Công nghệ lò phản ứng nhanh và hệ thống lò phản ứng điều khiển bằng máy gia tốc

☆☆☆ Đề Tài: SVTH : Nguyễn Thanh Tòng CBHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm CBPB : Th.S Huỳnh Trúc Phương Thành phố Hồ Chí Minh, 7/ 2006 Lời cảm ơn!  Thời gian qua thật nhanh, bốn năm ngồi giảng đường đại học hết, em đạt hơm nhờ vào giứp đỡ biết người với nổ lực thân: + Mẹ, anh chị lo cho cơm áo gạo tiền + Thầy cho em nguồn tri thức + Bạn bè cho em niềm vui nghị lực vươn lên Và để hồn thành đề tài này, em nhận lời dẫn q báo thầy, Em chân thành cảm ơn đến thầy: + Thầy Mai Văn Nhơn, người cho phép em thực đề tài + Thầy Nguyễn Đình Gẫm, người hướng dẫn em thực đề tài + Thầy Huỳnh Trúc Phương, người cho em ý phản biện để hồn chỉnh đề tài + Các thầy trường, khoa, đặc biệt thầy mơn vật lý hạt nhân cung cấp cho em kiến thức để hồn thành đề tài Em chân thành cảm ơn đến anh, chị, bạn mơn vật lý hạt nhân có gợi ý em chia suốt thời gian làm đề tài Sau em chúc thầy ln hạnh phúc dồi giàu sức khoẻ để truyền đạt lại nhiều kiến thức cho chúng em, để chúng em có đủ nghị lực hành trang bước vào ngưỡng cửa xã hội đầy thử thách Em xin chân thành cảm ơn! Tp.HCM, – 2006 Mục lục Lời nói đầu Phần I: Cơng nghệ lò phản ứng nhanh .5 Chương 1: Lịch sử trạng lò phản ứng nhanh 1.1 Lịch sử lò phản ứng nhanh 1.2 Nhiên liệu cho lò phản ứng nhanh 1.3 Lựa chọn chất làm nguội lò phản ứng 1.4 Khuynh hướng thời phát triển cơng nghệ lò phản ứng nhanh 10 1.4.1 Sự lựa chọn chất lỏng làm nguội thay hệ thống lò phản ứng nhanh .10 1.4.2 Những lợi Pb Pb-Bi so với Na 11 1.4.3 Những bất lợi Pb Pb- Bi 11 1.4.4 Những lợi 2He4 CO2 12 1.4.5 Những bất lợi 2He4 CO2 13 Chương 2: Viễn cảnh lò phản ứng nhanh 15 2.1 Nhật Bản 15 2.1.1 Những lò phản ứng thử nghiệm 15 2.1.2 Hệ thống lựơng ngun tử SCNES 16 2.2 Pháp Tây Âu 18 2.2.1 Những lò phản ứng kiểm chứng 18 2.2.2 Sự cộng tác lò phản ứng nhanh Châu Âu 19 2.3 Ở Mỹ 20 2.3.1 Những thành tựu đạt 20 2.3.2 Đồ án IFR .21 Phần II Cơng nghệ lò phản ứng điều khiển máy gia tốc 25 Chương 3: Ngun lý hoạt động cấu tạo chung ADS 26 3.1 Ngun lý hoạt động ADS .26 3.2 Cấu tạo chung ADS 26 3.3 Hiện tượng vật lý xảy hệ thống ADS vận hành 28 Chương 4: Những khía cạnh lò phản ứng tới hạn 30 4.1 Sự phân bố thơng lượng neutron 30 4.2 Độ phản ứng lõi tới hạn 31 4.3 Tầm quan trọng nguồn neutron 32 4.4 Động lực học lõi tới hạn 33 4.5 Hoạt độ rủi ro thơng lượng 35 4.6 Kiểm tra điều khiển khả phản ứng 38 4.7 Thí nghiệm 39 4.8 Những vấn đề cơng nghệ 43 4.9 Mối quan hệ lò phản ứng tới hạn máy gia tốc 44 Chương 5: Cơng nghệ phá vỡ hạt nhân bia .46 5.1 Những bia chất rắn 47 5.2 Những bia kim loại lỏng 48 5.3 Những bia chì 51 5.4 Bia chì – bitmut 52 5.5 Những cấu trúc vật chất cho bia Pb-Bi 53 5.6 Liều lượng phóng xạ tới cấu trúc vật chất cửa sổ chùm tia 54 5.7 Hiệu đường chùm tia .54 Chương 6: Cơng nghệ máy gia tốc 56 6.1 Tình trạng cơng nghệ gia tốc thẳng 58 6.2 Tình trạng cơng nghệ cyclotron 61 6.3 Sự phụ thuộc số neutron sinh theo lượng proton tới .63 Chương 7: Ưu khuyết điểm hệ thống lò phản ứng điều khiển máy gia tốc 66 7.1 Ưu điểm ADS .66 7.1.1 Đặc tính an tồn ADS 66 7.1.2 Nhiên liệu ADS 66 7.1.3 Khả thiêu huỷ chất thải ADS 67 7.2 Khuyết điểm ADS .70 Phụ lục từ viết tắt Tài liệu tham khảo 71 Phụ lục từ viết tắt: P&T: Partitioning and Transmution FR: Fast Reactor ADS: Accelerator Driven Systems EBR: Experimental Breeder reactor LWR: Light Water Reactor LBE: Lead Bitmut Eutecti EFR: Experimental Fast Reactor LLFP: Long-lived Fission production MA: Minor Actinides FBR: Fast Breeder Reactor PWR: Pressurised Water Reactor TRU: Transuran FFTF: The Fast Flux Test Facility IFR: Intergral Fast Reactor PRISM: Power Reactor Innovative Small Module ALMP: Advanced Liquid Metal Reactor SC: Sub-critical MUSE: Multoplication acec Source Externe Lời nói đầu Lời nói đầu Cùng với phát triển xã hội lồi người, nhu cầu sử dụng lượng khơng ngừng tăng lên, nguồn lượng chủ yếu như: than đá, dầu mỏ, khí đốt cạn kiệt vài thập niên tới Theo dự đốn, vào năm 2050, tiêu thụ lượng giới gấp đơi nhu cầu điện tăng gấp ba Mức tiêu thụ ghê gớm này, mà phần lớn nước phát triển, khơng thể thoả mãn nhờ “nguồn lượng mới” gió, mặt trời, địa nhiệt Trong tình lượng hạt nhân xem giải pháp tối ưu cho vấn đề lượng tương lai Cách 50 năm, ngày 27/6/1954, nhà máy điện hạt nhân giới đưa vào hoạt động Ơpnhinxcơ, thành phố nhỏ gần Moskva Hiện nay, tồn giới có 441 lò phản ứng hạt nhân phát điện hoạt động 30 nước với tổng cơng suất 359 triệu KW, chiếm 17% tồn sản lượng điện Theo tài liệu IAEA tháng năm 2003, nước có điện hạt nhân đứng đầu giới là: Mỹ 104 lò phản ứng 98.230 MWe Pháp 59 63.073 Nhật 54 44.287 Đức 19 21.283 Nga 30 20.793 Hàn Quốc 18 14.890 Anh 31 12.252 Ucraina 13 11.207 Canada 14 10.018 10 Thụy Điển 11 9.432 Theo IAEA tháng năm 2003, nước có tỷ lệ điện hạt nhân cao so với tồn lựơng là: CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng Lời nói đầu Lát-vi 80,12% Pháp 77,97% 3.Slovakia 65,41% Bỉ 57,32% Bungari 47,30% Thụy Điển 45,75% Ucraina 45,66% Slovenia 40,74% Hàn Quốc 38,62% 10 Hungari 36,14% Và biết rằng, để có nguồn lượng hạt nhân điều khơng thể thiếu lò phản ứng hạt nhân Lò phản ứng hạt nhân tim nhà máy điện hạt nhân Hiện có nhiều loại lò phản ứng hạt nhân loại ưa chuộng lò phản ứng dùng nguồn neutron nhanh, loại lò phản ứng cho tương lai lò phản ứng điều khiển máy gia tốc Mặt dù lượng hạt nhân cần thiết cho xu hướng phát triển giới, nhiên ln bị phản đối mạnh mẽ hai ngun nhân sau: + Thứ nhất: mặt an tồn, lượng hạt nhân nguồn lựơng lớn, xảy cố để lại hậu nghiêm trọng mà kéo dài hàng trăm năm sau Minh chứng cho vấn đề nhiều cố xảy ra, nghiêm tai nạn nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island Mỹ xảy vào lúc sáng ngày 28/3/1979 tai nạn nhà máy điện hạt nhân Tchernobyl nằm phía Bắc cách thủ Kiép Ucraina 150 Km vào ngày 26/4/1986 CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng Lời nói đầu + Thứ hai: vấn đề chất thải phóng xạ Theo tính tốn, lò phản ứng hạt nhân kiểu nước áp suất cơng suất 1000 MW, năm cho 21 chất thải phóng xạ có: - 20 urani có độ giàu từ 3% U235 0,9% - 200 kg plutoni - 21 kg chất actinid có 10 kg neptuni, 10 kg amerixe, kg curi - 760 kg sản phẩm phân hạch có nhiều ngun tố sống dài như:  kg xesi-135, chu kỳ bán rã 2,3 triệu năm  18 kg tecnixi-99, chu kỳ bán rã 2,14 triệu năm  16 kg ziriconi-93, chu kỳ bán rã 1,5 triệu năm  5,5 kg paladi-107, chu kỳ bán rã 6,5 triệu năm  kg iốt-128, chu kỳ bán rã 1,5 triệu năm Trong số chất thải plutoni nguy hiểm, cần từ – kg plutoni đủ chế tạo bom hạt nhân Vào ngày thứ sáu đẹp trời, 26/11/1993, ý tưởng tầm cỡ kỷ đời Đó ý tưởng xây dựng lò phản ứng hạt nhân hồn tồn an tồn, vừa đảm bảo khơng xảy cố, vừa hạn chế sinh chất thải hạt nhân dài ngày đe doạ tương lai nhân loại Ý tưởng nêu nhà khoa học người Ý Carlo Rubbia, người giải thưởng Nobel vật lý năm 1984 tìm hạt boson Z W Có người gọi lò phản ứng hạt nhân Carlo Rubbia “ lò phản ứng điều khiển máy gia tốc “, có người gọi “ máy khuếch đại lượng” Vậy ý tưởng gì? Sau xin mượn vấn tạp chí pháp “ Science et Aveir” ( khoa học tương lai ) với Carlo Rubbia, đăng số tháng 2/1994 để trả lời câu hỏi trên: + Phóng viên hỏi: ơng nói thiết bị mà ơng đề nghị khơng gây tai nạn sach sẽ? CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng Lời nói đầu + Carlo Rubbia trả lời: thiết bị “dưới tới hạn” khơng thể có tai nạn Tchernobyl Còn khơng sinh plutoni chất thải dài ngày độc hại, khơng gây nguy phổ biến vũ khí hạt nhân, tơi tin điều quan trọng Sau tìm hiểu hai kiểu lò phản