu - multipurpose) 2Thử nghiệm vật liệu238,1% 3Phục vụ đào tạo 37 13,0% 4Cơ cấu tới hạn (dùng 60 21,1% nghiên cứu, đààto tạo) 5Thử nghiệm thiết kế 20,7% 6 Thử nghiệmsm sảnxun xuất 1 03%0,3% điện 287 15
  16. + Theo công su ấtLPt, LPƯ nghiên cứucóthu có thể phân ra: - Lò công suất không (Z) 10 MWt - Lò xung - Lò nơtron nhanh -Cơ cấu tới hạn (critical assembly) + Nhiên liệu cho LPƯ nghiên cứu: - độ giàu U-235 cao: 19,75% - 93% - Hình dạng: dạng thanh, dạng ống tròn, dạng ống vuông , dạng ống lục giác, dạng tấm. +C+ Cơ chế làm nguội vùng hoạt: tự nhiên, cưỡng bức. + Phản xạ vùng hoạt: berylium, graphite, nước nặng. 16
  17. + Chỉ tính riêng các n ướcthamgiahc tham gia hợp tác vùng Châu Á - Thái Bình Dương có bức tranh như sau: - Úc: 1 lò công su ất 20 MW mới đưavàova vào vậnhành(n hành (8/2006) - Bangladesh: 1 lò công suất 3 MW đang vận hành (từ 1983) - Trung quốc: >10: đang vận hành, 2 xây mới (60 MW và 20 MW) - Ấn độ: 4: đang vận hành 1 MW, 100 MW, 40 MW, 1 sắp xâyâ - Indonesia: 3: đang vận hành 100 kW, 2 MW, 30 MW - Hàn quốc: 1: đang vận hành 30 MW (từ 1995) -Malaysia: 1: đang vận hành 1 MW (từ 1987) - Pakistan: 2: đang vận hành 10 MW và 30 kW - Philippines: 1: đang chờ tháo dỡ 3 MW - Thái Lan: 1: đang vận hành 2 MW, 1: đang xây mới 10 MW - Việt Nam: 1: đang vận hành tại Đà Lạt 0,5 MW (1963, 1984); đanggy thuyết minh dự án xây dựng lò 15 MWt. 17
  18. CÁC ĐẶC TRƯNG CHÍNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU: 1. Loại lò (1): VớiLPi LPƯ có công su ấttcao> cao > 10 MWt, chủ yếucóu có 2 loại: + Lò dạng bể (pool type) + Lò dạng thùng (tank type) + Lò dạng bể có 2 loại: thùng hở trong bể (open-tank in pool) thùng kín trong bể (closed-tank in pool) Loại thùng hở có nhiều ưu điểm: + thao tác trong vùng hoạt dễ dàng hơn, + uyển chuyển hơn trong quá trình sử dụng về góc độ cải tạo, lắp đặt thêm thiết bị, + giá thành thiết kế và chế tạo thấp hơn, Hầu hết các LPƯNC đa mục tiêu hiện nay đều dùng loại (open-tank in pool), có bể chính và bể phụ. 18
  19. 1. Loại lò (2): Loại thùng không có nắp đậy trong bể lò (lò FRM-II, 20 MW của Đức). Lò công suất cao cần có bể phân rã 16N (decay tank) sinh ra do phản ứng 16O(n, p)16N. Đây là phản ứng có ngưỡng 10.2 MVMeV. 16N phân rã thành 16O trong thời gian 7.14 s và phát ra tia γ cứng năng lượng 6.13 MeV. 19
  20. 1. Loại lò (3): Lò loại bể bơi không có nắp đậy (lò WWR, 10 MW c ủaNga).a Nga). Bể lò có 3 ngăn: bể lò, bể chứa thanh nhiên liệu đã cháy và bể phân rã N-16 phía dưới bể chứa nhiên liệu. 1- vỏ bể lò, 2- vùng hoạt, 3- vành phản xạ, 4- các kênh của hệ thống điều khiển và bảo vệ lò (CPS), 5- van đối lưu tự nhiên, 6- van tràn, 7- tấm ngăn, 8- vòihi phun, 9-nắp có thể di chuyển, 10 - đèn, 11- cơ chế vận chuyển các côngtainơ đồng vị, 12- động cơ của CPS, 13- phòng đặt động cơ của các thanh điều khiển và bảo vệ lò, 14- tấm cản xạ, 15- các kênh cho detector nơtron. 20
  21. 1. Loại lò (4): Lò loại bể bơi TRIGA 14 MW của Rumani. Đặc biệt: + Trong cùng một bể lò có 2 LPƯ: lò TRIGA làm việc ở chế độ công suất ổn định 14 MW và một lò làm việc ở chế độ xung công suất đến 2000 MW nên còn gọi là lò TRIGA Dual Core. + 14 MW là lò có công suất lớn nhất trong số các l ò TRI GA hiện có trên thế giới. 21
  22. 1. Loại lò (5): Lò loại bể bơi cải tiến CARR 60 MW (China). + Nước làm nguội đi từ trên xuống dưới, qua bình dẫn hướng (guiding tank), q ua vùng hoạt, đi vào bể phân rã N-16 (decay tank). + Bể lò chứa 700 m3 nước, trong bể lò đặt bình dẫn hướng, vỏ chứa vùng hoạt (core-housing vessel) và bể phân rã N-16. 22
  23. 2. Chất làm mát (1): + Nước nhẹ và nước nặng là sự lựa chọn chung nhất cho chất làm mát của LPƯ nghiên cứu. + Nước nặng có ưu điểm là sẽ tiết kiệm nơtron hơn nước nhẹ, tuy nhiên lại có những nhược điểm đáng kể vì giá thành đắt và hệ thốnggp phức tạp. + Khi sử dụng nước nặng để làm mát, cần phải có một hệ thống làm nguội vòng sơ cấp khá phức tạp để ngăn chặn tritium (sinh ra do n tương tác với nước nặng) giải phóng vào môi trường. + Vì việc thao tác thường xuyên trên vùng hoạt của LPƯ để thay đổinhiênlii nhiên liệu và các thí nghiệmchim chiếu xạ nên vi ệcgic giữ sự tinh khiết của nước nặng luôn là vấn đề cần quan tâm. Hầu hết các thiết kế cho LPƯNC loại bể (không có áp lực) đều chọn nước nhẹ làm ch ất làm mát c ho hệ thống tảihii nhiệt vòng sơ cấp. 23
