Xu hướng áp dụng ĐLTN

Nguyên tắc hoạt động của ĐLTN là dựa trên lực đối lưu, dòng chảy nóng sẽ tự lên cao và dòng chảy lạnh sẽ tự xuống thấp và thiết lập vòng tuần hoàn làm mát cho lò phản ứng.

ĐLTN đã được áp dụng rộng rãi cho các hệ thống làm mát thụ động ở các NMĐHN thế hệ 3 trở lên, đã cải thiện đáng kể độ an toàn của các nhà máy. Tuy nhiên, tiềm năng của ĐLTN vẫn chưa được khai thác hiệu quả, chẳng hạn nó có thể được áp dụng thay cho bơm tuần hoàn chính và loại bỏ hoàn toàn việc sử dụng dòng chảy cưỡng bức trong NMĐHN, từ đó tiết kiệm được chi phí vận hành cũng như tiếp tục cải thiện hiệu suất của các NMĐHN. Công nghệ điện hạt nhân sử dụng ĐLTN hiện đang là xu thế phát triển chính trên thế giới. Có rất nhiều dự án NMĐHN triển vọng thế hệ 4 đang được phát triển và đang trải qua giai đoạn licensing như SMR – 160, Nuscale PMSR.

Các NMĐHN sử dụng đối lưu tự nhiên đều có thể được rút gọn lại thành 1 thermosiphon hình chữ nhật, có nguồn nóng (heater – lò phản ứng) và nguồn lạnh (cooler – steam generator) như hình 1. Các thông số của nhà máy như công suất, kích thước của các ống dẫn, chất tải nhiệt, v.v được tính vào các giá trị không thứ nguyên như  số Reynolds, Raleigh, Prantld, Nuselt, vv… và mô hình thermosiphon cần đảm bảo các giá trị trên trùng với các giá trị thực tế của NMĐHN.

Hình 1. Nguyên lý hoạt động của NMĐHN SMR-160 dùng ĐLTN [3]

Nghiên cứu của nhóm làm việc của tác giả bài viết dựa trên mã CFD NEK5000 để tính toán dòng chảy đối lưu tự nhiên trong thermosiphon hình chữ nhật. Nghiên cứu được thực hiện trên nhiều tham số cũng như cấu hình khác nhau để khảo sát tính ổn định của đối lưu tự nhiên.

Kiểm nghiệm mã CFD Nek5000 và kết quả

Nhóm nghiên cứu đã kiểm nghiệm mã mô phỏng CFD Nek5000 với kết quả thí nghiệm của Luzzi et. al. tại Genoa, Italy và mã CFD OpenFOAM [4,5,6]  và đã có được các kết quả sau:

• Nek5000 có thể mô phỏng dòng chảy trong thermosiphon với độ chính xác cao, khớp với thí nghiệm.
• Có thể dùng Nek5000 để mở rộng nghiên cứu với các cấu hình và điều kiện làm việc khác nhau.

Hình 2. Một ví dụ về khả năng mô phỏng dòng chảy turbulence không ổn định (có hướng) của Nek5000 cho trường hợp các nhà máy điện hạt nhân có kích thước hạn chế (L/D = 50). Cứ mỗi 160 s dòng chảy sẽ đổi chiều. [6]

Các nghiên cứu mở rộng cho Thermosiphon

Sau khi kiểm nghiệm thành công khả năng của Nek5000 [4,5,6], nhóm nghiên cứu tiếp tục mở rộng phạm vi nghiên cứu cho nhiều thông số cũng như cấu hình khác nhau của thermosiphon.

Hiện nay, các NMĐHN kích thước nhỏ đang dành được sự quan tâm lớn của thế giới vì tính gọn nhẹ, dễ dàng di chuyển đến các vùng miền khó tiếp cận lưới điện. Đặc điểm của các NMĐHN này là có công suất tương đối thấp (<100 MW) và có tỉ lệ đường kính ống dẫn chính D : L - chiều dài của vòng tuần hoàn chất tải nhiệt nhỏ. Nhóm nghiên cứu đã khảo sát tính ổn định của ĐLTN trên các tỉ lệ L/D khác nhau và tổng hợp trong bảng 1.