ứng hạt nhân tương lai: lò phản ứng hạt nhân sử dụng chùm neutron nhanh ưa thích lò phản ứng hạt nhân điều khiển máy gia tốc, cơng nghệ tương lai CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 57 Chương 6: Công nghệ máy gia tốc tắc đơn giản này, bổ sung với vài ý tưởng để cải tiến tập trung này, sở hàng trăm mức lựơng thấp, cơng suất chùm tia thấp, máy cyclotron y khoa rãi rác khắp giới Đặc trưng máy cấu trúc gia tốc mới, ni máy phát điện CWRF thơng qua q trình cộng hưởng, bước chuyển đầy lượng đến chùm tia Những vòng tia đẳng thời với chi tiết cụ thể tới tầng số RF tất hàng trăm luợt cần thiết để gia tăng lượng Thơng thường cyclotron sinh tia CW, chúng hoạt động với từ trường tần số RF khơng đổi Vì hiệu ứng tương đối làm tăng khối lượng hạt, tụ tiêu ngang phải tác động miến chèn xoắn ốc cực nam châm Những cyclotron cường độ cao sử dụng khu vực phân chia từ gia tốc lên đến 2-3 tầng cyclotron Một proton lượng GeV giới hạn hợp lý cho nhiều giai đoạn thiết kế cyclotron Một vấn đề đầy phức tạp cyclotron lượng cao hệ thống tách chùm tia Để cho giới hạn mát kích hoạt nhỏ nhất, hệ thống làm chệch hướng dẫn chùm tia ngồi từ trường, làm chệch hướng với kênh nam châm điện áp cao, phép tiếp xúc với phần khơng đáng kể chùm tia Giới hạn thời cyclotron đòi hỏi thiết kế để sản sinh chùm tia ngồi phạm vi máy, với chia cắt tia đủ cho tách vòng quay đơn, cuối phụ thuộc vào khả điện áp số hốc RF, tách vòng quay xác định lượng thu vòng 6.1 Tình trạng cơng nghệ gia tốc thẳng Hầu hết máy gia tốc proton thẳng thiết kế giống vòi phun synchrotron lớn, máy xung ngắn với lượng chùm tia tương đối thấp Năng lượng 800 MeV máy gia tốc thẳng LANSCE Los Alamos, chúng có khả chuyển giao lượng chùm tia trung bình cao MW, với khoảng hao hụt 10% Tất máy xây dựng với cấu trúc gia tốc như: phòng nhiệt, nước làm nguội, xung CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 58 Chương 6: Công nghệ máy gia tốc Trong máy gia tốc thẳng, dòng cực đại gia tốc nạp điện cho chùm giá trị cao dòng trung bình u cầu mA thấp Để cung cấp lượng, chiều dài máy phụ thuộc vào trường gia tốc trung bình lượng u cầu để kích thước cấu trúc phòng nhiệt RF cân trường Để giảm lượng chủ yếu giá đầu tư, hầu hết máy hoạt động kiểu xung chọn Những máy gia tốc thẳng xem cạnh tranh thật dãy lượng chủ yếu chùm tia khoảng 10-20 MW, kết ấn tượng đạt mười năm qua trường hốc siêu dẫn Hằng trăm hốc siêu dẫn hoạt động CERN ( LEP 2) Jefferson Lab (CEBAF), với trường gia tốc hạt lớn MV/m Do mát thấp hệ thống siêu đẫn ( lần thấp so với nhiệt độ phòng), lượng nhỏ u cầu để tạo trường gia tốc cao nhiều tất lượng sóng RF sau chuyển đến chùm tia Điều cho phép thiết kế máy gia tốc thẳng ngắn hiệu nhiều Bao gồm mát tĩnh học nhiệt độ thấp hiệu suất biến đổi nhiệt độ thấp, lượng chủ yếu u cầu để thiết lập trường gia tốc LEP khoảng chừng vài KW MeV Đồ án máy gia tốc thẳng xem xét sau giải pháp bản, chấp nhận rộng rãi giới, chúng chuyển đổi di chuyển đột ngột tới việc sử dụng cơng nghệ siêu dẫn lượng khoảng 100 MeV Những biện pháp để phân lượng thấp máy gia tốc thẳng phải bố trí phòng nhiệt có hốc đồng, phần lựơng cao phải hốc siêu dẫn, chuyển đổi lượng thiết đặt 190 MeV Vì khu vực beta thấp SC linac có nhiều chích hiệu ứng điều hướng lực Lorentz ( hiệu ứng lệch cộng hưởng lực Lorentz), vấn đề quan trọng trường hợp hoạt động kiểu xung Bốn kiểu máy gia tốc là:  Gia tốc dòng điện chiều, lượng lên tới:  Mạch tứ cực tần số radio (RFQ), lượng lên tới: CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 100 KeV MeV 59 Chương 6: Công nghệ máy gia tốc  Cách xếp đặt máy gia tốc thẳng thơng thường: 100 MeV  Máy gia tốc thẳng siêu dẫn, lên tới lượng thiết kế Tình trạng máy gia tốc thẳng, dòng điện thiết đặt giới hạn 100 mA Những dòng cao đạt cách