Công nghệ lò phản ứng nhanh và hệ thống lò phản ứng điều khiển bằng máy gia tốc

☆☆☆

Đề Tài:

SVTH : Nguyễn Thanh Tòng
CBHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm
CBPB : Th.S Huỳnh Trúc Phương

Thành phố Hồ Chí Minh, 7/ 2006


Lời cảm ơn!

Thời gian qua thật nhanh, bốn năm ngồi ở giảng đường đại
học đã hết, những gì em đạt được hôm nay là nhờ vào sự giứp đỡ
của biết bao nhiêu người cùng với nổ lực của bản thân:
+ Mẹ, anh chị lo cho cơm áo gạo tiền.
+ Thầy cô cho em nguồn tri thức.
+ Bạn bè cho em niềm vui cùng nghị lực vươn lên.
Và để hoàn thành đề tài này, em đã nhận được biết bao lời
chỉ dẫn quý báo của thầy, cô. Em chân thành cảm ơn đến các thầy:
+ Thầy Mai Văn Nhơn, người đã cho phép em thực hiện đề
tài này.
+ Thầy Nguyễn Đình Gẫm, người hướng dẫn em thực hiện
đề tài.
+ Thầy Huỳnh Trúc Phương, người đã cho em những ý phản
biện để hoàn chỉnh đề tài.
+ Các thầy cô trong trường, trong khoa, đặc biệt là các thầy
cô trong bộ môn vật lý hạt nhân đã cung cấp cho em những kiến
thức cơ bản để hoàn thành đề tài này.
Em cũng chân thành cảm ơn đến các anh, chị, các bạn trong

bộ môn vật lý hạt nhân đã có những gợi ý và cùng em chia sẽ
trong suốt thời gian làm đề tài.
Sau cùng em chúc các thầy cô luôn hạnh phúc và dồi giàu
sức khoẻ để truyền đạt lại nhiều kiến thức cho chúng em, để
chúng em có đủ nghị lực và hành trang bước vào ngưỡng cửa xã
hội đầy thử thách.
Em xin chân thành cảm ơn!
Tp.HCM, 7 – 2006


Mục lục
Lời nói đầu .........................................................................................................1
Phần I: Công nghệ lò phản ứng nhanh. .........................................5
Chương 1: Lịch sử và hiện trạng của lò phản ứng nhanh .................5
1.1. Lịch sử của lò phản ứng nhanh. .............................................................5
1.2. Nhiên liệu cho những lò phản ứng nhanh. ............................................7
1.3. Lựa chọn chất làm nguội lò phản ứng. ..................................................9
1.4. Khuynh hướng hiện thời trong sự phát triển của công nghệ lò phản

ứng nhanh. ..............................................................................................10
1.4.1. Sự lựa chọn chất lỏng làm nguội thay thế trong những hệ
thống lò phản ứng nhanh. .........................................................10
1.4.2. Những lợi thế của Pb và Pb-Bi so với Na. ...............................11
1.4.3. Những bất lợi của Pb và Pb- Bi. ................................................11
1.4.4. Những lợi thế của 2He4 và CO2..................................................12
1.4.5. Những bất lợi của 2He4 và CO2..................................................13

Chương 2: Viễn cảnh của những lò phản ứng nhanh. .......................15
2.1. Nhật Bản. ................................................................................................15
2.1.1. Những lò phản ứng thử nghiệm. ...............................................15

2.1.2. Hệ thống năng lựơng nguyên tử SCNES. ................................16
2.2. Pháp và Tây Âu. ....................................................................................18
2.2.1. Những lò phản ứng kiểm chứng. ..............................................18
2.2.2. Sự cộng tác lò phản ứng nhanh ở Châu Âu. ............................19
2.3. Ở Mỹ. ......................................................................................................20
2.3.1. Những thành tựu đạt được. ........................................................20
2.3.2. Đồ án IFR. ...................................................................................21

Phần II. Công nghệ lò phản ứng điều khiển bằng máy


gia tốc . .........................................................................................25
Chương 3: Nguyên lý hoạt động và cấu tạo chung của ADS ..........26
3.1. Nguyên lý hoạt động của ADS. ...........................................................26
3.2. Cấu tạo chung của một ADS. ...............................................................26
3.3. Hiện tượng vật lý xảy ra khi một hệ thống ADS vận hành. .............28

Chương 4: Những khía cạnh của lò phản ứng dưới tới hạn. ..........30
4.1. Sự phân bố thông lượng neutron. ........................................................30
4.2. Độ phản ứng của lõi dưới tới hạn. .......................................................31
4.3. Tầm quan trọng của nguồn neutron. ....................................................32
4.4. Động lực học của những lõi dưới tới hạn. ..........................................33
4.5. Hoạt độ và rủi ro mất thông lượng. .....................................................35
4.6. Kiểm tra và điều khiển khả năng phản ứng. .......................................38
4.7. Thí nghiệm. .............................................................................................39
4.8. Những vấn đề về công nghệ. ................................................................43
4.9. Mối quan hệ giữa lò phản ứng dưới tới hạn và máy gia tốc. ............44

