Nghiên cứu độ nhạy các mô hình vật lý sử dụng trong code tính toán thủy nhiệt relap5 dựa trên số liệu thực nghiệm của hệ thực nghiệm FEBA

trong bó 
 nhiên liệu) [11] được đề xuất để cải thiện những 
 hạn chế thực nghiệm trước đây. Thử nghiệm này 
 2. PHƯƠNG PHÁP, CÔNG CỤ TÍNH TOÁN được thực hiện để khảo sát sự truyền nhiệt phần 
 VÀ HỆ THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH HỆ đáy vùng hoạt lên khi thay đổi tốc độ dòng chảy 
 FEBA tái ngập với thay đổi áp suất phần trên. Giống 
 2.1. Phương pháp, công cụ tính toán và hệ thực như thử nghiệm RBHT, FEBA (Thử nghiệm ngập 
 nghiệm lụt với các mảng bị chặn) [12] được thực hiện 
 để nghiên cứu cơ chế truyền nhiệt. Các tác động 
 Về phương pháp, phân tích độ nhạy (SA) cho 
 của bộ đệm lưới và sự phình nhiên liệu trong 
 thấy các giá trị khác nhau của một biến đầu vào 
 giai đoạn tái ngập đã được xem xét cho các thí 
 độc lập ảnh hưởng như thế nào đến một biến đầu 
 nghiệm trên hệ FEBA nhằm đánh giá, phát triển 
 ra phụ thuộc cụ thể bằng cách sử dụng một tập 
 và cải tiến các mô hình đã được xây dựng [12]. 
 hợp các giả định. Trong số tất cả các tham số đầu 
22 Số 67 - Tháng 6/2021
 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Về phần mềm tính toán, phần mềm RELAP5 bằng. Sau đó, nước làm mát được cấp vào hệ từ 
được lựa chọn. Đây là phần mềm tính toán thủy phần dưới (10) để mô phỏng pha tái ngập. Trong 
nhiệt được sử dụng rộng rãi, có bề dày lịch sử quá trình tiến hành thí nghiệm, nhiệt độ của 
trong phân tích an toàn và cấp phép do Cục quản khung chứa (phần không được gia nhiệt) và vỏ 
lý hạt nhân Mỹ (USNRC) phát triển [13]. Phần nhiên liệu (phần được gia nhiệt) được đo tại các 
mềm này cũng có khả năng mô phỏng pha tái vị trí khác nhau dọc trên bề mặt trục của chúng.
ngập. Các tính toán độ nhạy, độ bất định cũng đã 
được thực hiện trên phần mềm này.
2.2. Mô hình hệ thực nghiệm FEBA
Nhiên liệu của hệ thí nghiệm FEBA là một bó 
thanh nhiên liệu có kích thước 5x5 như bó nhiên 
liệu thật của lò phản ứng nước áp lực (PWR) 
(Hình 2a) [12]. Nó được bao quanh bởi một vỏ 
hình vuông làm bằng thép không gỉ (Hình 2b) và 
được gia nhiệt bằng điện theo công suất cô-sin Hình 2. Sơ đồ nút hóa của thí nghiệm FEBA 
bảy bậc với mật độ công suất khác nhau (Hình trong RELAP5: (a) Cấu trúc cắt ngang của thanh 
2c). Mô hình của phần chính của hệ thực nghiệm nhiên liệu; (b) Cấu trúc cắt ngang của bó nhiên 
FEBA (Hình 2d) được xây dựng dựa trên sơ đồ liệu trong thí nghiệm FEBA; (c) Công suất cô-sin 
cấu tạo bộ phận chính của hệ FEBA (Hình 2e). của các thanh nhiên liệu theo 7 bậc khác nhau; 
Mô hình phần chính của hệ thí nghiệm FEBA (d) Sơ đồ nút hóa hệ thí nghiệm FEBA trong RE-
được chia làm ba phần khác nhau: thể tích đầu LAP5; (e) Phần chính của hệ thí nghiệm FEBA
vào (150) tương ứng với khoang dưới (10), phần 
thử nghiệm chính bao gồm thanh gia nhiệt (11), 
và thể tích đầu ra (650) là khoang trên (12). Chiều 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 
dài thanh gia nhiệt là 3.9 mét được chia thành 39 
 3.1. Trường hợp tham chiếu
đoạn có độ dài 0.1 mét. Trên thực tế, tổng chiều 
dài thanh nhiên liệu trong hệ FERBA là 4.114 m. Trường hợp tham chiếu là trường hợp tất cả các 
Tuy nhiên, phần chứa chất gia nhiệt chỉ có chiều mô hình vật lý xem xét với các giá trị mặc định 
dài là 3.9 mét, tức là từ 75 mm đến 3975 mm, như của chúng là 1.0. Có mười sáu mô hình vật lý với 
minh họa trong Hình 2c. Trong mô hình hệ thí các hàm phân bố (PDF) và dải giao động được 
nghiệm FEBA, các lưới giằng (tại các nút 4, 9, 15, chọn trong nghiên cứu độ nhạy như được liệt kê 
20, 25, 31 và 36) cũng như khung chứa đề được trong Bảng 1. 
