Bài giảng Chương 4: Các ứng dụng của lò phản ứng nghiên cứu - PGS.TS Nguyễn Nhị Điền

Center Temperature of Fuel Pellet Internal Pressure of Fuel Rod Deformation of Fuel Pellet - Fundamental Research.. 33--D Model of In D Model of In--Pile Section Pile Section[r]

Chương 4

CÁC ỨNG DỤNG CỦA

LÒ PHẢN ỨNG NGHIÊN CỨU

LÒ PHẢN ỨNG NGHIÊN CỨU

PGS TS Nguyễn Nhị Điền

Đà L t 2012

CÁC ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU (1): ê ứ ề á Irr.Tests for Irr.Tests for & &

Nghiên cứu vật liệu và nhiên liệu Nghiên cứu tán

xạ nơtron

Fuel&Mat. Fuel&Mat. Neutron

Neutron Scattering

Scattering NAA onlineNAA online + Phát triển kỹ

thuật phân tích + Chụp ảnh nơtron

R&D R&D onon RIs&NTD

RIs&NTD photographyphotographyNeutron

Neutron + Chụp ảnh nơtron

Sản xuất

ĐV và

Tech

Tech TrainTrain

pha tạp Silic BNCT & BNCT & rBNCT rBNCT Others Others Tech

Tech TrainTrain IT

IT fieldsfields

Nghiên cứu vềkỹ Huấn luyện và đào tạo

Nghiên cứu kỹ

CÁC ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU (2): được phân ra 4 nhóm:

• Các ứng dụng chiếu xạ: để phân tích kích hoạt, sản xuất đồng vị, pha tạp vật liệu bán dẫn, nghiên cứu hiệu ứng sai hỏng bền

p ạp ậ ệ , g ệ g g

vững với xạ,

• Thử vật liệu nhiên liệu cho lị cơng suất: để nghiên cứu thiết kế LPƯ nhiên liệu hạt nhân.ệ

• Sử dụng chùm nơtron ngồi lị: nghiên cứu vật liệu, phân tích gamma tức thời, chụp ảnh nơtron, chiếu xạ sinh học, nghiên cứu bản,

cơ bản,

• Phát triển nguồn nhân lực: cơng nghệ LPƯ, thí nghiệm che chắn, huấn luyện đào tạo cán vận hành, thơng tin dân chúng

Có thể hâ 3 l i ứ d hí h là

Có thể phân ra 3 loại ứng dụng là:

• Các ứng dụng lượng (cho chương trình điện hạt nhân) • Các Các ứứng dg dụụng phi ng p ăăng lg ượượng g (cho ngành kinh tế)(c o gà ế)

ể

Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN):

1 Thử nghiệm phát triển nhiên liệu hạt nhân (development of nuclear fuels)

+ Nghiên cứu sự biến đổi thành phần cấu trúc bên của + Nghiên cứu biến đổi thành phần cấu trúc bên viên gốm nhiên liệu (như mật độ, độ rỗng, nứt gãy, thay đổi nhiệt độ nóng chảy hệ số dẫn nhiệt, v.v…).

+ Chiếu xạ thử nghiệm để đánh giá tính tồn vẹn vỏ bọc thanh + Chiếu xạ thử nghiệm để đánh giá tính tồn vẹn vỏ bọc nhiên liệu điều kiện vận hành bình thường tai nạn sự

cố, nghiên cứu phát triển hợp kim làm vỏ bọc nhiên liệu cho phép đạt được độ cháy cao hơn

nhiên liệu cho phép đạt độ cháy cao hơn.

+ Nghiên cứu di chuyển, phát tán thành phần hoạt độ các chất phóng xạ có nhiên liệu bị hỏng bên

ài ngoài.

+ Nghiên cứu phát triển hệ nhiên liệu nhiên liệu MOX (Mixed oxide fuel development), v.v…

4 ỴCần LPƯ cơng suất lị P >10 MW để có thơng lượng nơtron

ế

Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN):

2 Nghiên cứu chiếu xạ vật liệu (material irradiation studies)

+ Nghiên cứu hiệu ứng cứng hố, biến giịn dễ gãy, khả chịu kéo nén vật liệu phụ thuộc vào thông lượng liều chiếu chịu kéo nén vật liệu phụ thuộc vào thơng lượng liều chiếu tích phân.

+ Kiểm tra, đánh giá chất lượng ống, bình chịu áp lực lò lượng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ nơtron

lượng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ nơtron.

+ Chiếu xạ mẫu thử hợp kim để nghiên cứu chất lượng thép làm thùng LPƯ (thùng chịu áp lực) nghiên cứu q trình lão hóa, sự

hồi phục vật liệu Zr Nb hồi phục vật liệu Zr-Nb.

