CÁC HIỆN TƯỢNG ĐỐI LƯU CƯỠNG BỨC MỘT PHA
TRONG VÙNG HOẠT KHI CÓ SỰ CỐ
Tài liệu tham khảo dựa trên báo cáo nhiệm vụ “HỢP TÁC NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH,
ĐÁNH GIÁ AN TOÀN VÙNG HOẠT LÒ PHẢN ỨNG NĂNG LƯỢNG NƯỚC NHẸ
TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN CHUYỂN TIẾP VÀ SỰ CỐ”
Mục lục
Bảng viết tắt ......................................................................................................................... 3
1. Hiện tượng đối lưu cưỡng bức ......................................................................................... 4
1.1. Khái niệm chung ......................................................................................................... 4
1.2 Các thông số đặc trưng trong đối lưu ............................................................................ 4
1.3. Hiện tượng thủy nhiệt trong vùng hoạt lò phản ứng ..................................................... 8
1.3.1. Nguyên nhân gây ra sụt áp trong vùng hoạt........................................................... 9
1.3.2. Các thành phần sụt áp ......................................................................................... 10
2. Hiện tượng đối lưu cưỡng bức trong vùng hoạt khi có sự cố ....................................... 15
2.1 Hệ thống làm nguội tâm lò khẩn cấp (ECCS) ............................................................. 16
2.1.1 Hệ thống ECCS trong lò nước áp lực (PWR) ....................................................... 17
2.1.2 Hệ thống ECCS trong lò nước sôi (BWR)............................................................ 19
2.2 Sự cố mất chất tải nhiệt (LOCA) ................................................................................ 21
2.2.1 Sự cố LOCA trong lò PWR ................................................................................. 21
2.2.2 Phân loại sự cố LOCA trong lò PWR................................................................... 24
2.2.3 Sự cố LOCA trong lò BWR ................................................................................. 27
2.2.4. Kịch bản sự cố LOCA trong lò BWR và phân loại ............................................. 28
2.3. Sự cố vỡ lớn chân nguội trong lò PWR...................................................................... 29
2.3.1 Quá trình xả nước xuống ..................................................................................... 30
2.3.2 Quá trình làm đầy lại ........................................................................................... 31
2.3.3. Quá trình làm ngập lại ....................................................................................... 32
2.4. Một số ảnh hưởng quan trọng khi xảy ra sự cố đối với vùng hoạt............................... 33
Kết luận .............................................................................................................................. 35
Tài liệu tham khảo ................................................................... Error! Bookmark not defined.
2
Bảng viết tắt
DBA
BDBA
SA
ECCS
LOCA
PCT
DNB
CCFL
RWST
HPIS
HPCI
HPCS
LPIS
LPCI
LPCS
RHR
RHS
ADS
RCIC
RV
LB-LOCA
SB-LOCA
NPP
Design Basis Accident – Sự cố cơ bản theo thiết kế
Beyond Design Basis Accident – Sự cố cơ bản ngoài thiết kế
Severe Accident – Sự cố nặng
Emergency Core Cooling System – Hệ thống làm nguội tâm lò khẩn cấp
Loss of Coolant accident – Sự cố mất chất tải nhiệt
Peak Cladding Temperature – Đỉnh nhiệt độ lớp vỏ
Departure from Nucleate Boiling – Dời khỏi độ sôi nhân
Counter Current Flow Limiting – Giới hạn dòng chảy ngược
Refueling Water Storage Tank – Bể chứa nước thay nhiên liệu
High Pressure Injection System – Hệ thống phun áp cao
High Pressure Coolant Injection – Hệ thống phun áp cao
High Pressure Core Sprays – Hệ thống phun vùng hoạt áp cao
Low Pressure Injection System – Hệ thống phun áp thấp
Low Pressure Coolant Injection – Phun chất làm nguội áp lực thấp
Low Pressure Core Sprays – Hệ thống phun vùng hoạt áp thấp
Residual Heat Removal – Hệ thống tải nhiệt dư
Residual Heat System – Hệ thống tải nhiệt dư
Automatic Depressurization System – Hệ thống giảm áp tự động
Reactor Core Isolation Cooling System – Hệ thống làm nguội cô lập vùng
hoạt lò phản ứng
Reactor vessel – Thùng lò phản ứng
Large Break – LOCA – Sự cố LOCA vỡ lớn
Small Break – LOCA – Sự cố LOCA vỡ nhỏ
Nuclear Power Plant – Nhà máy điện hạt nhân
3
1. Hiện tượng đối lưu cưỡng bức
1.1. Khái niệm chung
Phương thức truyền nhiệt thông qua sự tiếp xúc giữa bề mặt vật rắn và
chất lưu chảy qua gọi là truyền nhiệt đối lưu (đối lưu nhiệt), bao gồm hai kiểu
chính:
Nhiệt được lấy ra một cách thụ động dưới tác dụng của ngoại lực gây ra
chuyển động của chất lưu. Quá trình truyền nhiệt này gọi là đối lưu cưỡng
bức hay bình lưu nhiệt.
Nhiệt mà bản thân nó gây ra chuyển động chất lưu (theo đường giãn nở và
lực nổi), trong lúc đó xảy ra truyền nhiệt bởi chuyển động khối của chất
lưu. Quá trình này được gọi là đối lưu tự nhiên, hay đối lưu tự do.
Cả hai kiểu đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức có thể cùng xảy ra
(trong trường hợp xảy ra đối lưu hỗn tạp ). Truyền nhiệt đối lưu là một hiện
tượng cơ học của truyền nhiệt xảy ra do chuyển động khối của chất lưu. Điều
này trái ngược với truyền nhiệt theo phương thức dẫn nhiệt (năng lượng nhiệt
được truyền bởi sự dao động tại một chỗ của các phần tử vật chất trong chất rắn
hoặc chất lưu) và bức xạ nhiệt (năng lượng nhiệt được truyền theo dạng sóng
điện từ). Đối lưu phụ thuộc vào sự di chuyển khối của chất lưu, nó chỉ có thể
xảy ra trong môi trường chất lỏng, khí và hỗn hợp đa pha (khí và lỏng). Đối lưu
tự nhiên phân biệt được từ sự biến đổi của đối lưu cưỡng bức. Đối lưu cưỡng
bức truyền nhiệt bởi sự chuyển động của chất lưu dưới tác dụng của nhiều lực
khác nhau ( máy bơm, quạt, thiết bị hút… ).