xét đến như được thể hiện trong Hình 2d. Dựa trên tiến trình thực hiện thí nghiệm cũng 
Thí nghiệm ban đầu được làm nóng bằng hơi ở như các điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho 
công suất thấp (200 kW) để đạt được nhiệt độ thí nghiệm 216, tính toán tiến hành mô phỏng 
ban đầu cần thiết trước khi mô phỏng quá trình cho cả hai giai đoạn. Giai đoạn đầu là mô phỏng 
tái ngập. Theo đường cong công suất nhiệt phân việc hâm nóng hệ bằng hơi đơn pha ở công suất 
rã 120% Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (ANS), quá thấp trong khoảng 1000 s cho đến khi đạt đến 
trình đun nóng hệ được tiến hành trong khoảng nhiệt độ ổn định của nhiệt độ vỏ nhiên liệu. Giai 
40 giây sau khi lò phản ứng ngừng hoạt động để đoạn tiếp theo là mô phỏng quá trình chuyển tiếp 
đạt nhiệt độ mong muốn ban đầu ở trạng thái cân tái ngập bằng cách kích hoạt cấp nước từ lối vào 
 Số 67 - Tháng 6/2021 23
 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
 Bảng 1. Các mô hình vật lý, hàm phân bố và dải dao động của chúng
 lên bộ phận chính của hệ thí nghiệm, công suất 
 bó nhiên liệu được áp dụng theo đường công suất 
 mô phỏng nhiệt phân rã theo Chuẩn ANS 120 % 
 nhằm mô phỏng quá trình tái ngập. Trong giai 
 đoạn làm nóng bằng hơi đến nhiệt độ ổn định, 
 kết quả tính toán nhiệt độ ban đầu của vỏ thanh 
 nhiên liệu và khung chứa được so sánh với số 
 liệu thực nghiệm như được chỉ ra trong Hình 3. 
 So sánh này chỉ ra rằng quá trình mô phỏng đun 
 nóng hệ thí nghiệm đã đạt được kết quả giống Hình 3. So sánh phân bố nhiệt độ ban đầu của vỏ 
 như đo đạc thực tế. thanh nhiên liệu và khung chứa
 Hình 4. So sánh kết quả nhiệt độ tính toán của vỏ Hình 5. So sánh kết quả nhiệt độ tính toán của vỏ 
 thanh nhiên liệu với các số liệu thực nghiệm và thanh nhiên liệu với các số liệu thực nghiệm và 
 tính toán sử dụng phần mềm MARS-3D [5] tính toán khác sử dụng phần mềm RELAP5 [5]
24 Số 67 - Tháng 6/2021
 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Khi chuyển từ trang thái ổn định sang trạng thái 
chuyển tiếp, các kết quả tính toán mô phỏng cho 
bài toán tham chiếu ở các độ cao khác nhau (ở 
phần dưới, phần giữa và phần trên của thanh 
nhiên liệu) được so sánh với dữ liệu thực nghiệm 
và các tính toán khác sử dụng phần mềm MARS-
3D (KAERI [5]), và RELPA5 (UNIPI [5]) như 
hình minh họa trong Hình 4 và Hình 5. 
