Hiện trạng phát triển lò phản ứng nghiên cứu trên thế giới

Hiện trạng phát triển lò phản ứng nghiên cứu trên thế giới Trong hơn 60 năm qua các lò phản ứng nghiên cứu đã thực sự là những trung tâm tiến tiến trong hoạt động khoa học và công nghệ hạt nhân. Các nghiên cứu đa ngành mà lò phản ứng mang lại đã tạo ra các phát triển mới trong lĩnh vực điện hạt nhân, sản xuất đồng vị phóng xạ, nghiên cứu chùm nơtron, y học hạt nhân, phát tri ển vật liệu, kiểm tra thành phần vật chất, kiểm chứng các chương trình tính toán và kiểm soát ô nhiễm. Cho đến tháng 6 năm 2004 đã có 672 lò phản ứng nghiên cứu được xây dựng trên thế giới và hiện nay 274 lò phản ứng đang vận hành ở 56 nước (85 lò phản ứng thuộc 39 nước đang phát triển), 214 lò phản ứng đã ngừng hoạt động, 168 lò phản ứng đã được tháo dỡ và 17 lò phản ứ ng đã đưa vào kế hoạch hoặc đang trong quá trình xây dựng. Hiện nay điều được mọi người quan ngại là nhiều lò phản ứng đã dừng hoạt động nhưng chưa được tháo dỡ vẫn chứa cả nhiên liệu mới và nhiên liệu đã cháy tại địa điểm. Việc kéo dài thời hạn giữa lúc dừng lò và tháo dỡ sẽ làm ảnh hưởng đến cả giá thành và an toàn ở th ời điểm tháo dỡ chủ yếu do mất đi các chuyên gia có kinh nghiệm (những người đã cao tuổi lúc lò dừng hoạt động) cần thiết tham gia vào việc tháo dỡ. Phân bố số các nước có ít nhất một lò phản ứng nghiên cứu đạt cực đại ở con số 60 nước (tính cho tất cả các nước nói chung) và 40 nước (tính cho các nước đang phát triển) vào giữa những năm 1980. Số các nước có ít nhất một lò nghiên c ứu về cơ bản là không thay đổi từ năm 1965 đến nay đối với các nước công nghiệp và từ năm 1985 cho đến nay đối với các nước đang phát triển. Bốn nước công nghiệp và 3 nước đang phát triển đã từng có lò nghiên cứu thì nay không còn có nữa vì lò phản ứng đã ngừng hoạt động. Hình 1 chỉ ra số các lò phản ứng nghiên cứu ở trong các nước công nghiệp đạt cực đại tại năm 1975 và sau đó giảm dần. Số lò phản ứng trong các nước đang phát triển tăng từ từ, nhưng mà thay đổi ít từ giữa những năm 1980. 450 400 400 393 379 374 350 346 327 324 324 314 300 304 288 283 276 276 257 250 220 200 190 190 155 173 150 100 89 86 86 86 84 79 73 55 50 41 Hình 1. Số các lò phản ứng nghiên cứu ở các nước công nghiệp và các nước đang phát triển. Hình 2 chỉ ra phân bố các lò phản ứng đang vận hành ở các nước. Khoảng 70% là thuộc về các nước công nghiệp với Nga và Mỹ là những nước có số lò nhiều nhất. Nga 21% Mü 19% Ph¸p 5% NhËt 7% §øc 4% Anh 1% C¸c n−íc ph¸t triÓn kh¸c 9% Trung Quèc 5% C¸c n−íc ®an g ph¸t triÓn kh¸c 26% Cana®a 3% Hình 2. Phân bố lò phản ứng nghiên cứu tại các nước thành viên IAEA – 273 lò. Hình 3 chỉ ra sự giảm số lò phản ứng được đưa vào vận hành trong bốn thập niên rưỡi vừa qua và sự tăng số lò phản ứng bị dừng hoạt động. Mô hình này phản ảnh sự phát triển của lĩnh vực hạt nhân từ một ngành khoa học tương đối mới đã trở thành một lĩnh vực công ngh ệ. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa rằng các lò phản ứng nghiên cứu mới là không cần thiết, mà nó vẫn cần thiết và đang được xây dựng ở một số nước tuỳ theo mục đích và nhu cầu của quốc gia. Phần lớn các lò này là những loại cải tiến, đa mục tiêu được thiết kế để tạo ra các thông lượng nơtron cao. 0 6 6 0 14 14 38 38 0 18 0 1945 1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2002 Năm Số lượng lò 2 Nhiều lò phản ứng sẽ đáp ứng tất cả các nhu cầu nghiên cứu phát triển hạt nhân của đất nước cũng như tạo điều kiện cho các nhà khoa học của các nước khác đến làm việc. Ngoài ra, một số lò phản ứng sẽ dùng để sản xuất đồng vị phóng xạ cho đất nước và xuất khẩu trong khu vực. 350 299 300 250 Số lượng lò 200 189 150 101 100 90 78 75 52 34 50 38 29 13 4 0 1945-1954 1955-1964 1965-1974 1975-1984 1985-1994 1995-2002 Năm Hình 3. Số lò phản ứng bị tháo dỡ và ngừng hoạt động. Hình 4 chỉ ra phân bố tuổi của các lò đang vận hành. Nó đạt cực đại ở xung quanh 40 năm và với gần 2/3 các lò phản ứng đang vận hành trên thế giới là có tuổi thọ trên 30 năm. Trong khi một số lò phản ứng cũ có thể là nguyên nhân của các mối lo ngại về mặt an toàn, còn lại đa số các lò phản ứng đã được tân trang lại để thoả mãn các đòi hỏi v ề an toàn và các chuẩn công nghệ mới hiện nay. Nhưng các thách thức liên quan đến tuổi của các cấu kiện và vật liệu cùng với việc duy trì đội ngũ và ngân sách cho các cơ sở lò phản ứng tiếp tục là những vấn đề nghiêm trọng trong nhiều quốc gia. Rất may là hiện nay các vấn đề này đang nhận được sự quan tâm ngày càng tăng lên của toàn thế giới. Số lượng lò Số năm vận hành 3 Hình 4. Phân bố tuổi các lò phản ứng đang vận hành. Lò phản ứng nghiên cứu đã được xây dựng dựa trên hàng chục loại thiết kế khác nhau và sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau. Hình 5 chỉ ra phân bố công suất của các lò đang vận hành. Phân bố công suất nhiệt của các lò phản ứng đang vận hành chỉ ra rằng phần lớn các lò phản ứng (77%) có công suất nhỏ hơn 5 MW, do đó ngay cả trong trườ ng hợp xấu nhất của kịch bản tai nạn thì cũng không có bất kỳ hậu quả nào đáng kể cho khu vực xung quanh lò phản ứng. Năm mươi phần trăm các lò đang vận hành có công suất thấp hơn 100 kW, do đó chúng vận hành với vùng hoạt không thay đổi suốt vòng đời của lò phản ứng hoặc ít phải thay nhiên liệu và do đó vấn đề lưu giữ nhiên liệu đã cháy ít quan trọng hơ n hoặc không có vấn đề nhiên liệu đã cháy cho đến khi lò dừng hoạt động. Trong các nước đang phát triển thì có 33 lò phản ứng thuộc loại này trên tổng số 85 lò. Nhưng rất nhiều lò phản ứng được vận hành với nhiên liệu uran độ giàu cao (HEU), có nghĩa là hàm lượng U-235 lớn hơn 20%. Để giảm và từng bước loại bỏ việc buôn bán các uran có độ giàu cao cho các lò nghiên cứu, Mỹ đã thiết lập Chương trình làm giảm độ giàu cho các lò nghiên cứu và thử nghiệm. Chương trình này đã được sử ủng hộ của IAEA ngay từ đầu và ngay nay Nga cũng là một đối tác tham gia Chương trình. 23MW-85MW >= 100M W 6MW - 20MW 7% 4% 1,1MW - 5MW 12% < 1kW 26% 200kW - 1 WM 15% 1kW - 100kW 24% 12% Hình 5. Phân bố công suất của các lò đang vận hành. Các lò nghiên cứu hiện đang gặp phải các khó khăn trong chu trình nhiên liệu hạt nhân do có nhiều kiểu thiết kế khác nhau sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau cho các mục tiêu riêng biệt. Các khó khăn này bao gồm cả việc quản lý các thanh nhiên liệu ch ưa tái xử lý và một số lớn các bó nhiên liệu bị sai hỏng trong lò hoặc bị ăn mòn trong các bể chứa. Tương tự, việc đa dạng hoá các thiết kế cũng có các khó khăn riêng cho việc tháo dỡ lò phản ứng sau này. 4 Ngày nay khi các nước quyết định xây dựng lò phản ứng nghiên cứu mới cần phải xem xét một cách đầy đủ các lợi ích về xã hội, kinh tế, và kĩ thuật. Tất cả các vấn đề liên quan đến quản lý hoạt động của lò phản ứng nghiên cứu từ khi xây dựng cho đến khi tháo dỡ cần phải được xem xét đầy đủ. Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đang trợ giúp các tổ chức vận hành và cơ quan có thẩm quyền quốc gia trong việc phát triển các kế hoạch mang tính chiến lược một cách thực tế tập trung vào việc sử dụng các lò phản ứng nghiên cứu này một cách phù hợp với các khả năng và mục tiêu của cơ sở và của đất nước. Các kiểu sử dụng lò phản ứng nghiên cứu đã chuyển dịch từ việc cung cấp thông tin quan tr ọng của vật lý hạt nhân trong 3 thập niên đầu tiên và hỗ trợ phát triển điện hạt nhân sang đào tạo, nghiên cứu phát triển vật liệu và sản xuất đồng vị phóng xạ. Do nhu cầu phục vụ nghiên cứu cơ bản về hạt nhân giảm, đa phần các lò nghiên cứu đang vận hành hiện nay trở thành một thiết bị làm dịch vụ về sản xuất đồng vị phóng xạ, chụp ảnh nơtron, pha tạp chất bán dẫn và phân tích kích hoạt nơtron cho nhiều đối tượng sử dụng. Chúng cũng tiếp tục với vai trò truyền thống trong lĩnh vực giáo dục và đào tạo. Các lò phản ứng được sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ thường có mức công suất từ 1 MW trở lên. Hiện nay có 73 lò phản ứng sản xuất đồng v ị phóng xạ trong đó 6 lò có thông lượng nơtron cao hơn 5x10 14 n/cm 2 /s. Một số lò năng lượng (nhà máy điện hạt nhân) cũng được sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ, chủ yếu là sản xuất đồng vị Co 60 . Phân bố công suất của các lò phản ứng nghiên cứu dùng sản xuất đồng vị phóng xạ trong các nước OECD và các nước khác được cho trên Hình 6. 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Ch©u ¢u B¾c Mü Th¸i B×nh D−¬ng < 5MW 5-30MW >30MW 0 2 4 6 8 10 12 §«ng ¢u + Nga Ch©u ¸ + Trung §«ng Ch©u Phi + Mü Latinh Hình 6. Phân bố công suất của các lò phản ứng nghiên cứu dùng sản xuất đồng vị phóng xạ trong các nước OECD và các nước khác. Từ Hình 6 thấy rằng khoảng một nửa lò phản ứng có công suất trong khoảng 5-30 MW. Khoảng một nửa lò phản ứng đã có tuổi thọ trên 35 năm, như ng 30% trong số này đã được tân trang hoặc nâng cấp. Hai lò phản ứng của Úc và Pháp đã bị dừng hoạt động và được thay thế bằng các lò mới. Canada có dự án xây dựng lò phản ứng có thông lượng nơtron cao 5 (3x10 15 n/cm 2 /s) với giá đầu tư là 466 triệu $ phục vụ cho nghiên cứu vật liệu. Việc sử dụng trong tương lai các lò phản ứng nghiên cứu chất lượng cao được hy vọng là sẽ rất mạnh mẽ để giúp cho các nhà nghiên cứu có được các kết quả nghiên cứu mới trên cơ sở các chùm nơtron thông lượng cao và các nguồn nơtron lạnh. Nhiều lò phản ứng với các đặc trưng kỹ thuật khiêm tốn c ũng sẽ tiếp tục phát huy được lợi thế bằng cách khai thác các chỗ thích hợp của các ứng dụng mang tính khu vực và các ứng dụng chuyên biệt như pha tạp bán dẫn, kiểm tra các vòng tuần hoàn trong mô phỏng các điều kiện của lò năng lượng, sản xuất đồng vị phóng xạ và phân tích kích hoạt