Luận án tiến sĩ: Mô phỏng và cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000/V-320 sử dụng vi hạt Gd2O3

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM HOÀNG THANH PHI HÙNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ CẢI TIẾN THIẾT KẾ BÓ NHIÊN LIỆU LÒ PHẢN ỨNG VVER-1000/V-320 SỬ DỤNG VI HẠT Gd2 O3 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MVP LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ HÀ NỘI – 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM HOÀNG THANH PHI HÙNG NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ CẢI TIẾN THIẾT KẾ BÓ NHIÊN LIỆU LÒ PHẢN ỨNG VVER-1000/V-320 SỬ DỤNG VI HẠT Gd2O3 BẰNG CHƯƠNG TRÌNH MVP LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân Mã số: 9 44 01 06 Người hướng dẫn khoa học: 1. Trần Hoài Nam 2. Hồ Mạnh Dũng Hà Nội – 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi dưới sự hướng dẫn của quý thầy PGS. Trần Hoài Nam và TS.

Hồ Mạnh Dũng. Các số liệu, kết quả nghiên cứu được trình bày trong luận án là trung thực, khách quan và chưa từng sử dụng để bảo vệ ở bất kỳ học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ của quý thầy cô, quý anh chị ở các đơn vị liên quan cho việc thực hiện luận án đã cá nhân gửi lời cám ơn chân thành đến họ. Các số liệu và tài liệu tham khảo sử dụng trong luận án được trích dẫn đầy đủ.

Tác giả luận án Hoàng Thanh Phi Hùng ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh thực hiện đề tài “Nghiên cứu mô phỏng và cải tiến thiết kế bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000 sử dụng vi hạt Gd2 O3 bằng chương trình MVP” tại Trung tâm Đào tạo hạt nhân, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đến nay tôi đã hoàn thành nội dung nghiên cứu và hoàn thiện luận án tiến sĩ để bảo vệ các cấp. Để hoàn thành được các nghiên cứu này, tôi đã nhận được rất nhiều sự giúp đỡ và góp ý nhiệt tình từ quý thầy cô, đồng nghiệp, gia đình và bạn bè. Tôi xin kính bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới quý thầy hướng dẫn là những người thầy kính mến, hết lòng giúp đỡ, dạy bảo và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận án. Tôi xin được gửi lời cảm ơn đến các chú, các anh đang công tác tại Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân (INST), Đại học Duy Tân (DTU).

Đặc biệt, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Hoàng Văn Khánh (INST), TS. Phạm Như Việt Hà (INST), ThS. Trần Việt Phú (INST), PGS.

Đặng Ngọc Toàn (DTU) đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện cũng như hoàn thiện luận án này. Tôi cũng xin cảm ơn các anh chị cán bộ Trung tâm Đào tạo - Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã hỗ trợ các thủ tục cho tôi trong quá trình học tập. Xin gửi lời cảm ơn Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia (NAFOS- TED), thông qua đề tài "Nghiên cứu thiết kế nhiên liệu mới và phân tích nhiễu nơtron trong chuẩn đoán an toàn lò phản ứng hạt nhân", Mã số 103.20, đã hỗ trợ tôi thực hiện nghiên cứu này. Luận án này là một phần nội dung của nhiệm vụ Khoa học công nghệ đã được phê duyệt ở trên.

Xin chân thành cảm ơn bố mẹ hai bên gia đình, vợ và hai con gái yêu quý đã luôn ở bên cạnh động viên, giúp tôi thêm nghị lực để hoàn thành luận án. NCS Hoàng Thanh Phi Hùng iii MỤC LỤC MỤC LỤC. iii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT. v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.

ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .1 Tổng quan về lò phản ứng VVER .1 Sự phát triển của công nghệ VVER .2 Lò phản ứng VVER-1000 .2 Chất hấp thụ nơtrôn sử dụng trong lò phản ứng .1 Các chất hấp thụ nơtrôn phổ biến .2 Tiết diện hấp thụ hiệu dụng .3 Các thiết kế chất hấp thụ nơtrôn trong bó nhiên liệu .4 Vấn đề tồn tại của thanh nhiên liệu chứa Gd2 O3. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 23 2.1 Phương trình vận chuyển nơtrôn .2 Chương trình MVP/GMVP .1 Mô tả các chức năng MVP/GMVP .2 Điều kiện biên .3 Mô hình hình học ngẫu nhiên .4 Tính toán cháy với MVP_BURN .3 Độ phản ứng và hiệu ứng nhiệt độ .1 Hệ số nhân nơtrôn và độ phản ứng .2 Hệ số phản hồi nhiệt độ .4 Vùng hoạt và bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000 .5 Mô phỏng bó nhiên liệu lò phản ứng VVER-1000 .6 So sánh tính toán bó nhiên liệu sử dụng chương trình MVP và SRAC 45 2.7 Kết luận chương 2. 51 iv CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ BÓ NHIÊN LIỆU CẢI TIẾN SỬ DỤNG Gd2 O3 DẠNG VI HẠT 52 3.1 Bó nhiên liệu VVER-1000 với 12 thanh chứa Gd2 O3 dạng vi hạt .1 Hệ số nhân nơtrôn k∞ .2 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu .2 Bó nhiên liệu VVER-1000 cải tiến với 18 thanh UO2 –Gd2 O3 .1 Phân bố các thanh nhiên liệu chứa Gd2 O3 .2 Khảo sát thông số thiết kế Gd2 O3 dạng vi hạt .3 Hệ số nhân nơtrôn vô hạn k∞ .4 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu mới .3 Bó nhiên liệu VVER-1000 với hàm lượng Boron trong chất tải nhiệt thấp .1 Khảo sát thông số thiết kế Gd2 O3 đối với bó nhiên liệu thiết với hàm lượng Boron thấp .2 Hệ số nhân nơtrôn vô hạn k∞ của bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp .3 Phân bố công suất trong bó nhiên liệu với hàm lượng Boron thấp .4 Hệ số đỉnh công suất của bó nhiên liệu vơi hàm lượng Boron thấp .4 Hệ số phản hồi của chất làm chậm đối với bó nhiên liệu VVER-1000 sử dụng Gd2 O3 dạng vi hạt .5 Kết luận chương 3.

