QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG VVER

Quá trình phát triển các thế hệ công nghệ điện hạt nhân Đối với một số quốc gia, ĐHN đã trở thành cứu cánh và là một trong những nguồn điện chủ lực đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định, r

& Công nghệ Khoa học

SỐ 43

VIỆN NĂNG LƯỢNG NGUYÊN TỬ VIỆT NAM

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG VVER

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

BAN BIÊN TẬP

TS Trần Chí Thành - Trưởng ban

TS Cao Đình Thanh - Phó Trưởng ban

PGS TS Nguyễn Nhị Điền - Phó Trưởng ban

TS Trần Ngọc Toàn - Ủy viên

ThS Nguyễn Thanh Bình - Ủy viên

TS Trịnh Văn Giáp - Ủy viên

TS Đặng Quang Thiệu - Ủy viên

TS Hoàng Sỹ Thân - Ủy viên

TS Thân Văn Liên - Ủy viên

TS Trần Quốc Dũng - Ủy viên

ThS Trần Khắc Ân - Ủy viên

KS Nguyễn Hữu Quang - Ủy viên

KS Vũ Tiến Hà - Ủy viên

ThS Bùi Đăng Hạnh - Ủy viên

Thư ký:

CN Lê Thúy Mai

Địa chỉ liên hệ:

Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam

59 Lý Thường Kiệt, Hoàn Kiếm, Hà Nội

10 CAO CHI Giới thiệu máy tính lượng tử Tô-pô

18 TRẦN MINH HUÂN Cặp nhật ứng dụng đồng vị phóng xạ trong công nghiệp

24 ĐOÀN MẠNH LONG Hội thảo nghiên cứu và phát triển nguồn nhân lực công nghệ hạt nhân Việt Nam – Nhật Bản lần thứ 4

27 ĐẶNG ĐỨC NHẬN, VÕ TƯỜNG HẠNH Ứng dụng kỹ thuật hạt nhân trong các thiết bị kiểm tra chất lượng

31 TRẦN MINH HUÂN

10 nước sản xuất Uranium lớn nhất thế giới trong năm 2014

TIN TRONG NƯỚC VÀ QUỐC TẾ

34 Bế giảng chương trình đào tạo “Ghi đo bức xạ môi trường” cho các thực tập sinh Angola

35 Tổ chức thực tập trên lò phản ứng hạt nhân cho sinh viên các trường Đại học

36 Seminar “Quan trắc thành phần đồng vị trong nước mưa ở Đồng bằng Nam bộ”

37 Chương trình làm việc, giảng dạy và đào tạo Dược chất phóng xạ

38 Phiên họp thứ ba của hội đồng phát triển, ứng dụng năng lượng nguyên tử Quốc gia

40 Trọng tâm phát triển Điện hạt nhân dần dịch chuyển về châu Á

41 Nhật Bản chuẩn bị tái khởi động những lò phản ứng đầu tiên

42 Giới nghiên cứu Iran hoan nghênh thỏa thuận hạt nhân

NỘI DUNG

Số 43 06/2015

1 Quá trình phát triển các thế hệ công

nghệ điện hạt nhân

Đối với một số quốc gia, ĐHN đã trở

thành cứu cánh và là một trong những nguồn điện

chủ lực đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định, rẻ

tiền, thúc đẩy kinh tế các quốc gia này phát triển

trong thời gian dài và có hiệu quả Tuy nhiên, qua

sự cố Three Mile Island ở Mỹ năm 1979, tai nạn

Chernobyl ở Liên xô cũ năm 1986, đặc biệt là

thảm hoạ Fukushima ở Nhật ngày 11/3/2011 đã

chứng tỏ rằng, ĐHN chỉ hiệu quả khi nó được

đảm bảo an toàn Chính vì vậy, quá trình phát

triển công nghệ ĐHN là quá trình nghiên cứu, cải

tiến không ngừng nghỉ để nâng cao độ an toàn

của nhà máy, nâng cao độ tin cậy của thiết bị và

nâng cao tính kinh tế của ĐHN

Công nghệ lò phản ứng phát triển đa dạng

và phong phú Đã có trên 10 loại lò đang được nghiên cứu phát triển và sử dụng thử nghiệm Tuy nhiên, cho đến nay, thực chất chỉ mới có

ba loại được thừa nhận là những công nghệ đã được kiểm chứng và được phát triển nhiều nhất,

đó là lò phản ứng nước áp lực (Pressurired Water Reactor – PWR+VVER), lò phản ứng nước sôi (Boiling Water Reactor – BWR) và lò nước nặng kiểu CANDU (Pressurired Heavy Water Reac-tor – PHWR) Tỷ phần của các loại công nghệ này như sau: dẫn đầu là lò phản ứng nước áp lực: 61%, kế theo đó là lò phản ứng nước sôi: 21%

và cuối cùng là lò nước nặng kiểu CANDU: 7%, phần còn lại là các loại lò khác

Xét về mặt thế hệ, cho đến nay, đã có 3 thế hệ công nghệ được xây dựng và khai thác sử dụng Các nhà máy điện hạt nhân hiện đang hoạt

Công nghệ điện hạt nhân (ĐHN) đã được nghiên cứu, phát triển và khai thác, sử dụng trong suốt hơn một nửa thế kỷ qua kể từ ngày 27 tháng 6 năm 1954, khi Liên Xô (cũ) đã đưa vào vận hành thương mại thành công lò phản ứng hạt nhân năng lượng đầu tiên trên thế giới tại thành phố Obn- insk Sau hơn 50 năm phát triển và trưởng thành, ĐHN đã chứng minh được tính khả thi về mặt kỹ thuật, tính cạnh tranh về mặt kinh tế và khả năng góp phần giảm thiểu phát thải khí nhà kính vào môi trường Chính vì vậy, ĐHN đã khẳng định được vai trò, vị trí của mình trong cán cân cung cấp điện năng toàn cầu Hiện nay, trên thế giới có 440 lò phản ứng năng lượng hạt nhân đang hoạt động tại

32 quốc gia và vùng lãnh thổ, đáp ứng hơn 15% tổng nhu cầu điện năng của nhân loại.

QUÁ TRÌNH PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

LÒ PHẢN ỨNG VVER

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

động trên thế giới, tuyệt đại đa số thuộc thế hệ

thứ II Đối với các dự án ĐHN đang hoặc có kế

hoạch xây dựng, hầu hết các quốc gia, đặc điệt là

các nước nhập công nghệ đều chọn giải pháp xây

dựng các NMĐHN với lò thế hệ III hoặc thế hệ

III+ Gần đây nhất, tại châu Âu, Phần Lan đã chọn

và đang xây dựng lò EPR của Pháp, Ukraina và

Bungari mới hoàn thành đấu thầu NMĐHN năm

2008 và đã chọn lò VVER-1000 thế hệ III của

Nga Tại châu Á, Ấn Độ, Iran cũng chọn

VVER-1000 thế hệ III của Nga, Trung Quốc chọn EPR

của Pháp và AP-1000 của Hoa Kỳ

Các lò phản ứng thế hệ III và III+ đã kế

thừa các đặc tính thiết kế ưu việt của thế hệ thứ

II, vận dụng các kinh nghiệm vận hành và xây

dựng các NMĐHN hiện hành cùng với các tiến

bộ khoa học công nghệ trong các ngành mũi nhọn

như công nghệ thông tin, điều khiển tự động,

khoa học vật liệu v.v Khác biệt lớn nhất so với

các thiết kế hiện thời (thế hệ II) là các nhà máy

ĐHN thế hệ mới (thế hệ III và III+) tích hợp được

đặc điểm an toàn thụ động nội tại, không đòi hỏi

sự kiểm soát chủ động của con người hay sự can

thiệp của nhân viên vận hành để tránh tai nạn khi

có trục trặc

Các loại lò thế hệ mới - thế hệ IV có tính

cách mạng với mục tiêu: an toàn hơn, kinh tế

hơn, giảm nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân và

góp phần giải quyết vấn đề chất thải phóng xạ

còn đang trong giai đoạn nghiên cứu, thiết kế và

thử nghiệm Chúng có thể được thương mại hoá

vào những năm sau 2030

2 Quá trình phát triển các thế hệ công

nghệ lò VVER

VVER - Vodo-Vodyanoi Energetichesky

Reactor (Water-cooled Water-Moderated Power

Reactor) là loại lò phản ứng nước áp lực

(Pres-surized light Water Reactor - PWR) được các chuyên gia Liên Xô nghiên cứu thiết kế chế tạo Các lò phản ứng VVER ở thời điểm ban đầu, khá giống với với PWR, tuy nhiên hiện nay chúng phát triển theo con đường riêng, với nhiều đổi mới về tính năng an toàn Những nguyên bản đầu tiên của lò phản ứng loại này được xây dựng từ những năm 60 của thế kỷ trước Sau đó, các lò phản ứng VVER-440 và VVER-1000 được thiết

kế và xây dựng ở Liên bang Xô-viết, một số nước Đông Âu và Phần Lan

Khoa học kỹ thuật về năng lượng nguyên

tử ở Nga đã phát triển với trên 50 năm với những thành tựu nổi trội và kinh nghiệm phong phú trong quá trình xây dựng các lò phản ứng VVER