nơtron. Đồng thời, nhiều lò phản ứng nghiên cứu sẽ tiếp tục đảm nhận vai trò huấn luyệ n và đào tạo các nhà khoa học và các kỹ sư cần thiết cho chương trình phát triển điện hạt nhân. Nhiều lò phản ứng quá cũ hoặc không còn sử dụng sẽ có kế họach cho dừng hoạt động và nhiều trong số này sẽ đòi hỏi nguồn kinh phí cho việc tháo dỡ (ví dụ, một lò TRIGA công suất 1 MW sẽ đòi hỏi kinh phí tháo dỡ khoảng 1- 2 triệu $). Hiện nay 9 lò phản ứng nghiên cứu mới đ ang được xây dựng, và 8 lò phản ứng đã được đưa vào kế hoạch xây dựng phục vụ chủ yếu cho các nghiên cứu khai thác các chùm nơtron (bao gồm cả lò phản ứng nghiên cứu đa mục tiêu của Úc và lò FRM II của Đức). Các lò phản ứng này như thông lệ rất đa dạng về công suất, loại lò và mục đích sử dụng. Có một lò phản ứng loại nguồn nơtron nhỏ 30 kW (MNSR) đượ c sử dụng cho việc giáo dục và đào tạo cán bộ và phân tích kích hoạt nơtron (NAA). Hai hoặc ba lò phản ứng công suất 1-2 MW đa mục tiêu loại TRIGA được sử dụng cho một loạt các ứng dụng như giáo dục và đào tạo cán bộ, sản xuất đồng vị phóng xạ, chụp ảnh nơtron và nghiên cứu vật liệu sử dụng các chùm nơtron. Chúng cũng được sử dụng cho mục đích pha t ạp silic và xạ trị nơtron bằng kỹ thuật BNCT. Hiện nay, nhu cầu trên thế giới về nghiên cứu khoa học hạt nhân, phát triển công nghệ, dich vụ lò phản ứng và giáo dục và đào tạo không còn đòi hỏi phải có một số lớn các lò phản ứng nghiên cứu. Tuy nhiên, các dự án lò phản ứng mới thành công sẽ là các lò phản ứng có các thuộc tính đặc biệt (có nghĩa là có thông lượng nơtron cao, có nguồn nơtron l ạnh hoặc là có các vòng trong vùng hoạt để mô phỏng các điều kiện của lò năng lượng) hoặc là có những ưu thế trong hoạt động thương mại (có nghĩa là có khả năng về sản xuất đồng vị phóng xạ và pha tạp silic). Vì vậy, các lò phản ứng mới được xây dựng với số lượng ít hơn so với trước đây, nhưng chúng có hai loại hoặc là đa mục tiêu hoặc là cho những ứng dụng đặc biệt. Lò phản ứng của Úc và Đức là loại đa mục tiêu. Lò phản ứng đa mục tiêu của Đức (FRM II) có thông lượng nơtron cao được sử dụng phần lớn cho các nghiên cứu với chùm nơtron. Hai lò Maple được đưa vào vận hành gần đây ở Canada dựa trên thiết kế lò nghiên cứu, 6 nhưng chủ yếu được dùng như một nhà máy sản xuất đồng vị phóng xạ Mo-99 bằng phương pháp phân hạch. Có một số lò với vùng hoạt được thiết kế nhỏ gọn (compact) công suất cao từ 10-100 MW sử dụng chất phản xạ là nước nặng (D 2 O) đã được đưa vào kế hoạch xây dựng hoặc đang trong quá trình xây dựng. Mục đích chính của các lò này là tạo ra các chùm nơtron thông lượng cao phục vụ cho nghiên cứu vật liệu, nhưng chúng cũng thích ứng cho phần lớn các ứng dụng thông thường của lò nghiên cứu như đã nêu trên, kể cả sản xuất đồng vị phóng xạ. Có 4 hoặc 5 lò nghiên cứu mới là thuộc loại đơn mục tiêu như là sản xu ất đồng vị phóng xạ, thử nghiệm vật liệu và cấu kiện của lò năng lượng hoặc khử mặn nước biển. Có 1 hay 2 lò nghiên cứu đang được xem xét xây dựng cho mục tiêu thử nghiệm các thiết kế lò năng lượng cải tiến. Rất nhiều lò nghiên cứu đang vận hành hiện nay sẽ tiếp tục hoạt động một cách hiệu quả bởi vì chúng tìm được các chố thích hợ p trong khai thác sử dụng như là kiểm