Chương 5: Công nghệ phá vỡ hạt nhân bia. .........................................46
5.1. Những bia chất rắn. ...............................................................................47

5.2. Những bia kim loại lỏng. ......................................................................48
5.3. Những bia chì. ........................................................................................51
5.4. Bia chì – bitmut. .....................................................................................52
5.5. Những cấu trúc vật chất cho những bia Pb-Bi. ..................................53
5.6. Liều lượng phóng xạ tới những cấu trúc vật chất và cửa
sổ chùm tia. ............................................................................................54
5.7. Hiệu quả của đường đi chùm tia. .........................................................54

Chương 6: Công nghệ máy gia tốc. ..........................................................56
6.1. Tình trạng hiện tại của công nghệ gia tốc thẳng. ...............................58
6.2. Tình trạng hiện tại của công nghệ cyclotron. .....................................61
6.3. Sự phụ thuộc của số neutron sinh ra theo năng lượng proton tới. ...63

Chương 7: Ưu khuyết điểm của hệ thống lò phản ứng điều khiển


bằng máy gia tốc. ......................................................................66
7.1. Ưu điểm của ADS. .................................................................................66
7.1.1. Đặc tính an toàn của ADS. ........................................................66
7.1.2. Nhiên liệu của ADS....................................................................66
7.1.3. Khả năng thiêu huỷ chất thải trong ADS. ............................ 67
7.2. Khuyết điểm của ADS. .........................................................................70

Phụ lục những từ viết tắt
Tài liệu tham khảo


71

Phụ lục những từ viết tắt:

P&T:

Partitioning and Transmution

FR:

Fast Reactor

ADS:

Accelerator Driven Systems

EBR:

Experimental Breeder reactor

LWR:

Light Water Reactor

LBE:

Lead Bitmut Eutecti

EFR:

Experimental Fast Reactor

LLFP:

Long-lived Fission production

MA:

Minor Actinides

FBR:

Fast Breeder Reactor

PWR:

Pressurised Water Reactor

TRU:

Transuran

FFTF:

The Fast Flux Test Facility

IFR:

Intergral Fast Reactor

PRISM:

Power Reactor Innovative Small Module

ALMP:

Advanced Liquid Metal Reactor

SC:

Sub-critical

MUSE:

Multoplication acec Source Externe


1
Lời nói đầu

Lời nói đầu
Cùng với sự phát triển của xã hội lồi người, thì nhu cầu sử dụng năng lượng
khơng ngừng tăng lên, trong khi đó những nguồn năng lượng chủ yếu như: than đá,
dầu mỏ, khí đốt sẽ cạn kiệt trong vài thập niên tới. Theo dự đốn, vào năm 2050,
tiêu thụ năng lượng của thế giới sẽ gấp đơi và nhu cầu điện năng sẽ tăng gấp ba.
Mức tiêu thụ ghê gớm này, mà phần lớn ở các nước đang phát triển, khơng thể thoả
mãn được nhờ “nguồn năng lượng mới” như gió, mặt trời, địa nhiệt... Trong tình thế
đó thì năng lượng hạt nhân được xem là giải pháp tối ưu cho vấn đề năng lượng
tương lai.
Cách đây hơn 50 năm, ngày 27/6/1954, nhà máy điện hạt nhân đầu tiên trên
thế giới được đưa vào hoạt động tại Ơpnhinxcơ, một thành phố nhỏ gần Moskva.
Hiện nay, trên tồn thế giới có 441 lò phản ứng hạt nhân phát điện đang hoạt động
tại 30 nước với tổng cơng suất 359 triệu KW, chiếm 17% tồn bộ sản lượng điện.
Theo tài liệu của IAEA tháng 9 năm 2003, những nước có điện hạt nhân đứng đầu

thế giới là:
1. Mỹ

104 lò phản ứng

98.230 MWe

2. Pháp

59

63.073 ----

3. Nhật

54

44.287----

4. Đức

19

21.283----

5. Nga

30

20.793----

6. Hàn Quốc

18

14.890----

7. Anh

31

12.252----

8. Ucraina

13

11.207----

9. Canada

14

10.018----

10. Thụy Điển

11

9.432----

Theo IAEA tháng 9 năm 2003, những nước có tỷ lệ điện hạt nhân cao so với
tồn bộ năng lựơng là:

CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


2
Lời nói đầu

1. Lát-vi

80,12%

2. Pháp

77,97%

3.Slovakia

65,41%

4. Bỉ

57,32%

5. Bungari

47,30%

6. Thụy Điển

45,75%

7. Ucraina

45,66%

8. Slovenia

40,74%

9. Hàn Quốc

38,62%

10. Hungari

36,14%

Và chúng ta biết rằng, để có được nguồn năng lượng hạt nhân như thế thì
điều khơng thể thiếu đó là các lò phản ứng hạt nhân. Lò phản ứng hạt nhân là quả
tim của nhà máy điện hạt nhân. Hiện nay có rất nhiều loại lò phản ứng hạt nhân
nhưng loại được ưa chuộng là lò phản ứng dùng nguồn neutron nhanh, và một loại
lò phản ứng cho tương lai đó là lò phản ứng được điều khiển bằng máy gia tốc.
Mặt dù năng lượng hạt nhân là cực kỳ cần thiết cho xu hướng phát triển của
thế giới, tuy nhiên nó cũng ln bị phản đối mạnh mẽ nhất là vì hai ngun nhân
sau:
+ Thứ nhất: về mặt an tồn, năng lượng hạt nhân là nguồn năng lựơng cực kỳ

lớn, vì thế khi xảy ra sự cố sẽ để lại hậu quả nghiêm trọng chẳng những trong hiện
tại mà còn kéo dài trong hàng trăm năm sau đó. Minh chứng cho vấn đề này là rất
nhiều sự cố đã xảy ra, trong đó nghiêm trong nhất là tai nạn nhà máy điện hạt nhân
Three Mile Island ở Mỹ xảy ra vào lúc 4 giờ sáng ngày 28/3/1979 và tai nạn nhà
máy điện hạt nhân Tchernobyl nằm ở phía Bắc cách thủ đơ Kiép của Ucraina 150
Km vào ngày 26/4/1986.

CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


3
Lời nói đầu

+ Thứ hai: là vấn đề chất thải phóng xạ. Theo tính tốn, một lò phản ứng hạt
nhân kiểu nước áp suất cơng suất 1000 MW, mỗi năm cho ra 21 tấn chất thải phóng
xạ trong đó có:
-

20 tấn urani có độ giàu từ 3% U235 còn 0,9%

-

200 kg plutoni

-

21 kg chất actinid trong ấy có 10 kg neptuni, 10 kg amerixe, 1 kg curi.

-

760 kg sản phẩm phân hạch trong đó có nhiều ngun tố sống dài như:

 9 kg xesi-135, chu kỳ bán rã 2,3 triệu năm
 18 kg tecnixi-99, chu kỳ bán rã 2,14 triệu năm
 16 kg ziriconi-93, chu kỳ bán rã 1,5 triệu năm
 5,5 kg paladi-107, chu kỳ bán rã 6,5 triệu năm
 3 kg iốt-128, chu kỳ bán rã 1,5 triệu năm.
Trong số này thì chất thải plutoni là cực kỳ nguy hiểm, vì chỉ cần từ 6 – 7 kg plutoni
cũng đủ chế tạo một quả bom hạt nhân.
Vào một ngày thứ sáu đẹp trời, 26/11/1993, một ý tưởng mới tầm cỡ thế kỷ
đã ra đời. Đó là ý tưởng xây dựng một lò phản ứng hạt nhân hồn tồn an tồn, vừa
đảm bảo khơng xảy ra sự cố, vừa hạn chế sinh ra những chất thải hạt nhân dài ngày
đe doạ tương lai của nhân loại. Ý tưởng này được nêu ra bởi nhà khoa học người Ý
Carlo Rubbia, người được giải thưởng Nobel vật lý năm 1984 vì đã tìm ra hạt boson
Z và W.
Có người gọi lò phản ứng hạt nhân mới này của Carlo Rubbia là “ lò phản
ứng điều khiển bằng máy gia tốc “, có người gọi là “ máy khuếch đại năng lượng”.
Vậy ý tưởng đó là gì?
Sau đây xin mượn bài phỏng vấn của tạp chí pháp “ Science et Aveir” ( khoa
học và tương lai ) với Carlo Rubbia, được đăng trong số tháng 2/1994 để trả lời câu
hỏi trên:
+ Phóng viên hỏi: tại sao ơng nói thiết bị mà ơng đề nghị sẽ khơng gây tai
nạn và sach sẽ?
CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


4
Lời nói đầu

+ Carlo Rubbia trả lời: thiết bị này là “dưới tới hạn” vì vậy khơng thể nào có
tai nạn như Tchernobyl. Còn sạch là vì khơng sinh ra plutoni và các chất thải dài
ngày độc hại, khơng gây nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân, tơi tin rằng điều này rất
quan trọng.
Sau đây chúng ta cùng tìm hiểu về hai kiểu lò phản ứng hạt nhân hiện tại và
tương lai: lò phản ứng hạt nhân sử dụng chùm neutron nhanh đang được ưa thích và
lò phản ứng hạt nhân điều khiển bằng máy gia tốc, cơng nghệ của tương lai.

CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


5
Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh

Phần I: Cơng nghệ lò phản ứng nhanh
Chương 1: Lịch sử và hiện trạng của cơng nghệ
lò phản ứng nhanh.
1.1. Lịch sử của lò phản ứng nhanh.
Trong 20 năm đầu tiên tồn tại, lò phản ứng nhanh và lò phản ứng nhiệt cùng
nhau phát triển. Lò phản ứng nhanh đầu tiên là Clementine ở Los Alamos (USA)
năm 1946 với cơng suất 150 KW. Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên trên thế giới để
phát điện là một lò phản ứng nhanh, đó là EBR ở Mỹ năm 1951. Trong những năm
60, bốn lò phản ứng nhanh thí nghiệm có cùng cơng suất tới hạn được trình bày ở
bảng 1.1. Trong đó cũ nhất và lớn nhất là lò DFR cơng suất 72 MWth, hoạt động
thành cơng trong 18 năm. Trong những lò này, NaK được dùng làm chất làm nguội
sơ cấp.
Lò phản ứng nhanh US Enrico Fermi, năm 1964, cơng suất 66 MWe, sau 3
năm hoạt động, lò này chịu một sự tan chảy nhiên liệu và cuối cùng ngừng hoạt

động năm 1972. Từ 1972 đến 1974, ba lò phản ứng ngun mẫu thành cơng được
đưa vào hoạt động là: lò BN-350 ở USSR ( nay là Kazakhstan), Super-phenix ở
pháp và PFR ở UK. Lò BN-350 và PFR ngừng hoạt động năm 1999 và 1994.
Những lõi hoạt động của hai lò này rất tốt nhưng vấn đề ở những lò này là nồi hơi.
Lò phản ứng SNR-300 được xây dựng ở Đức bởi sự hợp tác của Đức, Bỉ và Hà Lan,
máy móc và thiết bị đã sẵn sàng vào năm 1985, nhưng chưa được phép của chính
phủ, lò này chưa bao giờ được cho phép khởi động. Lò phản ứng tới hạn đầu tiên
của Nhật là Monju xuất hiện vào tháng 4 năm 1994, Monju bị rò rỉ Na ở vòng thứ
hai vào tháng 9 năm 1995. Giai đoạn của những lò lớn cơng nghiệp bắt đầu với sự
xuất hiện của: lò BN-600, 600MWe ở USSR( Nga) 1980, và Super-phenix
(1240MWe) ở Pháp năm 1985. Những khó khăn về mặt cơng nghệ liên quan đến
việc sử dụng Na như là một chất làm nguội và vấn đề kinh tế trong một sự bảo hồ
hơn là mở rộng năng lượng ngun tử trên thị trường. Lò BN-600 và Super-phenix
CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


6
Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh

còn lại chỉ là tàn dư của những lò phản ứng nhanh cơng nghiệp. Những lò phản ứng
nhỏ hơn như những lò phản ứng nhiệt được phát triển nhiều hơn. Động lực xây
dựng các lò phản ứng nhanh dần dần thay đổi. Lúc bắt đầu, mục tiêu chính để phát
triển lò phản ứng nhanh là việc giữ gìn nguồn tài ngun urani. Thật dễ dàng nhìn
thấy lợi ích của một cơng nghệ như vậy trong một kỷ ngun của thiếu và tăng giá
urani. Tuy nhiên, lượng urani còn lại nhiều và rẻ, bởi vì tốc độ tăng trưởng của năng
lượng ngun tử thấp hơn mức dự kiến. Vậy thì, việc sử dụng những lò phản ứng
nhanh bên trong một lò đốt cho việc quản lý plutoni kiếm được là quan trọng. Hơn
nữa, sự mong muốn xa hơn nữa thật lạc quan của chu trình nhiên liệu gồm sự vứt bỏ
chất thải mức cao gần đây đã khuấy động sự quan tâm tăng lên trong việc mở rộng

việc áp dụng của lò phản ứng nhanh từ sự đốt cháy plutoni để biến đổi tất cả thành
actinid.

