Đang tải... (xem toàn văn)
CÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂNCÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TOÀN CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
CÁC HIỆN TƯỢNG LIÊN QUAN ĐẾN SỰ SÔI VÀ AN TỒN LỊ PHẢN ỨNG Tài liệu tham khảo dựa báo cáo nhiệm vụ “HỢP TÁC NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH, ĐÁNH GIÁ AN TỒN VÙNG HOẠT LỊ PHẢN ỨNG NĂNG LƯỢNG NƯỚC NHẸ TRONG CÁC ĐIỀU KIỆN CHUYỂN TIẾP VÀ SỰ CỐ” Mục lục Hiện tượng sơi lò phản ứng nước nhẹ Một số đặc trưng dòng hai pha 2.1 Các chế độ dòng 2.2 Bản đồ chế độ dòng hai pha 12 2.3 Các tiêu chuẩn chuyển tiếp chế độ dòng 12 1.3.1 Dòng bề 12 1.3.2 Dòng đoạn nhiệt 14 1.3.3 Các kênh dòng gia nhiệt 17 Trao đổi nhiệt sơi lò phản ứng nước nhẹ 21 3.1 Mơ hình sơi bể 22 3.1.1 Tạo nhân sôi bể 24 3.1.2 CHF mơ hình sôi bể 24 3.1.3 Chuyển tiếp sôi bể 24 3.1.4 Sôi màng bền tối thiểu 24 3.1.5 Sôi màng mơ hình sơi bể 25 3.1.6 Nhiệt độ sôi màng ổn định tối thiểu 26 3.2 Mơ hình sơi dòng 26 3.2.1 Sơi dòng tới hạn 26 3.2.2 Sơi dòng bão hòa 27 3.2.3 Thông lượng nhiệt tới hạn sơi dòng 28 3.2.4 Sơi dòng chuyển tiếp 31 3.2.5 Sơi dòng màng 32 Một số vấn đề an toàn LPƯ liên quan đến sôi 33 4.1 Thông lượng nhiệt tới hạn (CHF) sau tới hạn (Post-CHF) 33 4.1.1 Thông lượng nhiệt tới han 33 4.1.2 Thông lượng nhiệt sau tới hạn 34 4.2 Dòng tới hạn 36 4.3 Hiện tượng ngập lụt sau cố LOCA 41 4.4 Các bất ổn kênh dòng sơi 43 4.4.1 Các bất ổn tĩnh 45 4.4.2 Các bất ổn động 49 Kết luận 53 Hiện tượng sôi lò phản ứng nước nhẹ Hiện tượng sơi LPƯ làm mát nước ln gắn liền với q trình trao đổi nhiệt nhiên liệu chất làm mát, hay chất tải nhiệt với Trao đổi nhiệt sơi mơ hình vận hành trao đổi nhiệt lò BWR Trong số điều kiện giới hạn nghiêm ngặt lò PWR chuyển tiếp hay cố, q trình sơi xảy Ngồi ra, sơi xuất thiết bị bình sinh NMĐHN Sự sơi chiếm giữ vai trò quan trọng ứng dụng LPƯ, chi phối trực tiếp đến hiệu tính an tồn NMĐHN Hình 1-1 hệ thống làm mát lò BWR Với lò BWR, nước vùng hoạt phép sôi Khoảng 13% lượng nước làm mát vùng hoạt bốc thành [1] Hơi tách từ ẩm tách đặt phía vùng hoạt Sau đó, lượng lên vòm phía vỏ lò theo đường tới turbine phát điện Cuối cùng, ngưng tụ bơm trở lại vùng hoạt Hình 1-1 Hệ thống làm mát lò BWR [1] Đối với lò PWR, nước tải nhiệt không phép sôi vùng hoạt lò nhiệt độ cao khoảng 275 đến 315 0C Đó áp suất vùng hoạt trì mức cao, khoảng 15,5 MPa [1] Dòng chất tải đơn pha cho phép kiểm sốt LPƯ dễ dàng so với lò BWR hệ thống phải chụi áp lực lớn, dễ gây sai hỏng cho thiết bị hệ thống đường ống Một cố quan trọng LPƯ cố chất tải nhiệt (LOCA) Đặc biệt, lò PWR vận hành mức áp suất cao, nứt vỡ đường ống, chẳng hạn vỡ chân lạnh, có xác suất xảy lớn so với lò BWR Áp suất vùng hoạt bị làm nước tải nhiệt sôi Lượng nước tải nhiệt vùng hoạt sụt giảm mạnh dẫn đến giảm đáng kể khả tải nhiệt cho vùng hoạt LPƯ Khi đó, nước vùng hoạt bay liên tục, phần nhiên liệu không nhúng chìm nước làm mát bị nóng chảy gây nổ vùng hoạt LPƯ khơng kiểm sốt Ngồi ra, sơi xảy bình điều áp lò PWR Khi áp suất giảm, gia nhiệt bình điều áp gia nhiệt làm nước bình điều áp sơi, đưa áp suất điểm vận hành bình thường Dòng chất tải sơ cấp sau qua vùng hoạt, lấy nhiệt, trao đổi nhiệt với dòng chất tải thứ cấp bình sinh Hơi sinh q trình sơi xảy bình sinh dẫn đến turbine Quá trình miêu tả hình 1-2 Hình 1-2 Hệ thống làm mát lò PWR [1] Đối với LPƯ, tồn hai mơ hình sơi sơi dòng sơi bể Sơi dòng xảy trường hợp tồn dòng chất lỏng chuyển động Phần lớn sôi LPƯ xảy theo mơ hình sơi dòng Nước tải nhiệt vào vùng hoạt tác dụng bơm chất tải chính, qua kênh gia nhiệt nhiên liệu lấy nhiệt Do sơi vùng hoạt lò BWR mơ hình sơi dòng Đối với PWR, q trình sơi xảy vòng chất tải sơ cấp Nước