1.2 Chất hấp thụ nơtrơn sử dụng trong lị phản ứng
1.2.1 Các chất hấp thụ nơtrôn phổ biến
Chất hấp thụ nơtrôn được sử dụng phổ biến trong các lị phản ứng LWRs trong dải phổ nơtrơn nhiệt là Gd2O3 và B4C, ngồi ra cịn có một số chất khác như: CdO, Sm2O3, Eu2O3, Dy2O3, Er2O3 và HfO2 cũng có thể được sử dụng như chất hấp thụ nơtrơn trong các thiết kế bó nhiên liệu [3]. Trong dải năng lượng nhiệt của nơtrơn, các đồng vị sau có tiết diện hấp thụ lớn: 10B, 113Cd,
149Sm, 151Eu, 155Gd, 157Gd, 161Dy, 164Dy, 167Er và 177Hf.
Bảng 1.2: Các thông số thiết kế cơ bản của lị phản ứng VVER-1000 [68].
Thơng số VVER-1000 Kiểu lị
V-320 V-428
Cơng suất nhiệt, MWt 3000 3000
Áp suất vịng 1, MPa 15,7 15,7
Áp suất vòng 2, MPa 6,27 6,27
Tốc độ dòng chảy nước tải nhiệt, m3/h 84800 86000 Nhiệt độ nước tải nhiệt lối ra, o
C 320 321
Tổng số bó nhiên liệu, pcs 163 163
Tổng số thanh hấp thụ trong cụm CPSAR, pcs 61 121
Tổng khối lượng Uranium, tấn 80 80
Độ giàu 235
U, wt% 4,4 4,4
Thời gian vận hành lò (năm) 30 40
Er và Dy. Hình 1.4 so sánh tiết diện phản ứng hấp thụ nơtrôn của một số đồng vị trong dải năng lượng nơtrôn nhiệt. Bảng 1.4 liệt kê một số chất hấp thụ nơtrôn phổ biến và các tính chất vật lý của các chất hấp thụ nói trên. Nhiệt độ nóng chảy của các chất hấp thụ này chủ yếu là lớn hơn 2000oC, giá trị thấp nhất ứng với CdO là 1427oC, cao hơn nhiệt độ thanh nhiên liệu trong quá trình vận hành lị phản ứng. Vì vậy đảm bảo chất hấp thụ khơng bị nóng chảy khi được thiết kế gắn với các thanh nhiên liệu.
Boron là chất hấp thụ được sử dụng phổ biến trong các thanh điều khiển (B4C) hoặc dưới dạng axit Boric H3BO3 được hòa tan trong nước tải nhiệt. Ở một số thiết kế hiện hành, ZrB2 được sử dụng dưới dạng một lớp phủ bọc bên ngoài các viên nhiên liệu. Với các thiết kế thanh nhiên liệu tích hợp chất hấp thụ nơtrơn như vậy được gọi là IBA (Integrated Burnable Absorber). Ở các thiết kế này, chất hấp thụ không trộn với nhiên liệu UO2 và các tính chất truyền nhiệt của nhiên liệu không thay đổi so với hỗn hợp truyền thống. Trong các đồng vị của Boron, đồng vị có đóng góp quan trọng cho q trình hấp thụ nơtrơn là 10B với tiết diện hấp thụ là 3844 b tại năng lượng 0,0253 eV [8].
Erbium được sử dụng với vai trò chất hấp thụ ở một số thiết kế lò phản ứng PWR [21]. Đồng vị 167Er có tiết diện hấp thụ nơtrơn là 650 b tại năng lượng 0,0253 eV [8]. Tuy nhiên, tiết diện hấp thụ của 167Er nhỏ hơn nhiều so với tiết diện hấp thụ của 10B, 155Gd hay 157Gd - Hình 1.4 [62]. Điều này làm cho tốc độ
Hình 1.3: Tiết diện hấp thụ nơtrơn của một số đồng vị Gd, B, Er và Dy hấp thụ của 167Er chậm nên hàm lượng chất hấp thụ còn dư nhiều sau giai đoạn cháy cần thiết điều khiển độ phản ứng dư của nhiên liệu tươi [21]. Do đó, đồng vị 167
Er phù hợp hơn với các thiết kế chất hấp thụ nhằm điều khiển độ phản ứng trong thời gian cháy dài.