Bảng 1.1. Những chương trình lò phản ứng nhanh,
lần đầu tiên tới hạn

CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


7
Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh

1.2. Nhiên liệu cho những lò phản ứng nhanh.
Từ khi mới bắt đầu, nhiều kiểu nhiên liệu được thử nghiệm: làm giàu urani
hay plutoni trong kim loại, nitride, ơxit hoặc mẫu cacbua, hoặc một sự pha trộn
những oxit của plutoni và urani. Người ta ghi nhận sự phát triển của nhiên liệu cho
lò phản ứng nhanh. Năm mươi năm đã qua chứng kiến sự chuyển đổi phổ biến của
nhiều kiểu nhiên liệu từ lúc bắt đầu sử dụng nhiên liệu kim loại, rồi đến gốm ( phần
lớn là oxit) và cuối cùng là oxit lẫn kim loại. Trong khi thực hiện, thì những u cầu
và ưu tiên bị thay đổi. Bởi vì, sự dãn nở nhanh chóng của nhiên liệu cháy và tính
tương thích của lớp sơn phủ, kim loại ngun chất và hợp kim Pu-U khơng được sử
dụng nữa.
Ngày nay, nhiên liệu thực chất bao gồm gốm đang tồn tại ở dạng nung kết.
Nhiên liệu được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay là mẫu pha trộn của oxit Pu và U (
U,Pu)O2 lên đến 30% Pu.

Bảng 1.2. Sự chiếu xạ nhiên liệu MOX trong lò phản ứng nhanh

CBHD: Nguyễn Đình Gẫm

SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


8
Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh

Việc sản xuất nhiên liệu cho lò phản ứng nhanh cũng giống như sản xuất
nhiên liệu cho những lò phản ứng nước nhẹ, bao gồm sự nung kết nhiệt độ cao, nơi
mà nhiên liệu trong mẫu ở dạng viên rắn, viên tròn hoặc nhiên liệu tự do. Những sự
khác nhau chính, là bó nhiên liệu được bố trí trong một vỏ bọc phủ lên ống, và
những bó nhiên liệu đó được bọc trong một ống thép 6 cạnh. khi những kim được
bao bọc, chúng sẽ hoạt động như là hàng rào đầu tiên, nó phải tương thích với nhiên
liệu và chất lỏng làm nguội ( Na lỏng) để đảm bảo sức bền của máy móc và khơng
rò rỉ cho tồn tại lâu dài. Vật chất nhiên liệu đã hiện diện trong một vài lò phản ứng
giới hạn, thậm trí khi mục tiêu thực hiện đã được mở rộng bởi một lò phản ứng thế
hệ thứ 3. Thép ngun chất là vật liệu phù hợp nhất cho nhu cầu ngày nay và được
chứng minh bởi nhiều lần thử nghiêm, cho phép phạm vi tăng nhanh giữa 105 và
2.105 MWd/t.

Bảng 1.3. Những nhà máy sản xuất nhiên liệu cho lò phản ứng nhanh

CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


9
Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh

1.3. Lựa chọn chất làm nguội lò phản ứng.
Những lò có cơng suất lớn, thì kim loại nóng chảy được dùng làm chất tải

nhiệt làm nguội các lò phản ứng. Kiểu chất lỏng làm nguội này cho phép các lò hoạt
động ở áp suất thấp, như vậy giảm bớt sự cố của chất làm nguội. Kim loại lỏng
được dùng thử đầu tiên trong các lò phản ứng là thuỷ ngân, nhưng nó sớm được
thay thế bởi Na dễ kiếm và giá rẻ. Do Na chảy ở 98oC và sơi ở 880oC, nên có một
phạm vi hoạt động rộng. Mật độ của Na ở nhiệt độ này tương đương với nước, rất
thuận lợi cho các máy bơm sử dụng. Tuy thế Na cũng có những hạn chế nhất định:
ở nhiệt độ làm việc nó bắt lửa tự động khi tiếp xúc với khơng khí, đồng thời nó
phản ứng mảnh liệt với nước. Vì vậy phản ứng của Na với nước phải được xem xét
cẩn thận trong việc thiết kế các nồi hơi. Ngày nay, cơng nghệ điều khiển những vấn
đề này được phát triển rất tốt.

1.4. Khuynh hướng hiện thời trong sự phát triển của cơng nghệ
lò phản ứng nhanh.
1.4.1. Sự lựa chọn chất lỏng làm nguội thay thế trong những hệ thống lò
phản ứng nhanh.
Kim loại Na được chấp nhận như là chất lỏng làm nguội trong các lò phản
ứng vì nó rất thuận tiện trong việc truyền nhiệt và phù hợp với các cấu trúc vật liệu
thép, và có giá thành tương đối thấp. Tuy nhiên, người ta nhận thấy có sự tạo thành
CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


