Tìm hiểu về công nghệ lò phản ứng nghiên cứu (Phần 1: Các thông tin chung)
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ
LÒ PHẢN ỨNG NGHIÊN CỨU
(Phần 1: Các thông tin chung)
Năm 1934, Enrico Fermi và các cộng sự của ông đã phát hiện ra hiện tượng khi bắn phá
nơtrôn nhiệt (năng lượng 0,025 eV) vào urani sẽ tạo ra các nguyên tố siêu urani. Đầu năm 1939, Lise
Meitner và Otto Frisch đã đi đến kết luận rằng nơtrôn kích thích sự phân chia hạt nhân của urani
thành từng cặp có khối lượng gần bằng nhau. Những công việc phôi thai này đã tạo nên sự quan tâm
đặc biệt để nghiên cứu phản ứng hạt nhân dây chuyền tự duy trì có khả năng điều khiển, mà kết quả
là vào ngày 2/12/1942, tại Trường Đại học Chicago (Hoa Kỳ), đã khởi động thành công thiết bị duy
trì phản ứng hạt nhân dây chuyền CP-1 dưới sự dẫn dắt của Enrico Fermi, đánh dấu thời điểm Lò
phản ứng hạt nhân nghiên cứu (LPƯNC) đầu tiên ra đời.
Theo số liệu thống kê năm 2016 của Cơ điểm có số lượng LPƯNC vận hành nhiều nhất
quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), đã là năm 1975 với 373 lò vận hành trong 55 nước.
có 757 LPƯNC được xây dựng (trong đó có 612 Trong số lò phản ứng đang vận hành và xây dựng
lò tại 28 nước phát triển và 145 lò tại 40 nước nêu trên, có 159 lò thuộc các nước phát triển và
đang phát triển), bao gồm 246 lò đang vận hành, 96 lò thuộc các nước đang phát triển, cho thấy
9 lò đang xây dựng, 144 lò đã dừng hoạt động xu hướng số lượng LPƯNC giảm nhanh ở các
nhưng chưa tháo dỡ, và 358 lò đã tháo dỡ. Thời nước phát triển, trong lúc đó các nước đang phát
Số 50 - áng 3/2017 11
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
triển vẫn sử dụng LPƯNC như là thiết bị hạt nhân v.v…
chính để thực hiện các nghiên cứu, ứng dụng và
Từ các cách phân loại đa dạng như trên,
trong số 246 LPƯNC đang vận hành được thống
đào tạo nguồn nhân lực hạt nhân cho quốc gia.
Số lượng 246 lò đang vận hành và 9 lò kê như sau: 98 lò (chiếm 40%) có nghiên cứu
đang xây dựng được phân bố theo vùng và khu và sản xuất đồng vị phóng xạ, 128 lò (chiếm
vực như sau: Bắc Mỹ – 49, châu Mỹ Latinh – 19, 52%) có nghiên cứu và dịch vụ phân tích kích
Tây Âu – 40, Đông Âu – 79, châu Phi – 9, Trung hoạt nơtrôn, 72 lò (chiếm 29%) có nghiên cứu
Đông và Nam Á – 17, Đông Nam Á và Thái Bình và ứng dụng chụp ảnh nơtrôn, 60 lò (chiếm 24%)
Dương – 6, vùng viễn Đông – 36. Tính theo quốc có nghiên cứu và ứng dụng chiếu xạ thử nghiệm
gia thì Liên bang Nga đang vận hành 63 lò, sau vật liệu và nhiên liệu hạt nhân, 50 lò (20%) có
đó là Hoa Kỳ – 42, Trung Quốc – 17, Pháp – 10, ứng dụng nghiên cứu vật liệu bằng kỹ thuật tán
Đức – 8, v.v... Trong vùng Đông Nam Á, quốc xạ và nhiễu xạ nơtrôn trên các kênh ngang, 42 lò
gia có số lượng LPƯNC nhiều nhất là Indonesia, (chiếm 17%) có ứng dụng nghiên cứu và đo đạc
đang vận hành 3 lò phản ứng.
số liệu hạt nhân, 30 lò (chiếm 12%) có nghiên
cứu và dịch vụ chiếu xạ pha tạp silic đơn tinh
thể, 21 lò (chiếm 9%) có nghiên cứu và dịch vụ
chiếu xạ tạo màu đá quý, có 19 lò (chiếm 8%)
có nghiên cứu và dịch vụ về lĩnh vực xạ trị bằng
bắt nơtrôn của đồng vị 10B (BNCT), có 176 lò
(chiếm 71%) thực hiện các khóa đào tạo và huấn
luyện, v.v... Như vậy, mục đích đào tạo nguồn
nhân lực hạt nhân chiếm tỷ lệ cao nhất, sau đó là
tạo ra các sản phẩm và dịch vụ phục vụ phát triển
kinh tế - xã hội như phân tích nguyên tố, sản xuất
đồng vị phóng xạ, v.v...
Khác với lò phản ứng năng lượng trong
các nhà máy điện hạt nhân là sử dụng nhiệt năng
để tạo ra năng lượng điện, LPƯNC sử dụng các
bức xạ hạt nhân và các sản phẩm phân hạch để
tạo ra nhiều sản phẩm thứ cấp nên chúng rất đa
dạng và có nhiều cách phân loại, ví dụ:
Theo tiêu chí sử dụng, chất tải nhiệt và cơ
chế làm mát vùng hoạt, LPƯNC có thể được phân
thành lò chuyên dụng cho một hoặc chỉ một vài
mục đích nhất định, lò đa mục tiêu, lò nước nhẹ,
lò nước nặng, lò dùng cơ chế đối lưu tự nhiên, lò
đối lưu cưỡng bức, v.v…
Vì vậy, tùy nhu cầu và mục đích sử dụng,
tiềm lực tài chính và khả năng về nhân lực mà
mỗi quốc gia sẽ có định hướng xây dựng các loại
LPƯNC khác nhau về mức công suất, về chủng
loại, về công nghệ, về các mục tiêu ứng dụng,
v.v... hoặc xây dựng nhiều loại LPƯNC để cùng
vận hành. Tuy nhiên, đối với các nước đang phát
triển, do khó khăn về kinh phí và nguồn nhân lực
vận hành, sử dụng nên không thể xây dựng cùng
lúc nhiều LPƯNC trên lãnh thổ của mình mà
chọn phương án xây dựng lò đa mục tiêu để đáp
ứng được nhiều mục đích sử dụng.
