Hiện trạng phát triển lò phản ứng nghiên cứu trên thế giới

Hiện trạng phát triển lò phản ứng nghiên cứu trên thế giới

Trong hơn 60 năm qua các lò phản ứng nghiên cứu đã thực sự là
những trung tâm tiến tiến trong hoạt động khoa học và công nghệ hạt
nhân. Các nghiên cứu đa ngành mà lò phản ứng mang lại đã tạo ra các
phát triển mới trong lĩnh vực điện hạt nhân, sản xuất đồng vị phóng xạ,
nghiên cứu chùm nơtron, y học hạt nhân, phát tri
ển vật liệu, kiểm tra
thành phần vật chất, kiểm chứng các chương trình tính toán và kiểm soát
ô nhiễm.
Cho đến tháng 6 năm 2004 đã có 672 lò phản ứng nghiên cứu được
xây dựng trên thế giới và hiện nay 274 lò phản ứng đang vận hành ở 56
nước (85 lò phản ứng thuộc 39 nước đang phát triển), 214 lò phản ứng đã
ngừng hoạt động, 168 lò phản ứng đã được tháo dỡ và 17 lò phản ứ
ng đã
đưa vào kế hoạch hoặc đang trong quá trình xây dựng.
Hiện nay điều được mọi người quan ngại là nhiều lò phản ứng đã
dừng hoạt động nhưng chưa được tháo dỡ vẫn chứa cả nhiên liệu mới và
nhiên liệu đã cháy tại địa điểm. Việc kéo dài thời hạn giữa lúc dừng lò và
tháo dỡ sẽ làm ảnh hưởng đến cả giá thành và an toàn ở th
ời điểm tháo dỡ
chủ yếu do mất đi các chuyên gia có kinh nghiệm (những người đã cao
tuổi lúc lò dừng hoạt động) cần thiết tham gia vào việc tháo dỡ.
Phân bố số các nước có ít nhất một lò phản ứng nghiên cứu đạt cực
đại ở con số 60 nước (tính cho tất cả các nước nói chung) và 40 nước
(tính cho các nước đang phát triển) vào giữa những năm 1980. Số các
nước có ít nhất một lò nghiên c
ứu về cơ bản là không thay đổi từ năm
1965 đến nay đối với các nước công nghiệp và từ năm 1985 cho đến nay
đối với các nước đang phát triển. Bốn nước công nghiệp và 3 nước đang
phát triển đã từng có lò nghiên cứu thì nay không còn có nữa vì lò phản

ứng đã ngừng hoạt động. Hình 1 chỉ ra số các lò phản ứng nghiên cứu ở
trong các nước công nghiệp đạt cực đại tại năm 1975 và sau
đó giảm dần.
Số lò phản ứng trong các nước đang phát triển tăng từ từ, nhưng mà thay
đổi ít từ giữa những năm 1980.
450
400
400
393
379
374
350
346
327
324
324
314
300
304
288
283
276 276
257
250
220
200
190 190
155
173
150

100
89
86 86 86
84
79
73
55
50
41

Hình 1. Số các lò phản ứng nghiên cứu ở các nước công nghiệp và các
nước đang phát triển.
Hình 2 chỉ ra phân bố các lò phản ứng đang vận hành ở các nước.
Khoảng 70% là thuộc về các nước công nghiệp với Nga và Mỹ là những
nước có số lò nhiều nhất.
Nga
21%
Mü
19%
Ph¸p
5%
NhËt
7%
§øc
4%
Anh
1%
C¸c n−íc ph¸t triÓn
kh¸c 9%
Trung Quèc

5%
C¸c n−íc ®an
g
ph¸t
triÓn kh¸c 26%
Cana®a
3%

Hình 2. Phân bố lò phản ứng nghiên cứu tại các nước thành viên IAEA –
273 lò.
Hình 3 chỉ ra sự giảm số lò phản ứng được đưa vào vận hành trong
bốn thập niên rưỡi vừa qua và sự tăng số lò phản ứng bị dừng hoạt động.
Mô hình này phản ảnh sự phát triển của lĩnh vực hạt nhân từ một ngành
khoa học tương đối mới đã trở thành một lĩnh vực công ngh
ệ. Tuy nhiên,
điều này không có nghĩa rằng các lò phản ứng nghiên cứu mới là không
cần thiết, mà nó vẫn cần thiết và đang được xây dựng ở một số nước tuỳ
theo mục đích và nhu cầu của quốc gia. Phần lớn các lò này là những loại
cải tiến, đa mục tiêu được thiết kế để tạo ra các thông lượng nơtron cao.
0
6
6
0
14
14
38
38
0
18
0

