Sự nhiễm độc độc tố trong lò phản ứng

Sự hình thành năng lượng trong lò phản ứng Năng lượng của lò phản ứng hạt nhân được sinh ra nhờ vào quá trình phân hạch dây chuyền của các nguyên tố phóng xạ.. Với nguồn nhiên liệu là U

TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN TP HỒ CHÍ MINH

SVTH: PHẠM CÔNG THÀNH

………… TP Hồ Chí Minh /2007…………

Quý thầy cô không ngừng cung cấp, truyền đạt, và hướng dẫn cho em những kiến thức về khoa học, xã hội quý báo mà còn dạy dỗ em những kiến thức về đạo lý làm người

Đặc biệt em xin chân thành cám ơn thầy ThS Nguyễn Đình Gẫm – người đã trực tiếp hướng dẫn em thực hiện và hoàn thành khóa luận này Qua đây em cung xin chân thành cám ơn những người bạn đã góp ý chân thành nhất trong suốt quá trình em thực hiện khóa luận này

Tôi xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới cha mẹ, anh chị trong gia đình cùng tất cả bạn bè tôi – những người đã luôn nâng đỡ, dưỡng dực và đồng hành cùng tôi trong suốt thời gian qua

Và cuối cùng em hy vọng rằng đằng sau những bước đi của em trong cuộc sống, sẽ luôn có sự dõi theo củ thầy cô, gia đình và bạn bè

Em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Danh mục bảng biểu 3

Danh mục hình vẽ 4

MỞ ĐẦU 5

Chương 1 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 6

1.1 Sơ lược về lò phản ứng hạt nhân 6

1.1.1 Định nghĩa về lò phản ứng hạt nhân 6

1.1.2 Sơ lược về va chạm neutron 7

1.1.2.1 Va chạm đàn hồi 7

1.1.2.2 Va chạm không đàn hồi 7

1.1.2.3 Bắt bức xạ 8

1.1.2.4 Bắt với sự phát xạ hạt mang điện 8

1.1.2.5 Phân hạch 8

1.1.2.6 Sản xuất đồng vị 9

1.1.3 Sự phân hạch 9

1.1.4 Sự hình thành năng lượng trong lò phản ứng 10

1.2 Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân 11

1.2.1 Cấu tạo 11

1.2.2 Tâm lò phản ứng hạt nhân 12

1.2.3 Nhiên liệu hạt nhân 12

1.2.4 Chất làm chậm 12

1.2.5 Chất tải nhiệt 13

1.2.6 Các thanh điều khiển 13

1.3 Quá trình hoạt động của lò phản ứng hạt nhân 13

1.4 Hệ số nhân 15

Chương 2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 19

2.1 Lịch sử phát triển lò phản ứng hạt nhân 19

2.2 Phân loại lò phản ứng hạt nhân 23

2.2.1 Lò khí 23

2.2.2 Lò nước nặng 23

2.2.3 Lò nước nhẹ 23

2.2.4 Lò tái sinh 24

2.2.5 Lò phản ứng nhanh 24

2.2.6 Lò dùng công nghệ máy gia tốc 24

2.3 Chất thải, an toàn và tương lai lò phản ứng hạt nhân 25

2.3.1 Chất thải của lò phản ứng hạt nhân 25

2.3.2 An toàn lò phản ứng hạt nhân 27

2.3.3 Tương lai của lò phản ứng hạt nhân 28

Chương 3 NHIỄM ĐỘC LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 29

3.1 Sơ lược về ảnh hưởng các độc tố lên độ phản ứng 29

3.2 Sự hình thành và ảnh hưởng độc tố 135Xe trong lò phản ứng hạt nhân 33

3.2.1 Sự hình thành 135Xe 33

3.2.2 Aûnh hưởng của độc tố 135Xe lên độ phản ứng 42

3.2.3 Aûnh hưởng của độc tố 135Xe sau khi lò ngừng hoạt động 43

3.2.4 Không gian dao động của độc tố 135Xe 50

3.3 Sự hình thành độc tố 149Sm 54

3.4 Các độc tố khác có trong lò phản ứng hạt nhân 59

3.5 Cách khắc phụ các độc tố trên 61

3.6 Sản phẩm phân hạch hạt nhân bảo hòa và không bảo hòa 61

KẾT LUẬN 63

PHỤ LỤC 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Thông số  và  của nguyên tố phân hạch 235U, 239Pu 16

Bảng 2.1 Tổng công suất điện hạt nhân một số quốc gia (2003-IAEA) 22

Bảng 2.2 Tỉ lệ năng lương hạt nhân của một số quốc gia (2003-IAEA) 23

Bảng 2.3 Một vài lò hiện nay trên thế giới 25

Bảng 3.1 Độ nhiễm độc 135Xe cân bằng trong lúc lò vận hành 41

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ va chạm đàn hồi 7

Hình 1.2 Sơ đồ va chạm không đàn hồi 7

Hình 1.3 Sơ đồ phản ứng phân hạch hạt nhân 10

Hình 1.4 Cấu tạo chung của một lò phản ứng hạt nhân 11

Hình 1.5a Cấu tạo tâm lò phản ứng hạt nhân 12

Hình 1.5b Cấu tạo tâm lò phản ứng hạt nhân 12

Hình 1.6 Sơ đồ hoạt động của lò phản ứng hạt nhân 14

Hình 2.1 Lò Janne Wallenius 19

Hình 3.1 Sơ đồ chuỗi phân hạch tạo thành sản phẩm 135Xe 34

Hình 3.2a Đồ thị biểu diễn sự tăng nồng độ 135Xe khi lò đang vân hành 37

Hình 3.2b Đồ thị biểu diễn sự tăng nồng độ 135Xe khi lò đang vân hành 37

Hình 3.3 Sơ đồ nồng độ độc tố 135Xe sau khi lò ngừng hoạt động 44

MỞ ĐẦU

Công nghệ lò phản ứng đã xuất hiện cách đây 50 năm của thế kỷ trước và ngày càng chứng tỏ được vị trí của mình so với các ngành công nghiệp khác vì những ứng dụng quan trọng của nó trong mọi lĩnh vực từ quân sự, công nghiệp, y khoa Đồng thời đạt hiệu quả rất cao khi đưa vào sử dụng, nên có nhiều nước trên thế giới đã và đang ngày càng xây dụng nhiều lò có độ an toàn cao, công nghệ hiện đại và kỹ thuật ngày càng cao Các lò phản ứng rất