Theo tiêu chí về công suất làm việc,
LPƯNC có thể phân ra: lò công suất không (với
mức công suất < 10 kW nhiệt – sau đây viết là
kWt), lò công suất thấp (từ 10 kWt - 1 MWt), lò
công suất trung bình (từ 1 - 5 MWt), lò công suất
cao (trên 5 MWt), lò làm việc ở chế độ xung có
công suất đến GWt trong thời gian ngắn, v.v...
Tuy nhiên, việc phân loại các mức công suất nêu
trên chỉ là tương đối.
Theo mục đích sử dụng, có thể phân loại
là lò nghiên cứu, lò thử nghiệm, lò huấn luyện và
đào tạo, cơ cấu tới hạn, v.v…
Tính đa dạng về loại lò phản ứng cũng
đồng nghĩa với tính đa dạng và phức tạp trong
công nghệ và thiết kế. Vì vậy, khi tìm hiểu về
công nghệ LPƯNC cần nắm được các khái niệm
chung và các đặc trưng cơ bản của chúng.
Theo cấu tạo lò phản ứng, có thể phân loại
gồm lò loại bể, lò loại thùng, lò TRIGA, lò WWR,
lò SLOWPOKE, lò HOMOG., lò ARGONAUT,
12 Số 50 - áng 3/2017
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
1. Các loại lò phản ứng nghiên cứu
kỳ bán rã 7,1 giây, phân rã gamma năng lượng
cao 5-7 MeV) và các sản phẩm kích hoạt của các
đồng vị sống ngắn khác. Nhược điểm này được
khắc phục bằng việc đưa vào thiết kế một bể làm
trễ dòng nước từ lối ra vùng hoạt, hay còn gọi là
bể phân rã (decay tank) vào chu trình mát mát
vòng sơ cấp của lò phản ứng.
Có thể chia LPƯNC thành 2 loại, loại
thùng lò (tank type) và loại bể lò (pool type). Loại
bể lò còn được chia ra thành loại lò phản ứng có
thùng lò với nắp đậy kín bên trên nằm trong bể
lò (closed-tank in pool) và loại có thùng lò nằm
bên trong bể nhưng không có nắp đậy (open-tank
in pool). Các lò phản ứng loại thùng được đặc
trưng bằng một vùng hoạt chứa nhiên liệu nằm
bên trong một thùng kín. Các lớp che chắn bê-
tông và kim loại bao quanh phía ngoài thùng lò.
Việc thao tác trong vùng hoạt chỉ có thể thực hiện
được khi 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 như
lò năng lượng trong các nhà máy điện hạt nhân.
Vì vậy, loại lò này thường được thiết kế cho một
vài mục đích chuyên dụng và hiện nay gần như
không còn sử dụng.
Hình 1a. Hình chiếu đứng của cấu trúc lò
phản ứng loại bể hở (open pool)
1- hàng rào bảo vệ; 2- kênh chiếu xạ kích
thước lớn; 3- tấm đậy bảo vệ; 4- bức vách ngăn;
5- tấm phủ không thấm nước; 6- bình làm mát
khẩn cấp; 7- kênh dẫn của đầu dò nơtrôn; 8- cửa
của kênh thí nghiệm nằm ngang; 9- thùng lò phản
Các LPƯNC với thùng lò không có nắp
đậy nằm bên trong bể (open-tank-in-pool) có
nhiều ưu điểm hơn loại thùng kín do giá thành
thấp, việc thao tác trong vùng hoạt tương đối dễ
dàng, có thể nhìn xuyên qua các lớp che chắn ở ứng; 10- các động cơ thanh điều khiển; 11- hot-
phía trên bể lò và bể lò chứa nước làm mát không
chịu áp suất lớn. Nước trong bể lò còn là lớp che
chắn phóng xạ rất cần thiết ở phía trên vùng hoạt,
loại bỏ yêu cầu phải dùng các lớp che chắn bằng
kim loại và bê-tông giống như với lò loại thùng,
thuận lợi cho người vận hành và sử dụng. Do khả
năng thao tác rất thuận tiện trong vùng hoạt của
loại lò open-tank-in-pool nên hầu hết các thiết
kế của những lò phản ứng thế hệ mới sau năm
2000 đến nay như lò FRM-II công suất 20 MWt
của Đức, lò OPAL công suất 20 MWt của Úc,
lò CARR công suất 60 MWt của Trung Quốc,
lò RA-10 công suất 30 MWt của Argentina, lò
RMB công suất 30 MWt của Brazil, v.v... đều
lựa chọn loại này. Tuy nhiên đối với loại lò này
cần phải quan tâm đến việc làm giảm trường bức
xạ gamma quanh lò gây ra do đồng vị 16N (chu
cell đặt trên bể lò; 12- đường vận chuyển các bia
đồng vị phóng xạ đã chiếu vào hot-cell.
