Lời cảm ơn
Trong thời gian làm luận văn, em đã nhận được nhiều sự  giúp đỡ, quan  
tâm từ  các thầy cô, gia đình và bạn bè. Qua đây, em xin gửi lời cảm  ơn chân  
thành và sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS. Lê Chí Dũng (Hội đồng An toàn hạt  
nhân quốc gia, nguyên Cục phó Cục An toàn bức xạ và hạt nhân) đã tận tình giúp  
em hoàn thành luận văn này.
Em xin được cảm  ơn Th.S Nguyễn An Trung, Th.S Trần Thị  Trang, Th.S  
Nguyễn Hoàng Anh, Th.S Trương Công Thắng và các anh chị trong phòng an toàn  
hạt nhân (Cục an toàn và bức xạ hạt nhân) đã giúp đỡ em trong quá trình em làm  
luận văn ở phòng.
Em cũng xin chân thành cảm  ơn sự  quan tâm, giúp đỡ  của các thầy cô  
trong bộ  môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý, trường Đại học Khoa học tự  nhiên  
(Đại học Quốc gia Hà Nội) đã đạy dỗ  và động viên em trong suốt thời gian em  
học tập tại trường.
Tác giả


MỤC LỤC


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
ACC (Accumulators): Bế tích nước cao áp
ADS (Automatic Depressurization System): Hệ thống giảm áp tự động.
DVI (Direct Vessel Injection): Đường dẫn nước trực tiếp vào thùng lò
IRWRT (In­Containment Refueling Water Storage Tank): Bể trữ nước thay đảo 
nhiên liệu boong­ke lò.
LOCA (SmallLoss Of Coolant Accident): Sự cố mất nước làm mát nhỏ
PRHR (Passive Residual Heat Removal): Hệ thống tải nhiệt dư thụ động PXS 
(Passive core Cooling System): Hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động.
PWR (Pressurized Water Reactor): Lò phản ứng nước áp lực.
RCS (Reactor Cooling System): Hệ thống làm mát lò phản ứng.

TMI­2 (ThreeMiles Island – 2): Tổ máy thứ 2 nhà máy điện hạt nhân Three Miles 
Island.
U.S NRC (United States Nuclear Regulatory Commission): Ủy ban pháp quy hạt 
nhân Hoa Kỳ


DANH MỤC BẢNG BIỂU


DANH MỤC HÌNH VẼ


MỞ ĐẦU
Do nhu cầu điện năng tăng cao, năm 2009, Quốc hội đã phê duyệt chủ 
trương xây dựng hai nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở  nước ta,  ở  Ninh Thuận,  
theo công nghệ do Liên bang Nga (gọi là Ninh Thuận 1) và Nhật Bản (gọi là Ninh  
Thuận 2) đề  xuất. Dự  kiến công nghệ  đề  xuất cho Ninh Thuận 2 có thể  là  
AP1000. Vì vậy, Luận văn này đã chọn một nội dung nghiên cứu liên quan đến 
AP1000.
AP1000 là lò phản ứng hạt nhân thuộc loại PWR (lò nước áp lực) của Tập 
đoàn Westinghouse.Đây là loại lò có nhiều cải tiến theo hướng an toàn thụ động 
(Advanced Passive)có mức độ  an toàn cao. AP1000 có bình điều áp với thể  tích 
gần gấp đôi các loại lò cùng công suất. 
Nhà máy điện hạt nhân là loại hình sử dụng năng lượng với hiệu suất cao,  
nhưng khi tai nạn xảy ra thì thiệt hại vô cùng lớn, nên vấn đề an toàn luôn được  
đặt lên hàng đầu. Bất cứ cải tiến nào cũng yêu cầu phải có sự chú ý nghiên cứu  
phù hợp. Vì vậy, Luận văn này đề xuất nghiên cứu về bình điều áp và sự cố bình  
điều áp có thể  xảy ra đối với lò phản  ứng AP1000. Sự  cố được mô phỏng tính 
toán bằng phần mềm RELAP5 – một phần mềm được sử  dụng tương đối phổ 
cập hiện nay trong tính toán an toàn nhà máy điện hạt nhân nói chung, cũng như 

được sử  dụng để  mô phỏng các sự  cố  giả  định đối với các bộ  phận, hệ  thống 
của nhà máy điện hạt nhân nói riêng. 
Do vấn đề an toàn của nhà máy điện hạt nhân được xem xét chủ yếu trên  
cơ sở phân tích các sự cố giả  định của lò phản ứng hạt nhân. Vì vậy, dưới đây, 
trong luận văn này, tác giả sẽ dùng cụm từ “nhà máy điện hạt nhân AP1000” với  
cùng ý nghĩa như cụm từ “lò phản ứng hạt nhân AP1000”.

6


1. CHƯƠNG 1. LÒ PHẢN ỨNG AP1000, BÌNH ĐIỀU ÁP
1.1.

Giới thiệu về lò phản ứng AP1000

1.1.1. Giới thiệu chung
Lò phản  ứng hạt nhân AP1000 có công suất 1117 MWe, trong luận văn 
này, tác giả  thống nhất gọi tắt là AP1000. Dựa trên 20 năm nghiên cứu và phát  
triển, AP1000 được xây dựng và cải tiến dựa trên các công nghệ đã có từ các bộ 
phận đang được sử  dụng trong các thiết kế  của Westinghouse. Bao gồm bình  
sinh hơi, bình điều áp, thiết bị điều khiển – đo đạc, nhiên liệu và thùng lò được 
sử dụng rộng rãi trên toàn thế  giới và được kiểm chứng qua nhiều năm với độ 
tin cậy cao khi vận hành. Các thành phần chính của AP1000 được giới thiệu  ở 
Hình 1.1
AP1000 thiết kế hướng tới sự an toàn cao và hiệu suất tối  ưu. Hệ thống  
an toàn được thụ  động hóa bằng việc sử dụng các lực tự  nhiên: Áp suất, trọng 
lực và đối lưu. Bên cạnh đó các tác động điều hành phức tạp để điều khiển sự 
an toàn được giảm thiểu.
Vùng hoạt AP1000 bao gồm 157 bó nhiên liệu, chiều dài 4.3 m, sắp xếp  
theo mảng 17 17. Vùng hoạt AP1000 gồm ba lớp xuyên tâm có độ  giàu khác  

nhau; độ  giàu của nhiên liệu theo dải từ  2.35 đến 4,8%. Thiết kế    một chu kỳ 
nhiên liệu của vùng hoạt là 18 tháng với  yếu tố  công suất là 93%, tốc độ  trung 
bình lớp phát ra cao cỡ 60000 MWD/t, các thông số chính của AP1000 được chỉ ra  
ở Bảng 1.1. 
Bảng 1. Các thông số chính của lò AP1000
Thông số
Công suất điện, MWe
Công suất nhiệt, MWt
Áp suất vận hành lò phản ứng, MPa
Nhiệt độ chân nóng, °C (°F)
Số bó nhiên liệu
Kiểu bó nhiên liệu