đa dạng, chúng phân loại dựa vào chức năng lò phản ứng, năng lượng neutron phân hạch hạt nhiên liệu v v Đã có nhiều thế hệ lò mới ra đời như thế hệ lò thứ 4, điều đó ngày càng khắng định ưu thế vượt trội của nó, qua những thế hệ lò ra đời đã minh chứng cho sự phát triển của công nghệ lò phản ứng

Cùng với sự phát triển nhanh của các ngành khoa học công nghệ, ngành công nghệ năng lượng nguyên tử của Việt Nam cũng phát triển rất mạnh và thu được nhiều kết quả hết sức to lớn Ngày nay, ta có thể tìm thấy hầu như công nghệ hạt nhân có mặt trong mọi lĩnh vực từ công nghiệp, nông nghiệp, y học,…

Có thể nói vai trò của kỹ thuật hạt nhân là rất lớn, khi trình độ kỹ thuật công nghệ ngày càng phát triển cao thì thành tựu công nghệ hạt nhân đem đến ngày càng nhiều

Lò phản ứng hạt nhân có những ưu thế cao như:

- Tạo hiệu suất năng lượng cao

- Tạo ra các đồng vị, kể cả những đồng vị không có trong tự nhiên

- Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực

Trong khóa luận tốt nghiệp này người làm muốn khái quát một cách tổng quát nhất về lò phản ứng hạt nhân và giới thiệu về sự nhiễm độc lò phản ứng hạt nhân đồng thời trình bày cách khắc phục nhiễm độc lò phản ứng hạt nhân một cách khái quát

Chương 1 LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

1.1 Sơ lược về lò phản ứng hạt nhân

Ngành vật lý lò phản ứng hạt nhân là một bộ phận đặc biệt của vật lý hạt nhân Các lò phản ứng rất đa dạng, tuy nhiên các vấn đề được xét ở đây đề cập những nguyên tắc cơ bản của lò phản ứng nói chung

1.1.1 Định nghĩa về lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị trong đó năng lượng hạt nhân và năng lượng bức xạ được giải phóng ra từ sản phẩûm sinh ra trong quá trình phân hạch Năng lượng này được giải phóng ra do phản ứng dây chuyền liên quan đến neutron và nguyên tố khả phân (nguyên tố khả phân là nguyên tố có thể phân hạch bằng neutron chậm Ba đồng vị khả phân là: 233 235 239

Việc thiết kế, xây dựng và các phương pháp phân tích lò phản ứng hạt nhân được xem như là vấn đề công nghiệp Hoạt động của lò thường được khảo sát bằng động lực học chất khí cổ điển, các phương pháp về sự trao đổi nhiệt, điện và cơ học cổ điển Tuy nhiên sự tương tác của các hạt vi mô trong lò được mô tả bằng lý thuyết vật lý hạt nhân

1.1.2 Sơ lược về va chạm neutron

Neutron hoạt động trong lõi lò phản ứng, neutron dùng làm tác nhân để gây ra các phản ứng phân hạch hạt nhân, neutron tương tác với các nguyên tử, các thành phần cấu tạo lõi lò, gây ra các phản ứng phân hạch Chúng tương tác với hạt nhân theo hai quá trình: quá trình hấp thụ và quá trình tán xạ

Tương tác của neutron với hạt nhân theo các cách sau:

1.1.2.1 Va chạm đàn hồi

Va chạm của neutron với hạt nhân là đàn hồi khi xung lượng và động năng bảo toàn Kết quả là truyền một phần động năng của neutron cho nhân bia kèm theo sự thay đổi về phương chuyển động, năng lượng, tốc độ và góc tán xạ của neutron và được nghiên cứu một cách cụ thể theo lý thuyết động lực học chất khí cổ điển

Hình 1.1 Sơ đồ va chạm đàn hồi

1.1.2.2 Va chạm không đàn hồi

Với nhân bia là các nguyên tố nặng như : F e , U,… Khi một neutron có

năng lượng khoảng 1MeV chúng có khả năng kích thích hạt nhân, bằng cách neutron truyền toàn bộ năng lượng ban đầu cho nhân bia, khi đó hạt nhân bia

bị kích thích nên trở về trạng thái cơ bản bằng cách phát ra tia ﻻ

Hình 1.2 Sơ đồ va chạm không đàn hồi

1.1.2.3 Bắt bức xạ

Khi hạt nhân bia bắt neutron, nó có thể trở thành một đồng vị mới, đồng thời năng lượng ban đầu của neutron chuyển cho nhân bia Đồng vị mới này phát ra tia gamma để trở về trạng thái bền

1.1.2.4 Bắt neutron với sự phát xạ hạt mang điện

Nếu năng lượng neutron khá cao ( >10 MeV ) khi đó nhân bia bắt neutron sẽ có một sự biến đổi và kèm theo sự phát xạ một hạt proton hay hạt alpha

này tạo nên sự phát xạ nhiều neutron nhanh để có thể duy trì phản ứng dây chuyền

1.1.2.6 Sản xuất đồng vị khả phân

Việc bắt hay bức xạ neutron của các đồng vị 238U và 232Th tạo nên các nguyên tố khả phân mới là 239Pu và 233U theo chuỗi phản ứng sau:

