Phản ứng phân chia hạt nhân trong nhiên liệu tạo ra nhiệt; các mảnh phân hạch; nơtron, tia gamma và các loại bức xạ khác. Ba yếu tố này làm thay đổi thanh nhiên liệu so với thời điểm ban đầu.
Tốc độ sinh nhiệt lớn trong khi độ dẫn nhiệt của viên gốm UO2và (U,Pu)O2
thấp, làm gradien nhiệt độ theo hướng tâm viên gốm có trị số rất lớn, thường từ 2.000 - 4.000 oC/cm. Từ tâm viên gốm đến bề mặt viên hình thành các khu vực nhiệt độ khác nhau (Hình 1.8): Vùng ˃1600 oC; vùng từ 1300 oC đến 1600 oC; vùng từ 1100 oC đến khoảng 1300 oC và vùng ˂1100 oC. Hậu quả là ứng suất nhiệt cục bộ tạo ra nứt nẻ, phồng nở và áp lực lớn tác dụng trên các lỗ thiêu kết làm chúng chuyển dịch ngược với gradien nhiệt độ, tạo thành lỗ trống trung tâm và làm thay đổi cấu trúc vật liệu.
Các lỗ xốp nhỏ (đường kính ˂1 μm) bị mất đi trong khoảng một vài giờ chiếu xạ đầu tiên. Sự biến mất của các lỗ có kích thước nhỏ hơn 1 μm là do tương tác trên đường đi của các mảnh vỡ quá trình phân hạch hoặc do sự di chuyển của các nguyên tử tương tác lấp vào các lỗ nhỏ này.
Trong khoảng 20 - 2.000 MWd/tU, mật độ nhiên liệu biến đổi theo quy luật sau:
Trong đó: 0 = mlog(20) + b và Δρmax = mlog(2000) + b.
Ngồi ra q trình ép nóng (hot pressing) diễn ra trong khoảng 200 giờ hoạt động đầu tiên lại ảnh hưởng rõ hơn tới các lỗ xốp lớn (làm mất đi các lỗ xốp do quá trình bay hơi nhiên liệu từ bề mặt nóng của lỗ xốp và kết tủa phía bề mặt nguội hơn), dẫn tới tạo thành khoảng trống phía trung tâm viên gốm. Hai q trình trên làm thay đổi mật độ vật liệu nhiên liệu tới giá trị khoảng 98 - 99% mật độ lý thuyết, trong lị phản ứng nơtron nhiệt có thể làm giảm chiều cao cột nhiên liệu tới 7,5 cm hoặc lớn hơn (so với chiều cao tổng khoảng 3,66 m).
Sự tăng mật độ nhiên liệu làm giảm khả năng truyền nhiệt và tăng công suất sinh nhiệt tuyến tính viên nhiên liệu, dẫn tới cơng suất cục bộ đạt đỉnh và tăng năng lượng tích tụ trong các thanh nhiên liệu.
Cùng với sự tăng mật độ vật liệu nhiên liệu theo cơ chế trên, một quá trình phồng nở và rạn nứt (do ứng suất nhiệt, do sản phẩm phân hạch và do tác động bức xạ tới cấu trúc vật liệu) lại đẩy viên gốm nhiên liệu theo chiều giãn dài cột và tăng bán kính. Cả hai q trình trên dẫn tới bẻ cong và biến dạng thanh nhiên liệu
Gradien nhiệt độ lớn và vi cấu trúc nhiên liệu bị biến đổi rất nhanh phụ thuộc từng vùng nhiệt độ sau khi cơng suất lị phản ứng đạt tới mức vận hành. Sau khi đạt công suất thiết kế, mặt cắt nhiên liệu bao gồm một số vùng khác nhau mà giới hạn của chúng phù hợp với các giá trị nhiệt độ tương ứng: Sự tái cấu trúc bao gồm 2 dạng lớn hơn của hạt. Trên 1.500 oC là dạng hạt to đẳng trục, các hạt lớn lên đẩy lùi các lỗ thiêu kết và dồn chúng ra biên hạt. Trên 1.800 oC là quá trình tăng trưởng kích thước hạt có định hướng, hạt có dạng cột dài và hẹp hướng theo tâm nóng của trục nhiên liệu. Sự tái cấu trúc được cho là do 2 nguyên nhân: Do sự di chuyển của lỗ xốp theo hướng gradien nhiệt độ và do quá trình khuếch tán trạng thái rắn. Sự chuyển dịch các lỗ xốp về phía tâm của nhiên liệu gây ra quá trình biến đổi mật độ hạt và tạo ra vùng trống ở tâm viên gốm. Sự thay đổi mật độ hạt này dẫn tới làm tăng độ dẫn nhiệt của nhiên liệu và làm cho nhiệt độ tại vùng tâm viên gốm giảm.