Trong q trình hấp thụ nơtrơn, các đồng vị 149Sm và 151Eu được chuyển hóa thành các đồng vị 155Gd và 157Gd, và các đồng vị 161Dy và 164Dy được chuyển hóa thành 167Er sau một số phản ứng bắt nơtrơn. Trong khi đó đồng vị 177Hf có tiết diện hấp thụ thấp, sau khi hấp thụ nơtrơn tạo thành đồng vị khác vẫn có khả năng hấp thụ nơtrơn, q trình hấp thụ nơtrơn cứ như vậy diễn ra, hình thành chuỗi đồng vị hấp thụ dài (176Hf → 177Hf → 178Hf → 179Hf → 180Hf) [62]. Do đó, các đồng vị hấp thụ dài này chỉ phù hợp trong các thiết kế cần điều khiển độ phản ứng trong thời gian cháy dài. Đối với bó nhiên liệu VVER-1000, chất hấp thụ chỉ có vai trị điều khiển độ phản ứng trong giai đoạn cháy 0 – 10 GWd/t. Ở giai đoạn cháy sau đó cần tính tốn đảm bảo hàm lượng chất hấp thụ cịn dư
Hình 1.4: So sánh tiết diện hấp thụ nơtrôn của một số đồng vị trong dải năng lượng nơtrôn nhiệt [62].
không đáng kể nhằm tránh việc sụt giảm độ phản ứng.
Gd2O3 với thành phần các đồng vị trong tự nhiên vẫn được xem là chất hấp thụ nơtrôn phổ biến nhất sử dụng trong các thiết kế bó nhiên liệu tích hợp chất hấp thụ (IBA). Bảng 1.3 mô tả thành phần các đồng vị Gd trong tự nhiên [8]. Việc sử dụng Gd2O3 là chất hấp thụ nơtrôn trong nhiều thiết kế nhiên liệu với mục đích điều khiển độ phản ứng dự trữ tăng cao trong giai đoạn đầu của quá trình cháy nhiên liệu và duy trì phân bố cơng suất đồng đều trong vùng hoạt lị phản ứng. Do tiết diện hấp thụ nơtrơn cao của các đồng vị 155Gd và 157Gd, và tỉ lệ các đồng vị này trong tự nhiên lớn (chiếm khoảng 30%) nên việc sử dụng Gd2O3 dạng vi hạt nhằm để điều khiển độ phản ứng trong thời gian ngắn hay dài thông qua việc tối ưu kích thước hạt. Trong luận án này, ý tưởng nghiên cứu được thực hiện nhằm cải tiến đặc trưng hạt nhân của bó nhiên liệu VVER-1000 truyền thống với việc đề xuất sử dụng chất hấp thụ Gd2O3 dạng vi hạt.
Đồng vị Độ phổ biến (at%) σa(b) 153Gd - 22,334 154Gd 2,18 85 155Gd 14,8 60,737 156Gd 20,47 1,8 157Gd 15,65 252,912 158Gd 24,84 2,2 160Gd 21,86 1,4
Bảng 1.4: Các thông số vật lý của một số chất hấp thụ nơtrôn [62].
Chất hấp thụ nơtrôn B4C CdO Sm2O3 Eu2O3 Gd2O3 Dy2O3 Er2O3 HfO2
Đồng vị hấp thụ chính 10B 113Cd 149Sm 151Eu 155Gd, 157Gd 161Dy, 164Dy 167Er 177Hf Thành phần đồng vị hấp thụ (wt%) 90 1,22 13,82 47,8 14,8; 15,65 18,91; 28,18 22,95 18,6
Khối lượng riêng (g/cm3) 2,52 8,15 8,35 7,3 7,4 7,81 8,64 9,68
Quãng đường tự do trung bình (µm)a 25 101,6 61,7 87,8 8,3 418,6 2373,6 4164,6
Nhiệt độ nóng chảy (oC) 2350 1427 2325 2050 2350 2340 2355 2758
α- Tại vùng năng lượng lân cận nơtrôn nhiệt En= 0,0253 eV