Một dòng chảy chất lưu không nén được chảy ngang qua bề mặt của một
tấm phẳng đặt song song với dòng chảy. dòng chất lưu tiến tới tấm với vận tốc
đồng nhất U, bỏ qua độ nhớt của chất lưu. Chất lưu tới bề mặt tấm bám vào bề
mặt tấm và điều kiện biên là chất lưu không trượt trên tấm. Tiến hành quan sát
cho thấy, có một miền gần bề mặt trong đó vận tốc chất lưu thay đổi từ giá trị
không tới giá trị U, được gọi là lớp biên thủy lực. Ở bên ngoài lớp biên, dòng
chất lưu với vận tốc U chảy song song với tấm. Nếu nhiệt độ của bề mặt tấm
phẳng và của chất lưu khác nhau thì phần lớp biên đó được gọi là lớp biên
nhiệt.
1.2 Các thông số đặc trưng trong đối lưu
Các số không thứ nguyên đặc trưng trong truyền nhiệt đối lưu là:
Số Nusselt: Biểu diễn không thứ nguyên cho sự chênh lệch nhiệt độ tại bề
mặt và cho ta phép đo hệ số đối lưu, được định nghĩa là:
Nu L
hL
k
(1.1)
Trong đó, L là chiều dài đặc trưng của bề mặt. Dựa trên lời giải phân tích và
quan sát thực nghiệm, số Nusselt biểu diễn cho đối lưu cưỡng bức và hệ số đối
4
lưu cục bộ, trung bình được xác định bởi mối liên hệ tương ứng từ hai phương
trình sau:
Nu x f x * , Re x , Pr
và
Nu x f Re x , Pr
Số Reynolds, Re, là tỷ số của lực quán tính và lực nhớt. Nó được sử dụng
mô tả cho dòng chảy lớp biên. Số Reynolds là một trong những thông số quan
trọng trong cơ học chất lỏng. Nếu số Reynolds lớn thì quán tính của chất lưu là
chi phối lên ảnh hưởng nhớt. Ngược lại, số Reynolds nhỏ thì ảnh hưởng nhớt là
chi phối.
Re L
UL
(1.2)
Trong đó, U, L lần lượt là vận tốc dòng chất lưu, chiều dài đặc trưng bề mặt tấm
phẳng và υ là hệ số nhớt động học, được tính bằng tỷ số / (với µ là hệ số
nhớt của chất lưu và ρ là mật độ chất lưu).
Trong phân tích hoạt động của lớp biên cho trường hợp tấm phẳng, sự
chuyển tiếp dòng chảy lớp biên xảy ra tại vị trí xc dọc theo tấm phẳng nào đó,
tương ứng với số Renolds tới hạn, Re x ,c . Số Renolds tới hạn biến đổi từ 105 tới
3 106 , nó phụ thuộc vào độ nhám bề mặt và mức độ rối của dòng chảy tự do.
Một giá trị tiêu biểu thường xuyên được sử dụng cho tính toán truyền nhiệt là:
Re x ,c
u xc
5 105
(1.3)
Số Prandtl, Pr, là một thuộc tính truyền của chất lưu và cung cấp hiệu
suất truyền động lượng và năng lượng trong lớp biên thủy lực và lớp biên nhiệt.
Pr
Cp
k
(1.4)
Trong đó, được gọi là hệ số khuếch tán nhiệt của chất lưu.
Biểu thức thực nghiệm cho trường hợp đối lưu cưỡng bức dòng chảy bên ngoài
lên tấm phẳng có dạng:
Nu x C Re mx Pr n
(1.5)
Trong đó, C, m, n không phụ thuộc vào chất lưu mà phụ thuộc vào hình học bề
mặt và điều kiện dòng chảy (chảy tầng, chảy rối). Trong trường hợp đối lưu
cưỡng bức dòng chảy bên trong, mối liên hệ tương tự được ứng dụng, mặc dù
đặc tính của lớp biên là khác nhau trong hai trường hợp.
Trong đối lưu tự nhiên, dòng chảy lớp biên được gây ra do lực đẩy sinh ra
do nhiệt tăng từ sự khác nhau giữa nhiệt độ bề mặt, Ts , và nhiệt độ chất lưu, T .
Dòng chảy được đặc trưng bởi số Grashof, là tỷ lệ của lực đẩy và lực nhớt:
GrL
g Ts T L3
2
(1.6)
Trong đó, g là gia tốc trọng trường và là hệ số giãn nở thể tích do nhiệt. Hệ số
đối lưu cục bộ và hệ số đối lưu trung bình được liên hệ tương ứng bởi phương
trình có dạng:
5
Nu x f x* , Grx , Pr
Nux f Grx , Pr
và
Chú ý rằng, hai dạng phương trình trên tương tự với trường hợp đối lưu cưỡng
bức, số Grashof thay thế cho số Reynolds. Để thuận tiện cho việc biểu diễn,
nhân hai số Gr và Pr được gọi là số Rayleigh. Về mặt vật lý, số Rayleigh tương
tự với số Grashof.
RaL
g Ts T L3
(1.7)
Bảng 1.1: Tóm tắt các thông số đặc trưng trong truyền nhiệt đối lưu
Số không thứ
nguyên
Định nghĩa
Ứng dụng
Số Nusselt, NuL
hL
k
Sự chênh lệch nhiệt độ không
thứ nguyên tại bề mặt. Phép đo
hệ số truyền nhiệt đối lưu.
Số Reynolds, Re L
UL
Tỷ số giữa lực nội tại và lực
nhớt. Đặc trưng cho dòng chảy
đối lưu cưỡng bức.
Cp
Số Prandtl, Pr
k
g Ts T L3
Số Grashof, GrL
2
g Ts T L3
Số Rayleigh, RaL
Tỷ số của tính khuếch tán động
lượng và khuếch tán nhiệt. Tính
chất của chất lưu.