Sự tái cấu trúc diễn ra trong vòng 24 giờ tại công suất vận hành. Sau đó là những biến đổi chậm hơn, có quan hệ nhiều hơn với q trình chiếu xạ. Khi cơng suất lò phản ứng biến đổi nhanh chóng thì nhiệt độ nhiên liệu cũng bị thay đổi nhanh chóng, dẫn tới ứng suất nhiệt thay đổi làm cho nhiên liệu bị nứt, những vết nứt này có thể thấy rõ trên mặt cắt các viên gốm. Trong quá trình vận hành kéo dài, các vết nứt phát triển do sự khuếch tán diễn ra trong q trình phân hạch. Sau đó, q trình biến đổi vi cấu trúc cịn diễn ra tiếp tục theo thời gian và độ cháy.
Hình 1. 8. Sự thay đổi vi cấu trúc nhiên liệu UO2 phụ thuộc nhiệt độ và độ cháy nhiên liệu.
Hình 1. 9. Sự biến đổi hình dạng viên gốm và vỏ thanh nhiên liệu trong lị phản ứng
Hình 1. 1.10. Ảnh hưởng của nhiên liệu tới vỏ bọc E110RXA tại các giai đoạnkhác nhau trong lò phản ứng VVER
Hình 1.11. Thanh và bó thanh nhiên liệu có thể bị cong vênh trong lị phản ứng
c. Q trình mỏi và rão hóa vật liệu
Phần lớn các sự cố kỹ thuật gây ra bởi quá trình mỏi của vật liệu. Hư hỏng do mỏi được định nghĩa là xu hướng của một vật liệu bị gãy hỏng do các vết nứt phát triển khi lặp lại ứng suất có cường độ thấp hơn nhiều so với ứng suất phá hỏng. Số chu kỳ cần thiết để gây ra hư hỏng mỏi tại một ứng suất thấp nói chung là khá lớn, nhưng sẽ giảm khi ứng suất tăng lên. Mỏi nhiệt phát sinh từ ứng suất nhiệt được tạo ra do những thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ. Hư hỏng do mỏi xuất phát từ vết nứt hoặc lõm nhỏ trong kim loại. Ban đầu các vết nứt lan truyền từ từ và sau đó tăng nhanh khi ứng suất cục bộ tăng lên do giảm mặt cắt ngang chịu lực.
Ở nhiệt độ cao và ứng suất hoặc tải trọng không đổi, nhiều vật liệu tiếp tục biến dạng với tốc độ chậm. Hiện tượng này được gọi là rão vật liệu. Tại một ứng suất và nhiệt độ không đổi, tốc độ rão gần như không đổi trong một thời gian dài.
Khi nhiệt độ và ứng suất tăng lên, cùng với thời gian sự rão mỏi dần trở nên quan trọng hơn và có khả năng gây ra hư hỏng vật liệu. Để đảm bảo hoạt động an toàn, tổng biến dạng do rão phải thấp hơn biến dạng hư hỏng. Zircaloy có một giới hạn rão thấp, và sự rão Zircaloy được xem xét chủ yếu trong thiết kế các thanh nhiên liệu.