Từ các so sánh trên có thể kết luận rằng input của 
 Hình 6. So sánh kết quả tính toán nhiệt độ mô 
thí nghiệm 216 cho kết quả tương tự với kết quả 
 phỏng trong trường hợp trước (no) và sau khi kích 
tính toán từ các phần mềm thủy nhiệt khác và có 
 hoạt (with) lựa chọn xem xét độ nhạy của các mô 
kết quả khá gần với đo đạc thực nghiệm. Từ kết 
 hình vật lý
quả so sánh nói trên, input này có thể sử dụng 
cho các nghiên cứu tiếp theo. Kết quả tính toán trước khi kích hoạt các mô hình 
 vật lý (Cal_xxno) hoàn toàn giống với kết quả 
3.2. Tính toán độ nhạy
 tính toán sau khi kích hoạt chúng (Cal_xxwith). 
Để xem xét độ nhạy của các mô hình vật lý, các lựa Trong đó xx là chín vị trí (02, 07, 12, 18, 20, 23, 
chọn để xem xét 16 mô hình vật lý được kích hoạt 26, 29 và 34) như được minh họa trong Hình 6. 
như trong Bảng 1. Bài toán tham chiếu là bài toán 
 Trong tính toán với trường hợp tham chiếu, kết 
mà các mô hình vật lý có hệ số mặc định được 
 quả phân bố nhiệt độ chỉ ra rằng vị trí nút 26 có 
lựa chọn (giá trị là 1.0). Cần lưu ý rằng là khi kích 
 nhiệt độ cao nhất, PCT xảy ra, tương ứng với độ 
hoạt chức năng này kết quả tính toán phải đảm 
 cao 1400 mm. Đây được chọn là vị trí tham chiếu 
bảo là không đổi. Kết quả tính toán trước và sau 
 và được dùng để tính phân bố nhiệt độ trong 
khi kích hoạt tính toán độ nhạy cho các mô hình 
 phân tích độ nhạy.
vật lý được chỉ ra trong Hình 6. 
 Hình 7. Kết quả tính toán độ nhạy với 16 mô hình vật lý
 Số 67 - Tháng 6/2021 25
 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
 Bằng cách lấy giá trị min và max của mỗi tham số 
 trong 16 tham số, thực hiện truyền thông tin qua 
 tham số lối ra là PCT và thời gian dính ướt, có tất 
 cả 32 trường hợp được tính toán tại vị trí tham 
 chiếu có PCT xảy ra (1400 mm) và kết quả được 
 chỉ ra như trong Hình 7. Có thể thấy rằng kết quả 
 tính toán có phân bố khá đối xứng về mặt nhiệt độ 
 so với trường hợp tham chiếu (chỉ ra bằng đường 
 đậm nét đứt quãng) và thực nghiệm. Tuy nhiên 
 thời gian dính ướt trong tính toán mô phỏng cho 
 Hình 8. Độ nhạy các mô hình vật lý theo tiêu 
 một số trường hợp trong tổng 32 trường hợp này 
 chuẩn PCT
 lại có thăng giáng đáng kể.
 Để phân tích độ nhạy, cần phải lựa chọn ra các 
 tiêu chuẩn để đánh giá. Các tiêu chí được lựa 
 chọn cho nghiên cứu độ nhạy trong đề tài này 
 dựa trên các tiêu chí đã cho [5]. 
 Đối với quá trình đánh giá và cấp phép về mặt 
 thủy nhiệt, PCT là tiêu chí chính được lựa chọn. 
 Trong kịch bản tái ngập được xem xét, thời gian 
 dính ướt là một hiện tượng điển hình. Nó xác 
 định tình trạng bề mặt của thanh, T , là khô nếu 
 w Hình 9. Độ nhạy các mô hình vật lý theo tiêu 
 nhiệt độ của thanh cao hơn nhiệt độ bão hòa 
 chuẩn thời gian dính ướt
 khoảng 30 độ, Tw = Tsat + 30, và ngược lại thì vỏ 
 thanh nhiên liệu là bị ướt. Có thể thấy rằng đối với cả hai tiêu chuẩn đánh 
 giá độ nhạy, các mô hình vật lý từ với chỉ số 
 Chính vì thế, hai tiêu chuẩn được lựa chọn trong 
 tương ứng, từ 1 đến 5 và từ 11 đến 13, có rất ít 
 nghiên cứu độ nhạy của đề tài là PCT và thời gian 
 ảnh hưởng lên kết quả tính toán của nhiệt độ vỏ 
 dính ướt: 
 thanh nhiên liệu cũng như thời gian dính ướt. 
