Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Phát triển và hoàn thiện phương pháp đo đạc thực nghiệm dòng chảy đối lưu tự nhiên (14/11/2025)

Các hệ thống an toàn thụ động trong các lò phản ứng hạt nhân sử dụng các nguyên lý vật lý tự nhiên-như trọng lực, tuần hoàn tự nhiên, và ngưng tụ-để nâng cao mức độ an toàn của lò phản ứng mà không cần dựa vào các thành phần hoạt động như bơm và nguồn cung cấp điện. Cách tiếp cận này mang lại nhiều lợi ích đáng kể như: giảm chi phí; tăng cường độ tin cậy; khả nưang ứng dụng trong thiết kế lò phản ứng tiên tiến; Hệ thống trao đổi nhiệt ngưng tụ và bay hơi; Hệ thống tiêm nước an toàn dựa vào trọng lực… việc áp dụng các hệ thống an toàn thụ động đại diện cho một bước tiến quan trọng trong công nghệ lò phản ứng hạt nhân. Bằng cách tận dụng các nguyên lý vật lý tự nhiên để nâng cao an toàn và giảm chi phí, các hệ thống này sẵn sàng đóng vai trò quan trọng trong tương lai của năng lượng hạt nhân, đặc biệt trong các thiết kế lò phản ứng tiên tiến như những thiết kế được hình dung cho Thế Hệ IV.

Nghiên cứu về thủy nhiệt an toàn hạt nhân luôn cần phải kết hợp giữa thực nghiệm và mô phỏng số. Hai cách tiếp cận này luôn bổ trợ lẫn nhau và rất hữu ích trong việc nâng cao tiềm lực về nghiên cứu an toàn hạt nhân nói chung và đào tạo cán bộ nói riêng. Ðối với các nuớc có nền công nghiệp hạt nhân tiên tiến, nhiều hệ thực nghiệm thủy nhiệt đã đuợc xây dựng dể hiểu rõ hon các hiện tuợng dòng chảy và truyền nhiệt tương tự trong nhà máy điện hạt nhân. Song hành với việc xây dựng các hệ thực nghiệm, thì các phương pháp đo đạc tiên tiến đuợc sử dụng để cung cấp các số liệu thực nghiệm có độ tin cậy cao nhằm kiểm chứng các kết quả mô phỏng bằng các chương trình lớn như CFD (mô phỏng 3 chiều) hay những chương trình tính toán phân tích an toàn hệ thống. Trong khi đó, với cơ sở vật chất có giới hạn khi vẫn sử dụng chương trình mô phỏng CFD trên máy tính cá nhân làm chậm khả năng cung cấp các kết quả mô phỏng chính xác hơn và nhanh cung cấp kết quả hơn. Trung tâm Đào tạo hạt nhân tiến hành triển khai đề tài “Phát triển và hoàn thiện phương pháp đo đạc thực nghiệm dòng chảy đối lưu tự nhiên” do ThS. Trần Thanh Trầm làm chủ nhiệm. Đề tài triển khai các nội dung sau: (1) Tổng quan về nghiên cứu dòng chảy đối lưu tự nhiên và các phương pháp đo đạc thực nghiệm hướng tới an toàn thủy nhiệt lò phản ứng; (2) Phát triển phương pháp trực quan hóa (visualization) hiện tượng đối lưu tự nhiên bằng phương pháp quang học (High Speed Camera); (3) Kiểm chứng kết quả đo đạc dòng chảy đối lưu tự nhiên: so sánh kết quả đo đạc giữa 02 phương pháp UVP và phương pháp PIV; (4) Đo đạc đặc trưng dòng chảy đối lưu tự nhiên bằng phương pháp sóng siêu âm và quang học.

(1) Tổng quan về nghiên cứu dòng chảy đối lưu tự nhiên và các phương pháp đo đạc thực nghiệm hướng tới an toàn thủy nhiệt lò phản ứng: các phương pháp đo đạc không xâm lấn là các phương pháp đo đạc có độ chính xác cao và không ảnh hưởng tới dòng chảy. Trong nghiên cứu về dòng chảy đối lưu tự nhiên, dòng chảy thay đổi theo thời gian và rất bất định. Do đó, sử dụng phương pháp sóng siêu âm và quang học là thích hợp trong điều kiện này.