Sự mỏi và rão vật liệu vỏ bọc thanh nhiên liệu tăng theo thời gian hoạt động, cũng là theo chiều tăng độ cháy. Bên cạnh sự rão mỏi do nguyên nhân nhiệt độ cao và biến đổi, vật liệu nhiên liệu và vỏ bọc cịn bị giịn hóa dưới tác dụng bức xạ, oxy hóa và hấp thu hydro, đặc biệt trong các điều kiện chuyển tiếp và tai nạn. Sự rão mỏi và giịn hóa là ngun nhân thường xun làm suy yếu cơ tính của nhiên liệu. Trong điều kiện mất ổn định về công suất, nhiệt độ, entanpy và áp lực khí phân hạch tăng cao, tương tác nhiên liệu - vỏ bọc gia tăng, nhiên liệu đứng trước nguy cơ khơng bảo tồn được dạng hình học, vỏ bọc bị phá vỡ dẫn tới phát tán chất phóng xạ vào vịng tuần hồn sơ cấp.
1.4.Các phƣơng pháp phân tích nhiên liệu hạt nhân Urani
1.4.1. Phương pháp phân tích phá hủy mẫu
Phương pháp xác định hàm lượng có tính chính xác và độ tin cậy khá cao, tuy nhiên việc xử lý mẫu bắt buộc phải phá hủy, nghiền mịn mẫu đo thì mới có thể áp dụng được. Các cơng đoạn trong q trình đo đạc xác định thường phức tạp dẫn đến các chi phí phát sinh khá lớn.
Trong các phương pháp phân tích có phá hủy mẫu, phải kể đến 4 phương pháp phổ biến nhất là đo bức xạ alpha, sử dụng khối phổ kế, phân tích sắc ký, và đo bức xạ gamma trong ống khí ly tâm UF6.
a. Đo bức xạ alpha:
Trong tát cả các phương pháp phân tích nhiên liệu hạt nhân có phá hủy mẫu thì phương pháp do búc xạ alpha là cơ bản nhất . Ta đã biết rằng các đồng vị Urani đều là đồng vị không bền, hoạt độ phóng xạ thấp và đều phát ra tia alpha (α) nhưng có các mức năng lượng đặc trưng khác nhau. Việc nghiền nhỏ hỗn hợp Urani và đưa vào thiết bị đo trực tiếp alpha, đếm và tính tỉ số hoạt độ và tỉ số khối lượng sẽ xác định được hàm lượng và độ giàu của mẫu nhiên liệu cần đo.
Phương pháp này khơng địi hỏi cơng nghệ cao, việc che chắn giảm phông cũng đơn giản, dễ dàng , tính tốn và xử lý số liệu không phức tạp nhưng bắt buộc
phải nghiền mẫu mới có thể cho ra số liệu chính xác được. Về ngun tắc thì có thể đo trực tiếp ngun mẫu nhưng số liệu sẽ rất ít và thiếu chính xác (do chính vỏ bên ngồi đã đóng vai trị lớp che chắn hầu hết tia alpha), đồng thời cần phải hiệu chỉnh hệ số hấp thụ, bắt alpha cũng như hệ số phân bố cho phù hợp với thực tế mẫu đo. Càng nhiều hệ số hiệu chỉnh thì số liệu càng sai khác so với thực tế.