  24. 3. Phương pháp làm mát (1): + Có 2 phương pháp: dòng chảy làm nguội hướng lên trên vùng hoạt và dòng chảy làm nguội hướng xuống dưới vùng hoạt. + Ưu điểm của hệ thống làm nguội cưỡng bức với dòng chảy hướng lên trên: - Việc thay đổi từ đối lưu cưỡng bức sang đối lưu tự nhiên là hoàn toàn tự nhiên vì dòng chảy cùng hướng lên trên vùng hoạt. Ngược lại, do có sự thay đổi hướng chảy xuốnggg trong đối lưu cưỡng bức sang hướng chảy lên do đối lưu tự nhiên, hệ thống chảy xuống cần phải được thiết kế thận trọng nhằm tránh sự đình trệ của dòng chảy trong quá trình thay đổi hướng chảy. - Việc lắp đặt và bảo dưỡng các thiết bị đo lưu lượng và nhiệt độ ở lối ra vùng hoạt ở từng vị trí có đặt nhiên liệu hoàn toàn dễ dàng. - Giảm khả năng tắc nghẽn kênh làm nguội mà có thể dẫn đến làm sôi chất làm nguội trong vùng hoạt. 24
  25. 3. Phương pháp làm mát (2): + Tuy nhiên, dòng chảy hướng lên cũng có nhược điểm là có thể gây ra sự rung động của các thanh nhiên liệu và một số cấu tútrúc khác đặttêt trên giá đỡ khi l ưu lượng dòng chảy lên t rở nên rất lớn. +Khithi+ Khi thiếttk kế dòng chảyhy hướng lên c ầnnquantâm: quan tâm: - Bơm có bánh đà để dần dần dừng lại sau khi ngắt điện, đưa sự chuyển tiếp nhẹ nhàng từ cơ chế đối lưu cưỡng bức sang đốili lưutu tự nhiên, - Van nắp, tự động mở do chênh áp, đưa nước bể lò đi qua vùng hoạt để đối lưu tự nhiên. + Khi thiết kế dòng chảy hướng xuống cần quan tâm: -Có hệ điện nuôi liên tục (diezel, UPS) để nuôi một số bơm để đề phòng mất điện lưới. 25
  26. 3. Phương pháp làm mát (3): + Gồm 2 mạch làm mát song song, với bơm và bình trao đổi nhiệt riêng biệt. + Mỗi mạch có khả năng tải 50% công suất nhiệt của lò. + Lưu lượng là 2530 m3/h. Khoảng 10% được trích ra và đổ vào đáy bể lò thay vì đi vào khoang chứa dưới vùng hoạt. Hệ thống làm nguộihi hướng chảy lên dù ng van nắp (lò HANARO 30 MW, Hàn Quốc) + Khi mất điện lưới, các bơm sẽ dừng, việc làm nguội vùng hoạt sẽ bằng c ơ chế đốili lưu tự nhiên b ằng cách: van nắp (flap val v e) mở ra do trọng lực khi không có dòng chảy cưỡng bức, tạo ra dòng chảy 26 đối lưu giữa vùng hoạt với nước bể lò.
  27. 3. Phương pháp làm mát (4): + Gồm bể phân rã N- 16 và 3 mạch làm mát (3 bơm làm mát loại bánh đà và 3 bình trao đổi nhiệt) + 2 mạch làm việc và 1 mạchdh dự phòng, mỗi mạch có khả năng tải 50% công suất lò. Tổng l ưu lượng là 1900 m3/h. Hệ thống làm nguộihi hướng ch ảylênsy lên sử dụng bơm bánh đà và van nắp (lò OPAL, 20 MW, Úc) + Khi các bơm dừng, 2 van nắp lắp đặt lệch nhau về chiều cao trên mỗi đường ống quay trở lạibi bể lò, nằmcaohm cao hơngin giếng hút. Nếunu nướcbc bể lò gi ảm xuống (sự cố mất nước bể lò), van ở vị trí cao sẽ tác động như cái ngắt siphông và ngăn ngừa sự giảm mực nước lò xuống thấp hơn phần trên c27ủa giếng hút. Van ở vị trí thấp sẽ mở và tạo ra dòng chảy đối lưu tự nhiên.
  28. 3. Phương pháp làm mát (5): + Gồm 2 mạch, mỗi mạch có khả năng tải 50% công suất nhiệt của lò. + Có 1 bơm dự phòng cho mỗi mạch. + Khoảng 10% lưu lượng tổng sẽ chảy từ trên đỉnh giếng hút xuống các đầu hút để ngăn ngừa các sảnphn phẩm kích Hệ thống làm nguội hướng chảy lên của lò hoạt đi lên trên bể lò. CRCN/RPM-1 20 MW, Brazil + Khi các bơm dừng, việc làm mát bằng đối lưu tự nhiên của bể lò nhờ vào việc mở của van đối lưu tự nhiên. 28
  29. 3. Phương pháp làm mát (6): + Gồm 2 mạch nằm ngoài bể lò, mỗi mạch có 1 bình trao đổi nhiệt và 2 bơm nối song song (1 vận hành và 1 dự phòng), có khả năng tải 50% công suấthit nhiệt của lò. + Các bơm được trang bị bánh đà có quán tính lớn để có thể kéo dài sự vận hành của bơm đến 60 giây sau khi mất điện. Hệ thống làm nguội hướng chảy lên của lò ETRR-2 22 MW, Hy lạp + Khi các bơm dừng, 2 van nắp mở nhờ vào trọng lực, tạo dòng chảy đối lưu giữa vùng hoạt và nước bể lò. Mỗi van nắp được đặt trên nhánh quay lại bể lò. Các đường ống nối với thùng lò được đặt cao hơn mặt trên của vùng hoạt. Thiết bị ngắt siphông được trang bị để ngăn ngừa sự mất nước 29 bể lò trong trường hợp xảy ra sự cố mất nước.