)3

,2(

)5,23(

2 / 1 239

94 239

93

2 / 1 239

93 239

92

239 92 1

0 238

92

Ngày T

Pu Np

Phút T

Np U

U n

, 2 (

) 3 , 23 (

2 / 1 233

92 233

91

2 / 1 233

91 233

90

233 90 1

0 232

90

Ngày T

U Pa

Phút T

Pa Th

Th n

235U bắt neutron tạo ra đồng vị mới của 235U đó là 236U

U n

Ngoài ra sản phẩm phân hạch còn có thể là: I, Ce, Zr, Sr, … các mảnh

phân hạch thực sự không bền vì số neutron sinh ra nhiều hơn hạt nhân bền có

cùng bậc số nguyên tử, những mảnh phân hạch này có hai tính chất quan

trọng: động năng và độ phóng xạ

1.1.4 Sự hình thành năng lượng trong lò phản ứng

Năng lượng của lò phản ứng hạt nhân được sinh ra nhờ vào quá trình phân hạch dây chuyền của các nguyên tố phóng xạ Neutron được sinh ra từ phản ứng phân hạch đầu tiên tiếp tục va chạm vào các mảnh phân hạch khác nên xảy ra các phản ứng phân hạch tiếp theo và cứ tiếp tục xảy ra như vậy, đó là phản ứng dây chuyền

Phản ứng phân hạch của 235U trong lò phản ứng:

167 MeV dưới dạng nhiệt năng sinh ra

5 MeV năng lượng của neutron nhanh

7 MeV bức xạ gamma tức thời

5 MeV phát xạ beta của sản phẩm sau phân hạch

6 MeV phát xạ gamma

Như vậy để thu được 1W năng lượng dưới dạng nhiệt năng ta cần phải có 3,3x1010 phân rã/giây Tương ứng với 1,3 gram 235U bị đốt cháy sẽ thu được 1MW/ngày và cần 450 gram nhiên liệu phân hạch ta sẽ thu được 107 kWh

Ta cũng có thể tính toán tương tự đối với 233U, 239Pu và các nguyên tố

khả phân khác

1.2 Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân

Các lò phản ứng khác nhau nhưng chúng có nhiều tính chất chung, như lò phản ứng hạt nhân hoạt động dựa trên nguyên tắc phản ứng phân hạch hạt nhân, có cấu tạo tương tự nhau,

1.2.2 Tâm lò phản ứng hạt nhân

Tâm lò phản ứng là phần lõi ở trung tâm lò phản ứng, là nơi xảy ra các quá trình phân hạch và phản ứng dây chuyền của hạt nhân Nhiệt độ từ các phản ứng phân hạch của hạt nhân được chuyền qua hệ thống tải nhiệt và được dẫn tới turbin máy phát điện

Hình 1.5 Cấu tạo tâm lò phản ứng hạt nhân

1.2.3 Nhiên liệu hạt nhân

Là các đồng vị khả phân có khả năng phân hạch như: 235U, 233U, chúng tồn tại dưới dạng Oxit hay hợp kim

1.2.4 Chất làm chậm

Chất làm chậm là chất có khả năng làm chậm neutron nhanh được sinh

ra trong quá trình phản ứng phân hạch tạo thành neutron chậm để gây ra những phản ứng phân hạch tiếp theo trong phản ứng dây chuyền Chất làm chậm thường là những nguyên tố như: graphit, H2O, D2O, …

1.2.5 Chất tải nhiệt

Chất tải nhiệt là chất dùng để tải nhiệt sinh ra từ phản ứng phân hạch trong tâm lò phản ứng hạt nhân ra bên ngoài

Ví dụ: Nước nhẹ, nước nặng, cacbondioxit , natrium, chì lỏng,…

1.2.6 Các thanh điều khiển

Có nhiệm vụ kiểm soát hệ số nhân k eff = 1 và dừng lò khi cần thiết Thanh điều khiển được cấu tạo từ các nguyên tố có khả năng hấp thụ neutron rất cao

Ví dụ: Boron, Cadmium, …

1.3 Quá trình hoạt động của lò phản ứng hạt nhân

Dù có nhiều thế hệ lò ra đời nhưng chúng có chung một nguyên tắc hoạt động, đó là lò hoạt động nhờ vào phản ứng dây chuyền (phản ứng dây chuyền xảy ra trong vùng hoạt của lò phản ứng) Khi lò hoạt động sinh ra một nhiệït lượng rất lớn, nhiệt lượng này được sinh ra do phản ứng phân hạch trong lõi tâm lò phản ứng Nhiệt lượng được chất tải nhiệt dẫn truyền ra ngoài qua hệ thống ống dẫn tới làm quay turbin của máy phát điện Ở đó nhiệt lượng của chất tải nhiệt được chuyển thành điện năng, sau đó chất tải nhiệt tiếp tục dẫn tới hệ thống trao đổi nhiệt và tiếp tục dẫn qua các hệ thống làm lạnh Tốc độ tải nhiệt phụ thuộc vào nhiệt độ chênh lệch giữa vùng hoạt và môi trường ngoài Do đó, công suất lò phản ứng càng lớn thì nhiệt độ vùng hoạt càng cao, khi đó các vật liệu trong vùng hoạt sẽ nóng lên và giãn nở Như vậy công suất lò phản ứng thay đổi thì nhiệt độ các thành phần vật liệu cũng thay đổi theo, nên lò phản ứng sẽ không an toàn Để lò phản ứng làm việc ổn định và an

toàn thì hệ số nhân k eff phải thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ vùng hoạt Tuy nhiên trong khi lò hoạt động, lúc nhiên liệu bị đốt cháy sẽ sinh ra các sản phẩm phân hạch gọi là xỉ của lò phản ứng hạt nhân Các sản phẩm xỉ này có thể gây nhiễm độc lò phản ứng, gây ra các hiệu ứng nhiệt độ như là sự dãn nở, sự sinh hơi, …

Các xỉ nói trên thường làm giảm hệ số nhân k eff, tức là lò có độ phản ứng âm Do đó người ta luôn đưa các thanh nhiên liệu nhiều hơn nhiên liệu cần thiết, như vậy sẽ sinh ra nhiều neutron hơn, để kiểm soát lượng neutron này bằng cách đưa vào các thanh hấp thụ neutron

