5. Các bƣớc thực hiện đề tài
3.2.6. Lò phản ứng nhƣ nguồn neutron
a. Lò phản ứng hạt nhân
Lò phản ứng hạt nhân đƣợc chia thành một số vùng có những nhiệm vụ khác nhau gồm: vùng hoạt, vành phản xạ, hệ thống tải nhiệt, các kênh thí nghiệm và tƣờng bê tông bảo vệ.
- Vùng hoạt: Ở đây xảy ra phản ứng phân hạch dây chuyền và số neutron đƣợc nhân lên. Nó gồm các chất làm chậm đƣợc chế tạo từ graphit, nƣớc thƣờng hoặc nƣớc nặng. Các thanh nhiên liệu đƣợc chế từ các nhiên liệu hạt nhân nhƣ uranium, oxyt uranium,… các thanh nhiên liệu đƣợc đặt trong ống kín xếp giữa các chất làm chậm.
Neutron nhiệt bị U235 hấp thụ gây nên phản ứng phân hạch tạo ra neutron nhiệt và neutron nhanh. Chất làm chậm sẽ biến các neutron nhanh này thành neutron nhiệt. Các neutron nhiệt lại bị U235
bắt, tiếp tục gây nên phản ứng phân hạch.
- Vành phản xạ: Làm từ các chất có tiết diện tán xạ neutron lớn và tiết diện hấp thụ neutron nhỏ. Có thể dùng chất hấp thụ làm nhiệm vụ phản xạ hoặc có thể dùng một số chất nặng nhƣ: Ni, Th, U238…
Tác dụng của vành phản xạ là giữ neutron lại trong vùng hoạt và làm giảm số neutron bay ra ngoài.
- Hệ thống tải nhiệt: nƣớc đồng thời đóng vai trò là chất tải nhiệt lƣợng phân hạch ra khỏi vùng hoạt.
- Các thanh điều khiển dùng để điều khiển phản ứng dây chuyền.
- Thanh bảo hiểm: có nhiệm vụ dập tắt phản ứng dây chuyền khi cần thiết.
Các thanh điều khiển và thanh bảo hiểm đƣợc chế tạo từ các chất có tiết diện hấp thụ neutron lớn. Thƣờng đƣợc xếp ở những vị trí xen kẽ giữa các thanh nhiên liệu trong vùng hoạt.
- Kênh thí nghiệm: là vùng trong lò đƣợc dùng làm chỗ chiếu xạ neutron lên các mẫu vật nghiên cứu hoặc là đƣờng dẫn đƣa neutron ra ngoài dùng cho thí nghiệm khác. Ngoài ra còn có cột nhiệt, có nhiệm vụ tạo nên một vùng có nhiều neutron nhiệt. Cột nhiệt thƣờng cấu tạo từ graphit.
- Tƣờng bê tông bảo vệ: Có tác dụng cản trở bức xạ từ lò ra ngoài nhằm bảo vệ sinh học cho con ngƣời làm việc xung quanh lò.
- Nguyên tắc hoạt động: Cũng nhƣ các nhà máy điện thông thƣờng tạo ra điện bằng cách khai thác năng lƣợng nhiệt từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, các lò phản ứng hạt nhân biến đổi năng lƣợng nhiệt phát ra từ phân hạch hạt nhân.
Hình 3.13: Mô hình lò phản ứng hạt nhân.
- Phân loại lò phản ứng hạt nhân
Phân loại các lò phản ứng hạt nhân: đƣợc căn cứ theo mục đích, theo tính chất của neutron, theo hình thức tỏa nhiệt.
- Phân loại lò theo mục đích sử dụng có 4 loại:
- Lò phản ứng nghiên cứu: nghiên cứu các quá trình xảy ra trong lò phản ứng nói chung, nghiên cứu các tính chất vật liệu, tác dụng sinh học. Đặc điểm của lò là có nhiều kênh. Có thể dùng chế tạo các đồng vị phóng xạ các loại. Nói chung, loại lò này không nhằm mục đích thu năng lƣợng.
