vat ly lo phan ung 1 7971 2573

V P Kriuchcov, E A Andreep N N Khrenikov VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG DÙNG CHO NHÂN VIÊN VẬN HÀNH NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN SỬ DỤNG BBЭР VÀ РБМК Tiến sĩ toán lý V P Kriuchcov hiệu đính Giáo trình Người dịch TS Nguy.

V.P Kriuchcov, E.A Andreep N.N Khrenikov VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG DÙNG CHO NHÂN VIÊN VẬN HÀNH NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN SỬ DỤNG BBЭР VÀ РБМК Tiến sĩ toán lý V.P Kriuchcov hiệu đính Giáo trình Người dịch: TS Nguyễn đức Kim Moskva 2006 Концерн «Росэнергоатом» В П Крючков, Е А Андреев, Н Н Хренников ФИЗИКА РЕАКТОРОВ ДЛЯ ПЕРСОНАЛА АЭС С ВВЭР И РБМК Под редакцией доктора физ.-мат.наук В П Крючков Учебное пособие Москва Энергоатомиздат 2006 Tài liệu dùng để hỗ trợ nhân viên hướng dẫn, vận hành nhân viên kỹ thuật-cơng trình sở hạt nhân Sách gồm ba phần: phần thứ trình bày khái niệm lý thuyết vật lý lò phản ứng hạt nhân, vốn cần thiết để hiểu rõ q trình hoạt động lị phản ứng, phần thứ hai – đặc điểm vật lý vận hành lò phản ứng BBЭР, phần thứ ba – đặc điểm vật lý vận hành lị phản ứng РБМК Dùng cho nhà chun mơn làm việc lĩnh vực lượng hạt nhân, cho sinh viên đại học theo ngành “Nhà máy điện hạt nhân thiết bị” LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, sách kỹ thuật vận hành NMĐHN chủ yếu tài liệu hướng dẫn tài liệu định mức: quy trình thao tác, hướng dẫn, quy phạm Tuy nhiên, biết, hướng dẫn dù chi tiết bao quát hết tính đa dạng chế độ trạng thái có, số có chế độ biết trước, hệ thống phức tạp vùng hoạt lị phản ứng, khơng thể tính hết tình mà nhân viên phải áp dụng giải pháp Bằng cách mà trường hợp giảm bớt, tùy khả năng, loại trừ sai lầm điều khiển lò phản ứng, đặc biệt tình phi chuẩn? Phương pháp có – đào tạo nhân viên cách có chất lượng, trang bị cho họ hiểu biết sâu sắc q trình vật lý diễn lị phản ứng, điểm đặc biệt vật lý vận hành dạng lò phản ứng cụ thể, nghiên cứu kinh nghiệm kỹ sư hàng đầu tích lũy sau hàng chục năm vận hành dạng thiết bị lị phản ứng khác Tập sách khơng có tham vọng trình bày cách tồn diện đầy đủ tất chương mục truyền thống vật lý lò phản ứng Các tài liệu chi tiết có cơng trình nghiên cứu nhà vật lý nước giới, mà sách có trích dẫn Chính tài liệu chúng tơi giới thiệu cho bạn đọc nghiên cứu lý thuyết vật lý học lò phản ứng đào tạo để hoạt động khoa học lĩnh vực Tuy nhiên, chưa hẳn tài liệu đại vật lý lị phản ứng có ưu điểm, dùng làm tài liệu chủ yếu để đào tạo nhân viên vận hành nhân viên kỹ thuật NMĐHN Nguyên nhân tính hàn lâm, tính dư thừa thông tin chủ yếu thiếu số liệu vấn đề thực tế, liên quan đến đặc tính vật lý vận hành dạng lị phản ứng cụ thể (WWER РБМК) Vào thời điểm biên soạn sách này, chưa có giáo khoa chuyên ngành dành cho nhân viên vận hành lị phản ứng Bù vào chỗ trống đó, ngun giám đốc công ty B.V Antonov, tài liệu dành cho lị phản ứng hạt nhân, tính cấp thiết việc soạn thảo giáo trình chun mơn vấn đề vật lý học vận hành lò phản ứng Theo sáng kiến nhiệm vụ ông giao cho, sách bắt đầu soạn thảo Mục đích