Tìm hiểu về công nghệ lò phản ứng nghiên cứu

THƠNG TIN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ HẠT NHÂN TÌM HIỂU VỀ CƠNG NGHỆ LỊ PHẢN ỨNG NGHIÊN CỨU (Phần 1: Các thông tin chung) Năm 1934, Enrico Fermi cộng ông phát tượng bắn phá nơtrôn nhiệt (năng lượng 0,025 eV) vào urani tạo nguyên tố siêu urani Đầu năm 1939, Lise Meitner Otto Frisch đến kết luận nơtrơn kích thích phân chia hạt nhân urani thành cặp có khối lượng gần Những công việc phôi thai tạo nên quan tâm đặc biệt để nghiên cứu phản ứng hạt nhân dây chuyền tự trì có khả điều khiển, mà kết vào ngày 2/12/1942, Trường Đại học Chicago (Hoa Kỳ), khởi động thành cơng thiết bị trì phản ứng hạt nhân dây chuyền CP-1 dẫn dắt Enrico Fermi, đánh dấu thời điểm Lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu (LPƯNC) đời Theo số liệu thống kê năm 2016 Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), có 757 LPƯNC xây dựng (trong có 612 lị 28 nước phát triển 145 lò 40 nước phát triển), bao gồm 246 lò vận hành, lò xây dựng, 144 lò dừng hoạt động chưa tháo dỡ, 358 lò tháo dỡ Thời điểm có số lượng LPƯNC vận hành nhiều năm 1975 với 373 lò vận hành 55 nước Trong số lò phản ứng vận hành xây dựng nêu trên, có 159 lị thuộc nước phát triển 96 lò thuộc nước phát triển, cho thấy xu hướng số lượng LPƯNC giảm nhanh nước phát triển, lúc nước phát Số 50 - Tháng 3/2017 11 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN triển sử dụng LPƯNC thiết bị hạt nhân v.v… để thực nghiên cứu, ứng dụng Từ cách phân loại đa dạng trên, đào tạo nguồn nhân lực hạt nhân cho quốc gia số 246 LPƯNC vận hành thống Số lượng 246 lò vận hành lò kê sau: 98 lò (chiếm 40%) có nghiên cứu xây dựng phân bố theo vùng khu sản xuất đồng vị phóng xạ, 128 lị (chiếm vực sau: Bắc Mỹ – 49, châu Mỹ Latinh – 19, 52%) có nghiên cứu dịch vụ phân tích kích Tây Âu – 40, Đông Âu – 79, châu Phi – 9, Trung hoạt nơtrơn, 72 lị (chiếm 29%) có nghiên cứu Đơng Nam Á – 17, Đông Nam Á Thái Bình ứng dụng chụp ảnh nơtrơn, 60 lị (chiếm 24%) Dương – 6, vùng viễn Đơng – 36 Tính theo quốc có nghiên cứu ứng dụng chiếu xạ thử nghiệm gia Liên bang Nga vận hành 63 lò, sau vật liệu nhiên liệu hạt nhân, 50 lị (20%) có Hoa Kỳ – 42, Trung Quốc – 17, Pháp – 10, ứng dụng nghiên cứu vật liệu kỹ thuật tán Đức – 8, v.v Trong vùng Đông Nam Á, quốc xạ nhiễu xạ nơtrơn kênh ngang, 42 lị gia có số lượng LPƯNC nhiều Indonesia, (chiếm 17%) có ứng dụng nghiên cứu đo đạc số liệu hạt nhân, 30 lị (chiếm 12%) có nghiên vận hành lò phản ứng Khác với lò phản ứng lượng cứu dịch vụ chiếu xạ pha tạp silic đơn tinh nhà máy điện hạt nhân sử dụng nhiệt thể, 21 lò (chiếm 9%) có nghiên cứu dịch vụ để tạo lượng điện, LPƯNC sử dụng chiếu xạ tạo màu đá q, có 19 lị (chiếm 8%) xạ hạt nhân sản phẩm phân hạch để có nghiên cứu dịch vụ lĩnh vực xạ trị tạo nhiều sản phẩm thứ cấp nên chúng đa bắt nơtrơn đồng vị 10B (BNCT), có 176 lị (chiếm 71%) thực khóa đào tạo huấn dạng có nhiều cách phân loại, ví dụ: luyện, v.v Như vậy, mục đích đào tạo nguồn Theo tiêu chí sử dụng, chất tải nhiệt nhân lực hạt nhân chiếm tỷ lệ cao nhất, sau chế làm mát vùng hoạt, LPƯNC phân tạo sản phẩm dịch vụ phục vụ phát triển thành lò chuyên dụng cho một vài kinh tế - xã hội phân tích nguyên tố, sản xuất mục đích định, lị đa mục tiêu, lị nước nhẹ, đồng vị phóng xạ, v.v lò nước nặng, lò dùng chế đối lưu tự nhiên, lị Vì vậy, tùy nhu cầu mục đích sử dụng, đối lưu cưỡng bức, v.v… tiềm lực tài khả nhân lực mà Theo tiêu chí cơng suất làm việc, quốc gia có định hướng xây dựng loại LPƯNC phân ra: lị cơng suất khơng (với LPƯNC khác mức công suất, chủng mức công suất < 10 kW nhiệt – sau viết loại, công nghệ, mục tiêu ứng dụng, kWt), lị cơng suất thấp (từ 10 kWt - MWt), lò v.v xây dựng nhiều loại LPƯNC để cơng suất trung bình (từ - MWt), lị cơng suất vận hành Tuy nhiên, nước phát cao (trên MWt), lò làm việc chế độ xung có triển, khó khăn kinh phí nguồn nhân lực cơng suất đến GWt thời gian ngắn, v.v vận hành, sử dụng nên xây dựng Tuy nhiên, việc phân loại mức công suất nêu lúc nhiều LPƯNC lãnh thổ mà tương đối chọn phương án xây dựng lò đa mục tiêu để đáp Theo mục đích sử dụng, phân loại ứng nhiều mục đích sử dụng lò nghiên cứu, lò thử nghiệm, lò huấn luyện Tính đa dạng loại lị phản ứng đào tạo, cấu tới hạn, v.v… đồng nghĩa với tính đa dạng phức tạp Theo cấu tạo lò phản ứng, phân loại cơng nghệ thiết kế Vì vậy, tìm hiểu gồm lị loại bể, lị loại thùng, lị TRIGA, lị WWR, cơng nghệ LPƯNC cần nắm khái niệm lò SLOWPOKE, lò HOMOG., lò ARGONAUT, chung đặc trưng chúng 12 Số 50 - Tháng 3/2017 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Các loại lò phản ứng nghiên cứu kỳ bán rã 7,1 giây, phân rã gamma lượng Có thể chia LPƯNC thành loại, loại cao 5-7 MeV) và các sản phẩm kích hoạt của các thùng lò (tank type) và loại bể lò (pool type) Loại đồng vị sống ngắn khác Nhược điểm bể lò còn được chia thành loại lò phản ứng có khắc phục việc đưa vào thiết kế bể làm thùng lò với nắp đậy kín bên nằm bể trễ dòng nước từ lối vùng hoạt, hay gọi lò (closed-tank in pool) và loại có thùng lò nằm bể phân rã (decay tank) vào chu trình mát mát bên bể khơng có nắp đậy (open-tank vịng sơ cấp lò phản ứng in pool) Các lò phản ứng loại thùng được đặc trưng bằng một vùng hoạt chứa nhiên liệu nằm bên một thùng kín Các lớp che chắn bêtông và kim loại bao quanh phía ngoài thùng lò Việc thao tác vùng hoạt chỉ có thể thực hiện được nâng các nắp che chắn Ưu điểm của lò phản ứng loại thùng là có thể vận hành ở nhiệt độ và áp suất cao vì hệ thống truyền nhiệt vòng sơ cấp rất kín và cách ly với khí quyển, giống lò lượng nhà máy điện hạt nhân Vì vậy, loại lị thường thiết kế cho Hình 1a Hình chiếu đứng cấu trúc lị vài mục đích chuyên dụng gần phản ứng loại bể hở (open pool) khơng cịn sử dụng 1- hàng rào bảo vệ; 2- kênh chiếu xạ kích Các LPƯNC với thùng lò khơng có nắp thước lớn; 3- đậy bảo vệ; 4- vách ngăn; đậy nằm bên bể (open-tank-in-pool) có 5- phủ khơng thấm nước; 6- bình làm mát nhiều ưu điểm loại thùng kín giá thành khẩn cấp; 7- kênh dẫn đầu dị nơtrơn; 8- cửa thấp, việc thao tác vùng hoạt tương đối dễ kênh thí nghiệm nằm ngang; 9- thùng lị phản dàng, có thể nhìn xuyên qua các lớp che chắn ở ứng; 10- động điều khiển; 11- hotphía bể lò và bể lò chứa nước làm mát không cell đặt bể lò; 12- đường vận chuyển bia chịu áp suất lớn Nước bể lò còn là lớp che đồng vị phóng xạ chiếu vào hot-cell chắn phóng xạ rất cần thiết phía vùng hoạt, Các Hình 1a 1b trình bày hình chiếu loại bỏ yêu cầu phải dùng các lớp che chắn bằng kim loại và bê-tông giống với lò loại thùng, đứng ngang tương ứng loại lò open-tankthuận lợi cho người vận hành sử dụng Do khả in-pool Vách ngăn (4) chia bể lò thành phần, thao tác rất thuận tiện vùng hoạt của phần bên trái bể chính, nơi chứa vùng hoạt loại lò open-tank-in-pool nên hầu hết thiết (17), buồng ion hóa đo nơtrơn (13) và các cấu kế lò phản ứng hệ sau năm trúc liên quan bao thùng lò (9); phần 2000 đến lị FRM-II cơng suất 20 MWt bên phải bể phụ, nơi lưu giữ tạm thời bó Đức, lị OPAL cơng suất 20 MWt Úc, nhiên liệu chuyển tải (19) bó nhiên lị CARR cơng suất 60 MWt Trung Quốc, liệu đã chiếu xạ (20), các vật liệu bia sản xuất lị RA-10 cơng suất 30 MWt Argentina, lò đồng vị sau chiếu xạ (22, 23) bể nước làm RMB công suất 30 MWt Brazil, v.v mát khẩn cấp (6) Bể chính và bể phụ được nối lựa chọn loại Tuy nhiên đối với loại lò này với qua cửa trung chuyển hành lang vận