ở Nga và ở nước ngoài (Bulgaria, Phần Lan, Hungary, Cộng hòa Séc, Slovakia, Trung Quốc, Ukraina,…) Việc khai thác, vận hành các nhà máy điện hạt nhân (NM ĐHN) sử dụng lò phản ứng VVER đã trải qua hơn 1500 lò-năm kinh nghiệm, trong đó:

- NM ĐHN sử dụng VVER-440 có hơn

1000 lò-năm kinh nghiệm;

- NM ĐHN sử dụng VVER-1000 có hơn

500 lò-năm kinh nghiệm;

Những đặc điểm chính của công nghệ lò VVER là:

- Lò phản ứng nước nhẹ áp lực;

- Hệ thống làm mát theo nhánh (nhiều loop-vòng lặp);

- Các lối vào và ra thùng lò có 2 mức (2

độ cao khác nhau);

- Không có các ống dẫn vào/ra ở phía dưới lối vào thùng lò;

- Các bình sinh hơi nằm ngang;

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

- Các bó nhiên liệu hình lục lăng.

2.1 Lò phản ứng loại VVER-440

Công nghệ lò phản ứng nước áp lực loại

VVER được Viện thiết kế OKB Gidropress (trực

thuộc Tập đoàn Năng lượng nguyên tử Quốc gia

Liên bang Nga - RosAtom) bắt đầu nghiên cứu

và phát triển từ năm 1955 Lò phản ứng đầu tiên

công suất 210 MWe (VVER-210) đã được vận

hành tại tổ máy số 1 của NM ĐHN

Novovoron-ezh, Liên bang Nga vào năm 1964 Tổ máy số 2

công suất 365 MWe (VVER-365) đã được đưa

vào vận hành năm 1969 Những tổ lò phản ứng

đầu tiên này được thiết kế cho vòng đời 20 năm

và đã cho ngừng hoạt động vào các năm 1984

và 1990 Tiếp theo, vào năm 1971, tổ lò

VVER-440 đầu tiên (phiên bản V-179), với công suất

440 MWe, được vận hành tại tổ máy số 3 và năm

1972 tổ lò VVER-440 thứ hai được vận hành tại

tổ máy số 4 của nhà máy điện hạt nhân

Novovo-ronezh

Cùng với thời gian, các thế hệ lò phản

ứng VVER tiếp theo với những cải tiến nâng cao

tính năng an toàn và hiệu suất được thiết kế và

xây dựng Trong giai đoạn này, tổ lò VVER-440

phiên bản V-230 với hệ thống an toàn có độ dư

gấp đôi, tai nạn thiết kế cơ bản lớn nhất là vỡ

đường ống dẫn chất tải nhiệt có đường kính 100

mm cùng với mất điện hoàn toàn đã ra đời Tất

cả có 14 tổ máy VVER-440 phiên bản V-320 đã

được xây dựng và vận hành Bước tiếp theo là

thiết kế tổ lò VVER-440 phiên bản V-213 với hệ

thống an toàn có độ dư gấp ba và được thiết kế

để đối phó với vỡ ống tải nhiệt có đường kính

500 mm với mất điện hoàn toàn Hai tổ máy đầu

tiên của phiên bản này đã được xây dựng tại NM

ĐHN Lovisa, Phần Lan năm 1977 và 1980 Đến

nay, có cả thảy 16 tổ máy VVER-440 phiên bản

V-213 đang hoạt động [1]

2.2 Lò phản ứng loại VVER-1000

Công nghệ lò phản ứng VVER-1000 đã được OKB Gidropress khởi động nghiên cứu, thiết kế từ năm 1966 Đến năm 1980, tổ lò VVER-

1000 đầu tiên (phiên bản V-187) đã vận hành tại tổ máy số 5, nhà máy ĐHN Novovoronezh Trong giai đoạn 1976-1987, những cải tiến trong thiết kế đã cho đời của lò VVER-1000, phiên bản V-302 và phiên bản V-338, vận hành tại tổ máy

số 1&2, nhà máy ĐHN Nam-Ukraina và tổ máy

số 1& 2, nhà máy ĐHN Kalinin Các phiên bản thiết kế này chỉ có 4 tổ máy được xây dựng và vận hành nên được gọi là “small series”

Từ năm 1978, OKB Gidropress bắt đầu triển khai nghiên cứu, thiết kế công nghệ lò VVER-1000 tiêu chuẩn với phiên bản V-320, dự kiến sẽ triển khai xây dựng hàng loạt và được gọi

là “large series” Thiết kế này có những cải tiến như: tối ưu hóa số lượng các thanh điều khiển, cải tiến thiết kế bó thanh nhiên liệu, nâng cao tính

ổn định trong địa chấn,…nhằm tăng cường hiệu quả kinh tế và an toàn trong việc xây dựng và vận hành nhà máy điện hạt nhân, phù hợp với các văn bản pháp quy đưa ra vào thời điểm đó Nó

có thể đối phó với sự cố xảy ra cùng một lúc vỡ ống đường kính lớn 850 mm, động đất theo thiết

kế cơ bản và mất điện hoàn toàn Từ năm 1985 đến nay, đã có 28 tổ máy sử dụng lò VVER-1000, phiên bản V-320 được xây dựng và vẫn đang hoạt động tại các nhà máy ĐHN Tất cả các thiết kế này đều thuộc loại lò VVER thế hệ thứ II [1]

Lò phản ứng VVER-1000 thuộc loại lò nước áp lực thân đứng Thân lò hình trụ đứng chịu

áp lực cao, trên nắp đậy có bộ phận đấu nối đệm gioăng kín và các đầu ống chờ để lắp ghép các đường ống vận chuyển chất tải nhiệt vào và ra

Ở bên trong có giếng lò là điểm tựa và chứa toàn

bộ vùng hoạt; đây cũng là nơi phân luồng dòng

chảy chất tải nhiệt Chất tải nhiệt được bơm vào

lò phản ứng theo đường ống, chảy xuống dưới

qua khe biên giữa giếng lò và thân lò dẫn dòng

hướng đáy, sau đó qua các lỗ có sẵn trên giá đỡ

giếng lò chảy ngược lên theo các hộp chứa thanh

nhiên liệu Chất tải nhiệt được đốt nóng từ nguồn

năng lượng phân hạch, sau đó đi qua các lỗ sàng

của giếng lò và theo đường ống dẫn ra khỏi lò

phản ứng Sơ đồ lò phản ứng VVER-1000, phiên

bản V-320 được nêu trong hình 1

Hình 1 Lò phản ứng VVER-1000, phiên bản

V-320; 1-Khối đỉnh; 2-Khối ống bảo vệ; 3-Giếng

lò; 4-Vách ngăn; 5-Vùng hoạt (tâm lò); 6-Vỏ lò

(thùng lò phản ứng chịu áp lực)

Tai nạn tại các nhà máy ĐHN Three Miles

Island năm 1978 và Chernobyl năm 1986 đã chỉ

ra sự cần thiết phải tính đến những khả năng xảy

ra sự cố ngoài thiết kế cơ bản (Beyond Design

Basis Accidents - BDBAs) trong quá trình thiết

kế và vận hành Các văn bản pháp quy mới đã

được ban hành với các yêu cầu mới về đảm bảo

an toàn nhằm ngăn chặn khả năng xảy ra các sự

cố ngoài thiết kế và giảm thiểu hậu quả nếu sự cố

xảy ra

Nhằm đáp ứng các yêu cầu mới về an toàn, các chuyên gia Viện thiết kế của St Peterburg, Viện thiết kế thực nghiệm Gidropress và Công ty Phần Lan Imatran International Ltd (hiện nay là Công ty Forturn Engineering) bắt tay nghiên cứu thiết kế NM ĐHN với nguyên mẫu là lò VVER-

