Trong vùng hoạt lò phản ứng LWRs, chất hấp thụ thường được thiết kế gắn với một số thanh nhiên liệu nhằm điều chỉnh độ phản ứng dư trong quá trình cháy. Thông thường tại thời điểm ban đầu của chu trình nhiên liệu, các bó nhiên liệu có độ phản ứng dự trữ (k∞) cao dẫn đến độ phản ứng dự trữ của vùng hoạt cao (k∞ > 1,0). Các chất hấp thụ nơtrôn được đưa vào vùng hoạt nhằm duy trì trạng thái tới hạn (k∞ = 1,0 hay ρ = 0) trong quá trình vận hành lò phản ứng. Hình 1.5 mô tả nguyên lý sử dụng chất hấp thụ để điều khiển độ phản ứng trong quá trình cháy nhiên liệu [10]. Chất hấp thụ sử dụng trong lò phản ứng có thể chia làm 3 loại:
• Thanh điều khiển (Control rod): Thanh điều khiển chứa chất hấp thụ được đưa vào vùng hoạt để duy trì trạng thái tới hạn trong quá trình vận hành lò phản ứng, dừng lò khi hết chu trình và dập lò khi có sự cố.
• Chất hấp thụ được hòa tan (Chemical shim): Chất hấp thụ được hòa tan trong chất tải nhiệt (Boron) nhằm làm giảm độ phản ứng dự trữ cao. Ưu điểm là không tạo ra sự bất đồng đều trong phân bố công suất, tuy nhiên
cần hệ thống điều khiển hàm lượng chất hấp thụ trong quá trình vận hành. • Chất hấp thụ được thiết kế gắn với nhiên liệu (Integrated burnable poison):
Các chất hấp thụ được thiết kế gắn với nhiên liệu hoặc các cấu trúc của vùng hoạt lò phản ứng. Ưu điểm của những thiết kế này là không cần thay đổi thiết kế trong quá trình vận hành lò, tuy nhiên cần tính toán đảm bảo không gây ra sự bất đồng đều công suất lớn.
Hình 1.5: Điều khiển độ phản ứng dự trữ của lò phản ứng với chất hấp thụ.[10]
Các thiết kế chất hấp thụ đòi hỏi đảm bảo các yêu cầu sau: • Đảm bảo đủ độ phản ứng dư tại thời điểm cháy ban đầu (BOC). • Đảm bảo chu trình nhiên liệu đủ dài.
• Tốc độ cháy của chất hấp thụ phải được duy trì ổn định trong quá trình vận hành lò phản ứng.
• Hàm lượng chất hấp thụ còn lại tại cuối chu trình cháy nhỏ nhằm đảm bảo độ phản ứng không bị sụt giảm tại EOC.
Vùng hoạt lò phản ứng VVER-1000 bao gồm 163 bó nhiên liệu UO2 với các độ giàu khác nhau như 1,6 wt%, 2,4 wt%, 3,7 wt%, 4,4 wt% ... Độ giàu nhiên liệu tăng dẫn đến việc tăng độ sâu cháy của bó nhiên liệu (có thể đạt 45 — 50 GWd/t) [56]. Việc tăng độ giàu nhiên liệu đồng nghĩa với việc tăng độ phản ứng dự trữ của các thanh nhiên liệu mới, do đó cần các thiết kế chất hấp thụ nhằm giảm độ phản ứng dự trữ cao này trong giai đoạn đầu của chu trình cháy nhiên liệu. Phương án thiết kế chỉ sử dụng thanh điều khiển và axit boric hòa tan trong nước tải nhiệt là không đủ để bù cho độ phản ứng dư, đặc biệt với nhiên liệu có độ giàu cao. Hàm lượng Boron được hòa tan trong nước tải nhiệt cũng không thể tăng quá cao, hơn nữa lại bị giới hạn bởi yêu cầu đối với hệ số phản hồi độ phản ứng của chất làm chậm (Moderator Temperature Coefficient = MTC). Hệ số MTC cần đảm bảo luôn âm trong quá trình vận hành lò phản ứng. Tuy nhiên, khi hàm lượng Boron cao có thể dẫn tới giá trị MTC dương trong quá trình vận hành lò phản ứng, và do đó không đảm bảo tiêu chuẩn an toàn thiết kế vùng hoạt. Hàm lượng Boron phải dưới 1500 ppm khối lượng đối với lò phản ứng sử dụng nhiên liệu UO2 [3]. Do đó các thiết kế bó nhiên liệu tích hợp chất hấp thụ được xem là giải pháp khả thi để giải quyết vấn đề độ phản ứng dự trữ cao trong giai đoạn đầu quá trình cháy nhiên liệu tươi kết hợp với sử dụng Boron trong nước tải nhiệt và hệ thống thanh điều khiển.
Việc sử dụng các thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ thay thế hàm lượng Boron trong nước tải nhiệt có nhiều ưu điểm hơn. Đối với lò phản ứng PWR, khi hàm lượng Boron ở trong nước tải nhiệt cao sẽ làm giảm hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm MTC âm hoặc có thể dẫn đến hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm dương [73]. Với việc sử dụng BA để điều khiển độ phản ứng, giúp làm giảm hàm lượng Boron trong nước tải nhiệt và tránh được sự xuất hiện hệ số phản hồi nhiệt độ chất làm chậm dương [7].