cần phải quan tâm đến việc làm giảm trường bức chuyển dưới nước (18, 21) để đảm bảo an toàn xạ gamma quanh lò gây đồng vị 16N (chu và dễ dàng vận chuyển thao tác Số 50 - Tháng 3/2017 13 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN bể lị Với mục đích bảo vệ sinh học, bể lò bao kết cấu bê-tông nặng với độ dày từ 2-3 m tùy vị trí Ngồi ra, bể lị còn có chức giam giữ các sản phẩm phân hạch trường hợp xảy sự cớ Các dịng nơtrơn từ lị phản ứng dẫn qua ống kênh nằm ngang (14) để thực nghiên cứu bản, nghiên cứu ứng dụng đào tạo nhân lực Hình 1c Mặt cắt ngang lò TRIGA bể hở với vùng hoạt độc lập 14-MW steady state reactor- lị cơng suất 14 MWt; Annular core pulsing reactor- lị xung cơng suất đến 2000 MWt Vùng hoạt vành phản xạ Vùng hoạt (Hình 2a) nơi tạo phản Hình 1b Hình chiếu ngang cấu trúc ứng hạt nhân dây chuyền trì, nơi lắp lị phản ứng loại bể hở (open pool) đặt bó nhiên liệu, điều khiển, 13- buồng ion hóa; 14- kênh ngang dẫn hốc chiếu cần thông lượng nơtrôn cao Bao quanh vùng hoạt miền phản xạ nơtrôn (hay cịn gọi dịng nơtrơn từ lị ngồi; 15- tường bê-tông vành phản xạ) để hạn chế thất nơtrơn bảo vệ sinh học; 16- lối đường ống; 17- vùng khỏi vùng hoạt Kích thước chiều rộng vùng hoạt lò phản ứng; 18- cánh cửa lối vận hoạt phụ thuộc vào cơng suất lị yêu cầu chuyển bể (bể lò) bể phụ (bể dịch ứng dụng, Xu hướng thiết kế cho vụ); 19- nơi lưu giữ tạm thời bó nhiên liệu; kích thước vùng hoạt nhỏ (compact core) để có 20- nơi lưu giữ bó nhiên liệu qua sử dụng; mật độ thơng lượng nơtrơn cao Kích thước chiều 21- hành lang vận chuyển; 22- nơi làm nguội cao vùng hoạt phụ thuộc vào chiều dài vật liệu sau chiếu xạ (thỏi silic, ); 23- nơi làm bó nhiên liệu sử dụng, phổ biến nguội bia sản xuất đồng vị sau chiếu xạ LPƯNC đa chức khoảng Hình 1c trình bày mặt cắt ngang bể lò 60-70 cm Sử dụng bó nhiên liệu có tiết diện TRIGA loại mở, cịn gọi lị bể bơi (swimming hình lục giác loại VVR-M2 VVR-KN với pool), gồm vùng hoạt chung bể, độ giàu 19,75% U-235 Liên bang Nga chế tạo gọi “TRIGA dual core”, gồm lị có cơng Ngồi nhiên liệu điều khiển, suất ổn định 14 MWt lị xung cơng suất đến vùng hoạt cịn lắp đặt kênh chiếu xạ với thông 2000 MWt xây dựng Viện Nghiên cứu lượng nơtrôn cao để thử vật liệu sản xuất đồng hạt nhân Pitesti Rumani Cơng suất 14 MWt vị phóng xạ Các kênh kích thước lớn để chiếu mức cao loại lị TRIGA Cơng ty xạ pha tạp đơn tinh thể silic kênh chiếu General Atomics Hoa Kỳ thiết kế xây để phân tích kích hoạt, sản xuất đồng vị phóng dựng Thể tích nước bể lò phải đủ lớn để xạ với yêu cầu thông lượng nơtrôn thấp đặt vùng phản xạ làm mát đồng thời vùng hoạt 14 Số 50 - Tháng 3/2017 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ HẠT NHÂN Vùng hoạt của lị OPAL (Hình 2b) nhỏ gọn, với kích thước 35 cm x 35 cm x 61,5 cm được làm nguội và làm chậm bằng nước nhẹ, bao quanh vùng hoạt là vành phản xạ bằng nước nặng theo chiều bán kính và bằng nước nhẹ theo chiều cao (ở và dưới vùng hoạt) Trong vùng hoạt lắp đặt 16 bó nhiên liệu loại MTR (Material Testing Reactor) có tiết diện vuông xấp xỉ cm x cm hấp thụ nơtrôn dạng tấm, có dáng hình chữ thập đặt xen kẽ điểm góc Hình 2a Hình chiếu 3D vùng hoạt bó nhiên liệu, được dùng để điều khiển độ phản ứng và dập lò Tất thiết bị chiếu xạ (để sản với vành phản xạ berili xuất đồng vị phóng xạ, chiếu xạ vật liệu có thể 1- kênh thí nghiệm nằm ngang; 2- thân tích lớn, các thiết bị chiếu xạ kênh khí nén, v.v ) vùng hoạt; 3- kênh vận chuyển ống; đặt vành phản xạ 4- khối vật liệu chì; 5- khối phản xạ berili thay được; 6- bó nhiên liệu; 7, 11- kênh chiếu xạ vùng hoạt; 8- điều khiển; 9- khối berili chứa khoang nước; 10khối phản xạ nơtrôn cố định; 12- kênh chiếu xạ kích thước