KHÓA LUẬN HẠT NHÂN

KHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂNKHÓA LUẬN HẠT NHÂN

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT NGÀNH KỸ THUẬT HẠT NHÂN KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Tên đề tài: NGHIÊN CỨU MƠ HÌNH TẨY XẠ BỀ MẶT NHIỄM BẨN BẰNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỆN HÓA SVTH: Nguyễn Anh Tân CBHD: TS Lê Cơng Hảo CBPB: TS Huỳnh Trúc Phương Tp Hồ Chí Minh, Năm 2016 LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành khóa luận này, em nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý tận tình Q Thầy Cô thuộc Bộ môn Vật lý hạt nhân, khoa Vật lý & Vật lý kỹ thuật, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tp Hồ Chí Minh Đầu tiên, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, cơng ơn sinh thành dưỡng dục tạo điều kiện để bước đến giảng đường đại học Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Lê Công Hảo dành nhiều thời gian tâm huyết để truyền đạt cho kiến thức lẫn kỹ thực nghiệm Tôi xin gửi lời cảm ơn Quý Thầy Cô hội đồng dành nhiều thời gian đọc có ý kiến đóng góp q báu vào khóa luận Tơi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến Quý Thầy Cô thuộc Bộ môn Vật lý Hạt nhân tạo điều kiện cho tơi suốt khóa học Tơi xin cảm ơn đến toàn thể bạn lớp chuyên ngành Kỹ thuật hạt nhân khóa K12 giúp đỡ tơi nhiều suốt thời gian qua Mặc dù có nhiều cố gắng hồn thiện khóa luận, nhiên khơng thể tránh khỏi thiếu sót, mong nhận đóng góp q báu Q Thầy Cơ bạn Em xin chân thành cảm ơn Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2016 Nguyễn Anh Tân MỤC LỤC: LỜI CẢM ƠN MỤC LỤC i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ iii LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1- TỔNG QUAN 1.1 Đối tượng nghiên cứu 1.2 Điện hóa CHƯƠNG 2- TẨY XẠ 2.1 Chất thải phóng xạ 2.2 Nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt 2.3 Tẩy xạ 2.3.1 Khái niệm 2.3.2 Hệ số tẩy xạ 10 2.3.3 Tẩy xạ phương pháp điện hóa 12 CHƯƠNG 3- THỰC NGHIỆM 17 3.1 Vật liệu dụng cụ 17 3.2 Thực nghiệm 18 3.3 Kết 21 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO 30 i DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các giá trị đo suất liều phông 22 Bảng 3.2 Giá trị đo suất liều mẫu trước tẩy 22 Bảng 3.3 Giá trị đo suất liều mẫu sau tẩy 23 Bảng 3.4 Giá trị đo suất liều mẫu trước tẩy 23 Bảng 3.5 Giá trị đo suất liều mẫu sau tẩy 24 Bảng 3.6 Giá trị đo suất liều mẫu trước tẩy 25 Bảng 3.7 Giá trị đo suất liều mẫu sau tẩy 25 Bảng 3.8 Giá trị đo suất liều mẫu trước tẩy 26 Bảng 3.9 Giá trị đo suất liều mẫu sau tẩy 26 Bảng 3.10 Giá trị đo suất liều van trước tẩy 27 Bảng 3.11 Giá trị đo suất liều van sau tẩy 27 ii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý tẩy xạ điện hóa phương pháp ngâm 13 Hình 2.2 Sơ đồ tái sinh axit photphoric 14 Hình 2.3 Sơ đồ nguyên lý tẩy xạ điện hóa phương pháp di chuyển cực âm 15 Hình 3.1 Thanh inox 304 mô điều khiển 17 Hình 3.2 Van điều khiển 18 Hình 3.3 Hòa dung dịch nhiễm bẩn ngâm mẫu 18 Hình 3.4 Sau ngâm thời gian 19 