7

AP1000
1117
3400
15.5
321 (610)
157
17x17


Chiều dài hoạt động thanh nhiên liệu, m (ft)
Hệ số tuyến tính nhiệt, kw / ft
3
3
Lưu lượng nhiệt thùng lò 10m /h(10 gpm)
2 2

Diện tích bề mặt máy tạo hơi nước, m (Ft )
3
3
Thể tích bình điều áp, m   (Ft  )

4.3 (14)
5.71
68,1 (300)
11.600 
(125.000)
59,5 (2100)

Hình 1.Nhà máy điện hạt nhân AP1000
Thùng lò: Thùng lò hình trụ, đầu trên và dưới hình bán cầu, có mặt bích và 
có thể  tháo rời phục vụ  cho việc sửa chữa bên trong hoặc thay đảo nhiên liệu. 
Thùng lò chứa vùng hoạt, kết cấu đỡ vùng hoạt, thanh điều khiển và các bộ phận  
khác trực tiếp liên quan đến vùng hoạt. Thùng lò còn có các chi tiết bên trong lò 
phản  ứng, cụm đầu tích hợp (head packager), đường  ống và được đỡ  trên cấu  
trúc bê tông tòa nhà lò.
Thùng lò có lối vào (chân lạnh) và lối ra (chân nóng) đặt tại 2 bề mặt ngang 
giữa mặt bích và đỉnh của vùng hoạt. Chân lạnh được đặt trong thùng lò nhằm 
cung cấp vận tốc dòng ngang đủ lớn cho lối ra và tạo điều kiện tối ưu cho thiết  
bị  hệ  thống tải nhiệt lò phản  ứng. Chân nóng và chân lạnh được sắp xếp lệch 
nhau, chất tải nhiệt vào thùng thông qua chân lạnh và chảy xuống phía dưới vùng  
hoạt (downcomer), rẽ ở đáy và chảy lên qua vùng hoạt đến chân nóng.
Bình sinh hơi: Có hai cái bình sinh hơi kiểu Delta­125 được sử  dụng trong  
AP1000. Dựa trên thiết kế đã được chứng minh và qua sự cải tiến, bình sinh hơi 
có thiết kế  đáng tin cậy cao, hoạt động trên cả  quá trình xử  lý bay hơi hóa học 
của vùng nước thứ cấp. 
Thiết kế  cải tiến của bình sinh hơi bao gồm sự  mở  rộng của các đường 

ống, đường  ống được làm từ  hợp kim nhiệt 690 niken, cờ  rôm, sắt chứa trong  
các tấm bảng đục lỗ, cải thiện thanh chống rung, nâng cấp máy chia độ  ẩm sơ 

8


cấp và thứ  cấp, nâng cao tính năng bảo trì và thiết kế  một đầu kênh sơ  cấp để 
truy cập dễ  dàng và bảo trì bởi công cụ  máy móc. Tất cả  các đường  ống trong  
bình sinh hơi có thể sử dụng ống lót trong khi cần thiết.
Bơm nước làm mát: Có sự  quán tính cao, đáng tin cậy, hoạt động ổn định, 
động cơ máy bơm được bao kín do đó chu trình nước làm mát chỉ xuyên qua vùng 
hoạt, đường ống và bình sinh hơi. Kích thước động cơ giảm thiểu qua việc dùng 
biến điều khiển tốc độ để làm giảm yêu cầu động cơ nguồn. Hai máy bơm gắn 
trực tiếp vào đầu kênh của mỗi bình sinh hơi. Cấu hình này nhằm tối thiểu sự 
giảm áp; đơn giản hoá các nền tảng và hỗ  trợ  của hệ  thống cho bình sinh hơi,  
máy bơm và đường  ống; và giảm các khả  năng rò rì vùng hoạt trong sự cố  mất  
nước làm mát nhỏ  LOCA (SmallLoss Of Coolant Accident). Máy bơm nước làm 
mát không có hệ thống dự  báo, loại bỏ  các khả  năng dự  báo LOCA sai, điều đó 
có ý nghĩa nâng cao sự an toàn và giảm bảo trì máy bơm. Máy bơm dùng một loại 
bánh xe (flywheel) làm tăng  quán tính quay để đảm bảo khi mất điện máy hơm  
vẫn có thể tự quay thêm một thời gian nữa.
Đường ống nước làm mát chính: Đường ống của hệ thống nước làm mát lò 
phản  ứng RCS được cấu hình từ  hai hệ  thống đơn giống hệt nhau, mỗi cái sử 
dụng một chân nóng có đường kính trong 790 mm (31­inch)  để vận chuyển nước  
làm mát lò phản ứng đến bình sinh hơi. Cả hai vòi của máy bơm nước làm mát lò  
phản  ứng được hàn trực tiếp đến các kênh lối ra  ở  đáy của bình sinh hơi. Hai  
ống chân lạnh có đường kính trong 560 mm (22­inch) trong mỗi hệ  thống đơn  
vận chuyển nước làm mát lò phản ứng trở lại thùng lò phản ứng để  hoàn thiện  
một vòng kín.
Máy bơm nước làm mát gắn trực tiếp vào đầu kênh của mỗi bình sinh hơi 

cho phép máy bơm và bình sinh hơi có thể  dùng cấu trúc hỗ  trợ  giống nhau, hệ 
thống hỗ  trợ  rất đơn giản và cung cấp nhiều không gian hơn cho quá trình bảo  
trì. Đầu kênh bình sinh hơi chỉ  có một khối với sự  chế  tạo và kiểm tra lợi thế 
hơn hệ thống đa mảnh hợp thành mối hàn. Sự kết hợp của đầu hút máy bơm vào  