1000, phiên bản V-320 Kết quả là cho ra đời bản thiết kế lò lò VVER-1000, phiên bản V-428 [2] Bản thiết kế này kế tục và phát huy những thành quả đạt được trong quá trình cải tiến độ an toàn, phù hợp với trình độ phát triển của ngành năng lượng hạt nhân hiện đại NM ĐHN dùng

lò VVER-1000, phiên bản V-428 (hay còn gọi là AES-91) là một thiết kế mới được cải tiến dựa trên kinh nghiệm thiết kế, xây dựng và vận hành một loạt các tổ lò VVER-1000/V-320, có tiếp thu các công nghệ từ lò áp lực PWR của Tây Âu, tuân theo các yêu cầu quốc tế hiện tại trong lĩnh vực an toàn bức xạ và hạt nhân Nhà máy cũng sử dụng

hệ thống I&C kỹ thuật số tích hợp của Siemens, Đức Tổ máy số 1&2 của NM ĐHN Điền Loan, Trung Quốc được xây dựng theo phiên bản thiết

kế này, được khởi công vào năm 2000 và đưa vào vận hành từ năm 2007 [1,2,3]

Theo Gidropress, những cải thiện về độ tin cậy, an toàn và các đặc tính kinh tế của AES-

91 được thực hiện theo các yêu cầu của khách hàng trên cơ sở:

- Mở rộng phổ thiết kế, có so sánh với các tổ máy được sử dụng để tham chiếu (thiết kế V-320) và trong thiết kế có xem xét đến các tai nạn vượt quá sự cố thiết kế cơ bản;

- Lắp đặt bẫy corium để giảm thiểu hậu quả khi có sự cố nóng chảy vùng hoạt;

- Áp dụng các hệ thống điều khiển I&C

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

mới, tiên tiến;

- Nâng cao khả năng kháng chấn;

- Sử dụng boong-ke nhà lò 2 lớp …

Vào năm 1988, một dự án thiết kế lò

VVER-1000 mới, phiên bản V-392 (hay còn gọi

là AES-92) được triển khai thực hiện, nhằm nâng

cao độ an toàn, đáp ứng các yêu cầu mới của các

văn bản pháp quy LB Nga và các yêu cầu tiêu

chuẩn quốc tế Các cải tiến trong thiết kế mới này

tập trung vào nghiên cứu sử dụng các hệ thống

an toàn chủ động và thụ động, đặt bẫy corium, sử

dụng boong-ke nhà lò 2 lớp Với các giải pháp

kỹ thuật trình độ cao của thiết kế và những đặc

tính an toàn đặc biệt, AES-92 đã đảm bảo thỏa

mãn yêu cầu của Các tổ chức vận hành điện lực

châu Âu (EUR)

Các phương án thiết kế chính của lò

VVER-1000, phiên bản V-392 được áp dụng

đối với các phiên bản V-412, V-446 và V-466B

Phiên bản V-412 đang được triển khai xây dựng

tổ máy số 1&2 của NM ĐHN Kudankulam, Ấn

Độ [1,4,5], phiên bản V-446 được sử dụng tại NM

ĐHN Busher của Iran [2] và phiên bản V-466B

[2,6] đã được Chính phủ Bungari lựa chọn xây

dựng tại NM ĐHN Belene (dự án này đã bị dừng,

không thực hiện) Các thiết kế AES-92 dùng lò

VVER-1000, phiên bản V-392, V-412, V-446 và

V-466B thuộc thế hệ lò thứ III [1] và đã được

Liên minh châu Âu cấp chứng chỉ chính thức vào

- Sử dụng boong-ke nhà lò 2 lớp để giam giữ các sản phẩm khi sự cố: lớp bên trong – dự ứng lực, lớp bên ngoài - nguyên khối, được thiết

kế để đảm bảo an toàn trong các trường hợp xảy

ra sự cố bên trong và ngoài nhà máy

2.3 Lò phản ứng loại VVER-1200

Trên cơ sở phân tích, đánh giá và đúc kết kinh nghiệm thiết kế, xây dựng, vận hành của các các NM ĐHN dùng lò VVER-1000 phiên bản V-320, V-428 và V-392, Viện thiết kế OKB Gidropress đã rút ra những kết luận về khả năng chuyển đổi về chất mức độ an toàn bằng cách nghiên cứu và áp dụng công nghệ an toàn thụ động, từ đó đã đưa ra một thiết kế mới, thuộc thế

hệ III+, đó là AES-2006 [9] Các cải tiến của thiết

kế AES-2006 sử dụng lò phản ứng VVER-1200 là:

- Tối ưu cấu trúc của các hệ thống và kết hợp 2 nguyên tắc đảm bảo an toàn thụ động và chủ động;

- Tối ưu các thông số vận hành;

- Tăng áp suất thứ cấp của bình sinh hơi;

- Cải tiến các loại vật liệu sử dụng để chế tạo các thiết bị chính, cho phép thời gian vận hành của các thiết bị lên đến 60 năm;

- Cải tiến chu trình nhiên liệu với chu trình thay đảo lên đến 24 tháng;

- Độ cháy cực đại trong bó nhiên liệu là

70 MW*ngày/kgU;

Việc sử dụng hài hòa các hệ thống an toàn

chủ động và thụ động, thực hiện độc lập các chức

năng an toàn là đặc điểm khác biệt quan trọng của

thiết kế AES-2006 Có 2 thiết kế khác biệt của

Tại Liêng bang Nga, AES-2006 đang được

xây dựng và sắp đưa vào vận hành ở NM ĐHN

Novovoronezh II và Leningrad II Cộng hòa

Be-larusia đã chọn và đang xây dựng lò VVER-1200

loại AES-2006 và Cộng hòa Séc cũng đang xem

xét hồ sơ dự thầu loại AES-2006

Hình 2 Tổ hợp thiết bị hệ thống vòng sơ cấp lò

phản ứng VVER-1200, phiên bản V-491

2.4 Lò phản ứng loại VVER-TOI

Hiện tại, Tập đoàn nguyên tử RosAtom

đang chỉ đạo triển khai thực hiện dự án

VVER-TOI (typical optimized informative-advanced

project) nhằm đưa ra một thiết kế VVER tiêu

chuẩn thế hệ III+ với việc tăng cường sử dụng

công nghệ thông tin [11]

VVER-TOI là nhà máy điện hạt nhân với

2 tổ lò VVER-1200/V-510 loại nước áp lực, đáp

ứng được những quy định về an toàn bức xạ và hạt nhân cũng như những vấn đề liên quan đến môi trường của LB Nga, châu Âu và quốc tế

Dự án VVER-TOI được thực hiện dựa trên kinh nghiệm xây dựng và vận hành các nhà máy VVER ở trong và ngoài nước Nga Những giải pháp được sử dụng trong thiết kế giúp tối ưu

và tối thiểu hóa những sai hỏng phát sinh trong một tổ lò

Dự án VVER-TOI sử dụng mô hình đảm bảo an toàn dựa trên 2 kênh an toàn chủ động,

và 4 kênh an toàn thụ động Việc kết hợp các hệ thống an toàn chủ động và thụ động giúp dự án VVER-TOI đảm bảo rằng vùng hoạt sẽ không bị phá hủy tối thiểu trong vòng 72 giờ tính từ khi

sự cố ngoài thiết kế khởi phát, trong tình huống nghiêm trọng nhất

Các giải pháp kỹ thuật đảm bảo rằng lò phản ứng sẽ được đưa tới trạng thái an toàn khi xảy ra bất cứ một sự kiện khởi phát nào (do tự nhiên hoặc con người) làm mất toàn bộ nguồn điện cung cấp cho các thiết bị Điều này tăng đáng kể tính cạnh tranh của dự án ở cả thị trường trong nước và quốc tế