Tỷ số giữa lực đẩy và lực nhớt.
Đặc trưng cho dòng đối lưu tự
nhiên.
Tích của hai số Gr và Pr. Đặc
trưng cho dòng chảy đối lưu tự
nhiên.
Các chương trình tính toán động học, các phương pháp phân tích và thực
nghiệm (cho nhiều dạng hình học khác nhau) cho phép tiên đoán quá trình
truyền nhiệt và các điều kiện dòng chảy trong các hình dạng biến đổi khác nhau.
Một vài tương quan truyền nhiệt trong dòng chảy rối cơ bản dựa trên phân tích
số Reynolds được phát triển vào những năm 1930 cho dòng chảy trong ống, hầu
hết sử dụng các mối tương quan sau:
Mối tương quan của Dittus và Boelter cho chất lưu làm nóng:
NuD 0, 0265 Re D
0,8
Pr
0,4
(1.8)
Mối tương quan của Colburn cho quá trình làm nóng hoặc làm lạnh trong
ống:
6
Nu D 0, 023 Re D
0,8
1/ 3
Pr
(1.9)
Và mối tương quan của Sieder và Tate cho quá trình làm nóng và làm
lạnh trong ống:
Nu D 0, 027 Re D
0,8
1/ 3
Pr / w
0,14
(1.10)
Trong đó, các tính chất của chất lưu trong hai biểu thức đầu được tính tại
giá trị nhiệt độ trung bình Tb Tw / 2 và đối với công thức số 3 tính tại nhiệt độ
cục bộ của chất lưu. Đối với kênh dẫn không phải là ống hình trụ, Carpenter sử
dụng đường kính thủy lực tương đương thay thế cho đường kính ống trong mối
tương quan Sieder-Tate:
Nu De 0, 023 Re De
0,8
1/ 3
Pr /
0,14
(1.11)
w
Trong đó, De là đường kính thủy lực tương đương. Nhiều mối tương quan
khác sử dụng tính toán cho số Nusselt và hệ số ma sát. Mối tương quan
Petukhov cho dòng chảy trong ống:
Nu D f / 8 Re D Pr/ 1, 07 12, 7 f / 8 Pr 2 / 3 1
b
/ w
n
(1.12)
Trong đó, b / w nằm giữa khoảng o tới 40, Re D giữa khoảng 104 tới 5 106 , số
Pr giữa khoảng 0,5 và 200 với độ tin cậy 6% và số Pr giữa khoảng 200 tới 2000
với độ tin cậy 10%, n = 0,11 với Tw Tb , n = 0,25 với Tw Tb và n = 0 đối với
trường hợp chất lưu là khí.
2
Và f 1/ 1,82 log10 Re D 1, 64 đối với ống nhẵn; hoặc sử dụng giản đồ Moody
trong cả hai trường hợp ống nhẵn và ống nhám.
Sleicher và Rouse đề xuất lại một biểu thức đơn giản hơn với trường hợp
dòng chảy trong ống:
a
Trong đó,
b
Nu D 5 0, 015 Re D Pr
(1.13)
a 0,88 0, 24 / 4 Pr
0,6Pr
b 1/ 3 0,5e
(1.14)
Và số Pr nằm giữa khoảng 0,1 và 105 và số Re D ở giữa khoảng 104 và 106 .
Số Reynolds được tính toán tại nhiệt độ Tb Tw / 2 và các tính chất của số Pr
tính toán ở nhiệt độ bề mặt cục bộ.
Đối với dòng chảy tầng phát triển đầy đủ trong ống với thông lượng nhiệt
đồng nhất, hệ số truyền nhiệt là hằng số thì:
Nu D 4,36
Pr 0, 6
(1.15)
7
1.3. Hiện tượng thủy nhiệt trong vùng hoạt lò phản ứng
Trong điều kiện vận hành thường cơ chế tải nhiệt từ vùng hoạt ra bên
ngoài lò phản ứng là cơ chế đối lưu tự nhiên. Dòng chất làm nguội được đưa vào
nhờ các bơm cấp nước chính và được giữ bởi một tốc độ đi vào ổn định. Có ba
loại hiện tượng cục bộ trong vùng hoạt có thể tác động đến các biểu hiện của đối
lưu tự nhiên trong hệ thống. Thứ nhất là sự truyền nhiệt trong vùng hoạt vì nó là
cơ chế làm chất lưu nổi lên trên tạo nên dòng tuần hoàn lưu thông tự nhiên. Thứ
hai là độ sụt áp gây ra khi dòng chất lưu xuyên qua vùng hoạt có xu hướng là
nguồn lực cản lớn nhất của dòng chảy trong vòng đối lưu tự nhiên. Cuối cùng là
sự ổn định dòng chảy trong vùng hoạt và nó là một hiện tượng đặc biệt quan
trọng đối với các lò nước đang sôi có một số lượng lớn các kênh song song.
Khả năng tải nhiệt vùng hoạt của chất lưu phụ thuộc vào nhiều yếu tố như
hình dạng của nhiên liệu (nhiên liệu dạng bó, nhiên liệu có hình vành khăn, các
bảng hình vuông, hình tam giác, diện tích bề mặt…), các tính chất của chất lỏng
(hệ số dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, mật độ, độ nhớt), các tính chất dòng chảy
(vận tốc của chất lỏng, sự phân bố của chất lỏng ), vật liệu làm nhiên liệu (hệ số
dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, năng lượng tích lũy) và nhiệt dư nhiên liệu. Phần
lớn những sự hiệu chỉnh truyền nhiệt đối lưu đã được phát triển trong nhiều
năm.