lớn vành phản xạ Hình 2c Mặt cắt ngang vùng hoạt với vành phản xạ nước nặng Hình 2b Hình chiếu 3D vùng hoạt với vành phản xạ nước nặng Reactor core- vùng hoạt; Silicon irradiation facilities- hốc chiếu xạ pha tạp đơn tinh thể silic; Heavy water tank- thùng phản xạ nước nặng; Cold neutron source- nguồn nơtrơn lạnh; Hot neuron source-nguồn nơtrơn nóng; Thermal neutron beam port- ống dẫn dịng nơtrơn nhiệt 1- kênh chiếu đứng vùng hoạt: CT, IR1, IR2- hốc chiếu xạ thử nhiên liệu vật liệu hạt nhân; 2- kênh chiếu đứng vành phản xạ: NTD1, NDT2- hốc chiếu xạ pha tạp đơn tinh thể silic; CNS- nguồn nơtrôn lạnh; HTS- hệ chuyển mẫu thủy lực để sản xuất đồng vị phóng xạ; PTS- hệ chuyển mẫu khí nén để chiếu mẫu phân tích kích hoạt nơtrơn; LH- kênh chiếu xạ thử nghiệm nhiên liệu; 3- kênh dẫn dịng nơtrơn nằm ngang: ST1, ST2, ST3, ST4- lắp đặt hệ phổ kế tán xạ nhiễu xạ nơtrôn; NR- chụp ảnh nơtrơn, IR- lắp đặt hệ BNCT; CN- dịng nơtrơn lạnh Số 50 - Tháng 3/2017 15 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ HẠT NHÂN Vùng hoạt của lị HANARO (Hình 2c) bao gờm vùng hoạt bên (inner core) và vùng hoạt bên ngoài (outer core) Vùng hoạt bên được bao quanh bởi vòng nếp gấp và các ống đặt song song nằm phía của lớp vỏ bên của vành phản xạ Có vị trí của vùng hoạt bên (màu vàng) được dùng để đặt điều khiển và dừng lò mà phía bên của các điều khiển dừng lị này chứa các bó nhiên liệu loại 18 Có 20 ớng hình lục giác (màu xanh) để chứa các bó nhiên liệu loại 36 Cịn lại vị trí trống dọc tâm (màu trắng) được dành để lắp đặt thiết bị chiếu xạ thử nghiệm nhiên liệu vật liệu hạt nhân Vùng hoạt bên ngoài gồm ống thẳng đứng hình tròn nằm vành phản xạ nước nặng mà nạp các bó nhiên liệu loại 18 vào những ớng này Việc thiết kế vùng hoạt bên ngoài nhằm cung cấp môi trường tốt cho mục đích chiếu xạ với dòng nơtrôn nhiệt cao trình khởi động Tuy nhiên những ưu điểm này của vành phản xạ berili sẽ không thể bù đắp cho nhu cầu cần có vùng phản xạ lớn để dành chỗ cho nhiều thiết bị thí nghiệm cờng kềnh Thêm vào đó, cũng cần có sự quản lý thận trọng đối với berili vì khối berili rắn có thể bị biến dạng bị chiếu xạ dài ngày Vành phản xạ bằng nước nặng thường lớn vành phản xạ berili vật liệu cần nhiều va chạm để nhiệt hóa nơtrơn và có ưu điểm là ít hấp thụ nơtrôn Với những ưu điểm này, các thiết bị chiếu xạ cố định có kích thước lớn thường được đặt vành phản xạ nước nặng Hơn nữa, thông lượng nơtrôn cấp cho các thiết bị vành phản xạ nước nặng sẽ tốt có cường độ cao và phân bố phẳng so với thông lượng nơtrôn cấp cho các thiết bị thí nghiệm tương tự ở vành phản xạ berili Ví dụ thông lượng nơtrôn nhiệt cung cấp cho kênh tiếp tuyến nằm ngang vành phản xạ Chất phản xạ cần chọn là vật liệu có mật nước nặng cao từ 20% đến 40% so với độ cao và hấp thụ nơtrôn thấp Berili có mật độ vành phản xạ bằng berili Ngồi ra, vành phản xạ tương đới cao (1,85 g/cm3) và là chất phản xạ nước nặng sử dụng hệ thống dập hiệu quả nhất (tiết diện vi mô hấp thụ với nơtrôn lò thứ hai cách tháo nhanh phần nước nhiệt thấp, σa =0,001 barn, barn = 10-24 cm2) nặng vành phản xạ để đưa lò phản ứng Ba vật liệu khác được dùng làm chất phản xạ sắp xuống tới hạn trường hợp hệ thống theo thứ tự ưu tiên là nước nặng (mật độ 1,1 g/ dập lò thứ (các điều khiển) lý cm3, σa = 0,0006 barn), graphite (mật độ 1,6 g/ khơng thực chức dập lị cm3, σa = 0,0035 barn) và nước nhẹ (mật độ 1,0 u cầu có hệ thớng dập lò thứ hai độc lập g/cm3, σa = 0,333 barn) Tuy nhiên, nước nặng có khác nguyên tắc vận hành với hệ thống dập hiệu suất phản xạ tốt berili vì có tiết diện hấp lò thứ yêu cầu bắt buộc quy phạm thụ nơtrôn thấp số nước (Ấn Độ chẳng hạn) LPƯNC có cơng suất 15 MWt Nước nặng và berili