1945
1950
1955
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2002
Năm
Số lượng lò

2
Nhiều lò phản ứng sẽ đáp ứng tất cả các nhu cầu nghiên cứu phát triển hạt
nhân của đất nước cũng như tạo điều kiện cho các nhà khoa học của các
nước khác đến làm việc. Ngoài ra, một số lò phản ứng sẽ dùng để sản
xuất đồng vị phóng xạ cho đất nước và xuất khẩu trong khu vực.
350
299
300
250
Số lượng lò
200
189
150
101

100
90
78
75
52

34
50

38
29
13

4
0
1945-1954
1955-1964
1965-1974
1975-1984
1985-1994
1995-2002
Năm

Hình 3. Số lò phản ứng bị tháo dỡ
và ngừng hoạt động.
Hình 4 chỉ ra phân bố tuổi của các lò đang vận hành. Nó đạt cực
đại ở xung quanh 40 năm và với gần 2/3 các lò phản ứng đang vận hành
trên thế giới là có tuổi thọ trên 30 năm. Trong khi một số lò phản ứng cũ
có thể là nguyên nhân của các mối lo ngại về mặt an toàn, còn lại đa số
các lò phản ứng đã được tân trang lại để thoả mãn các đòi hỏi v

ề an toàn
và các chuẩn công nghệ mới hiện nay. Nhưng các thách thức liên quan
đến tuổi của các cấu kiện và vật liệu cùng với việc duy trì đội ngũ và
ngân sách cho các cơ sở lò phản ứng tiếp tục là những vấn đề nghiêm
trọng trong nhiều quốc gia. Rất may là hiện nay các vấn đề này đang nhận
được sự quan tâm ngày càng tăng lên của toàn thế giới.
Số lượng lò

Số năm vận hành

3
Hình 4. Phân bố tuổi các lò phản ứng đang vận hành.
Lò phản ứng nghiên cứu đã được xây dựng dựa trên hàng chục loại
thiết kế khác nhau và sử dụng các loại nhiên liệu khác nhau. Hình 5 chỉ ra
phân bố công suất của các lò đang vận hành. Phân bố công suất nhiệt của
các lò phản ứng đang vận hành chỉ ra rằng phần lớn các lò phản ứng
(77%) có công suất nhỏ hơn 5 MW, do đó ngay cả trong trườ
ng hợp xấu
nhất của kịch bản tai nạn thì cũng không có bất kỳ hậu quả nào đáng kể
cho khu vực xung quanh lò phản ứng. Năm mươi phần trăm các lò đang
vận hành có công suất thấp hơn 100 kW, do đó chúng vận hành với vùng
hoạt không thay đổi suốt vòng đời của lò phản ứng hoặc ít phải thay
nhiên liệu và do đó vấn đề lưu giữ nhiên liệu đã cháy ít quan trọng hơ
n
hoặc không có vấn đề nhiên liệu đã cháy cho đến khi lò dừng hoạt động.
Trong các nước đang phát triển thì có 33 lò phản ứng thuộc loại này trên
tổng số 85 lò. Nhưng rất nhiều lò phản ứng được vận hành với nhiên liệu
uran độ giàu cao (HEU), có nghĩa là hàm lượng U-235 lớn hơn 20%. Để
giảm và từng bước loại bỏ việc buôn bán các uran có độ giàu cao cho các
lò nghiên cứu, Mỹ đã thiết lập Chương trình làm giảm

độ giàu cho các lò
nghiên cứu và thử nghiệm. Chương trình này đã được sử ủng hộ của
IAEA ngay từ đầu và ngay nay Nga cũng là một đối tác tham gia Chương
trình.
23MW-85MW
>= 100M
W
6MW - 20MW
7%
4%
1,1MW - 5MW
12%

< 1kW
26%
200kW - 1 WM
15%

1kW - 100kW
24%
12%

Hình 5. Phân bố công suất của các lò đang vận hành.
Các lò nghiên cứu hiện đang gặp phải các khó khăn trong chu trình
nhiên liệu hạt nhân do có nhiều kiểu thiết kế khác nhau sử dụng các loại
nhiên liệu khác nhau cho các mục tiêu riêng biệt. Các khó khăn này bao
gồm cả việc quản lý các thanh nhiên liệu ch
ưa tái xử lý và một số lớn các
bó nhiên liệu bị sai hỏng trong lò hoặc bị ăn mòn trong các bể chứa.
Tương tự, việc đa dạng hoá các thiết kế cũng có các khó khăn riêng cho

việc tháo dỡ lò phản ứng sau này.

