Tải bản đầy đủ

CƠ SƠ THỦY NHIỆT LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

12/11/2015

CƠ SỞ THUỶ NHIỆT CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
CHƯƠNG TRÌNH CHO SINH VIÊN NGÀNH CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
KHOA VẬT LÝ – ĐẠI HỌC KHTN

LÊ ĐẠI DIỄN
TRUNG TÂM ĐÀO TẠO HẠT NHÂN
VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ ViỆT NAM

NỘI DUNG
1. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
2. NGUỒN NHIỆT TRONG LÒ PHẢN ỨNG
3. PHÂN BỐ NHIỆT ĐỘ TRONG THANH NHIÊN LIỆU
4. DÒNG CHẢY VÀ CÁC PHƯƠNG TRÌNH BẢO TOÀN
5. THIẾT KẾ THỦY NHIỆT VÙNG HOẠT LÒ PHẢN ỨNG
6. MỘT SỐ THÔNG SỐ VẬT LÝ-THỦY NHIỆT

1



12/11/2015

CHƯƠNG I
CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

MỞ ĐẦU
- Truyền nhiệt và dòng chảy trong lò phản ứng ?
- Thiết kế hệ thống công nghệ hạt nhân (thủy nhiệt) :
Nuclear reactor thermal-hydraulics
- Mục tiêu chính của nghiên cứu, tính toán, thực nghiệm
thủy nhiệt trong lò phản ứng:
+ Xác định phân bố nhiệt độ trong lò phản ứng
+ Đánh giá các lực gây ra bởi dòng chất tải nhiệt tác
động lên các kết cấu bên trong lò phản ứng.
+ Xác định khả năng truyền nhiệt của chất tải nhiệt
từ vùng hoạt đến các thiết bị trao đổi nhiệt.

2


12/11/2015

MỞ ĐẦU
Thermal-hydraulics là phần quan trọng của quá trình phân
tích lò phản ứng

2. CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ CƠ BẢN
• Nhiệt độ: là phép đo độ
hoạt động của các phân
tử của một vật thể.
• Đơn vị đo: K, °F, °R,
°C

3


12/11/2015

• Năng lượng: là khả năng của một hệ thực hiện công hoặc sinh
nhiệt.


Đơn vị đo năng lượng: J, Btu, Cal…
(1Btu = 252 Cal = 1050.04 J)
Các dạng năng lượng:
Thế năng (hấp dẫn): là dạng NL tích luỹ do vị trí của vật (h) so
với điểm cực tiểu (h=0), PE(Potential energy) = mgh
Động năng: là dạng NL của chuyển động, KE (Kinetic energy)
= mv2/2
Nội năng: là dạng NL tích luỹ bên trong vật, U = f(T,V)
Năng lượng P-V: là dạng NL đặc trưng cho khả năng sinh
công của một hệ, nó được sinh ra từ P và V của chất lưu, PV =
P.V
Enthalpy: H = U + PV
Enthalpy riêng : h = H/m

• Công: là một dạng NL (là NL trong chuyển dịch), W = F.d
Dấu của công: W> 0: Hệ sinh công (quá trình giãn nở), W<0:
Hệ nhận công (quá trình nén)
• Nhiệt lượng: là một dạng NL (NL trong chuyển dịch ở mức độ
phân tử), Q=C.m.∆T
Dấu của nhiệt lượng: Q > 0: cấp nhiệt cho hệ, Q < 0: hệ thải
nhiệt
• Entropy - S: là một tính chất của vật thể (giống như P,T,V,H).
Trong nhiệt động lực học, biến thiên entropy dS là một đơn vị
đo lượng năng lượng dQ phát tán/hấp thụ khi một hệ vật lý
chuyển trạng thái tại một nhiệt độ tuyệt đối xác định T .
dS = dQ/T
• Công suất: P=W/t, đơn vị: w, kw…