9


đáy dưới của đầu kênh bình sinh hơi loại bỏ  sự  chéo ngang qua các chân lạnh,  
như vậy tránh các khả năng rò rỉ vùng hoạt trong sự cố mất nước làm mát nhỏ.
Dễ  thấy, cách sắp xếp tập trung của RCS cũng cung cấp những lợi ích  
khác: Hai dòng chân lạnh của hai hệ thống đơn giống hệt nhau (ngoại trừ thiết bị 
đo đạc và các dòng kết nối nhỏ) bao gồm các khúc uốn cong có độ dẻo để cung 
cấp một hướng dòng chảy có sự cản trở thấp để chịu được sự dãn nở khác nhau  
giữa các ống kênh nóng và lạnh; Các đường ống được tôi luyện trước sau đó uốn 
cong, điều đó sẽ  làm giảm chi phí và các yêu cầu kiểm tra khi đang vận hành.  
Cấu hình hệ thống đơn và sự lựa chọn vật liệu đường ống phải có sự  uốn cong 
đủ  thấp để  cho chu trình sơ  cấp và các đường  ống phụ  lớn đáp  ứng được yêu 
cầu rò rĩ trước khi vỡ (leak­before­break).
1.1.2. Hệ thống tải nhiệt
Hệ thống tải nhiệt AP1000 bao gồm hai hệ thống đơn, mỗi hệ thống đơn  
có một chân nóng và hai chân lạnh, bình sinh hơi, hai máy hơm nước đặt ở chân 
lạnh của bình sinh hơi và chỉ một bình điều áp cho cả hai hệ thống đơn.
Hệ  thống làm mát vùng hoạt thụ  động PXS đảm bảo quá trình làm mát  
vùng hoạt khi xảy ra những sự cố. PXS tải nhiệt dư từ vùng hoạt, bơm nước cấp  
cứu và giảm áp suất mà không cần dùng một thiết bị tác động nào như máy bơm  
hay nguồn điện. PXS dùng 3 nguồn nước để  làm mát vùng hoạt là bể  bù nước 
vùng hoạt CMT, bể tích nước cao áp ACC và bể  tích nước thay đảo nhiên liệu 
IRWST.
Hệ  thống CMT thay thế  hệ  thống phun an toàn áp suất cao HPSI (High 

Pressure   Safety   Injection)   của   những   loại   lò   phản   ứng   hạt   nhân   PWR   thông 
thường. CMT cung cấp nước trộn với axit boric dưới áp suất cao và dẫn dung  
dịch axit boric theo hai đường song song. CMT được thiết kế để hoạt động dưới 
mọi áp suất của hệ thống sơ cấp nhờ sự tác động của trọng lực do được đặt cao  
hơn những đường ống của hệ thống làm mát lò phản ứng RCS. Một đường điều  
chỉnh áp suất nối chân lạnh với đỉnh của CMT và đường  ống ra kết nối phần 

10


dưới của CMT qua đường dẫn nước trực tiếp vào thùng lò DVI (Direct Vessel 
Injection). 
ACC của AP1000 giống như ACC của những lò phản ứng hạt nhân PWR 
thông thường. ACC có dạng hình cầu chứa ¾ nước lạnh có axit boric và chịu áp  
suất nén bởi khí nitơ. Đường  ống ra của ACC được kết nối với hệ  thống DVI.  
Một cặp van kiểm tra (check valves) ngăn chặn nước trong ACC khi vận hành  
bình thường. Khi áp suất giảm xuống dưới áp suất của ACC (cộng với áp suất 
của van kiểm tra), nước sẽ được đưa vào phần dưới của vùng hoạt ­ downcomer  
qua DVI.
Hình 1. Hệ thống làm mát lò phản ứng AP1000
PXS còn có hệ thống tải nhiệt dư thụ động, được thiết kế để tải nhiệt dư 
của RCS trong quá trình sự  cố. PRHR nằm trong IRWST  ở chiều cao trên vùng  
hoạt. Đường ống dẫn vào của PRHR được kết nối với một chân nóng trong khi 
đó đường ống ra được kết nối với đầu ra của một trong hai bình sinh hơi. Đường 
ống vào được mở  với áp suất như  của RCS,  đường ống ra thường bị  đóng bởi  
hai van cô lập song song để thỏa mãi tiêu chí “sai hỏng đơn”. Trong quá trình vận  
hành bình thường, nước trong đường  ống của PRHR cân bằng với IRWST. Khi 
tín hiệu bơm an toàn SI (Safety Injection) được kích hoạt sau một sự cố, những  
van cô lập trên sẽ mở và do đó nhiệt dư của RCS sẽ được truyền đi theo cơ chế 
đối lưu tự  nhiên. Để  gia tăng sự  đối lưu tự  nhiên, máy bơm sẽ  bị  ngắt khi tín  

hiệu SI khởi động.
Hệ  thống nước làm mát thụ  động boong­ke lò PCS, tải nhiệt đối lưu tự 
nhiên   qua   bể   tích   nước   làm   mát   boong­ke   lò   thụ   động   PCCWST   (Passive  
Containment Cooling Water Storage Tank) bằng trọng lực. Nó tải nhiệt qua hệ 
thống bồn nhiệt cuối cùng UHS (Ultimate Heat Sink) trong trường hợp áp suất 
của boong­ke lò gia tăng quá cao.