- Lò phản ứng thí nghiệm: dùng làm thí nghiệm để xác định những đặc trƣng cần
thiết cho việc xây dựng lò phản ứng năng lƣợng.
- Lò phản ứng năng lƣợng: loại lò này đƣợc sử dụng trong các nhà máy điện
nguyên tử. Trong đó, nguồn dùng nhiệt biến thành hơi nƣớc để quay tuabin sản xuất điện. Ngƣời ta dùng lò phản ứng năng lƣợng để cung cấp nhiệt cho các nhu cầu công nghiệp và đời sống. Các lò năng lƣợng kích thích bé đƣợc thiết kế cho các phƣơng tiện vận tải nhƣ: tàu thủy, máy bay, tên lửa, đặc biệt chúng đƣợc ứng dụng thành công trong các tàu hạm đội và tàu phá băng.
- Lò phản ứng hạt nhân: dùng để tái sinh nhiên liệu. Trong loại lò này ta sản xuất ra các đồng vị phân hạch: Pu239 và U233.
- Phân loại theo cách sắp xếp cách làm chậm và nhiên liệu có 2 loại:
- Lò đồng tính: nhiên liệu đƣợc phân bố đều trong chất làm chậm tạo nên một hỗn hợp đồng tính. Các hỗn hợp này có thể là một dung dịch muối uranium, oxyt uranium lơ lững trong dung môi là nƣớc thƣờng hoặc nƣớc nặng, có thể ở dạng một khối rắn các chất làm chậm đƣợc tẩm đều uranium. Do vậy, vùng hoạt của lò có dạng đơn giản nhƣ: hình trụ, hình cầu… đƣợc chứa đầy hỗn hợp dung dịch đồng tính.
Nhƣợc điểm của loại lò này: khi hoạt động, nhiên liệu bị đốt cháy nên mật độ của nó trong hỗn hợp sẽ giảm, sản phẩm phân hạch đƣợc tích lại sẽ hấp thụ một phần neutron.
- Lò không đồng tính: chất nhiên liệu hạt nhân đƣợc chế tạo dƣới dạng thanh đƣợc sắp xếp thành các mạng hình vuông hoặc tam giác trong chất làm chậm.
Các thanh nhiên liệu có thể ở dƣới dạng: thanh, ống tấm. Các thanh nhiên liệu trong các chất làm chậm cách nhau một khoảng nhất định. Khoảng cách giữa các thanh nhiên liệu đƣợc gọi là bƣớc a.
Các thanh nhiên liệu đƣợc bọc bởi một lớp vỏ bảo vệ. Lớp bảo vệ vệ này có nhiệm vụ ngăn cách không cho thanh nhiên liệu tƣơng tác với chất làm chậm, đồng thời giữ cho các mảnh phân hạch không bay ra ngoài.
Nói chung, khi chế tạo các thanh nhiên liệu, ta không thể loại trừ hết lớp không khí nằm giữa chất nhiên liệu hạt nhân và lớp vỏ. Do không khí dẫn nhiệt kém, nên khi có dòng nhiệt lớn thì nhiệt độ của nhiên liệu tăng lên một cách đáng kể. Để loại trừ nhƣợc điểm đó, các rãnh hở trong nhiên liệu đƣợc chứa đầy các chất dẫn nhiệt tốt nhƣ: helium, natrium…
Nhƣợc điểm của lò không đồng tính là thời gian hoạt động của thanh nhiên liệu tƣơng đối ngắn, do tác dụng của bức xạ thì các thành phần của nhiên liệu, tính chất cơ học và tính chất vật lý của thanh nhiên liệu bị biến đổi rất nhiều.
- Phân loại theo năng lƣợng neutron gây ra phản ứng:
Các phản ứng xảy ra trong vùng hoạt do các neutron có năng lƣợng khác nhau gây ra. Trong lò phản ứng sẽ có một nhóm neutron với năng lƣợng nào đó đóng góp phần chủ yếu. Căn cứ vào đó ngƣời ta chia lò phản ứng thành ba loại: lò phản ứng neutron nhiệt, lò phản ứng neutron trung gian và lò phản ứng neutron nhanh.