Các Hình 1a và 1b trình bày hình chiếu
đứng và ngang tương ứng của loại lò open-tank-
in-pool. Vách ngăn (4) chia bể lò thành 2 phần,
phần bên trái là bể chính, nơi chứa vùng hoạt
(17), các buồng ion hóa đo nơtrôn (13) và các cấu
trúc liên quan được bao bởi thùng lò (9); phần
bên phải là bể phụ, nơi lưu giữ tạm thời các bó
nhiên liệu khi chuyển tải (19) và các bó nhiên
liệu đã chiếu xạ (20), các vật liệu và bia sản xuất
đồng vị sau khi chiếu xạ (22, 23) và bể nước làm
mát khẩn cấp (6). Bể chính và bể phụ được nối
với nhau qua cửa trung chuyển và hành lang vận
chuyển dưới nước (18, 21) để đảm bảo an toàn
và dễ dàng vận chuyển trong khi thao tác trong
Số 50 - áng 3/2017 13
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
bể lò. Với mục đích bảo vệ sinh học, bể lò được
bao bằng kết cấu bê-tông nặng với độ dày từ 2-3
m tùy vị trí. Ngoài ra, bể lò còn có chức năng
giam giữ các sản phẩm phân hạch trong trường
hợp xảy ra sự cố. Các dòng nơtrôn từ lò phản ứng
được dẫn ra ngoài qua các ống kênh nằm ngang
(14) để thực hiện các nghiên cứu cơ bản, nghiên
cứu ứng dụng và đào tạo nhân lực.
Hình 1c. Mặt cắt ngang của lò TRIGA bể
hở với 2 vùng hoạt độc lập
14-MW steady state reactor- lò công suất
14 MWt; Annular core pulsing reactor- lò xung
công suất đến 2000 MWt.
2. Vùng hoạt và vành phản xạ
Vùng hoạt (Hình 2a) là nơi tạo ra phản
ứng hạt nhân dây chuyền được duy trì, là nơi lắp
đặt các bó nhiên liệu, các thanh điều khiển, các
hốc chiếu cần thông lượng nơtrôn cao. Bao quanh
vùng hoạt là miền phản xạ nơtrôn (hay còn gọi
là vành phản xạ) để hạn chế thất thoát nơtrôn ra
khỏi vùng hoạt. Kích thước chiều rộng của vùng
hoạt phụ thuộc vào công suất lò và các yêu cầu về
ứng dụng, Xu hướng hiện nay là thiết kế sao cho
kích thước vùng hoạt nhỏ (compact core) để có
mật độ thông lượng nơtrôn cao. Kích thước chiều
cao của vùng hoạt phụ thuộc vào chiều dài của
bó nhiên liệu sử dụng, phổ biến đối với những
LPƯNC đa chức năng hiện nay trong khoảng
60-70 cm. Sử dụng các bó nhiên liệu có tiết diện
hình lục giác loại VVR-M2 hoặc VVR-KN với
độ giàu 19,75% U-235 do Liên bang Nga chế tạo.
Ngoài nhiên liệu và các thanh điều khiển, trong
vùng hoạt còn lắp đặt các kênh chiếu xạ với thông
lượng nơtrôn cao để thử vật liệu và sản xuất đồng
vị phóng xạ. Các kênh kích thước lớn để chiếu
xạ pha tạp đơn tinh thể silic và các kênh chiếu
để phân tích kích hoạt, sản xuất đồng vị phóng
xạ với yêu cầu thông lượng nơtrôn thấp được đặt
trong vùng phản xạ.
Hình 1b. Hình chiếu ngang của cấu trúc
lò phản ứng loại bể hở (open pool)
13- buồng ion hóa; 14- kênh ngang dẫn
dòng nơtrôn từ lò ra ngoài; 15- tường bê-tông
bảo vệ sinh học; 16- lối ra đường ống; 17- vùng
hoạt lò phản ứng; 18- cánh cửa của lối vận
chuyển giữa bể chính (bể lò) và bể phụ (bể dịch
vụ); 19- nơi lưu giữ tạm thời các bó nhiên liệu;
20- nơi lưu giữ các bó nhiên liệu đã qua sử dụng;
21- hành lang vận chuyển; 22- nơi làm nguội các
vật liệu sau chiếu xạ (thỏi silic, ...); 23- nơi làm
nguội các bia sản xuất đồng vị sau chiếu xạ.
Hình 1c trình bày mặt cắt ngang của bể lò
TRIGA loại mở, còn gọi là lò bể bơi (swimming
pool), gồm 2 vùng hoạt cùng chung trong 1 bể,
còn gọi là “TRIGA dual core”, gồm lò có công
suất ổn định 14 MWt và lò xung công suất đến
2000 MWt được xây dựng tại Viện Nghiên cứu
hạt nhân Pitesti của Rumani. Công suất 14 MWt
là mức cao nhất của loại lò TRIGA do Công ty
General Atomics của Hoa Kỳ thiết kế và xây
dựng. Thể tích nước trong bể lò phải đủ lớn để
làm mát đồng thời cả 2 vùng hoạt.
14 Số 50 - áng 3/2017
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Vùng hoạt của lò OPAL (Hình 2b) rất 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 trên và dưới vùng hoạt). Trong vùng hoạt
chỉ lắp đặt 16 bó nhiên liệu loại MTR (Material
Testing Reactor) có tiết diện vuông xấp xỉ 8 cm
x 8 cm và 5 thanh hấp thụ nơtrôn dạng tấm, có
dáng hình chữ thập đặt xen kẽ tại điểm góc của 4
bó nhiên liệu, được dùng để điều khiển độ phản
ứng và dập lò. Tất cả các thiết bị chiếu xạ (để sản
xuất đồng vị phóng xạ, chiếu xạ vật liệu có thể
tích lớn, các thiết bị chiếu xạ kênh khí nén, v.v...)
đều được đặt trong vành phản xạ.
Hình 2a. Hình chiếu 3D của vùng hoạt
với vành phản xạ bằng berili
1- kênh thí nghiệm nằm ngang; 2- thân
của vùng hoạt; 3- các kênh vận chuyển bằng ống;
4- các khối bằng vật liệu chì; 5- khối phản xạ
berili có thể thay thế được; 6- bó nhiên liệu; 7,
11- các kênh chiếu xạ trong vùng hoạt; 8- thanh
điều khiển; 9- khối berili chứa khoang nước; 10-
khối phản xạ nơtrôn cố định; 12- kênh chiếu xạ
kích thước lớn trong vành phản xạ.