Trong khi lò hoạt động người ta rút dần các thanh hấp thụ này ra khỏi vùng hoạt, nhằm đưa vào lò phản ứng một độ phản ứng âm đảm bảo cho hệ

số nhân k eff = 1 Sau một thời gian lò hoạt động, độ phản ứng giảm dần đến

khi đạt giá trị  ≈ 0 là lúc ta cần phải thay thanh nhiên liệu mới để lò hoạt động được Thời gian thay thanh nhiên liệu gọi là chu kỳ thay nhiên liệu Sau quá trình tải nhiệt của chất tải nhiệt, chất tải nhiệt được dẫn truyền trở lại tâm

lò

1.4 Hệ số nhân

Đặc trưng cho khả năng neutron sinh ra trong phân hạch của môi trường

hữu hạn trong lò phản ứng người ta dùng hệ số nhân hiệu dụng k eff, được tính

bằng số neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch thứ i+1 và số neutron sinh ra trong phản ứng thứ i

1



n i k

k < 1: phản ứng dưới hạn, phản ứng dây chuyền không xảy ra.

k = 1: phản ứng tới hạn, phản ứng trong lò xảy ra kiểm soát được

k > 1: phản ứng trên hạn, phản ứng dây chuyên xảy ra không kiểm

soát được Phản ứng này xảy ra trong bom hạt nhân hay khi xảy ra tai nạn lò hạt nhân, ví dụ như tai nạn Chernobyl (Liên Xô cũ), Three Mill Island (Hoa Kỳ)

Hệ số nhân k còn phụ thuộc vào từng loại lò phản ứng, nghĩa là phụ

thuộc vào kích thước vùng hoạt, khối lượng nhiên liệu phân hạch, tỉ lệ các chất hợp phân và cách bố trí vùng hoạt

Trên thực tế để lò phản ứng hoạt động lâu dài người ta phải thiết kế

cấu tạo vùng hoạt sao cho hệ số nhân k lớn hơn 1, hệ số nhân này liên quan

đến độ phản ứng [2]

Neutron trong lò phản ứng hạt nhân tương tác với hạt nhân theo ba cơ chế quan trọng ta cần xét đến, đó là: gây ra phân hạch, bắt neutron và truyền qua

Chúng ta cho rằng nhiên liệu trong lò phản ứng là: 235U, 239 Pu Khi đó

chúng ta sẽ tìm được lượng neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch trước đó

Ta gọi  là hệ số phát neutron hay còn gọi là số neutron trung bình được phát ra sau mỗi lần phân hạch và  là hệ số tái tạo neutron hay còn gọi là số neutron nhanh và chậm bị bắt để gây ra phản ứng phân hạch

Bảng 1.1 Thông số  và  của nguyên tố phân hạch 235U, 239Pu

Ta có công thức:

aF a

Neutron hấpthụtrong phân hạch Tổng số neutron hấpthụ

f: Tiết diện hiệu dụng phân hạch

a: Tiết diện hấp thụ

Trong thực tế nhiên liệu phân hạch có hàm lượng rất nhỏ, như 235U trong tự nhiên chỉ chiếm 0,72% do đó chỉ số  lúc này là 1,43

Như ta đã biết ngoài việc hấp thụ neutron để gây ra phân hạch hay phản ứng bắt neutron sinh ra bức xạ thì vẫn còn một lượng lớn neutron sau nhiều lần va chạm vẫn có thể thoát ra ngoài

Gọi P là hệ số neutron thoát ra (không rò rỉ neutron) của lò phản ứng

hạt nhân, hay gọi là tỉ số giữa neutron thoát ra ngoài và số neutron tạo thành

Ngoài ra neutron còn bị bắt và hấp thụ bởi các nguyên tố khác trong

thanh nhiên liệu Do đó ta gọi f là tỉ số giữa neutron hấp thụ bởi 235U và tổng

số neutron được hấp thụ bởi nhiên liệu lò phản ứng hay f hệ số sử dụng nhiệt

Số neutron nhiên liệu hấp thụ Số neutron tâm lò hấp thụ

Từ đó hệ số nhân sẽ được tính lại như sau:

Trong đó P = P t *P f , P f xác suất không rò rỉ trong quá trình làm chậm,

Pt xác suất không rò rỉ trong quá trình khếch tán (xác suất không rò rỉ neutron nhiệt) Ta có các công thức sau [3]:

P

g a

a t

 = Tốc độ hấp thụ neutron

Tốc độ hấp thụ + ro ø rỉ (1.6) Khi đó hệ số nhân được viết lại là:

233U đã phân hạch Như vậy, số neutron dư còn lại không cần thiết cho lò phản ứng hạt nhân là: 2,33-1-1 = 0,33

Một cách tổng quát đối với các nhiên liệu khác nhau thì số neutron tích lũy này được tính bằng:  - 2

Với nguồn nhiên liệu là Uranium tự nhiên hay Uranium được làm giàu

ở một mức độ nào đó thì hệ số nhân neutron còn thay đổi theo cách tính toán sự tới hạn của lò phản ứng, vì ảnh hưởng của sự bắt cộng hưởng của 238U Với

p Hệ số bắt cộng hưởng hay còn gọi là xác suất thoát cộng hưởng Hệ số bắt

cộng hưởng được cho bởi công thức:

)exp( a eef

a a

N I N

p

 

Trong đó:

Ieff: tích phân cộng hưởng hiệu dụng

 : tham số va chạm

N a : mật độ hạt nhân chất làm chậm

Khi đó hệ số nhân được viết như sau:

Ta cũng thu được công thức:

keff = P f p (1.10)

Khi môi trường vô hạn hệ số nhân được viết lại như sau:

p f

Khi môi trường là hữu hạn hệ só nhân trở thành:

p f P P

Với  là thừa số neutron nhanh sinh ra khi hạt nhân hấp thụ một neutron nhiệt, nó có gí trị cực đại khoảng bằng 1