+ Lò phản ứng neutron nhiệt:
Đa số neutron nhanh sinh ra bị làm chậm xuống năng lƣợng nhiệt rồi mới bị hấp thụ, sự hao hụt neutron tƣơng đối ít. Trong quá trình hấp thụ của chất làm chậm cho phép ta sử dụng uranium với độ làm giàu vừa phải, thậm chí sử dụng uranium thiên nhiên làm nhiên liệu trong lò phản ứng neutron nhiệt. Do vậy, loại lò này trở thành phổ biến nhất hiện nay trong ngành điện nguyên tử.
+ Lò phản ứng neutron nhanh:
Quá trình phân hạch trong loại lò này chủ yếu do neutron nhanh gây ra. Do vậy, nồng độ của chất làm chậm trong vùng hoạt phải đƣợc giảm tới mức tối đa. Chình vì vậy, vật liệu nặng đƣợc dùng chủ yếu trong vùng hoạt vì nó ít ảnh hƣởng tới các quá trình làm chậm. Do tiết diện phân hạch của neutron nhanh bé, không lớn hơn 1-2 barn, để phản ứng phân hạch xảy ra, điều bắt buộc là nồng độ chất phân hạch trong vùng hoạt cao. Quá trình phân hạch do neutron nhanh sinh ra một lƣợng neutron thứ cấp nhiều gấp rƣỡi so với quá trình phân hạch do neutron nhiệt. Cho nên trong lò phản ứng neutron nhanh có thể sử dụng một phần khá lớn neutron làm nhiệm vụ tái sinh nhiên liệu. Bộ phận phản xạ thƣờng đƣợc chế tạo từ U238 và Th238. Chúng vừa phản xạ neutron lại vùng hoạt vừa hấp thụ neutron để tạo thành chất nhiên liệu mới là Pu232. Chúng vừa phản xạ neutron lại vùng hoạt vừa hấp thụ neutron để tạo thành chất nhien liệu mới là Pu239 hoặc U233. Theo phản ứng:
Pu239 và U233 trở thành nhiên liệu cho quá trình phản ứng dây chuyền khác.
Cách điều khiển: do tiết diện hấp thụ neutron nhanh bé cho nên phải điều khiển lò bằng hai cách sau đây:
- Di chuyển các nhóm thanh nhiên liệu, nhờ đó có thể thay đổi hình dạng, kích thƣớc hoặc khối lƣợng nhiên liệu trong vùng hoạt của lò. Do vậy, ta có thể thay đổi chiều hƣớng phát triển của phản ứng dây chuyền theo ý muốn.
- Dùng bộ phận phản xạ không cố định để điều khiển lò phản ứng neutron nhanh. Các bộ phận phản xạ nhƣ vậy có tác dụng thay đổi số neutron bay ra khỏi vùng hoạt động của lò. Nếu một số tấm phản xạ bị tách khỏi hệ thống thì lƣợng neutron bay ra ngoài sẽ tăng lên, kéo theo tốc độ phản ứng giảm xuống. Nếu tăng số tấm phản xạ, lƣợng neutron bay vào vùng hoạt tăng kéo theo sự tăng tốc độ phân hạch.
Nói chung, vật liệu xây dựng lò loại này không đòi hỏi khắc khe nhƣ lò neutron nhiệt.
+ Lò phản ứng neutron trung gian:
Ở đây, quá trình phân hạch chủ yếu do neutron trung gian gây ra. Vấn đề ở đây là ngƣời ta chọn tỷ số giữa nồng độ chất làm chậm và nhiên liệu sao cho trƣớc khi bị hấp thụ các neutron có năng lƣợng nằm trong khoảng từ 1-1000 eV.
Nói chung, loại lò này ít thông dụng vì tiêu tốn nhiều nhiên liệu hơn lò neutron nhiệt vì lƣợng neutron thứ cấp sinh ra nhỏ nên cũng không thể dùng làm quá trình tái sinh nhiên liệu mở rộng nhƣ lò phản ứng neutron nhanh.