Quá trình lưu thông chất làm nguội trong vùng hoạt trong điều kiện vận
hành thường cũng như điều kiện xảy ra sự cố chịu ảnh hưởng bởi sự mất áp
trong quá trình lưu thông. Tính toán độ sụt áp giúp tiên đoán khả năng tải nhiệt
của chất làm nguội ra bên ngoài vùng hoạt. Lưu lượng của chất tải nhiệt được
đưa vào nhờ các máy bơm ảnh hưởng tới sự mất áp. Lưu lượng dòng chảy hay
mật độ của dòng chảy luôn biến đổi. Đối với dòng một pha, mật độ của chất
lỏng có thể được dự đoán một cách hợp lý cùng với các mối liên hệ cho tính chất
nhiệt vật lý của chất lỏng được thiết lập. Đối với dòng hai pha mật độ của hỗn
hợp dòng hai pha tại một mặt cắt bất kỳ trong dòng chảy được đưa ra bởi
phương trình:
g 1
l
(1.16)
8
Trong đó, g là mật độ của pha hơi, l là mật độ của pha lỏng và là hệ số
rỗng. Đối với dòng chảy hai pha, sự cần thiết phải xác định đại lượng hệ số rỗng
.
1.3.1. Nguyên nhân gây ra sụt áp trong vùng hoạt
Trong lò phản ứng hạt nhân, lượng nhiệt sinh ra, Q, được triết ra từ vùng
hoạt bởi phương thức lưu thông của chất làm nguội. Giả thiết thứ nhất rằng thiết
kế thủy nhiệt của lò phản ứng đảm bảo trong suốt thời gian vận hành dừng của
lò phản ứng với lượng nhiệt được triết ra là QE . Giả thiết thứ hai, trong điều kiện
xảy ra sự cố sự định lượng độ chênh lệch giữa lượng nhiệt Q và QE là cần thiết
cho tiên đoán hoạt động của nhà máy. Định lượng giá trị nhiệt lượng triết ra
được tính theo mối liên hệ:
.
QE m .I
(1.17)
.
Trong đó, I là độ chênh lệch enthalpy giữa lối vào và lối ra của vùng hoạt và m
(kg/s) là tốc độ khối của chất lưu. Như vậy để tính toán lượng nhiệt triết ra cần
biết được tốc độ khối của chất lưu.
Một trong những yếu tố ảnh hưởng quan trọng tới độ mất áp là dạng hình
học. Trong lò phản ứng hạt nhân, hình dạng cơ bản như các ống tròn, vành
xuyến…, các hình dạng đặc biệt như bó nhiên liệu, bộ trao đổi nhiệt, các van,
khoang bên trên và bên dưới vùng hoạt, máy bơm, các bể…, tính chất của chất
lưu (một pha, hai pha hay đa pha), phương thức dòng chảy (chảy tầng, chảy rối),
mẫu hình dòng chảy (dòng bọt khí, dòng túi, dòng vành xuyến…), chiều của
dòng chảy (chảy thẳng đứng lên trên, chảy hướng xuống dưới, chảy nghiêng,
dòng chảy ngược, dòng nằm ngang) và điều kiện vận hành (chuyển tiếp, dừng).
Cuối cùng, yếu tố rất quan trọng được đề cập tới là lực tác dụng lên dòng
chảy. Nếu sự chuyển động của dòng chảy gây ra bởi sự chênh lệch mật độ trong
chất lưu thì phương thức truyền nhiệt gọi là đối lưu tự nhiên, nếu dòng chảy
được điều khiển bởi một bơm thì phương thức truyền nhiệt là đối lưu cưỡng bức.
Sự sụt áp cục bộ gây ra trong thùng lò áp lực xuất hiện trong các thành
phần sau của lò phản ứng: Từ chân nguội của vùng hoạt tới downcomer, từ
downcomer tới lối vào của khoang bên dưới vùng hoạt, lối vào của vùng hoạt
(tiếp giáp với khoang bên dưới vùng hoạt), lưới giằng, lối ra của vùng hoạt (tiếp
giáp với khoang phía trên vùng hoạt), từ khoang phía trên vùng hoạt tới chân
9
nóng của vùng hoạt, thành phần chất làm nguội bypass (phần bypass từ khoang
phía dưới vùng hoạt tới vùng hoạt, bypass từ vùng hoạt tới khoang phía trên của
vùng hoạt, từ downcomer bypass sang chân nóng mà không đi vào vùng hoạt, từ
downcomer tới phía trên vùng hoạt mà không đi qua vùng hoạt, từ đỉnh phía trên
đi trực tiếp tới đỉnh của khoang phía trên vùng hoạt, phần bypass qua các ống
dẫn thanh điều khiển).
1.3.2. Các thành phần sụt áp
Sụt áp tổng bao gồm bốn thành phần: Sụt áp do ma sát của dòng chảy với
thành, sụt áp do hình dạng hình học, sụt áp do gia tốc và sự sụt áp do chênh lệch
độ cao của dòng chảy.
P Pf Pl Pa Pe
(1.18)
a) Sụt áp do ma sát
Đây là thành phần sụt áp không thể phục hồi gây ra bởi ứng suất trượt trên
thành và có thể được biểu diễn là:
2
m.
fL
Pf
De 2 A2
(1.19)
Trong đó, f là hệ số ma sát, L là chiều dài dòng chảy, A là diện tích dòng
chảy, là mật độ chất lưu và De là đường kính thủy lực tương đương (được
tính bằng bốn lần diện tích dòng chảy chia cho chu vi ướt).
Độ sụt áp diễn ra dọc theo chiều dài và do vậy đôi khi được thể hiện như
phân bố áp suất. Phương trình này được ứng dụng cho dòng một pha và dòng hai
pha đồng nhất, mặc dù phương pháp tính toán hệ số ma sát f và mật độ là
khác nhau trong hai trường hợp. Độ sụt áp qua các ống, các kênh hình chữ nhật,
vành xuyến, các bó nhiên liệu để trần (không có lưới chằng và giá đỡ)... là các ví
dụ của thành phần này. Sự hiệu chỉnh chủ yếu được dùng để xác định hệ số ma
sát f được đưa ra dưới đây.
Ống hình tròn
Đối với dòng đoạn nhiệt một pha
Đối với dòng chảy tầng phát triển đầy đủ, hệ số ma sát được đưa ra bởi:
10
f 64 / Re
Trong đó giá trịcủa hệ số Reynolds nhỏ hơn 2000 (Re < 2000). Đối với dòng
chảy rối trong các ống trơn một vài hệ số ma sát được hiệu chỉnh được dự kiến
và đưa vào sử dụng. Một vài sự hiệu chỉnh phổ biến được sử dụng cho ống trơn
được sử dụng:
Blastus đề xuất phương trình:
f 0.316 Re 0.25
Với giá trị của Re trong miền 3000 Re 105 .
f 0.184 Re 0.2 với 3000 Re 106
Colebrook đề xuất phương trình:
e/ D
1
2.51
0.86 ln
f
3.7 Re f
Giá trị cho các ống trơn và nhám đối với toàn bộ miền giá trị của hệ số Reynolds
là lớn hơn 3000.
