Nghiên cứu, mô phỏng hiện tượng tương tác chất lưu - kết cấu (FSI) dẫn đến sự cố đối với ống chứa cảm biến nhiệt độ trong lò phản ứng hạt nhân

Trong những năm gần đây, việc sử dụng công cụ tính toán CFD để thực hiện các bài toán thiết kế cũng như tính toán an toàn ngày càng tăng lên do đây là công cụ cho phép mô phỏng các hiện tượng liên quan đến an toàn xảy ra trong hệ thống làm mát lò phản ứng được mô tả một cách chi tiết hơn. Công cụ CFD có thể thực hiện một số bài toán mà công cụ mô phỏng một chiều được sử dụng trong phân tích an toàn như chương trình tính toán RELAP5 không thực hiện được đối các bài toán hòa trộn chất làm mát, bài toán shock nhiệt tại bình điều áp, hay mô phỏng chi tiết bài toán chuyển pha trong lò phản ứng…

Trong những năm gần đây, các cán bộ nghiên cứu của trung tâm năng lượng hạt nhân đã sử dụng công cụ CFD để mô phỏng các bài toán liên quan đến hiện tượng chuyển pha xảy ra trong lò phản ứng. Các nghiên cứu này đã giúp nhóm nghiên cứu an toàn hạt nhân có cái nhìn sâu sắc về cơ chế chuyển pha của chất làm mát khi các tai nạn trong lò phản ứng xảy ra.

Nghiên cứu trong đề tài này là một cách tiếp cận khác đối với công cụ tính toán CFD, nghiên cứu sử dụng cách tiếp cận đa trường kết hợp CFD với Mechanical để thực hiện tính toán đối với bài toán tương tác chất lưu - kết cấu (FSI). Bài toán này có ý nghĩa quan trong trong phân tích an toàn hạt nhân do các thành phần kết cấu trong nhà máy điện hạt nhân thường hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt của chất lưu, sự sai hỏng của các kết cấu này sẽ dẫn đến các tai nạn nghiêm trọng của nhà máy.

Xuất phát từ thực tiễn đó, Cơ quan chủ trì Viện Khoa Học Và Kỹ Thuật Hạt Nhân cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài ThS. Hoàng Tân Hưng thực hiện đề tài Nghiên cứu, mô phỏng hiện tượng tương tác chất lưu - kết cấu (FSI) dẫn đến sự cố đối với ống chứa cảm biến nhiệt độ trong lò phản ứng hạt nhânvới mục tiêu: Thúc đẩy năng lực tính toán mô phỏng đa trường tương tác FSI; Đưa ra được hướng dẫn xây dựng mô hình phân tích tương tác FSI sử dụng chương trình ANSYS.

Lò phản ứng Monju là lò phản ứng FBR thử nghiệm với công suất: 280 MWe (714 MWt), sử dụng nhiên liệu là hỗn hợp oxit Plutonium và Uranium, với chất làm mát là natri lỏng trong hai vòng tải nhiệt đầu tiên. Được bắt đầu xây dựng từnăm 1985 và tới hạn lần đầu vào tháng 4 năm 1994, Monju được coi là cột mốc quan trọng trong chiến lược phát triển năng lượng hạt nhân dài hạn của Nhật Bản, được gọi là lò phản ứng trong mơ khi có thể sinh ra nhiên liệu nhiều hơn so với nhiên liệu tiêu thụ. Lò phản ứng bao gồm ba vòng độc lập: vòng sơ cấp, vòng thứ cấp và vòng biến đổi nước - hơi.

Lò phản ứng Monju lần đầu phát điện vào tháng 8 năm 1995 và được nâng công suất nên từ từ cho một chương trình kiểm tra được thực hiện và đạt công suất định mức vào tháng 6 năm 1996. Trong quá trình đó thì tai nạn xảy ra khi một ống chứa cảm biến nhiệt độ vòng thứ cấp bị gãy dẫn đến rò rỉ natri lỏng vào ngày 8 tháng 12 năm 1995.