Bảng 1. Các trường hợp mở rộng cho các thermosiphon. L/D là tỉ lệ tổng chiều dài của thermosiphon/đường kính ống. Những trường hợp tô màu xanh là vận hành ổn định

Số Raleigh phụ thuộc vào các tham số như chiều cao của thermosiphon, công suất của nguồn nóng (heater) và nguồn lạnh (cooler), L, D, các tính chất vật lí của chất tải nhiệt. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng khi tỉ lệ L/D nhỏ, thì dòng chảy trong ống luôn luôn không ổn định, vô hướng (stagnation state) và không phụ thuộc vào số Raleigh. Khi L/D = 20 thì dòng chảy trong ống sẽ ổn định khi có số Raleigh đủ lớn. Và khi L/D có giá trị từ 50 trở lên thì dòng chảy trong ống lại tiếp tục không ổn định nhưng có hướng.

Phân tích năng lượng POD (Proper Orthogonal Decomposition) [5,6]  cho thấy, ở các trường hợp vận hành ổn định, dòng chảy trong ống có dạng xoáy, trong khi đó ở các trường hợp không ổn định có hướng, dòng chảy có dạng xoáy đối xứng (gọi là Dean vortex) [5,6] như trong hình 3.

Hình 3. Phân tích Proper Orthogonal Decomposition (POD) của trường vận tốc theo phương z của mặt cắt ngang của ống theo mặt phẳng xy gần vị trí uốn cong 90 độ của các trường hợp không ổn định (phải – Dean vortex) và ổn định (trái – swirl mode). [6]

Từ kết quả phân tích trên, để dòng chảy ổn định thì cần tạo ra dòng chảy thứ cấp, phá vỡ xoáy dean và làm dòng chảy chuyển sang dạng xoáy đơn. Nhiều loại vật cản khác nhau với các kích thước khác nhau đã được thử nghiệm và kết quả là 2 vật cản đặt đối xứng làm cho dòng chảy ổn định trong các trường hợp không ổn định có hướng. Hình 4 là ví dụ về trường hợp L/D = 50 có 2 vật cản làm ổn định dòng chảy.

Hình 4. Phải: Dòng chảy ổn định của thermosiphon tại L/D = 50 có 2 vật cản đối xứng. Trái: mô hình 3D của vật cản. [4,5]

Nghiên cứu nêu trên cho thấy kết quả khả quan trong ổn định dòng chảy ĐLTN. Tuy nhiên, cần có thêm nhiều nghiên cứu để tìm ra những phương pháp tối ưu để ổn định dòng chảy và áp dụng vào thực tế ở các nhà máy điện hạt nhân.

Thực hiện: Nguyễn Trị

Nguồn tham khảo:

[1] https://vi.wikipedia.org/wiki/Năng_lượng_hạt_nhân

[2] http://nangluongvietnam.vn/news/vn/nhan-dinh-phan-bien-kien-nghi/tong-quan-dien-hat-nhan-the-gioi-va-cac-de-xuat-cho-viet-nam.html.

[3] SMR 160 essential information. Technical presentation, Holtec International Company. See also URL: https://holtecinternational.com/

[4] Tri Nguyen, Elia Merzari. “Computational fluid dynamics simulation of a single-phase rectangular thermosiphon”. ICONE28-POWER2020 Conference on Nuclear Engineering, August 2-6, 2020, Anaheim, California, USA.

[5] Tri Nguyen, Elia Merzari. “On the Effect of The Aspect Ratio on The Stability of Single-phase Rectangular Thermosiphons”. ANS annual meeting, November 16-19, 2020 (online).

[6] Tri Nguyen, Elia Merzari., 2020 “On the Impact of Aspect Ratio and Other Geometric Effects on the Stability of Rectangular Thermosiphons”. Journal of Heat Transfer (Proceeding)