(2) Phát triển phương pháp trực quan hóa (visualization) hiện tượng đối lưu tự nhiên bằng phương pháp quang học (High Speed Camera): Đo tốc độ hình ảnh hạt (PIV: Particle Image Velocimetry) là một phương pháp linh hoạt được sử dụng cho cả trực quan hóa dòng chảy và đo vận tốc dòng chảy. Nó cung cấp những hiểu biết có giá trị về mô hình dòng chất lỏng và định lượng vận tốc chất lỏng trong khu vực quan tâm. Đây là cách PIV có thể được sử dụng cho cả việc trực quan hóa và đo lường dòng chảy: Trực quan hóa dòng chảy; Đo đạc dòng chảy; Hạt phản quang (truy vết); Nguồn sáng Laser; Dụng cụ quang học; Camera tốc độ cao; Phần mềm xử lý hình ảnh; Thiết bị hiệu chuẩn; Định giờ và đồng bộ hóa; Phần cứng lưu trữ và xử lý dữ liệu.

Điều kiện biên ảnh thưởng rất nhiều tới quá trình đối lưu tự nhiên và các hành vi của dòng chảy và ảnh hưởng tới quá trình truyền nhiệt từ thanh nhiên liệu tới chất làm mát. Do đó, để khảo sát các hiện tượng và đặc trưng dòng chảy đối lưu tự nhiên đối với một thanh gia nhiệt trong một bình kính, các kịch bản thực nghiệm sau sẽ tiến hành đo đạc: kịch bản 1: Một thanh gia nhiệt dặt trong bình chứa nuớc; Cao 500 mm và đuờng kính trong là 144 mm; Kịch bản 2: Một thanh gia nhiệt đặt trong bình chứa nước; Cao 500 mm và đường kính trong là 44 mm; Kịch bản 3: Mô hình bó nhiên liệu 2x2 đặt trong bình chứa nước; Cao 500 mm và đường kính trong là 144 mm.

Khi nghiên cứu hệ với 4 thanh gia nhiệt với cùng đường kính 144 mm cho cả trường hợp có và không có lưới giằng. Có thể thấy rằng các dòng xoáy cũng xuất hiện khá đối xứng hai bên thành chứa. Tuy nhiên do ảnh hưởng của các thanh gia nhiệt, dòng chảy phía trên đầu các thanh gia nhiệt có xu hướng di chuyển lên và ít xuất hiện các dòng xoáy. Từ hình ảnh của cấu hình thí nghiệm với thanh gia nhiệt có lưới giằng, cóthể thấy có sự khác biệt về dòng kênh chảy bên trong bốn thanh gia nhiệt. Trong trường hợp này do diện tích kênh chảy bị thu hẹp hơn so với trường hợp không có lưới giằng nên vận tốc dòng chảy có xu thế tăng lên. 

(3) Kiểm chứng kết quả đo đạc dòng chảy đối lưu tự nhiên: so sánh kết quả đo đạc giữa 02 phương pháp UVP và phương pháp PIV.

Để xác nhận độ chính xác của việc đo đạc phân bố vận tốc bằng kỹ thuật UVP, phương pháp PIV được áp dụng để đo phân bố vận tốc hai chiều. Sau 5 phút (300 giây), hồ sơ vận tốc được đo và đồng bộ với phương pháp PIV. Phân bố vận tốc trung bình sử dụng phương pháp PIV cho thấy dòng chảy tập trung chủ yếu ở khu vực gần thanh gia nhiệt. Thành phần vận tốc theo phương thẳng đứng, theo hướng chùm sóng siêu âm đặt cách đỉnh thanh gia nhiệt 5 mm, được đo. Trong thiết lập này, đầu dò được đặt bên ngoài ống với góc 65 độ so với trục của ống. Hình 21 cho thấy biểu đồ vận tốc thẳng đứng trung bình bằng cách sử dụng UVP. Do hành vi dòng chảy phức tạp thay đổi theo thời gian, vận tốc trung bình trong 20 giây được chọn để so sánh. Kết quả so sánh cho thấy sự đồng nhất tốt giữa UVP và PIV, với sai số được ước tính khoảng 5%. Ta có thể thấy rằng, sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến phép đo sử dụng UVP được bỏ qua.