+ Áp dụng kỹ thuật đo tiếng ồn nơtron để theo dõi dao động, lắc, rung khối, phận chi tiết cấu thành vùng hoạt LPƯ năng l ợng

LPƯ lượng.

+ Nghiên cứu tính chất hóa học nước chất tượng ăn mòn vật liệu LPƯ lượng.

ế

Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN):

2 Nghiên cứu chiếu xạ vật liệu (material irradiation studies)

Các lĩnh vực thiết bị thí nghiệm dùng thử

hiệ hiê liệ à hiế ật liệ h t hâ

Lĩnh vực ứng dụng Thiết bị thí nghiệm

nghiệm nhiên liệu chiếu xạ vật liệu hạt nhân:

Thử nghiệm chiếu xạ vật liệu hạt nhân &

• Đánh giá vật liệu chiếu xạ nơtron

• Thử nghiệm tính an tồn nguyên vẹn các vật liệu dùng vùng hoạt

• Đưa số liệu để phát triển loại nhiên liệu mới

ấ

Capsule để chiếu xạ:

Capsule không kèm thiết bị

đo

Capsule kèm thiết bị đo

nhân &

nhiên liệu •• Tính chHiệu ứng lão hóa nhất giải phóng khí phân hư tính chất dão cạch ủa vật liệu Capsule nhiên liCapsule dão ệu

• Tính chất nhiên liệu ởcác mức cơng suất

Thử nghiệm chiếu xạ để xác nhận tính

ủ hiê

• Tính chất nhiên liệu mức công suất

khác LPƯ

• Tính chất vỏ bọc nhiên liệu

• Thử nghiệm tính tồn vẹn nhiên liệu

• Nghiên cứu để phát triển vật liệu bên vùng hoạt

Vòng thử nghiệm

nhiên liệu (FTL - Fuel Test Loop)

của nhiên liệu

vùng hoạt

• Nghiên cứu sựăn mịn tính chất hố học nước lị

Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN):

3 Thử nghiệm hiệu chuẩn thiết bị đo ghi bức xạ

Các thiết bị đo ghi nơtron, gamma dùng nhà máy điện hạt nhân, LPƯNC các ứng dụng kỹ thuật, công nghệ hạt hạt nhân, LPƯNC ứng dụng kỹ thuật, công nghệ hạt nhân được phát triển, chế tạo nhất thiết phải được kiểm tra hiệu chuẩn điều kiện bức xạ thích hợp để đảm bảo khả năng làm việc xác lâu dài của chúng

đảm bảo khả năng làm việc xác, lâu dài của chúng

Sử

Sử ddụụngng cáccác Capsules Capsules chichiếếuu xxạạ ttạạii lòlò HANARO HANARO

ấ

‰ Thử vật liệu lị phản ứng cơng suất:

™ Vật liệu thùng áp lực lị cơng suất

™ Vật liệu đường ống chịu áp suất lò: Zr-2.5Nb

™ Các loại vật liệu kết cấu lò

™ Các loại vật liệu kết cấu lò

‰ Thử nghiệm vật liệu của nhiên liệu:

™ Nhiên liệệu lị PWR cải tiến

™ Chu trình nhiên liệu DUPIC (Direct Use of Pressurized Water

Reactor Spent Fuel in CANDU - Sử dụng trực tiếp nhiên liệu

đã cháy lò PWR cho lò CANDU- CANada Deuterium Uranium)

™ Hợp kim U Zr

™ Hợp kim U-Zr

‰ Nghiên cứu cơ bản:

™ Chất bán dẫn, vậật liệệu nano

vật liệu từ tính

™ Các loại hợp kim Zr-1Nb-1Sn-X,

Zircaloy-4

™ SPND (self-power neutron detector –

™ SPND (self-power neutron detector –

Các

Các Capsules Capsules ddụụngng ccụụ đểđể ththửử VVậậtt liliệệuu Design Characteristics

- Total Length : ׽6m ( 60mm D x 870mm H)

Charpy R-CT

Tube 경 인장 - Available Space(Max.): 40mm D × 600mm L

- Stages Independent Temp Control - Max Temp Control : Up to 500Ԩ

- He Atmosphere : atm׽3×10-3 torr (He) Tube 경도/인장

- Instrumentation : 14 T/Cs, micro-heaters, 5 F/Ms

- Available Test : Tensile, Charpy, Toughness, SP, MBE, TEM, Creep, etc , , , p,

Applications

- Material Tests

Reactor Pressure Vessel Reactor Pressure Vessel Reactor Core Materials

Instrumented Capsules

Instrumented Capsules for Nuclear Fuel Testfor Nuclear Fuel Test

Design Characteristics

- Total Length : ׽ 5 m

- Diameter of Outer Tube : 56 mm - Length of Outer Tube : 730 mm - Mini-Elements Fuel Rod

- Instrumentations : T/C LVDT SPND - Instrumentations : T/C, LVDT, SPND - Irradiating Environment Control