Hình 2c. Mặt cắt ngang của vùng hoạt với
vành phản xạ bằng nước nặng
1- các kênh chiếu đứng trong vùng hoạt:
CT, IR1, IR2- các hốc chiếu xạ thử nhiên liệu và
vật liệu hạt nhân; 2- các kênh chiếu đứng trong
vành phản xạ: NTD1, NDT2- các hốc chiếu xạ
pha tạp đơn tinh thể silic; CNS- nguồn nơtrôn
lạnh; HTS- hệ chuyển mẫu bằng thủy lực để sản
xuất đồng vị phóng xạ; PTS- hệ chuyển mẫu bằng
khí nén để chiếu mẫu phân tích kích hoạt bằng
nơtrôn; LH- kênh chiếu xạ thử nghiệm nhiên liệu;
3- các kênh dẫn dòng nơtrôn nằm ngang: ST1,
ST2, ST3, ST4- lắp đặt các hệ phổ kế tán xạ và
nhiễu xạ nơtrôn; NR- chụp ảnh nơtrôn, IR- lắp
đặt hệ BNCT; CN- dòng nơtrôn lạnh.
Hình 2b. Hình chiếu 3D của vùng hoạt
với vành phản xạ bằng nước nặng
Reactor core- vùng hoạt; Silicon
irradiation facilities- các hốc chiếu xạ pha tạp
đơn tinh thể silic; Heavy water tank- thùng phản
xạ bằng nước nặng; Cold neutron source- nguồn
nơtrôn lạnh; Hot neuron source-nguồn nơtrôn
nóng; Thermal neutron beam port- ống dẫn dòng
nơtrôn nhiệt.
Số 50 - áng 3/2017 15
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Vùng hoạt của lò HANARO (Hình 2c) trình khởi động. Tuy nhiên những ưu điểm này
bao gồm vùng hoạt bên trong (inner core) và của vành phản xạ berili sẽ không thể bù đắp cho
vùng hoạt bên ngoài (outer core). Vùng hoạt bên nhu cầu cần có vùng phản xạ lớn để dành chỗ
trong được bao quanh bởi vòng nếp gấp và các cho nhiều thiết bị thí nghiệm cồng kềnh. Thêm
ống đặt song song nằm phía trong của lớp vỏ bên vào đó, cũng cần có sự quản lý thận trọng đối với
trong của vành phản xạ. Có 8 vị trí của vùng hoạt berili vì khối berili rắn có thể bị biến dạng do bị
bên trong (màu vàng) được dùng để đặt 4 thanh chiếu xạ dài ngày.
điều khiển và 4 thanh dừng lò mà phía bên trong
Vành phản xạ bằng nước nặng thường lớn
của các thanh điều khiển và dừng lò này chứa các
hơn vành phản xạ berili do vật liệu cần nhiều va
bó nhiên liệu loại 18 thanh. Có 20 ống hình lục
chạm hơn để nhiệt hóa nơtrôn và có ưu điểm là
giác (màu xanh) để chứa các bó nhiên liệu loại 36
ít hấp thụ nơtrôn hơn. Với những ưu điểm này,
thanh. Còn lại 3 vị trí trống dọc tâm (màu trắng)
các thiết bị chiếu xạ cố định có kích thước lớn
được dành để lắp đặt các thiết bị chiếu xạ thử
thường được đặt trong vành phản xạ nước nặng.
nghiệm nhiên liệu và vật liệu hạt nhân. Vùng hoạt
Hơn nữa, thông lượng nơtrôn cấp cho các thiết
bên ngoài gồm 8 ống thẳng đứng hình tròn nằm
bị trong vành phản xạ nước nặng sẽ tốt hơn do
trong vành phản xạ nước nặng mà có thể nạp các
có cường độ cao hơn và phân bố phẳng hơn so
bó nhiên liệu loại 18 thanh vào những ống này.
với thông lượng nơtrôn cấp cho các thiết bị thí
Việc thiết kế vùng hoạt bên ngoài nhằm cung cấp
nghiệm tương tự ở trong vành phản xạ berili. Ví
môi trường tốt hơn cho mục đích chiếu xạ với
dụ như thông lượng nơtrôn nhiệt cung cấp cho
dòng nơtrôn trên nhiệt cao.
kênh tiếp tuyến nằm ngang trong vành phản xạ
Chất phản xạ cần chọn là vật liệu có mật nước nặng cao hơn từ 20% đến 40% so với trong
độ cao và hấp thụ nơtrôn thấp. Berili có mật độ vành phản xạ bằng berili. Ngoài ra, vành phản xạ
tương đối cao (1,85 g/cm3) và là chất phản xạ nước nặng còn được sử dụng như hệ thống dập
hiệu quả nhất (tiết diện vi mô hấp thụ với nơtrôn lò thứ hai bằng cách tháo nhanh một phần nước
nhiệt thấp, σa =0,001 barn, 1 barn = 10-24 cm2). nặng trong vành phản xạ để đưa lò phản ứng
Ba vật liệu khác được dùng làm chất phản xạ sắp xuống dưới tới hạn trong trường hợp hệ thống
theo thứ tự ưu tiên là nước nặng (mật độ 1,1 g/ dập lò thứ nhất (các thanh điều khiển) vì lý do
cm3, σa = 0,0006 barn), graphite (mật độ 1,6 g/ nào đó không thực hiện được chức năng dập lò.
cm3, σa = 0,0035 barn) và nước nhẹ (mật độ 1,0 Yêu cầu có hệ thống dập lò thứ hai độc lập và
g/cm3, σa = 0,333 barn). Tuy nhiên, nước nặng có khác về nguyên tắc vận hành với hệ thống dập
hiệu suất phản xạ tốt hơn berili vì có tiết diện hấp lò thứ nhất là yêu cầu bắt buộc đối với quy phạm
thụ nơtrôn thấp hơn.
của một số nước (Ấn Độ chẳng hạn) nếu LPƯNC
có công suất trên 15 MWt.