tải nhiệt bơm vào bình sinh hơi, sơi turbine Đó mơ hình sơi dòng Mơ hình sơi bể xảy dòng chuyển động chất tải khơng tồn hay tốc độ di chuyển thấp Tức chất tải coi tĩnh bể chứa Điều xảy với LPƯ không gian hạn chế dòng chảy chất tải khơng giãn nhiên liệu, trường hợp cố, mà dòng chất tải khơng [2] Chẳng hạn cố LOCA, dòng chất tải vào vùng hoạt bị vị trí bị vỡ, nước từ ECCS phun vào vùng hoạt, q trình dập tắt xảy Khi đó, sơi xảy theo mơ hình sơi bể Đối với mơ hình sơi bể, q trình trao đổi nhiệt mặt gia nhiệt chất lỏng điều khiển chế tự nhiên Sự sôi LPƯ liên quan chặt chẽ đến vấn đề an toàn LPƯ Các bất ổn bao gồm thủy động trao đổi nhiệt sôi LPƯ yếu tố đe dọa đến tính an tồn LPƯ Sự sôi liên quan đến khả tải nhiệt chất tải, tính tới hạn LPƯ, tính nguyên ven nhiên liệu Sự sôi kéo theo biến đổi pha chất tải nhiệt LPƯ Khi đó, mật độ chất tải, tỷ phần hơi/lỏng thay đổi, làm cho q trình kiểm sốt tới hạn LPƯ trở lên phức tạp Sự biến thiên mật độ chất tải ảnh hưởng đến việc làm chậm notron LPƯ, ảnh hưởng đến tính tới hạn LPƯ Sự biến đổi pha, sinh làm giảm khả trao đổi nhiệt nhiên liệu chất tải Lượng sinh bao phủ mặt gia nhiệt, làm giảm mạnh khả trao đổi nhiệt nhiên liệu Khi đó, nhiệt độ nhiên liệu tăng cao, dẫn đến nóng chảy nhiên liệu Một số đặc trưng đặc biệt quan trọng liên quan đến sơi tính an tồn LPƯ, thơng lượng nhiệt tới hạn CHF, DNB, Dryout, v.v, [3] Thông lượng nhiệt tới hạn gây giảm mạnh khả trao đổi nhiệt chất tải nhiệt Giới hạn thiết kế nhiệt dẫn từ thông lượng nhiệt tới hạn biểu diễn dạng điều kiện vượt qua sôi nhân cho PWR điều kiện cơng suất tới hạn cho BWR Q trình trao đổi nhiệt nhiên liệu chất tải nhiệt tuân theo định luật trao đổi nhiệt đối lưu Newton sau: Tco Tb "' q" q R fo h hDco Trong đó, Tco Tb nhiệt độ chất tải nhiệt nhiệt độ khối cố định (tương ứng với nhiệt độ bề mặt vỏ nhiên liệu), Rfo Dco bán kính viên nhiên liệu đường kính thủy lực chất tải, q” q”’ thông lượng nhiệt tốc độ sinh lượng, h hệ số trao đổi nhiệt đối lưu Việc giảm khả trao đổi nhiệt nhiệt độ vỏ tăng Về mặt vật lý việc giảm xảy thay đổi mẫu dòng chất lỏng/ bề mặt gia nhiệt Lò PWR vận hành với điều kiện tỷ phần rỗng thấp bề mặt nhiên liệu làm mát theo mơ hình sơi nhân điều kiện vận hành bình thường Tuy nhiên, chế độ sôi vượt qua vùng sôi nhân xảy ra, dẫn đến chênh lệch nhiệt độ tăng, sinh nhiều hình thành lớp màng bề mặt gia nhiệt Lớp làm giảm mạnh khả truyền nhiệt từ nhiên liệu chất tải Đối với lò BWR vận hành điều kiện tỷ phần rỗng, bề mặt gia nhiệt làm mát màng chất lỏng Khi màng chất lỏng bị nhiệt xảy khô màng (Dryout), việc làm mát khơng tương xứng với sinh nhiệt gây nóng chảy nhiên liệu Hiện tượng Dryout phụ thuộc đáng kể vào điều kiện thủy động kênh dòng ngược điều kiện cục vị trí Dryout Do DNB điều kiện cục Dryout phụ thuộc vào lịch sử kênh dòng nên quan hệ diễn giải đồ họa cho DNB biểu diễn theo tỷ số thơng lượng nhiệt, cho Dryout biểu diễn theo tỷ số cơng suất Cơ chế giải thích cho tượng thông lượng nhiệt tới hạn hình 1-1 Các vị trí DNB Dryout miêu tả tương ứng với thông số tỷ phần rỗng cục kênh dòng Hình 1-1 Cơ chế thơng lượng nhiệt tới hạn cho điều kiện vận hành lò PWR BWR [3] Tỷ số thơng lượng nhiệt tương quan đốn trước thơng lượng nhiệt vận hành thực tế áp dụng cho lò PWR gọi tỷ số vượt qua sôi nhân, DNBR Tỷ số thay đổi chiều dài nhiên liệu đạt giá trị nhỏ vị trí thơng lượng nhiệt tới hạn Đối với lò BWR, điều kiện Dryout biểu diễn theo tỷ số công suất tới hạn CPR Giới hạn áp dụng cho điều kiện tới hạn đánh giá thông qua giá trị nhỏ DNBR (MDNBR) CPR (MCPR) [3,4] Dựa đặc trưng tượng sôi LPƯ, sơi xem xét theo hai khía cạnh thủy động trao đổi nhiệt Khía cạnh thủy động bao gồm biến đổi pha chế độ dòng chảy kênh