sách – trình bày cách cô đọng dạng tương đối ngắn gọn đơn giản, vấn đề thuộc nguyên lý vật lý lị phản ứng khái qt khía cạnh vật lý hạt nhân thực tế vận hành WWER РБМК Cuốn sách gồm ba phần: phần thứ – nguyên lý vật lý lò phản ứng hạt nhân nơtron nhiệt, phần thứ hai – đặc điểm vật lý vận hành WWER, phần thứ ba – đặc điểm vật lý vận hành РБМК Trong phần thứ trình bày kiến thức cần thiết vật lý lò phản ứng, mà thiếu kiến thức hiểu nguyên tắc kết cấu WWER РБМК nguyên tắc vận hành chúng Đã trình bày nội dung cần thiết tối thiểu vấn đề vật lý hạt nhân vật lý nơtron, đưa sở lý thuyết lị phản ứng hạt nhân, mơ tả q trình chủ yếu hiệu ứng đồng hành lò phản ứng hoạt động Đã đưa biểu thức bản, không dẫn giải, để xác định đại lượng quan trọng an toàn đặc trưng cho trạng thái động học lò phản ứng Đã đưa khái niệm nguyên tắc vật lý, thuộc nguyên lý điều khiển lò phản ứng Trong chương 4, chủ yếu dành cho nhân viên phận an tồn hạt nhân chun tính tốn vùng hoạt lị phản ứng, trình bày sở lý thuyết tính tốn lị phản ứng Trong phần thứ hai mô tả cấu WWER-440, WWER-1000 đặc tính vật lý-nơtron vật lý-nhiệt chúng, trình bày vấn đề vận hành, có điều khiển kiểm soát, ảnh hưởng nhiễm độc dao động xenon đến việc điều chỉnh trình chuyển tiếp Đã trình bày yêu cầu phương pháp tính tốn vật lý-nơtron vùng hoạt Nhiều chỗ dành cho phân tích an tồn hạt nhân Trong phần thứ ba mô tả РБМК, phương tiện điều khiển, hệ thống tổ hợp kiểm soát, điều khiển bảo vệ, đặc điểm trình tính tốn vật lýnơtron tiến hành để vận hành РБМК Đã dành quan tâm lớn cho khía cạnh cơng nghệ vấn đề an tồn hạt nhân, có hiệu ứng độ phản ứng Khi soạn thảo sách, tác giả, chuyên gia NMĐHN tham gia: A.V Mikhanchuc (NMĐHN Balakov), A.N Lupishco (NMĐHN Kalinin), V.P Povarov (NMĐHN Volgadon), B A Zaletnưc (NMĐHN Novovoronhet), IU B Chigevski, A.A Shashkin (NMĐHN Kursc), A.D Abaimov,L I Zinacov (NMĐHN Smolen), A.B Zavialov (leningrat), V A Tereconok (ВНИИ АЭС), người mà tác giả biết ơn họ đóng góp nhiều ý kiến cho thảo Các tác giả cám ơn giáo sư E E Petrov (ГНЦ РФ ФЭИ mang tên A.I Luipunski) nhận đọc phần sách có nhiều đóng góp quý báu Các tác giả đặc biệt cám ơn A B Bobrinski (NMĐHN Leningrat) đưa góp ý có giá trị cung cấp tài liệu hữu ích cho số chương phần Các tác giả biết ơn sâu sắc Giám đốc kỹ thuật công ty “Росэнергоатом”, ông N.M Sorokin quan tâm thường xuyên tới sách Cuối cùng, tác giả xin nhận góp ý cho sách này, với lòng biết ơn Các tác giả Phần CƠ SỞ VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG NƠTRON NHIỆT NHỮNG KIẾN THỨC CẦN THIẾT TRONG VẬT LÝ HẠT NHÂN 1.1 Những đại lượng đơn vị nguyên tử đại lượng Trong vật lý lò phản ứng hạt nhân, người ta áp dụng đại lượng đơn vị đo, tương ứng với thang đo tính chất hạt hạt nhân Các kích thước đặc trưng: bậc kích thước nguyên tử phân tử 10-9 m (1 nm), bán kính quỹ đạo electron nguyên tử 10-10 m (1 Å), bán kính nuclit 10-15 m (1Фm) Điện tích: đơn vị điện tích lấy điện tích electron e (│e│=1,62022189.10-19 C) Điện tích tất hạt lại, tồn trạng thái tự do, bội đại lượng e (Điện tích quark, bao gồm hạt hadron (proton, nơtron, mezon) bội 1/3 e) Năng lượng: đơn vị lượng vật lý hạt nhân lấy electrovon, eV Năng lượng electrovon tương ứng với động hạt có điện tích│e│có qua điện trường hai điểm chênh lệch điện áp 1V eV = 1,602.10-19 J (Các dẫn suất eV – 1keV (kiloelectrovon) = 103 eV, MeV (megaelectrovon) = 106 eV) Năng lượng chuyển động nhiệt nguyên tử phân tử < 10-3 eV Năng lượng liên kết nơtron nguyên tử ~ 102 eV Năng lượng hạt phát phân rã β đồng vị ~ MeV Khối lượng: đơn vị khối lượng vật lý hạt nhân lấy đơn vị khối lượng nguyên tử quốc tế (a.e.m.), 1/12 khối lượng nguyên tử cacbon 126 C : a.e.m = 1,66056.10-27 kg Tuy nhiên, để làm đơn vị khối lượng thơng dụng dùng đương lượng lượng khối lượng, suy từ biểu thức biết E = mc2, (1.1.1) đây, c – tốc độ ánh sáng chân không a.e.m ≈ 9,315.108 eV = 931,5 MeV 1.2 Các dạng tương tác hạt Mọi đối tượng giới vật chất, tương tác với truyền lượng Trong đó, lượng truyền cho hạt – lượng tử tương tác Theo truyền thống, chia tất tương tác thành bốn loại: mạnh, điện từ, yếu hấp dẫn (Theo quan niệm đại, có ba dạng tương tác, tương tác điện từ tương tác yếu quy dạng – dạng điện-yếu Đối với kích thước cỡ hạt nhân ~ 10-13 – 10-23 cm, không xuất chất thống lực điện từ lực hạt nhân, nên xét chúng lực độc lập) Các trình hạt nhân lò phản ứng xác định ba dạng tương tác hạt nhân hạt – mạnh, điện từ yếu (bỏ qua tương tác hấp dẫn yếu): tương tác (hạt nhân) mạnh bảo đảm tính bền vững cấu trúc hạt nhân nucleon Lượng tử tương tác mạnh – hạt không khối lượng – gluon Đặc tính lượng tử tương tác mạnh – điện tích màu Các hadron (proton, nơtron, mezon) tham gia tương tác mạnh; tương tác điện từ – theo cường độ yếu tương tác mạnh khoảng 102 – 103 lần Đặc tính lượng tử tương tác – điện tích Lượng tử tương tác – photon Các photon hạt mang điện tham gia tương tác điện từ; tương tác yếu – yếu tương tác mạnh khoảng 1013 – 1014 lần Lượng tử tương tác yếu – boson hiệu chuẩn Tương tác yếu quan trọng trình phân rã hạt nhân phân rã nhiều hạt Tất hạt, photon, tham gia tương tác yếu 1.3 Các hạt chủ yếu hạt nhân Trong số nhiều, 350 loại (chủ yếu hạt không bền) hạt đến biết, loại hạt sau đáng quan tâm ngành vật lý lị phản ứng hạt nhân, chúng tham gia vào phản ứng hạt nhân vùng hoạt lò phản ứng Photon – ký hiệu γ, lượng tử trường điện từ, điện tích 0, khối lượng 0, bền, tham gia vào tương tác điện từ Các lepton: nơtrino (phản nơtrino) – ký hiệu νe (ὺe), điện tích 0, khối lượng (hoặc nhỏ 45 eV), bền electron (positron) – ký hiệu e- (e+), điện tích electron -e, điện tích positron +e, khối lượng 0,511 MeV, e- e+, bền Các baryon: proton – ký hiệu p, điện tích +e, khối lượng 938,28 MeV, bền (hoặc thời gian sống τ > 1032 năm); nơtron – ký hiệu n, điện tích 0, khối lượng 939,57 MeV, thời gian sống τ = 886,7 s Dạng phân rã: n → p + e- + ὺe Lưu ý rằng, theo quan niệm đại, nơtron proton hạt thực Đó hạt hợp phần, hình thành từ ba đối tượng – quark hệ thứ Điện tích quark hàng đơn vị e: d-quark -(1/3), uquark +(2/3) Proton gồm hai u-quark d-quark (uud), nơtron – từ hai dquark u-quark (ddu) 1.4 Các tiên đề mơ hình ngun tử Bor Theo mơ hình nguyên tử Bor, nguyên tử cấu tạo từ hạt nhân mang điện tích dương electron quay quanh Các electron nằm quỹ đạo định có lượng (lượng tử) lượng gián đoạn định.Việc dịch chuyển electron từ quỹ đạo sang quỹ đạo khác kèm theo phát photon với lượng E = hν, (1.4.1) đây, h – số Plank (h = 6,63.10-27 erg.s); ν = 1/λ; λ – bước sóng photon Hạt nhân vật chất đặc chặt (khối lượng riêng trung bình chất hạt nhân 1014 g/cm3), cấu tạo từ nucleon – nơtron proton Bán kính hạt nhân liên quan với khối lượng nguyên tử biểu thức r = 1,25.10-13 A1/3, đây, r – bán kính hạt nhân, cm; A – khối lượng nguyên tử 1.5 Các nucleon (1.4.2) Số proton hạt nhân gọi số nguyên tử ký hiệu Z Số electron nguyên tử trung hòa điện số proton hạt nhân Số khối lượng (A) hạt nhân toàn số lượng nucleon (nơtron proton) A = N + Z, đây, N – số nơtron hạt nhân Một hạt nhân nguyên tử có số nơtron proton cho gọi nuclit Các nuclit có số proton nhau, số nơtron khác nhau, gọi đồng vị (nghĩa là, hạt nhân nguyên tố hóa học) Các nuclit phóng xạ – nuclit có tính phóng xạ Không phải tổ hợp số proton nơtron hạt nhân Ngày biết gần 2500 nuclit phóng xạ bền Mỗi nuclit biểu tượng ký hiệu (X) kèm theo dẫn số nguyên tử Z 238 số khối lượng A ZA X : 11 H , 105 B , 92 U ký hiệu tương đương A X Z : H1 , 10 B5 , 238 U 92 , rút gọn A X , 1H , 10 B, 238 U 1.6 Năng lượng liên kết hạt nhân Khối lượng (M) hạt nhân nhỏ tổng khối lượng nucleon riêng biệt tự Zmp + Nmn > M (1.6.1) Chênh lệch khối lượng tương ứng với lượng liên kết ECB, tỏa hình thành hạt nhân từ nucleon riêng biệt Năng lượng liên kết là: ECB = (Zmp + Nmn – M) c2 (1.6.2) Từ hiểu rằng, xác định lượng liên kết lượng cần sử dụng để tách hoàn toàn hạt nhân thành nucleon Năng lượng liên kết lực hút nucleon, nghĩa có chất tương tác hạt nhân 10 Hình 1.1 Sự phụ thuộc lượng liên kết trung bình nucleon vào số khối lượng A hạt nhân Các lực hạt nhân, vốn liên kết nucleon hạt nhân, điều hòa lực đẩy culông proton, làm cho hạt nhân trở nên bền vững Hạt nhân ổn định lượng liên kết nucleon ε lớn: ε = ECB / A (1.6.3) Như thấy hình 1.1, lượng liên kết trung bình phần lớn hạt nhân nằm khoảng – MeV, hạt nhân nhẹ (A < 15) thay đổi từ MeV 12 H đến ~ MeV 126 C Năng lượng liên kết trung bình nucleon hạt nhân lớn nhiều so với lượng liên kết nguyên tử phân tử Ví dụ, phân chia hạt nhân urani tỏa lượng ~ 200 MeV, đó, xảy phản ứng hóa học có liên quan đến, ví dụ, nổ trinitrotoluol, tỏa 10 eV, phân tử 1.7 Thu nhận lượng hạt nhân Bởi hệ nucleon có xu hướng chuyển vào trạng thái bền (trạng thái tương ứng với lượng liên kết lớn có thể), nên diễn biến hạt nhân xảy kèm theo gia tăng lượng liên kết Khối lượng tổng hệ giảm đi, thật vậy, tính đến mối liên hệ khối lượng với 11 lượng, lượng giải phóng Như thấy hình 1.1, có hai dạng phản ứng hạt nhân kèm theo tỏa lượng: phản ứng phân hạch – trình phân chia hạt nhân nặng, ví dụ, urani plutoni thành hạt nhân nhẹ hơn, kèm theo phát nơtron Phản ứng phân hạch sở vật lý-hạt nhân cho lò phản ứng hạt nhân (chi tiết phản ứng hạt nhân xem xét chương khác); phản ứng tổng hợp – trình tạo hạt nhân nặng từ hai hạt