kết hợp cơng suất từ hai DTL cần Nó thật quan trọng liên quan đến giới hạn dòng đạt tối đa máy gia tốc thẳng cung cấp xung Ngun mẫu nguồn proton 100 mA giá trị phòng thí nghiệm Nó đạt cho vào hiệu điện 80 KV Trong hoạt động mức dòng 20% giá trị thiết kế, khơng có chùm tia quan sát Ngoại suy từ liệu ban đầu cho thấy dòng thiết kế cực đại, tia lửa điện cực xảy tuần Ngun mẫu CW DTL ( Drift – tube linac) CCDTL ( Coupler-cavity Drift- tube linac) gần phát triển chương trình phân chia chuyển đổi hệ thống lò phản ứng điều khiển máy gia tốc Kế hoạch máy gia tốc DTL chứng minh tốt Trên thực tế sử dụng sớm từ năm năm mươi cho máy gia tốc proton synchorotrons Với chương trình máy tính ba chiều đáng tin cậy cho việc tồn kết nối điện từ nhiệt hố học Mỗi cấu trúc RF phát triển kiểm tra, giới hạn máy gia tốc mong đợi tới vùng lượng cao, thành phần RF chuẩn Bảng thiết kế máy gia tốc thẳng siêu dẫn xuất phát từ thí nghiệm thu CERN, TJLab DESY, nơi mà máy gia tốc electron thẳng siêu dẫn hoạt động đáng tin cậy Thiết kế sử dụng cơng nghệ hốc hình bầu dục phát triển cho máy gia tốc electron thẳng ( beta =1), miếng gạc dọc để làm thích nghi chúng tới beta thấp cho vị trí khác máy proton Ngun mẫu làm việc hốc xây dựng vài giá trị beta Những giá trị beta 0,5 khơng xem xét nén hình dạng hốc hình êlíp q khó hiệu suất tốt Những loại khác hốc cộng hưởng dùng mức beta = 0,5 tương lai Ba họ beta u cầu cho lượng 100 MeV là: khu vực thứ beta ~ 0,5 sử CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 60 Chương 6: Công nghệ máy gia tốc dụng để gia tốc chùm tia lên đến ~ 200 MeV, khu vực thứ hai thứ ba phụ thuộc vào lượng chùm tia u cầu Những lượng lên đến GeV thích hợp với sơ đồ ba mục 6.2 Tình trạng cơng nghệ cyclotron Việc ứng dụng máy gia tốc cyclotron cho hệ thống điều khiển lò phản ứng nghĩ đến từ lâu, tính gọn nhẹ khả kinh tế Năng lượng kiểu máy cho cấp gia tốc sau: + Nguồn điện chiều gia tốc proton: 60 KeV + Cockcroft-Walton mạch bốn cực tần số radio ( RFQ): 0,8- MeV + Cyclotron với – khu vực: 80 – 100 MeV + Vòng cấp cuối cyclotron, 12 khu vực: GeV Phương tiện gia tốc PSI xem chứng minh cho ngun lý với dòng proton lượng cao sử dụng cyclotron Từ chương trình nâng cấp năm 1990, 1995, vòng cyclotron 590 MeV PSI sản sinh dòng tia cường độ 1,5 – 1,7 mA, dòng cao lúc mA Phương tiện điền khiển lượng khoảng MW 6000 h/y Với chùm tia có giá trị khoảng 91% thời gian hoạch định chùm tia Vấn đề mát chùm tia vị trí tách dòng giải với bảng thiết kế mà bảo đảm phân chia vòng quay tốt vị trí tách Giai đoạn PSI phân chia khu vực cyclotron với lượng 590 MeV Khái niệm khu vực phân chia nam châm giới thiệu H Willax năm 1963, để thu lượng cao vòng quay giảm mát dòng Những nam châm cấu trúc máy gia tốc sử dụng khu vực phân chia riêng biệt, cho có nhiều ngăn cho cấu trúc RF, hốc gia tốc xây dựng nhiều hiệu Trong thực tế, lên tới 10 lần cao giá trị Q hiệu điện gia tốc so sánh với thiết kế cổ điển đạt Điện áp gia tốc cao dẫn đến lợi ích lượng cao thu vòng quay Chúng tham số quan trọng để phân vòng quay nhằm CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 61 Chương 6: Công nghệ máy gia tốc tránh mát chùm tia chổ tách Bởi việc tăng thêm số lượng khu vực với nhiều hốc RF hơn, với tăng nhanh lượng thu vòng, từ sử dụng điện áp gia tốc cao điều chỉnh số hốc cho phép cyclotron với lượng thu vòng cần thiết để đạt đến chùm tia mong muốn Một vài khái niệm thiết kế nghiên cứu cyclotron để ứng dụng vào việc điều khiển lò phản ứng hệ thống ADS Hầu hết đề nghị sử dụng lượng GeV dòng 10 mA, cơng suất chùm tia Pbeam > 10 MW, dựa vào thiết kế vòng cyclotron PSI, với cường độ mA 590 MeV ( P beam > MW), sử dụng khu vực nam châm hốc với điện áp 730 KV, 10 – 12 khu vực nam châm đề nghị cho cyclotron 10 MW, xếp vòng với