  30. 3. Phương pháp làm mát (7): Để tránh sự đình trệ của dòng chảy trong quá trình thay đổichii chiều: + Gồm 4 bơm, 2 bơm chính và 2 bơm phụ cùng làm việc trong chế độ vận hành bình thường nhưng 2 bơm phụ được cấp điện liên tục từ nguồn điện sự cố (gồm UPS và máy phát) nên khi sự cố mất điện Hệ thống làm nguội hướng chảy xuống của lò lưới, 2 bơm phụ sẽ tiếp JRR-3M 20 MW, Nhật bản tục làm việc để lấy nhiệt dư sinh ra trong vùng + Lưu lượng chất làm mát khi vận hành 3 hoạt. bình thường là 2400 m /h và nhiệt độ của nước ở lối vào và ra vùng hoạt tương ứng là 35oC và 42oC. 30
  31. 3. Phương pháp làm mát (8): Dùng bể làm mát khẩn cấp để lấy nhiệt phân rã khi có sự cố: + Bể làmmátkhm mát khẩncn cấp đượcnc nốivi với bể phân rã ở phần đáy và phần trên để hở đến không khí trên mặt lò. + Trong khi v ận hành bình th ường, bể làm mát khẩn cấp luôn trống và sẵn sàng tiếp nhận nước khi bơm vòng s ơ cấpngp ngưng hoạt động. Hệ thống làmmáthm mát hướng ch ảyxuy xuống c ủa lò WWR 10 MW, Nga 1- bể lò, 2- các bơm tuần hoàn vòng sơ cấp, 3- bình trao đổi nhiệt giữa vòng sơ cấp và thứ cấp, 4- bể làm nguội khẩn cấp, 5- hệ lọc nước (water ppfurification sy stem) , 6- tháp làm mát, 7- các bơm tuần hoàn vòng thứ cấp 8- bể cấp bù, 9- hố thu nước rỏ rỉ, 10 – bơm nước từ hố thu, 11- đầu phun mưa, 12- các điểm thu gom, 13- van tràn, 14- van đối lưu tự31 nhiên.
  32. 3. Phương pháp làm mát (9): Làm mát vùng hoạt khẩn cấp nhờ vào sự trợ giúp của bể làm nguội khẩncn cấphayhp hay hệ thống thu th ập nước rò vòng 1 bơm vào lò. Khi mất điện cấp cho bơm vòng 1, trong 1 phút đầu, dòng chảy của nước sẽ đi từ bể lò qua vùng hoạt, đến bể phân rã và đến bể làm nguội vùng hoạtkht khẩncn cấp. Bể làm nguội khẩn cấp chứa đến 10 m3. Khi dòng chảy cưỡng bức này kết thúc, van đối lưu tự nhiên sẽ mở để đối lưu tự nhiên của nước trong bể lò. Trường hợp mất nước bể lò do hỏng một trong các kênh thí nghiệm, các bơm của hố thu nước sẽ cấp nước trở lại cho lò nhờ các nhánh đường ống phun mưa. 32
  33. 3. Phương pháp làm mát ( 10): Chế độ làm mát vùng hoạt khi lò vận hành bình thường: Các đường ống làm mát khẩn cấp (ECC); van nắp (flappi ng valves) và van mở do sức căng (opening strainers) được đóng lại. Hệ thống làm nguội hướng chảy xuống của lò CARR, 60 MW, China 33
  34. 3. Phương pháp làm mát ( 11): Chế độ làm mát vùng hoạt khẩn cấp Các đường ống làm mát khẩn cấp (ECC) và van mở do sức căng (i(opening strainers) được mở ra; còn van nắp (flapping valves) vẫn đóng lại. Hệ thống làm nguội hướng chảy xuống của lò CARR, 60 MW, China 34
  35. 3. Phương pháp làm mát (12): Chế độ làm mát vùng hoạt bằng đối lưu tự nhiên trong trường h ợplòdp lò dừng bình thường và trong trường hợp sự cố. Van mở do sức căng (iti)à(opening strainers) và van nắp (flapping valves) được mở ra. Hệ thống làm nguội hướng chảy xuống của lò CARR, 60 MW, China 35
  36. 3. Phương pháp làm mát ( 13): Lớp nước nóng 2- 3m với nhiệt độ cao hơn 2-3oC so với nướcbc bể lò. Trao đổi nhiệt chỉ xẩy ra phía d ướili lớppn nước nóng để giảm độ phóng xạ đi lên mặt lò ra ngoài. Hệ thống làm nguội hướng chảy xuống của lò CARR, 60 MW, China 36
  37. 4. Nhiên liệu (1): + Độ giàu nhiên liệu: HEU (độ giàu cao): > 20% U-235 (36%, 90%, 93%, ) LEU ( độ giàu thấp): < 20%U% U-235 (19,75%, 8,5%, ) + Thành phần nhiên liệu: UAlx+ Al (mật độ uranium đến 2,5 g/cm3) 3 U3Si2+Al (mật độ uranium đến 4,8 g/cm ) 3 U3Si+Al (mật độ uranium đến 3,5 g/cm ) 3 U3O8+Al (mật độ uranium đến 3,0 g/cm ) 3 UO2+Al (mật độ uranium đến 3,0 g/cm ) UZrHx (nhiên liệu TRIGA, mật độ uranium 3,7 g/cm3) + Vỏ bọc nhiên liệu: Vậtliệu nhôm Hợp kim 800H Thép không rỉ . 37 Công nghệ khuếch tán UO2 vào nền nhôm.