Theo như phương trình được đề xuất bởi Filonenko là một phép xấp xỉ tốt của
phương trình Colebrook cho các ống trơn với 4 x103 Re 1012 :
f [1.82log(Re) 1.64]2
Chú ý:
Các công thức trên được thiết lập cho hệ số ma sát không tồn tại trong
vùng chuyển tiếp miền nằm giữa 2000 Re 3000 . Một cách đơn giản để khắc
phục vấn đề này là sử dụng các chuẩn cho sự chuyển từ phương trình dòng chảy
tầng sang phương trình dòng chảy rối.
Nếu f t f l thì f ft trong đó ft và fl là các hệ số ma sát được tính bởi
phương trình dòng chảy rối và dòng chảy tầng tương ứng.
Dòng một pha không đoạn nhiệt (diabatic single-phase flow).
Một cách tổng quát sự hiệu chỉnh hệ số ma sát đẳng nhiệt được sử dụng
với các tính chất được ước lượng nhiệt độ tại màng T f 0.4 Tw Tb Tb trong đó
Tw và Tb là nhiệt độ của thành và của khối chất lỏng. Đôi khi hệ số ma sát đối với
dòng không đẳng nhiệt thu được bởi nhân hệ số ma sát trong trường hợp đẳng
nhiệt với một hệ số hiệu chỉnh F. Phương trình thực nghiệm được đưa ra bởi
Leung và Groenevel được đưa ra như là một ví dụ:
11
F b / w
0.28
trong đó chỉ số dưới b và w chỉ khối chất lỏng và thành tương
ứng.
Hình vành khuyên
Các sự hiệu chỉnh đối với ống hình tròn thường được sử dụng cho tính
toán độ sụt áp của dòng một pha trong trương hợp hình vành khuyên sử dụng
khái niệm đường kính thủy lực tương đương
Bó thanh
Hình dạng của bó thanh nhiên liệu được sử dụng theo một vài cách khác
nhau trong các thiết kế tiên tiến. Trong lò các lò nước áp lực và lò nước sôi các
bó nhiên liệu dài (xấp xỉ 1.8m đến 4.5m). Các lưới giằng được sử dụng trong lò
PWR và BWR. Trong các lò PWR và BWR, tổng độ sụt áp thu được bởi phép
cộng độ sụt áp trong bó nhiên liệu và các giá đỡ. Độ sụt áp trong các bó được
buộc bằng dây được hiệu chỉnh bằng thực nghiệm vì hình học cụ thể của các
lưới giằng là khác nhau đối với mỗi công nghệ lò khác nhau.
Bó thanh được quấn dây
Trong trường hợp bó thanh nhiên liệu lưới thép, hình học và hình dạng
của hệ thống là khá cố định và tìm ra một sự hiệu chỉnh tổng quát để dự đoán độ
sụt áp là một công việc hợp lý. Ví dụ một sự hiệu chỉnh được đưa ra bởi Rehme
được đưa ra bên dưới:
P f R
L u R2 U B
De 2 U G
Trong đó:
U B U S U D là chu vi của bó nhiên liệu
U G U S U D U K là tổng chu vi.
U K , U S , U D là chu vi giỏ vùng hoạt (shroud), chu vi ống (pins) và chu vi lưới
giằng.
Vận tốc chuẩn uR được định nghĩa là:
u R u F trong đó u là vận tốc trung bình trong bó thanh
Hệ số hình học F phụ thuộc vào tỷ sỗ giữa độ lớn nhất của dây (the pitch) và
đường kính, tỷ số giữa đường kính trung bình và độ lớn nhất của dây (H).
12
F
pt 0.5
D
d p 2
7.6 m t
H D
2.16
trong đó dm là đường kính trung bình của dây cuốn. Hệ số ma sát chuẩn fR được
tính dựa trên sự hiệu chỉnh bằng dữ liệu thực nghiệm của Rehme’s.
fR
64 0.0816
Re R Re0.133
R
đối với 2 x103 Re R 5 x105
Trong đó Re R Re F và Re u R Dh / v
Những giá trị này trong miền 1.12 pt / D 1.42 và 6 H / dm 45
Bó thanh nhiên liệu để trần
Sự hiệu chỉnh đối với các ống hình tròn được sử dụng một cách phổ biến
để tính toán độ sụt áp sử dụng đường kính thủy lực của bó thanh khi không có
dữ liệu thực nghiệm. Một trong những sự hiệu chỉnh phố biến đước sử dụng:
Kays:
f f cir K l trong đó K1 là một hàm của pt / D dựa trên các công trình của Diessler
và Taylor:
f cir sử dụng sự hiệu chỉnh đối với ống hình tròn để tính toán.
b) Sụt áp do hình dạng
Đây là thành phần sụt áp không thể phục hồi được gây ra bởi sự thay đổi
hình dạng và hướng của dòng chảy. Độ sụt áp qua các van, khuỷu nối, hình chữ
T, giá đỡ...là ví dụ. Độ sụt áp cục bộ được đưa ra bởi:
2
.
m
Pl K 2 trong đó K là hệ số mất mát cục bộ, đối với những hình học khác
2 A
nhau, với dòng một và hai pha sự hiệu chỉnh là khác nhau.
Lưới giằng (Grid spacers)
Do sự biến đổi và phức tạp của hình học nên thật sự rất khó khăn để có
thể xây dựng được sự hiệu chỉnh hệ số sụt áp tổng quát cho lưới giằng. Nhưng
có thể thu được các phương pháp tính toán có tính chính xác phù hợp với mục
đích thiết kế. Một vài sự hiệu chỉnh được sử dụng để xác định độ sụt áp qua lưới
được đưa ra dưới đây..