4


12/11/2015

3. HỆ NHIỆT ĐỘNG (Thermo dynamic system)
• Định nghĩa: Tập hợp các đối tượng cần nghiên cứu.
• Các kiểu hệ nhiệt động học:
Hệ cô lập: KL và NL không truyền ra ngoài lớp biên
Hệ đóng: chỉ có NL có thể truyền ra ngoài lớp biên
Hệ mở: cả NL và KL có thể truyền ra ngoài lớp biên
• Trạng thái của hệ nhiệt động là tập các biến (đại lượng)
tại thời điểm, khoảng thời gian xác định
• Quá trình nhiệt động: Hệ chuyển trạng thái (các đại
lượng thay đổi do tác động nào đó)
• Hệ là cân bằng nhiệt động khi trạng thái của nó không
phụ thuộc t.

4. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO NGUỒN NHIỆT
• Công suất: Lượng nhiệt sinh ra trên một đơn vị thời gian. Đơn
vị đo: w, kW, MW …
q=Q/t
• Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính: Tốc độ sinh nhiệt trên một đơn vị
độ dài. Đơn vị đo: w/m
q’ = q/L
• Thông lượng nhiệt: Tốc độ truyền nhiệt trên một đơn vị diện
tích. Đơn vị đo: w/m2
q’’ = q/A
• Nguồn nhiệt thể tích: Tốc độ sinh nhiệt trên một đơn vị thể
tích. Đơn vị đo: w/m3, w / lit
q’’’ = q/V

5


12/11/2015

4. CÁC ĐẠI LƯỢNG ĐẶC TRƯNG CHO DÒNG CHẢY
• Tốc độ dòng khối: là khối lượng chất lưu chuyển động trên
một đơn vị thời gian. Đơn vị đo: kg/s
m’ = dm/dt
• Tốc độ dòng thể tích: v’ = dV/dt = A.v, đơn vị đo: m3/s
• Lưu lượng: lượng chất lưu chảy qua một đơn vị diện tích trên
một đơn vị thời gian. Đơn vị đo: kg/m2.s
G = m’/A
• Đường kính thuỷ lực tương đương:
De = 4.Sflow / Cwet

5. TÍNH CHẤT CỦA CHẤT LỎNG
• Chất lỏng nén được: mật độ thay đổi, ρ = ρ (r, T).
• Chất lỏng không nén được: ρ = const
• Chất lỏng nhớt: đặc trưng bởi hệ số nhớt µ.
• Chất lỏng Niuton: là chất lỏng nhớt và ứng suất trượt tỷ lệ
tuyến tính với tốc độ biến dạng.
• Chất lỏng phi Niuton: là chất lỏng nhớt và ứng suất trượt
không tỷ lệ tuyến tính với tốc độ biến dạng.

6


12/11/2015

6. ỨNG SUẤT, TỐC ĐỘ BIẾN DẠNG
• Ứng suất: nội lực trên một đơn vị diện tích.
• Đơn vị đo ứng suất: N/m2 (cùng đơn vị đo với áp suất)
• Tensơ tốc độ biến dạng (rate of strain tensor) eij:

Áp suất + Ứng suất lệch (deviatoric stress)

7. CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT LỎNG
- Chuyển động của phần tử chất lỏng có thể được phân tích
thành: dịch chuyển (pure translation), biến dạng (strain), và
quay (rotation).

- Tenxơ ứng suất biến dạng (vật rắn) < > Chất lỏng: Tenxơ
ứng suất biến dạng và biến đổi theo không gian của nó (biến
đổi theo vận tốc u).

7


12/11/2015

8. BẢNG HƠI
• Nước sôi và hơi bão hoà: tra cùng một bảng (tra theo nhiệt
độ hoặc áp suất)
• Nước chưa sôi và hơi quá nhiệt: tra cùng một bảng (tra
theo cặp nhiệt độ và áp suất).

8. BẢNG HƠI

8


12/11/2015

8. BẢNG HƠI

9. NMĐHN LÒ PWR
• Tuabin:
Độ giảm enthalpy của chất lưu để sinh công bằng công của tuabin.
Công của tuabin: Wt = Hin – Hout
Tuabin lý tưởng: entropy của chất lưu không thay đổi khi đi
qua tuabin:
Sin = Sout
Tuabin thực: Do có ma sát với cánh quạt của tuabin nên có sự
mất mát năng lượng.
Hiệu suất của tuabin: η = Wt,actual/Wt,ideal

9


12/11/2015

• Bơm:
Ngược lại với tuabin, bơm làm tăng enthalpy của chất lỏng.
Công của bơm: Wp = Hout – Hin
Hiệu suất của bơm: η = Wp,ideal/Wp,actual
Tính hiệu suất motor bơm theo năng lượng điện: ηm =
Wp,actual/Wm,in.C
Wm,in: là năng lượng điện cung cấp cho motor (kw.h)
hệ số C = 2.655×106 (ft.lbf/kw.h)

1 2 : Hơi bão hòa từ bình sinh hơi được giãn nở trong tuabin áp suất cao (HP)
để sinh công.
2 3 : Hơi ẩm đi ra khỏi tuabin HP được làm khô và gia nhiệt trong bộ tách hơi
ẩm (MSR)
3 4 : Hơi quá nhiệt từ MSR được giãn nở trong tuabin áp suất thấp (LP) và
sinh công.
4 5 : Hơi xả ra từ tuabin được ngưng tụ khi đi qua bình ngưng
5 6 : Nước cấp được gia nhiệt bởi bộ gia nhiệt
6 1 : Nhiệt thêm vào chất lỏng trong bình sinh hơi với áp suất không đổi.

10


12/11/2015

10. CHU TRÌNH RANKINE
-Quá trình 1-2: Chất lỏng được nén đẳng
entropy (quá trình tăng áp suất của dòng
chất lỏng nhờ bơm – bơm lý tưởng).
-Quá trình 2-3: quá trình đẳng áp. Nhiệt
lượng được truyền vào chất lưu (diễn ra
trong nồi hơi)
-Quá trình 3-4: quá trình giản nở đẳng
entropy và sinh công (tuabin lý tưởng)
-Quá trình 4-1: quá trình đẳng áp. Chất lưu
được ngưng tụ thành chất lỏng bão hoà
(diễn ra trong bình ngưng)

10. CHU TRÌNH RANKINE






Quá trình 2- 3: đẳng áp (nhận nhiệt): q1 = h3 – h2
Quá trình 3-4: đẳng nhiệt sinh công: wtuabin = h3 – h4
Quá trình 4 -1: đẳng áp thải nhiệt: q2 = h1 – h4
Quá trình 1-2: bơm đẳng nhiệt: wpump = h2 – h1
HIỆU SUẤT CHU TRÌNH: η = (q1 – q2) / q1 = (wtuabin – wpump) / q1

11


12/11/2015

CÂU HỎI ÔN TẬP
1. Chu trình Rankine và áp dụng trong NMĐHN: các
quá trình và giải thích ý nghĩa vật lý.

CHƯƠNG II
NGUỒN NHIỆT TRONG LÒ PHẢN ỨNG

12


12/11/2015

I. SINH NHIỆT TRONG LÒ PHẢN ỨNG


Quá trình phân hạch là nguồn gốc của sự phát sinh nhiệt lượng (một phản
ứng phân hạch trung bình toả ra khoảng 200 MeV (3.2 × 10-11J)).



Công suất phân hạch phân bố không đồng nhất trong vùng hoạt.



Tải nhiệt trong lò phản ứng thông qua quá trình dẫn nhiệt từ nhiên liệu tới
bề mặt lớp vỏ của nhiên liệu, sau đó nhiệt được dẫn theo phương thức đối
lưu tới chất tải nhiệt.