nhân nhẹ Phản ứng tổng hợp xảy va chạm hạt nhân Điều kiện cần để xảy phản ứng tổng hợp – động hạt nhân va chạm cần phải lớn rào cản culông hạt nhân Năng lượng đạt gia nhiệt platma, vốn cấu tạo từ hạt nhân nhẹ (các hạt nhân vốn có lượng liên kết riêng nhỏ), đến nhiệt độ ~ 108 K 1.8 Các dạng phân rã phóng xạ hạt nhân Phân rã alpha Trong trình phân rã α, hạt nhân mẹ ( ZA X ) phát hạt α (hạt nhân hêli 42 He ): A Z X → 42 He + A− Z −2 X′ Phân rã alpha thấy hạt nhân nặng (Z > 82) Nếu hạt nhân X’ tạo trạng thái kích thích, sau phát hạt α phát lượng tử γ Phân rã bêta Trong trình phân rã β, hạt nhân phát electron phản nơtrino pozitron nơtrino: phân rã β- – - X→ A Z +1 X ′ + e + ὺe; phân rã β+ – ZA X → A Z −1 X ′ + e + νe A Z + Trong trường hợp, hạt nhân X’ tạo phân rã β thừa nơtron có lượng cần giải phóng vượt lượng liên kết số kênh phản ứng phát nơtron Việc phát nơtron diễn chậm chút so với thời điểm phân rã β Thời gian chậm xác định thời gian sống hạt nhân bị kích thích X’ Các nơtron trễ mang ý nghĩa có tính quan trọng hoạt động lò phản ứng hạt nhân, (chúng ta nhiều lần trở lại thảo luận đặc tính vai trị chúng việc điều khiển lò phản ứng) 12 Phân hạch tự phát Trong trường hợp phân hạch tự phát, hạt nhân nặng tự phân rã thành số phần (thường hai phần) kèm theo phát đồng thời nơtron nhanh Chính trình phân hạch tự phát làm hạn chế độ bền hạt nhân nặng có hạt nhân siêu nặng theo cách nhân tạo (với Z > 120) 1.9 Định luật phân rã phóng xạ hạt nhân Tính phóng xạ – tính chất nuclit định phát cách tự nhiên hạt lượng tử γ Sự thay đổi trung bình số nuclit phóng xạ mơ tả định luật phân rã phóng xạ: N1 (t ) = N 01e − λ1t , (1.9.1) đây, N – số nuclit phóng xạ mẫu thời điểm t; N01 – số nuclit phóng xạ mẫu thời điểm t = 0; λ1 – số phân rã, s-1; t – thời gian, s Định luật với dạng phân rã (phân rã alpha, bêta tự phát) Đặc tính phân rã phóng xạ sử dụng rộng rãi vật lý lò phản ứng vật lý hạt nhân, ví chu kỳ bán rã T1/2, vốn liên quan với thời gian sống trung bình l số phân rã λ biểu thức: T1/2 = l ln = 0,693 / λ (1.9.2) Cường độ chuyển hóa hạt nhân tự phát (phân rã phóng xạ) đặc trưng đại lượng gọi hoạt độ Hoạt độ (A) – tỷ số số chuyển hóa hạt nhân tự phát dN từ trạng thái lượng-hạt nhân định nuclit phóng xạ, diễn khoảng thời gian dt, khoảng thời gian đó: A = dN / dt (1.9.3) Đơn vị đo hoạt độ – becquerel (Bq) Một becquerel hoạt độ mẫu sau thời gian s diễn phân rã Đơn vị hệ thống phân rã – curie (Ci) Ci = 3,7.1010 Bq Hoạt độ liên hệ với số nuclit biểu thức A = λN = 0,693 N / T1/2 (1.9.4) Nếu thời điểm ban đầu t = có nuclit mẹ, đặc trưng số hạt nhân phóng xạ N01, chuỗi phân rã phóng xạ từ hai nuclit phân rã liên tiếp với số phân rã λ1 λ2, thay đổi số hạt nhân N2(t), sản phẩm cuối chuỗi, phụ thuộc vào thời gian mô tả sau 13 N (t ) = N 01λ1 (e − λ1t − e − λ2t ) / (λ2 − λ1 ) (1.9.5) Sau thay N01 từ (1.9.1) vào (1.9.5) thấy, sau khoảng thời gian dài (t ~ 0,693 / (λ2 – λ1)) tiến tới cân N2(t) = N1(t) λ1 / (λ2 – λ1) (1.9.6) Trong trường hợp, chu kỳ bán rã hạt nhân mẹ lớn nhiều so với chu kỳ bán rã hạt nhân (T1/2)1 >> (T1/2)2 (hoặc λ1