đường kính 15 m, – hốc với đỉnh điện áp MV Dòng tia cao đạt vòng lớn với nhiều hốc lựơng cao thu vòng Những khu vực nam châm thiết kế siêu dẫn để thu cyclotron GeV, xây dựng phòng thí nghiệm RIKEN Tokyo Giới hạn dòng tia hiệu ứng tích điện khơng gian phụ thuộc vào luỹ thừa bậc ba lựơng thu vòng Luật sử dụng để ngoại suy thuộc tính biểu diễn chùm tia cyclotron cho mức cơng suất chùm tia cao Giới hạn dòng chùm tia đạt đến mát chùm tia vị trí tách tăng thêm từ mở rộng đường kính chùm tia lực điện tích khơng gian vượt q phân chia vòng quay cho bán kính lựơng thu vòng 6.3 Sự phụ thuộc số neutron sinh theo lượng proton tới Nhờ máy gia tốc mà nguồn neutron dồi giàu cung cấp để điều khiển lò phả ứng tới hạn, cách thay đổi cường độ dòng hạt tới Để đạt lượng cao, hạt mang điện tập hợp thành nhóm gia tốc Tất hạt mang điện điều gia tốc, hầu hết bia phát tán đề nghị dựa vào máy gia tốc proton, có độc lập lớn CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 62 Chương 6: Công nghệ máy gia tốc lượng chất tự nhiên chùm hạt vào, ví dụ dùng chùm hạt deuteron thay proton làm tăng lượng neutron lên khoảng 10%, để đơn giản proton chọn lượng proton vào thay đổi linh hoạt khoảng rộng ( vài tram MeV đên vài GeV ) cho lượng neutron tỷ lệ với lượng chúng Ở lượng proton cao, dòng neutron sinh có phổ gần với phổ phân hạch đẳng hướng Số neutron phát tán phụ thuộc vào cấu hình bia, vùng hoạt khả máy gia tốc Theo thực nghiệm, số neutron phát tán sinh proton tới tăng gần tuyến tính theo lượng proton, số neutron đơn vị lượng có cực đại quanh EP = GeV Vì người ta thường chọn máy gia tốc proton có lượng GeV Hình 6.1 Lượng neutron sinh tren proton tới Trong vùng hoạt, giả sử lượng sinh chủ yếu q trình phân hạch, điều hồn tồn phù hợp k ~ k eff , ta có mối quan hệ sau: Cơng suất lò phản ứng máy gia tốc: CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 63 Chương 6: Công nghệ máy gia tốc f k P  P beamG  P beam ( MW )  n  (1  k ) P beam(MW )  I p(mA) E p (GeV ) (6.1) (6.2) + với xác suất trung bình để neutron gây phản ứng phân hạch: k / + thừa số nhân neutron: 1/(1  k ) + số neutron sinh phân chia:   2,3  3,0 + lượng phân hạch:  f  0,2GeV + lượng hao phí chùm hạt tới để sinh neutron phát tán:  n E p / n sp + số neutron phát tán khỏi bia: n sp  20 E p (GeV ) + tổng số neutron tạo vùng hoạt proton: n n sp /(1  k ) + IP, EP dòng trung bình, lượng kích thích chùm proton gia tốc + G độ lợi lò phản ứng Từ rút cơng thức đơn giản để ước lượng nhanh chóng đặc tính lò phản ứng: P beam (0,6  0,8)(1  k ) P (6.3) ví dụ: P = GWe( điện), k = 0,95 -> Pbeam = 30 – 40 MW; G = 40, EP = 0,8 GeV, P = 250 MW -> IP = 7,18 mA, Pbeam = 6,25 MW Ta thấy IP ~ (1-k)/k, nghĩa lò phản ứng hoạt động với k < 1, k nhỏ hệ thống an tồn cần nhiên liệu ban đầu, k nhỏ phải bù CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 64 Chương 6: Công nghệ máy gia tốc vào lượng neutron ngồi nhiều hơn, tức máy gia tốc phải có dòng hạt proton lớn để trì phản ứng dây chuyền Tuy nhiên để đạt dòng lớn chế độ liên tục ổn định khó khăn mặt kỹ thuật CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 66 Chương 7: Ưu điểm khuyết điểm ADS Chương 7: Ưu khuyết điểm hệ thống lò phản ứng điều khiển máy gia tốc 7.1 Ưu điểm ADS 7.1.1 Đặc tính an tồn ADS Hệ thống ln hoạt động chế độ tới hạn Keff < Cấu trúc tâm lò thiết kế cho độ tới hạn Keff = 0,98 Trong lò phản ứng neutron nhanh thơng thường, độ tới hạn gần 1, nhờ neutron chậm, chiếm khoảng 0,2% tổng số neutron Như ta thấy độ ổn định ADS tốt gấp 10 lần Khi có cố cần tắt máy gia tốc phản ứng dây chuyền tự tắt, khơng có cố xảy Chì dùng để làm nguội tâm lò Nó khơng hấp thụ neutron, khơng tác dụng nhanh với khơng khí nước Chì nóng chảy lưu thơng nhiệt độ 560 oC dâng lên từ tâm lò giản nở tự nhiên