  38. 4. Nhiên liệu (2): + Loạicấu trúc nhiên liệu: Dạng tấm (plate), nhiên liệu MTR, WWR, IRT Dạng thanh (d(rod), nhiên liệu TRIGA Dạng ống nhỏ (tube), nhiên liệu lò HANARO, của các lò củaNga + Nhiên liệudạng tấm (plate) có các loại: - các tấm phẳng ggphép lại (nhiên liệuMTR) - các tấmuốn thành hình ống lụcgiáchoặchìnhống tròn nhiềulớp (nhiên liệu WWR) - các tấm uốn thành hình ống vuông (nhiên liệu IRT) + Nhiên liệudạng tấm (plate) cho sự truyềnnhiệttốthơn so vớinhiênliệudạng thanh (rod) và dạng ống nhỏ (tube) do có tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn hơn. 38
  39. 4. Nhiên liệu (3): + BNL gồmcácống nhỏđược làm từ U3Si+Al, mật độ của uran trong nhiên liệu là 3,15 g/cm3, vỏ bọcbằng nhôm, độ giàu 19,75% U-235 + Mỗi ống nhiên liệucó đường kính 6,35 mm, dài 700 mm và đượcbọcbằng vỏ nhôm dày 0,76 mm. + Các ống nhiên liệu được ghép lại với nhau thành BNL. Có 2 loại BNL: BNL loại 36 ống và BNL loại 18 ống nhiên liệu. Bó nhiên liệu gồm nhiều ống nhỏ chứa nhiên liệu (lò HANARO, Hàn Quốc) 39
  40. 4. Nhiên liệu (4): + Vậtliệulàmnhiênliệu là loạiU3Si+Al, mật độ của uran trong nhiên liệulà 4,8 g/cm3, có vỏ bọcbằng nhôm và độ làm giàu 20% U-235 theo khốilượng. + Mỗi BNL có 19 tấm với chiều cao của phần chứa nhiên li ệu uran trong mỗi tấm là 70 cm và chiều ngang là 8 cm. + Bề dày của phần lõi nhiên liệu là 0,7 mm, độ dày của vỏ bọc là 0,4 mm và kẽ hở của kên h c ho c hất làm chậm chảy Bó nhiên liệuchuu chuẩnnd dạng t ấmmlo loại MTR (lò CRCN/RPM-1, Brazil) qua là 2,7 mm. 40
  41. 4. Nhiên liệu (5): + Nhiên loạiU3Si2+Al có mật độ 4,8 g/cm3. Có hai loạiBNL: loạichuẩnvà BNL đikèm thanh điềukhiển(TĐK). + Mỗi BNL chuẩn có tiết diện vuông 7,62 cm x 7,62 cm và có chiều cao toàn bộ 115 cm. BNL đi kèm TĐK có kích thước 6,4 cm x 6,4 cm x 88 cm, nhỏ hơn so với BNL chuẩn. + Mỗi tấm nhiên liệu được gắn thêm dây cadmi có khả năng cháy được. Bó nhiên li ệudu dạng t ấmm(JRR (JRR-3M, Nhật bản) 41
  42. 4. Nhiên liệu (6): + BNL loại WWR-M2 gồm 3 thanh nhiên liệu đồng trục, thanh ngoài cùng có hình lục giác và 2 thanh trong có dạng hình tròn. + Mỗi thanh nhiên liệu có 3 lớp. Phần nhiên liệu dày khoảng 0,7 mm (loại HEU và 0,94 loạiLEU) đượclàmbằng UO2-Al (uranium dioxide khuếch tán lên nền nhôm) với độ giàu 19,7% hoặc 36% U-235 theo khốilượng. + Vỏ bọc bằng nhôm dày 0,9 mm (loại HEU) và 0,78 mm (loại LEU). Kích thước ô mạng là 35 mm. Bó nhiên liệu WWR-M2 của Nga 42
  43. 4. Nhiên liệu (7): 75 52 1 + BNL loại WWR-M5 gồm 6 thanh nhiên liệu đồng trục có dạng 3 70 hình ống tròn với các kích thước 21 70, 61, 52, 43, 34, 25 mm. Vỏ bọc bằng nhôm dày khoảng 0,6 mm. Độộ dài phần nhiên liệu khoảng 5 4 100 cm. 1220 3 d ~1000 2 d d 1377 1 d + Là loại nhiên liệuUO2-Al với độ giàu 36%U% U-235 theo khối [mm ] 80% 36% 3 d 1 0.8 0.6 0 - 0 .62 lượng, mật độ 3,0 g/cm . d 2 0.4 0.7 3 - 0 .76 d 3 0.8 0.6 3 - 0 .66 2 1. fuel tubes + Có loại nhiên liệu tương tự 2. holder 3di3 . distance fi ns 4. cladding về kích thước nhưng độ giàu 5. fuel 90% U-235 dùng trong các lò công suất cao để thử nhiên Fig.3. Fuel element liệu như lò MIR, công suất Bó nhiên liệu WWR-M5 của Nga 100 MW ở Dimitrovgrad, Nga. 43
  44. 4. Nhiên liệu (8): + Bó nhiên liệu loại IRT-4 gồm các ống đồng tr ục hình vuông phía ngoài và ống tròn phía trong cùng, là lo ại nhiên li ệuuUO UO2- Al với độ giàu 19,75% U-235 theo khối lượng. + Loại bó nhiên liệu này gắnvn vớiitênc tên của một loại LPƯ của Nga là lò IRT. Bó nhiên liệu IRT-4 của Nga 44
  45. 4. Nhiên liệu (9): + Bó nhiên liệu dạng thanh thay cho loại WWR-M2 (kích thước ô mạng 64 mm thay vì 35 mm) để dễ thao tác khi tái nạp nhiên liệu. Việc sản xuất nhiên liệu loại thanh đơn giản và rẻ tiền hơn. + Vỏ bên ngoài có hình lục giác, bên trong lấp đầy 90 thanh nhiên liệu loại ống v ớibi bước 5,3 mm. + Diện tích vùng trung tâm của BNL được chiếm giữ bởi lỗ có hình lục giác để có thể đặt vào đó các kênh điều khiển và bảo vệ lò, các kênh dùng cho việc Bó nhiên li ệudu dạng thanh do chiếu xạ. Nga chế tạo dùng cho lò 10 MW 45
  46. 4. Nhiên liệu (10): + Để kiểm soát độ phản ứng dự trữ rất lớn trong nhiên liệu có mật độ uran cao, ngoài việc sử dụng thanh điều khiển, ở các BNL được gắn thêm c hấthit nhiễm độc có thể cháy (lò JRR-M3 và lò OPAL). + Chấtnhit nhiễm độc có thể cháy đượcsc sử dụng để tạoso sự cân bằng độ phản ứng hợp lý trong suốt thời gian sống của vùng hoạt và để giảm sự chênh lệch độ phản ứng đến mức chấpnhp nhận được. + Việc dùng các BNL với mật độ uran khác nhau cũng là cách giảm bớt độ phản ứng dự trữ ở đầu chu trình vận hành. 46