Hình 3.5 Muối bám vào ion van 19 Hình 3.6 Mơ tẩy xạ điện hóa phương pháp di chuyển cực âm 20 Hình 3.7 Thanh ion van sau tẩy xạ 21 Hình 3.8 Suất liều mẫu trước sau tẩy xạ 28 iii LỜI MỞ ĐẦU Tính đến ngày 11/3/2014, tồn giới có 31 quốc gia có nhà máy điện hạt nhân với 435 lò phản ứng hoạt động cung cấp 372GW công suất điện Mỗi năm nhà máy điện hạt nhân cung cấp khoảng 11,5% tổng sản lượng điện giới gấp lần tổng sản lượng điện Pháp Đức từ tất nguồn cộng lại, nguồn phụ tải vững không gây phát thải khí độc hại nhà kính CO2 Khoảng 72 lò với 68 GW xây dựng 15 nước, tương đương 20% cơng suất có 160 lò phản ứng lên kế hoạch xây dựng cách chắn, tương đương nửa cơng suất có Ngồi ra, khoảng 240 lò phản ứng nghiên cứu 180 lò phản ứng hạt nhân khác cung cấp lượng cho khoảng 150 tàu tàu ngầm 56 nước khác [4] Vấn đề xử lý hiệu chất thải phóng xạ chế tài cho xử lý chất thải phóng xạ sinh q trình vận hành lò phản ứng hạt nhân vấn đề nan giải giới Nhiều tính tốn cho thấy, trung bình tổ máy nhà máy điện hạt nhân 1.000 MW, hàng năm thải 30 m3 – 50 m3 chất thải phóng xạ hoạt độ thấp, trung bình 30 nhiên liệu cháy Với chất thải phóng xạ hoạt độ thấp trung bình nguy hiểm, dễ bảo quản, sau 200-300 năm coi rác thải bình thường; nhiên liệu hạt nhân cháy thơng lệ giới làm cất giữ toàn khối nhiên liệu cháy, để chờ có biện pháp xử lý thích hợp tương lai Tuy nhiên, chất thải phóng xạ truyền thống lưu giữ hầm, kho chứa nhà máy điện hạt nhân ngày lớn, trở thành thách thức quốc gia làm đau đầu nhà quản lý nhà khoa học Bởi chất thải chứa nhiều sản phẩm phân hạch hạt nhân siêu Uranium có hoạt độ phóng xạ cao chu kỳ bán hủy dài, chất phóng xạ chiếm khoảng 3% khối lượng nhiên liệu cháy [7] Việt Nam giai đoạn phát triển sở hạ tầng, chuẩn bị điều kiện cần thiết để xây dựng vận hành tổ máy phát điện hạt nhân tỉnh Ninh Thuận Tạo điều kiện triển khai hiệu vấn đề trên, ngày 11/12/2014, Thủ tướng Chính phủ phê duyệt Quyết định số 2241/QĐ-TTg, phê duyệt Kế hoạch tổng thể phát triển sở hạ tầng điện hạt nhân giai đoạn đến năm 2020 Theo dự kiến, nguyên liệu đầu vào sản xuất điện hạt nhân nhập mà cụ thể nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận 1, Nga cung cấp cơng nghệ nhập từ Nga, nhà máy số nhập từ Nhật Bản Đối với nhà máy số 1, có hai khả xử lý nguồn chất thải phóng xạ sau sử dụng, nhiên liệu cháy chuyển Nga xử lý sau chuyển Việt Nam lưu giữ, hai thuê gửi Nga Bên cạnh đó, hai nước Nga Nhật cam kết hỗ trợ giúp đỡ Việt Nam xử lý nguyên liệu qua sử dụng [7] Khi nhà máy điện hạt nhân lò phản ứng ngưng hoạt động bảo trì việc tẩy xạ số linh kiện, thiết bị điều thiết yếu để tái sử dụng vào mục đích tiếp kiệm chi phí xử lý Việc tẩy xạ giúp tránh việc chôn cất chất thải phóng xạ gây nguy hiểm cho mơi trường rò rỉ Với mục đích phục vụ cho nhu cầu xử lý vật liệu, thiết bị lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt xa nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận, em chọn đề tài để xây dựng mơ hình tẩy xạ số bề mặt vật liệu, thiết bị lò phản ứng tính hệ số tẩy xạ phương pháp tẩy xạ điện hóa Nội dung khóa luận chia thành chương:  Chương 1: Giới thiệu tổng quan  Chương 2: Tổng quan nhiễm bẩn tẩy xạ  Chương 3: Thực nghiệm Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đối tượng nghiên cứu Do gia tăng lò phản ứng số nhà máy điện hạt nhân, lượng lớn chất thải kim loại tạo từ việc trì thành phần thiết bị bị lão hóa số nhà máy điện hạt nhân cũ Một phần đáng kể chất thải kim loại bị nhiễm bẩn xem có chất gây nhiễm bẩn phóng xạ bề mặt kim loại, dễ dàng loại bỏ cách áp dụng kỹ thuật tẩy xạ thích hợp Các lò phản ứng làm mát nước thường hình thành loại oxit bề mặt bên ống lò phản ứng: lớp dính bên hình thành việc ăn mòn kim loại nền, lớp bên ngồi bám tương đối yếu hình thành lắng đọng kết tủa cặn từ nước làm mát Nhiễm bẩn lò phản ứng nước sơi lò phản ứng nước áp lực chủ yếu gây hạt nhân ăn mòn có nguồn gốc: 60Co, 58Co, 54Mn, 51Cr 59Fe Tùy thuộc vào tỷ lệ nhiên liệu, loại phân hạch góp phần vào liều lượng Hầu hết loại nhiểm bẩn nằm lớp oxit bên đường ống thiết bị ví dụ như: thép khơng gỉ có chứa cobalt-60 nickel-63 chất thải phóng xạ lỏng, lọc loại nhựa trao đổi ion bị nhiễm xạ sản phẩm phân hạch từ vòng tuần hồn chứa chất làm mát, van ống, phận máy bơm, điều khiển, mạch thiết bị… Đối với bẩn bề mặt bê tông ô nhiễm nguồn nước, hạt nhân tan nước, chẳng hạn 137Cs, thấm sâu vào bê tông Phương pháp để loại bỏ nhiễm bẩn cắt giảm mài lớp bề mặt bê tơng có chứa phóng xạ Đối với hệ thống thơng gió, nhiễm bẩn bề mặt thường khơng dính chặt, có màng dầu đặt bên ống dẫn, đặc biệt cuối hệ thống quạt Khi hệ thống ống xả hoạt động áp suất thấp, chúng có xu hướng hút bụi sol khí, thứ chứa hoạt độ phóng xạ Lắng đọng có xu hướng bám vào đường ống làm việc dẫn đến dòng khí lưu thơng khó khăn Đối với động thiết bị đo đạc, vv… nhiễm bẩn khơng khí bám vào chi tiết hay mạch điện thường vấn đề lớn Nhiễm bẩn thường loại bỏ tiếp cận Nếu động thiết bị tinh vi cần thiết để tái sử dụng trình tẩy xạ siêu âm Freon (chất làm lạnh) sử dụng [1] Bằng cách tái sử dụng chất thải kim loại loại tẩy xạ xuống mức an tồn, lượng chất thải kim loại phóng xạ từ nhà máy điện hạt nhân giảm đáng kể Các trình tẩy xạ để loại bỏ nhiễm bẩn bề mặt chất thải kim loại phóng xạ q trình vật lý, hóa học tẩy xạ điện hóa Trong số q trình nêu trên, q trình điện hóa có nhiều ứng dụng để tẩy xạ chất thải kim loại phóng xạ thời gian phản ứng nhanh chóng hiệu tẩy xạ cao [1] 1.2 Điện hóa Điện hóa tên gọi lĩnh vực hóa học nghiên cứu mối liên hệ q trình hóa học dòng điện Một phản ứng hóa học xảy có dòng điện chạy qua, hay qua phản ứng hóa học có hiệu điện thế, trình điện hóa Trong q trình ln tồn đồng thời hai tượng: ơxi hóa ơxi hóa khử (phản ứng ơxi hóa khử) [6] 1.2.1 Lịch sử phát triển  Năm 1799: Alexandro Volta lần chế tạo pin hoạt động được, trước Luigi Galvani có nhiều thí nghiệm đùi ếch, chúng co lại chạm vào kim loại khác  Năm 1832: Michael Faraday phát định luật điện hóa  Năm 1929: Jaroslav Heyrovský nghiên cứu phương pháp cực phổ nhận giải Nobel hóa học cho cơng trình