11


1.1.3. Hệ thống an toàn
Hệ  thống an toàn của AP1000 bao gồm bơm an toàn thụ  động, loại bỏ 
nhiệt dư thụ động và làm mát boong­ke lò thụ động. Tất cả những hệ thống thụ 
động đáp  ứng tiêu chuẩn của  Ủy ban pháp quy hạt nhân Hoa Kỳ  (U.S NRC) và  
các tiêu chuẩn gần đây khác. Hệ thống được thụ  động và sử  dụng những thành 
phần đã được kiểm chứng, đơn giản hóa toàn bộ  hệ  thống nhà máy, thiết bị,  
hoạt động và bảo trì. Sự  đơn giản hóa hệ  thống nhà máy làm giảm nhiều tác 
động phụ thuộc vào sự điều hành khi gặp sự cố. Hệ thống thụ động chỉ dùng lực  
tự nhiên như là lực hấp dẫn, lưu thông tự nhiên và nén khí – đây là những nguyên 
tắc vật lý đơn giản chúng ta tin cậy hàng ngày. Không có máy bơm, quạt, động  
cơ  diesel, máy làm lạnh, hoặc máy móc làm quay nào khác trong hệ  thống an 
toàn. Điều này loại bỏ các nhu cầu cho hệ thống an toàn cần tới nguồn điện xoay  
chiều. Một vài van đơn giản liên kết hệ  thống an toàn thụ  động, khi đó các van 
được khởi động một cách tự  động. Trường hợp đặc biệt, những van này bị  "lỗi 
an toàn". Chúng cần năng lượng để  trở  lại trạng thái bình thường. Trong tất cả 
trường hợp, sự vận động của các van này là sử dụng năng lượng lưu trữ từ lò xo, 
nén khí hoặc pin.
Thiết kế của AP1000 cung cấp nhiều mức bảo vệ trong việc giảm nhẹ tai  
nạn (bảo vệ chiều sâu), kết quả là xác suất hư hại vùng hoạt vô cùng thấp trong  
khi giảm thiểu sự  cố. Bảo vệ  chiều sâu được thiết kế  cho toàn bộ  nhà máy 

AP1000, với vô số tính năng riêng có khả năng cung cấp một số mức độ bảo vệ 
an toàn của nhà máy. Có sáu khía cạnh của thiết kế  AP1000 góp phần bảo vệ 
chiều sâu:

Hình 1. Hệ thống an toàn thụ động
Ổn định hoạt động: Trong hoạt động bình thường, mức căn bản nhất của 
bảo vệ chiều sâu đảm bảo rằng nhà máy có thể được hoạt động ổn định và đáng 
tin cậy. Điều này đạt được qua sự lựa chọn vật liệu, qua sự bảo đảm chất lượng 

12


trong khi thiết kế và xây dựng, qua sự đào tạo tốt người điều hành, qua hệ thống 
điều khiển tiên tiến và thiết kế nhà máy, cung cấp gia số đáng kể cho hoạt động  
của nhà máy trước khi tiếp cận giới hạn an toàn.
Ngăn chặn bức xạ: Một trong những khía cạnh quan trọng nhất để  nhận  
diện bảo vệ chiều sâu là bảo vệ an toàn môi trường qua việc ngăn chặn bức xạ 
từ  nhà máy. Các tia bức xạ  được ngăn chặn trực tiếp bởi các lớp bảo vệ  này  
gồm vỏ nhiên liệu, thùng lò, boong­ke lò và nhà lò.
Hệ thống an toàn, hệ thống liên quan an toàn thụ động:Được thiết lập đầy  
đủ  tính tự  động và duy trì làm mát vùng hoạt và toàn bộ  boong­ke lò trong một  
giai đoạn không giới hạn thời gian. Sau đó thiết kế  các sự  kiện cơ  sở  giả  định 
hạn chế nhất các lỗi đơn, không cần tác động điều hành và không cần sử  dụng  
nguồn điện.
Đa dạng trong hệ  thống an toàn, hệ  thống liên quan an toàn:Mức bảo vệ 
bổ sung được cung cấp qua các chức năng giảm nhẹ khác nhau. Điều này tồn tại 
đa dạng, ví dụ  như  chức năng loại bỏ  nhiệt dư. Trong trường hợp có nhiều lỗi  
của hệ thống loại bỏ nhiệt dư, bảo vệ chiều sâu được cung cấp bởi sự bơm an  
toàn thụ  động và chức năng tự  động giảm áp của hệ  thống làm mát vùng hoạt  
thụ động.

Hư  hại vùng hoạt:Thiết kế  AP1000 cung cấp hoạt động điều khiển với 
khả  năng đưa nước vào lò phản  ứng trong các sụ  kiện mà vùng hoạt bị  rò rỉ  và  
nóng chảy. Điều này ngăn ngừa hư hại thùng lò và tiếp theo là sự di chuyển các  
mảnh vỡ  nóng chảy vùng hoạt vào boong­ke lò. Ngăn chặn các mảnh vụn trong  
thùng lò làm giảm đáng kể  sai số  khi đánh giá hư  hại boong­ke lò và phóng xạ 
vào môi trường.
Hình 1. So sánh tần số nóng chảy vùng hoạt
Tính năng bảo vệ  theo chiều sâu của AP1000 nâng cao sự  an toàn nên  
không có sự  phóng xạ  nghiêm trọng từ  sản phẩm phân hạch, được dự  đoán tới  

13


lúc xảy ra từ trạng thái ban đầu nguyên vẹn của boong­ke lò vào khoảng hơn 100  
giờ sau sự công kích mạnh mẽ bởi hư hại vùng hoạt, giả định không có tác động 
phục hồi. Lượng thời gian này cung cấp hiệu suất tác động quản lý sự  cố  để 
hạn chế sự cố và phòng ngừa hư  hại boong­ke lò. Tần số  nóng chảy vùng hoạt  
dự đoán qua tài liệu phân tích xác suất rủi ro PRA (Probabilistic Risk Assessment)  
là 1,95x10­8 lò phản ứng/năm, thấp hơn nhiều với nhà máy khác Hình 1.4.

1.2.