 Tiêu chí PCT được xác định là giá trị tuyệt đối Dựa theo tiêu chuẩn đánh giá độ nhạy PCT đã 
 của độ thay đổi nhiệt độ PCT: nêu trên, có thể thấy rằng có ba mô hình vật lý 
 (các mô hình với chỉ số là 6, 14, và 16) có ảnh 
 ∆Tref (=PCTi - PCTref) = 10 (°C) 
 hưởng lớn nhất đến nhiệt độ vỏ thanh nhiên liệu. 
 trong đó i = 1, , 32. Dựa theo tiêu chuẩn đánh giá độ nhạy thời gian 
 Tiêu chuẩn thời gian dính ướt là độ thay đổi trong dính ướt, các mô hình vật lý có chỉ số tương ứng 
 thời gian dính ướt: là 6, 9, và 14 có ảnh hưởng lớn đến kết quả tính 
 toán thời gian dính ướt. 
 ∆tquench (=tq,i - tq,ref) = 50 (s) 
 Như vậy, tính toán độ nhạy áp dụng hai tiêu chí 
 Kết quả tính toán độ nhạy được thể hiện trong 
 đánh giá là PCT và thời gian dính ướt chỉ ra 4 
 Hình 8 và Hình 9 trong đó các kết quả tính toán 
 tham số (IP6, IP9, IP14 và IP16) có tác động đáng 
 của giá trị Min và Max trong bảng chú thích 
 kể nhất lên kết quả tính toán. Chúng được tổng 
 tương ứng với giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của 16 
 kết như trong Bảng 2. 
 tham số đầu vào xem xét. 
26 Số 67 - Tháng 6/2021
 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Bảng 2: Bốn mô hình vật lý có tác động lớn lên nghiên cứu này. Các PM được phân tích độ nhạy 
 kết quả đầu tính toán đầu ra thông qua mô phỏng hệ thực nghiệm FEBA dựa 
 trên các số liệu thực nghiệm của Chuỗi 1 trong 
 các thí nghiệm thực hiện trên hệ FEBA. Trường 
 hợp tham chiếu đã được lựa chọn và kết quả mô 
 phỏng đã chứng tỏ quá trình gia nhiệt tương tự 
 như đã tiến hành trong thực nghiệm. Có 16 mô 
Có thể nhận thấy rằng bốn tham số này đều là hình vật lý đã được chọn cho nghiên cứu độ nhạy 
các tham số quan trọng trong giai đoạn tái ngập dựa trên hai tiêu chí về PCT và thời gian dính 
vì chúng liên quan đến chế độ dòng chảy và các ướt. Kết quả tính toán độ nhạy chỉ ra rằng bốn 
hiện tượng vật lý đặc trưng cho quá trình tái mô hình vật lý với chỉ số tương ứng là 6, 9, 14 và 
ngập. Hệ số sôi màng (IP6) là một hiện tượng chi 16 có ảnh hướng lớn đến kết quả tính toán trong 
phối chính trong quá trình truyền nhiệt trong số mười sáu tham số đầu vào được xem xét. Có 
giai đoạn tái ngập. Dòng hơi với các giọt cuốn thể nhận thấy rằng bốn tham số này đều là các 
theo (entrained droplets) (IP9) có kích thước và tham số quan trọng trong giai đoạn tái ngập và 
vận tốc khác nhau, có ảnh hưởng mạnh mẽ tốc độ cần được xem xét kỹ hơn về đóng góp độ bất định 
dòng cũng như khả năng truyền nhiệt [14]. Tiêu của chúng trong kết quả tính toán.
chí khô hay ướt của vỏ thanh nhiên liệu (IP14) 
dẫn đến việc lựa chọn các hệ số truyền nhiệt hoàn Trần Thanh Trầm, Hoàng Tân Hưng, 
toàn khác nhau. Quá trình bị dính ướt đột ngột Đoàn Mạnh Long, Vũ Hoàng Hải
và quá trình bị trì hoãn sự dính ướt là hai hiện 
 Trung tâm Đào tạo hạt nhân
tượng thường đi kèm trong quá trình dính ướt. 