dâng lên phía thùng lò mà khơng cần bơm, nguội chì chở đáy thùng tâm lò Các tình tốn nhóm Rubbia cho thấy hệ số chân khơng âm, chì có bị rò rỉ khơng dẫn đến nổ lò, dù cục Có thể ngắt điện máy gia tốc thời gian ngắn Hơn trường hợp tâm bị cháy q mức giản nở chì làm chảy vào ống dẫn proton làm chúng khơng vào lò phản ứng được, nung nóng q mức dẫn đến việc cacbua – bo dâng lên nhanh vào tâm lò, hấp thụ neutron ngăn chặn bùng nổ xảy 7.1.2 Nhiên liệu ADS Với việc cung cấp nguồn neutron dồi giàu từ máy gia tốc, tạo điều kiện cho nhiều phản ứng hạt nhân xảy Nó cho phép sử dụng actinid ngun liệu cách trực tiếp nhiên liệu hạt nhân, chẳng hạn : Th 232 ngun liệu hấp thụ neutron tạo U233, U238 hấp thụ neutron tạo Pu239 chất có đặc tính phân hạch giống với U235 CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 67 Chương 7: Ưu điểm khuyết điểm ADS Việc sử dụng thorium làm nhiên liệu hạt nhân ưu : Thorium có nhiều tự nhiên, ba lần nhiếu so vơi uranium, thorium nhiên liệu sinh MA Nó có độ phổ cập 100% khơng cần phải làm giàu 7.1.3 Khả thiêu huỷ chất thải ADS Trong điều kiện hoạt động bình thường, hạt nhân phân hạch dẫn đến trữ lượng khơng đổi định, chúng liên tục bị đốt cháy đồng thời sinh từ nhiên liệu thorium Nói chung, chất actinid coi chất bón cho lần nạp nhiên liệu cho ADS Các mảnh phân hạch hầu hết khơng bền Một số có hoạt tính phóng xạ mạnh, độc tố cao, có thời gian sống ngắn so với actinid Sau khoảng 300 năm độc tố giảm xuống nhỏ quặng uranium thơng thường Vì việc xử lý chơn cất an tồn Còn mảnh phân hạch có thời gian sống dài chuyển đổi thành đồng vị ngắn ngày nhờ vào máy gia tốc Việc dùng thorium làm nhiên liệu cho ADS làm cho urani nhiêu liệu hỗn hợp đồng vị urani khác ( U233, U234, U235, U236), cần tách hố đồng vị mạnh để đạt mức làm bơm urani Ngồi ra, đồng vị plutoni ( Pu238, Pu239, Pu240, Pu242) sinh bị đốt nên chúng dẫn đến nồng độ cân 10 -4 Chính mà khả bùng nổ nguy bom hạt nhân hạn chế ☆ Phá huỷ chất thải hạt nhân siêu urani ( TRU) Một hệ thống ADS có khả huỷ chất thải TRU bẳng phản ứng phân chia vừa sản sinh lựơng Trong lò phản ứng nươc áp suất sinh TRU Hàm lượng cân plutonium ADS vào khoảng 10-5 so với thành phần nhiên liệu ban đầu, bảo đảm tỷ số đốt cao tự nhiên TRU, lò tái sinh nhanh plutonium chiếm khoảng 15% thành phần nhiên liệu, bắt buộc sử dụng lượng lớn plutonium làm cho hệ thống CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 68 Chương 7: Ưu điểm khuyết điểm ADS trở nên nguy hiểm Một nghiên cứu Tây Ban Nha trường hợp thực tế cho thấy huỷ 34 kg TRU/TWt.giờ mức cơng suất nhiệt 1500 MW, so với lò phản ứng áp suất sinh 14 kg TRU/TWt.giờ Hình 7.1 Tiến triển nồng độ actinid theo độ sâu cháy qua trình hoạt động ADS ☆ Phá huỷ chất thải hạt nhân có thời gian sống dài (LLFF) Trong hệ thống ADS, TRU bị đốt cháy độc tố phóng xạ chất thải phóng xạ dài ngày ( >= 500 năm ) phần lớn LLFF mức độ phóng xạ chấp nhận ảnh hưởng đến mơi trường thấp độ đơc hại nhà máy điện hoạt động với nhiên liệu than mức sản lượng sau khoảng thời gian chơn cất lớn 500 năm Tuy nhiên hai đồng vị chiếm đa số LLFF Tc99 I129 hồ tan nước, gây nhiễm độc phóng xạ hàng triệu năm mơi trường nứơc, đất gây tác hại sinh học, ta cần thiêu huỷ chúng Trong thực tế LLFF bị huỷ phân rã hạt nhân sau bắt CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 69 Chương 7: Ưu điểm khuyết điểm ADS neutron, chúng chuyển đổi thành đồng vị phóng xạ có thời gian sống ngắn trở thành ngun tố bền, ví dụ như: Tc99 ( T1/2 =2,1x105 năm) -> Tc100 ( T1/2 = 15,8 giây), I129 ( T1/2 = 1,57x107 năm) -> I130 (T1/2 = 12,36 giờ) Thời gian sau tắt lò ( năm ) Hình 7.2 Tiến triễn độ độc chất thải hạt nhân theo thởi gian 7.2 Khuyết điểm ADS Hiện nay, có máy gia tốc tạo dòng lớn, ổn định liên tục Khi kết hợp hệ thống ADS, đòi