Nhiều công trình nghiên cứu về thiết kế chất hấp thụ tích hợp trong thanh nhiên liệu đã được các nhóm nghiên cứu lớn trên thế giới thực hiện nghiên cứu. Hirano và cộng sự [23] đã thực hiện tối ưu sự phân bố độ giàu các thanh nhiên liệu đối với lò BWR bằng cách giải quyết hai bài toán tối ưu là liệt kê đầy đủ (Exhaustive Enumeration) và sử dụng chương trình tính toán xấp xỉ để làm giảm hệ số đỉnh công suất phân bố trong bó nhiên liệu. Nhóm nghiên cứu của Lim và
cộng sự [34] đã sử dụng phương pháp ma trận với kỹ thuật tính toán không tuyến tính để tìm kiếm phân bố tối ưu độ giàu thanh nhiên liệu và có gần đúng tốt nhất nhằm thu được phân bố công suất đồng đều nhất. Francois và cộng sự sử dụng thuật toán tìm kiếm tabu để nghiên cứu thiết kế độ giàu nhiên liệu trung bình nhỏ nhất, độ lệch nhỏ nhất so với độ phản ứng chuẩn với PPF nhỏ hơn giới hạn, và phân bố Gd trong lò BWR [16]. Haibach và cộng sự [20]; Yilmaz và cộng sự [72] sử dụng thuật toán di truyền đối với lò PWR để tối ưu hàm lượng Gd trong thanh nhiên liệu. Rogers và cộng sự tối ưu độ giàu nhiên liệu và xác định vị trí các thanh nhiên liệu chứa chất hấp thụ trong vùng hoạt lò PWR [54]. Reda và cộng sự [52] mô tả ảnh hưởng của việc sử dụng chất hấp thụ trong bó nhiên liệu lò PWR với việc tăng số lượng thanh chứa chất hấp thụ từ 12 lên 24 thanh nhằm điều khiển hệ số nhân nơtrôn hiệu dụng ở những bước cháy ban đầu. Galahom [17] đã khảo sát và đánh giá ảnh hưởng của chất hấp thụ lên hệ số nhân hiệu dụng.
Dandi và cộng sự [11] khảo sát thiết kế kết hợp hai loại chất hấp thụ thay thế cho thanh nhiên liệu chỉ có 1 chất hấp thụ và kết quả nghiên cứu cho thấy thiết kế mới cho hiệu quả tốt. Trường hợp bó nhiên liệu gồm 20 thanh WABA và 16 thanh chứa Er và bó nhiên liệu gồm 20 thanh chứa đồng vị Gd và 20 thanh Er có thể cải thiện việc điều khiển độ phản ứng dư xuống còn 11% và 20% so với trường hợp thanh nhiên liệu chỉ sử dụng Er. Choe và cộng sự [10] đề xuất thiết kế thanh nhiên liệu kết hợp nhiều đồng vị hấp thụ (hybrid) mới phù hợp với lò nước nhẹ: thanh UO2 –157Gd2O3, được phủ một lớp 167Er. Thiết kế thanh nhiên liệu mới này có những điểm khác so với thanh nhiên liệu thường: Với độ giàu của 157Gd sẽ làm giảm lượng Gd2O3 trong hỗn hợp UO2 – 157Gd2O3, trong khi vẫn giữ nguyên khả năng hấp thụ nơtrôn. Việc phủ lớp ZrEr2 ngoài viên nhiên liệu cũng sẽ làm giảm một lượng nhiên liệu UO2, lượng nhiên liệu này được thay thế bằng vật liệu, do đó làm tăng lượng chất hấp thụ. Với việc sử dụng kết hợp độ giàu 167Er phù hợp có thể làm giảm hàm lượng chất hấp thụ và các sản phẩm con cháu còn sót lại khi nâng cao công suất và kéo dài chu kỳ vận hành lò.
Những khả năng ứng dụng của các vật liệu cho chất hấp thụ đã được nghiên cứu với mục đích là làm giảm chỉ số dư của độ phản ứng của lò nước nhẹ. Những vật liệu được giới thiệu ở trên đều thỏa mãn yêu cầu đối với chất hấp thụ, tuy
nhiên các lò LWRs sử dụng Gadolinia là chất hấp thụ với những lý do sau: • Tính linh động cao hơn của quá trình phân bố của hỗn hợp UO2 – Gd2O3
trong viên nhiên liệu, trong thanh nhiên liệu và cả trong thiết kế mới.
• Sử dụng chất hấp thụ Gadolinia có nhiều thuận lợi trong việc kiểm soát các đặc trưng hạt nhân như: Hệ số đỉnh công suất trong quá trình cháy; nồng độ axít Boric và hệ số nhiệt của chất làm chậm tại thời điểm ban đầu của quá trình cháy.
• Không tạo ra những hiệu ứng bất lợi đối với các đặc trưng của thanh nhiên liệu như làm tăng áp suất trong của lớp vỏ hợp chất bao bọc nhiên liệu. • Không ảnh hưởng tiêu cực lên quá trình tái xử lý nhiên liệu