dòng LPƯ Sự sơi liên quan đến dòng hai pha nước Các chế độ dòng chảy chuyển tiếp mẫu dòng có ý quan trọng, ảnh hưởng đến đặc trưng thủy động LPƯ Mẫu dòng chảy liên quan chặt chẽ đến chế độ trao đổi nhiệt nhiên liệu vào chất tải Với khía cạnh trao đổi nhiệt, chế trao đổi nhiệt tương ứng với hai mơ hình sơi bể sơi dòng trình bày chuyên đề Đặc biệt hai thơng số, thơng lượng nhiệt tốc độ dòng, trình bày chi tiết Bên cạnh đó, tượng đặc biệt liên quan đến sơi dòng tới hạn, bất ổn áp suất, mật độ, v.v, yếu tố ảnh hưởng đến vấn đề an toàn LPƯ Một số hậu nghiêm trọng liên quan đến sôi phá hủy, nóng chảy nhiên liệu, phát thải phóng xạ chất tải nhiệt môi trường Trong điều kiện vận hành, chuyển tiếp cố, sôi xảy ra, ảnh hưởng môi trường gồm nước hơi, q trình oxi hóa, hydrua hóa, ăn mòn, tương tác nhiên liệu – vỏ bọc, v.v, phát triển mạnh trường hợp khơng có mặt sôi Môi trường ẩm áp suất nhiệt độ cao môi trường lý tưởng để q trình hóa lý xung quanh nhiên liệu phát triển mạnh mẽ Điều có nghĩa rằng, mơi trường tồn sôi thường tiềm ẩn nhiều nguy gây an tồn khơng có sơi xảy Mặc dù ta biết rằng, thông lượng nhiệt LPƯ đạt giá trị tới hạn hiệu suất nhiệt cao q trình sơi lại dễ chuyển biến theo hướng bất lợi Điều trình bày chi tiết phần phía sau Một số đặc trưng dòng hai pha Như biết, sôi xảy ứng dụng LWR liên quan đến biến đổi pha nước Hơi sinh q trình sơi tạo thành dòng hai pha nước-hơi Dòng hai pha biến đổi liên tục, tức thời ngẫu nhiên, đặc biệt ứng dụng LPƯ nơi mà áp suất nhiệt độ cao, nên việc mơ tính tốn đáp ứng dòng phức tạp Do đó, việc định nghĩa mẫu dòng điều kiện vận hành cần thiết 2.1 Các chế độ dòng Dòng hai pha phân chia dựa tổ hợp hai pha cấu trúc mặt tiếp giáp chung pha Dựa hình học mặt tiếp giáp chung, dòng hai pha chia thành ba nhóm dòng phân tách, dòng chuyển tiếp pha trộn dòng phân tán Dòng hai pha phân tách dòng mà pha liên tục Dòng hai pha phân tán dòng mà pha gián đoạn, phân tán pha lại Dòng chuyển tiếp chuyển tiếp dòng tách biệt dòng phân tán Mỗi nhóm chia thành nhiều mẫu dòng khác liệt kê bảng 2-1 [5] Hình 2-1 mẫu dòng hai pha khí–nước thực tế kênh thẳng đứng Từ trái sang phải dòng bọt, dòng nút bọt, dòng nút, dòng rối khuấy dòng xuyến Đây chế độ dòng thường gặp mơ hình nghiên cứu thực nghiệm Chế độ dòng phụ thuộc vào định hướng kênh dòng gia nhiệt có Hình 2-1 Chế độ dòng kênh thẳng đứng [5] Bảng 2-1 Phân loại dòng hai pha [5] Dòng bọt: Hơi phân tán pha lỏng liên tục dạng bọt khí; phân tách ảnh hưởng rối chập bọt khí tượng liên quan đến việc xác định kích thước bọt khí Dòng nút: Nếu q trình chập bọt khí trội kích thước ống nhỏ, pha nhẹ hình thành bọt khí lớn với chỏm dạng cầu dị thường với đường kính tương đương với đường kính ống Các bọt gọi bọt Taylor Chất lỏng tạo thành dạng nút tách bọt khí chứa bọt khí nhỏ Màng chất lỏng tách bọt Taylor với thành chảy xuống dưới, tích lại thành khối chất lỏng bắt ngang ống Dòng khuấy: Các bọt khí có hình dạng dị thường bị phân mảnh so với nút khí chế độ dòng nút Dòng thể đáp ứng dao động Dòng xuyến mảnh – xuyến: Khi vận tốc đủ lớn có đủ moment để giọt nước lơ lửng đẩy chất lỏng lại gần thành, hình thành lên màng chất lỏng Hơi tập trung chủ yếu vùng tâm, giọt chất lỏng vào pha khí liên tục tạo việc cắt đỉnh màng sóng bao trùm bề mặt màng Các giọt chất lỏng tích tụ lại thành dạng xuyến mảnh màng xuyến khơng chứa bọt khí Trong ống thẳng đứng có gia nhiệt, chế độ dòng khơng thể đạt trạng thái dừng, phát triển đầy đủ mà biến đổi liên tục với việc tăng tỷ phần rỗng Hình 2-2 miêu tả tương quan chế độ dòng khác chế độ trao đổi nhiệt tương ứng Dưới nhiệt độ bão hòa Tsat, trình sơi nhân xảy hình thành vị trí tạo nhân bề mặt thành ống Bọt tạo trình lúc nhiều tạo thành