System Using Mixed Gas (He/Ne)

Applications

- Fuel Pellet Irradiation Test Advanced PWR Fuel

Fuel Design Data Production - Fuel Design Data Production

Capsules for Specific Purpose

Capsules for Specific Purpose (Creep (Creep –– ssựự dão) dão)

Design Characteristics Total Length : m

-Total Length : ׽6 m

- Diameter of Outer Tube : 60 mm - Length of Outer Tube : 997 mm - Test Specimen: 1, 2, 4

T t T t M 600Ԩ

- Test Temperature : Max 600Ԩ

- He Atmosphere : atm׽30 torr (He) - Instrumentation per specimen :

8 ׽12 T/Cs, 1׽4 micro-heaters, 1 ׽4 LVDT

Applications

M t i l C B h i - Material Creep Behaviour

- Lifetime Estimation of Reactor Components

Fuel Test Loop (Vịng thp ( g ử bó nhiên liệệu)) Các ứng dụng

Các ứng dụng

™ Chiếu xạ để kiểm tra tính tồn vẹn của bó nhiên liệệu

™ Kiểm tra chất lượng nhiên liệu

™ Kiểm tra việc ăn mòn di chuyển hoạt

ấ

chất nước lị

™ Kiểm tra tính khơng bị phân hạch của vật liệu làm ống chịu áp lực

làm ống chịu áp lực

Fuel Test Loop (Vịng thử bó nhiên liệu)

+ Nghiên cứu sự

Thiết bị thử nhiên liệu (Fuel test loop) lò HANARO:

- Thông nơtron: 2x1014 n/cm²·sec

+ Nghiên cứu sự

biến đổi thành phần cấu trúc bên của

- Thông nơtron: 1.2x10 n/cm ·sec - Áp suất: 17.5 MPa; Nhiệt độ: 350oC

bên viên gốm nhiên liệu

+ Thử nghiệm để

+ Thử nghiệm để đánh giá tính tồn vẹn vỏ bọc nhiên liệu trong nhiên liệu

điều kiện vận

33 D Model of InD Model of In Pile SectionPile Section

Outer Pressure Vessel

Inner Pressure Vessel Flow Divider

Insulation Gas Gap Test Fuel Test Fuel

Test Fuel Carrier Leg D d Fl P th

Upward Flow Path

IPS Head

14

Cross Section of IPS

Downward Flow Path

33 D View of the OutD View of the Out Pile SystemPile System

► Design Pressure : 17.5 MPag

► Design Temperature : 350Ԩ

Fuel Test Loop (Vòng thử bó nhiên liệu)

Oxide layer Hydride

Brittle fracture

D il f Ductile fracture

Các ứng dụng phi năng lượng (phục vụ ngành KT-XH):

KT XH):

1 Sản xuất chất phóng xạ (radioisotope production)

2 Hiệ ứ h ể hó (t t ti ff t ili

2 Hiệu ứng chuyển hóa (transmutation effects, silicon

doping)

3 Phân tích kích hoạt nơtron (neutron activation analysis)

4 Chụp ảnh neutron (neutron radiography)

5 Nghiên cứu cấu trúc vật liệu (material structure study)

6 Phân tích kích hoạt gamma tức thời (PGNAA)

6 Phân tích kích hoạt gamma tức thời (PGNAA)

7 Chữa bệnh bằng phương pháp bắt neutron (neutron

capture therapy)

8. Địa thời học (geochronology)

9 Tạo nguồn positron (neutron source)

10 Các ứng dụng khác

1 SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

Hai loại thiết bị được dùng để sản xuất ĐVPX: Hai loại thiết bị được dùng để sản xuất ĐVPX:

1 Lò phản ứng: 1 Lò phản ứng:

LPƯ đóng vai trị chủ đạo việc điều chế một số ĐVPX LPƯ đóng vai trị chủ đạo việc điều chế một số ĐVPX quan trọng không thể thiếu được cho các ứng dụng trong quan trọng không thể thiếu được cho các ứng dụng trong quan trọng không thể thiếu được cho ứng dụng quan trọng không thể thiếu được cho ứng dụng y tế, công

y tế, công nông nghinông nghiệệp nhp nhưư Tc Tc 99m, Mo99m, Mo 99, I99, I 131, Ir131, Ir 192, 192, Co

Co 60, v.v 60, v.v

Đặ biệt ới hát t iể h á h há điề t ị Đặ biệt ới hát t iể h á h há điề t ị Đặc biệt với sự phát triển mạnh phương pháp điều trị Đặc biệt với sự phát triển mạnh phương pháp điều trị

bệnh dùng đồng vị phát bêta, bằng xạ trị (dùng bệnh dùng đồng vị phát bêta, bằng xạ trị (dùng nguồn phóng xạ kín) xạ trị nội (dùng nguồn phóng xạ

nguồn phóng xạ kín) xạ trị nội (dùng nguồn phóng xạ

hở) hở) hở). hở).