10
Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh

những sản phẩm có tính phóng xạ Na24, và tạo ra phản ứng hố học với nước, khơng
khí. Gần đây, những khó khăn trong việc khắc phục phản ứng của Na trong những
lò phản ứng đã dẫn đến việc dùng kim loại lỏng như chì hoặc chì-bitmut để thay thế
Na nhằm :
+ Tăng sự cạnh tranh kinh tế, nếu kế hoạch được đơn giản hóa bằng việc khử

nhiểu trong vùng vận chuyển nhiệt trung gian.
+ Tăng tính an tồn.
+ Gia tăng sức chịu đựng trong suốt thời gian dài hoạt động của lò mà khơng
cung cấp lại nhiên liệu.
Ba sự phát triển ấy đang được nghiên cứu trên những chất lỏng lảm nguội
sau:
+ Mở đầu trong lĩnh vực hạt nhân ở Nga, với thơng tin về cơng nghệ Eutectichì- bitmut ( LBE) dùng trong những lò phản ứng dùng để cung cấp lực đẩy cho tàu
ngầm, và dự án cho các lò phản ứng nhanh FR làm nguội bằng chì.
+ Tiếp sau là Mỹ và Nhật đã sử dụng chất lỏng làm nguội trong các lò phản
ứng nhanh bao gồm: Na, chì, chì-bitmut.

1.4.2. Những lợi thế của Pb và Pb-Bi so với Na.
+ Pb và Pb-Bi trong lõi làm nguội có một sự kích hoạt lên lỗ trống phản ứng
nhỏ hơn, hiệu ứng độ tái kích hoạt lỗ trống là vấn đề bị chỉ chích nhiều do việc dùng
Na làm chất làm nguội lò phản ứng nhanh.
+ Hiệu ứng tái kích hoạt lỗ trống cho phép một lõi FR có thể hoạt động ở
một hệ số Keff cao hơn và do đó dòng proton thấp hơn.
+ Pb: trái với Na, Pb khơng bị kích hoạt trong những lò phản ứng tới hạn, Pb
bị kích hoạt bởi những phản ứng năng lượng cao như ( n,p).

CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


11
Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh

+ Nhiệt độ sơi cao: 1743oC đối với chì và 1670oC đối với Pb-Bi thay vì
880oC của Na, làm giảm bớt tiềm năng của sự cố sơi gây ra.
+ Chất lỏng nóng Pb và Pb-Bi khơng phản ứng với khơng khí.

+ Khơng xãy ra phản ứng hóa học với nước, điều này cho phép thiết kế các
lò phản ứng với các hệ thống tải nhiệt đơn giản hơn nhiều.
+ Pb: trong sự tan chảy nhiên liệu ( nếu xảy ra) thì Pb cung cấp một hàng rào
hiệu quả chống lại bức xạ và một phiên bản phóng xạ vì nhiệt độ nóng chảy cao
328oC đối với Pb thay vì 98oC của Na và 123oC đối với Pb-Bi.

1.4.3. Những bất lợi của Pb và Pb-Bi.
+ Pb-Bi: Bi209 bắt neutron biến thành Po210 và phát ra hạt anpha ( 2He4).
+ Pb: nhiệt độ nóng chảy cao làm tăng sự cố tắt nghẽn chất lỏng làm nguội.
+ Khi vận hành gây nguy hiểm bởi sự bào mòn và sự ăn mòn ( điều này được
giải quyết nếu dùng Na), kết hợp với hệ thống kiểm tra chất lỏng kém, điều này đặc
ra những vấn đề quan trọng về an tồn như :
- Làm sai hỏng cấu trúc.
- Những sự tắt nghẽn bởi bùn đặc.
+ Mật độ cao của chì và chì-bitmut làm phức tạp trong việc thiết kế giao
diện cho lò phản ứng nhanh.
+ Đòi hỏi những thiết kế phải đo đạc lại sự nổi của cấu trúc lõi làm phức tạp
trong việc thiết kế chống địa chấn.
+ Tăng xác suất sự cố mất chất lỏng làm nguội ban đầu.
+ Tăng thêm cơng suất máy bơm.
+ Trong những hệ thống sơ cấp với sự tuần hồn tự nhiên, những thuộc tính
của chì và chi-bitmut có thể làm cho sự đáp lại của hệ thống đối với sự rối loạn cân
bằng nhiệt rất chậm và khó khăn.
+ Kinh nghiệm sử dụng ít hơn Na, hầu hết các lò FR được làm mát bằng Na,
Pb-Bi được dùng trong những lò phản ứng trong tàu ngầm, Pb khơng được sử dụng.
Những kim loại lỏng khác cũng có thể dùng làm chất làm nguội, nhưng ít
phù hợp hơn cho ứng dụng quy mơ lớn.
CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng

12
Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh

Nhiều khái niệm lò FR dùng khí làm chất làm nguội (2He4, C02) đã được
nghiên cứu trước đây. Những khái niệm như vậy bây giờ đang được xem xét lại,
chủ yếu vì khí trong suốt dễ dàng kiểm tra và bảo trì và những vòng vận chuyển
nhiệt có thể đơn giản hố.