các vật liệu thường được dùng làm chất phản xạ các LPƯNC Với một số ưu nhược điểm vừa nêu đa chức mặc dù graphit thường dùng đối với berili và nước nặng, để tối ưu thiết các LPƯ có công suất thấp Việc sử dụng berili kế (ví dụ lị JRR-3M Nhật Bản) đã kết hợp sử làm chất phản xạ có các ưu điểm cho khối dụng đồng thời berili và nước nặng để làm chất lượng tới hạn thấp nhất, sự linh động việc phản xạ nơtrôn Tuy nhiên nếu xét theo quan điểm bố trí các vị trí chiếu xạ và đảm bảo sự tin cậy thuận tiện vận hành thì việc chỉ sử dụng của việc điều khiển lị phản ứng śt quá nước nặng làm chất phản xạ sẽ có nhiều ưu điểm 16 Số 50 - Tháng 3/2017 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN so với sử dụng cả nước nặng và berili để làm chất phản xạ, lý mợt sớ lị phản ứng đa mục tiêu xây dựng thời gian gần (ví dụ lị JRTR cơng suất MWt Jordan, lị OPAL cơng suất 20 MWt Úc, lị FRM-II cơng suất 20 MWt Đức, lị HANARO công suất 30 MWt Hàn Quốc, v.v ) sử dụng vành phản xạ nước nặng, đồng thời làm chức hệ thống dập lò thứ hai Trường hợp lị phản ứng ETRR-2 cơng suất 22 MWt Ai Cập sử dụng vành phản xạ berili hệ thớng dập lò thứ hai được trang bị cách tiêm dung dịch hấp thụ nơtrôn (gadolinium nitrate) vào b̀ng đặt giữa các bó nhiên liệu và vành phản xạ bao quanh vùng hoạt nên tiết kiệm nơtrôn nước nhẹ (σa = 0,333 barn) Tuy nhiên, nước nặng cũng có nhược điểm giá thành cao cần trang bị một hệ thống làm nguội sơ cấp phức tạp để tránh sự giảm chất lượng của nước nặng và để ngăn chặn đồng vị phóng xạ triti (3H) sinh phản ứng nơtrôn với nước nặng giải phóng vào môi trường Vì việc thao tác diễn thường xuyên vùng hoạt của LPƯ để thay đổi nhiên liệu và tiến hành các thí nghiệm chiếu xạ nên việc giữ sự tinh khiết của nước nặng hệ thống làm mát là mối quan tâm lớn nhất Với vấn đề cơng nghệ an tồn xạ nêu trên, tất cả các thiết kế cho LPƯNC loại bể mở (khơng có áp lực) hiện đều chọn nước nhẹ làm chất làm Về mặt ứng dụng, vành phản xạ mát cho hệ thống tải nhiệt vòng sơ cấp berili khó đáp ứng yêu cầu độ đồng Nước nặng hoặc nước nhẹ có thể được tốt thông lượng nơtrôn thông lượng thay dùng phổ biến là chất làm chậm các đổi nhanh theo khơng gian vành phản xạ Vì LPƯNC Nước nhẹ có khả làm chậm nơtrôn vậy, vùng hoạt với vành phản xạ berili gặp khó cao nhất (giá trị khả làm chậm ξΣ lớn, 1,35 s khăn việc đáp ứng chiếu xạ pha tạp đơn tinh cm-1) ngược lại thì hấp thụ nơtron cũng thể silic làm dịch vụ Trong trường hợp đó, khả nhiều (hệ số làm chậm ξΣ /Σ thấp, 71) Nước s a bổ sung graphite vào số vùng vành nặng tiết kiệm nơtrôn nhiều nhất vì hấp thụ phản xạ cần xem xét Ngồi ra, với thời gian nơtrơn nhất (σ = 0,0006 barn) khả a vận hành liên tục, dài ngày, vành phản xạ berili làm chậm nơtrôn thấp (ξΣ = 0,176 cm-1), với s gây hiệu ứng nhiễm độc làm giảm độ phản ξ độ lợi lethargy, đặc trưng cho độ ứng dự trữ biến dạng trường nơtrơn, tính chất lượng logarit trung bình nơtrơn va chạm, học berili dễ dàng thay đổi theo Σ = Nσ Σ =Nσ tiết diện vĩ mô tán xạ s s a a trình vận hành lị Việc bố trí kênh ngang dẫn hấp thụ nơtrôn N mật độ hạt nhân dịng nơtrơn dùng vành phản xạ berili chất làm chậm phức tạp khó khăn, lại khơng đảm bảo Các vùng hoạt được làm chậm bằng nước thông lượng yêu cầu ảnh hưởng kênh đáng kể kích thước vành phản nhẹ có thể tích tương đối nhỏ vùng hoạt được làm chậm bằng nước nặng chiếm nhiều xạ không đủ rộng không gian vì cần nhiều va chạm để nhiệt Chất làm mát làm chậm nơtron hóa nơtrơn Thể tích nhỏ của vùng hoạt được làm vùng hoạt chậm bằng nước nhẹ cho thông lượng nơtrôn cao Nước nhẹ (H2O) và nước nặng (D2O) một đơn vị công suất, loại vùng thường là sự lựa chọn chung nhất cho chất làm hoạt này có thể trở thành nhược điểm nếu cần mát vòng sơ cấp LPƯNC Nước nặng (σa phải trì phản ứng một thể tích khá lớn = 0,0006 barn) có ưu điểm là hấp thụ nơtrôn để dành chỗ cho nhiều thiết bị thí nghiệm Do Số 50 - Tháng 3/2017 17 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN vậy, các thiết bị thí nghiệm vùng hoạt được làm mát bằng nước nhẹ thường được bố trí khu vực vành phản xạ bao quanh vùng hoạt Hầu hết các LPƯNC đa chức đều dùng chất làm chậm bằng nước nhẹ HEU trước Các loại nhiên liệu được khảo sát để cải tiến hoặc sẽ thay thế cho loại nhiên liệu cũ hiện có thể kể đến như: UAlx+Al (mật độ 2,3 g/cm3), UZrHx (mật độ 3,7 g/cm3), U3O8 +Al (mật độ 3,2 g/cm3), UO2+Al (mật độ 5,0 g/ 3 Nhiên liệu dùng cho lò phản ứng nghiên cứu cm ), U3Si2+Al (mật độ 6,0 g/cm ), UN+Al (mật độ 7,0 g/cm3) và Al+U- Các hợp kim của Mo Trước năm 1990, nhiên liệu dùng (mật độ 8,0 g/cm3) cho LPƯNC phổ biến là vật liệu urani được làm Vỏ bọc cho nhiên liệu phổ biến giàu cao (HEU – Highly Enriched Uranium) với nồng độ của U-235 từ 36% đến 93% Nhiêu liệu vật liệu nhôm, ngoại trừ nhiên liệu của lò TRIGA HEU cho tính tốt nếu xét về khía cạnh dùng vỏ bọc hợp kim 800H thép không rỉ cung cấp thông lượng nơtron cao đơn vị thể Vì LPƯ cần được thiết kế cho đạt được mật tích Tuy nhiên, nhằm ngăn chặn phổ biến vũ độ công suất cao nên kỹ thuật khuếch tán các hạt khí hạt nhân cách giảm thiểu, tiến tới loại nhiên liệu lên nhôm được sử dụng rộng bỏ việc sử dụng urani có độ giàu cao rãi Loại nhiên liệu khuếch tán này cùng với việc ứng dụng hạt nhân dân tồn giới, năm khơng có khe hở giữa lõi và vỏ bọc nhiên 1978, Hoa Kỳ khởi xướng chương trình giảm liệu cho phép ngăn chặn rất tốt sự giải phóng độ giàu nhiên liệu cho LPƯNC lò thử nghiệm sản phẩm phân hạch bên ngoài và cho các đặc với tên gọi RERTR (Reduced Enrichment trưng nhiệt rất tốt for Research and Test Reactors) Mục đích của chương trình này là để thay nhiên liệu HEU sang nhiên liệu có độ làm giàu thấp (LEU – Low Enriched Uranium), có độ giàu của U-235 nhỏ 20% LPƯNC lò thử nghiệm xây dựng giới Để chuyển sang sử dụng nhiên liệu LEU, loại nhiên liệu có urani mật độ cao khuếch tán vào nhôm hiện được sử dụng rộng rãi các LPƯNC, bao gồm U3Si2+Al (mật độ 4,8 g/cm3), U3Si+Al (mật độ 3,15 g/cm3), U3O8+Al (mật độ 1,3 g/cm3), UZrHx-Er (mật độ 0,16 g/ cm3), và UO2+Al Er (mật độ 3,0 g/cm3) Vật liệu U3Si2+Al (mật độ 4,8 g/cm3) được xem là nhiên liệu chuẩn LPƯNC hệ hiện Tuy nhiên, một số chương trình nghiên cứu và phát triển ở các nước Hoa Kỳ, Châu Âu, Liên bang Nga, Nhật bản và Hàn quốc quan tâm đến việc phát triển loại nhiên liệu LEU có mật độ urani đến g/cm3 để đạt được thông lượng nơtrôn cao, tương tự nhiên liệu 18 Số 50 - Tháng 3/2017 Ba dạng nhiên liệu được dùng phổ biến thiết kế LPƯNC dạng tấm phẳng (plate), dạng hay ống nhỏ (rod, pin) dạng ống (tube) uốn từ phẳng Cấu trúc nhiên liệu loại tấm phẳng ống (tube) cho sự truyền nhiệt tốt so với nhiên liệu loại có tỉ số diện tích bề mặt thể tích lớn Với nhiên liệu loại thanh, việc sử dụng lớp vỏ bọc dày nhôm và vận hành ở nhiệt độ thấp LPƯNC, sự phồng rộp của nhiên liệu đã được ngăn chặn bằng cách hạn chế sự gia tăng của các khí phân hạch ở độ cháy thích hợp Tuy nhiên, để phát triển kỹ phục vụ cho chương trình điện hạt nhân việc huấn luyện các LPƯNC dùng nhiên liệu loại có thể đem lại nhiều lợi ích dùng nhiên liệu loại tấm Lý nhiên liệu loại gần giớng bó nhiên liệu (BNL) dùng các nhà máy điện hạt nhân đó các chương trình tính toán vật lý lò được xây dựng cho một loại BNL có thể được sử dụng với một vài sửa đổi để đánh giá tính chất của BNL THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN loại khác nhà máy điện hạt nhân lị OPAL cơng suất 20 MWt