4
Ngày nay khi các nước quyết định xây dựng lò phản ứng nghiên
cứu mới cần phải xem xét một cách đầy đủ các lợi ích về xã hội, kinh tế,
và kĩ thuật. Tất cả các vấn đề liên quan đến quản lý hoạt động của lò phản
ứng nghiên cứu từ khi xây dựng cho đến khi tháo dỡ cần phải được xem
xét đầy đủ. Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA) đang trợ
giúp
các tổ chức vận hành và cơ quan có thẩm quyền quốc gia trong việc phát
triển các kế hoạch mang tính chiến lược một cách thực tế tập trung vào
việc sử dụng các lò phản ứng nghiên cứu này một cách phù hợp với các
khả năng và mục tiêu của cơ sở và của đất nước.
Các kiểu sử dụng lò phản ứng nghiên cứu đã chuyển dịch từ việc
cung cấp thông tin quan tr
ọng của vật lý hạt nhân trong 3 thập niên đầu
tiên và hỗ trợ phát triển điện hạt nhân sang đào tạo, nghiên cứu phát triển
vật liệu và sản xuất đồng vị phóng xạ. Do nhu cầu phục vụ nghiên cứu cơ
bản về hạt nhân giảm, đa phần các lò nghiên cứu đang vận hành hiện nay
trở thành một thiết bị làm dịch vụ về sản xuất đồng vị
phóng xạ, chụp ảnh
nơtron, pha tạp chất bán dẫn và phân tích kích hoạt nơtron cho nhiều đối
tượng sử dụng. Chúng cũng tiếp tục với vai trò truyền thống trong lĩnh
vực giáo dục và đào tạo.
Các lò phản ứng được sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ
thường có mức công suất từ 1 MW trở lên. Hiện nay có 73 lò phản ứng
sản xuất đồng v
ị phóng xạ trong đó 6 lò có thông lượng nơtron cao hơn
5x10
14

n/cm
2
/s. Một số lò năng lượng (nhà máy điện hạt nhân) cũng được
sử dụng để sản xuất đồng vị phóng xạ, chủ yếu là sản xuất đồng vị Co
60
.
Phân bố công suất của các lò phản ứng nghiên cứu dùng sản xuất đồng vị
phóng xạ trong các nước OECD và các nước khác được cho trên Hình 6.
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Ch©u ¢u B¾c Mü Th¸i B×nh
D−¬ng
< 5MW
5-30MW
>30MW
0
2
4
6
8
10
12

§«ng ¢u + Nga Ch©u ¸ + Trung
§«ng
Ch©u Phi + Mü
Latinh

Hình 6. Phân bố công suất của các lò phản ứng nghiên cứu dùng sản xuất
đồng vị phóng xạ trong các nước OECD và các nước khác.
Từ Hình 6 thấy rằng khoảng một nửa lò phản ứng có công suất
trong khoảng 5-30 MW. Khoảng một nửa lò phản ứng đã có tuổi thọ trên
35 năm, như
ng 30% trong số này đã được tân trang hoặc nâng cấp. Hai lò
phản ứng của Úc và Pháp đã bị dừng hoạt động và được thay thế bằng các
lò mới.

Canada có dự án xây dựng lò phản ứng có thông lượng nơtron cao

5
(3x10
15
n/cm
2
/s) với giá đầu tư là 466 triệu $ phục vụ cho nghiên cứu vật
liệu.
Việc sử dụng trong tương lai các lò phản ứng nghiên cứu chất
lượng cao được hy vọng là sẽ rất mạnh mẽ để giúp cho các nhà nghiên
cứu có được các kết quả nghiên cứu mới trên cơ sở các chùm nơtron
thông lượng cao và các nguồn nơtron lạnh. Nhiều lò phản ứng với các đặc
trưng kỹ thuật khiêm tốn c
ũng sẽ tiếp tục phát huy được lợi thế bằng cách
khai thác các chỗ thích hợp của các ứng dụng mang tính khu vực và các