- Phân loại lò phản ứng hạt nhân theo tính chất tải nhiệt và chất làm chậm (đối với các lò phản ứng năng lƣợng)
+ Lò phản ứng với chất tải nhiệt là nƣớc có hai loại:
- Lò nƣớc – nƣớc: là loại lò có chất tải nhiệt là nƣớc và chất làm chậm là nƣớc.
- Lò nƣớc – graphit: ở đây chất tải nhiệt là nƣớc và chất làm chậm là graphit. + Lò phản ứng với chất tải nhiệt là chất hữu cơ: Một vài chất lỏng hữu cơ có khả năng làm chậm neutron tƣơng đối tốt chẳng hạn hỗn hợp diphenyl (H5C6.C6H5). Chúng có nhiệt độ sôi khá cao ngay cả ở áp suất khí quyển. Do vậy, có thể thay chúng cho nƣớc ở mạch thứ nhất của loại lò điện nguyên tử để làm giảm áp suất của hệ thống.
+ Lò phản ứng với chất tải nhiệt là kim loại lỏng: Kim loại truyền nhiệt tốt nên một vài chất, nhất là uranium, đƣợc dùng làm chất tải nhiệt trong lò phản ứng neutron nhanh và neutron trung gian có công suất lớn. Vì natrium ở vùng hoạt biến thành đồng vị phóng xạ nên để loại trừ tính phóng xạ này, ngƣời ta dùng hệ thống ba mạch.
b. Ứng dụng nguồn năng lƣợng nguyên tử do neutron thứ cấp tạo ra
- Mục đích chiến tranh
Nguồn năng lƣợng nguyên tử do neutron thứ cấp sinh ra, cụ thể là việc sử dụng neutron để tạo ra phản ứng phân hạch dây chuyền đã đi đến một hiệu quả vô giá. Ứng dụng của vật lý học vào kĩ thuật năng lƣợng đã tiến một bƣớc vĩ đại. Thế nhƣng việc sử dụng nó vào chiến tranh thì quả là một tai hại vô cùng lớn. Trong chiến tranh thế giới thứ hai thì Mỹ đã chế tạo bom A. Bắt đầu từ công trình nghiên cứu tính chất và điều khiển sự phân hạch uranium.
Trƣớc tiên, Bohn và Wheeler lý luận: phản ứng dây chuyền chỉ xảy ra đối với U235
tinh khiết bị bắn bằng neutron chậm. Nhƣng chế tạo U235 tinh khiết là một điều hết sức khó khăn, phức tạp. Cho nên phản ứng dây chuyền có thể đƣợc thực hiện không còn tùy thuộc vào con ngƣời.
Nhƣng vào khoảng tháng 6/1940, tạp chí điện tử có bày tỏ rằng “hiện nay đang chờ đợi một sự chứng minh tối hậu xác nhận phản ứng dây chuyền là một thực tế”. Vì thực tế chiến tranh lúc bấy giờ nên mọi phát kiến về việc chế tạo bom nguyên tử còn nằm trong vòng bí mật.
Tại mỹ, sau khi Fecmi đến Washington vào tháng 3/1939, có nêu ý kiến về khả năng gây nổ hạt nhân. Tiếp đó là nhà vật lý ngƣời Hungary là Lcôszlacdơ vì chống Hitle đã chốn sang Hoa Kỳ tiến hành làm thí nghiệm, ông đã chứng minh khả năng thực tế của vấn đề này và đã phải thốt lên rằng “tôi đã biết thế giới đã hƣớng tới một tai họa”.
Năm 1942, tại Anh các nhà vật lý kết luận rằng có thể sản xuất bom nguyên tử và dùng phƣơng pháp tán khí để phân li U235
từ quặng thiên nhiên.
Tại Đức, Hitle cũng nhận ra tầm quan trọng của việc chế tạo ra bơm nguyên tử. Và tiến hành tập hợp các nhà khoa học lại để chế tạo ra nó. Với sự nổ lực ấy thì “một quả bơm nguyên tử có thể sản xuất trong lò phản ứng nhƣ lý thuyết đã tiên liệu”.