Hình 3 Tổ hợp thiết bị hệ thống vòng sơ cấp lò phản ứng VVER-1200, phiên bản VVER-TOI

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

3 Một số dự án nhà máy điện hạt nhân

loại AES-91, AES-92 và AES-2006

Dự án dự án nhà máy điện hạt nhân loại

AES-91 tại Trung Quốc

Năm 1992, LB Nga và CHDCND Trung

Hoa ký hiệp định liên chính phủ về hợp tác xây

dựng NMĐHN tại Trung quốc Năm 1997, hai

bên ký hợp đồng tổng thể về xây dựng NMĐHN

Điền Loan – một trong những công trình hợp tác

kinh tế lớn nhất giữa hai bên [2] Nhiệm vụ thiết

kế, cung cấp thiết bị và vật tư, đưa nhà máy vào

vận hành, đào tạo cán bộ cho phía Trung Quốc

được giao cho Công ty cổ phần AtomStroyExport

Nhà máy điện hạt nhân Điền Loan giai

đoạn 1 được xây dựng tại thành phố

Lianyun-gang, thuộc tỉnh Giang Tô Đây là nhà máy loại

AES-91 với hai lò phản ứng VVER-1000/V428

Tổ máy đầu tiên hòa vào lưới điện vào năm 2006

và đưa vào vận hành thương mại vào năm 2007

Tổ máy thứ hai được nối lưới điện vào tháng

5/2007 Tuổi thọ của nhà máy này theo thiết kế

là 40 năm

Nhà máy điện hạt nhân Điền Loan giai

đoạn 2 đã được Trung Quốc ký kết sơ bộ với

Công ty Atomstroyexport của Nga vào tháng

10/2006 Giai đoạn 2 xây dựng thêm hai tổ máy 3

và 4 sử dụng công nghệ AES-91 Hợp đồng EPC

xây dựng đã được ký kết trong tháng 10/2011 và

mẻ bê tông đầu tiên cho tổ máy số 3 đã được đổ

vào tháng 12/2012 Dự kiến 2 tổ máy này sẽ hoạt

động thương mại lần lượt vào năm 2018 và 2019

Dự án dự án nhà máy điện hạt nhân loại

AES-92 tại Ấn Độ

Nhà máy ĐHN Kudankulam được xây

dựng theo hiệp định liên chính phủ về hợp tác xây

dựng NM ĐHN tại Ấn Độ Đây là nhà máy loại

AES-92 với hai lò phản ứng VVER-1000/V412 Năm 2002, Công ty AtomStroyExport đã ký một loạt hợp đồng với Tập đoàn Năng lượng nguyên

tử Ấn Độ về lập hồ sơ thi công, lắp ráp, chạy thử, hiệu chỉnh; sản xuất và cung cấp thiết bị, vật tư cho tổ hợp lò phản ứng, tổ hợp tuốc bin – máy phát và các công trình phụ trợ khác Ngoài ra, hai bên còn ký các hợp đồng đào tạo cán bộ cho Ấn

Độ, cử chuyên gia Nga sang Ấn Độ tham gia xây dựng và hỗ trợ kỹ thuật [2]

Tổ máy số 1 đã vận hành vào ngày 13/7/2013 Dự kiến tổ máy số 2 sẽ vận hành sau

đã được ký kết giữa Iran và Bộ năng lượng Nga (Russian Ministry for Atomic Energy), với nhà thầu chính là Công ty Atomstroyexport Công việc xây dựng đã bị chậm một vài năm do lý do

kỹ thuật và tình hình tài chính, cũng như do sức

ép về mặt chính trị của phương Tây Chính phủ Iran đã đồng ý bồi thường việc tăng giá và lạm phát sau khi nhà máy được xây dựng xong Do

đó, việc xây dựng nhà máy đã được khôi phục lại vào năm 2007 Ngày 3/9/2011, nhà máy đã chính thức phát điện vào hệ thống lưới điện quốc gia của Iran Đây là nhà máy loại AES-92 với dùng

lò phản ứng VVER-1000/V446 [2]

Dự án dự án nhà máy điện hạt nhân loại AES-92 tại Bungaria

Ngày 31/10/2006, Công ty điện lực

Bun-garia chính thức thông báo Công ty

AtomStroy-Export đã thắng thầu xây dựng NM ĐHN Belene

Đây là nhà máy loại AES-92 với dùng lò phản

ứng VVER-1000/V466B [2] Thiết kế của nhà

máy này đã tăng tuổi thọ thiết bị chính lên tới 60

năm; tăng cường khả năng chịu lực va đập của

lớp boongke nhà lò, kể cả máy bay hành khách

lớn rơi trúng lò phản ứng NM ĐHN Belene có

sự kết hợp độc đáo giữa hệ thống an toàn chủ

động và thụ động Tuy nhiên, ngày 11/6/2010,

Chính phủ Bulgaria tuyên bố sẽ đóng băng việc

kế hoạch xây dựng nhà máy điện hạt nhân Belene

vô thời hạn vì không đảm bảo được tài chính đầu

tư vào dự án

Dự án dự án nhà máy điện hạt nhân loại

AES-2006 tại Belarusia

Belarus có dự định xây dựng dựng nhà

máy điện hạt nhân từ những năm 1980, tuy nhiên

sau sự cố Chernobyl, mọi kế hoạch bị dừng lại

Năm 2006, Chính phủ Belarus phê duyệt kế hoạch

xây dựng nhà máy điện hạt nhân 2000 MWe với

công nghệ lò nước áp lực Sau đó, Belarus đã mời

các công ty nước ngoài vào đấu thầu và tháng

8/2008 họ đã nhận được chào hàng của các công

ty lớn trên thế giới là công ty Atom StroyExport

của Nga, Westinghouse-Toshiba của Hoa Kỳ và

Nhật Bản, cũng như AREVA của Pháp Đối với

Hoa Kỳ, mọi hợp tác về xây dựng nhà máy cần

Hiệp định Liên Chính phủ (Hiệp định 123), đây

là trở ngại lớn cho Belarus vì quan hệ chính trị và

thương mại giữa 2 nước không tiến triển nhiều

năm qua Với tổ máy của AREVA (EPR1600),

do công suất quá lớn không thể phù hợp với hệ

thống điện của Belarus Do đó, hợp tác với Nga

có các điều kiện thuận lợi hơn cả

Năm 2009, Belarus thông báo sẽ xây

dựng nhà 2 tổ máy điện hạt nhân Ostrovets với công ty ASE của Nga là nhà thầu chính cùng các nhà thầu phụ Nga và Belarus Hiệp định cấp vốn vay cho dự án được ký kết tháng 8/2009 Hiệp định Liên Chính phủ về xây dựng nhà máy được ký kết tháng 3/2011, ASE sẽ xây 2 tổ máy VVER với thiết kế AES-2006 sử dụng lò VVER-1200/V-491 (Viện Thiết kế năng lượng nguyên tử

St Peterburg là đơn vị thiết kế), công suất mỗi tổ máy 1200 MWe Tổ máy thứ nhất khởi công năm

2013, vận hành năm 2019, tổ máy thứ 2 khởi công năm 2014, vận hành năm 2020 Tổng mức đầu

tư cả cơ sở hạ tầng dự toán khoảng 9.4 tỷ USD

Dự án dự án nhà máy điện hạt nhân loại AES-2006 tại Thổ Nhĩ Kỳ

Thổ Nhĩ Kỳ đang có kế hoạch xây dựng 4

tổ máy VVER thiết kế AES-2006, công suất 1200 MWe tại Akkuyu với công ty AtomStroyExport - ASE (Nga) Giá thành xây dựng ban đầu khoảng 18,7 tỷ USD Sau quá trình đàm phán, Nga tuyên

bố hỗ trợ tài chính toàn bộ nhà máy và tổng mức đầu tư tăng lên đến 22 tỷ USD Tuy nhiên vào giữa năm 2012, Rosatom đã nói rằng tổng mức đầu tư có thể tăng lên tới 25 tỷ USD

Tháng 12/2011, đơn vị quản lý dự án đã nộp đơn xin giấy phép xây dựng và xác định Công ty AtomStroyExport làm tổng thầu xây dựng Giấy phép xây dựng nhà máy dự kiến sẽ được cấp vào giữa năm 2014 Như vậy việc xây dựng nhà máy có thể bắt đầu vào năm 2015 hoặc tháng 1/2016 Tổ máy số 1 dự kiến vận hành vào năm 2021 Đây sẽ là nhà máy điện hạt nhân đầu tiên của nước này