Bình điều áp lò phản ứng AP000

1.2.1. Cấu tạo bình điều áp
Bình điều áp của lò phản ứng AP1000 là bộ phận chính của hệ thống kiểm  
soát áp suất chất làm mát lò phản ứng. Bình điều áp là một thùng hình trụ  đứng 
có đầu trên và đầu dưới hình bán cầu. Trong vận hành bình thường, nước chiếm 
khoảng một nửa dung tích bình điều áp. Phần nước này được đun nóng đến nhiệt  
độ  bão hòa bằng bộ  gia nhiệt trong suốt quá trình vận hành bình thường. Nước  

và hơi nước trong bình duy trì ở điều kiện bão hòa cân bằng.
Hình 1. Bình điều áp lò AP1000
Một đầu phun giảm áp, 2 đầu ra van an toàn và van giảm áp được đặt ở đầu  
trên, bộ  gia nhiệt dùng điện được bố  trí  ở  đầu dưới và có thể  tháo rời để  thay  
thế. Đầu dưới bao gồm một vòi gắn với đường nối bình điều áp với chân nóng.  
Trong quá trình co và giãn nở nhiệt hệ thống chất làm mát, dòng chất làm mát đi 
vào và đi ra khỏi bình điều áp thông qua đường nối này. Cấu tạo bình điều áp lò  
phản ứng AP1000 được thể hiện qua Hình 1.5.
1.2.2. Van an toàn của bình điều áp
Hai van an toàn của bình điều áp là loại van tự dẫn động, tải lò xo có chức 
năng giảm áp. Các van này được đặt  ở  nắp bình điều áp. Khi áp suất hệ  thống 
vượt quá áp suất phát động của các van này, thì áp suất sẽ được xả vào boong­ke 
lò. Áp suất phát động của van là 17,23 MPa. Áp suất phát động và khả  năng kết  

14


hợp của chúng được thiết lập dựa trên nguyên tắc áp suất hệ thống chất làm mát 
lò phản  ứng không được vượt quá giới hạn áp suất tối đa trong điều kiện vận 
hành mức B ­ mất tải nhất thời (110% của 17,23 MPa).
Hình 1. Hệ thống giảm áp thụ độngtrong lò phản ứng AP1000
Kích thước van an toàn của bình điều áp được thiết kế dựa trên phân tích sự 
cố mất toàn bộ dòng hơi nước đến tua­bin khi lò phản ứng đang vận hành ở công  
suất 102%. Tốc độ  xả  của van được yêu cầu ít nhất là bằng tốc độ  dòng lớn  
nhất từ  đường  ống nối bình điều áp với chân nóng vào bình điều áp trong suốt  
quá trình chuyển tiếp sự cố này.
1.2.3. Hệ thống van giảm áp tự động ADS
Một số chức năng của hệ thống làm mát vùng hoạt thụ động của lò AP1000  
được thiết kế  dựa trên việc giảm áp của hệ  thống chất làm mát lò phản  ứng.  
Chức năng này được thực hiện nhờ  các van giảm áp thụ  động ADS. Các van 

giảm áp tự  động gắn với bình điều áp được sắp xếp thành 6 bộ  song song, mỗi  
bộ  gồm 2 van nối tiếp mở theo 3 giai đoạn. Khi áp suất hệ  thống vượt quá áp 
suất phát động của các van này, thì hơi nước sẽ  được xả  vào bể  chứa trữ  nước  
tiếp nhiên liệu trong boong­ke lò IRWRT. Ngoài ra, một bộ van giảm áp tự động  
giai đoạn thứ  4 được nối với mỗi chân nóng của lò phản  ứng. Mỗi bộ  gồm 2 
nhánh song song, mỗi nhánh gồm 2 van đặt nối tiếp nhau. Hơi nước được xả  từ 
các van này trực tiếp ra boong­ke lò.
Để giảm thiểu hậu quả các kịch bản sự cố khác nhau, bộ điều khiển được 
sắp xếp để mở van theo thứ  tự định trước dựa vào mức nước bể bổ  sung nước 
cho vùng hoạt CMT và bộ  định giờ. Các van ADS thứ  1,2 và 3 được phát động  
khi mực nước trong bể bổ sung nước cho vùng hoạt giảm đến 67.5% và van ADS 
thứ tư phát động khi mực nước trong bể bổ sung nước cho vùng hoạt giảm đến  
20%.
Bảng 1. Các thông số thiết kế của bình điều áp
Bình điều áp

15


Thể tích (ft3)
Thể tích nước (ft3)
Đường kính trong (in.)
Chiều cao (in.)
Áp suất thiết kế (MPa)
Nhiệt độ thiết kế (°F)
Đường kính đường nối bình điều áp với chân nóng (in)
Chiều dày thành đường nối bình điều áp với chân nóng 

2.100
1.000

90
607
17,23
680
18
1,78

(in)
Đường kính đường ống phun giảm áp (in)
Áp suất van phun giảm áp (bắt đầu mở, MPa)
Áp suất van phun giảm áp (mở hoàn toàn, MPa)

4
15,68
16,03

Bảng 1. Các thông số thiết kế của van an toàn của bình điều áp
Số lượng
Đường kính đầu van an toàn (in.)
Khả năng xả yêu cầu tối thiểu cho mỗi van (lb/h)
Áp suất thiết lập (MPa)
Nhiệt độ thiết kế (0F)
Dung dịch

2
14
750.000
17,23 ± 0,27
680
Hơi bão hòa


Bảng 1. Áp suất kích hoạt của các van ADS
P Thiết kế (MPa)

P Thông 
thường 
(MPa) (a)
Van ADS giai đoạn thứ nhất             
Van cô lập ADS giai đoạn thứ nhất 
Van ADS giai đoạn thứ 2            
Van cô lập ADS giai đoạn thứ 2 
Van ADS giai đoạn thứ 3              
Van cô lập ADS giai đoạn thứ 3 

MỞ
15,51
15,51
8,38
8,38
3,55
3,55

Lưu ý:

a.i.a)

Áp suất vận hành thông thường như kỳ vọng

16


ĐÓNG
15,51(b,c)
15,51
0,79(b)
0,79
0,79
0,79

MỞ
17,23
17,23
17,23
2.485
2.485
2.485

ĐÓNG
17,23
17,23
8,38
8,38
8,38
8,38


a.i.b)

Van được ngăn không cho đóng đến khi tín hiệu ADS được thiết lập  

lại


a.i.c)