hỏi phải hoạt động liên tục lâu dài điều khác phục cách sử dụng hai máy gia tốc Để tạo đối lưu tự nhiên cho chì lỏng cột nhiệt phải cao 30m nên vỏ lò phải chắn, phải làm vật liệu chịu nhiệt, chịu áp lực lớn, để bảo đảm CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 70 Chương 7: Ưu điểm khuyết điểm ADS an tồn Mặt khác bắt đầu vận hành cần cung cấp lượng nhiệt lớn để chì nóng chảy Tóm lại, lò phản ứng điều khiển máy gia tốc hệ thống an tồn với mơi trường, đặc biệt giảm nguy phổ biến vũ khí hạt nhân Có thể vào sau kỷ 21 thời đại hệ thống ADS, cho phép sử dụng nhiên liệu với hiệt suất gấp 100 lần khởi đầu thời đại sử dụng lượng nhiệt hạch, nguồn lượng vơ tận Sau xin mượn vấn tạp chí “ Science et Avenir” với Carlo Rubbia để kết thúc Hỏi: Theo ơng Cộng đồng châu Âu có nên tài trợ cho đề tài nghiên cứu này, làm cho trở thành chương trình nghiên cứu châu Âu giống chương trình điều khiển phản ứng nhiệt hạch khơng? Trả lời: Chúng tơi có nhóm nghiên cứu CERN Nhiều nước khác châu Âu thành lập nhóm nghiên cứu mong muốn hợp tác với chúng tơi Về mặt cơng nghệ chúng tơi khơng thấy có trở ngạy lớn Chúng tơi tiếp tục nghiên cứu để đề xuất đề án kỹ thuật cụ thể có tính khả thi CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 72 Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Đình Gẫm, Giáo trình vật lý lò phản ứng hạt nhân đại cương, Đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh, 2000 [2] Đinh Ngọc Lân, Năng lượng ngun tử đời sống, Nhà xuất văn hố thơng tin Hà Nội, 2004 [3] Nguyễn Đình Gẫm, Từ Thanh Danh, Giáo trình vật lý lò phản ứng hạt nhân tập 2, Đại học khoa học tự nhiên, thành phố Hồ Chí Minh, 2003 [4] Trần Đức Thiệp, Máy gia tốc, Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội, 2002 [5] Nhâm Phước Đạt, Luận văn tốc nghiệp, Hệ thống khuếch đại lượng lò phản ứng điều khiển máy gia tốc, 02/ 2005 [6] Accelerator-driven Systems (ADS)and Fast Reactors (FR) in Advanced Nuclear Fuel Cycles, http://www.nea.fr/html/ndd/reports/2002/nea3109.html [7] Fast Reactors and Accelerator Driven Systems Knowledge Base, http://www.iaea.org/inis/aws/fnss/auxiliary/abdussalam2005.html [8] P Schuurmans, K Van Tichelen, M Dierckx, H At Abderrahim, Design and R&D support of the MYRRHA Spallation Target Loop, http://www.iaea.org/inis/aws/fnss/fulltext/ictp2005_Kadi_200_EM_Slides_FM300 82005_1.0.1.pdf [9] Gandini, M Salvatores, I Slessarev, Coupling of Reactor Power with Accelerator Current in ADS Systems, Ann Nucl Energy, 27, 2000, 114 [10] M Salvatores et al., MUSE-1: A First Experiment at MASURCA to Validate the Physics of Sub-critical Multiplying Systems Relevant to ADS, ADTT Conference, Kalmar (Sweden), June 1996 73 [...]...5 Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh Phần I: Cơng nghệ lò phản ứng nhanh Chương 1: Lịch sử và hiện trạng của cơng nghệ lò phản ứng nhanh 1.1 Lịch sử của lò phản ứng nhanh Trong 20 năm đầu tiên tồn tại, lò phản ứng nhanh và lò phản ứng nhiệt cùng nhau phát triển Lò phản ứng nhanh đầu tiên là Clementine ở Los Alamos (USA) năm 1946 với cơng suất 150 KW Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên... Nhiều người gọi lò phản ứng hạt nhân mới này của Carlo Rubbia là “ máy khuyếch đại năng lượng” có người gọi nó là lò phản ứng điều khiển bằng máy gia tốc Đây là một hệ thống lò phản ứng dưới tới hạn, nó là sự kết hợp của các lĩnh vực khác nhau như: vật lý máy gia tốc, vật lý lò phản ứng hạt nhân, thiết kế bia phát tán Trong đó quan trọng nhất là sự kết hợp của máy gia tốc và lò phản ứng hạt nhân dưới... tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế từ giữa những năm 1980 Ngồi ra, trong 5 năm qua, sự phân chia và sự biến đổi trên những hệ thống chùm tia nhanh từ những lò phản ứng nhanh chuyển đến khái niệm