22 Máy gia t Máy gia tốốc:c:

Máy gia tốc chủ yếu dùng để sản xuất chất ĐVPX Máy gia tốc chủ yếu dùng để sản xuất chất ĐVPX Máy gia tốc chủ yếu dùng để sản xuất chất ĐVPX Máy gia tốc chủ yếu dùng để sản xuất chất ĐVPX sống ngắn không thể sản xuất được LPƯ.

1 SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

Các ĐVPX sản xuất từ LPƯ được dùng y tế, công Các ĐVPX sản xuất từ LPƯ được dùng y tế, công nghiệp đào tạo với mục đích sau:

nghiệp đào tạo với mục đích sau:

+ Trong y tế: dùng để chụp hình gamma cơ quan nội tạng + Trong y tế: dùng để chụp hình gamma cơ quan nội tạng + Trong y tế: dùng để chụp hình gamma quan nội tạng + Trong y tế: dùng để chụp hình gamma quan nội tạng con người phục vụ cơng việc tầm sốt, chẩn đốn điều trị

con người phục vụ cơng việc tầm sốt, chẩn đoán điều trị

bệnh, đặc biệt bệnh ung thư; định lượng nồng

bệnh, đặc biệt bệnh ung thư; định lượng nồng độđộ m mộột st sốố

hóc mơn kỹ thuật xét nghiệm miễn dịch học phóng xạ

hóc mơn kỹ thuật xét nghiệm miễn dịch học phóng xạ

hóc mơn kỹ thuật xét nghiệm miễn dịch học phóng xạ

hóc mơn kỹ thuật xét nghiệm miễn dịch học phóng xạ

(RIA); điều chế dược chất phóng xạ, gắn kháng thể đơn (RIA); điều chế dược chất phóng xạ, gắn kháng thể đơn dịng với ĐVPX; điều trị bệnh tia phóng xạ với

dòng với ĐVPX; điều trị bệnh tia phóng xạ với nguồn kín (Radiotherapy).

nguồn kín (Radiotherapy). nguồn kín (Radiotherapy). nguồn kín (Radiotherapy).

+ Trong cơng nghiệp: dùng nguồn kín để chụp ảnh gamma + Trong cơng nghiệp: dùng nguồn kín để chụp ảnh gamma cho phép xác định thông số về độ dày, độ ẩm, phát cho phép xác định thông số về độ dày, độ ẩm, phát khuyết tật hư hỏng rò rỉ ăn mòn chiếu xạ và xử lý bức khuyết tật hư hỏng rò rỉ ăn mòn chiếu xạ và xử lý bức khuyết tật, hư hỏng, rò rỉ, ăn mòn, chiếu xạ xử lý khuyết tật, hư hỏng, rò rỉ, ăn mòn, chiếu xạ xử lý xạ, khử trùng, v.v Sử dụng đồng vị phóng xạ đánh dấu xạ, khử trùng, v.v Sử dụng đồng vị phóng xạ đánh dấu trong việc thăm dị khai thác dầu khí, nước ngầm, đánh giá trong việc thăm dị khai thác dầu khí, nước ngầm, đánh giá hiệu quả hoạt động hệ thống, chu trình phức tạp

hiệu quả hoạt động hệ thống, chu trình phức tạp

19

hiệu hoạt động hệ thống, chu trình phức tạp hiệu hoạt động hệ thống, chu trình phức tạp trong nhà máy hoá chất xi măng.

1 SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

Cá l i đồ ị hó hí h đ ử d

Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu Những đồng vị

Ch hì h bằ Tc-99m, Tl-201, I-123, Xe-133,

In-Các loại đồng vị phóng xạ được sử dụng.

Chụp hình ảnh nhờ kỹ

thuật hạt nhân

Chụp hình ảnh gamma , , , , 111, Lu-177

PET F-18, C-11, N-13, O-15

Đo nồng độ xương I-124, Gd-153, Am-241

ễ

Y học

Xét nghiệm miễn dịch

học PX (RIA) I-125, Co-57, H-3, Fe-59

Dược chất phóng xạ I-131, Re-186, P-32, Lu-177,

Sm-153, Re-188, Y-90

Điều trị bệnh phóng xạ với nguồn kín

Chiếu xạ từ thể

(Teletherapy) Co-60, Cs-137 Chiếu xạ bên thể

(Brachytherapy) Ir-192, Cs-137, I-125 (Radiotherapy) Chiếu xạ máu để dùng cho

việc truyền máu Co-60, Cs-137

Nghiên

cứu Nghiên cứu Y-Sinh P-32,33, I-125, H-3, Co-57,

cứu KH

Nghiên cứu Y-Sinh