Chương 2 LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

2.1 Lịch sử phát triển lò phản ứng hạt nhân

Vào năm 1939 người ta đã khám phá ra phản ứng phân hạch Công nghệ hạt nhân và lò phản ứng hạt nhân mới được nghiên cứu trong thời gian gần đây, những khái niệm thiết kế ban đầu về lò phản ứng hạt nhân và nhà máy điện hạt nhân đã được lập ra Nhưng thực ra trong tự nhiên đã xuất hiện một lò phản ứng từ rất lâu, năm 1972 Francis Perrin khám phá ra lò phản ứng tự nhiên đầu tiên tại Oklo, lò phản ứng tự nhiên tại Oklo này có độ tuổi khoảng 150 triệu năm và có công suất trung bình 100 kW trong quá trình nó tồn tại

Hình 2.1 Lò Janne Wallenius Tuy nhiên cho tới ngày 02/12/1942, dưới áp lực của chương trình vũ khí hạt nhân trong thời chiến tranh Enrico Fermi và Leo Szilard đã chứng minh được phản ứng phân hạch dây chuyền lần đầu tiên có thể điều khiển được tại Đại học CHICAGO

Cũng bắt đầu từ đây thế giới nghiên cứu các quy chế, cách thức điều khiển phản ứng hạt nhân dây chuyền, đồng thời thiết kế các lò phản ứng hạt

nhân sơ khai với mục đích là nghiên cứu Mỹ là nước tiên phong trong công nghệ lò phản ứng hạt nhân, nước này đã thiết kế các lò phản ứng hạt nhân mini đầu tiên để ứng dụng trong quân sự như: các máy bay quân sự, các hạm đội ở biển, …

Tháng 11/1943 lò thí nghiệm có công suất ban đầu 1000 kW bắt đầu hoạt động ở Oak Ridge, bang Tennessee Lò dùng nhiên liệu là Uranium, chất làm chậm là graphite, chất làm nguội là không khí

Tháng 9/1944 một lò kiểu mẩu sản xuất số lượng lớn Plutonium được xây dựng gần Hanford bang Washington, lò phản ứng nay dùng chất làm nguội bằng nước

Trong suốt 10 năm sau đó người ta xây dựng ở Hoa Kỳ và những nơi khác một số lò có mục đích để thí nghiệm Như lò phản ứng của Câanada xây dựng dùng nước nặng làm chất làm chậm Những lò phản ứng neutron nhanh thí nghiệm cũng được triển khai trong khoảng thời gian ấy

Giữa những năm 1950 Liên Xô và các nước phương Tây cũng chính thức nghiên cứu các lò phản ứng dùng cho mục đích phi quân sự Tuy nhiên việc nghiên cứu diễn ra rất bí mật do lợi ích của từng quốc gia, giữa họ không có mối liên hệ nào trong lĩnh vực nghiên cứu này Đây là một hạn chế của thời kỳ đầu công nghệ hạt nhân

Người ta đã dùng lò phản ứng để hạt nhân tạo ra điện năng cho tàu ngầm Tàu ngầm mới có thể du hành dưới biển với tốc độ cao trong thời gian dài mà không nổi lên để tiếp nhiên liệu Lò phản ứng này được triển khai vào năm 1948 trên cơ sở dùng Uranium có độ giàu cao làm nhiên liệu, nước áp lực làm chất làm chậm và chất làm nguội Tàu ngầm đầu tiên là của Hoa Kỳ có tên là Nautilus, được hạ thuỷ vào tháng 01/1955

Từ đó người ta bắt đầu áp dụng dùng nước áp lực vào những nhà máy điện hạt nhân trong nội địa với hệ thống Shippingport ở bang Pennylvania đi vào hoạt động năm 1957 Lò nước áp lực (PWR) dùng nhiên liệu Dioxide Uranium có độ làm giàu cao đã được sử dụng trong khoảng 100 nhà máy điện hạt nhân trên toàn thế giới

Ngày 20/12/1951 điện năng lần đầu tiên được tạo ra từ năng lượng hạt nhân qua dự án mang tên: Eprrimental Breeder (EBR-1) được xây dựng tại Arco (Idaho, Mỹ) [3]

Ngày 27/6/1954 nhà máy điện hạt nhân đầu tiên được xây dựng và đi vào hoạt động tại Obninsk (Moskva, Liên Xô cũ), với công suất 5MW cung cấp cho 2000 hộ dân khi đó

Năm 1956 xây dựng lò phản ứng nước sôi để phát điện thực nghiệm đầu tiên tại phòng thi nghiệm quốc gia Argonne

Nước Anh là nước đầu tiên xây dựng lò phản ứng dùng chất khí làm nguội mà tiền thân của nó là lò phản ứng có chất làm chậm là Graphite và làm nguội là không khí, lò dùng để sản suất plutonim

Lò Calder Hall vừa sản suất điện năng vừa sản suất đồng vị Plutonium có nhiên liệu là Uranium tự nhiên, làm chậm bằng Graphite và làm nguội bằng Dioxide Carbon có áp lực Còn có nhiều lò phản ứng kiểu mẩu được làm nguội bằng Helium ở Mỹ và Đức

Cùng với sự phát triển của vật lý hạt nhân, vật lý lò phản ứng và các nghiên cứu sâu rộng về lò phản ứng của nhiều quốc gia trên khắc thế giới, ngày càng phát triển mạnh mẽ, ngày nay công nghệ lò được ứng dụng và phát triển ở nhiều quốc gia trên thế giới Trên thế giới có tổng cộng khoảng trên

440 nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động trên 30 nước, với tổng công suất trên 359 triệu kW, chiếm 17% toàn bộ sản lượng điện trên toàn thế giới

Bảng 2.1 Tổng công suất điện hạt nhân một số quốc gia (2003-IAEA)

Bảng 2.2 Tỉ lệ năng lương hạt nhân của một số quốc gia (2003-IAEA)