dòng bọt Khi đạt nhiệt độ bão hòa, lượng bọt sinh đủ lớn, tượng kết hợp bọt khí phát triển mạnh, dòng từ chế độ dòng bọt chuyển dần sang dòng nút dòng xuyến Màng chất lỏng thành ống trở nên mỏng Ở nhiệt độ cao hơn, bay đối lưu cưỡng màng chất lỏng xảy trao đổi nhiệt dẫn đối lưu Khi thông lượng nhiệt đạt đến tới hạn, màng chất lỏng bay hoàn toàn tạo thành giọt lơ lưởng vào tâm ống Chế độ dòng giọt xảy Sau đó, tồn chất lỏng bị chuyển hết thành Đối với ống nằm ngang đoản nhiệt, chế độ dòng tương tự với ống thẳng đứng đoạn nhiệt (hình 2-3) Tuy nhiên phân bố hình học pha bị ảnh hưởng lực trọng trường gây bất đối xứng định Thực tế, dòng bọt, bọt có xu hướng tích tụ phần kênh dòng Dòng flug 10 Quan hệ biểu diễn hình 4-4 Hình 4-4 Thơng lượng khối tới hạn nghịch đảo với enthalpy áp suất trì trệ (Moody) [8] Mơ hình Fauske: Tương tự, với mơ hình này, thơng lượng khối tối đa đạo hàm moment dòng theo tỷ số trượt 0, 1/2 1 x V f xVg S Fauske v f / v g S Kết hợp với phương trình (3a) ta có: dv g 1 dx 1 x xS x xS 2S 2S x S v f 1 xS 2s v g G dP dP Hình 4-5 Thơng lượng khối tới hạn nghịch đảo với enthalpy áp suất trì trệ (Fauske) [8] 39 Quan hệ thể hình 4-5 Ta thấy, áp suất ngưng trệ cao thơng lượng khối cao với quality Với áp suất biết trước, thông lượng khối tới hạn tăng quality giảm Với dòng hai pha tới hạn đồng không cân bằng, tỷ lệ chiều dài đường kính dòng chảy (L/D) phải thỏa mãn ảnh hưởng ma sát tối thiểu Cân nhiệt động tái lập đường dòng dài đủ phép pha đạt đến cân Fauske định nghĩa ba khoảng cho tỷ lệ L/D 0-3, 3-12 12-40 (hình 4-6) Với < L/D < 3, đường dòng q ngắn để pha đạt cân bằng; với 12 < L/D < 40, đường dòng đủ dài để đạt đến cân pha Do vây, khoảng 0-3 dòng tới hạn thiết lập, với thơng lượng dòng là: G 0, 61 f P0 Pcr Với Pcr áp suất tới hạn Hình 4-6 Tỷ số áp suất tới hạn nghịch đảo với L/D (Fauske) [8] Hình 4-7 Thơng lượng khối tới hạn ngược với enthalpy áp suất ứ đọng (Henry) [8] 40 Henry-Fauske dẫn quan hệ cho dòng khối tới hạn hai pha với trường hợp dòng đồng bất cân dựa giả sử đẳng entropy Giả sử hợp lý cho đường dòng ngắn cho giảm áp ma sát lực trượt bỏ qua so với chênh lệch moment áp suất Quan hệ Henry cho áp suất enthalpy ứ đọng sử dụng cho chương trình RELAP4 GOTHIC hình 4-7 4.3 Hiện tượng ngập lụt sau cố LOCA Ngập lụt tượng xảy dòng chất lỏng tháo lực trọng trường ống thẳng đứng ngược với chuyển động xuống dòng khí ngược chiều hướng lên Hiện tượng bao trùm ảnh hưởng trượt dòng khí màng rơi xuống dạng sóng, theo giọt nhỏ lực trọng trường tác dụng lên chất lỏng tháo Như vậy, với tốc độ dòng khí thấp, chất lỏng tháo khơng rối loạn Tăng tốc độ dòng khí chất lỏng phép rơi xuống bắt đầu hình thành ứ đọng Đó điểm khỏi đầu ngập lụt (OF) Nếu tiếp tục tăng tốc độ dòng khí tốc độ dòng chất lỏng tháo xuống giảm liên tục chất lỏng tháo có dạng màng hình thành cách vượt qua thành Khi đó, điểm giới hạn dòng ngược chiều (CCFL) đạt được, vận tốc mặt pha lỏng giảm dần từ điểm OF đến điểm CCFL Nếu dòng khí tăng đến điểm ngập lụt giảm trở lại màng chất lỏng phục hồi lại thành dòng xuống, đảo chiều dòng xảy [8] Hiện tượng phù hợp với điều kiện vận hành LPƯ khác nhau, chẳng hạn suốt trình ngập lụt trở lại vùng hoạt BWR sau tai nạn LOCA xảy cách phun từ phía cao Trong điều kiện vậy, chất lỏng xuyên vào nhiên liệu nóng nhanh chóng bị bay tạo thành dòng ngược hơi, ngược chiều với dòng chất lỏng xả vào, làm chậm q trình tái ướt Sự có mặt nối có nhiều lỗ đỉnh bó nhiên liệu làm cho tượng trở nên phức tạp, tạo đường riêng rẽ cho dòng chất lỏng xuống dòng lên Một số trường hợp quan tâm khác LPƯ đường dâng áp bình điều áp tai nạn TMI2 dòng lên ngược dòng chất lỏng xuống hoặc, trình ngưng tụ ống bình sinh [8] Từ quan điểm