  47. 4. Nhiên liệu (11): + Mỗi BNL có tiết diện vuông 8 cm x 8 cm và có chiều cao toàn bộ trên 1 m; có 21 tấm nhiên liệu trong mỗi BNL. + Mỗi tấm nhiên liệu được chế tạo từ việc gắn đồng đều các hạt U3Si2 vào trong mạng tinh thể nhôm và sau đó bọc bên ngoài bằng vỏ nhôm. + Chiều cao của phần chứa nhiên liệu là 61,5 cm. Bề dày củapha phần nhiên liệu là 0,61 mm và độ dày của tấm nhiên liệu ở phía trong là 1,35 mm và tấm bên ngoài là 1,5 mm. Mặt cắt ngang của BNL MTR Các sợi cadmi được gắn vào có chất nhiễm độc có thể cháy trong các BNL để làm chất nhiễm (lò OPAL). độc có thể cháy được nhằm điều khiển độ phản ứng. 47
  48. 4. Nhiên liệu (12): + Một thiết kế rất đặc biệt là lò phản ứng với vùng hoạt chỉ dùng một bó nhiên liệu dạng hình xuyến. + Bó nhiên liệu loại U3Si2-Al với độ làm giàu 93% U-235 theo khối lượng, chứa 8,1 kg uran g ồmhaim hai ống đồng tâm, ở giữa được đặt 113 tấm nhiên liệu uốn cong. + Mỗi tấm có độ dày 1,36 mm và cao 720 mm. Giữa các đĩa là các kênh chảy làm nguội có độ rộng 2,2 mm. + Chu trình vận hành của LPƯ là 52 Bó nhiên liệu dạng hình ngày, cũng chính là thời gian cháy xuyến độ giàu 93% (lò của bó nhiên liệu trong vùng hoạt. FRM-II, Đức). + Mỗi BNL khoảng 1.5 triệu US$. 48
  49. 5. Vùng hoạt (1): + Vùng hoạt là nơi đặt các bó nhiên liệu, các thanh điều khiển hấp thụ và một số kênh chiếu xạ đứng. + Khái niệm có vùng hoạt bên trong (inner core) và vùng hoạt bên ngoài(outercore)i (outer core). + Vùng hoạt bên trong được bao quanh bởi vòng nếp gấp. Có 4 thanh điều khiển và 4 thanh dừng lò mà phía bên trong chứa các BNL loại 18 Vùng hoạt với bó nhiên thanh. Có 20 ống hình lục giác chứa liệu dạng ống, gồm vùng các BNL loại 36 thanh, và 3 kênh hoạt trong và vùng ho ạt đứng để lắp đặt thiết bị chiếu xạ. ngoài (lò HANARO). + Vùng hoạt bên ngoài gồm 8 ống thẳng đứng hình tròn nằm trong vành phản xạ nước nặng. Các BNL loại 18 thanh có thể nạp vào những ống này. 49
  50. 5. Vùng hoạt (2): + Vùng hoạt gồm 26 bó nhiên liệu chuẩn, 6 thanh điều khiển và 5 kênh dành cho việc chiếu xạ. + Mỗi thanh điều khiển bao gồm chất hấp thụ hafnium dạng hộp và thanh nhiên li ệu đi kèm. + Vành phản xạ berili được đặt giữa vùng chứa nhiên liệu và tường trong của bể phản xạ nước nặng. Bể phản xạ bằng nước nặng cao 1,6 m và có đường kính ngoài Vùng hoạt với bó nhiên 2 m. liệu dạng tấm (lò JRR-3M). + Có 9 kênh chiếu xạ đứng trong vùng hoạt (5 hốc trong vùng nhiên li ệu và 4 hốc trong cáckhc khốiberilii berili), 1 thiết bị nguồnnn nơtron lạnh được bố trí trong bể nước nặng. Có 9 kênh ngang. 50
  51. 5. Vùng hoạt (3): + Sử dụng berilium làm chất phảnxn xạ vùng ho ạt. + Có 7 kênh chiếu mẫu đứng trong vùng hoạt để chiếu xạ các bia đồng vị cũng như thử nghiệm vật liệu (có thể đặt 2 kên h thử nghiệm vậtlit liệu trong vùng hoạt); + Có 16 kênh đứng trong vành phản xạ berili và 5 kênh ngang. Vùng hoạt với bó nhiên liệu WWR-M2. 51
  52. 5. Vùng hoạt (4): + Vùng hoạt có 30 BNL dạng tấm (loại MTR), được chia ra thành hai nửa và ghép với bể nước nặng dày 40 cm, và được bao quanh bởi các thanh berili. + Mỗimi mộtnt nửa vùng hoạt sẽ ở dưới tới hạn nhưng khi được ghép lại, hệ thống (gồm hai nửa vùng hoạtct cộng v ớibi bể nước nặng) sẽ có độ phản ứng dự trữ đủ cho một chu trình vận hành 25 ngày. + Các hốc chiếu xạ cho các vật liệu Vùng hoạt gồm 2 nửa với khác nhau được đặt bên trong vùng bó nhiên liệu dạng tấm (lò hoạt, trong b ể nướcnc nặng và trong CRCN/RPM-1). vùng các thanh phản xạ berili. 52
  53. 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (loại vật liệu): + Ba loại vật liệu hấp thụ nơtron được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điều khiển và bảo vệ LPƯ nghiên cứu: hafnium nh ư lò HANARO, JRR-3M, FRM-II, ; Ag-In-Cd (silver-indium-cadmium) như lò OPAL, ETRR-2, CRCN/RPM- 1, và B4C như lò của Nga. + Hafnium có nhiều ưu điểm hơn B4C. Hafnium là vật liệu tương đối mềm nhưng có thể làm cứng hơn bằng việc kẹp chúng giữa các đĩa thép không gỉ. + B4C phải bọc trong một vỏ kín nước để ngăn ngừa sự giải phóng tritium đếnnn nước lò và ngănngn ngừasa sự hòa tan củaBa B4C vào chất làm nguội. Nếu như vỏ bọc B4C bị rò sẽ dẫn đến sự nhiễm bẩn nước lò và gây ra sự chiếu xạ cao cho nhân viên vận hành. 53