Độ sụt áp một pha được tính toán sử dụng hệ số mất mát do giá đỡ K là:
13
p K VB2 / 2
Trong một vài trường hợp, nó có thể đạt được giá trị hệ số mất mát do giá
đỡ hợp lý nếu hình học của nó có thể được xấp xỉ tới một trong những được
dạng hình học đã được xem xét. Đối với những trường hợp khác, những mô hình
thực nghiệm khác nhau đối với K, một trong những mô hình này được đưa ra
dưới đây có thể sử dụng:
Rehme [26] K Cv 2 trong đó Ag / AB
Đối với Re B 5 X 104 , Cv 6 7
Đối với Re B 5 x104 Cv giá trị được đưa ra dưới dạng đồ thị như là một hàm của
ReB. Sau đó Rehme nghiên cứu ảnh hưởng của độ nhám của bề mặt thanh nhiên
liệu tới độ sụt áp qua giá đỡ.
Cevolani [28] đề xuất Cv 5 6133Re0.789 cho các bó nhiên liệu vuông và
ln Cv 7.690 0.9421ln Re 0.0379ln 2 (Re) đối với các bó hình tam giác, nếu giá
trị được tính toán lớn hơn hai thì giới hạn trên K=2.
Tấm nối
Một cách tổng quát các tấm nối được sử dụng tại các đầu của bó thanh
nhiên liệu để liên kết tất cả các ống thanh nhiên liệu. Cũng giống như các giá đỡ,
diện tích dòng tại đầu dưới và đầu trên tấm nối là khác nhau. Những tấm nối này
nói chung được định vị trong những phần không được đốt nóng của bó. Các
nghiên cứu cho thấy độ sụt áp đối với các tấm nối là ít. Đối với độ sụt áp cục bộ
một phép tính toán xấp xỉ cho mục đích thiết kế có thể được thực hiện sử dụng
mô hình co giãn. Thêm vào đó lực ma sát mất trong bề dày của các tấm nối có
thể được tính toán sử dụng khái niệm đường kính thủy lực tương đương.
c) Sụt áp do gia tốc
Thành phần sụt áp không phục hồi lại được gây ra bởi sự thay đổi diện
tích dòng. Độ sụt áp do gia tốc là do sự thay đổi của dòng một pha và dòng hai
pha có thể được biểu diễn là:
2
.
(1 Ar2 ) m
Pa
2
2 A0 L
Trong đó A0 =diện tích dòng nhỏ hơn và Ar là diện tích dòng chảy lớn hơn.
1 đối với dòng một pha còn đối với dòng hai pha thì:
14
3
x3
1 x
G L
2 2 2
2
G
L (1 ) x L (1 x) G
Độ sụt áp do gia tốc gây ra do sự thay đổi của mật độ đối với dòng một
pha và dòng hai pha là:
1
pa G 2
( m )0
1
( m )i
Đối với dòng một pha thành phàn này có thể được bỏ qua nhưng có thể
đáng kể đối với dòng hai pha. Để có thể tính toán được độ sụt áp do thay đổi mật
độ, việc dự đoán chính xác mật độ của chất lỏng là cần thiết. Mật độ dòng hai
pha được cho bởi công thức:
2
1 x
1
x2
m g 1 l
Trong đó, x là lượng dòng chảy (flow quality) được tính bằng tốc độ khối của
pha hơi chia cho tốc độ khối của hỗn hợp chất lưu.
d) Sụt áp do trọng lực
Thành phần sụt áp này gây ra do sự chênh lệch độ cao giữa lối vào và lối ra của
dòng chất lưu và được cho bởi công thức:
Pe g z.cos
Trong đó, là góc nghiêng của dòng chảy so với phương thẳng đứng. Đối với
dòng hai pha, mật độ được xác định bởi:
g 1 l
Đối với dòng chảy thẳng đứng thì thành phần sụt áp do trọng lực sẽ lớn nhất.
2. Hiện tượng đối lưu cưỡng bức trong vùng hoạt khi có sự cố
Phân tích sự cố là một công cụ quan trọng cho việc đảm bảo chắc chắn
phòng thủ chiều sâu với vấn đề an toàn cho nhà máy điện hạt nhân. Phân tích an
toàn trong điều kiện xảy ra sự cố bao gồm phân tích sự cố cơ bản theo thiết kế
(DBA), sự cố cơ bản ngoài thiết kế (BDBA). Tuy nhiên các sự cố BDBA bao
hàm trong một phạm vi hẹp, ngoài ra còn kể đến những sự cố nặng (SAs) với sự
hư hỏng đáng kể trong vùng hoạt. Các hệ thống an toàn được thiết kế nhằm đối
phó khi xảy ra sự cố (sự cố cơ bản theo thiết kế). Các sự cố này xảy ra với xác
15
suất thấp trong suốt quá trình vận hành của nhà máy điện hạt nhân. Ví dụ cho
trường hợp sự cố DBAs: Vỡ đường ống trong vòng sơ cấp; đột nhiên đẩy thanh
điều khiển ra khỏi vùng hoạt…
Một sự cố trong nhà máy điện hạt nhân có thể gây ra bởi nhiều sự kiện bất
thường, sự trục trặc và động tác sai của người vận hành. Ngày nay, lò phản ứng
vận hành với sự kết hợp chặt chẽ giữa tính an toàn thụ động và chủ động. Tính
thụ động và bản chất giải pháp an toàn là được chấp nhận khi chúng được thừa
nhận cả về mặt hiểu quả và kinh tế. Hơn nữa, chức năng an toàn cơ bản đòi hỏi
lò phản ứng hạt nhân có giới hạn dập lò, làm nguội lò phản ứng và nhà lò, nhà lò
chứa phóng xạ.
Tất cả các nhà máy điện hạt nhân đều có một vài hệ thống chứa nước phụ
trợ làm nguội lò trong điều kiện khẩn cấp. Các hệ thống này được gọi là hệ
thống phun áp cao, hệ thống phun áp thấp, hệ thống làm nguội phun tâm lò…
Các hệ thống này thực hiện chức năng chính là: Cung cấp nước để làm nguội lò
phản ứng trong sự kiện mất chất tải nhiệt từ hệ thống làm nguội lò phản ứng. Sự
làm nguội này là cần thiết để tải nhiệt dư trong nhiên liệu lò phản ứng sau khi lò
phản ứng được dập. Trong một vài kiểu lò phản ứng nó còn thực hiện chức năng
cung cấp hóa học tới lò phản ứng và bảo đảm lò phản ứng không sinh ra nhiệt
lượng.
