Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim

Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên

thế giới sản xuất điện thương mại được

xây dựng vào năm 1954 tại Obninsk,

Liên Bang Nga. Theo thống kê của Cơ

quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế

IAEA (International Atomic Energy

Agency), cho đến nay có tổng cộng 449

lò phản ứng đang hoạt động tại 30 quốc

gia và có 54 lò phản ứng đang trong quá

trình xây dựng [1]. Năng lượng hạt

nhân được đánh giá là nguồn năng

lượng sạch, có hiệu suất cao, công nghệ

chế tạo ngày càng được hiện đại hóa

đảm bảo tính an toàn và là một trong

những giải pháp giải quyết nhu cầu

năng lượng điện hiện nay trên toàn cầu.

Để đáp ứng nhu cầu phát triển

nguồn nhân lực, các chương trình giáo

dục và đào tạo về công nghệ hạt nhân

sử dụng nguyên tắc mô phỏng được

thiết lập ở nhiều nước trên thế giới, đặc

biệt là các nước đang sử dụng điện hạt

nhân. Những mô phỏng này hoạt động

trên máy tính cá nhân và cung cấp cho

người sử dụng những kỹ năng cơ bản

trong vận hành nhà máy điện hạt nhân

như khảo sát công suất, tính toán độ

phản ứng, thay đổi vị trí các thanh nhiên

liệu, thanh điều khiển

Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim trang 1

Trang 1

Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim trang 2

Trang 2

Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim trang 3

Trang 3

Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim trang 4

Trang 4

Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim trang 5

Trang 5

Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim trang 6

Trang 6

Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim trang 7

Trang 7

Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim trang 8

Trang 8

Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim trang 9

Trang 9

pdf 9 trang duykhanh 31340
Bạn đang xem tài liệu "Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên

Tóm tắt nội dung tài liệu: Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim

Khảo sát sự thay đổi công suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều khiển sử dụng phần mềm mô phỏng E-Corsim
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 19 - 2020 ISSN 2354-1482 
94 
KHẢO SÁT SỰ THAY ĐỔI CÔNG SUẤT LÒ PHẢN ỨNG THEO 
VỊ TRÍ THANH ĐIỀU KHIỂN SỬ DỤNG PHẦN MỀM 
MÔ PHỎNG E-CORSIM 
Nguyễn Thị Nguyệt Hà1 
Trần Viết Nam1 
Nguyễn Thị Minh Sang1 
Phạm Thị Ngọc Hà1 
TÓM TẮT 
Bài báo khảo sát sự thay đổi công suất của lò phản ứng nước áp lực (PWR) khi 
thay đổi vị trí của các thanh điều khiển. Thực nghiệm được tiến hành mô phỏng bằng 
phần mềm e-CORSIM. Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian hoạt động lò càng dài 
thì vai trò của các thanh điều khiển càng quan trọng trong việc điều khiển công suất. 
Ngoài ra, vị trí của các thanh điều khiển trong lò phản ứng ảnh hưởng đến phân bố 
công suất giữa nửa trên và nửa dưới của lò. 
Từ khóa: Phần mềm mô phỏng e-CORSIM, công suất, vị trí thanh điều khiển, 
lò phản ứng 
1. Mở đầu 
Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên 
thế giới sản xuất điện thương mại được 
xây dựng vào năm 1954 tại Obninsk, 
Liên Bang Nga. Theo thống kê của Cơ 
quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế 
IAEA (International Atomic Energy 
Agency), cho đến nay có tổng cộng 449 
lò phản ứng đang hoạt động tại 30 quốc 
gia và có 54 lò phản ứng đang trong quá 
trình xây dựng [1]. Năng lượng hạt 
nhân được đánh giá là nguồn năng 
lượng sạch, có hiệu suất cao, công nghệ 
chế tạo ngày càng được hiện đại hóa 
đảm bảo tính an toàn và là một trong 
những giải pháp giải quyết nhu cầu 
năng lượng điện hiện nay trên toàn cầu. 
Để đáp ứng nhu cầu phát triển 
nguồn nhân lực, các chương trình giáo 
dục và đào tạo về công nghệ hạt nhân 
sử dụng nguyên tắc mô phỏng được 
thiết lập ở nhiều nước trên thế giới, đặc 
biệt là các nước đang sử dụng điện hạt 
nhân. Những mô phỏng này hoạt động 
trên máy tính cá nhân và cung cấp cho 
người sử dụng những kỹ năng cơ bản 
trong vận hành nhà máy điện hạt nhân 
như khảo sát công suất, tính toán độ 
phản ứng, thay đổi vị trí các thanh nhiên 
liệu, thanh điều khiển 
E-CORSIM (Educational Core 
Simulator) là hệ mô phỏng thiết kế lõi 
lò được phát triển và sử dụng tại Viện 
nghiên cứu Năng lượng Nguyên tử Hàn 
Quốc (KAERI) với mục đích tính toán 
các thông số lò phản ứng, từ đó đưa ra 
những khuyến cáo phù hợp để đảm bảo 
an toàn khi vận hành. Hệ mô phỏng e-
CORSIM được sử dụng cho lò phản 
ứng nước áp lực (PWR – Pressurized 
Water Reator) – là loại lò được sử dụng 
rộng rãi nhất trong các nhà máy điện hạt 
1Trường Đại học Đà Lạt 
Email: hantn@dlu.edu.vn 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 19 - 2020 ISSN 2354-1482 
95 
nhân, với 300 lò hoạt động hiện nay 
trên thế giới [2]. Các thông số, số liệu 
của e-CORSIM được lấy từ số liệu vận 
hành (số liệu thực) của nhà máy điện 
hạt nhân Yonggwang 3 [3]. Năm 2017, 
Viện KAERI đã tài trợ phần mềm mô 
phỏng e-CORSIM cho trường Đại học 
Đà Lạt. 
Trong bài báo này, sự thay đổi công 
suất lò phản ứng theo vị trí thanh điều 
khiển sử dụng hệ mô phỏng e-CORSIM 
sẽ được khảo sát. 
2. Phương pháp nghiên cứu 
2.1. Cơ sở lý thuyết 
Hệ số nhân hiệu dụng là thước đo 
sự thay đổi số lượng neutron ở hai thế 
hệ kế tiếp nhau và được biểu diễn theo 
công thức: 
2
1
eff
n
k
n
 (1) 
Trong đó: 
2
n là số neutron trong 