b. Khối phổ kế:
Là phương pháp phức tạp nhưng có độ chính xác cao nhất, dựa trên nguyên lý phụ thuộc của lực quán tính ly tâm vào khối lượng để xác định hàm lượng đồng vị Urani có trong mẫu đo. Khối phổ kế thường được kết hợp với những phương pháp khác nhưng cơ bản và phổ biến nhất là phương pháp Khối phổ kế cảm ứng plasma (ICPMS). Về cấu tạo khối phổ kế thơng thường có 3 bộ phận chính là: nguồn ion, phân tích khối lượng và bộ phận đo đạc. Hỗn hợp Uran được đưa vào buồng đốt áp suất cao, bị bắn phá bởi luồng electron gia tốc qua điện áp lớn tạo trạng thái plasma trong buồng ion.Sau đó các ion được gia tốc tiếp và đưa qua ống chuẩn trực, đi vào bộ phận phân tích khối lượng.Bộ phận này là một từ trường đều, có nhiệm vụ bẻ cong đường đi của các ion.Ứng với mỗi khối lượng của ion (khối lượng đồng vị) sẽ có 1 quỹ đạo riêng. Sau khi đi qua bộ phận phân tích sẽ đến với các kênh đo (các điện cực cảm ứng) của bộ phận đo, tạo ra 1 xung điện tương ứng, từ đây số các ion với mỗi khối lượng khác nhau sẽ được đếm trên mỗi kênh ra. Biết được số đếm ứng với mỗi mức khối lượng trên khối phổ kế, ta sẽ tính được hàm lượng chính xác của mỗi nguyên tố trong mẫu đo.
c. Phân tích sắc ký phân tử:
Sắc ký là một phương pháp truyền thống dùng để xác định thành phần có trong hợp chất. Phương pháp này thực hiện trên cơ sở như sau: Hòa tan mẫu đo vào dung mơi hóa học thích hợp và cho chảy dưới dạng pha động vào hệ thống pha tĩnh là các hợp chất rắn (hoặc lỏng) có khả năng trì hỗn và lưu giữ theo đặc tính khối lượng của các phân tử. Các phân tử có trong pha động sẽ di chuyển với tốc độ khác nhau tùy vào khối lượng của chúng, sau đó được lưu giữ lại trên pha tĩnh tại các
vùng khác nhau tương ứng, thời gian và độ phân giải tùy thuộc và đặc tính của vật liệu làm pha tĩnh. Nhược điểm của phương pháp này vẫn là việc phải phá hủy, nghiền nhuyễn mẫu, hòa tan tuyệt đối trong dung môi và thời gian đo rất dài, nhiều vịng lặp mới có thể phân tích ra kết quả đạt mức tin cậy cho phép.
d. Đo khí UF6:
Một phương pháp xác định độ giàu khác được thực hiện ngay trong giai đoạn làm giàu khí từ UF6 để xác định độ giàu nhiên liệu hạt nhân ngay trong khâu sản xuất. Nguyên tắc của phương pháp này khá đơn giản, đưa khí UF6 vào buồng nén, sử dụng nguyên tố 241Am, phát bức xạ gamma 60 keV, chiếu vào trong buồng nén khí. Bức xạ gamma 60 keV của 241Am khi đi qua buồng khí, gặp phân tử UF6 sẽ bị hấp thụ lại, vì vậy tổng số bức xạ gamma 60 keV sẽ suy giảm tương ứng với nồng độ khí UF6 có trong buồng nén. Sau đó sử dụng detector nhấp nháy NaI đo tỉ lệ bức xạ gamma 185,7 keV của 235U với bức xạ gamma 60keV của 241Amsẽ tính ra được tỉ lệ 235U có trong mẫu khí đó .
Phương pháp đo này cũng đưa ra kết quả với độ chính xác khá tốt, sai số tương đối đạt dưới 1 % đối với các mẫu đã được làm giàu từ 0,72 % đến 5,4 %. Tuy nhiên để thực hiện phương pháp đo này địi hỏi cần có sự che chắn bức xạ nhiễu bên ngoài tốt, buồng nén phải được làm sạch hoàn tồn trước khi đo và áp suất khí cần phải đạt cỡ 700torr trở lên (1torr ≈ 1mmHg).