Nước nặng và berili là các vật liệu thường
được dùng làm chất phản xạ trong các LPƯNC
Với một số ưu nhược điểm vừa nêu trên
đa chức năng mặc dù graphit thường dùng trong đối với berili và nước nặng, để tối ưu trong thiết
các LPƯ có công suất thấp. Việc sử dụng berili kế (ví dụ lò JRR-3M của Nhật Bản) đã kết hợp sử
làm chất phản xạ có các ưu điểm như cho khối dụng đồng thời cả berili và nước nặng để làm chất
lượng tới hạn thấp nhất, sự linh động trong 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 trong vận hành thì việc chỉ sử dụng
của việc điều khiển lò phản ứng trong suốt quá nước nặng làm chất phản xạ sẽ có nhiều ưu điểm
16 Số 50 - áng 3/2017
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
hơn so với sử dụng cả nước nặng và berili để làm nên sẽ tiết kiệm nơtrôn hơn nước nhẹ (σa = 0,333
chất phản xạ, đó cũng là lý do một số lò phản ứng barn). Tuy nhiên, nước nặng cũng có nhược điểm
đa mục tiêu được xây dựng trong thời gian gần là giá thành cao và cần trang bị một hệ thống làm
đây (ví dụ lò JRTR công suất 5 MWt của Jordan, nguội sơ cấp khá phức tạp để tránh sự giảm chất
lò OPAL công suất 20 MWt của Úc, lò FRM-II lượng của nước nặng và để ngăn chặn đồng vị
công suất 20 MWt của Đức, lò HANARO công phóng xạ triti (3H) sinh ra do phản ứng của nơtrôn
suất 30 MWt của Hàn Quốc, v.v...) sử dụng vành với nước nặng sẽ giải phóng vào môi trường. Vì
phản xạ bằng nước nặng, đồng thời làm chức việc thao tác diễn ra thường xuyên trên vùng hoạt
năng của hệ thống dập lò thứ hai. Trường hợp lò của LPƯ để thay đổi nhiên liệu và tiến hành các
phản ứng ETRR-2 công suất 22 MWt của Ai Cập thí nghiệm chiếu xạ nên việc giữ sự tinh khiết
chỉ sử dụng vành phản xạ bằng berili thì hệ thống của nước nặng trong hệ thống làm mát luôn là
dập lò thứ hai được trang bị bằng cách tiêm dung mối quan tâm lớn nhất. Với những vấn đề công
dịch hấp thụ nơtrôn (gadolinium nitrate) vào 4 nghệ và an toàn bức xạ nêu trên, hầu như tất cả
buồng đặt giữa các bó nhiên liệu và vành phản xạ các thiết kế cho LPƯNC loại bể mở (không có
bao quanh vùng hoạt.
áp lực) hiện nay đều chọn nước nhẹ làm chất làm
mát cho hệ thống tải nhiệt vòng sơ cấp.
Về mặt ứng dụng, vành phản xạ bằng
berili khó đáp ứng được yêu cầu về độ đồng đều
tốt của thông lượng nơtrôn do thông lượng thay
đổi nhanh theo không gian của vành phản xạ. Vì
vậy, vùng hoạt với vành phản xạ berili sẽ gặp khó
khăn trong việc đáp ứng chiếu xạ pha tạp đơn tinh
thể silic làm dịch vụ. Trong trường hợp đó, khả
năng bổ sung graphite vào một số vùng của vành
phản xạ cần được xem xét. Ngoài ra, với thời gian
vận hành liên tục, dài ngày, vành phản xạ berili
sẽ gây ra hiệu ứng nhiễm độc làm giảm độ phản
ứng dự trữ và biến dạng trường nơtrôn, tính chất
cơ học của berili cũng dễ dàng thay đổi theo quá
trình vận hành lò. Việc bố trí các kênh ngang dẫn
dòng nơtrôn khi dùng vành phản xạ berili là khá
phức tạp và khó khăn, lại không đảm bảo được
thông lượng yêu cầu cũng như ảnh hưởng giữa
các kênh là rất đáng kể vì kích thước vành phản
xạ không đủ rộng.
Nước nặng hoặc nước nhẹ có thể được
dùng phổ biến như là chất làm chậm trong các
LPƯNC. Nước nhẹ có khả năng làm chậm nơtrôn
cao nhất (giá trị khả năng làm chậm ξΣs lớn, 1,35
cm-1) nhưng ngược lại thì hấp thụ nơtron cũng
nhiều (hệ số làm chậm ξΣs/Σathấp, 71). Nước
nặng sẽ tiết kiệm nơtrôn nhiều nhất vì ít hấp thụ
nơtrôn nhất (σa = 0,0006 barn) nhưng khả năng
làm chậm nơtrôn thấp hơn (ξΣs = 0,176 cm-1), với
ξ là độ lợi lethargy, đặc trưng cho độ mất năng
lượng logarit trung bình của nơtrôn do va chạm,
Σs = Nσs và Σa =Nσa là tiết diện vĩ mô tán xạ và
hấp thụ nơtrôn và N là mật độ các hạt nhân của
chất làm chậm.