Ngày 14/08/1942, dự án bơm nguyên tử đã chính thức đƣợc duyệt, năm sau đó các nhà vật lý và các nhà khoa học gia của các nƣớc đồng minh sang Mỹ để thực hiện dự án. Cuộc thử phản ứng dây chuyền tự duy trì coi nhƣ hoàn mỹ vào 3 giờ 53 phút chiều ngày 02/04/1942.
3/12/1942 Enrico Fermi đã chế tạo tại trƣờng đại học Columbia thuộc bang New York lò phản ứng nguyên tử đầu tiên trong ấy đã xảy ra phản ứng phân hạch có điều khiển trong những thanh uranium thiên nhiên phân bố trong graphit.
Công suất của cái pin nguyên tử khổng lồ ấy chỉ bằng một cái đèn pin nhỏ nhƣng chủ yếu là thực hiện đƣợc phản ứng dây chuyền đƣợc điều khiển ở quy mô lớn.
Sau đó, ở Hanford đã xây dựng một lò phản ứng mạnh gấp một trăm triệu lần mà mục đích không phải là sản suất năng lƣợng mà để chế tạo vũ khí nguyên tử giống nhƣ U235, đấy là Pu239 nhằm phục vụ cho chiến tranh thế giới thứ hai. Nguyên tố này đƣợc sản sinh bằng phản ứng:
Mỗi phản ứng có kèm theo việc phát ra một electron và một neutrino.
U239 chỉ sống 23 phút. Np239 sống 2,4 ngày. Pu239 đƣợc sản xuất từ U238 phong phú gấp 140 lần U235 trong quặng phóng xạ.
Với lò phản ứng đầu tiên ở Hanford công suất nhiệt là 250 MW ngƣời ta có thể sản xuất ra mỗi năm vài kilogam Plotoni đầu tiên đƣợc thí nghiệm ở bang New Mexico ở Hoa Kỳ. Trái bom chứa 11 kg Plutoni và U235, khi bom nổ ánh sáng chói lòa, tháp đựng thành miệng hồ 800 m cát chảy màu xanh lục, nhiệt độ lên tới 55 triệu độ.
Còn quả thứ hai đƣợc ném sau 6 tuần lễ sau đó xuống thành phố Hiroshima (Nhật Bản). Trái bơm có chiều dài 3 m, đƣờng kính bề ngang 0,7 m, nặng khoảng 40 kg. Nhƣng sức nổ của nó tƣơng đƣơng với 90 tấn thuốc nổ TNT. Nó gieo chết chóc và sự hủy diệt ngoài sức tƣởng tƣợng.
Ba ngày sau khi quả bom uranium oanh tạc Hiroshima, một quả bom tƣơng tự cũng đã ném xuống thành phố Nagasaki gây thảm cảnh khốc liệt cho hàng vạn ngƣời dân Nhật.
- Bức xạ nhiệt: gây áp suất lớn ở nhiệt độ rất cao, do sự dồn nén không khí cực kì mạnh, có sức hủy diệt khủng khiếp đối với công trình kiến trúc, cũng nhƣ sinh vật sống, gây sóng kích thích có năng lƣợng lớn làm xuất hiện hàng loạt các phân rã phóng xạ trong một vùng rộng lớn, kéo dài thời gian và các chất độc là các sản phẩm của quá trình phóng xạ để lại, nó ảnh hƣởng trực tiếp hay gián tiếp đến con ngƣời và sinh vật.
- Bức xạ quang: là yếu tố tất yếu giết ngƣời tức thời, chiếm khoảng 30% vụ nổ bức xạ quang là nguồn năng lƣợng ánh sáng phát ra từ nơi nổ, nó làm nóng chảy, méo mó các vật thể, gây hỏng, mù mắt và than hóa đối với ngƣời.
- Bức xạ xuyên: là những dòng tia và neutron phát ra từ vụ nổ, truyền ra mọi phía xung quanh gây ion hóa nguyên tử và phân tử. Khi các tia này chiếu vào con ngƣời