ứng dụng chuyên biệt như pha tạp bán dẫn, kiểm tra các vòng tuần hoàn
trong mô phỏng các điều kiện của lò năng lượng, sản xuất đồng vị phóng
xạ và phân tích kích hoạt nơtron. Đồng thời, nhiều lò phản ứng nghiên
cứu sẽ tiếp tục đảm nhận vai trò huấn luyệ
n và đào tạo các nhà khoa học
và các kỹ sư cần thiết cho chương trình phát triển điện hạt nhân. Nhiều lò
phản ứng quá cũ hoặc không còn sử dụng sẽ có kế họach cho dừng hoạt
động và nhiều trong số này sẽ đòi hỏi nguồn kinh phí cho việc tháo dỡ (ví
dụ, một lò TRIGA công suất 1 MW sẽ đòi hỏi kinh phí tháo dỡ khoảng 1-
2 triệu $).
Hiện nay 9 lò phản ứng nghiên cứu mới đ
ang được xây dựng, và 8
lò phản ứng đã được đưa vào kế hoạch xây dựng phục vụ chủ yếu cho các
nghiên cứu khai thác các chùm nơtron (bao gồm cả lò phản ứng nghiên
cứu đa mục tiêu của Úc và lò FRM II của Đức). Các lò phản ứng này như
thông lệ rất đa dạng về công suất, loại lò và mục đích sử dụng. Có một lò
phản ứng loại nguồn nơtron nhỏ 30 kW (MNSR) đượ
c sử dụng cho việc
giáo dục và đào tạo cán bộ và phân tích kích hoạt nơtron (NAA). Hai
hoặc ba lò phản ứng công suất 1-2 MW đa mục tiêu loại TRIGA được sử
dụng cho một loạt các ứng dụng như giáo dục và đào tạo cán bộ, sản xuất
đồng vị phóng xạ, chụp ảnh nơtron và nghiên cứu vật liệu sử dụng các
chùm nơtron. Chúng cũng được sử dụng cho mục đích pha t
ạp silic và xạ
trị nơtron bằng kỹ thuật BNCT.
Hiện nay, nhu cầu trên thế giới về nghiên cứu khoa học hạt nhân,
phát triển công nghệ, dich vụ lò phản ứng và giáo dục và đào tạo không
còn đòi hỏi phải có một số lớn các lò phản ứng nghiên cứu. Tuy nhiên,
các dự án lò phản ứng mới thành công sẽ là các lò phản ứng có các thuộc
tính đặc biệt (có nghĩa là có thông lượng nơtron cao, có nguồn nơtron

l
ạnh hoặc là có các vòng trong vùng hoạt để mô phỏng các điều kiện của
lò năng lượng) hoặc là có những ưu thế trong hoạt động thương mại (có
nghĩa là có khả năng về sản xuất đồng vị phóng xạ và pha tạp silic). Vì
vậy, các lò phản ứng mới được xây dựng với số lượng ít hơn so với trước
đây, nhưng chúng có hai loại hoặc là đa mục tiêu hoặc là cho những
ứng
dụng đặc biệt. Lò phản ứng của Úc và Đức là loại đa mục tiêu. Lò phản
ứng đa mục tiêu của Đức (FRM II) có thông lượng nơtron cao được sử
dụng phần lớn cho các nghiên cứu với chùm nơtron. Hai lò Maple được
đưa vào vận hành gần đây ở Canada dựa trên thiết kế lò nghiên cứu,

6
nhưng chủ yếu được dùng như một nhà máy sản xuất đồng vị phóng xạ
Mo-99 bằng phương pháp phân hạch.
Có một số lò với vùng hoạt được thiết kế nhỏ gọn (compact) công
suất cao từ 10-100 MW sử dụng chất phản xạ là nước nặng (D
2
O) đã
được đưa vào kế hoạch xây dựng hoặc đang trong quá trình xây dựng.
Mục đích chính của các lò này là tạo ra các chùm nơtron thông lượng cao
phục vụ cho nghiên cứu vật liệu, nhưng chúng cũng thích ứng cho phần
lớn các ứng dụng thông thường của lò nghiên cứu như đã nêu trên, kể cả
sản xuất đồng vị phóng xạ. Có 4 hoặc 5 lò nghiên cứu mới là thuộc loại
đơn mục tiêu như là sản xu
ất đồng vị phóng xạ, thử nghiệm vật liệu và
cấu kiện của lò năng lượng hoặc khử mặn nước biển. Có 1 hay 2 lò
nghiên cứu đang được xem xét xây dựng cho mục tiêu thử nghiệm các
thiết kế lò năng lượng cải tiến.
Rất nhiều lò nghiên cứu đang vận hành hiện nay sẽ tiếp tục hoạt