Các vùng hoạt được làm chậm bằng nước
nhẹ có thể tích tương đối nhỏ trong khi vùng hoạt
được làm chậm bằng nước nặng chiếm nhiều
không gian hơn vì cần nhiều va chạm để nhiệt
hóa nơtrôn. Thể tích nhỏ của vùng hoạt được làm
chậm bằng nước nhẹ cho thông lượng nơtrôn cao
3. Chꢀt làm mát và làm chậm nơtron trong
vùng hoạt
Nước nhẹ (H2O) và nước nặng (D2O) hơn trên một đơn vị công suất, nhưng 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 của LPƯNC. Nước nặng (σa phải duy trì phản ứng trong một thể tích khá lớn
= 0,0006 barn) có ưu điểm là ít hấp thụ nơtrôn để dành chỗ cho nhiều thiết bị thí nghiệm. Do
Số 50 - áng 3/2017 17
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
vậy, các thiết bị thí nghiệm trong vùng hoạt được HEU trước đây. Các loại nhiên liệu đang được
làm mát bằng nước nhẹ thường được bố trí trong khảo sát để cải tiến hoặc sẽ thay thế cho loại nhiên
khu vực vành phản xạ bao quanh vùng hoạt. Hầu liệu cũ hiện nay có thể kể đến như: UAlx+Al (mật
hết các LPƯNC đa chức năng hiện nay đều dùng độ 2,3 g/cm3), UZrHx (mật độ 3,7 g/cm3), U3O8
chất làm chậm bằng nước nhẹ.
+Al (mật độ 3,2 g/cm3), UO2+Al (mật độ 5,0 g/
cm3), U3Si2+Al (mật độ 6,0 g/cm3), UN+Al (mật
độ 7,0 g/cm3) và Al+U- Các hợp kim của Mo
(mật độ 8,0 g/cm3).
4. Nhiên liꢁu dùng cho lò phản ứng nghiên cứu
Trước những năm 1990, nhiên liệu dùng
cho LPƯNC phổ biến là vật liệu urani được làm
giàu cao (HEU – Highly Enriched Uranium) với
nồng độ của U-235 từ 36% đến 93%. Nhiêu liệu
HEU cho tính năng tốt hơn nếu xét về khía cạnh
cung cấp thông lượng nơtron cao trên đơn vị thể
tích. Tuy nhiên, nhằm ngăn chặn phổ biến vũ
khí hạt nhân bằng cách giảm thiểu, tiến tới loại
bỏ việc sử dụng urani có độ giàu cao trong các
ứng dụng hạt nhân dân sự trên toàn thế giới, năm
1978, Hoa Kỳ đã khởi xướng chương trình giảm
độ giàu nhiên liệu cho LPƯNC và lò thử nghiệm
với tên gọi là RERTR (Reduced Enrichment
for Research and Test Reactors). Mục đích của
chương trình này là để thay thế nhiên liệu HEU
sang nhiên liệu có độ làm giàu thấp (LEU – Low
Enriched Uranium), có độ giàu của U-235 nhỏ
hơn 20% trong các LPƯNC và lò thử nghiệm đã
xây dựng trên thế giới.
Vỏ bọc cho thanh nhiên liệu phổ biến là
vật liệu nhôm, ngoại trừ nhiên liệu của lò TRIGA
dùng vỏ bọc hợp kim 800H hoặc thép không rỉ.
Vì LPƯ cần được thiết kế sao cho đạt được mật
độ công suất cao nên kỹ thuật khuếch tán các hạt
nhiên liệu lên nền nhôm đang được sử dụng rộng
rãi. Loại nhiên liệu khuếch tán này cùng với việc
không có khe hở giữa lõi và vỏ bọc thanh nhiên
liệu cho phép ngăn chặn rất tốt sự giải phóng
sản phẩm phân hạch ra bên ngoài và cho các đặc
trưng nhiệt rất tốt.
Ba dạng nhiên liệu được dùng phổ biến
trong thiết kế các LPƯNC là dạng tấm phẳng
(plate), dạng thanh hay ống nhỏ (rod, pin) và
dạng ống (tube) được uốn từ tấm phẳng. Cấu trúc
nhiên liệu loại tấm phẳng hoặc ống (tube) cho sự
truyền nhiệt tốt hơn so với nhiên liệu loại thanh
Để chuyển sang sử dụng nhiên liệu LEU, do có tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn. Với
loại nhiên liệu có urani mật độ cao khuếch tán nhiên liệu loại thanh, việc sử dụng lớp vỏ bọc
vào nền nhôm hiện đang được sử dụng rộng rãi dày bằng nhôm và vận hành ở nhiệt độ thấp trong
trong các LPƯNC, bao gồm U3Si2+Al (mật độ 4,8 các LPƯNC, sự phồng rộp của thanh nhiên liệu
g/cm3), U3Si+Al (mật độ 3,15 g/cm3), U3O8+Al đã được ngăn chặn bằng cách hạn chế sự gia tăng
(mật độ 1,3 g/cm3), UZrHx-Er (mật độ 0,16 g/ của các khí phân hạch ở độ cháy thích hợp. Tuy
cm3), và UO2+Al Er (mật độ 3,0 g/cm3). Vật liệu nhiên, để phát triển kỹ năng phục vụ cho chương
U3Si2+Al (mật độ 4,8 g/cm3) đang được xem là trình điện hạt nhân thì việc huấn luyện trên các
nhiên liệu chuẩn trong các LPƯNC thế hệ mới LPƯNC dùng nhiên liệu loại thanh có thể đem lại
hiện nay. Tuy nhiên, một số chương trình nghiên nhiều lợi ích hơn dùng nhiên liệu loại tấm. Lý do
cứu và phát triển ở các nước như Hoa Kỳ, Châu là nhiên liệu loại thanh gần giống bó nhiên liệu
Âu, Liên bang Nga, Nhật bản và Hàn quốc đang (BNL) dùng trong các nhà máy điện hạt nhân do
quan tâm đến việc phát triển loại nhiên liệu LEU đó các chương trình tính toán vật lý lò được xây
có mật độ urani đến 8 g/cm3 để đạt được thông dựng cho một loại BNL có thể được sử dụng với
lượng nơtrôn cao, tương tự như trong nhiên liệu một vài sửa đổi để đánh giá tính chất của BNL
18 Số 50 - áng 3/2017
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
loại khác trong nhà máy điện hạt nhân.
lò OPAL công suất 20 MWt của Úc, lò CARR
công suất 60 MWt của Trung Quốc, lò ETRR-2
công suất 22 MWt của Hy lạp, v.v...; cũng như
lò RA-10 công suất 30 MWt của Argentina và
lò RMB công suất 30 MWt của Brazil đang xây
dựng.