TS Lê Văn Hồng Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

Tài liệu tham khảo

1 Sergei B Ryzhov, Victor A Mokhov,

Mikhail P Nikitenko, George G Bessalov,

Al-exander K Podshibyakin, Dmitry A Anufriev,

Janos Gado, Ulrich Rohde, VVER-Type

Reac-tors of Russian Design, Volume 4: ReacReac-tors of

Generations III and IV, Handbook of Nuclear

En-gineering, © Springer Science+Business Media

LLC 2010

2 AtomStroyExport –ASE - RosAtom

3 http://en.wikipedia.org/wiki/Tianwan_

Nuclear_Power_Plant

4 S.K Agrawal, Ashok Chauhan, Alok

Mishra, The VVERs at KudanKulam, Nuclear

Engineering and Design 236 (2006) 812–835

5

http://en.wikipedia.org/wiki/Kudanku-lam_Nuclear_Power_Plant

6 AES-92 for Belene: The Mystery

Reac-tor, Antonia Wenisch, Austrian Institute of

Ecol-ogy, Vienna, wenisch@ecology.at, Vienna,

Feb-ruary 2007

7 Yury Ermakov, RosEnergoAtom,

Ol-ivier Rousselot, EDF, EUR volume 3 AES 92

subset, EUR seminar 2007, Nice, May 15 2007

8 Nuclear Power Technology

Considera-tion Project Science and Engineering Document,

RISK ENGINEERING LTD, Reference Number

REL-885-A2-0, December, 2012

9 The AES-2006 reactor plant – a

strate-gic choice, Experimental and Design

Organiza-tion Gdropress

10 Design AES-2006: Concept solutions

by the example of Liningrad NPP-2,

14 http://www.world-nuclear.org/info/Country-ProfilesPower/

Phần I Đại cương về MTLT

Sức mạnh của máy tính lượng tử ở đâu?

Bước cơ bản trong tính toán lượng tử là

phép toán unita U trên trạng thái chồng chất

L-qubit gồm L L-qubit (quantum bit-bit lượng tử)

Phép toán U được thực hiện song song đối với tất

cả 2L biên độ phức Trong máy tính cổ điển một

phép toán như vậy đòi hỏi 2L bước tính cơ bản

cho mỗi biên độ

Chính tính chất song song lượng tử này

trong các máy tính lượng tử dẫn đến một gia tốc rất lớn nhiều bậc cho quá trình tính toán Đây là

ưu thế tuyệt đối của máy tính lượng tử so với máy tính cổ điển thông dụng hiện nay

Một đặc tính của các trạng thái lượng

tử, khác biệt với các trạng thái cổ điển là hiện tượng liên đới lượng tử (entanglement), theo đó

sự tương tác giữa các qubit làm phát sinh một

sự chồng chất liên kết (giao thoa) các trạng thái lượng tử Sự chồng chất này không thể đưa về tích của các qubit riêng lẻ Ví dụ khi kết hợp 2

GIỚI THIỆU MÁY TÍNH LƯỢNG TỬ TÔ-PÔ

(PHẦN I và II)

Máy tính lượng tử tô-pô (MTLTTP) sẽ là một sản phẩm kỳ diệu của khoa học lượng tử, toán học và công nghệ của thế kỷ 21 MTLTTP sử dụng việc tết (braid) những quỹ đạo tô-pô của các hạt anyon Chế tạo ra được MTLTTP sẽ làm thay đổi bộ mặt của khoa học, công nghệ hiện tại, tạo cơ sở cho nhiều lĩnh vực ranh giới tiền tiêu của nhận thức con người như lý thuyết mật mã, trí tuệ nhân tạo,… MTLTTP sẽ làm được những gì mà máy tính (MT) thông thường hiện nay không làm được MTLTTP liên quan đến nhiều lĩnh vực: toán học, vật lý lượng tử, vật lý chất rắn.

qubit, ta không có một tích trực tiếp:

mà có những dạng như sau :

Các trạng thái

gọi là các trạng thái Bell, hoặc trạng thái EPR

hoặc cặp EPR, đặt theo chữ cái đầu tiên của tên

các tác giả Einstein, Podolsky & Rosen là những

người đầu tiên phát hiện ra các tính chất kỳ lạ của

những trạng thái đó

Nhiều tác giả còn dùng ký hiệu sau:

biểu diễn hàm sóng của hai hạt ,nếu xét đặc

trưng lượng tử là hình chiếu Sz của spin chẳng

hạn xuống trục z: thì m là hình chiếu của hạt thứ

nhất, còn n là hình chiếu của hạt thứ hai Khi m

& n = 0 ta có µ z = 1/2, spin hướng lên trên, khi m

& n = 1 ta có µ z = -1/2, spin hướng xuống dưới)

Ngoài cũng có một dạng ký hiệu nữa

được viết là α(1) (2)β , ở đây α(1) chỉ rằng hạt

1 nằm ở trạng thái α ứng với µz = ½, còn hạt hai

nằm ở trạng thái β ứng với µz = -1 /2

Mã hoá

Một tin mã hóa có nghĩa là một tin mà chỉ

riêng người gửi và người nhận biết được mà thôi

.Ví dụ một tin M có thể mã hóa qua E nhờ thuật

toán sau:

E = Ms mod c

Nếu c là tích của hai số nguyên tố p & q

thì người ta có thể chứng minh rằng M có thể bẻ khoá được theo thuật toán

M = Et mod c Trong đó t là một hàm số đơn giản của p & q Chỉ cần giữ bí mật p & q, các đại lượng khác có thể cho biết công khai Nếu c đủ lớn bẻ khoá bằng cách tìm p & q là một việc không làm nổi đối với máy tính cổ điển hiện dùng

Như vậy nếu dùng khóa công cộng (public key) tức dạng E = Ms mod c thì Alice không cần bảo cho Bob mã nào cả Còn Bob thì hiểu rằng muốn

bẻ khóa phải tìm cho được p & q, cho nên trước cả lúc truyền mật tin cho nhau Alice và Bob không cần báo cho nhau mã nào cả Alice truyền E = M

s mod c, một khóa công cộng là đủ, mọi người đều biết nhưng chỉ một mình Bob có đủ khả năng tìm ra p & q Lẽ dĩ nhiên nếu ai có đủ khả năng

và cổng CNOT tác động trên qubit-kép (hệ 2 bit)

DIGITBit lấy 2 trị số 0 và 1, điều này liên quan đến khái niệm digit

Một chữ số có thể viết nhiều cách ,tuỳ theo ta dùng cơ số nào

Ví dụ trong cơ số 10:

327 = 3.102 + 2.101 + 7.100 = 32710Còn trong cơ số 2 ta có :

327 = 1.28 + 0.27 + 1.26 + 0.25 + 0.24 + 0.23 + 1.22+ 1.21 1.20 = 1010001112

Ta cũng có thể dùng cơ số 16, vậy ta phải có 16 chữ số khác nhau để làm cơ số Người ta thường dùng:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

A đóng vai trò của số 10, B đóng vai trò của số

11, C-12, D-13, E-14 và F-15

Trong cơ số 16 ví dụ ta có:

4616 = 2.161 + 14.160 = 2E16 (nhớ E đóng vai trò

của 14)