Kết quả tính toán độ nhạy trong đề tài này được 
chỉ ra trong Hình 1.9. Có thể thấy rằng quá trình 
trì hoãn sự dính ướt là chiếm ưu thế. Điều này 
chứng tỏ rằng tiêu chuẩn dính ướt cũng cần phải TÀI LIỆU THAM KHẢO
được đánh giá kỹ hơn. Mô hình vật lý được chọn [1] USNRC, RELAP5/Mod3.3 code manual Vol-
cuối cùng, sự truyền nhiệt tại mặt phân cách ume I: Code Structure, System Models, and Solu-
giọt-hơi nước (IP16), góp phần đáng kể vào việc tion Methods., vol. 1, 2001.
truyền nhiệt, đặc biệt là trong giai đoạn tái ngập. [2] ISL, RELAP5/MOD3.3 code manual volume 
Số lượng giọt nước mang kèm hơi nước và kích IV: models and correlations, NUREG/CR-5535/
thước của giọt nước một phần quyết định khả Rev P3-Vol IV, 2006.
năng truyền nhiệt chung, dẫn đến giảm nhiệt độ [3] NEA, Nuclear fuel behaviour in loss-of-cool-
của thanh nhiên liệu. Do đó tham số IP16 cũng là ant accident (LOCA) conditions: State-of-the-art 
tham số cần có các đánh giá về độ bất định. Report, Nuclear Energy Agency, 2009.
 [4] Choi T. S., No H. C., Improvement of the 
 reflood model of RELAP5/MOD3.3 based on the 
4. KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ assessments against FLECHT-SEASET tests, Nu-
 clear Engineering and Design, Vol. 240, pp.832–
Trong số các điều kiện đầu vào như điều kiện ban 841, 2010.
đầu, điều kiện biên và PM, PM được đề xuất là 
 [5] Kovtonyuk, A. et al., Post-BEMUSE Reflood 
các tham số có ảnh hưởng nhất đến kết quả tính 
 Model Input Uncertainty Methods (PREMIUM) 
toán. Chính vì vậy, các PM là trọng tâm trong Benchmark: Final Report, NEA/CSNI/R(2016)18, 
 Số 67 - Tháng 6/2021 27
 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
 2017.
 [6] Kovtonyuk A. et al., Post-BEMUSE Reflood 
 Model Input Uncertainty Methods (PREMIUM) 
 Benchmark Phase II: Identification of Influential 
 Parameters, NEA/CSNI/R(2014)14, 2015.
 [7] Perez M. et al., Uncertainty and sensitivity 
 analysis of a LBLOCA in a PWR Nuclear Power 
 Plant: Results of the Phase V of the BEMUSE pro-
 gramme, Nuclear Engineering and Design, Vol. 
 241, pp. 4206 – 4222, 2011.
 [8] Horst Glaeser, GRS Method for Uncertainty 
 and Sensitivity Evaluation of Code Results and 
 Applications, Science and Technology of Nuclear 
 Installations, pp. 1-7, 2008.
 [9] Lee N. et al., PWR FLECHT-SEASET un-
 blocked bundle, forced and gravity reflood task 
 data evaluation and analysis report, NUREG/CR-
 2256, 1982.
 [10] Seo G. H. et al. Numerical analysis of RBHT 
 reflood experiments using MARS 1D and 3D 
 modules, Journal of Nuclear Science and Tech-
 nology, Vol. 52, pp.70-84, 2015.
 [11] Hochreiter L. E. et al., RBHT reflood heat 
 transfer experiments data and analysis, NUREG/
 CR-6980, 2012.
 [12] Ihle P., Rust K., FEBA Flooding Experiments 
 with Blocked Arrays Evaluation Report, März 
 1984.
 [13] Mesina G. L., A History of RELAP Comput-
 er Codes, Nuclear Science and Engineering, vol. 
 182, v–ix, 2016.
 [14] Berna C. et al., Review of droplet entrain-
 ment in annular flow: Characterization of the en-
 trained droplets, Progress in Nuclear Energy, Vol. 
 79, pp. 64-86, 2015.
28 Số 67 - Tháng 6/2021