Hình 3b. Bó nhiên liệu chuẩn và bó nhiên
liệu đi kèm của lò phản ứng JRR-3M
Hình 3a là bó nhiên liệu dạng MTR của
lò JRR-3M, sử dụng nhiên liệu U3Si2-Al có mật
độ cao 4,8 g/cm3. Có hai loại BNL được sử dụng
trong lò, gồm BNL chuẩn và BNL đi kꢀm thanh
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 đi kꢀm thanh
điều khiển có kích thước 6,4 cm x 6,4 cm x 88
cm, nhỏ hơn so với BNL chuẩn (Hình 3b). Số
tấm nhiên liệu có trong BNL chuẩn và BNL đi
kꢀm thanh 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 6 BNL đi kꢀm 6 thanh điều khiển
hấp thụ nơtrôn nên khi lò vận hành, thanh điều
khiển được đẩy lên phía trên vùng hoạt, 6 BNL đi
kꢀm sẽ chiếm chỗ của phần thanh hấp thụ nơtrôn
làm độ phản ứng dự trữ tăng, kéo dài chu trình
vận hành lò. Mỗi tấm nhiên liệu được gắn thêm
Hình 3a. Bó nhiên liệu loại MTR của lò
phản ứng JRR-3M
Hình chiếu đứng của BNL (trên) và Mặt
cắt ngang của BNL (dưới).
Bó nhiên liệu dạng tấm phẳng phổ biến
hiện nay được gọi là nhiên liệu MTR (Material
Testing Reactor), mang tên loại lò thử vật liệu
nhưng dùng phù hợp cho các LPƯNC đa mục tiêu
như lò JRR-3M công suất 20 MWt của Nhật Bản,
Số 50 - áng 3/2017 19
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
dây cadmi có khả năng tự cháy khi lò vận hành để
Bó nhiên liệu của lò HANARO được ghép
giảm độ phản ứng dự trữ ở đầu chu trình nạp tải. từ nhiều ống nhỏ làm từ U3Si+Al mật độ 3,15 g/
cm3. Ống thanh nhiên liệu có đường kính 6,35
Loại bó nhiên liệu được lắp ráp từ nhiều
mm, dài 700 mm và được bọc bằng vỏ nhôm dày
thanh nhiên liệu dạng ống tròn nhỏ (dạng pin)
0,76 mm. Trên vỏ bọc có 8 cánh tỏa nhiệt bằng
đang sản xuất cho lò HANARO công suất 30
nhôm để tăng tiết diện tỏa nhiệt của BNL. Có 2
MWt của Hàn Quốc, một số LPƯNC của Liên
loại BNL, 36 ống và 18 ống nhiên liệu (Hình 4a).
bang Nga và Canada.
Cả hai loại BNL đều có cùng thiết kế, ngoại trừ
Bó nhiên liệu của lò HANARO được ghép
các thanh nhiên liệu ở vòng ngoài BNL có độ dày
từ nhiều ống nhỏ làm từ U3Si+Al mật độ 3,15 g/
cm3. Ống thanh nhiên liệu có đường kính 6,35
5,5 mm để làm giảm hệ số bất đồng đều.
Tuy không phổ biến, nhưng Công ty
mm, dài 700 mm và được bọc bằng vỏ nhôm dày
TVEL của Liên bang Nga cũng sản xuất nhiên
0,76 mm. Trên vỏ bọc có 8 cánh tỏa nhiệt bằng
liệu dạng ống (pin), được sử dụng khá hạn chế
nhôm để tăng tiết diện tỏa nhiệt của BNL. Có 2
trong một số LPƯNC dùng trong nội địa (Hình
loại BNL, 36 ống và 18 ống nhiên liệu (Hình 4a).
4b).
Cả hai loại BNL đều có cùng thiết kế, ngoại trừ
các thanh 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 thanh (pin)
do Liên bang Nga chế tạo
Nhiên liệu dạng tấm ép thành ống của
Hình 4a. Hai loại bó nhiên liệu dạng
Liên bang Nga sản xuất gồm 2 loại là VVR và
thanh của lò HANARO
IRT với các phương án cải tiến khác nhau như
Loại bó nhiên liệu được lắp ráp từ nhiều VVR-M2, VVR-M5, VVR-TS, VVR-KN, v.v...
thanh nhiên liệu dạng ống tròn nhỏ (dạng pin) và IRT-2M, IRT-3M, IRT-4M, v.v... Bảng 1 là
đang sản xuất cho lò HANARO công suất 30 các thông số kỹ thuật và các Hình 5a và Hình 5b
MWt của Hàn Quốc, một số LPƯNC của Liên là hình dạng của các BNL phổ biến dùng cho các
bang Nga và Canada.
LPƯNC do Liên bang Nga thiết kế và xây dựng.
20 Số 50 - áng 3/2017
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
Bảng 1. Các thông số kỹ thuật của BNL
loại VVR và IRT của Liên bang Nga.
Loại bó
nhiên
liệu
Số
Khối
lượng
235U
trong
BNL (g)
Độ giàu
Độ dài
Độ dày
thành
của
thanh
NL
Khối
lượng
(kg)
Mật độ
Thành
phần
thanh
trong
BNL
235U (%) của phần
urani
nhiên
liệu
(mm)
(g/cm3) nhiên liệu
(BNL)
(mm)
2,5
50
19,75
36
600
(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)
2
(0,65/0,7
/0,65)
2,5
1,4
UO2 +Al
VVR-
M2
3
5
45
38
600
500
0,9
0,9
.