  54. 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (thanh ĐK đi kèm): + Các thanh điều khiển kèm theo nhiên liệu (lò JRR-3M) gây ra một số hạn chế trong việc vận hành LPƯ như sự phức tạp trong thu ật toán điềukhiu khiển và có thể xảyrahy ra hư hỏng ph ần nhiên liệu khi cho thanh điều khiển rơi. + Cácthanhc thanh điềukhiu khiểngn gồmphm phầnhn hấp thụ theo sau b ởiphi phần rỗng hấp thụ thấp (hollow low-absorption) (lò TRIGA). Khi chất hấp thụ được rút ra, phần rỗng sẽ đi vào vùng hoạt. Phầnrn rỗng theo sau t ượng tr ưng m ộttht thể tích không có nhiên liệu tương đối lớn trong vùng hoạt mà có thể gây ra một đỉnh thông lượng nơtron địa phương. + Để tránh đỉnh thông lượng nơtron địa phương, một số LPƯ (lò HANARO, CRCN/RPM-1, OPAL) đã di chuyển các phần hấp thụ vào trong khe nước giữa các BNL hoặc sử dụng thanh điều khiển đi kèm thanh nhôm (lò Nga). 54
  55. 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (cơ cấu dẫn động thanh ĐK): + Các động cơ thanh điều khiển hoặc được đặt ở phía trên hoặc phía dưới vùng hoạt. + Việc đặt động cơ phía dưới vùng hoạt cho sự thao tác ở vùng hoạt thuận tiện hơn so với việc đặt động cơ ở phía trên vùng hoạt. Tuy nhiên, việc thao tác dễ dànggg trong vùng hoạt sẽ được đổi lại bằng việc gia tăng khả năng sự cố mất nước bể lò do các thanh điều khiển xuyên qua phần dưới bể lò thấp hơn độ cao của vùng hoạt. + Mặt khác cũng nên chú ý rằng mối hàn giữa chất hấp thụ và thanh n ốici cần đượctheoc theo dõithi thường xuyên do có thể hư hỏng bởi chiếu xạ, vì khi thanh điều khiển đi lên trên vùng hoạt thì phần nối đi vào vùng bị chiếu xạ cao. 55
  56. 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (cơ cấu dẫn động thanh ĐK): + 6 thanh ĐK dạng tấm làm bằng hợp kim Ag-In-Cd. Mỗi thanh được gắn với hệ thốnggy truyền động nhờ nam châm điện đặt trong phòng dưới bể lò. Các TĐK được giữ nằm ở phía trên vùng hoạt khi rút thanh; trọng lực sẽ đóng vai trò làm thanh rơi vào vùng hoạt. Các thanh di chuyển nhờ vào môtơ bước. + Hệ thống dừng lò thứ hai là đổ dung dịchhh hấp thụ nơtron (gadolinium nitrate) vào 4 buồng được đặt giữa các BNL Cơ cấu dẫn động thanh điều khiển và vành phản xạ bao quanh nằmdm dưới vùng ho ạt(lòETRRt (lò ETRR-2) vùng hoạt. 56
  57. 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (cơ cấu dẫn động thanh ĐK): + 5 thanh ĐK dạng t ấm làmbm bằng hợp kim Ag-In-Cd. Mỗi thanh được gắn với hệ thống truyền động nhờ nam châm điện đặttrongt trong phòng dưới bể lò. Cho phép: - Đưa thanh nhanh vào vùng hoạt; - Cách ly với nhà lò; - Có chức năng khóa liên động vùng khởi động. Cơ cấu dẫn động thanh điều khiển nằm dưới vùng hoạt (lò OPAL) 57
  58. 1 2 3 4 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (cơ cấu dẫn động thanh ĐK): +5.0 5 9 6 10 7 8 H3, H8 - 135 cm -1.7 H7 - 115 cm H4, H5, H6 - 95 cm Cơ cấu dẫn động thanh điều 11 12 13 14 khiểnnn nằmmtrênm trên mặttlò(lò lò (lò 1. control rod drive mechanism 8. beam tube shutter 2. mounting plate 9. fuel channel 3. ionization chamber channel 10. ionization chambers shield MARIA, 30 MW, Balan) 4. ionization chamber drive mechanism 11. core and support structure 5. fuel and loop channels support plate 12. core and reflector support plate 6. plate support console 13. reflector blocks 58 7. horizontal beam tube shutter drive mechanism 14. beam tube compensator joint
  59. 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (các chức năng chính): + Hệ an toàn hay hệ bảo vệ sự cố + Hệ điều khiển + Hệ các khóa liên động + Hệ giao diện với máy tính + Hệ giám sát + Hệ hiển thị thông tin. Phân thành 3 mức có tính thứ bậc như sau: + Giám sát (các bảng và bàn điều khiển, các màn hình theo dõi, đèn báo, ) + Điều khiển (hệ máy tính hoặc PLC với các giao diện thích hợphp, hệ bảoov vệ sự cố) + Thực thi tại hiện trường (các hệ đo thông số công nghệ, các thiết bị xử lý thông thường hoặc thông minh, các hệ thừa hành, các điều khiển động cơ, môtơ bước, ). 59