một thế hệ; 
1
n là số neutron trong thế 
hệ trước đó. 
Để mô tả sự thay đổi trạng thái của 
lõi lò phản ứng, thay vì dùng hệ số nhân 
hiệu dụng, một thuật ngữ được gọi là độ 
phản ứng được sử dụng. Độ phản ứng 
 được xác định theo hệ số nhân hiệu 
dụng 
eff
k trong phương trình sau: 
1
eff
eff
k
k
 (2) 
Độ phản ứng được sử dụng như một 
phép đo độ lệch của lò phản ứng so với 
trạng thái tới hạn. Trong quá trình vận 
hành lò phản ứng hạt nhân, hệ số nhân 
hiệu dụng cần được duy trì bằng 1, còn 
độ phản ứng bằng 0, tức là ở trạng thái 
tới hạn. Ngoài việc sử dụng boron để 
điều chỉnh và điều hòa độ phản ứng, 
người ta còn thực hiện điều khiển bằng 
cơ học, tức là sử dụng các thanh điều 
khiển trong việc thay đổi độ phản ứng 
để giảm hoặc nâng công suất, đưa lò 
phản ứng về giai đoạn hoạt động ổn 
định. Một thanh điều khiển có thể được 
rút ra khỏi hoặc chèn vào vùng hoạt của 
lò phản ứng để kiểm soát thông lượng 
neutron trong lò. 
Trong lò phản ứng hạt nhân, các 
thanh điều khiển được kết nối lại theo 
từng nhóm. Một lò phản ứng phát điện 
điển hình có thể có 50 hoặc 60 nhóm 
thanh điều khiển, mỗi nhóm chứa 
khoảng 20 thanh [4]. Các thanh điều 
khiển được chế tạo bởi một chất hấp thụ 
neutron mạnh, thông thường các hợp 
kim của cadmium, indium, bạc, 
hafnium hoặc thép có chứa boron được 
sử dụng. 
2.2. Phần mềm mô phỏng e-CORSIM 
Trong bài báo này, quá trình khảo 
sát được tiến hành trên phần mềm mô 
phỏng e-CORSIM [3]. Hình 1 mô tả 
giao diện ban đầu của phần mềm. Giao 
diện chọn lựa các bó thanh nhiên liệu 
được minh họa ở hình 2. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 19 - 2020 ISSN 2354-1482 
96 
Hình 1: Giao diện ban đầu của 
phần mềm e-CORSIM 
Hình 2: Giao diện chọn lựa 
các bó thanh nhiên liệu 
Phần mềm e-CORSIM được sử 
dụng cho lò nước áp lực, có tổng cộng 
177 bó thanh nhiên liệu trong lõi lò 
được chia theo các loại có độ giàu cho 
bởi bảng 1 [3]. Hình 3 biểu diễn ví dụ 
cách bố trí các bó thanh nhiên liệu trong 
một chu trình. Các bó thanh nhiên liệu 
cùng loại được phân bố một cách đối 
xứng qua tâm của lõi lò phản ứng. 
Bảng 1: Tổng hợp các loại bó thanh nhiên liệu 
Loại bó thanh 
nhiên liệu 
Độ giàu U-235, % Loại bó 
thanh 
nhiên liệu 
Độ giàu U-235, % 
Bình 
thường 
Vùng giàu 
thấp 
Bình 
thường 
Vùng giàu 
thấp 
A0 1,30 G0 4,10 3,62 
B0 2,37 G1 4,11 3,62 
B1 2,36 1,30 G2 4,12 3,61 
B2 2,37 H0 4,52 4,00 
C0 2,87 2,35 H1 4,50 4,00 
C1 2,87 2,36 H2 4,50 4,00 
D0 3,35 2,87 J0 4,48 4,00 
D1 3,36 2,85 J1 4,48 4,00 
D2 3,35 2,87 J2 4,48 4,00 
E0 4,08 3,61 K0 4,49 4,00 
E1 4,08 3,61 K1 4,48 4,01 
E2 3,60 3,11 K2 4,48 4,01 
DS 3,35 2,85 K4 4,48 4,00 
F0 4,11 3,59 K5 4,48 4,00 
F1 4,11 3,59 K6 4,48 4,00 
F2 4,11 3,59 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 19 - 2020 ISSN 2354-1482 
97 
Hình 3: Cách bố trí các bó thanh nhiên liệu trong một chu trình 
Cách phân bố các nhóm thanh điều khiển và các nhóm thanh an toàn được mô 
tả ở hình 4. 
Hình 4: Phân bố nhóm thanh điều khiển và nhóm thanh an toàn 
2.3. Mô phỏng thực nghiệm 
Trong nghiên cứu này chu trình 
nhiên liệu được bố trí như hình 5. Ở 
đây phần mềm mô phỏng e-CORSIM 
cho thấy cách sắp xếp các bó thanh 
nhiên liệu ở góc một phần tư của lõi lò 
phản ứng. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 19 - 2020 ISSN 2354-1482 
98 