2.2 Phân loại lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân được phân loại theo các đặc điểm sau: theo

nhiên liệu, theo chất làm chậm, theo chất tải nhiệt, …

2.2.1 Lò khí

Lò khí là lò dùng chất khí làm chất tải nhiệt, chất làm chậm là than chì, nhiên liệu là Uranium tự nhiên hay Uranium được làm giàu Loại lò này được sử dụng nhiều ở Anh

2.2.2 Lò nước nặng

Lò nước nặng là loại lò dùng nước nặng làm chậm, có thể sử dụng

Uranium tự nhiên làm nhiên liệu

2.2.3 Lò nước nhẹ

Lò nước nhẹ là lò dùng nước nhẹ làm chất làm chậm và chất tải nhiệt,có hai loại lò nước nhẹ:

Lò áp suất cao (PWR), lò này sử dụng hai chu trình:

- Chu trình thứ nhất nhận nhiệt từ lò phản ứng không làm sôi nước mà trao đổi nhiệt cho chu trình thứ hai

- Chu trình thứ hai làm sôi nước do đó làm quay turbin, nên turbin không bị nhiễm xạ Loại lò này được sử dụng cho mục đích quân sự, như công nghệ tàu ngầm

Lò nước sôi (BWR), lò này chỉ sử dụng một chu trình Nước được đun sôi trực tiếp rồi làm quay turbin phát điện, như vậy turbin bị nhiễm xạ nhưng lại có kết cấu nhỏ gọn và giá thành rẻ

Như ta đã biết nước nhẹ hấp thu neutron cao vì vậy nhiên liệu của loại

lò này là Oxide của Uranium được làm giàu cở 4%

2.2.4 Lò tái sinh

Lò tái sinh là thế hệ thứ IV của công nghệ lò phản ứng Lò sử dụng chất tải nhiệt là chất làm chậm, neutron nhanh sử dụng với mục đích tái sinh nhiên liệu phản ứng cho lò qua các phản ứng bắt neutron của các hạt nhân như sau: 232Th (n, e) 233U, 238U (n, e) 239Pu

2.2.5 Lò phản ứng nhanh

Là thế hệ thứ IV của công nghệ lò phản ứng, lò không sử dụng chất làm chậm để làm chậm neutron mà dùng trực tiếp chất tải nhiệt làm chất làm chậm, neutron nhanh được sử dụng với mục đích tái sinh nhiên liệu phản ứng cho lò phản ứng thông qua các phản ứng sau:

2.2.6 Lò dùng công nghệ máy gia tốc

Lò phản ứng hạt nhân dùng công nghệ máy gia tốc là loại lò mà neutron được tạo thành và nó được gia tốc trong các máy gia tốc, sau đó mới

được bắn vào hạt nhân bia có khả năng phân hạch, hạt nhân bia này luôn có

hệ số nhân hiệu dụng k eff < 1, tức là luôn ở trạng thái dưới hạn Như vậy để lò hoạt động được ta chỉ cần hoạt động máy gia tốc để gây ra phản ứng phân hạch tại hạt nhân bia Muốn dừng lò ta chỉ cần dừng máy gia tốc

Bảng 2.3 Một vài lò hiện nay trên thế giới Lò phản ứng Nhiên liệu Chất tải nhiệt Chất làm chậm

PHWR Quặng UO2 tự nhiên Nước nặng Nước nặng

2.3 Chất thải, an toàn và tương lai lò phản ứng hạt nhân

2.3.1 Chất thải của lò phản ứng hạt nhân

Trong quá trình lò hoạt động, nhiên liệu bị đốt cháy sinh ra các sản phẩm phân hạch, các sản phẩm này gọi là xỉ lò phản ứng như: Plutonium, Uranium, Xenon, … các xỉ này nhìn chung đều là các nguyên tố có khả năng phóng xạ, trong đó có những đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã rất lâu Những chất thải này ảnh hưởng xấu đến môi trường sinh thái, gây nguy hiểm đến tính mạng con người, …

Trong chất thải hạt nhân nhiều đồng vị sinh ra một số lượng lớn, như các đồng vị Plutonium mỗi năm có khoảng 50 tấn nằm trong nhiên liệu đã được đốt cháy Hiện nay trên thế giới lượng Plutonim tồn động khoảng 1000 tấn từ việc tách ra ở các thanh nhiên liệu đã cháy cộng với việc giải trừ vũ khí hạt nhân của Mỹ và Nga Người ta dự báo năm 2010 có khoảng 1500 tấn

Theo tính toán, nếu xây dựng một nhà máy điện hạt nhân kiểu lò nước áp suất cao (PWR) có công suất 1000 MW Như vậy trung bình một năm lò này sinh ra 21 tấn chất thải bao gồm: [1]

- 20 tấn nhiên liệu chứa Uranium với hàm lượng 0.9%

- 200 Kg Pu

- 21 Kg các nguyên tố họ Actini: Neptunium, Americium, Curium, …

- 760 Kg các sản phẩm phân hạch có khả năng phóng xạ

ta có thể tạo ra một quả bom nguyên tử

Vì vậy việc quản lý chất thải lò phản ứng rất quan trọng Ngoài việc xử lý tách hoá, tái sinh nhiên liệu, công việc này rất khó và tốn kém, nên đa phân người ta xử lý bằng cách chôn dưới những tầng đất sâu, hay ử dưới đáy đại dương, nhưng cách này cũng không an toàn tuyệt đối khi thời gian chôn cất kéo dài hàng chục năm, thiên tai có thể làm cho rò rỉ hay bị vỡ do động đất chẳng hạn

Mặt khác nếu đem chôn cất thì thật lãng phí do Uranium không còn đủ dùng trong tương lai Như vây việc chôn cất sẽ biến thanh nghiã địa 239Pu, tạo nên việc quản lý khó khăn hơn vì 239Pu là vật liệu tạo ra bom nguyên tử

