Nghiên cứu tính toán diễn biến sự cố nặng và truyền nhiệt ở đáy thùng lò phản ứng hạt nhân WER-1.000

Bài báo này giới thiệu về diễn biến sự cố trong lò phản ứng hạt nhân VVER của Nga và tính toán truyền nhiệt của bể nhiên vật liệu nóng chảy ở đáy thùng lò đối với một số kịch bản sự cố nặng, dùng mô hình đối lưu hiệu quả. Kết quả mô phỏng cho thấy tương tác nhiệt từ bể nhiên vật liệu có thể dẫn đến dão nhiệt thành lò sau một vài giờ. Hiệu quả một số biện pháp làm mát áp dụng khi có sự cố nặng cũng được tính toán và phân tích trong nghiên cứu này.

Giới thiệu

Nghiên cứu về sự cố nặng là chủ đề quan trọng trong mấy chục năm nay, đặc biệt sau sự cố Fukushima ở Nhật Bản. Việc sử dụng các chương trình tính toán thủy nhiệt như: SCDAP/RELAP, MELCOR, MAAP [1,2,3] … để phân tích an toàn đã được áp dụng từ lâu đối với lò Phương Tây. Với lò VVER, gần đây bên cạnh các công cụ tính toán của Nga, các chương trình RELAP/SCDAP, CATHARE, MELCOR, ASTEC... đã được sử dụng để phân tích sự cố nặng.

Với các sự cố nặng giả định trong VVER, các chương trình tính toán được sử dụng để phân tích các sự cố như: Sự cố mất điện toàn bộ (SBO) [4,5,6]; Quá trình sinh khí hyđrô trong lò và khuyếch tán trong tòa nhà lò [7]; Truyền nhiệt trong bể nhiên vật liệu (NVL) nóng chảy và giữ NVL trong lò [8]; Tính toán các sản phẩn phân hạch thoát ra môi trường, cũng như đánh giá hiệu quả các biện pháp làm mát trong quản lý sự cố nặng [9].

Một trong những trạng thái của diễn biến sự cố trong lò là quá trình đối lưu rối tự nhiên của bể NVL nóng chảy ở đáy thùng lò. Kết quả tính toán truyền nhiệt sẽ cho phép dự báo quá trình nóng lên của thành thùng lò, xác định thời gian, vị trí dão nhiệt, hư hỏng của thùng lò, cũng như xác định đặc tính dòng chảy NVL lỏng ra khỏi lò, hay hiệu quả các biện pháp làm mát...

Tuy nhiên, do phương pháp tính truyền nhiệt trong các chương trình nêu trên là phương pháp thông số thô, nên chưa mô tả được quá trình trong cấu hình 3D, cơ chế cụ thể của quá trình chuyển đổi pha (rắn sang lỏng và ngược lại), hay quá trình mở rộng bể NVL do nhiệt dư bên trong...

Các hạn chế nêu trên có thể được khắc phục khi dùng công cụ máy tính mô tả dòng chảy CFD [10]. Tuy nhiên, phương pháp dùng các mô hình chảy rối k-ε, k-ω không áp dụng được đối với bể NVL nóng chảy có nguồn nhiệt bên trong.

Phương pháp mô phỏng trực tiếp (DNS) có thể mô tả chính xác đối lưu rối tự nhiên có nguồn nhiệt bên trong. Tuy nhiên, vì số Ra (Rayleigh number) của bể nóng chảy quá cao (1012-1017), kích thước của bể NVL quá lớn và sự hiện diện của quá trình chuyển đổi pha đòi hỏi sơ đồ nút hóa dày đặc nên phương pháp này tốn nhiều bộ nhớ máy tính và thời gian.

Để mô phỏng hiệu quả (thời gian ngắn) với mức độ chính xác cao quá trình đối lưu rối tự nhiên của bể NVL nóng chảy, mô hình đối lưu hiệu quả ECM (Effective Convectivity Model), mô hình ECM có chuyển đổi pha PECM (Phase-change ECM) với nguồn nhiệt bên trong, và mô hình PECM cho lớp kim loại lỏng không có nguồn nhiệt bên trong đã được phát triển [11,12]. Mô hình có thể áp dụng tính toán truyền nhiệt khi NVL nóng chảy đã rơi xuống đáy lò. Các mô hình này đã được kiểm chứng với nhiều thí nghiệm thực tế, đã áp dụng tính toán truyền nhiệt cho lò nước sôi với thiết kế của ABB-Atom.

Bài báo có bố cục như sau:

Phần tiếp theo (Phần 2) sẽ trình bày sơ bộ về mô hình ECM, PECM cho bể NVL có nguồn nhiệt bên trong, và PECM cho kim loại lỏng.

Phần 3 nêu sơ bộ về diễn biến sự cố và kịch bản trong lò VVER-1000 được đưa ra tính toán cũng như một vài biện pháp đối phó sự cố nặng có thể áp dụng.

Phần 4 sẽ là kết quả mô phỏng và phân tích đối với bể NVL nóng chảy đồng nhất và phân lớp cho lò VVER-1000.

Đặc biệt, trong nghiên cứu này lần đầu tiên áp dụng đồng thời 2 mô hình, là PECM cho bể có nguồn nhiệt bên trong và PECM cho lớp kim loại của bể NVL phân lớp ở đáy lò VVER-1000.

Phần 5 sẽ kết luận về nghiên cứu này.

TS. Trần Chí Thành; KS. Phan Ngọc Tuyên; KS. Nguyễn Tuấn Nghĩa;
KS. Nguyễn Văn Thạo; KS. Hoàng Tiệp

Viện Năng lượng - Bộ Công Thương

(Theo: ievn.com.vn)