Van ADS giai đoạn thứ nhất có thể được kích hoạt bằng tay để có 

sự giảm áp được kiểm soát hoặc thông khí. 
1.2.4. Sự cố bình điều áp
Trong lịch sử, tuy chúng ta thấy không thấy có nhiều những sự cố của nhà 
máy điện hạt nhân nhưng khi đã cố sảy ra thì hậu quả vô cùng lớn. Nguyên nhân  
dẫn tới sự cố thì rất nhiều, trong đó liên quan tới bình điều áp cũng là một trong  
những nguyên nhân chính. Lịch sử  đã chứng kiến thảm họa Three Miles Island 
với hậu quả là sự nóng chảy vùng hoạt tổ máy thứ 2 của nhà máy TMI­2.Nhà 
máy điện Three Miles Island đặt gần Harrisburg, Pennsylvania Mỹ. Nó có hai lò 
phản  ứng áp lực nước. Đầu tiên là một PWR với công suất 800MWe và được  
đưa vào sử  dụng năm 1974. Tổ  máy thứ  hai là PWR 906MWe và gần như  là  
thương hiệu mới.
Sự  cố  xảy ra tại tổ máy thứ  hai của nhà máy vào hồi 4 giờ  sáng ngày 28  
tháng 3 năm 1979, khi lò phản  ứng đang hoạt động với công suất 97%. Nguyên  
nhân ban đầu là do một sự  cố  tương đối nhỏ  trong hệ  thống nước làm mát thứ 
cấp làm cho nhiệt độ  nước làm mát sơ  cấp tăng. Tại thời điểm đó, một van xả 
của bình điều áp vô ý mở, nhưng không được phát hiện, rất nhiều nước làm mát 
trong hệ  thống nước làm mát sơ  cấp đã bị  thoát đi. Khi đó, các kỹ  thuật viên 
không thể chuẩn đoán đúng để dập lò tự động ngoài ý muốn. Do việc thiếu thiết  
bị  phòng điều khiển và do quá trình đào tạo không đáp  ứng đủ  tình trạng khẩn  
cấp này. 
Đáp lại sự mất nước làm mát, bơm cao áp tự động bơm nước thay thế vào  
lò phản ứng. Khi nước và hơi nước thoát qua van xả, thì nước thay thế vào bình 
điều áp tăng, nâng cao mực nước trong đó. Các kỹ thuật viên được đào tạo rằng 
mực nước trong bình điều áp là dấu hiệu đáng tin cậy nhất của lượng nước làm  
mát trong hệ thống. Do đó họ nghĩ rằng nước làm mát trong vòng sơ cấp vẫn còn 


17


đầy, nên họ  đã dừng hệ  thống bơm nước cấp cứu áp suất cao (HPIS) trong khi  
thực tế thì nước làm mát trong vùng hoạt đã bị thất thoát. Do đó dẫn đến việc tan 
chảy vùng hoạt và toàn bộ tổ máy thứ hai đã bị phá hủy. Vụ tai nạn nghiêm trọng 
đã gây ra rất nhiều thiệt hại  ảnh hưởng tới cả  môi trường xung quanh, nhưng  
may mắn là không có ai bị ảnh hưởng với phóng xạ.
Luận văn lựa chọn nghiên cứu mô phỏng sự  cố  tương tự  như  thảm họa  
TMI­2 nói trên, cụ thể là sự cố vô ý mở van an toàn của bình điều áp. Sự cố giả 
định khi nhà máy đang hoạt động  ở  trạng thái dừng (là trạng thái nhà máy hoạt 
động với các thông số ổn định) thì van xả của bình điều áp bị mở vô ý và bị kẹt 
suốt trong quá trình sự cố. Nước làm mát thất thoát ra ngoài theo van van toàn này 
dẫn đến việc tăng nhiệt độ  và giảm áp suất hệ  thống nước làm mát. Sau đó tín 
hiệu dập lò được khởi phát đi kèm với các tín hiệu an toàn thụ  động. Luận văn 
chỉ tập trung nghiên cứu các hiện tượng liên quan tới bình điều áp như  áp suất, 
nhiệt độ, lưu lượng dòng các các van của bình điều áp.

18


2. CHƯƠNG 2. CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN THỦY NHIỆT RELAP5
2.1. Giới thiệu về chương trình RELAP5
RELAP5 (Reactor Excursion and Leak Analysis Program) là phần mềm tính 
toán thủy nhiệt lò phản ứng, cho phép chúng ta phân tích an toàn, thiết kế lò phản 
ứng hoặc mô phỏng các sự cố trong trạng thái dừng và chuyển tiếp của hệ thống 
làm mát và vùng hoạt lò phản  ứng. RELAP5  được phát triển và chỉnh sửa tại 
phòng thí nghiệm quốc gia Mỹ  Idaho Nationl Engineering Laboratory (INEEL). 
Tới phiên bản RELAP5/Mod3 được phát triển cùng  Ủy ban  pháp quy hạt nhân 

Hoa Kỳ U.S NRC và một vài thành viên của ICAP (International Code Assessment 
and  Application Program).  Phiên bản RELAP5/Mod3 được dùng phân tích trong 
Luận văn này ra đời vào những năm 90 của thế kỷ trước.
Đặc   trưng   của   RELAP5  là   chương   trình   thủy   nhiệt  một   chiều  để   mô 
phỏng các hệ  thống hạt nhân hoặc phi hạt nhân gồm hỗn hợp nước,hơi nước, 
khí không ngưng tụ và chất tan. Mô hình thủy nhiệt được phát triển và đánh giá 
qua chương trình đánh giá chương trình quốc tế ICAP. Ngoài ra, RELAP5 có thể 
được sử dụng để giải quyết nhiều vấn đề thủy nhiệt của nhà máy. Mô hình hóa 
các hệ thống một pha và hai pha có thể được thực hiện bằng cách sử dụng nhiều 
loại van, trao đổi nhiệt và máy bơm. 
RELAP5 tạo nên từ hệ sáu phương trình cơ bản là phương trình bảo toàn 
khối lượng, động lượng và năng lượng cho hai pha nước và hơi/khí trong hệ 
thống không cân bằng. Trong trường hợp cụ thể, kết hợp với điều kiện biên các 
phương trình cơ bản được thiết kế để giải quyết các biến số phụ thuộc, trong đó 
có áp suất (P), nội năng theo pha (Ug, Uf), tỷ lệ khối lượng pha ( αg, αf), vận tốc 
dòng các pha (Vg, Vf), chất lượng hơi (Xn) và nồng độ Boron (ρb).