Bây giờ ta có thể định nghĩa digit = là

một con số nhỏ hơn số cơ số và nằm ở một vị trí

nhất định trong triển khai theo luỹ thừa của cơ số

(positional notation) Trong ví dụ cuối cùng 2 là

một digit, E là một digit, chú ý 2&E đều nhỏ hơn

cơ số 16 và nằm ở vị trí luỹ thừa bậc một và bậc

không của 16

Phần II Những cơ sở vật lý của MTLT

1/ Hiệu ứng Hall lượng tử phân số

Việc tìm ra Hiệu ứng Hall lượng tử phân

số (FQHE - Fractional Quantum Hall Effect) đã

đem lại giải Nobel 1998 cho các nhà vật lý: Robert

B.Laughlin, Horst L Stormer và Daniel C Tsui

Hiệu ứng này liên quan đến nhiều

elec-tron tương tác với nhau để tạo ra những hạt mới

có điện tích khác điện tích của electron Một điều

lạ là các số lượng tử ta cứ nghĩ rằng phải là số

nguyên hay bán nguyên thì ở đây ta gặp những

phân số như 2/5, 4/9, 11/7 thậm chí 5/23 Hơn

nữa các bit từ trường có thể kết dính với electron

tạo nên những hạt khác nữa Những hạt đa hợp

(composite particles) này có các tính chất hoàn

toàn khác các electron

Những hạt này có thể kết thành cặp như

các cặp electron trong siêu dẫn

Tất cả hiện tượng kỳ lạ đó xảy ra trong

một hệ 2-chiều tại nhiệt độ rất thấp và hiện diện

một từ trường Electron bị giam giữ trong một

chất rắn nằm ở giao diện của hai bán dẫn

netoresistance) R và trở Hall R H (Hall resistance)

Hình 1 Sơ đồ hình học của phép đo từ trở (mag-R H như hàm của dòng I và từ trường B V là hiệu thế dọc và V H là thế Hall Mật độ electron/cm 2

được ghi là n còn điện tích là e Những chấm đen biểu diễn electron bị ép về một phía của thanh (bar) theo lực Lorentz từ phía từ trường.

Hiệu ứng Hall (xem hình 1) được tìm ra bởi Edwin Hall (Đại học Johns Hopkins, Balti-more) Khi áp đặt một từ trường B thì xuất hiện một thế VH khác không Thế VH thẳng góc với thế

V Hall tìm thấy thế VH tỷ lệ với I và tỷ lệ với từ trường B Và ta có:

VH/I = RH= B/ne Đó là trở Hall Hiệu ứng đó được gọi là hiệu ứng Hall

Hiệu ứng lượng tử Hall nguyên (IQHE,

I = integer)

Nếu thực hiện thí nghiệm Hall ở nhiệt độ

rất thấp (4K) và áp đặt một từ trường rất mạnh

(10T) vào một hệ electron 2-chiều chúng ta sẽ

phát hiện một sự phụ thuộc nhảy từng bước

của RH với từ trường và RH tại các đoạn bình

nguyên (plateau = đoạn nằm ngang) RH = h/ie2

trong đó i là số nguyên còn h là hằng số Planck

Đây là hiệu ứng lượng tử Hall nguyên (IQHE),

Khi electron bị giam giữ trong một không

gian 2 chiều ở nhiệt độ rất thấp và hiện diện từ

trường mạnh thì động năng của chúng trở thành

gián đoạn vì những mức lượng tử Landau

Hiệu ứng lượng tử Hall phân số (FQHE,

F = Fractional)

IQHE có thể hiểu được trên cơ sở chuyển động lượng tử của các electron trong không gian 2-chiều lúc có mặt từ trường Tương tác tĩnh điện (tương tác Coulomb) không đóng vai trò gì ở đây

vì ở đây ta có hiệu ứng các hạt đơn độc

Còn FQHE không thể hiểu được nếu chỉ xét các electron đơn độc trong từ trường

Hiện tượng FQHE có nguyên nhân ở tương tác giữa các electron Đây là hiệu ứng liên

hệ nhiều hạt Siêu chảy và siêu dẫn là những hiện tượng tương tự Và để hiểu FQHE cần những ý tưởng mới

Phần sau đây trình bày sự hình thành các hạt phức hơp (composite) giữa electron và từ trường

Từ electron đến lượng tử thông lượng (flux quanta)

Trong mô hình cổ điển 2D (2 chiều) các electron hành xử như những hòn billiard trên mặt bàn Trong thuyết lượng tử các electron không còn được phân biệt với nhau nữa Và từ trường

sẽ tạo nên những vòng quay lượng tử (quantized vortice) trong cái biển điện tích Một vòng quay cho một lượng tử thông lượng Φ =0 h e/ của từ trường

Hình 3 Các vòng tròn biểu diễn những vòng

netic flux quanta) Chú ý Φ0 = diện tích vòng quay × cho B như vậy mỗi vòng quay mang một

quay, mũi tên biểu diễn lượng tử từ thông (mag-lượng tử từ thông.

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

Bức tranh electron và các vòng quay sẽ

giúp hiểu mối tương quan (correlation) giữa các

electron khi có mặt từ trường Tại tâm mỗi vòng

là electron

Khi từ trường mạnh lên sẽ có nhiều vòng

quay hơn electron Và năng lượng Coulomb sẽ

giảm bằng cách đặt nhiều vòng quay vào một

electron

Hình 4 Quá trình hút giữa electron và vòng quay

tại mức Landau phân số với ν = 1/3 (1 electron

với 3 lượng tử từ thông)

Đặt 3 vòng quay trên một electron làm

giảm sức đẩy Coulomb Sự kết hợp này tạo nên

các hạt phức hợp (composite)

Trên hình 4 ta thấy một electron hút 3

lượng tử từ thông và ta nói rằng thừa số lấp đầy

(filling factor) ν = 1/3 (1 electron với 3 lượng tử

từ thông)

Mỗi trị số của từ trường ứng với một thừa

số lấp đầy (filling factor ν = tỷ số giữa số

elec-tron và số lượng tử từ thông ), ν = p/q trong đó p

và q là 2 số nguyên không có thừa số chung Số q

thường là số lẻ trừ trong các thừa số lấp đầy như 5/2 Trong các trạng thái với ν =1/q giả hạt mang điện tích bằng e/q

Hạt composite

Electron + lượng tử từ thông được xem như là một thực thể mới gọi là hạt phức hợp (com-posite particle – CP) Từ trường được kết nhập vào trong CP Và dưới quan điểm CP ta không còn phải chú ý đến từ trường nữa Ta thấy sự kết hợp với lượng tử từ thông có thể biến một boson thành fermion và ngược lại Một liên tưởng là cặp Cooper trong siêu dẫn Một electron kết với một

số chẵn lượng tử từ thông trở thành một fermion composite FC Một electron kết với một số lẻ lượng tử từ thông sẽ thành một boson composite

BC

Những điều vừa nói chỉ có trong không gian 2-chiều: ở đây ta thấy một mối liên hệ sâu sắc giữa không gian và thống kê các hạt

Trong trường hợp FQHE các hạt không còn là những electron mà là những giả hạt mới lạ mang điện tích phân số

Hình 5 Nhiều phân số đã xuất hiện trong R H

Khối lượng CP không liên quan đến khối

lượng của electron mà liên quan đến từ trường

đây là hệ quả của hiệu ứng hệ nhiều hạt

Hình 6 FQHE tại ν = 5/2 (mẫu số là số chẵn)

Người ta còn phát hiện trạng thái ν = 5/2

Đây là những trạng thái FQHE đặc biệt vì mẫu số

của thừa số lấp đầy lại là số chẵn Những trạng

thái này xuất hiện trong những hạt gọi là cặp

fer-mion phức hợp (composite ferfer-mion pairs)

Hệ electron 2-chiều trong từ trường mạnh

đã dẫn đến một vật lý hệ nhiều hạt hoàn toàn mới

Bị giam giữ trong không gian 2-chiều với sự có

mặt của từ trường, electron đã trình duyệt nhiều

tính chất quan trọng: xuất hiện nhiều trạng thái

electron với các số lượng tử phân số, sự kết dính

với từ thông, xuất hiện nhiều loại hạt tuân theo

hoặc thống kê Boson hoặc thống kê Fermi, khối

lượng có nguồn gốc thuần túy từ tương tác

elec-tron-electron Các electron đã tạo nên những hạt

mang điện tích phân số mà không phải do có sự

tách rời electron thành nhiều phần nhỏ hơn

2/ Hiệu ứng AHARONOV-BOHM (viết

tắt là AB)

Hiệu ứng Aharonov-Bohm là một hiện

tượng lượng tử trong đó một hạt mang điện bị

tác động bởi trường điện từ (E,B) mặc dầu chỉ

chuyển động trong một vùng không gian trong đó

cả hai trường E và B đều bằng không

Theo hiệu ứng AB một hạt mang điện tích

q khi chuyển động theo lộ trình P trong một vùng với từ trường B = 0 song A ≠ 0 (B= = ∇×0 A)

sẽ thu được một dịch pha:

Hình 7 Thí nghiệm hai khe để quan sát hiệu ứng Aharonov-Bohm Hai quỹ đạo sẽ chênh lệch pha

với nhau

Hai quỹ đạo có hai mút đầu và cuối như nhau chỉ tương đương nhau về mặt tô-pô nếu trong vùng mà hai quỹ đạo đó quét từ trường B =

0 song A ≠0 (xem hình 8)

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

Hình 8 Hai quỹ đạo sẽ không tương đương tô-pô

với nhau nếu trong vùng mà chúng giới hạn có

A ≠ 0

Hiệu ứng AB là hệ quả của điều kiện buộc

rằng vật lý lượng tử phải bất biến đối với điều

kiện chuẩn (gauge) cho thế điện từ, trong đó thế

vector từ (magnetic vector potential) A là một

thành phần

Trong hiệu ứng Aharonov-Bohm (AB)

quan trọng là thế điện từ (electromagnetic

poten-tial) (tức ( , )Φ A ) chứ không phải điện trường E

hay từ trường B

Hiệu ứng AB chứng tỏ rằng chính các

thế điện từ chứ không phải là từ trường hay điện

trường là những đại lượng cơ bản trong Cơ học

lượng tử

Hiệu ứng AB chứng tỏ rằng các trường E

và B không chứa đầy đủ các thông tin về trường

điện từ mà ta phải sử dụng thế 4-chiều

Trong phần III các bạn đọc sẽ thấy khi tết

(braid) quỹ đạo của hai anyon thì chúng thu được

một pha tô-pô tương tự như pha thu được trong

Tài liệu tham khảo

[1] Michael A Nielsen & Isaac L.Chuang Quantum computation and quantum information, Cambridge

[2] K.A.Valiev,A.A.Kokin ,Priroda, No

12, 2002

[3] Alastair I M Rae Quantum mechanics [4] I.V Bargatin ,B.A Grishanin, V.N Zadkov, Uspekhi Fizicheskikh Nauk, 7/2001

[5] Nobel Lecture: The fractional tum Hall effect, Horst L Stormer

quan-Department of Physics and quan-Department

of Applied Physics, Columbia University, New York, New York 10023 and Bell Labs, Lucent Technologies, Murray Hill, New Jersey 07974 [S0034-6861(99)00704-7]

[6] Aharonov-Bohm effect, Adrian Kaminski , 8th of June, 2005

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

1 ỨNG DỤNG ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ

TRONG CÔNG NGHIỆP

Ứng dụng các đồng vị phóng xạ trong

công nghiệp rất rộng lớn Ứng dụng điển hình là

sử dụng kỹ thuật nguồn kín để tạo ra các hệ thống

đo và tự động hóa trong các dây chuyền sản xuất

Nhiều kiểu loại đo bề dày dựa trên thực tế là tia

gamma bị suy yếu khi chúng đi xuyên qua vật

liệu Bằng cách đo số lượng tia gamma, người ta

có thể xác định được bề dày Qúa trình này được

ứng dụng trong những ngành công nghiệp thông

thường như là:

1 Ngành công nghiệp ô tô: Kiểm tra chất

lượng thép, xác định bề dày thích hợp của thiếc

và nhôm

2 Ngành công nghiệp hàng không: Kiểm tra những lỗ hổng trong động cơ phản lực

3 Ngành xây dựng: Xác định mật độ của mặt đường và bề mặt bên dưới

4 Công nghiệp dầu khí: Kiểm tra vết nứt

nẻ của các mối hàn đường ống, đo độ phóng xạ trong các giếng khoan dầu khí

5 Ngành công nghiệp khai thác dầu khí

và khoáng sản: Vẽ đường đồng mức các giếng khoan thử nghiệm và các lỗ khoan

Kỹ thuật hạt nhân và đồng vị phóng xạ ngày càng được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp có hiệu quả, trong vài trường hợp kỹ thuật này cung cấp những thông tin mà những kỹ thuật khác không thể làm được Phân tích liên tục và phản hồi kết quả nhanh của kỹ thuật hạt nhân cho thấy tiện ích của kỹ thuật này cũng như cung cấp số liệu tin cậy và liên tục, giảm chi phí.

CẶP NHẬT ỨNG DỤNG ĐỒNG VỊ PHÓNG

XẠ TRONG CÔNG NGHIỆP

6 Ngành công nghiệp cáp: Kiểm tra nứt

gãy cáp giây trượt tuyết

7 Đo mức phối liệu, độ ẩm, mật độ của

các dây chuyền sản xuất điện than, giấy, hóa chất,

đồ uống, xi măng

Kỹ thuật này cho phép thực hiện đo lường,

kiểm tra, thử nghiệm không làm ảnh hưởng đến

hệ thống công nghệ, đo trong điều kiện sản xuất

thực tế (nhiệt độ, áp suất, độc hại…)

2 CẶP NHẬT MỘT SỐ KỸ THUẬT

1/ Các kỹ thuật Neutron cho phân tích

Neutron từ một lò phản ứng nghiên cứu

có thể tương tác với các nguyên tử trong một mẫu

vật tạo ra phát xạ tia gamma, những tia này-khi

phân tích để xác định năng lượng đặc trưng và

cường độ-sẽ xác định ra chủng loại và số lượng

các nguyên tố hiện hữu Hai kỹ thuật neutron

chính đang được sử dụng hiện nay là Thermal

Neutron Capture (TNC) và Neutron Inelastic

Scattering (NIS) TNC xuất hiện ngay tức thì sau

khi một neutron năng lượng thấp bị một hạt nhân

hấp thụ, NIS diễn ra ngay khi một neutron nhanh

va chạm với một hạt nhân

Hầu hết các máy phân tích thương mại sử

dụng nguồn neutron californium-252 cùng với

thiết bị detector sodium iodide và chủ yếu nhạy

cảm với những phản ứng TNC Những máy phân

tích khác sử dụng nguồn Am-Be-241 và thiết

bị detector bismuth germanate, thiết bị này có

cấu hình của cả hai kỹ thuật TNC và NIS Phản

ứng NIS đặc biệt hữu hiệu đối với các nguyên

tố như là C, O, Al & Si, các nguyên tố này có

một tiết diện ngang thu tóm neutron năng lượng

thấp Thiết bị như vậy được sử dụng cho một loạt

phân tích trong các ngành công nghiệp xi măng,

khoáng sản và than

Một ứng dụng đặc biệt của NIS là ở nơi một đầu thăm dò có mang một nguồn neutron được hạ xuống trong một lỗ khoan-tại đây bức

xạ bị phát tán khi đầu dò chạm đến nền đất xung quang Vì hydrogen (là thành phần chủ yếu của nước) cho đến thời điểm này là nguyên tử tán xạ tốt nhất, số lượng neutron tán trở lại một detector gắn trong đầu dò là một hàm số của mật độ nước trong đất

Để đo mật độ đất và hàm lượng nước, một thiết bị di động với americium-241-beryllium tạo

ra tia gamma và neutron-tia này và neutron xuyên qua một mẫu đất để tới một detector (Các neutron phát sinh ra từ các hạt alpha tương tác với Be-9) Ứng dụng kỹ thuật này một cách tinh vi hơn đang được thực hiện tại các lỗ khoan thăm dò

2/ Các kỹ thuật tia Gamma & X trong phân tích

Sự lan truyền hay tán xạ tia gamma có thể được sử dụng để xác định trực tuyến hàm lượng tro trên băng truyền Sự tương tác tia gamma phụ thuộc vào số lượng nguyên tử, và tro có số lượng nguyên tử lớn hơn là than Phổ năng lượng của tia gamma-những tia này đã phát tán không đàn hồi

từ than-có thể đo được (Compton Profile sis) để xác định ra hàm lượng tro

Analy-Tia X từ một nguyên tố phóng xạ có thể tạo ra tia X phát huỳnh quang từ những vật liệu không phóng xạ khác Năng lượng từ những tia X huỳnh quang phát ra có thể xác định sự hiện diện các nguyên tố trong vật liệu, và cường độ năng lượng có thể chỉ ra số lượng của mỗi nguyên tố