Không còn cách nào khác hơn là phải tăng cường biện pháp quản lý, chế biến hoặc đem tái sử dụng Hiện đang có các xu hướng sau:

- Dùng lò nhiệt, thường phải trộn Plutonium với Uranium (MOX), đang được thử nghiệm

- Dùng cho lò nhanh, nhưng trong giai đoạn đang thử nghiệm

- Dùng cho lò điều khiển bằng máy gia tốc (ADS) đang nghiên cứu

2.3.2 An toàn lò phản ứng hạt nhân

Vấn đề an toàn lò không chỉ là vấn đề quan tâm của các nhà nghiên cứu chuyên môn mà người dân cũng chú ý đến, vì lò phản ứng ảnh hưởng trực tiếp lên người dân Ơû nhiều nước người dân phản đối những nhà máy này vì chúng sẽ ảnh hưởng đến họ Nên an toàn lò là một vấn đề khó khăn và nghiêm túc

Khi công suất lò phản ứng tăng mà nhiệt độ của nhiên liệu toả ra không được hệ thống tải nhiệt giải phóng thì các thanh nhiên liệu bị nóng chảy dẫn đến tai nạn lò Đó là sự cố rất nguy hiểm đối với những lò phản ứng

Các sự cố về hệ thống thanh điều khiển thường xảy ra trong các trường hợp sau:

- Lúc đầu sự cố khắc phục được do thí nghiệm trên lò có công suất thấp, tính hiệu không nhạy

- Công suất tăng quá nhanh đối với những lò lớn, làm biến dạng các cơ cấu của lò, làm kẹt các thanh điều khiển

- Một số cơ cấu bị ngắt do sai lầm của người điều khiển lò phản ứng Tóm lại sự cố lò phản ứng hạt nhân là một tiềm ẩn, một mặt do cấu trúc của lò phản ứng, ta cần phải xây dựng một lò phản ứng luôn trên tới hạn

vì phải dự trữ nhiên liệu, một mặt cần phải có lý thuyết về lò phản ứng cao Trong quá khứ cũng đã xảy ra những sự cố lò đáng tiếc như: Chernobyl (Liên Xô cũ), Three Mill Island (Hoa Kỳ)

2.3.3 Tương lai của lò phản ứng hạt nhân

Năng lượng là một vấn đề cần thiết đến sinh hoạt và sản suất, mà tài nguyên thiên nhiên ngày càng cạn kiệt, nhưng nguồn nguyên liệu hạt nhân vừa có trong tự nhiên vừa có thể tạo ra được bằng cách làm giàu các nguyên tố có khả năng phân hạch Nên công nghệ lò hạt nhân phát triển là một thiết yếu Đồng thời nó tạo ra những đồng vị khác được dùng trong các mục đích khác Ngày càng có nhiều loại lò ra đời đảm bảo độ an toàn cao Nên lò phản ứng là một phần không thể thiếu trong cơ cấu kinh tế của một quốc gia Đối với những quốc gia không có tài nguyên về khí đốt cũng như dầu mỏ, hệ thống sông ngòi không có hoặc có mà ích thì công nghệ lò hạt nhân là một vấn đề cần thiết trong việc phát triển kinh tế đất nước.Việt Nam chúng ta đang dự kiến xây dựng một lò điện hạt nhân nhằm đảm ứng đủ năng lượng đang thiếu hụt

Nói tóm lại lò phản ứng hạt nhân và công nhệ lò hạt nhân là một yếu

tố tất yếu không thể thiếu cả hiện tại và trong tương lai

Chương 3 NHIỄM ĐỘC LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Trong chương này tôi sẽ nghiên cứu về sự hình thành các độc tố, ảnh

hưởng của các độc tố đối với lò phản ứng hạt nhân

3.1 Sơ lược về ảnh hưởng các độc tố lên độ phản ứng

Như chúng ta đã biết quá trình hoạt động của lò phản ứng hạt nhân dựa trên nguyên tắc chung là phản ứng dây chuyền, phản ứng dây chuyền xảy ra ở trong vùng hoạt của lò phản ứng hạt nhân Trong quá trình hoạt động của lò có sự tích luỹ các mảnh phân hạch và sản phẩm phân rã của chúng Trong tất cả các sản phẩm phân hạch chúng ta cần lưu ý đặc biệt đối với hai mãnh phân hạch là: 135Xe và 149Sm Vì chúng có tiết diện hấp thụ neutron nhiệt lớn nên chúng sẽ bắt neutron để trở về trạng thái bền, như vậy lượng neutron được sinh ra trong lò phản ứng giảm tức là đưa vào lò một độ phản ứng âm kể cả trong quá trình lò làm việc cũng như sau khi lò ngừng hoạt động, điều đó làm ảnh hưởng đến độ phản ứng nên ảnh hưởng đến hoạt động của lò phản ứng hạt nhân, vì vậy chúng gọi là những độc tố của lò phản ứng hạt nhân, hay còn gọi là lò phản ứng hạt nhân đã nhiễm độc Những độc tố phân hạch này ảnh hưởng lên hệ số nhân, chủ yếu là hệ số nhiệt f Đối với những neutron nhanh, chúng có tiết diện hiệu dụng nhỏ nên những độc tố của lò phản ứng coi như không có ảnh hưởng

Nồng độ độc tố sản phẩm phân hạch trong lò phản ứng liên quan đến neutron nhiệt do đó khi độ phản ứng thay đổi thì mật độ neutron thay đổi theo, như vậy các độc tố sẽ bị ảnh hưởng theo làm ảnh hưởng đến độ phản ứng Nên người ta đưa ra một mức độ nào đó cho phép sự ảnh hưởng của độc tố được tính đến trong phương trình động học lò phản ứng Tuy nhiên tốc độ thay đổi hàm lượng sản phẩm phân hạch theo thời gian được xem một cách tổng quát là nhỏ so với tốc độ thay đổi thông lượng neutron Do đó người ta có thể

khảo sát bằng phương trình để diễn tả tốc độ thay đổi thông lượng neutron theo thời gian một cách độc lập đối với phương trình của độc tố sản phẩm phân hạch