vào năm 1959  Năm 1969: tế bào nhiên liệu hiđrơ nghiên cứu dùng chương trình Apollo, chúng khơng nguồn điện mà cung cấp nước cho phi hành đoàn 1.2.2 Ứng dụng điện hóa  Sản xuất kim loại kali, nhôm,… hay nguyên tố halogen clo, flo,… thông qua q trình điện phân, điện hóa  Sản xuất nguồn điện di động pin, ắc quy, tế bào nhiên liệu,  Phân tích chất hóa học hóa phân tích, ví dụ phương pháp cực phổ  Dùng kỹ thuật mạ điện 1.2.3 Cơ sở hóa học Trong ơxít kim loại có liên kết ion, ví dụ CaO Ca cho e- đóng vai trò chất bị ơxi hóa O nhận e- chất ơxi hóa minh họa cơng thức dưới: Ơxi hóa: Ca → Ca2+ + 2e- (1.1) Ơxi hóa khử: O + 2e- → O2- (1.2) Phản ứng ơxi hóa khử: Ca + O → Ca2+ + O2- (1.3) )) Khi mở rộng khái niệm q trình ơxi hóa thì: chất A cho ne- thành An+ Còn q trình ơxi hóa khử: chất B nhận ne- thành Bn-, phản ứng ơxi hóa khử A + B → An+ + Bn- Khi A B kim loại có phản ứng ơxi hóa khử An+ + B → A + Bn+ Nếu phản ứng liên tục có dòng chuyển động ne- hay dòng điện A B Nếu ion có mặt điện trường tác dụng lực tĩnh điện, ion có điện tích âm di chuyển tụ lại cực dương anơt, ion dương cực âm catôt 1.2.4 Tẩy gỉ Bề mặt kim loại thường phủ lớp oxit dày, gọi gỉ Tẩy gỉ hóa học cho kim loại đen thường dùng axit loãng H2SO4 hay HCl hỗn hợp chúng Khi tẩy thường diễn đồng thời q trình: hòa tan oxit kim loại Tẩy gỉ điện hóa tẩy gỉ hóa học đồng thời có tham gia dòng điện Có thể tiến hành tẩy gỉ catot tẩy gỉ anot Tẩy gỉ anot lớp bề mặt nhám nên lớp mạ gắn bám tốt Tẩy gỉ catot sinh H, có tác dụng khử phần oxit Tẩy gỉ catot áp dụng cho vật mạ thép cacbon, với vật mạ Ni, Cr hiệu khơng cao 1.2.5 Tẩy bóng điện hóa hóa học Tẩy bóng điện hóa cho độ bóng cao gia cơng học Lớp mạ gắn bám tốt, tinh thể nhỏ, lỗ thủng tạo tính chất quang học đặc biệt Khi tẩy bóng điện hóa thường mắc vật tẩy với anot đặt dung dịch đặc biệt Do tốc độ hòa tan phần lồi lớn phần lõm nên bề mặt san trở nên nhẵn bóng Cơ chế tẩy bóng hóa học giống tẩy bóng điện hóa Khi tẩy bóng hóa học xuất lớp màng mỏng cản trở kìm hãm tác dụng xâm thực dung dịch với kim loại chỗ lõm cung cấp chất điện hóa Phần ống đục lỗ cho phép hóa chất chảy lên bề mặt vật cần tẩy xạ, hồn thành hoạt động điện hóa Chất điện hóa chảy khỏi thiết bị lưu trữ tiếp xúc với bề mặt nhiễm bẩn Nếu việc tẩy xạ phương pháp ngâm bể dung dịch điện hóa bị ảnh hưởng việc gia tăng lượng sắt hòa tan axit photphoric phương pháp này, việc di chuyển cực âm chất điện hóa chảy liên tục làm hạn chế việc kết tủa sắt photphat bề mặt tẩy xạ nên quy trình tẩy xạ khơng bị ảnh hưởng Những khó khăn q trình tẩy xạ điện hóa bao gồm việc tạo khối lượng lớn chất thải phóng xạ lỏng ăn mòn q mức bề mặt chất điện hóa Ngồi ra, tẩy xạ thực thủ công tự động nhân viên vận hành chịu ảnh hưởng suất liều đáng kể 16 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 3.1 Vật liệu dụng cụ Trong nghiên cứu khóa luận này, chúng tơi mơ hình hóa việc tẩy xạ thiết bị nhà máy điện hạt nhân Vì việc mơ thí nghiệm hạn chế việc tìm thiết bị giống nhà máy điện hạt nhân khó nên phương pháp tẩy xạ điện hóa, chúng tơi mơ hình điều khiển lò phản ứng hạt nhân việc sử dụng thép không gỉ (inox) mô van điều khiển ống nước làm mát lò phản ứng Các inox sử dụng loại inox 304 có bán thị trường van điều khiển hợp kim đồng Việc mô nước nhiễm bẩn lò phản ứng hạt nhân khó khăn nguy hại phóng xạ cao nên chúng tơi sử dụng 40K có muối KCl làm dung dịch nhiễm bẩn (vì K Cs có tính chất hóa học tương tự nhau) Hoạt độ riêng 40K KCl khoảng 16700 Bq.kg-1 Hình 3.1: Thanh inox 304 mơ điều khiển Các hóa chất sử dụng nước cất, axit clohidric (HCl), axit sulfuric (H2SO4) 98%, axit photphoric (H3PO4) 85%, axit oxalic (COOH-COOH) độ tinh khiết 99% Bộ nguồn DC 24V với dòng 1,2 A 17 Ngoài ra, inspector, nhiệt kế, máy đo pH, ampe kế, bể chứa, đèn hồng ngoại, điện trở gia nhiệt, giá đỡ… sử dụng Hình 3.2: Van điều khiển 3.2 Thực nghiệm Đầu tiên, tạo dung dịch nhiễm bẩn cách pha lượng lớn muối KCl vào nước cất bão hòa Vì độ hòa tan dung dịch muối phụ thuộc vào nhiệt độ nên pha gia nhiệt thêm để tăng lượng 40K a b Hình 3.3: Hòa dung dịch nhiễm bẩn ngâm mẫu 18 Các inox van điều khiển ngâm dung dịch nhiễm bẩn với độ pH điều chỉnh Trong q trình ngâm, việc đun nóng dung dịch để lượng muối lại bám lên inox điều cần thiết, mơ việc dung dịch nước lò phản ứng hạt nhân hoạt động với nhiệt độ cao mơi trường axit Hình 3.4: Sau ngâm 30 ngày a b Hình 3.5: Muối bám vào ion van Các điều khiển chia làm mẫu với thời gian ngâm khác Mẫu ngâm thời gian 30 ngày, mẫu 36 ngày, mẫu 42 ngày mẫu 49 ngày, với van điều khiển thời gian ngâm 49 ngày thực tế van điều 19 khiển bị thay thế, hoạt động lâu hạn chế số lượng Mỗi mẫu sau ngâm vớt ra, để nước, hong khô tiến hành đo Sau đo đạc suất liều điều khiển nhiễm bẩn máy inspector, ta tiến hành tẩy xạ Dung dịch tẩy xạ sử dụng có loại axit axit sulfuric (H2SO4) 98%, axit photphoric (H3PO4) 85%, axit oxalic (COOH-COOH) với tỷ lệ: axit sulfuric (H2SO4) 15 g/dm3, axit photphoric (H3PO4) 15 g/dm3, axit oxalic (COOH-COOH) 30 g/dm3 [2] Mơ hình tẩy xạ nhiệt kế có nguyên tắc hoạt động giống hình 2.3 a b c Hình 3.6: Mơ tẩy xạ điện hóa phương pháp di chuyển cực âm Theo hình 3.6b đầu inox gắn vào cực dương, cực âm để miếng mút Khi có dòng điện chạy qua, di chuyển miếng mút dọc theo inox, lớp muối bám vào điều khiển làm Sau tẩy xạ, điều khiển để nước đem đo lại để tính hệ số tẩy xạ Trên điều khiển ta đo vị trí khác nhau, vị trí ta đo lần lấy giá trị trung bình Cuối cùng, ta tính sai số truyền sai số vào cơng thức tính hệ số tẩy xạ để kết cuối Đối với van nước, đường kính van nhỏ miếng mút, nên ta tẩy mặt van Thiết lập mơ hình giống tẩy xạ inox, van 20 nối với cực dương cho dòng điện chạy qua Phía mặt van cho hóa chất chảy qua khơng chà rửa mặt ngồi a b Hình 3.7: Thanh ion van sau tẩy xạ 3.3 Kết Trong thực nghiệm này, thông số đo đạc suất liều (A), hệ số tẩy xạ (DF),… đo nhiều lần kết tính theo giá trị trung bình Các giá trị trung bình sai số tính theo công thức (3.1), (3.2), (3.3), (3.4) Công thức tính giá trị trung bình: ∑ni=1 Ai ̅= A n (3.1) Phương sai (đối với liệu n