  60. 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (nguyên lý): Operation RPS Conso le Rod Movement Stations Console Panel Instruments Supervision Printer Level Network Protection Reactor Protection System Signals Control Level (Fully Hardwired) Trip Action Field Bus Compatibility Monitoring & Control Signals Triple Redundant Motors Stepper Field (To electro - Drivers Level Motors magnetic clutches) Nucleonic and Processes signals for Reactor Protection System Process Signals & Actuactors Position Sensors Control Rod Drives Sơ đồ nguyên lý của một hệ điều khiển và bảo vệ điển hình 60
  61. 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (nguyên lý): Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển và bảo vệ lò VR-1 61
  62. 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (nguyên lý): linear power power NM-1000 trend fission recorder Amplifier, chamber bar graph Counters / period Transmitter log Display % power Microprocessor Keypad FT #1 direct wired ion indicator chamber NP-1000 FT #2 Power Safety power monitor channel Channel % power fuel % power temp. # 1 Thermocouple Data Acquisition Informaion fuel amplifier # 1 rod And Color proses control t#2temp. # 2 Thermocouple CtlUitControl Unit display computer switches (DAC) fuel amplifier # 2 high temp. # 3 resolution Thermocouple color amplifier # 3 monitor water reactor temp. # 1 RTD high speed mode amplifier # 1 transmitter switches water DAC IPC reactor RTD cooling system temp. # 2 computer computer status amplifier # 2 display monitor water RTD temp. # 3 amplifier # 3 printer analog inputs digital inputs computer computer keyboard keyboard % power Rod rod control Drives (5) & logic ion chamber NPP-1000 Pulse Channel Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển và bảo vệ lò Bandung, 2 MW62
  63. 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (các nguyên tắc): Các nguy ên tắc cơ bản cần đáp ứng khi thi ếttk kế hệ điều khiển và bảo vệ: + Sai hỏng đơn (single fail principle) + Sai hỏng an toàn (fail sa fe principle ) + Tính dư thừa (redundancy) và + Tính đa dạng (diversity) Một số nguyên lý trong thiết kế cần được xem xét và đảm bảo đối với các hệ điều khiển và bảo vệ là: + Nguyên lý ch ọn 2 trên 3, nghĩalàcha là chỉ khi 2 trong 3 kênh đo độc lập cùng có tín hiệu thì mới có tín hiệu thừa hành lối ra. + Tính độc lập giữa hệ điều khiển và hệ bảo vệ sự cố. +Cót+ Có tốiithi thiểumu một kênh b ảovo vệ sự cố độclc lập không có y ếutu tố chương trình phầm mềm mà chỉ có mạch phần cứng (fully hardwired). + Cách ly về điệngin giữapha phầntínhin tín hiệutu tương t ự và tín hi ệusu số xử lý logic để tránh tạp nhiễu ảnh hưởng đến phần xử lý tín hiệu logic. 63
  64. 6. Hệ điều khiển và bảo vệ (bố trí) Phòng điều khiển chính của LPƯ là nơi lắp đặt hệ thống điều khiển và giám sát LPƯ. Việc theo dõi công suất, điều khiển các thanh an toàn - bù trừ, điều chỉnh tự động công suất và dừng lò khi có sự cố được thực hiện từ phòng điều khiển chính. Phòng kiểm soát sự cố, đặt cách xa khỏi phòng điều khiển chính. Các chức năng có thể có tại phòng kiểm soát sự cố gồm: + Một hoặc hai kênh đo độc lập để theo dõi công suất của lò phản ứng. + Dập lò khẩn cấp bằng tay cho mỗi hệ thống dập lò thứ nhất và hệ thống dập lò thứ hai khi có tình huống bất thường. + Theo dõi tình tr ạng phóng xạ cao trong nhà lò và phòng điều khiển chính; điều khiển bằng tay hệ thống giam giữ/giam cầm phóng xạ để thực hiện sự cách ly tòa nhà lò nếu được yêu cầu. + Hiển thị cácthôngsc thông số quan trọng đốivi vớisi sự an toàn củaLPa LPƯ như công suất lò, mức nước bể lò, nhiệt độ nước làm mát, 64
  65. 7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (1): Chia thành 3 loại: các thiết bị đặt trong vùng hoạt, các thiết bị đặt trong vành phản xạ và các kênh thực nghiệm nằm ngggang, bao g ồm: + Các kênh chiếu xạ đứng (trong vùng hoạt hay vành phản xạ), để sản xuất đồng vị phóng xạ, thử nghiệm vật liệu, + Các kênh chuyển mẫu khí nén (PTS) hay thủy lực (HTS), để phân tích kích hoạt nơtron hay sản xuất đồng vị phóng xạ; + Cáckênhchic kênh chiếu xạ thể tích l ớn, dùng để chiếu xạ mẫu và pha tạp tinh thể đơn Si; + Các kênh vòng dùng để thử nghiệm vật liệu và nhiên liệu nhân; + Cáchc hốc để đặtthit thiết bị cho nguồnnn nơtron lạnh; + Các kênh thí nghiệm nằm ngang (tiếp tuyến hay hướng tâm), dùng cho nghiên cứu, chụp ảnh nơtron, phân tích kích hoạt gamma tức thời, BNCT , v.v + Cột nhiệt. 65