Mặc dù sản phẩm phân hạch có ít ảnh hưởng trực tiếp lên động lực học lò phản ứng Nhưng chúng có thể ảnh hưởng lên độ phản ứng, điều này được xem xét trong việc thiết kế lõi lò phản ứng hạt nhân lẫn hệ thống điều khiển Một số sản phẩm phân hạch có thể được tạo thành một cách trực tiếp hay gián tiếp khi phân hạch nhiên liệu và mất đi khi chúng tự phân rã hay chúng bắt neutron để trở về trạng thái bền như 135Xe, 149Sm, … hai loại phản ứng này đối chọi nhau nên nồng độ sẽ đạt đến giá trị cân bằng trong khi đó lò phản ứng vẫn đang hoạt động bình thường Tuy nhiên ta cần xem xét là lúc ta ngừng hoạt động lò phản ứng hạt nhân, một số sản phẩm phân hạch được sinh ra vẫn phân hạch để trở về trạng thái bền, đối với những độc tố như 149Xe, 149Sm sẽ bắt neuron vì chúng có tiết diện hấp thu neutron lớn, nhưng khi lò ngừng hoạt động thông lượng neutron sẽ giảm trong khi đó những độc tố này vẫn được sinh ra bằng cách gián tiếp là từ 135I (135I phân rã ra 135Xe), hay theo chuỗi phân rã sản phẩm 149Pm thành đồng vị 149Sm Như vậy chúng ta có thể giải thích tại sao các độc tố lại tăng lên nhanh chóng sau khi dừng lò và đây là nguyên nhân quan trọng làm chậm quá trình khởi động lại lò phản ứng trừ khi có một hệ thống điều khiển làm tăng độ phản ứng một cách nhanh chống Kết quả là nồng độ của các độc tố sản phẩm phân hạch tăng lên cực đại sau khi dừng lò trước khi giảm xuống đến cuối cùng

Nồng độ của các độc tố đạt giá trị cân bằng trong lúc lò phản ứng vận hành và đạt cực đại (đối với 135Xe) sau khi dừng lò đều được xác định bởi thông lượng neutron của lò phản ứng hay lượng neutron suất ra

Vậy ảnh hưởng của độc tố lên độ phản ứng sẽ phụ thuộc vào điều kiện vận hành lò phản ứng cũng như bản chất của các độc tố Có thể nói ảnh hưởng của các độc tố trên có thể được xem như là làm giảm độ phản ứng Như đã giới thiệu ở phần trước (1.4 hệ số nhân), nếu ta gọi  là độ phản ứng khi không có sự hiện diện của các độc tố và ’ là độ phản ứng khi có các độc tố đó thì hiệu ứng độc tố có thể được biểu diễn như sau:

P k

-k, k' lần lượt là hệ số nhân vô hạn khi có và không có các

độc tố Và k  Tốc đo äneutron sinh ra trong tâmlò

Tốc đo äneutron hấp thụ trong tâm lò, tương tự cho k’∞

-P't, P t là xác suất không rò rỉ tương ứng Đối với những lò phản ứng lớn thì tỉ số

'

t t

P

P 1 Người ta chỉ quan tâm đến hệ số nhân vô hạn và hệ số sử dụng nhiệt f ; những hệ số có liên quan đáng kể do các độc tố gây ra Do đó ta có thể viết lại phương trình (3.3) được suy ra như sau:

1(1 f )

Số neutron nhiên liệu hấp thụ Số neutron tâm lo øhấp thụ

Đối với những lò phản ứng hạt nhân đồng nhất trong đó các độc tố được phân bố đồng đều Đối với một hệ thống như vậy chúng ta sẽ tìm được hệ số sử dụng neutron nhiệt một cách đơn giản vì thể tích và thông lượng neutron trong lò phản ứng xem như giống nhau trong các số hạng nên ta có được:

f  



aF a

(3.6) Trong đó:

aFlà tiết diện hiệu dụng hấp thụ neutron nhiệt trong nhiên liệu

a(hay  'a) là tiết diện tổng cộng của tất cả các thành phần cấu tạo nên lò phản ứng

Hiệu số giữa avà '

Như vậy xác suất không rò rỉ neutron ta có thể chia thành hai thừa số: một thừa số là đối với neutron trong lúc đang làm chậm năng lượng neutron nhiệt xuống và một thừa số khác là đối với neutron nhệt Xác suất không rò rỉ của neutron nhanh thực tế không bị ảnh hưởng bởi vì các độc tố chỉ bắt neutron nhiệt Nên tỉ số

'

t t

P

P có thể được xem như là tỉ số xác suất không rò rỉ

neutron nhiệt trong lò phản ứng không bị nhiễm độc tố và bị nhiễm độc tố Vậy phương trình tính xác suất không rò rỉ được viết lại như sau:

Trong đó 'L và L lần lượt là độ dài khuếch tán neutron nhiệt khi có và

không có độc tố

2

B là thừa số dạng hình học [2], nó chỉ phụ thuộc vào kích thước lò

phản ứng và khoảng cách cho phép để không bị ảnh hưởng bởi các độc tố Trong trường hợp nếu có sự hiện diện của các độc tố thì neutron bị hấp thụ

nhanh hơn, nên L’ nhỏ hơn L từ đó ta có tỉ số: t' 1

P

P luôn luôn gần bằng 1 nên sự khác nhau tương đối nhỏ Do đó mà thừa số nhân hiệu dụng k khi không có độc tố sẽ lớn hơn 1 một chút, ta có thể lấy bằng 1 Như vậy ta có được biểu thức sau:

3.2 Sự hình thành và ảnh hưởng độc tố 135 Xe trong lò phản ứng hạt nhân

Như chúng ta đã biết độc tố 135Xe là một trong những mãnh phân hạch của nhiên liệu khi phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân Sau đây tôi sẽ trình