Nghiên cứu động học và phân tích an toàn sự cố độ phản ứng lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp bằng chương trình PARCS
Cập nhật vào: Thứ ba - 12/12/2023 00:04
Cỡ chữ
Nghiên cứu động học và phân tích an toàn sự cố cho lò phản ứng là một trong những vấn đề quan trọng cần được quan tâm trong việc đảm bảo thiết kế an toàn và vận hành an toàn lò phản ứng hạt nhân. Hiện đã có rất nhiều các nghiên cứu trên thế giới về động học và an toàn sự cố độ phản ứng của các lò phản ứng hạt nhân dựa trên các chương trình tính toán động học ba chiều như chương trình PARCS, KIOD3D, v.v...; và phức tạp hơn nữa là kết hợp các chương trình này với các chương trình tính toán thủy nhiệt như RELAP5, TRACE, v.v... để thực hiện các tính toán, phân tích an toàn lò phản ứng.
Các mô hình động học lò phản ứng trong các chương trình tính toán thủy nhiệt như kể trên là các mô hình động học điểm. Vì vậy việc kết hợp các chương trình tính toán thủy nhiệt với các chương trình tính toán động học ba chiều như PARCS (hoặc tích hợp các mô hình tính toán thủy nhiệt riêng rẽ trong các chương trình này) để tăng độ chính xác của các kết quả tính toán vật lý-thủy nhiệt là cần thiết để đảm bảo các tính toán, phân tích chính xác hơn về các đặc trưng an toàn của các lò phản ứng hạt nhân, đặc biệt là của các lò phản ứng năng lượng như PWRs, VVERs, BWRs mà ở đó tính đúng đắn của mô hình động học điểm trong nhiều trường hợp có thể không còn hiệu lực.
Trong các chương trình tính toán động học lò phản ứng, PARCS hiện đang được ứng dụng rộng rãi trên thế giới trong lĩnh vực phân tích và đánh giá an toàn lò phản ứng. PARCS là chương trình tính toán động học lò phản ứng ba chiều đa nhóm năng lượng dựa trên phương pháp nodal (nodal method) và lý thuyết khuếch tán hoặc vận chuyển SP3, được phát triển bởi Đại học Purdue, Hoa Kỳ và được Cơ quan pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ sử dụng trong phân tích, đánh giá an toàn các lò phản ứng. PARCS có các lựa chọn cho phép thực hiện các tính toán mô phỏng vật lý lò phản ứng ở các trạng thái ổn định (các tính toán trị riêng), tính toán các trạng thái chuyển tiếp (động học), tính toán chuyển tiếp xenon, tính toán nhiệt dư, các tính toán công suất thanh nhiên liệu và tính toán thông lượng liên hợp (adjoint flux). PARCS có thể được sử 4 dụng độc lập với mô đun thủy nhiệt của nó hoặc được kết hợp với các chương trình tính toán thủy nhiệt như RELAP5, TRACE để phục vụ tính toán, phân tích các bài toán động học, an toàn lò phản ứng năng lượng như tính toán giá trị các thanh điều khiển (ĐK) và phân tích an toàn sự cố độ phản ứng do hiện tượng bật thanh ĐK mất kiểm soát ra ngoài vùng hoạt các lò phản ứng VVERs, PWRs.
Để chuẩn bị cơ sở dữ liệu hạt nhân cho các tính toán động học lò phản ứng bằng PARCS, các nghiên cứu đã được công bố từ trước cho đến nay sử dụng các phương pháp khác nhau dựa trên các chương trình tính toán vật lý tất định như SCALE/TRITON, WIMSD-5 hoặc các chương trình Monte Carlo như Serpent, MCNP. Ngoài ra, PARCS cũng đã được sử dụng để phục vụ các tính toán, phân tích động học và an toàn của một số lò phản ứng nghiên cứu trên thế giới cũng như để kiểm chứng PARCS. Trong khi đó các tính toán, phân tích động học và an toàn lò phản ứng hạt nhân ở Việt Nam cho đến nay vẫn chưa được thực hiện dựa trên một chương trình tính toán động học ba chiều lò phản ứng như PARCS (kể cả các tính toán trước đây cho Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (LPƯHNĐL)).
Xuất phát từ thực tiễn trên, TS. Phạm Như Việt Hà và nhóm nghiên cứu tại Viện Khoa học và Kỹ thuật Hạt nhân đã thực hiện “Nghiên cứu động học và phân tích an toàn sự cố độ phản ứng lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp bằng chương trình PARCS” với mục tiêu: Xác định được các đặc 5 trưng động học, phân tích an toàn sự cố độ phản ứng của LPƯHNĐL bằng PARCS đồng thời tiến hành một số thực nghiệm để so sánh; Nâng cao năng lực đội ngũ cán bộ nghiên cứu có khả năng tính toán, phân tích động học lò phản ứng và sử dụng thành thạo PARCS.
Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:
các kết quả của đề tài bao gồm các kết quả tính toán, phân tích động học và an toàn sự cố độ phản ứng của LPƯHNĐL với nhiên liệu độ làm giàu thấp bằng chương trình PARCS và so sánh các kết quả đạt được với các kết quả đo thực nghiệm và tính toán bằng các chương trình khác. Sau khi nghiên cứu sơ bộ khả năng của các chương trình tính toán SCALE, MCNP6, và Serpent 2 để sinh các tiết diện phản ứng cho LPƯHNĐL, chương trình Monte Carlo Serpent 2 đã được chọn lựa để sinh các tiết diện đa nhóm cho các tính toán động học LPƯHNĐL dùng PARCS. Mô hình LPƯHNĐL với Serpent 2 cũng được sử dụng để kiểm chứng các kết quả tính toán bằng mô hình PARCS tại các trạng thái ổn định và một số kết quả đo thực nghiệm. Các kết quả tính toán chuyển tiếp hoặc sự cố độ phản ứng LPƯHNĐL với PARCS được so sánh với các kết quả đo thực nghiệm hoặc các kết quả tính toán sử dụng chương trình tính toán thủy nhiệt RELAP5.
Các mô hình tính toán Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (LPƯHNĐL) sử dụng các chương trình PARCS và Serpent cùng các kết quả đã đạt được trong báo cáo này là cơ sở để tiến tới thực hiện các nghiên cứu chuyên sâu hơn trong tương lai về động học, an toàn của LPƯHNĐL cũng như của lò phản ứng nghiên cứu mới của Việt Nam. Các kết quả của đề tài cho thấy chương trình PARCS có khả năng thực hiện tính toán, phân tích chuyển tiếp và an toàn LPƯHNĐL dựa trên mô hình động học ba chiều LPƯHNĐL. Tuy nhiên, việc kết hợp chương trình PARCS với một chương trình thủy nhiệt khác như RELAP5 là cần thiết và được đề xuất cho những nghiên cứu tiếp theo đối với chương trình PARCS để có thể mô phỏng chính xác các hiệu ứng phản hồi thủy nhiệt trong các tính toán, phân tích động học của LPƯHNĐL và đặc biệt là của lò phản ứng nghiên cứu mới của Việt Nam với công suất khoảng 10 MW (lớn hơn nhiều so với công suất 0.5 MW của LPƯHNĐL và do đó ảnh hưởng của các phản hồi thủy nhiệt đến an toàn lò phản ứng là đáng kể hơn).
Dựa trên các kết quả của đề tài, có thể kết luận về cơ bản đề tài đã đạt được các mục tiêu đã đề ra và hoàn thành các sản phẩm chính đã đăng ký theo thuyết minh. Các mục tiêu cụ thể đã đạt được trong phạm vi đề tài bao gồm: (1) đã thực hiện tính toán, phân tích các đặc trưng động học và an toàn sự cố độ phản ứng của LPƯHNĐL bằng chương trình PARCS đồng thời tiến hành một số thực nghiệm để so sánh; và (2) đã xây dựng, nâng cao năng lực đội ngũ cán bộ nghiên cứu của Viện NLNTVN có khả năng tính toán, phân tích động học, an toàn sự cố độ phản ứng LPƯHNĐL và sử dụng thành thạo chương trình PARCS. Ngoài ra, trong phạm vi đề tài đã hỗ trợ đào tạo một sinh viên đại học (sinh viên Madeleine Gilly, trường ENSICAEN, Pháp) đến thực tập mô phỏng tính toán LPƯHNĐL sử dụng các chương trình Monte Carlo (Serpent, MNCP, SCALE/KENO) trong thời gian ba tháng (từ 6/5/2019 đến 2/8/2019) dưới sự hướng dẫn của chủ nhiệm đề tài. Các sản phẩm chính của đề tài đã đạt được bao gồm: 1 báo cáo tổng hợp; 2 báo cáo sản phẩm chính dạng II (1 Báo cáo về nội dung khoa học của chương trình PARCS; Báo cáo tổng hợp các kết quả tính toán, phân tích động học và an toàn sự cố độ phản ứng của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt với nhiên liệu độ làm giàu thấp bằng chương trình PARCS); các sản phẩm chính dạng III (1 bài báo tạp chí ISI - đã được Tạp chí Nuclear Science and Techniques chấp nhận đăng; 1 bài báo tạp chí trong nước - đã công bố; 2 báo cáo hội nghị chuyên ngành trong nước - đã báo cáo; 1 báo cáo hội nghị chuyên ngành quốc tế - đã báo cáo). Có thể thấy đề tài đã vượt mức yêu cầu 2 báo cáo hội nghị. Về tiến độ thực hiện của đề tài: vì năm 2019 LPƯHNĐL đang trong các đợt vận hành dài ngày để tăng cường sản xuất đồng vị phóng xạ nên nhóm thực hiện đề tài đã xin gia hạn thực hiện đề tài đến tháng 6/2020 để hoàn thành các nội dung thí nghiệm trên LPƯHNĐL thuộc Nội dung 5 trong những tháng đầu năm 2020. Tuy nhiên do đại dịch Covid-19 từ đầu năm 2020 nên tiến độ thực hiện nội dung này cùng các công việc liên quan đã có sự chậm trễ so với kế hoạch dự kiến và do đó đã phần nào ảnh hưởng đến tiến độ chung của đề tài, đặc biệt là các kết quả để có thể hoàn thành sản phẩm bài báo tạp chí quốc tế hạng ISI.
Có thể tìm đọc toàn văn báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 18855/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
Đ.T.V (NASATI)