tra các vòng mô phỏng điều kiện làm việc của lò năng lượng, dịch vụ phân tích kích hoạt nơtron, đổi màu đá quý, pha tạp silic và sản xuất đồng vị và cũng bởi sự linh động trong việc khai thác các khả năng ứng dụng khác khi có nhu cầu. Đồng thời các thiết bị này cũng tạo điều kiện cho công tác đào tạo cán bộ khoa học và kỹ thuậ t tham gia vào chương trình nghiên cứu phát triển hạt nhân của quốc gia. Nhiều lò phản ứng nghiên cứu đã được nâng cấp gần đây để nâng cao chất lượng chùm nơtron phục vụ các nghiên cứu với chùm nơtron thông lượng cao hơn. Các cải tiến tập trung vào thiết kế lại vùng hoạt nhỏ gọn, tăng công suất, thay đổi chất phản xạ cũng như nâng cấp hoặc bổ sung thêm nguồn n ơtron lạnh. Một khi thông lượng các chùm nơtron được tăng lên thì rất tự nhiên là sẽ phải bổ sung thêm các thiết bị nghiên cứu mới như thiết bị tán xạ nơtron góc siêu nhỏ hay phổ kế spin encho. Các cải tiến khác bao gồm việc đưa thêm vào lò phản ứng kỹ thuật xạ trị nơtron (BNCT) họăc tăng cường chất lượng của kỹ thuật này. Một số lò cũ cũng đượ c cải tiến bằng cách lắp thêm bộ biến đổi phân hạch để tạo ra thông lượng nơtron trên nhiệt cao hơn, còn các lò khác thì lại thay thế cột nhiệt hoặc là các kênh dẫn chùm notron để phục vụ cho các nghiên cứu về xạ trị hoặc cho các nghiên cứu và điều trị khác. Xu thế phát triển lò phản ứng nghiên cứu đã thay đổi trong những năm gần đây. Các sứ mạng ban đầu của mộ t số lò phản ứng đã hoàn thành hoặc không còn ý nghĩa. Trong các trường hợp khác, các ứng dụng hiện nay có thể được làm tốt hơn hoặc rẻ hơn nhiều khi sử dụng các công nghệ mới hơn. Nguồn kinh phí hạn hẹp và các thay đổi về ưu tiên đã làm cho một số chính phủ đã cắt giảm sự hỗ trợ cơ bản cho các lò phản ứng nghiên cứu. Việc tạm dừ ng hoặc giảm thiểu điện hạt nhân trong nhiều nước công nghiệp đã làm giảm nhu cầu về giáo dục và đào tạo hạt nhân 7 cùng với việc ra đời các thiết bị mô phỏng đã lấy đi các chức năng đào tạo trước đây của lò nghiên cứu. Bảng 1 cho các thông tin về tần số tương đối của các ứng dụng lò phản ứng nghiên cứu. Dòng cuối cùng về các sử dụng khác bao gồm các hoạt động từ thăm quan cho công chúng đến nghiên cứu vật lý lò, định chuẩn thiết bị, tạo nguồ n positron, tạo ra điện năng và chụp hình theo độ sâu nơtron. Bảng 1: Tần số ứng dụng lò nghiên cứu ứng dụng Số lò phản ứng có úng dụng Phân tích kích hoạt nơtron 71 Dạy học 68 Huấn luyện 63 Kiểm tra vật liệu và nhiên liệu 53 Sản xuất đồng vị phóng xạ 48 Nghiên cứu tán xạ nơtron 34 Chụp ảnh nơtron 32 Pha tạp silic và đổi màu đá quý 21 Nghiên cứu tuổi địa chất 14 Xạ trị nơtron (BNCT) 9 Các ứng dụng khác 47 Vương Hữu Tấn (Theo tư liệu của IAEA) 8 . Hiện trạng phát triển lò phản ứng nghiên cứu trên thế giới Trong hơn 60 năm qua các lò phản ứng nghiên cứu đã thực sự là những trung tâm tiến tiến. đang phát triển. Bốn nước công nghiệp và 3 nước đang phát triển đã từng có lò nghiên cứu thì nay không còn có nữa vì lò phản ứng đã ngừng hoạt động. Hình 1 chỉ ra số các lò phản ứng nghiên cứu. BNCT. Hiện nay, nhu cầu trên thế giới về nghiên cứu khoa học hạt nhân, phát triển công nghệ, dich vụ lò phản ứng và giáo dục và đào tạo không còn đòi hỏi phải có một số lớn các lò phản ứng nghiên