Hình 5: Cách sắp xếp bó thanh nhiên liệu được sử dụng để mô phỏng 
Tiến hành khảo sát ba trường hợp 
điều chỉnh công suất khác nhau của lò 
phản ứng: bằng cách thay đổi vị trí thanh 
điều khiển ở đầu và ở giữa chu trình 
nhiên liệu (trường hợp 1 và 2 tương ứng) 
và bằng cách sử dụng cả thanh điều 
khiển và boron ở đầu chu trình nhiên 
liệu (trường hợp 3). Thời gian khảo sát 
cho mỗi trường hợp là 57 giờ. 
Trong mỗi trường hợp, công suất 
được thay đổi theo những khoảng thời 
gian giống nhau (3 giờ), hơn nữa sau 
khi tăng hoặc giảm, công suất sẽ được 
duy trì ổn định tại đó trước khi chuyển 
sang mức công suất kế tiếp. Tiến hành 
thay đổi công suất từ 100 % xuống 50 
%, sau đó trở về 100 % như hình 6. 
Hình 6: Biểu đồ sự thay đổi công suất 
3. Kết quả và thảo luận 
Kết quả mô phỏng vị trí thanh điều 
khiển theo thời gian ứng với sự thay đổi 
công suất như hình 6 được thể hiện qua 
hình 7. Để giảm công suất các thanh 
điều khiển có xu hướng được chèn vào 
lò phản ứng, ngược lại muốn công suất 
tăng thì các thanh diều khiển cần phải 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 19 - 2020 ISSN 2354-1482 
99 
được rút ra khỏi lò. Từ hình 7a và 7b 
cho thấy so với thời điểm đầu chu trình 
thì ở giữa chu trình nhiên liệu các thanh 
điều khiển đóng góp vai trò lớn hơn và 
được chèn vào sâu hơn, đặc biệt nhóm 
thanh R3 tham gia sớm hơn vào việc 
điều khiển công suất (sau 25 giờ thực 
nghiệm ở giữa chu trình so với 34 giờ 
tại đầu chu trình), do các thành phần 
kiểm soát lò phản ứng giảm khi lò chạy 
được nửa chu trình. 
Khi có sự tham gia của boron các 
thanh điều khiển ít chèn sâu hơn hai 
trường hợp còn lại (hình 7c). Đồng thời, 
trong quá trình điều khiển không cần 
đến sự có mặt của nhóm thanh R3. Điều 
này đảm bảo an toàn hơn trong trường 
hợp khẩn cấp. 
a) 
b) 
c) 
Hình 7: Vị trí thanh điều khiển ở trường hợp 1 (a); trường hợp 2 (b) 
và trường hợp 3 (c) 
Để so sánh sự thay đổi độ sâu của 
thanh điều khiển ở mỗi thời điểm vận 
hành trong lò phản ứng, độ dịch chuyển 
thanh điều khiển so với tổng độ dài 
thanh được tính theo công thức sau: 
1(%) 100i i
X X
x
L
  (3) 
Trong đó: x là độ dịch chuyển 
(%);
i
X là vị trí thanh điều khiển trong 
lò phản ứng tại thời điểm hiện tại (cm); 
1i
X
 là vị trí thanh điều khiển trong lò 
phản ứng tại thời điểm liền kề trước đó 
(cm) so với đáy lò; L là độ dài của 
thanh điều khiển (L = 381 cm). 
Hình 8 biểu diễn kết quả thực 
nghiệm của độ dịch chuyển thanh điều 
khiển trong lò phản ứng. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 19 - 2020 ISSN 2354-1482 
100 
a) 
b) 
c) 
Hình 8: Độ dịch chuyển thanh điều khiển trong lò phản ứng ở trường hợp 1 
(a); trường hợp 2 (b) và trường hợp 3 (c) 
Độ dịch chuyển có giá trị dương khi 
thanh điều khiển được rút ra và có giá 
trị âm khi thanh được chèn thêm vào lò 
phản ứng so với vị trí của nó ở thời 
điểm liền kề trước đó. Độ dịch chuyển 
bằng không khi vị trí thanh điều khiển 
không đổi. 
Trong một số giai đoạn có hai 
nhóm thanh điều khiển di chuyển đồng 
thời với độ dịch chuyển như nhau, có 
thể quan sát được qua sự trùng nhau của 
hai đường ở các giai đoạn đó qua hình 
8. Khi chỉ có một nhóm thanh đóng vai 
trò điều khiển công suất thì độ dịch 
chuyển của nhóm thanh này ở những 
giai đoạn đó lớn hơn so với các giai 
đoạn có sự tham gia của hai nhóm. 
Quá trình dịch chuyển thanh điều 