U-Al
alloy
65
54
66
600
500
500
VVR-
M5
36
90
U-Al
alloy
6
5
109
3,9
2,9
VVR-
TS
U-Al
alloy
36
19,75
36
600
600
600
3
8
5
4
3
83
245
198
230
198
VVR-
KN
3,0
UO2 +Al
3,3
2,6
U-Al
alloy
IRT-2M
IRT-3M
IRT-4M
8
6
4
8
6
4
8
352
309
235
300
264
201
300
3,7
3,3
2,9
36
1,4
(0,45/0,5
/0,45)
U-Al
alloy
600
600
90
1,6
(0,45/0,7
/0,45)
3,0
UO2 +Al
19,75
6
263,8
Hình 5a-2. Bó nhiên liệu dạng ống cuốn
loại VVR-KN (8 và 5 ống)
Hình 5b. Bó nhiên liệu dạng ống cuốn
loại IRT do Liên bang Nga chế tạo
Hình 5a-1. Bó nhiên liệu dạng ống cuốn
loại VVR do Liên bang Nga chế tạo
Nhiên liệu cho lò TRIGA được sản xuất
theo công nghệ Delta phase Uranium-Zirconium
Hydride U-ZrH1,6 với tỷ lệ H/Zr là 1,6 với độ
Từ trái sang: VVR-M2 (3 ống); VVR-M5
(5 ống) và VVR-TS (5 ống).
Số 50 - áng 3/2017 21
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
giàu thấp 19,7% U-235, gồm các loại có hàm giảm khả năng làm chậm của nhiên liệu. Tương
lượng urani theo khối lượng là 8,5% wt, 12% wt, tác của neutron với nguyên tử hydro trong nhiên
20% wt, 30% wt và 45% wt; đường kính phần liệu U-ZrH với nhiệt độ cao có thể làm tăng năng
nhiên liệu khoảng 3,6 cm và độ dài khoảng 38 lượng của nơtrôn chậm lên trên năng lượng nhiệt
cm. Hai đầu nhiên liệu là 2 khối phản xạ berili (0,025 eV), là vùng tiết diện vi mô phân hạch của
với cùng đường kính 3,6 cm và độ dài khoảng 8,7 nơtrôn với U-235 là cao nhất. Hiệu ứng này là tức
cm mỗi khối (Hình 6). Vỏ bọc thanh nhiên liệu thời và sẽ tăng lên khi nhiệt độ nhiên liệu tăng,
có thể chịu được nhiệt độ cao đến 1150 oC, được kết quả là đưa vào độ phản ứng âm mà phải được
làm bằng thép không rỉ 304 hoặc hợp kim incoloy bù trừ nó hoặc công suất lò phản ứng sẽ giảm.
800, với bề dày khoảng 0,5 mm và chiều dài 56
- Sự giãn nở thể tích thấp với sự thay đổi
cm chưa kể phần đầu và phần đuôi của BNL. Như
nhiệt độ nhiên liệu. Kết quả là khả năng nứt, gãy
vậy, bó nhiên liệu hoàn chỉnh sẽ có đường kính
vỏ bọc thấp gây bởi các ứng suất tác động lên vỏ
ngoài là 3,73 cm, dài 72,06 cm và trọng lượng
bọc do thay đổi kích thước vì nhiệt của phần thịt
3,18 kg. Bó nhiên liệu của lò TRIGA có dạng
nhiên liệu.
thanh (rod) và chỉ do hãng General Atomics của
- Phản ứng hóa học tối thiểu với nước
Hoa Kỳ sản xuất và cung cấp.
hoặc không khí. Kết quả là giải phóng tối thiểu
các sản phẩm phân hạch ra ngoài trong trường
hợp vỏ bọc thanh nhiên liệu bị nứt, gãy.
- Áp lực của khí hydro được hạn chế tối
thiểu do việc tăng áp lực khi nhiệt độ tăng sẽ làm
tăng ứng suất lên lớp vỏ nhiên liệu.
Để kiểm soát độ phản ứng dự trữ rất lớn
trong nhiên liệu có mật độ urani cao, ngoài việc
sử dụng thanh điều khiển, ở các BNL thường
được gắn thêm chất nhiễm độc có thể cháy như
cadmi, được sử dụng để tạo sự cân bằng độ phản
Hình 6. Bó nhiên liệu của lò TRIGA của
ứng hợp lý trong suốt thời gian sống của vùng
hãng General Atomics
hoạt và để giảm sự chênh lệch độ phản ứng đến
Nhiên liệu TRIGA có những đặc trưng
quan trọng, hoàn toàn khác với nhiên liệu của các
hãng khác sản xuất, đó là:
mức chấp nhận được. Việc dùng các BNL với mật
độ uran khác nhau cũng là cách giảm bớt độ phản
ứng dự trữ ở đầu chu trình vận hành.
- Hệ số nhiệt độ âm tức thời, tạo ra khả
năng an toàn nội tại cao, cho phép lò hoạt động
an toàn ở chế độ xung với công suất lên tới 2000
MWt (2,2% ΔK/K). Thiết kế lò phản ứng cho
phép quá trình chính của làm chậm nơtron xẩy
ra ngay trong thanh nhiên liệu do có thành phần
hydro trong đó. Khi nhiệt độ nhiên liệu tăng, dao
động của H trong ma trận ZR-H tăng nên làm
Nguyễn Nhị Điền
Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam
________________
Đón xem số tới: Phần 2 - Các hệ công nghệ của
lò phản ứng.
22 Số 50 - áng 3/2017
12 trang
5560
Bạn đang xem tài liệu "Tìm hiểu về công nghệ lò phản ứng nghiên cứu (Phần 1: Các thông tin chung)", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- tim_hieu_ve_cong_nghe_lo_phan_ung_nghien_cuu_phan_1_cac_thon.pdf