Cân bằng năng lượng đối với lò phản ứng: NL ra khỏi lò = NL vào + NL
sinh ra trong LPU

hay

m’.hout = m’.hin + q
q = m’ (hout – hin)

m’: tốc độ dòng khối (kg/s)
h: enthalpy riêng của chất tải nhiệt
(kJ/kg)
q: công suất nhiệt của lò truyền
cho chất tải nhiệt (KJ/s, kw)

25

1.1. NĂNG LƯỢNG TRONG PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH
Dạng năng lượng
Động năng của SP phân hạch

Năng lượng (MeV)
168

Động năng của n sinh ra

5

NL của bức xạ γ tức thời

5

Bức xạ β của SP phân hạch

7

Bức xạ γ của SP phân hạch

6

Động năng của notrino

10

Tổng năng lượng

201

26

13


12/11/2015

1.2. CÔNG SUẤT NHIỆT CỦA LÒ PHẢN ỨNG
• Công suất LPU:
q = γ.N.σf.Φ.Vf
q: công suất (w, J/s)
γ : năng lượng sinh ra trên một phân hạch (J/fission)
N: số hạt nhân có thể phân hạch trên một đơn vị thể tích
(atoms/cm3)
σf: tiết diện phân hạch vi mô của nhiên liệu (cm2)
Φ: thông lượng notron (n/cm2.s)
Vf: thể tích của nhiên liệu (cm3)

• Công suất LPU tỷ lệ với lưu lượng dòng chất tải nhiệt đi qua
vùng hoạt (tính chất cân bằng nhiệt)
q = m’.Cp.∆T
Cp: nhiệt dung riêng của hệ tải nhiệt (J/kg.K)
∆T: độ chênh lệch nhiệt độ giữa lối và và lối ra (K)

27

Phân bố công suất trong vùng hoạt của lò phản ứng

14


12/11/2015

1.3. NGUỒN NHIỆT TRONG LÒ PHẢN ỨNG
Sinh nhiệt bên trong viên nhiên liệu
• Viên nhiên liệu có dạng hình trụ
• Tốc độ sinh nhiệt phụ thuộc vào vị trí của thanh nhiên liệu trong vùng hoạt
q’’’ = q’’’ (r,φ,z)

Sinh nhiệt bên trong chất làm chậm:



Notron được làm chậm do va chạm với các hạt nhân của chất làm chậm
(tán xạ đàn hồi)
Hấp thụ tia γ

Sinh nhiệt bên trong các kết cấu




Hấp thụ tia γ
Tán xạ đàn hồi của notron
Tán xạ không đàn hồi của notron
29

1.4. MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG
• Thừa số kênh nóng (hot channel factor): là tỷ số giữa thông
lượng nhiệt tối đa mong muốn trên bất kỳ diện tích nào với
thông lượng nhiệt trung bình của vùng hoạt.
radial nuclear hot channel factor

axial nuclear hot channel factor

total nuclear hot channel factoror nuclear heat flux factor

30

15


12/11/2015

1.4. MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG
• Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính trung bình: là công suất trung
bình trên một đơn vị độ dài, q’ (kW/m).
• Mật độ công suất tuyến tính cục bộ cực đại (Maximum Local
Linear Power Density): bằng thừa số kênh nóng nhân với tốc độ
sinh nhiệt tuyến tính trung bình.

31

1.4. MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG
LPU hình trụ, thanh nhiên liệu ở vị trí r= rf (k/c từ tâm hình trụ)

Thừa số đỉnh công suất (Power peaking factor)

power peaking factor

16


12/11/2015

1.5. LIÊN HỆ GIỮA CÁC THÔNG SỐ q’, q’’, q’’’

q : công suất (tốc độ sinh nhiệt), w
q’ : tốc độ sinh nhiệt tuyến tính, w/m
q’’ : thông lượng nhiệt, w/m2
q’’’ : nguồn nhiệt thể tích, w/m3 (w/lit)
33

VÍ DỤ 1 (BÀI TẬP)
• Tính tốc độ sinh nhiệt tuyến tính trong vùng hoạt. Biết lò
vận hành 100% công suất và công suất định mức của lò là
3400 MWt.
Dữ liệu vùng hoạt:
– Mỗi thanh nhiên liệu dài 3.8m
– Có 264 thanh trong một bó nhiên liệu
– Có 193 bó nhiên liệu trong vùng hoạt.