lò phản ứng điều khiển bằng máy gia tốc Tuy vậy, khái niệm lò phản ứng nhanh vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển, chẳng hạn: + Trong hệ thống năng lượng ngun tử ở Nhật + Lò phản ứng nhanh (EFR) ở Châu... một hệ thống lò phản ứng điều khiển bằng máy gia tốc bao gồm ba lĩnh vực sau: lò phản ứng dưới tới hạn, sự phá vỡ hạt nhân bia và máy gia tốc Sau đây chúng ta tìm hiểu từng phần của hệ thống ADS CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 30 Chương 4: Những khía cạnh của lò phản ứng dưới tới hạn Chương 4: Những khía cạnh của lò phản ứng dưới tới hạn 4.1 Sự phân bố thơng lượng neutron Trong hệ thống. .. tìm hiểu về sự phát triển cơng nghệ lò phản ứng nhanh ở một số nước phát triển nhất thế giới 2.1 Nhật Bản 2.1.1 Những lò phản ứng thử nghiệm Sự phát triển những lò phản ứng nhanh ở Nhật cơ bản dựa vào Joyo và Monju Lò phản ứng thử nghiệm Joyo, tới hạn lần đầu vào năm 1977 với lõi Mark-I tại cơng suất 50 MWth ( sau đó tăng lên 75 MWth), sau đó vào năm 1982 được thay thế bằng lõi Mark-II cơng suất 100... và 1994 Cơng nghệ phát triển được đưa ra từ phòng thí nghiệm quốc gia Argonne, đó là một dự án thiết kế lò phản ứng điện ngun tử đặc biệt ALMR ( lò phản ứng kim loại lỏng tiên tiến) Vòng nhiên liệu IFR gồm một dòng kim loại lỏng dùng làm nguội trong lò phản ứng nhanh và nhiên liệu hợp kim kết hợp với cơng CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 21 Chương 2: Viễn cảnh của lò phản ứng nhanh nghệ. .. lò phản ứng thế hệ thứ 3 Thép ngun chất là vật liệu phù hợp nhất cho nhu cầu ngày nay và được chứng minh bởi nhiều lần thử nghiêm, cho phép phạm vi tăng nhanh giữa 105 và 2.105 MWd/t Bảng 1.3 Những nhà máy sản xuất nhiên liệu cho lò phản ứng nhanh CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 9 Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh 1.3 Lựa chọn chất làm nguội lò phản ứng Những lò có cơng... 1, phản ứng dây chuyền tự tắt Vì thế, cần phải có một nguồn neutron thêm vào từ bên ngồi, lúc này là do máy gia tốc thêm vào để duy trì phản ứng dây chuyền ADS hoạt động với Keff < 1 nên được gọi là hệ thống lò phản ứng dưới tới hạn Cùng với phản ứng phân hạch năng lựơng được sinh ra Năng lượng này được tải ra ngồi và chuyển thành điện phục vụ đời sống và một phần trong số đó dùng để chạy máy gia tốc. .. về mặt cơng nghệ liên quan đến việc sử dụng Na như là một chất làm nguội và vấn đề kinh tế trong một sự bảo hồ hơn là mở rộng năng lượng ngun tử trên thị trường Lò BN-600 và Super-phenix CBHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Thanh Tòng 6 Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh còn lại chỉ là tàn dư của những lò phản ứng nhanh cơng nghiệp Những lò phản ứng nhỏ hơn như những lò phản ứng nhiệt được... với khơng khí, đồng thời nó phản ứng mảnh liệt với nước Vì vậy phản ứng của Na với nước phải được xem xét cẩn thận trong việc thiết kế các nồi hơi Ngày nay, cơng nghệ điều khiển những vấn đề này được phát triển rất tốt 1.4 Khuynh hướng hiện thời trong sự phát triển của cơng nghệ lò phản ứng nhanh 1.4.1 Sự lựa chọn chất lỏng làm nguội thay thế trong những hệ thống lò phản ứng nhanh Kim loại Na được chấp ... Lòch sử trạng lò phản ứng nhanh Phần I: Cơng nghệ lò phản ứng nhanh Chương 1: Lịch sử trạng cơng nghệ lò phản ứng nhanh 1.1 Lịch sử lò phản ứng nhanh Trong 20 năm tồn tại, lò phản ứng nhanh lò. .. dùng để chạy máy gia tốc Nghiên cứu hệ thống lò phản ứng điều khiển máy gia tốc bao gồm ba lĩnh vực sau: lò phản ứng tới hạn, phá vỡ hạt nhân bia máy gia tốc Sau tìm hiểu phần hệ thống ADS CBHD:... đổi hệ thống chùm tia nhanh từ lò phản ứng nhanh chuyển đến khái niệm lò phản ứng điều khiển máy gia tốc Tuy vậy, khái niệm lò phản ứng nhanh tiếp tục nghiên cứu phát triển, chẳng hạn: + Trong hệ