19


2.2. Cấu trúc của chương trình RELAP5
2.2.1. Cấu trúc của chương trình
                   Chương trình RELAP5có cấu trúc “trên – xuống”và được tổ  chức theo 
dạng mô­đun thể hiện trong Hình 2.1
Hình 2. Cấu trúc chương trình RELAP5
Cấu trúc chương trình ở mức cao nhất được chia thành 3 khối:

+ INPUT: Có nhiệm vụ đọc tệp dữ liệu đầu vào, kiểm tra và xử lý dữ liệu 
nhập vào (New, Restart, Initialization…)


+ STRIP: Trích dữ liệu từ tệp RESTART.
+ TRNCTL: Có nhiệm vụ lựa chọn  giải bài toán thủy nhiệt ở chuyển tiếp  
hay trạng thái dừng. Gồm có các tổ chức thấp hơn:

­ TRANSET: Kết nối thông tin giữa các khối dữ  liệu, cài đặt mảng để 
điều khiển matrix giải.

­ TRANFIN: Được thực thi khi TRAN kết thúc chương trình con giải 
phóng không gian cho các khối dữ liệu động học.

­ TRAN: Kiểm tra sự phát triển chuyển tiếp của lời giải, gần như mọi  
thời gian được thực thi trong khối này, tiêu tốn nhiều bộ  nhớ  nhất và  
gần như  mọi khối dữ  liệu động phải  ở  trong bộ  nhớ  trung tâm và bộ 
nhớ  yêu cầu khởi tạo; lưu trữ  thường xuyên.  Tổ  chức thấp hơn của 
TRAN là:

o DTSTEP: Quyết định kích cỡ  của bước thời gian. Trong suốt  
thồi gian chương trinh thực hiện, mô­đun này hiển thị  lên màn 
hình thông tin: thời gian chíp, thời gian bài toán,kích thước bước  
thời gian.

o TRIP: Định giá trị  các câu lệnh logic. Mỗi lệnh chíp là một câu 
lệnh đơn giản trả  về  giá trị  logic đúng hoặc sai. Ví dụ  thành 

20


phần van được cung cấp rằng đóng hay mở van trên cơ sở giá trị 
của chíp.


o TSTATE: Phương trình trạng thái  ở  các thể  tích biên, tính toán 
trạng thái thủy lực của chất lỏng tại mỗi miền biên. Chương 
trình con này tính toán vận tốc phụ thuộc vào thời gian tại mối  
nối.

o HTADV: Giải phương trình truyền dẫn nhiệt,nó tính toán nhiệt 
truyền qua mặt chất lỏng của miền thủy động.

o HYDRO: Giải phương trình thủy động.
o RKIN: Tính toán trạng thái năng lượng trong lò phản  ứng sử 
dụng gần đúng động học điểm.

o CONVAR: Cung cấp cả khả năng mô phỏng hệ  thống tự  động 
sử dụng hệ thống thủy động.
2.2.2. Cấu trúc tệp dữ liệu đầu vào
Tệp dữ  liệu đầu vào của RELAP5 mô tả  toàn bộ  các thuộc tính của hệ 
thống thủy nhiệt cần tính toán. Do đó, trước khi viết tệp dữ liệu đầu vào cần thu 
thập toàn bộ số liệu và hệ thống thủy nhiệt như: vật liệu trông cấu trúc nhiệt,hệ 
số dẫn nhiệt của cấu trúc nhiệt, tiết diện dòng chảy của  ống dẫn nước, tốc độ 
bơm của bơm, chi tiết về vùng hoạt,…
Một số lưu ý khi mô hình hóa và viết tệp dữ liệu đầu vào:

+ Việc mô hình hóa phụ thuộc vào dạng chuyển tiếp
+ Kích thước của thể tích thỏa mãn điều kiện L/D >=1
+ Tiêu đề của bài toán bắt đầu bằng dấu “=”
+ Chú thích một dòng bằng dấu “*” hoặc dấu “$”
+ Các dữ liệu khác nhau cách nhau bằng dấu “space”
+ Độ dài tối đa của một dòng là 96 ký tự, trong đó 80 ký tự đầu được  
sử dụng, các ký tự sau để ghi chú


21


+ Số các dấu cách không  bắt buộc
+ Mỗi dòng số  liệu nhập vào đều có một thẻ  mô tả  số liệu gì được  
nhập vào, do đó trật tự các dòng có thể thay đổi.
Các thẻ trong tệp dữ liệu đầu vào của RELAP5 được tóm tắt trong Bảng 
2.1
Bảng 2. Định dạng thẻ trong RELAP5
Thẻ
1 – 199
200 – 299
301­ 399

Các thành phần được mô tả
Dữ liệu mô tả bài toán
Điều khiển bước thời gian
Hiệu chỉnh lỗi nhỏ

407 – 799 hoặc 20600000  Đóng, ngắt 
– 20620000
801 – 899
1001 – 1999
CCCXXNN
1CCCGXNN
6SSNNXXX
201MMMNN
202TTTNN
20300000 – 20349999
205CCCNN

30000NNN

22

Dữ liệu ảnh hưởng
Yêu cầu đóng/ngắt hoặc so sánh tập tin kết xuất
Dữ liệu cấu trúc thủy động
Dữ liệu cấu trúc nhiệt
Mô hình bức xạ
Thuộc tính của cấu trúc nhiệt
Bảng dữ liệu chung
Hình vẽ yêu cầu
Thành phần điều khiển hệ thồng
Dữ liệu động học lò