định lượng, quan hệ phát triển để mô tả đường ngập lụt hình thành từ đường tiếp tuyến mơ hình thơng lượng 41 dịch vị trí tỷ phần rỗng khác (hình 4-6) Wallis đề xuất quan hệ theo dạng không thứ nguyên sau: jg*1/2 m jl* 1/2 C Trong đó, số m C phụ thuộc vào hình học hệ thống Các vận tốc không chiều Wallis liên quan đến số Froude biến đổi định nghĩa sau: * k j inertia or shear stress k jk2 gD l v net of weight and buoynacy force Một quan hệ tương tự liên quan đến số thứ nguyên Kutateladze, sử dụng chiều dài L thay cho đường kính D sau: Hình 4-8 Mơ tả đường ngập lụt [8] 1/2 L g l v Do ta có: Kuk jk k g l v 42 4.4 Các bất ổn kênh dòng sơi Hiện tượng bất ổn kênh dòng sơi vấn đề quan tâm thiết kế vận hành LPƯ Các dao động tốc độ dòng áp suất hệt hống khơng mong muốn chúng gây dao động học, vấn đề kiểm soát hệ thống, tạo rối loạn đặc trưng trao đổi nhiệt gây khủng hoảng sơi (CHF, DNB, burnout, dryout) Các dao động dòng lớn gây sai hỏng ống vỏ bọc tăng nhiệt độ thành ống hay mỏi nhiệt bắt nguồn từ biến đổi liên tục nhiệt độ thành ống Ứng suất nhiệt tác dụng lên thành ống vật liệu vỏ nhiên liệu bẻ gẫy nhiên liệu cách học dẫn đến cố nghiêm trọng cho LPƯ Bất ổn dòng đặc biệt quan trọng LPƯ làm mát nước phận sinh Vùng vận hành an toàn trao đổi nhiệt hai pha xác định giá trị ngưỡng bất ổn thông số hệ thông tốc độ dòng, áp suất, nhiệt độ thành lượng hỗn hợp Dòng đối tượng bất ổn động học có tương tác đủ lớn phản hồi trễ qn tính dòng khả nén hỗn hợp hai pha bắt nguồn từ nhiều phản hồi khác tốc độ dòng, giảm áp biến đổi mật độ kết tốc độ sinh kênh dòng sơi Dòng hai pha thường bất ổn định so với dòng đơn pha Đó đồng tồn nén với chất lỏng không nén khác biệt lớn mật độ chất lỏng Trong BWR, bất ổn dòng hai pha vùng hoạt vấn đề lớn Trong lò phản ứng sử dụng chu trình gián tiếp PWR, sơi xảy vòng thứ cấp bất ổn tập trung vòng thứ cấp Trong BWR, bên cạnh bất ổn thủy nhiệt, việc tương tác thay đổi mật độ chất làm chậm với biến đổi cơng suất lò phản ứng bất ổn phức tạp Các bất ổn phụ thuộc vào mức cơng suất kênh dòng, giảm áp phân tán giảm áp cục bộ, làm mát bão hòa lối vào điều kiện biên áp suất tác động lên kênh dòng sơi gia nhiệt Các bất ổn xảy có mặt dao động khuếch đại chênh lệch tốc độ dòng so với điểm vận hành Các bất ổn chia thành hai loại tĩnh động Bất bất ổn nguyên nhân khởi đầu cho cố xảy LPƯ 43 Nói chung có ba loại bất ổn sau (hình 4-9): - Các bất ổn hệ thống kiểm soát: Các bất ổn trục trặc phần cứng LPƯ Các chế kiểm soát phù hợp cung cấp gắn liền với loại bất ổn - Các bất ổn thủy động: Các bất ổn gây tự dao động dòng hai pha bắt nguồn từ ảnh hưởng sóng mật độ Các bất ổn chia thành bất ổn tĩnh động Hai loại bất ổn thường xảy trình khởi động LPƯ - Các bất ổn thủy động kết hợp với động học neutron: Các bất ổn gọi bất ổn độ phản ứng ảnh hưởng phản hồi công suất tỷ phần pha lên động học neutron thủy nhiệt Trong bất ổn thủy nhiệt có phản hồi dòng ảnh hưởng mật độ gây ra, bất ổn thủy động kết hợp động học neutron có thêm phản hồi cộng suất Hình 4-9 Các loại bất ổn dòng [14] 44 4.4.1 Các bất ổn tĩnh Bất ổn tĩnh đặc trưng chệch biên độ dòng lớn cách ngẫu nhiên so với điều kiện vận hành an toàn Cơ chế điều kiện ngưỡng sử dụng đặc trưng dừng hệ thống Giảm áp kênh dòng, sinh nhân, chuyển tiếp chế độ dòng đóng vai trò quan trọng trong, đặc trưng cho bất ổn dòng tĩnh Thơng lượng tới hạn giới hạn khả trao đổi nhiệt hệ thống sôi bị ảnh hưởng bất ổn tĩnh Bất ổn Ledinegg, bất ổn chuyển tiếp mẫu dòng, geysering, chugging nổ hơi, v.v, thuộc nhóm bất ổn tĩnh Bất ổn Ledginegg [1,8,11,12,13,14] Bất ổn Ledginegg đặc trưng việc giảm đột ngột tốc độ dòng xuống giá trị thấp nghịch đảo dòng Điều xảy độ dốc đường cong giảm áp - tốc độ dòng