khiển lên xuống dọc theo chiều cao của 
lõi lò phản ứng gây ra sự chênh lệch 
công suất giữa nửa trên và nửa dưới của 
lõi lò. Đại lượng đặc trưng cho sự 
chênh lệch này gọi là offset dọc trục (hệ 
số AO – Axial Offset). Kết quả mô 
phỏng cho biết hệ số AO trong cả ba 
trường hợp như hình 9. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 19 - 2020 ISSN 2354-1482 
101 
Hình 9: Sự thay đổi hệ số AO theo thời gian 
Từ hình 9 thấy rằng sự phân bố 
công suất xảy ra không đồng đều trong 
trường hợp 2 so với hai trường hợp còn 
lại do có sự chèn sâu hơn của thanh 
điều khiển ở trong lò phản ứng. Sau khi 
tiến hành thực nghiệm 24 – 30 giờ hệ số 
AO ở trường hợp 2 đạt 20 %, gấp đôi và 
hệ số này gấp ba lần (sau 45 giờ) so với 
hai trường hợp còn lại. 
4. Kết luận 
Sự thay đổi công suất lò phản ứng 
theo vị trí thanh điều khiển được tiến 
hành khảo sát trên phần mềm mô phỏng 
e-CORSIM. Kết quả mô phỏng cho 
thấy thời gian hoạt động lò càng dài thì 
vai trò của các thanh điều khiển càng 
quan trọng thông qua sự xuất hiện của 
nhiều nhóm thanh hơn trong việc điều 
khiển công suất. Trong thực tế, kèm 
theo phương pháp sử dụng thanh điều 
khiển, người ta kết hợp điều chỉnh nồng 
độ boron trong vận hành lò phản ứng. 
Ngoài ra, vị trí của các thanh điều khiển 
trong lò phản ứng ảnh hưởng đến phân 
bố công suất giữa nửa trên và nửa dưới 
của lò. 
Phần mềm mô phỏng e-CORSIM là 
công cụ hữu ích cho công tác nghiên 
cứu và đào tạo, với mục đích cung cấp 
cho người sử dụng những kiến thức, kỹ 
năng thiết kế và vận hành lõi lò phản 
ứng hạt nhân, góp phần đáp ứng việc 
đào tạo nguồn nhân lực về hạt nhân 
trong tương lai. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. “PRIS – Reactor status reports – Operational & Long-Term Shutdown 
Reactors – By Country”, Pris.iaea.org, 2019. [Online]. Available: 
https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/OperationalReactorsByCountry.aspx. 
[Accessed: 25
th
 September 2019] 
2. “PRIS – Reactor status reports – Operational & Long-Term Shutdown 
Reactors – By Type”, Pris.iaea.org, 2019. [Online]. Available: 
https://pris.iaea.org/PRIS/WorldStatistics/OperationalReactorsByType.aspx. 
[Accessed: 25
th
 September 2019] 
TẠP CHÍ KHOA HỌC - ĐẠI HỌC ĐỒNG NAI, SỐ 19 - 2020 ISSN 2354-1482 
102 
3. Chang, Jonghwa (2015). Development of PC Based Core Simulator for 
Education and Training Utilizing KAERI’s Core Analysis Code. KAERI/CM-2268 
4. Lamarsh, J.R. (1966). Introduction to Nuclear reactor theory. Third Edition, 
Addison Wesley Publishing, New Jersey 
SURVEY ON THE CHANGE OF POWER REACTOR 
BY THE CONTROL ROD POSITION USING 
THE E-CORSIM SIMULATOR 
ABSTRACT 
The paper surveys the power change of the Pressurized Water Reactor (PWR) by 
changing the position of control rods. The experiment was simulated by e-CORSIM 
software. The results showed that the longer operating time, the more important the 
role of the control rods in controlling power. In addition, the position of the control 
rods in the reactor affects the power distribution between the upper and lower halves 
of the reactor. 
Keywords: e-CORSIM simulator, power, control rod position, reactor 
(Received: 21/11/2019, Revised: 28/11/2019, Accepted for publication: 30/11/2020) 

File đính kèm:

  • pdfkhao_sat_su_thay_doi_cong_suat_lo_phan_ung_theo_vi_tri_thanh.pdf