Mô hình thực nghiệm gồm 01 thanh gia nhiệt được cố định bởi đế giữ và hệ đo đạc. Chỉ số về độ dài được thể hiện băng mm.

Xây dựng được một hệ thực nghiệm đo đạc dòng chảy đối lưu tự nhiên gây ra bởi bó 1 thanh gia nhiệt và kiểm chứng được tính chính xác của phương pháp song siêu âm UVP dựa vào phương pháp trực quan hóa hình ảnh PIV để áp dụng vào đo đạc lên trên hệ thực nghiệm. Phương pháp sóng siêu âm UVP được đưa vào đo đạc biểu đồ vận tốc tức thời của dòng chảy với khả năng cho thấy cấu hình của dòng chảy. Ảnh hưởng của nhiệt độ được coi như bỏ qua khi sử dụng phương pháp UVP. Dòng chảy đối lưu tự nhiên đã được nghiên cứu. So sánh được khả năng truyền nhiệt đối lưu giữa trường hợp có lưới giằng là tốt hơn so với không có lưới giằng.

(4) Đo đạc đặc trưng dòng chảy đối lưu tự nhiên bằng phương pháp sóng siêu âm và quang học.

Xây dựng được một hệ thực nghiệm đo đạc dòng chảy đối lưu tự nhiên gây ra bởi bó 1 thanh gia nhiệt và kiểm chứng được tính chính xác của phương pháp song siêu âm UVP dựa vào phương pháp trực quan hóa hình ảnh PIV để áp dụng vào đo đạc lên trên hệ thực nghiệm. Phương pháp sóng siêu âm UVP được đưa vào đo đạc biểu đồ vận tốc tức thời của dòng chảy với khả năng cho thấy cấu hình của dòng chảy. Ảnh hưởng của nhiệt độ được coi như bỏ qua khi sử dụng phương pháp UVP. Dòng chảy đối lưu tự nhiên đã được nghiên cứu. So sánh được khả năng truyền nhiệt đối lưu giữa trường hợp có lưới giằng là tốt hơn so với không có lưới giằng. Sai số giữa hai phương pháp đo tập trung chủ yếu không vượt quá 5% và có thể sử dụng để đo đạc dòng chảy.

Đối với dòng chảy đối lưu tự nhiên với một thanh gia nhiệt: Biên nhiệt của kênh nhiệt nhỏ ảnh hưởng tới quá trình truyền nhiệt của dòng đối lưu từ phía dưới lên phía trên. Cụ thể, dòng chảy trở nên rối loạn (truyền nhiệt) không tốt, dòng nhiệt nổi lên chậm so với bình chứa tạo biên nhiệt rộng hơn; Đối với dòng chảy khi có lưới giằng, kết quả cho thấy rằng lưới giằng đã làm cho dòng chảy tính từ vị trí trên lưới đi lên trao đổi nhiệt phía trên của thanh gia nhiệt. Dòng chảy đi lên tập trung tại vị trí đầu của cả bó thanh nhiên liệu và tại lưới giằng xuất hiện các vòng xoáy rối loạn trộn nhiệt rồi đem nhiệt đi lên, toàn bộ bó thanh gia nhiệt đã được làm mát cùng với vùng bao quát bó thanh tính từ lưới giằng đổ lên. Sự trộn lẫn dòng chảy phía trên nắp bình mãnh liệt hơn rất nhiều, các vòng xoáy trộn lẫn của dòng nóng và lạnh to hơn.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu nhiệm vụ  tại Trung tâm Công nghệ thông tin và Truyền thông Hải Phòng./.