84 KẾT LUẬN 85 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 87 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 89 v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ký hiệu Tên gọi η Hệ số sinh nơtron f Hệ số sử dụng nơtron nhiệt Lt Xác suất không rò nơtrôn nhiệt Lf Xác suất không rò của nơtrôn nhanh kef f Hệ số nhân hiệu dụng k∞ Hệ số nhân vô hạn 1 pcm 1 pcm = =10−5 (per cent mille - Một phần 100000 nghìn phần trăm) 1 ppm 1 ppm = =10−6 (parts per million - Một 1000000 phần triệu) pr Xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng ε Hệ số phân hạch nhanh wt% Phần trăm về khối lượng GWd/t Đơn vị độ cháy (GW. Ngày/tấn nhiên liệu) vi Chữ viết tắt Chữ viết tắt Tiếng Việt Tiếng Anh AFS Hệ thống cấp nước phụ trợ Auxiliary Feedwater System ANISN Chương trình tính toán dịch One Dimensional Discrete chuyển theo phương pháp DO Ordinates Transport Code (Discrete Ordinates) với tán with Anisotropic Scattering xạ không đẳng hướng BM Bài toán chuẩn BenchMark BOC Giai đoạn đầu chu trình Beginning Of Cycle BP Chất hấp thụ cháy được Burnable Poison BPP Vi hạt hấp thụ cháy được Burnable Poison Particle CITATION Chương trình tính toán vùng Nuclear reactor core analysis hoạt lò phản ứng hạt nhân code system CFP Các hạt nhiên liệu được phủ Coated Fuel Particles lớp chất hấp thụ nơtron CG Hình học tổ hợp Combinatorial Geometry CGVIEW Công cụ vẽ và kiểm tra dữ Program to draw cross- liệu về mặt cắt hình học trong sectional views of MVP/G- MVP và GMVP MVP calculation geometry CPSAR Các thanh hấp thụ trong hệ Control and Protection thống bảo vệ và điều khiển System Absorber Rods ECCS Hệ thống làm mát vùng hoạt Emergency Core Cooling khẩn cấp System EFPH Giờ hoạt động toàn thời gian Effective Full Power Hour EOC Giai đoạn cuối chu trình End Of Cycle ENDF Tập tin số liệu hạt nhân đã Evaluated Nuclear Data được đánh giá File FP Sản phẩm phản ứng phân Fission Product hạch vii FBR Lò phản ứng nhân nhanh Fast Breeder Reactor FR Lò phản ứng nhanh Fast Reactor IBA Thanh nhiên liệu tích hợp Integral Burnable Absorber chất cháy JENDL Thư viện số liệu hạt nhân Japanese Evaluated Nuclear Nhật Bản đã được đánh giá Data Library LEU Uranium độ giàu thấp Low Enriched Uranium LICEM Chương trình tính toán tạo Neutron Cross Section Li- hệ thư viện tiết diện nơtron brary Production Code Sys- LICEM tem for Continuous Energy Monte Carlo Code MVP LOCA Sự cố mất nước tải nhiệt Loss Of Coolant Accident LWR Lò phản ứng nước nhẹ Light-Water Reactor MCRDF Chương trình mô phỏng MC Packing simulation code tính toán hàm phân bố của to calculate distribution nhiên liệu có dạng quả cầu function of hard spheres đặc by Monte Carlo method : MCRDF MTC Hệ số nhiệt độ chất làm chậm Moderator Temperature Coefficient MORSE Chương trình mô phỏng The Multigroup Oak Ridge MORSE cho nhiều nhóm Stochastic Experiment nơtron tại phòng thí nghiệm Oak Ridge MPI Bộ thư viện MPI Message Passing Interface MVP Chương trình mô phỏng Continuous-energy Monte MVP Carlo code MVP for neutron and photon transport NND Phân bố láng giềng gần nhất Nearest Neighbor Distribution viii OECD/NEA Tổ chức Hợp tác và Phát triển Organisation for Economic Kinh tế/ Cơ quan năng lượng Co-operation and nguyên tử quốc tế Development / N uclear Energy Agency PBR Lò phản ứng đá cuội Pebble Bed Reactor PPF Hệ số đỉnh công suất Power Peak Factor PVM Máy tính ảo chạy song song Parallel Virtual Machine PWR Lò phản ứng nước áp lực Pressurized Water Reactor STG Thống kê hình học Statistical Geometry SRAC Chương trình mô phỏng Standard Reactor Analysis SRAC Code VIM Chương trình mô phỏng VIM The continuous energy sự truyền nơtron do ANL Monte Carlo neutron phát triển transport’code at Argonne National Laboratory VVER Lò phản ứng nước nhẹ Water-Water Energetic Reactor WABA Thanh nhiên liệu hình vành WetAnnular Burnable khuyên chứa chất hấp thụ Absorber Al2 O3 / B4 C ix DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các phiên bản lò phản ứng VVER tương ứng với các thế hệ công nghệ lò phản ứng [38].2 Các thông số thiết kế cơ bản của lò phản ứng VVER-1000 [68].3 Thành phần các đồng vị Gd trong tự nhiên và tiết diện hấp thụ nơtrôn tại năng lượng 0,0253 eV (20 o C) [8].4 Các thông số vật lý của một số chất hấp thụ nơtrôn [62].1 Các mô hình chuỗi cháy nhiên liệu trong MVP_BURN [49].2 Các thông số chính vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 [55].3 Thông tin bó nhiên liệu của một lò phản ứng VVER-1000. Chất hấp thụ trong trường hợp này là Boron [50].4 Các thông số thiết kế bó nhiên liệu UO2 – Gd2 O3 lò phản ứng VVER-1000.5 Bảng hệ số nhân nơtrôn vô hạn k∞ tính bằng chương trình MVP và so sánh với kết quả tính bằng chương trình SRAC và giá trị trung bình chuẩn trong khoảng cháy 0–40 GWd/t.1 Hệ số nhân vô hạn k∞ của bó nhiên liệu với 12 thanh chứa hạt Gd2 O3 có đường kính 40 – 100 µm tại các bước cháy trong khoảng 0 – 10 GWd/t và so sánh với bó nhiên liệu tham chiếu.