động một cách hiệu quả bởi vì chúng tìm được các chố thích hợ
p trong
khai thác sử dụng như là kiểm tra các vòng mô phỏng điều kiện làm việc
của lò năng lượng, dịch vụ phân tích kích hoạt nơtron, đổi màu đá quý,
pha tạp silic và sản xuất đồng vị và cũng bởi sự linh động trong việc khai
thác các khả năng ứng dụng khác khi có nhu cầu. Đồng thời các thiết bị
này cũng tạo điều kiện cho công tác đào tạo cán bộ khoa học và kỹ thuậ
t
tham gia vào chương trình nghiên cứu phát triển hạt nhân của quốc gia.
Nhiều lò phản ứng nghiên cứu đã được nâng cấp gần đây để nâng
cao chất lượng chùm nơtron phục vụ các nghiên cứu với chùm nơtron
thông lượng cao hơn. Các cải tiến tập trung vào thiết kế lại vùng hoạt nhỏ
gọn, tăng công suất, thay đổi chất phản xạ cũng như nâng cấp hoặc bổ
sung thêm nguồn n
ơtron lạnh. Một khi thông lượng các chùm nơtron
được tăng lên thì rất tự nhiên là sẽ phải bổ sung thêm các thiết bị nghiên
cứu mới như thiết bị tán xạ nơtron góc siêu nhỏ hay phổ kế spin encho.
Các cải tiến khác bao gồm việc đưa thêm vào lò phản ứng kỹ thuật xạ trị
nơtron (BNCT) họăc tăng cường chất lượng của kỹ thuật này. Một số lò
cũ cũng đượ
c cải tiến bằng cách lắp thêm bộ biến đổi phân hạch để tạo ra
thông lượng nơtron trên nhiệt cao hơn, còn các lò khác thì lại thay thế cột
nhiệt hoặc là các kênh dẫn chùm notron để phục vụ cho các nghiên cứu
về xạ trị hoặc cho các nghiên cứu và điều trị khác.
Xu thế phát triển lò phản ứng nghiên cứu đã thay đổi trong những
năm gần đây. Các sứ mạng ban đầu của mộ
t số lò phản ứng đã hoàn thành
hoặc không còn ý nghĩa. Trong các trường hợp khác, các ứng dụng hiện
nay có thể được làm tốt hơn hoặc rẻ hơn nhiều khi sử dụng các công nghệ
mới hơn. Nguồn kinh phí hạn hẹp và các thay đổi về ưu tiên đã làm cho

một số chính phủ đã cắt giảm sự hỗ trợ cơ bản cho các lò phản ứng
nghiên cứu. Việc tạm dừ
ng hoặc giảm thiểu điện hạt nhân trong nhiều
nước công nghiệp đã làm giảm nhu cầu về giáo dục và đào tạo hạt nhân

7
cùng với việc ra đời các thiết bị mô phỏng đã lấy đi các chức năng đào
tạo trước đây của lò nghiên cứu.
Bảng 1 cho các thông tin về tần số tương đối của các ứng dụng lò
phản ứng nghiên cứu. Dòng cuối cùng về các sử dụng khác bao gồm các
hoạt động từ thăm quan cho công chúng đến nghiên cứu vật lý lò, định
chuẩn thiết bị, tạo nguồ
n positron, tạo ra điện năng và chụp hình theo độ
sâu nơtron.


Bảng 1: Tần số ứng dụng lò nghiên cứu
ứng dụng
Số lò phản ứng có úng dụng
Phân tích kích hoạt nơtron 71
Dạy học 68
Huấn luyện 63
Kiểm tra vật liệu và nhiên liệu 53
Sản xuất đồng vị phóng xạ 48
Nghiên cứu tán xạ nơtron 34
Chụp ảnh nơtron 32
Pha tạp silic và đổi màu đá quý 21
Nghiên cứu tuổi địa chất 14
Xạ trị nơtron (BNCT) 9
Các ứng dụng khác 47

Vương Hữu Tấn
(Theo tư liệu của IAEA)

8