yêu cầu cho kênh dòng (đặc trưng nội kênh dòng) trở lên nhỏ so với độ dốc đường cong giảm áp – tốc độ dòng áp dụng cho hệ thống (đặc trưng bên ngồi kênh dòng) Đáp ứng tồn độ sụt áp giảm tốc độ dòng tăng Độ giảm áp tổng kênh dòng thường biểu diễn tổng giảm áp thủy tĩnh Δp el, giảm áp gia tốc Δp ac, giảm áp ma sát Δp f giảm áp cục vật cản spacer Δp loc [1]: p pel pac p f ploc (5a) Với dòng đơn pha chất lỏng hơi, biến đổi giảm áp vận tốc khối G (kg/m 2s) bị thay đổi tương tự với biến đổi tốc độ dòng khối hình học cố định Nếu nhiệt độ giữ cố định tăng tốc độ dòng làm giảm nhiệt độ trung bình tăng mật độ chất lỏng Nó tác động nhỏ đến Δpel Δpac Sự biến đổi giảm áp đáng kể kênh dòng đơn pha giảm áp ma sát bao gồm giảm áp cục gây thay đổi tỷ lệ với bình phương tốc độ dòng khối Hình 4-10 giảm áp dòng đơn pha chất lỏng bơm dạng hàm tốc độ dòng Cả hai có dạng parabol với độ dốc dương Với dòng hai pha, giả sử chất lỏng lối tới hạn chút Nếu tốc độ dòng lớn chất lỏng tồn hầu hết kênh dòng Nói cách khác, tốc độ dòng nhỏ trạng thái dòng hai pha biểu rõ từ 45 đỉnh kênh dòng Vì vậy, đường cong ứng với dòng hai pha tiệm cậm hai đường cong đơn pha vô Ở vùng giữa, phụ thuộc dạng parabol vào tốc độ dòng bị dịch chuyển Dưới điều kiện định, vùng đặc trưng giảm độ sụt áp tốc độ dòng tăng Đặc trưng nguồn bất ổn Hình 4-10 Giảm áp dòng hai pha [1] Trên hình 4-10, điểm O xem điểm bắt đầu Đường cong đặc trưng áp suất – tốc độ dòng bơm nói chung có độ chênh lệch âm Nếu chênh lệch đủ lớn đường a đường cong bơm giao với đường cong giảm áp, khơng có bất ổn xảy Nếu đường cong đặc trưng giống với đường cong b xuất ba điểm giao A, O B Nếu tốc độ dòng giảm nhẹ từ O trở kháng dòng vượt qua áp suất thủy tĩnh bơm tốc độ dòng giảm mạnh Điều kiện vận hành cuối nhảy tới điểm A Nếu tốc độ dòng tăng nhẹ từ điểm A, trạng thái nhảy tới điểm B Các biến đổi gián đoạn tốc độ dòng gọi trệch dòng Việc dịch phía tốc độ dòng thấp vấn đề đặc biệt đốt cháy gia nhiệt Đường cong c giới hạn đường cong b Đặc trưng lực dẫn hướng không đổi thay đổi tốc độ dòng khơng quan sát kênh dòng đơn Tuy nhiên, dòng gồm nhiều đường dòng song song vùng hoạt lò phản ứng, lực dẫn hướng cho kênh dòng đơn kênh cho bó nhiên liệu đáp ứng đường cong c Đó giảm áp đường dòng khơng xác định điều kiện cục mà còng điều kiện đường dòng khác Trong trường hợp này, tình đường dòng trạng thái điểm C, đường dòng khác điểm D Đó 46 phân bố dòng khơng Một trường hợp ngăn chứa phía lối vào kênh dòng tích trữ xả chất lỏng Dao động áp suất tốc độ dòng xảy tốc độ dòng lối vào giữ khơng đổi gọi dao động độ sụt áp Hiện tượng bất ổn gọi bất ổn Ledinegg Dựa công thức 5a, chế đặc trưng áp suất – tốc độ dòng âm biểu diễn sau: 1 x 2 p gdz G x dz 1 f f 2 f D g (5b) Nếu kênh gia nhiệt, vận tốc khối G tăng, tốc độ gia nhiệt không đổi quality giảm vị trí mật độ chất lỏng trung bình tăng Do giảm áp dương nên số hạng thứ 5b tăng theo tốc độ dòng khối G cách đơn điệu Số hạng thứ hai tương ứng với thành phần giảm áp gia tốc giảm áp ma sát giảm G tăng gây chênh lệch âm đường giảm áp Nếu sôi xảy từ lối vào quality biến đổi khắp nơi tỷ lệ nghịch với biến đổi G Các số hạng ngoặc gần phụ thuộc tuyến tính vào quality, chúng phụ thuộc vào 1/G Như vậy, số hạng thứ hai 5b tỷ lệ với G 2.1/G = G Tức với độ bão hòa chênh lệch âm đường cong áp sụt áp không quan sát Nếu độ bão hòa lối vào lớn số hạng thứ hai 5b giảm G tăng Do có phần lớn khơng sơi gần lối vào nên thay đổi nhỏ G gây thay đổi lớn chiều dài sôi quality lối Một tình xảy số hạng ngoặc giảm G tăng phụ thuộc mạnh vào 1/G Do điều kiện cho trường hợp là: d p / dG Đây điều kiện quan trọng cho bất ổn Ledinegg với trường hợp Các bất ổn chuyên tiếp chế độ dòng [14]: Nguyên nhân chủ yếu bất ổn đặc trưng giảm áp khác mẫu dòng Giả sử bất ổn xảy hệ thống vận hành gần điểm chuyển tiếp dòng nút dòng xuyến, nhiễu loạn nhỏ giảm 47 tốc độ dòng làm tăng tỷ phần pha gẩy a chuyên tiếp mẫu dòng sang dòng xuyến Dòng xuyến có độ sụt áp nhỏ so với dòng nút Điều làm tăng tốc độ dòng làm giảm tỷ phần Kết mẫu dòng lại chuyển dòng nút Đáp ứng dao động phần trễ gây gia tốc giảm tốc dòng chảy Về chất, điều kiện phù hợp mặt thủy động gây chuyển hướng khác Đó chế phục hồi riêng hình thành trình tuần hồn Nói chúng, q trình phục hồi đặc trưng biên độ hữu hạn giá trị ngưỡng Số liệu CHF áp suất thấp phụ thuộc mạnh vào có mặt mẫu dòng bất ổn vùng gia nhiệt Các ảnh hưởng phức hợp độ dài, nhiệt độ lối vào, vận tốc khối, áp suất lên CHF xuất liên quan đến dao động mạnh chế độ dòng nút Do chế độ dòng nút xem chuyển tiếp từ dòng bọt sang dòng xuyến Đặc biệt cho dòng đoản nhiệt áp suất thấp, tượng xem bất ổn chuyển tiếp mẫu dòng CHF miêu tả tượng thứ cấp sau Bất ổn tĩnh tổ hợp [1,13]: Bumping, geysering chugging liên quan đến tượng tĩnh, tạo trình lặp lặp lại khơng phải biến đổi tuần hồn Khi chu trình bất thường, chênh lệch dòng xem độc lập thủy động với chênh lệch dòng khác Geysering quan sát cột chất lỏng thẳng đứng với đầu kín gia nhiệt (hình 4-11) Khi thông lượng nhiệt đủ cao, sôi phần đáy Trong hệ thống áp suất thấp, thông lượng cao dẫn đến tăng đột ngột khả sinh giảm áp suất thủy tĩnh giải phóng từ kênh dòng Chất lỏng quay trở lại sau đó, điều kiện khơng sơi bão hòa phục hồi, chu trình bắt đầu trở lại Cơ chế luân phiên việc giải phóng xem vụ nổ Bất ổn đặc trưng xuất bất ngờ tăng nhanh pha chất lỏng nơi mà nhiệt cao thiết lập 48 Hình 4-11 Bất ổn Geysering Chugging tượng đặc trưng giải phóng chất tải nhiệt từ kênh dòng cách tuần hồn Sự giải phóng nằm khoảng từ biến đổi thời đơn giản tốc độ dòng lối vào lối đến việc đưa vào lượng lớn chất tải qua hai đầu kênh dòng Như với tất tượng trên, chu trình bao gồm trình ủ, sinh nhân, giải phóng quay trở lại chất lỏng Trong trường hợp đó, hai nút chất lỏng vào kênh dòng va chạm với dẫn đến chập pha 4.4.2 Các bất ổn động Bất ổn động gây tương tác động tốc độ dòng, giảm áp, tỷ phần hơi, v.v Cơ chế liên quan đến lan truyền nhiễu loạn sóng áp suất sóng rỗng hay sóng mật độ Biên ổn định loại bất ổn đượcc hỉ dựa đáp ứng động học hay đặc trưng chuyển tiếp hệ thống Các dao động sóng mật độ, bất ổn kênh dòng song song, dao động giảm áp, v.v, thuộc lớp bất ổn Dao động sóng mật độ (DWO) [1,11,12,13,14]: Dao động sóng mật độ đóng góp nhiều phản hồi tái sinh tốc độ dòng, tốc độ sinh hơi, sụt áp Dưới điều kiện định, phản hồi bị lệch pha 1800 với nhiễu loạn gây dao động tự trì Nói chung, dao động sóng mật độ tượng liên quan đến khả nén pha kênh dòng sơi, xảy kênh dòng có đặc trưng áp suất – tốc độ dòng dương có dạng dao động điều hòa Bất ổn xảy nhiều LPƯ thương mại Bất ổn sóng mật độ loại bất ổn dòng hai pha phổ biến chịu ảnh hưởng thơng số dòng chiều dài kênh dong, cản trở lối vào 49 lối dòng ma sát, tỷ số tắt kênh dòng song song, áp suất hệ thống, mức độ bão hòa lối vào, vận tốc khối công suất, thông lượng nhiệt Cơ chế bất ổn sau: Chia kênh dòng sơi thành nhiều phần hiển thị giảm áp phụ thuộc thời gian cho phần hình 4-12 Giảm áp tổng thời điểm tổng giảm áp Giả sử tốc độ dòng lối vào biến đổi tuần hồn số lý Vì đặc trưng áp suất – tốc độ dòng kênh dòng dương nên giảm áp tưng phần thay đổi theo tốc độ dòng cục Trong dòng đơn pha lỏng, sóng áp suất lan truyền xi dòng khơng bị trễ Tuy nhiên, kênh dòng sơi, tính nén pha ngăn lan truyền dao động Áp suất cục phần xi dòng kèm theo trễ phản ứng lại thay đổi tốc độ dòng Xét trường hợp biên độ biến đổi áp suất mở rộng lan