1.4.2. Phương pháp phân tích khơng phá hủy mẫu (NDA)
Phương pháp phân tích urani khơng phá hủy mẫu chủ yếu sử dụng phổ kế gamma HPGe, đây làphương pháp đo nhanh, trực tiếp trên nguyên mẫu, dựa trên các tính chất đặc trưng của các đồng vị, qua xử lý và hiệu chỉnh để đưa ra kết quả đánh giá độ giàu của mẫu nhiên liệu. Trong các phương pháp đo không phá hủy mẫu, có ba kỹ thuật được ứng dụng rộng rãi, đó là: đo đỉnh gamma 186 keV, phân tích kích hoạt nơtron và phương pháp tỉ lệ chuẩn trong .
Sự phân rã của các đồng vị phóng xạ tự nhiên phát ra các bức xạ alpha (), beta () và gamma (). Năng lượng của bức xạ và chu kỳ bán rã đặc trưng cho đồng vị phóng xạ. Trong ba loại bức xạ nói trên thì tia gamma được sử dụng nhiều nhất vào mục đích phân tích vì:
- Việc xác định năng lượng của tia gamma tương đối đơn giản và có thể đạt được độ chính xác cao.
- Sự hấp thụ các tia gamma trong mẫu ít hơn so với sự hấp thụ các tia và . - Trong trường hợp các tia gamma bị hấp thụ vẫn có thể hiệu chính được một cách
chính xác.
Ngày nay sự phát triển của kỹ thuật đetectơ bán dẫn và kỹ thuật điện tử hạt nhân hiện đại đã góp phần quan trọng vào việc nâng cao chất lượng của phương pháp phân tích urani, thori dựa trên kỹ thuật đo bức xạ gamma tự nhiên.
Do đặc thù của urani và thori là có thể cân bằng hoặc không cân bằng với các sản phẩm phân rã phóng xạ, nên trong phân tích thường đề cập tới cả hai trường hợp này.
Nếu có sự cân bằng phóng xạ giữa urani và các sản phẩm phân rã ở trong cùng một chuỗi thì hàm lượng của urani có thể xác định thông qua cường độ của những tia gamma có thể ghi đo được một cách chính xác, ví dụ như tia 1,76 MeV của 214Bi.
Đối với urani khơng cân bằng phóng xạ có thể xác định hàm lượng dựa trên các tia gamma 63 keV của 234Th và 1001,2 keV của 234Pa là các sản phẩm phân rã phóng xạ trực tiếp của 238U sử dụng phổ kế gamma bán dẫn. Hai đồng vị phóng xạ
234Th và 234Pa luôn luôn được coi là cân bằng phóng xạ với 238U. Ngồi ra cịn có thể lựa chọn tia gamma 185,72 keV của 235U để phân tích urani.
b. Phân tích kích hoạt:
Urani tham gia phản ứng hạt nhân với nơtron, photon và các hạt mang điện tạo thành các đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã và năng lượng thích hợp đối với
quy trình đo và phân tích phổ. Do đó cũng có thể sử dụng phương pháp này để phân tích urani mà khơng phụ thuộc vào trạng thái cân bằng của nó.
Đây là phương pháp truyền thống nhưng có độ tin cậy khá cao, thời gian đo ngắn, phân giải tốt, ứng dụng rất rộng rãi và đa dạng. Nguồn kích hoạt có thể sử dụng nhiều loại, tùy thuộc vào mục đích đo và tính chất sơ bộ của mẫu đo, phổ biến nhất vẫn là kích hoạt bằng chùm nơtron, photon hãm và chùm hạt tích điện. Kích hoạt bằng chùm nơtron, photon hay chùm hạt mang điện có thể cho biết hàm lượng của các đồng vị có trong mẫu thơng qua việc đo các tia gamma tức thời và gamma trễ do hạt nhân các đồng vị phát ra.
Phương pháp xác định độ giàu bằng phương pháp kích hoạt cho kết quả có độ chính xác rất cao, nhưng lại khó thực hiện, địi hỏi thiết bị lớn và những điều