2.1 Hệ thống làm nguội tâm lò khẩn cấp (ECCS)
Hệ thống ECCS bao gồm một chuỗi các hệ thống được thiết kế đảm bảo
an toàn cho việc dập lò phản ứng hạt nhân trong điều kiện xảy ra sự cố. ECCS
bao gồm các hệ thống chính sau:
Hệ thống phun áp cao (High Pressure Injection System – HPCI): Hệ thống
này gồm một máy bơm hoặc nhiều máy bơm , bơm có khả năng tạo áp lực tiêm
chất làm nguội vào thùng lò phản ứng (RV). Nó được thiết kế để giám sát mức
chất làm nguội trong RV và tự động tiêm chất làm nguội khi mức nước thấp hơn
điểm đặt.
Hệ thống giảm áp suất (Sepressurization System): Hệ thống này bao gồm
một chuỗi các van, có tác dụng mở lỗ hơi làm giảm áp suất RV và cho phép hệ
thống tiêm chất làm nguội với áp suât thấp hơn hoạt động
Hệ thống phun áp thấp (Low Pressure Injection System – LPCI): Hệ thống
này bao gồm một bơm hoặc nhiều bơm, bơm tiêm thêm chất làm nguội vào RV
với áp suất thấp.
Trong một vài nhà máy điện hạt nhân (NPP), LPCI là một phương thức
vận hành của hệ thống tải nhiệt dư (RHR hoặc RHS). Một cách tổng quát thì
LPCI không đứng độc lập.
16
Hệ thống phun tâm lò /bên trong (Internal/Core Spray System): Hệ thống
này gồm một chuỗi các máy bơm và các vòi phun đặc biệt, phun chất làm nguội
vào kết cấu thùng lò. Nó được thiết kế để ngưng tụ hơi trong kết cấu nhà lò.
Các hệ thống này cung cấp nước làm nguội vùng hoạt nhằm hạn chế hỏng
hóc nhiên liệu trong tình huống sự cố, đặc biệt là LOCA. Hệ cung cấp một
lượng lớn nước chứa Boron vào hệ thống làm nguội lò phản ứng. Cung cấp
nguồn nhiễm độc notron bổ sung để đảm bảo dừng lò phản ứng sau khi được
làm nguội trong sự cố nứt vỡ đường hơi chính. Nguồn nước chứa boron được
cấp từ bể chứa nước thay nhiên liệu (refueling water storage tank – RWST).
2.1.1 Hệ thống ECCS trong lò nước áp lực (PWR)
Các hệ thống an toàn trong lò phản ứng PWR bao gồm hệ thống ECCS,
hệ thống phun thùng nhà lò và hệ thống làm sạch không khí ở vành xuyến
downcomer (khe biên giữa giỏ vùng hoạt và thùng lò áp lực, có tác dụng dẫn
nước từ đầu vào tới khoang bên dưới của vùng hoạt). Đối với hệ thống ECCS
trong kiểu lò PWR bao gồm các hệ thống: Hệ thống phun áp cao, hệ thống phun
áp thấp, hệ thống bình tích lũy. Các hệ thống của ECCS tiêm nước có chứa
boron vào hệ thống sơ cấp để ngăn ngừa độ rủi ro cho lò phản ứng.
Hình 2.1 : Hệ thống làm lạnh tâm lò khẩn cấp trong lò PWR
a) Hệ thống phun áp cao (HPIS)
17
Các máy bơm được điều khiển bởi động cơ tiêm chất làm nguội vào bên
trong hệ thống sơ cấp ở điều kiện bão hòa (khoảng 100 bar hay 10MPa) tương
ứng với nhiệt độ vận hành thường (khoảng 300°C). Các máy bơm trong hệ
thống HPIS hút nước từ một thùng dự trữ nước có chứa boron và sau đó tiêm
vào hệ thống sơ cấp. Trong nhiều lò phản ứng, HPIS được ngắt và cô lập do bể
dự trữ hết nước (bể dự trữ gần như rỗng). Ở một vài lò phản ứng khác HPIS có
thể được điều khiển bằng tay tới một hệ thống chuyển dời nhiệt dư, nó hút nước
từ hầm nhà lò để đảm bảo việc cung cấp chất làm nguội lâu dài.
b) Hệ thống bình tích lũy
Gần như tất cả các hệ thống ECCS đều có các bình tích lũy, nó là những
bể chứa nước có boron, được gây áp lực bởi khí nitrogen ở áp suất khoảng 25 tới
50 bar. Các bình tích lũy không cần cung cấp điện năng, về bản chất thì nó có
khả năng tiêm một cách thụ động, do đó nó trợ giúp cho sự làm tràn khoang phía
dưới của thùng lò phản ứng và downcomer sau khi xả xuống thùng lò trong suốt
quá trình LOCA vỡ lớn.
c) Hệ thống phun áp thấp (LPIS)
Hệ thống hoạt động tương tự với hệ thống HPIS, nó trợ giúp cho quá trình
làm ngập lại vùng hoạt bởi việc bơm nước có chứa boron đi vào hệ thống sơ cấp
đã giảm áp suất từ hệ thống ECCS. Sự giảm áp suất của hệ thống sơ cấp xảy ra
do mất khối lượng và năng lượng trực tiếp xuyên qua vị trí vỡ, xuyên qua hệ
thống ECCS làm giảm sự ngưng tụ, hay sự truyền năng lượng tới bình sinh hơi.
Khi bể tích lũy gần hết, sự hút tự động sẽ được thực hiện tới hầm nhà lò,
nó là bộ tản nhiệt trung gian cho hầu hết năng lượng được sinh ra từ thùng áp
lực và thùng lò phản ứng. LPIS duy trì vùng hoạt trong điều kiện được làm tràn
bởi sự tiêm lại vào hệ thống sơ cấp do mất chất làm nguội xuyên qua vị trí vỡ tới
nhà lò. Ở đây các bộ trao đổi nhiệt cài đặt trong đường bao quanh LPIS, phần
nhiệt dư có thể được chuyển dời từ bể chứa tới một bộ trao đổi nhiệt cuối cùng,
do đó cung cấp chất làm nguội được lâu dài.