34

17


12/11/2015

VÍ DỤ 2 (BÀI TẬP)
Tính các thông số sau:
• Đường kính và thể tích tương đương của vùng hoạt ?
• Nguồn nhiệt thể tích trung bình, q’’’ ?
• Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính trung bình của thanh nhiên liệu, q’ ?
• Thông lượng nhiệt TB tại bề mặt giữa thanh nhiên liệu và chất
tải nhiệt, q’’ ?
Cho biết thông số của lò phản ứng PWR:
Công suất: 3800 MWt
số lượng bó nhiên liệu: 241
Bó NL có dạng hình vuông, cạnh hình vuông: 207 mm
số thanh NL trong bó: 236
Chiều dài thanh NL: 3810mm
Đường kính ngoài của thanh NL: 9.7mm
35

1.6. ĐÔ (SÂU) CHÁY NHIÊN LIỆU

18


12/11/2015

1.6. ĐÔ (SÂU) CHÁY NHIÊN LIỆU
CÔNG SUẤT RIÊNG
(Specific Power)
,
Ps [kW/kg]=[W/g]

mUran – lượng nhiên liệu nạp tải trong vùng hoạt

ĐỘ CHÁY NHIÊN LiỆU
(Specific (Fuel) Burnup),
B [MW⋅days/MTU]

37

1.7. THỜI GIAN SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU TRONG LPU
(Fuel Residence Time)

Ví dụ 3:
Pth, MW
M(urani), Tấn
Burnup, MWd/tấn
Capacity Factor, %

Specific power, MW/T
Specific burnup, MWd/T
Fuel Resident time, d

Capacity factor = Pthuc / Pdinhmuc

3000
85
33000
90

35.29412
33000
?

38

19


12/11/2015

II. NHIỆT PHÂN RÃ
• Ngay sau khi dập lò phản ứng lượng nhiệt phân rã còn khoảng
7% mức công suất của lò phản ứng trước khi dập lò (do sự
phân rã của các sản phẩm phân hạch)
• Lượng nhiệt phân rã sẽ giảm dần khi các vật liệu phóng xạ
phân rã đạt tới trạng thái bền.
• Lượng nhiệt phân rã còn khoảng 2% mức công suất khoảng 1h
sau khi dập lò và còn khoảng 1% mức công suất khoảng 1
ngày sau khi dập lò.
• Lượng nhiệt phân rã được tải ra khỏi vùng hoạt lò phản ứng
bằng hệ thống tải nhiệt dư (RHR).
39

• Tính toán lượng nhiệt phân rã:
q = qo.(1/2)t/T
q: tốc độ sinh nhiệt phân rã sau thời gian dập lò t, J/s.
qo : lượng nhiệt phân rã ngay sau khi dập lò, J/s.
t: thời gian tính từ thời điểm dập lò tới thời điểm đang xét, s.
T: chu kì bán rã của toàn bộ phân rã vùng hoạt, s.
• Ví dụ 4:
LPU có công suất danh định 250 MW. Từ dữ liệu của nhà
cung cấp ta thấy rằng nhiệt phân rã ở thời điểm dừng lò sẽ là
7% công suất hiện thời và sẽ giảm với chu kỳ bán rã là một
giờ.
Công suất lò tại thời điểm dừng lò là 120MW. Lượng nhiệt
phân rã (J/s) sau 12 giờ kể từ khi dừng lò?
40

20


12/11/2015

• Công thức thực nghiệm tính tốc độ sinh nhiệt do phát tia γ,β từ các
sản phẩm phân hạch:
Tốc độ sinh nhiệt do β = 1.40 t’-1.2 MeV/fission.s
(*)
-1.2
Tốc độ sinh nhiệt do γ = 1.26 t’ MeV/fission.s
(**)
PT trên đúng trong khoảng thời gian: 10s < t’ < 100 ngày.
41

• giả sử mỗi một phân hạch tạo ra 200MeV.
Suy ra, để sinh ra công suất là 1w thì cần 3.1×1010 fission/s.
Vậy, để sinh ra qo’’’ w/cm3 thì cần 3.1×1010.qo’’’ fission/cm3.s