Kỹ thuật này được sử dụng để xác định mức độ tập trung nguyên tố trong quy trình làm giàu khoáng sản Đầu dò có chứa đồng vị phóng

xạ và một detector được gắn trực tiếp vào trong

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN

dòng huyền phù Tín hiệu từ đầu dò được xử lý

sẽ cho biết độ tập trung của các nguyên tố đang

được giám sát, và có thể đo được độ đậm đặc của

huyền phù Các nguyên tố được phát hiện theo

cách này là sắt, nickel, đồng, kẽm, thiếc và chì

Nhiễm xạ tia X (XRD) là một kỹ thuật

khác được áp dụng để phân tích trực tuyến nhưng

không dùng các đồng vị phóng xạ

3/ Chụp ảnh phóng xạ Gamma

Chụp ảnh phóng xạ gamma giống như

máy chiếu kiểm tra hành lý bằng tia X ở sân bay

Lẽ ra cần máy cồng kềnh để tạo ra tia X, kỹ thuật

này tạo ra tia X bằng một viên vật liệu phóng xạ

nhỏ bé đựng trong một viên nang titanium kín

Viên nang được đặt vào một phía của đồ vật

được chiếu kiểm tra, phim được đặt ở phía bên

kia Tia gamma, giống như tia X, đi xuyên qua

đồ vật và tạo ra một hình ảnh trên phim Giống

như tia X cho thấy chỗ gãy xương, tia gamma cho

thấy những lỗ hổng, thiếm khuyết trong vật kim

loại đúc hay môi hàn Kỹ thuật cho phép các cấu

phần quan trọng được kiểm tra các khuyết lỗi bên

trong mà không làm hư hỏng cấu phần

Nguồn gamma dễ dàng vận chuyển hơn

là thiết bị tia X, như vậy ứng dụng tia gamma

chắc chắn thuận lợi nhiều nhất là ở những vùng

xa xôi hẻo lánh Trong khi nguồn tia X phát ra

một băng bức xạ rộng, nguồn gamma chỉ phát

ra vài bước sóng riêng rẽ Nguồn gamma cũng

có thể là nguồn năng lượng cao hơn nhiều so với

các nguồn khác ngoại trừ thiết bị tia X đắt tiền

nhất, và vì vậy kỹ thuật này có một lợi thế cho

chụp ảnh phóng xạ Tại những chỗ có vết hàn của

đường ống dẫn khí hoặc dầu, người ta đặt một

phim đặc biệt trên mối hàn ở phía ngoài đường

ống Một máy gọi là “máy bánh xích thu thập

thông tin ống” đem một nguồn phóng xạ kín vào bên trong đường ống tới chỗ có mối hàn Tại đó, nguồn phóng xạ được cho phơi chiếu từ xa và tạo ra một ảnh phóng xạ của mối hàn trên phim Phim này sau đó được tráng rửa và kiểm tra xem

có những lỗ thủng trong mối hàn không

Tia X có thể được sử dụng khi nguồn điện

có ở đó và vật thể cần được kiểm tra bằng nguồn tia X có thể đưa được tới nguồn tia X và chụp ảnh phóng xạ Đồng vị phóng xạ có lợi thế lớn là có thể đem đến tận nơi cần kiểm tra và không cần có nguồn điện Tuy nhiên, không đơn giản chỉ có thể ngắt nguồn gamma, mà phải giữ kín nguồn trong lúc sử dụng và khi không sử dụng

Thử nghiệm không phá hủy là một mở rộng ứng dụng của chụp ảnh phóng xạ gamma

để kiểm tra sản phẩm và vật liệu Ví dụ, bium-169 kiểm tra thép dày tới 15 mm và hợp kim nhẹ tới 45 mm, trong khi iridium-192 được

ytter-sử dụng đối với thép dày từ 12 đến 60 mm và hợp kim nhẹ tới 190 mm

4/ Đo lường

Cường độ của bức xạ từ một đồng vị bị giảm đi khi qua vật thể đặt giữa nguồn phóng xạ

và một detector Detector được sử dụng để đo sự suy giảm này Nguyên lý này có thể được dùng

để đánh giá sự hiện diện hoặc thiếu vắng, hoặc ngay cả để đo số lượng hoặc mật độ của vật liệu đặt giữa nguồn và detector Tính ưu việt của việc

sử dụng nguyên lý này để tiến hành việc xác định hoặc đo lường là không có sự tiếp xúc với vật thể cần đo

Nhiều ngành công nghiệp chế biến sử dụng phương pháp đo cố định bằng tia gamma

để giám sát và kiểm tra dòng các chất chảy trong đường ống, tháp chưng cất, v.v…

Chiều cao của than trong một phễu có

thể được xác định bằng cách đặt những nguồn

gamma năng lượng cao tại các độ cao khác nhau

dọc theo một bên, hướng các chùm tia ngang qua

phễu nạp than Các detector được đặt đối diện với

nguồn sẽ ghi nhận sự dán đoạn của chùm tia và

như vậy xác định mức than trong phễu Sử dụng

các đồng vị phóng xạ để đo đồng mức như vậy rất

phổ biến trong công nghiệp

Các máy sản xuất phim plastic sử dụng

đồng vị để đo bề dày của phim plastic bằng hạt

beta Phim chạy với tốc độ cao giữa một nguồn

phóng xạ và một detector Cường độ tín hiệu

de-tector được sử dụng để kiểm tra bề dày của phim

plastic

Trong sản xuất giấy, phương pháp đo beta

được sử dụng để giám sát bề dày của giấy ở tốc

độ tới 400 m/s

Khi cường độ bức xạ từ một đồng vị

phóng xạ bị giảm đi khi chùm tia đi qua vật thể

nằm trong chùm tia, vài bức xạ phát tán trở lại

nguồn bức xạ Lượng bức xạ phát tán này liên

quan đến số lượng vật thể nằm trong chùm tia,

thực tại này được sử dụng để đo các đặc trưng của

vật thể, cụ thể là để đo bề dày phủ lên bề mặt của

vật thể

3 ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ CÔNG

NGHIỆP

Cho tới nay các nhà khoa học xác định

được khoảng 1.800 đồng vị phóng xạ, trong đó

có tới 200 đồng vị đang được sử dụng, hầu hết là

đồng vị nhân tạo, sử dụng thường xuyên nhất là

nguồn đồng vị: phát hạt alpha Po-210, Pu-239 và

Am-241; phát hạt beta Kr-85, Sr-90, Pm-147 và

Tl-240; phát gamma Co-60, Cs-137, Tm-170 và

Am-241; phát neutron Ra-Be, Po-Be và Am-Be

Sau đây là một số đồng vị phóng xạ được ứng dụng trong công nghiệp:

Các đồng vị xuất hiện tự nhiên:

Carbon-14: Là một công cụ nghiên cứu

quan trọng Được sử dụng để xác định tuổi đời của gỗ và các vật liệu chứa carbon khác (tới 20.000 năm) và nước ngầm (tới 50.000 năm) Trong nghiên cứu dược phẩm, được sử dụng là chất đánh dấu để đảm bảo là dược phẩm được chuyển hóa không tạo ra sản phẩm phụ gây nguy hại Cũng được sử dụng trong nghiên cứu vi sinh, nông nghiệp, kiểm soát môi trường

Chlorine-36: Được sử dụng để đáng giá

các nguồn chloride và tuổi đời của nước (tới 2 triệu năm)

Lead-210: Được sử dụng để xác định

thời gian hình thành lớp cát và đất tới 80 năm Tritium (H-3): Được sử dụng để xác định nước ngầm “non trẻ” (tới 30 năm)

Đồng vị phóng xạ nhân tạo:

Americium-241: Được sử dụng để xác

định tán xạ trở lại, trong nhiều detector khói, để

đo mức độ chì độc hại trong các mẫu sơn khô, xác định chiều cao nạp liệu và hàm lượng tro, xác định bề dày lá thép các và giấy, và giúp tìm ra nơi nào có dầu mỏ

Cadmium-109: Được sử dụng để phân

tích hợp kim kim loại trong kiểm tra hàng tồn kho và phân loại kim loại phế

Caesium-137: Được sử dụng cho kỹ

thuật đánh dấu phóng xạ để nhận dạng sói mòn đất và dịch chuyển đất, xác định mật độ và mức

độ chiều cao nạp liệu Cũng để khử trùng gamma

có cường độ thấp Để điều trị u biếu ung thư, xác định liều thuốc chuẩn cho dược chất phóng xạ, để