Một vài biến đổi trên sự sắp đặt LPIS cơ bản có thể được tìm thấy. Ví dụ,
LPIS có thể được sắp đứng thành hàng như một hệ thống tải nhiệt dư thông
thường bởi sự hút trực tiếp từ hệ thống sơ cấp tại áp suất thấp. Điều này có thể
đáp ứng kế hoạch làm nguội lâu dài cho trường hợp sự cố LOCA vỡ nhỏ. Một
vài lò phản ứng có các hệ thống tải nhiệt nhà lò, không phụ thuộc vào LPIS.
Ngoài ra, sử dụng LPIS như một máy bơm tăng thế cho HPIS, do đó cung cấp
một lượng tải nhiệt dư tại áp suất lò phản ứng ở mức trung bình. LPIS hoạt động
tại áp suất khoảng 10 tới 20bar.
d) Các hệ thống giảm áp suất
Trong sự cố LOCA vỡ nhỏ, bình sinh hơi được chỉ định rõ cho việc làm
nguội và do đó giảm áp suất hệ thống sơ cấp tới một mức mà ở đó HPIS hoặc
LPIS có thể thực hiện chức năng phụ của nó, chức năng tải nhiệt dư. Năng lượng
18
được tải đi từ mặt thứ cấp ngang qua các van xả, hoặc xuyên qua bộ ngưng tụ
chính nếu có. Một thiết kế cơ bản là tốc độ làm nguội thường xuyên được thiết
lập bằng tay, mặc dù các thủ tục là được tự động ở một vài kiểu lò phản ứng.
Khả năng làm nguội và chức năng giảm áp suất là có liên quan với nhau,
bình sinh hơi, các van an toàn của chúng cũng như thiết bị phụ và cung cấp nước
khẩn cấp có thể thực hiện các chức năng thay thế an toàn.
Ở một vài kiểu lò phản ứng có các van an toàn vận hành ở hệ thống sơ
cấp, hệ thống sơ cấp có thể giảm áp suất bởi sự xả xuống thùng chứa, và thậm trí
xả xuống nhà lò. Sự mất độ dữ trữ ngang qua các van an toàn cũng như ngang
qua vị trí vỡ được thay thế bởi nước làm nguội được tiêm vào từ hệ thống
ECCS. Sự cung cấp này được biết như là “xả và cấp”, điều này không thuộc
trong thiết kế cơ bản của ECCS.
Vị trí tiêm chất làm nguội của hệ thống ECCS có thể được đưa vào từ
nhiều vị trí khác nhau, được xác định trên hệ thống sơ cấp PWR (hình 2.2). Tất
cả các lò phản ứng, hệ thống ECCS hầu hết là tiêm vào chân nguội của hệ thống
vòng lưu thông sơ cấp, sự cung cấp chất làm nguội này trực tiếp tới downcomer;
mặt khác có sự tiêm vào chân nóng và khoang phía trên của thùng lò. Cuối cùng,
khả năng và kiểu hệ thống ECCS được lựa chọn cho kiểu lò PWR cụ thể phụ
thuộc vào tiêu chuẩn thiết kế được sử dụng theo tính đa dạng và tính dư thừa của
hệ thống.
Hình 2.2: Những vị trí tiêm khác nhau của hệ thống ECCS vào vòng một của lò
phản ứng PWR.
2.1.2 Hệ thống ECCS trong lò nước sôi (BWR)
Hệ thống ECCS trong lò phản ứng BWR bao gồm: Hệ thống phun áp cao
(HPCS), hệ thống phun áp thấp (LPCS), hệ thống giảm áp tự động (ADS), hệ
19
thống tải nhiệt dư (RHR), hệ thống làm nguội cô lập vùng hoạt lò phản ứng
(RCIC).
Hình 2.3: Hệ thống ECCS trong lò phản ứng BWR.
a) Hệ thống phun tâm lò áp thấp (LPCS) và hệ thống phun tâm lò áp cao
(HPCS)
Chất làm nguội phân bố khá đồng nhất bên trong khoang bên trên vùng
hoạt bởi cách thức hoạt động của các vòi phun. Các vòi phun có thể phun vào
vùng hoạt để làm lạnh cả khi vùng hoạt bị phơi ra không thể làm tràn lại được từ
nơi có vị trí thấp hơn. Sự phân bố các vòi phun sẽ kiểm soát tổng lượng chất làm
nguội quay trở lại đỉnh của bất kỳ kênh nhiên liệu nào, và giới hạn dòng chảy
ngược (CCFL) có thể ảnh hưởng tới tổng lượng chất làm nguội mà thực tế đi
vào một kênh nhiên liệu. Hệ thống LPCS hoạt động khi áp suất vùng hoạt
khoảng 20bar và HPCS hoạt động với áp suất khoảng 80bar.
b)Tiêm chất làm nguội với áp lực thấp (LPCI) vào miền bypass của vùng
hoạt bên trong lò phản ứng
Chất làm nguội được tiêm với tốc độ nhanh dưới tác dụng của trọng lực
ngang qua miền bypass (là các miền mà chất làm nguội đi qua không tải nhiệt ra
ngoài) của vùng hoạt. Chất làm nguội này trực tiếp làm nguội phía bên ngoài các
kênh nhiên liệu, nó có thể hoạt động như một bộ tản nhiệt cho lớp vỏ nhiên liệu
bị hở bất kỳ. Chất làm nguội tiêu hao ra bên ngoài của miền bypass bên trong
các ống dẫn thanh điều khiển, ở khoang phía dưới và bên trong phần cuối của
kênh nhiên liệu; do đó xuất hiện sự làm đầy lại khoang phía dưới của thùng lò
và làm tràn lại vùng hoạt bị hở từ phía dưới. Nếu vùng hoạt phơi ra, sự tiêu hao
20
- Xem thêm -
.PDF 
35 
1016 
99 