Tích phân hai PT (*) và (**) theo thời gian vận hành của lò phản ứng
ta được:

Giả sử lò phản ứng hoạt động ở mức công suất không thay đổi, ta được

42

21


12/11/2015

• Nhiệt phân rã liên hệ với mức công suất không đổi của lò phản ứng
Đổi đơn vị MeV ra J, ta được:

Po là nguồn nhiệt thể tích qo’’’
Suy ra, tổng lượng nhiệt phân rã P:

PT trên có thể viết lại như sau:

43

Ví dụ 5 (bài tập)
Tính lượng nhiệt phân rã (J) được sinh ra trong một lò phản ứng nước nhẹ
sau khi dập lò. Công suất vận hành là 3000 MWt. Lò phản ứng vận hành 1
năm với 75% công suất tổng.
Lượng nhiệt (J) tính trong 3 trường hợp với thời gian sau khi dập lò là:
•1 giờ
•1 tháng
•1 năm

44

22


12/11/2015

III. NGUYÊN LÝ THIẾT KẾ NHIỆT
Với LPU vận hành ở mức công suất không đổi, nhiệt sinh ra
trong vùng hoạt phải cân bằng với lượng nhiệt được tải đi.
• Nhiệt độ nhiên liệu cực đại thực tế được xác định bởi mức
công suất của lò, thiết kế hệ thống tải nhiệt và bản chất của
nhiên liệu.
• Với công suất đã cho theo thiết kế, cần thiết kế hệ tải nhiệt
đảm bảo lấy nhiệt sinh ra từ mức công suất thiết kế trong khi
phải đảm bảo rằng nhiệt độ nhiên liệu cực đại luôn ở dưới giới
hạn cho phép.

45

3.1.TÍNH CHẤT CỦA NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN

UO2

U

PuO2

Điểm nóng chảy, °C

2847±30

1132

2390±35

Mật độ, g/m3

10.96

19.05

11.46

Mật độ kim loại, g/m3

9.66

19.05

10.11

hệ số dẫn nhiệt, w/mK

3 (1000°C)

35 (397°C)

2.7 (1000°C)

46

23


12/11/2015

3.2.TÍNH CHẤT CỦA VỎ THANH NHIÊN LiỆU

Tính chất

Zircaloy-2

Thép không gỉ 361

Mật độ, kg/m3
Điểm nóng chảy, °C
Hệ số dẫn nhiệt, w/m°C
Nhiệt dung riêng, J/kg°C

6.5×103
1850
13 (400°C)
330 (400°C)

7.8 ×103
1400
23 (400°C)
580 (400°C)

47

3.3. ĐIỀU KIỆN VẬN HÀNH LÒ LWR
Điều kiện

PWR

BWR

Nhiệt độ lối ra chất tải nhiệt sơ cấp
Nhiệt độ lối vào của chất tải nhiệt
Áp suất của hệ sơ cấp
ĐK bão hoà hơi ở tuabin
- Áp suất
- Nhiệt độ
Hiệu suất nhiệt của nhà máy

324°C
275°C
15.5MPa

288°C
200°C
7.17MPa

5.7MPa
272.3°C
~ 33%

7.17MPa
287.5°C
~ 33%

48

24


12/11/2015

3.4. GIỚI HẠN THIẾT KẾ NHIỆT
Đặc điểm
Giới hạn sự hư hại

PWR

BWR

Độ cong của lớp vỏ là 1%

Độ cong lớp vỏ là 1%

Giới hạn thiết kế
-Nhiệt độ tâm nhiên liệu
Dừng
Chuyển tiếp
Không nóng chảy
-Nhiệt độ TB của lớp vỏ
Dừng
Chuyển tiếp
<1200°C (LOCA)
-Thông lượng nhiệt bề mặt
Dừng
Chuyển tiếp
MDNBR≥1.3 tại 112 % công
suất

Không nóng chảy
< 1200°C (LOCA)
MCPR≥1.2
-

49

3.5. CÁC QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRONG LPU

25


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×