Úc, lị CARR cơng suất 60 MWt Trung Quốc, lị ETRR-2 công suất 22 MWt Hy lạp, v.v ; lị RA-10 cơng suất 30 MWt Argentina lị RMB cơng suất 30 MWt Brazil xây dựng Hình 3b Bó nhiên liệu chuẩn bó nhiên liệu kèm lò phản ứng JRR-3M Hình 3a Bó nhiên liệu loại MTR lò phản ứng JRR-3M Hình chiếu đứng BNL (trên) Mặt cắt ngang BNL (dưới) Bó nhiên liệu dạng phẳng phổ biến gọi nhiên liệu MTR (Material Testing Reactor), mang tên loại lò thử vật liệu dùng phù hợp cho LPƯNC đa mục tiêu lị JRR-3M cơng suất 20 MWt Nhật Bản, Hình 3a bó nhiên liệu dạng MTR lị JRR-3M, sử dụng nhiên liệu U3Si2-Al có mật độ cao 4,8 g/cm3 Có hai loại BNL được sử dụng lò, gồm BNL chuẩn và BNL kèm điều khiển (follower fuel) Mỗi BNL nhiên liệu chuẩn có tiết diện vuông 7,62 cm x 7,62 cm và có chiều cao toàn bộ 115 cm BNL kèm điều khiển có kích thước 6,4 cm x 6,4 cm x 88 cm, nhỏ so với BNL ch̉n (Hình 3b) Sớ tấm nhiên liệu có BNL chuẩn và BNL kèm điều khiển tương ứng là 21 và 17 tấm Trong từng tấm nhiên liệu, bề dày của phần lõi nhiên liệu là 0,51 mm và độ dày của vỏ bọc là 0,38 mm Do có BNL kèm điều khiển hấp thụ nơtrôn nên lị vận hành, điều khiển đẩy lên phía vùng hoạt, BNL kèm chiếm chỗ phần hấp thụ nơtrôn làm độ phản ứng dự trữ tăng, kéo dài chu trình vận hành lị Mỗi tấm nhiên liệu được gắn thêm Số 50 - Tháng 3/2017 19 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN dây cadmi có khả tự cháy lị vận hành để Bó nhiên liệu lị HANARO ghép giảm độ phản ứng dự trữ đầu chu trình nạp tải từ nhiều ống nhỏ làm từ U3Si+Al mật đợ 3,15 g/ Loại bó nhiên liệu lắp ráp từ nhiều cm Ống nhiên liệu có đường kính 6,35 nhiên liệu dạng ống tròn nhỏ (dạng pin) mm, dài 700 mm và được bọc bằng vỏ nhơm dày sản xuất cho lị HANARO công suất 30 0,76 mm Trên vỏ bọc có cánh tỏa nhiệt bằng MWt Hàn Quốc, số LPƯNC Liên nhôm để tăng tiết diện tỏa nhiệt của BNL Có loại BNL, 36 ống và 18 ống nhiên liệu (Hình 4a) bang Nga Canada Cả hai loại BNL đều có cùng thiết kế, ngoại trừ Bó nhiên liệu lị HANARO ghép các nhiên liệu ở vòng ngoài BNL có độ dày từ nhiều ống nhỏ làm từ U3Si+Al mật độ 3,15 g/ 5,5 mm để làm giảm hệ số bất đồng đều cm3 Ống nhiên liệu có đường kính 6,35 Tuy không phổ biến, Công ty mm, dài 700 mm và được bọc bằng vỏ nhôm dày 0,76 mm Trên vỏ bọc có cánh tỏa nhiệt bằng TVEL Liên bang Nga sản xuất nhiên nhôm để tăng tiết diện tỏa nhiệt của BNL Có liệu dạng ống (pin), sử dụng hạn chế loại BNL, 36 ống và 18 ống nhiên liệu (Hình 4a) số LPƯNC dùng nội địa (Hình Cả hai loại BNL đều có cùng thiết kế, ngoại trừ 4b) các nhiên liệu ở vòng ngoài BNL có độ dày 5,5 mm để làm giảm hệ số bất đồng đều Hình 4b Bó nhiên liệu dạng (pin) Liên bang Nga chế tạo Nhiên liệu dạng ép thành ống Liên bang Nga sản xuất gồm loại VVR IRT với phương án cải tiến khác Loại bó nhiên liệu lắp ráp từ nhiều VVR-M2, VVR-M5, VVR-TS, VVR-KN, v.v nhiên liệu dạng ống tròn nhỏ (dạng pin) IRT-2M, IRT-3M, IRT-4M, v.v Bảng sản xuất cho lị HANARO cơng suất 30 thơng số kỹ thuật Hình 5a Hình 5b MWt Hàn Quốc, số LPƯNC Liên hình dạng BNL phổ biến dùng cho LPƯNC Liên bang Nga thiết kế xây dựng bang Nga Canada Hình 4a Hai loại bó nhiên liệu dạng của lò HANARO 20 Số 50 - Tháng 3/2017 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Bảng Các thông số kỹ thuật BNL loại VVR IRT Liên bang Nga Loại bó nhiên liệu (BNL) VVRM2 Số BNL Khối lượng 235 U BNL (g) 50 45 38 VVRM5 VVRTS VVRKN IRT-2M IRT-3M IRT-4M 65 54 66 109 83 245 198 230 198 8 352 309 235 300 264 201 300 263,8 Độ giàu U (%) Độ dài phần nhiên liệu (mm) 19,75 600 235 36 600 500 90 600 500 500 36 600 19,75 600 36 36 600 36 600 1,4 (0,45/0,5 /0,45) 600 1,6 (0,45/0,7 /0,45) 90 19,75 Độ dày thành NL (mm) 2,5 (0,80/0,9 /0,80) 2,5 (0,75/1,0 /0,75) 1,3 (0,35/0,6 /0,35) 2,3 (0,85/0,6 /0,85) 1,6 (0,45/0,7 /0,45) (0,65/0,7 /0,65) Khối lượng (kg) 0,9 Mật độ urani (g/cm3) Thành phần nhiên liệu 2,5 UO2 +Al 1,4 U-Al alloy 0,9 U-Al alloy 3,9 2,9 U-Al alloy 3,0 3,3 2,6 UO2 +Al U-Al alloy 3,7 3,3 2,9 U-Al alloy 3,0 UO2 +Al Hình 5a-2 Bó nhiên liệu dạng ống loại VVR-KN (8 ống) Hình 5b Bó nhiên liệu dạng ống Hình 5a-1 Bó nhiên liệu dạng ống loại IRT Liên bang Nga chế tạo loại VVR Liên bang Nga chế tạo Nhiên liệu cho lò TRIGA sản xuất Từ trái sang: VVR-M2 (3 ống); VVR-M5 theo công nghệ Delta phase Uranium-Zirconium (5 ống) VVR-TS (5 ống) Hydride U-ZrH1,6 với tỷ lệ H/Zr 1,6 với độ Số 50 - Tháng 3/2017 21 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN giàu thấp 19,7% U-235, gồm loại có hàm lượng urani theo khối lượng 8,5% wt, 12% wt, 20% wt, 30% wt 45% wt; đường kính phần nhiên liệu khoảng 3,6 cm độ dài khoảng 38 cm Hai đầu nhiên liệu khối phản xạ berili với đường kính 3,6 cm độ dài khoảng 8,7 cm khối (Hình 6) Vỏ bọc nhiên liệu chịu nhiệt độ cao đến 1150 oC, làm thép không rỉ 304 hợp kim incoloy 800, với bề dày khoảng 0,5 mm chiều dài 56 cm chưa kể phần đầu phần BNL Như vậy, bó nhiên liệu hồn chỉnh có đường kính ngồi 3,73 cm, dài 72,06 cm trọng lượng 3,18 kg Bó nhiên liệu lị TRIGA có dạng (rod) hãng General Atomics Hoa Kỳ sản xuất cung cấp giảm khả làm chậm nhiên liệu Tương tác neutron với nguyên tử hydro nhiên liệu U-ZrH với nhiệt độ cao làm tăng lượng nơtrôn chậm lên lượng nhiệt (0,025 eV), vùng tiết diện vi mô phân hạch nơtrôn với U-235 cao Hiệu ứng tức thời tăng lên nhiệt độ nhiên liệu tăng, kết đưa vào độ phản ứng âm mà phải bù trừ cơng suất lị phản ứng giảm - Sự giãn nở thể tích thấp với thay đổi nhiệt độ nhiên liệu Kết khả nứt, gãy vỏ bọc thấp gây ứng suất tác động lên vỏ bọc thay đổi kích thước nhiệt phần thịt nhiên liệu - Phản ứng hóa học tối thiểu với nước khơng khí Kết giải phóng tối thiểu sản phẩm phân hạch trường hợp vỏ bọc nhiên liệu bị nứt, gãy - Áp lực khí hydro hạn chế tối thiểu việc tăng áp lực nhiệt độ tăng làm tăng ứng suất lên lớp vỏ nhiên liệu Để kiểm soát độ phản ứng dự trữ rất lớn nhiên liệu có mật độ urani cao, ngoài việc sử dụng điều khiển, ở các BNL thường được gắn thêm chất nhiễm độc có thể cháy cadmi, được sử dụng để tạo sự cân bằng độ phản Hình Bó nhiên liệu lò TRIGA ứng hợp lý suốt thời gian sống của vùng hãng General Atomics hoạt và để giảm sự chênh lệch độ phản ứng đến Nhiên liệu TRIGA có đặc trưng mức chấp nhận được Việc dùng các BNL với mật quan trọng, hồn tồn khác với nhiên liệu đợ uran khác cũng là cách giảm bớt độ phản hãng khác sản xuất, là: ứng dự trữ ở đầu chu trình vận hành - Hệ số nhiệt độ âm tức thời, tạo khả an toàn nội cao, cho phép lò hoạt động Nguyễn Nhị Điền an tồn chế độ xung với cơng suất lên tới 2000 Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam MWt (2,2% ΔK/K) Thiết kế lị phản ứng cho phép q trình làm chậm nơtron xẩy nhiên liệu có thành phần hydro Khi nhiệt độ nhiên liệu tăng, dao Đón xem số tới: Phần - Các hệ công nghệ động H ma trận ZR-H tăng nên làm lò phản ứng 22 Số 50 - Tháng 3/2017 ... LPƯNC nhiều Indonesia, (chiếm 17%) có ứng dụng nghiên cứu đo đạc số liệu hạt nhân, 30 lò (chiếm 12%) có nghiên vận hành lị phản ứng Khác với lò phản ứng lượng cứu dịch vụ chiếu xạ pha tạp silic... loại lị phản ứng đào tạo, cấu tới hạn, v.v… đồng nghĩa với tính đa dạng phức tạp Theo cấu tạo lị phản ứng, phân loại cơng nghệ thiết kế Vì vậy, tìm hiểu gồm lò loại bể, lò loại thùng, lò TRIGA,... cơng nghệ LPƯNC cần nắm khái niệm lò SLOWPOKE, lò HOMOG., lò ARGONAUT, chung đặc trưng chúng 12 Số 50 - Tháng 3/2017 THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN Các loại lò phản ứng nghiên cứu