2.2.3. Dữ liệu mô tả bài toán
Thẻ 100 – kiểu bài toán và thuộc tính. Thẻ  này luôn được yêu cầu phải có 
trong mỗi tập tin đầu vào.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 100   W1  W2
W1: Kiểu bài toán,được mô tả   ở  dữ  liệu đầu tiên trong các từ  sau: NEW, 
RESTART.
W2: Thuộc tính,nếu dữ liệu thứ nhất là NEW hay RESTART thì dữ liệu thứ 
hai là STDY­ST hay TRANSNT (mô tả bài toán dừng hay chuyển tiếp).
Ví dụ về thẻ 100 hay dùng: 100 NEW TRANSNT
Thẻ 101 – thuộc tính kiểm tra input hay chạy.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 101  W1
W1: Dữ  liệu nhập vào có thể  là INP­CHK hay RUN. Nếu INP­CHK thì  
chương trình sẽ  dừng lại sau khi quá trình xử  lý tệp tin đầu vào kết thúc. Nếu 
RUN được nhập chương trình sẽ  thực thi tập tin đầu vào sau quá trình xử  lý dữ 

liệu đầu vào.
Thẻ 102 – thẻ lựa chọn đơn vị. Thẻ này có hai dữ liệu mô tả đơn vị của dữ 
liệu đầu vào và đầu ra. Đơn vị có thể dùng là hệ SI hay BRITISH.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 102   W1   W2
W1: Đơn vị của dữ liệu đầu vào.
W2: Đơn vị của dữ liệu đầu ra, nếu không được nhập thì mặc định là SI.
Thẻ 103 ­  điều khiển tệpdữ liệu khởi động lại.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 103  W1  W2  W3  W4  W5  W6
Thẻ  này được yêu cầu nhập với mọi kiểu bài toán được mô tả  trong W1 
của Thẻ  100 trừ  trường hợp NEW. Nếu bài toán là kiểu NEW mà khai báo thẻ 
này chương trình dễ báo lỗi.
W1: mô tả số khởi động lại.
W2 – W6: Mô tả tên hình vẽ của tập tin khởi động lại.

23


Thẻ 110 – thành phần khí không ngưng tụ.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 110    W1 – WN
Các tham số theo sau Thẻ 110 mô tả các thành phần khí không ngưng tụ sử 
dụng trong bài toán.Thẻ  này không được nhập trong bài toán   restart. Các khí 
không ngưng tụ  có thể  sử  dụng là: ARGON, HELIUM, HYDROGEN, XENON,  
KRYPTON, AIR, hoặc SF6. Thành phần khối lượng của các khí không ngưng tụ 
này được mô tả trong thẻ 115.
Thẻ 200 – 299  ­ Điều khiển bước nhảy thời gian trong quá trình tính toán.
Cấu trúc thẻ đầu vào: 2XX  W1  W2  W3  W4  W5  W6  W7
W1: Thời gian kết thúc việc cài đặt các tham số trong thẻ này.
W2: Bước thời gian tối thiểu.
W3: Bước thời gian tối đa.
W4: Thuộc tính điều khiển.

W5: Điều chỉnh nhỏ và tần số vẽ.
W6: Tần sốđiều chỉnh lớn.
W7: Tần số bắt đầu lại
2.2.4. Thành phần điều khiển
Để  mô tả  các thành phần được điều khiển trong hệ  thống như: bơm, bật 
hay tắt, van được mở hay đóng,…chúng ta sử dụng thành phần điều khiển. Mỗi 
thành phần điều khiển bao gồm các biến và các biểu thức logic. Các biến được 
mô tả bằng các thẻ 401 – 599 hoặc 20600010 – 20610000.
Cấu trúc thẻ đầu vào:  501   W1   W2   W3   W4   W5   W6   W7   W8
W1,W2: Biến dữ  liệu(trong ví dụ  là vận tốc khối chất lỏng qua mối nối  
315000000)
W4,W5: dữ liệu tương ứng với W1,W2.
W3: Quan hệ so sánh có thể là: lớn hơn (GT), nhỏ hơn (LT), bằng (EG),...
W6: Hằng số cộng thêm vào.
W7: Chỉ số chốt.

24


W8: Thường bằng ­1,0.
Ví dụ về biến: 502 mfloj 315000000  lt  null  0  19,4    l    ­1,0
Dòng dữ liệu đầu vào trên có nghĩa là khi vận tốc khối chất lỏng qua mối  
nối 315000000 nhỏ hơn 19,4 thì giá trị biến 502 sẽ là đúng.
Các thành phần điều khiển được sử dụng để mô phỏng các thành phần có 
thể điều khiển và được sử dụng trong các vấn đề  như: phân tích hoạt động của  
lò phản ứng, mô tả kịch bản tai nạn…
2.2.5. Dữ liệu cấu trúc thủy động
Mô hình thủy động trong RELAP5 được mô hình hóa thông qua hai thành 
phần cơ bản đó là khối (volume) và mối nối (juntion). Khối chứa tham số nhiệt 
động có hướng tại tâm như: nhiệt độ, áp suất, nội năng, mật độ,…Mối nối chứa 

các tham số nhiệt động có hướng như: vận tốc, lưu lượng dòng,…
Khối là các dòng có lối vào ra. Các khối được nối với nhau bằng các mối 
nối tạo thành các dòng chảy chứa chất lưu. Dữ kiệu cơ bản của thành phẩn thủy 
động gồm:

+ Hình học: Diện tích dòng chảy, Chiều dài, Thể  tích, Góc, Chênh lệch độ 
cao, Ma sát thành ống, Đường kính thủy nhiệt, Cờ điều khiển…

+ Điều kiện đầu: Áp suất, Nhiệt độ, Dòng chảy…. 
Thành phần thủy động là thành phần không thể thiếu trong tất cả các bài 
toán phân tích thủy nhiệt.Do đó, thẻ  dữ  liệu đầu vào cho thành phần thủy động  
bắt buộc phải có. Thẻ  cho thành phần thủy nhiệt có dạng CCCXXNN với CCC  
là số đại diện cho thành phần thủy động. XX là kiểu thẻ  và NN là số  cho kiểu 
thẻ tương ứng.
Một  thẻ  không  thể  thiếu  cho tất  cả  các   thành phần thủy  động  là   thẻ 
CCC0000 ­ Thẻ khai báo tên kiểu của thành phần thủy động.
Cấu trúc thẻ đầu vào: CCC0000  W1   W2  
W1: Gồm tối đa 8 kí tự là tên của thành phẩn thủy động

25