Dòng xoáy sinh ra dao động là một hiện tượng khá phổ biến trong nhiều ngành kỹ thuật khác nhau và thông thường, các thiết kế phải cố gắng giảm thiểu hiện tượng này nhằm tránh các hư hỏng do mỏi của kết cấu (trừ trường hợp muốn khai thác năng lượng của dòng chảy). Hiện tượng này xuất hiện khi có vật thể dạng trụđược đặt trong dòng chảy. Do dòng chảy thực là dòng nhớt, sẽ xuất hiện một lớp biên đáng kể trên bềmặt của vật thể. Tại một điểm nào đó trên vật thể, sự tách của lớp biên bắt đầu xảy ra, phụ thuộc vào hình học của vật thể. Lớp tách ra, sẽ được bao bởi phần đuôi và dòng tựdo bên ngoài, có xu hướng làm quay chất lỏng do phần bên ngoài tiếp xúc với dòng tựdo có chuyển động nhanh hơn so với phần bên trong của nó tiếp xúc với mặt sau của vật thể. Sự quay của chất lưu tại vị trí đó sẽ hình thành lên các xoáy riêng biệt, chúng được đổ về phía sau của vật thể và đi về phía đuôi của dòng chảy. Thông thường, các xoáy theo chu kỳ sẽ xảy ra ở dòng chảy phía sau của vật thể và hình thành lên các đường xoáy. Phụ thuộc vào đặc tính của dòng chảy, chủ yếu là số Reynold, các kiểu đường xoáy khác nhau được hình thành.

Với mục tiêu thúc đẩy năng lực tính toán mô phỏng đa trường tương tác FSI, trong đề tài đã thực hiện nghiên cứu về hiện tượng tương tác chất lưu - kết cấu (FSI) trên phương diện lý thuyết cũng như áp dụng tính toán đối với sự cố xảy rò rỉ natri lỏng xảy ra trong lò phản ứng Monju. Bên cạnh đó đã xây dựng được hướng dẫn quy trình mô phỏng của bài toán trong chương trình tính toán ANSYS trong sản phẩm của đề tài.

FSI là một vấn đề phức tạp đòi hỏi những hiểu biết của con người, kỹ thuật mô phỏng cũng như tài nguyên tính toán. Đề tài tập trung phân tích hiện tượng dòng xoáy gây ra dao động, là một lớp thuộc bài toán FSI vốn là nguyên nhân chính dẫn đến sựđứt gãy của ống chứa cảm biến nhiệt độ gây rò rỉ natri lỏng trong lò phản ứng Monju.

So sánh tần số dao động của dòng xoáy và tần số dao động tự nhiên của ống chứa cảm biến nhiệt độ đã đưa ra điều kiện vận hành nguy hiểm nhất với nứt gãy được hình thành khi dòng chảy ở 100% công suất.

Trước khi thực hiện phân tích đối với bài toán tương tác chất lưu - kết cấu trong tai nạn lò phản ứng Monju, kiểm chứng mô hình tính toán đã được thực hiện với các kết quả so sánh cho thấy chương trình tính toán với các mô hình bên trong hoàn toàn phù hợp để mô phỏng lại các bài toán tương tác chất lưu - kết cấu.

Các kết quả tính toán của bài toán FSI cho thấy ứng suất lớn nhất xuất hiện trùng khớp với vị trí xảy ra đứt gãy và giá trị ứng suất lớn nhất vượt qua giá trị giới hạn bền mỏi dẫn đến tai nạn rò rỉ natri lỏng. Tuy nhiên, kết quả bài toán cần được kiểm chứng thêm trước khi có thể đưa vào áp dụng cho những phân tích tương tự.

Sau tai nạn gãy ống chứa cảm biến nhiệt độ tại lò phản ứng Monju, các ống chứa cảm biến này được thiết kế lại theo tiêu chuẩn mới nhằm tránh những tai nạn tương tựcó thể xảy ra. Trong tương lai có thể sử dụng các phân tích này để kiểm chứng các thiết kế mới.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17536/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)