truyền xi dòng Giảm áp phần xi dòng có dịch pha đóng góp nhiều vào sụt áp tổng cộng Sự phụ thuộc vào tần số biến đổi lối vào, sụt áp tổng đặc trưng trở kháng dòng âm Nó nhỏ tốc độ dòng lối vào lớn lớn dòng lối vào nhỏ Trong kênh dòng sôi gồm nhiều kênh phụ song song, sụt áp tổng xác định cân toàn hệ thống Vì vậy, điều kiện cho kênh dòng phụ dòng ngược từ lối xuất từ kênh phụ khác Hình 4-12 Dao động sóng mật độ [1] 50 Hình 4-12 Mặt phẳng Ishii-Zuber [8] Dao động sóng mật độ tương tự bất ổn Ledinegg bất ổn động Giới hạn bất ổn phương pháp phân tích số học thơng qua mặt phẳng Ishii-Zuber Các vùng bất ổn Ledinegg DWO xác định rõ đồ Mặt phẳng Ishii-Zuber sử dụng tọa độ sau: Số biến đổi pha: N pch Số subcooling: N sub Q& vlv , sat Whlv , sat vl , sat hl ,sat hin vlv ,sat hlv , sat vl ,sat Đường Nsub = N pch tương ứng với Q& W hl ,sat hin điểm mà quality cân lối Bất ổn động học tổ hợp [13,14] Dao động nhiệt: Dao động xuất gắn liền với đáp ứng nhiệt thành gia nhiệt sau q trình sơi màng Dòng dao động sôi màng sôi chuyển tiếp dẫn đến dao động nhiệt độ thành với biên độ cao thông lượng nhiệt không đổi Tương tác dao động nhiệt dao động sóng mật độ tần số cao làm nhiễu loạn gây bất ổn cho sôi màng Các dao động nhiệt xem đặc trưng đặn khô màng hỗn hợp áp suất cao Trong lò BWR, bất ổn nhiệt động học phức tạp có phản hồi thơng qua mối liên hệ hiệu ứng rỗng công suất Ảnh hưởng phản hồi 51 trội số thời gian dao động thủy động tương đương với số thời gian dao động nhiên liệu Bất ổn kênh dòng song song: Dao động dòng quan sát ống thủy tinh gia nhiệt thường lệch pha 1800 Trong vùng ổn định, vùng kiểm tra bắt đầy dao động pha với dao động dòng biên độ lớn Sự dịch pha dao động dòng tương đối khác ống khác Thỉnh thoảng dao động dòng hai ống pha dao động dòng ba ống lại dịch pha 1200 1800 Biên độ dao động đồng pha khác Thỉnh thoảng dịch pha ống riêng rẽ xảy mà không rõ lý Dao động sụt áp: Các dao động xảy hệ thống tích nén ngược dòng bên phần gia nhiệt hệ thống vận hành vùng mà độ dốc đường cong giảm áp – tốc độ dòng âm 52 Kết luận Hiện tượng sôi tượng phức tạp quan trọng an toàn LPƯ Sự chuyển pha trình sơi dẫn đến thay đổi hàng loạt thơng số dòng hai pha liên quan đến đáp ứng LPƯ Dòng hai pha gắn liền với q trình sơi đặc trưng chế độ dòng, chuyển tiếp mẫu dòng đồ chế độ dòng Mẫu dòng chuyển tiếp mẫu dòng biến đổi theo điều kiện vận hành hệ thống Sự biến đổi ảnh hưởng trực tiếp đến chế độ trao đổi nhiệt kênh dòng Trao đổi nhiệt xảy LPƯ nhiên liệu chất làm mát, nước sơ cấp thứ cấp bình sinh Điều kiện sôi đưa theo quan hệ cân lực tương tác Các thông số quan trọng thông lượng nhiệt, hệ số trao đổi nhiệt tương ứng với mơ hình sơi bể sơi dòng xác định cho chế độ trao đổi nhiệt từ sôi nhân đến sôi màng Đặc biệt thông lượng nhiệt tới hạn CHF hay DNB Đây thông số đặc biệt quan trọng liên quan đến an toàn LPƯ Ngoài ra, số tượng đặc biệt liên quan đến q trình sơi dòng tới hạn, bất ổn Ledinegg, bất ổn sóng mật độ, v.v, có mặt nén chất lỏng không nén liên quan đến công suất áp suất LPƯ, có ảnh hưởng lớn đến vấn đề an tồn LPƯ trình bày chi tiết tài liệu 53 ... khiển chế tự nhiên Sự sôi LPƯ liên quan chặt chẽ đến vấn đề an tồn LPƯ Các bất ổn bao gồm thủy động trao đổi nhiệt sôi LPƯ yếu tố đe dọa đến tính an tồn LPƯ Sự sơi liên quan đến khả tải nhiệt... nhiệt sôi cho giai đoạn mơ hình sơi bao gồm thơng lượng nhiệt hệ số trao đổi nhiệt thảo luận chi tiết sau [1,2,3,9] 23 3.1.1 Tạo nhân sôi bể Quan hệ cho tạo nhân sôi bể biểu diễn theo quan hệ... nhiệt độ Cơ chế sôi nhân sôi màng tồn nhiệt độ không đủ cao để sôi màng chế trội Do tính phức tạ chế sơi chuyển tiếp nên khơng có quan hệ cách tin cậy thơng lượng nhiệt thành Hầu hết quan hệ sử dụng