  66. 7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (2): + Có 3 bẫy nơtron ở vùng hoạt bên trong và 4 vị trí chiếu xạ ở vùng hoạt bên ngoài (nơi có thông lượng nơtron nhanh và nơtron trên nhiệt cao) dùng để chiếu xạ thử nghiệm nhiên liệu và vật liệu, sản xuất ĐVPX. + Có 25 kênh chiếu xạ đứng nằm trong vành phản xạ nướcnc nặng để chiếu xạ sản xuất ĐVPX, phân tích kích hoạt nơtron, pha tạp silicon (NTD1 và NTD 2) và lắp đặtngut nguồn Lò HANARO, 30 MW nơtron lạnh (CNS). + Có 7 kênh tiếp tuyến nằm ngang được thiết kế cho từng mục đích thí nghiệm như tán xạ nơtron (ST1-ST4), nhiễu xạ nơtron (ND1-ND3), chụp ảnh nơtron (NR), nơtron lạnh (CNS), kênh phân 66 tích (PGNAA), chiếu xạ bằng bắt nơtron của Bo (BNCT),
  67. 7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (3): + Không có thiết bị chiếu xạ đứng nằm trong vùng hoạt của LPƯ, chúng chỉ được đặt trong vành phảnxan xa (không̣ chi ếuux xạ để thử nhiên liệu). + Các thiết bị chiếu xạ trong vành phản xạ gồm: thiết bị chiếu xạ cho sản xuất đồng vị phóng xạ, các thiết bị chiếu xạ kên h khí né n vàáà các thiết bị dùng để chiếu xạ vật liệu có thể tích lớn. + Ba trong 5 kênh thí nghiệm tiếp Lò OPAL, 20 MW tuyến nằm ngang được thiết kế cho mục đích sử dụng nguồnnn nơtron lạnh và nguồn nơtron nóng. 67
  68. 7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (4): + Thiết kế ưu tiên cho các thí nghiệm sử dụng chùm nơtron từ các kênh ngang. + Một nguồn nơtron lạnh chứa chất lỏng D2, được đặt ở vị trí có thông l ượng nhi ệtcaot cao nhất, cung cấp nơtron lạnh cho 3 kênh ngang. + Một nguồn nơtron nóng graphite được đặt trong vùng cực đại của thông lượng nhiệt và dịch chuyển phổ nơtron đến độ dài sóng ngắn nhất. Lò FRM-II, 20 MW + Một kênh xuyên suốt hai mặt của tường bảovo vệ sinh học sẽ được dùng để đặtmt mẫu chiếu U-235 (khoảng 1g) để sinh ra các sản phẩm phân hạch. 68
  69. 7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (5): + Gồm 29 BNL loại th anh TRIGA chuẩn, một thiết bị chiếu xạ nơtron nhanh, 4 thanh điều khiển và mộtthit thiết bị sản xuấtIt Ir-192 trong vùng hoạt. + Phầnchn chứanhiênlia nhiên liệu của vùng hoạt được phản xạ hai mặt bởi berili và hai mặt còn lại bởi nước nặng. + 23 khối berili có hốc ở giữa để làm chỗ cho các thí nghiệm chiếu xạ hay cho phép các Lò ONRC, 10 MW dòng chảy của chất làm nguội đi ngang qua. + Có 3 kênh chuyển mẫu khí nén để chiếu các ĐVPX sống rất ngắn. 4 vị trí chiếu xạ trong vành phản xạ nước nặng để chiếu xạ chuyển đổi silicon. 6 kênh ngang dùng cho nhiễu xạ kế dạng bột có độ phân giải cao, chụp ảnh nơtron, PGNAA, BNCT 69
  70. 7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (6): Vertical channels CNS: Cold neutron source HNS: Hot neutron source CI,NI: isotope hole MT: Material irradiation monitoring hole NTD: NTD silicon hole AT: NAA hole SRDM: Safety rod drive mechanism Horizontal beam tubes HT1: Cold neutron source beam tube HT2: Multi-filtration neutron btbbeam tube HT3, HT4, HT6, HT8, HT9: Thermal neutron beam tube Lò CARR, 60 MW. HT5: Longgg tangential beam tube HT7: Hot neutron source beam tube 70
  71. 8. Các thiết bị khác (1): + Bể dịch vụ để chứa các bó nhiên liệu đã cháy và các mẫu sau khi chiếu xạ và một kênh trung chuyển. Bể dịch vụ được nối với bể lò qua kênh trung chuyển. + Hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt có chức năng giữ cho nhiệt độ trong vùng hoạt nằm trong giới hạn an toàn. Các phương án: - Hệ thống thụ động (nước được phun vào vùng hoạt nhờ trọng lực) như ở lò CRCN/RPM-1 và OPAL. - Sử dụng bơm được nuôi bằng nguồn điện acqui để bơm nướctc từ bể phân rã vàobo bể lò (như ở lò ONRC). - Trong thiết kế của Nga, nhờ vào sự trợ giúp của bể làm nguội khẩn cấp và hệ thống thu thập nước rò để bơm nước trở lại vàobo bể lò. 71
  72. 8. Các thiết bị khác (2): + Hệ thống tạo ra lớp nước nóng trên bề mặt bể lò để bảo vệ nhân viên làm việc không bị chiếu xạ gây ra bởi các sản phẩm phóng xạ trong n ước lò. Hệ thống này còn có chứcnc năng làm sạch liên tục nước ở bề mặt và kiểm soát mức nước bể lò . + Hệ pháthit hiệnhn hư hỏng nhiên li ệu đang s ử dụng trong LP Ư nhằm theo dõi liên tục các sản phẩm phân hạch trong hệ nước vòng sơ cấp hoặc hệ thống theo dõi hoạt độ phóng xạ trong hệ thống thông gió c ủa lò phản ứng. + Một vài hotcell được đặt trong gian nhà lò, phía sau bể dịch vụ hbhay sau bể lò, để làm thuận tiện chiho việc thao tác với các mẫu sau chiếu xạ. 72
  73. 8. Các thiết bị khác (3): Hệ pháthit hiệnhn hư hỏng bó nhiên li ệucu của lò Dhruva , India 73