1.4.4. Những lợi thế của 2He4 và C02.
+ Chúng tỏ ra tin cậy đối với những nhiên liệu bình thường, ít liên quan đến
hiệu ứng độ tái kích hoạt lỗ trống của chất làm nguội.
+ Sự trong suốt của chất khí làm nguội làm cho việc kiểm tra những cấu trúc
bên trong đơn giản hơn.
+ Hêli: khí trơ về mặt hóa học và khơng ăn mòn.
+ Hệ thống tải nhiệt có thể đơn giản hóa, khơng cần nhu cầu cho những
mạch trung gian, có khả năng sử dụng một tuabin hêli.
+ Làm đơn giản hóa cách trình bày của nhiên liệu chiếu xạ.

1.4.5. Những bất lợi của 2He4 và C02.
+ Áp suất cao đẫn đến khả năng sự cố mất chất làm nguội.
+ Sự khác nhau về áp suất cao trên bề mặt lò cần được lưu tâm khi thiết kế
lò.
+ Bình áp suất, sự lựa chọn bình áp suất có mức độ lớn hơn, và giới hạn của
khả nặng chịu đựng của lõi cao hơn.
+ Thiếu qn tính nhiệt của lõi dẫn đến sự trơi qua nhanh khỏi những điều
kiện bình thường.
+ Những đặc tính tải nhiệt ít thuận tiện hơn dẫn đến một sự giới hạn trong
mật độ năng lượng nhiên liệu và cơng suất thích hợp cho sự biến đổi.
+ Tốc độ dòng chảy cao của khí nóng gây ra động lực rất lớn và do đó gây ra

tiến ồn và sự rung động.
+ C02 có thể ăn mòn hệ thống điều khiển.
+ Điểm bất lợi của khí làm nguội là ít thuận lợi cho việc tải nhiệt, áp lực vận
hành cao, nó đòi hỏi một sự giảm áp cho sự an tồn.

CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


13
Chương 1: Lòch sử và hiện trạng lò phản ứng nhanh

Ở Nhật thường dùng khái niệm BWR nhằm hướng đến bó nhiên liệu lattice
khơng rỉ và phần nhỏ lổ trống cao hơn, để thu được một tỷ lệ sinh của sự đồng nhất
hoặc mức độ khơng đáng kể ở trên.
Ở Châu Âu, LWR hoạt động trong chế độ dưới tới hạn về nhiệt động lực học.
Nước đi vào lò như chất lỏng làm nguội và thốt ra ở áp suất cao mà khơng xảy ra
một sự chuyển pha. Những sự phát triển gần đây, cơ bản dựa vào cơng nghệ lò phản
ứng nước nhẹ, khơng phải là nhằm vào một sự chuyển đổi actinid đặc biệt, nhưng
khá hơn ở sự cải tiến việc sử dụng nguồn tài ngun.

CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


15
Chương 2: Viễn cảnh của lò phản ứng nhanh

Chương 2: Viễn cảnh của những lò phản ứng nhanh.
Thực chất, một sự giảm xuống rất lớn trong sự phát triển lò phản ứng nhanh

xảy ra ở hầu hết các nước thành viên của tổ chức hợp tác và phát triển kinh tế từ
giữa những năm 1980. Ngồi ra, trong 5 năm qua, sự phân chia và sự biến đổi trên
những hệ thống chùm tia nhanh từ những lò phản ứng nhanh chuyển đến khái niệm
lò phản ứng điều khiển bằng máy gia tốc. Tuy vậy, khái niệm lò phản ứng nhanh
vẫn tiếp tục được nghiên cứu và phát triển, chẳng hạn:
+ Trong hệ thống năng lượng ngun tử ở Nhật.
+ Lò phản ứng nhanh (EFR) ở Châu Âu.
Sau đây ta tìm hiểu về sự phát triển cơng nghệ lò phản ứng nhanh ở một số
nước phát triển nhất thế giới.
2.1.

Nhật Bản.

2.1.1. Những lò phản ứng thử nghiệm.
Sự phát triển những lò phản ứng nhanh ở Nhật cơ bản dựa vào Joyo và
Monju. Lò phản ứng thử nghiệm Joyo, tới hạn lần đầu vào năm 1977 với lõi Mark-I
tại cơng suất 50 MWth ( sau đó tăng lên 75 MWth), sau đó vào năm 1982 được thay
thế bằng lõi Mark-II cơng suất 100 MWth. Lõi này bên trong được phủ một lớp
phản xạ bằng Inơc, đã hoạt động được 35 chu kỳ làm việc với những ngun liệu và
nhiên liệu thử nghiệm. Từ tháng 6 năm 2000, lò này được nâng cấp tới lõi Mark-III,
nó sẽ tăng cường khả năng bức xạ ( khoảng 30% dòng neutron cao hơn, tăng tính
sẵn sàng, cơng nghệ bức xạ được nâng cấp). Cực đại nhiên liệu cháy trong Joyo là
71000 MW d/t.
Monju, là một lò phản ứng ngun mẫu 714 MWth ( 280 MWe), tới hạn lần
đầu tiên vào tháng 4 năm 1994, và cung cấp vào hệ thống lưới điện quốc gia lần đầu
tiên là vào tháng 8 năm 1995. Lõi đầu tiên của Monju được tải với nhiên liệu MOX
với độ giàu Plutoni 20% và 30% đối với khu vực lõi bên trong và vòng ngồi. Tại
sự cân bằng, 1/5 lõi nạp nhiên liệu sẽ được bóc dở và cung cấp lại nhiên liệu, khi
CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng

16
Chương 2: Viễn cảnh của lò phản ứng nhanh

hoạt động sẽ cung cấp trung bình 80000 MWd/t. Nhiều lõi thành cơng của Monju
được lên kế hoạch để giống với kiểu nhiên liệu MOX.
Tháng 9 năm 1995, trong khi kiểm tra lại sự hoạt động ở cơng suất 40%,
Monju xuất hiện sự rò rỉ Na ở vòng thứ hai. Từ đó nó được ngưng hoạt động để sữa
chữa, sau khi được sữa và thiết kế lại cần ít nhất 4 năm trước khi lên kế hoạch hoạt
động lại.
2.1.2. Hệ thống năng lượng ngun tử SCNES.
Ở Nhật, hệ thống năng lượng ngun tử đã được định nghĩa như là một hệ
thống làm thoả mãn những chủ đề sau: năng lượng điện, nhiên liệu tái sinh, giảm sự
phát sinh ra actinide và sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ, bảo đảm an tồn.
Nếu hệ thống sản sinh ra vật chất nguy hiểm cho con người và mơi trường, nó có
thể được loại trừ trong chính hệ thống ấy. Tìm năng lớn của những lò tái sinh với
nhiên liệu MOX, nitride và nhiên liệu hợp kim đã được nghiên cứu trong mối liên
quan của an tồn hạt nhân và những khả năng chuyển hóa hạt nhân phóng xạ.
Một số sản phẩm phân hạch có thời gian sống dài như: Se79, Te99, Pd107, I129,
Cs135 và Sm151 được chọn cho sự chuyển đổi, chúng có tác hại ở một nữa thời gian
sống dưới một năm và những thứ khác được hạn chế trong hệ thống. LLFP có thể
được chuyển đổi trong lớp bao phủ chùm tia và một phần miền phủ quanh trục. Để
làm tăng hiệu quả chuyển đổi, những neutron ở khu vực bao phủ phóng xạ được
làm giảm nhẹ bằng hydride lỏng ZeH. Những actinide chủ yếu được tái sinh và
chuyển đổi thành như một nhiên liệu và có thể được hạn chế đến hệ thống mà
khơng có bất kỳ một sự va cham đáng kể nào trên hạt nhân và những sự an tồn tiêu
biểu. Mức rủi ro của LLFP cho mỗi tấn của nhiên liệu qua sử dụng từ SCNES sau
1000 năm thì nhỏ như của quặng urani tiêu biểu.
Trong trường hợp nhiên liệu kim loại, U-TRU-10%Zr hợp kim với một vài

phần trăm MA được sử dụng trong một kế hoạch tái sinh thuần nhất. Cách thức tái
sản xuất được đề nghị cho kim loại này phải là một chuỗi của sự tinh chế điện tử, sự
chưng cất, cách lọc, sự di chuyển điện và cuối cùng là sự đúc khn. Ngun tố kim
CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


17
Chương 2: Viễn cảnh của lò phản ứng nhanh

loại Tc ( Tecneti) bị lắng xuống đáy của bình catmi trong sự tinh chế điện tử, trong
khi kim loại paladi bị hòa tan trong bể, Selen được lấy lại từ hệ thống khí thải trong
q trình xử lý lại, cuối cùng chất lót có thể lấy lại được như NaI trong q trình xử
lý lại trước khi tinh chế điện, ở đó Xêzi thừa dạng clorua trong q trình tinh chế
điện tạo thành muối.
Một hệ thống tái sinh nhiên liệu nitric actinide và q trình tái chế hóa học
cao nhiệt được nghiên cứu tỉ mỉ để thiết lập một sự tái sinh và hệ thống chuyển đổi
cho những hạt nhân phóng xạ có thời gian sống dài. Kết quả của những nghiên cứu
này được tóm tắt như sau:
+ Việc sử dụng nhiên liệu nitric cho phép một sự thực hiện lõi lò phản ứng
nhanh thật tuyệt vời, rất ít hoặc hầu như làm mất hiệu lực độ tái kích hoạt và gần
như bằng khơng trong sự chuyển hoạt động cháy.
+ Một biến đổi với 5wt% MA có thể hổ trợ nhiều hơn 6 – 10 đơn vị nhiên
liệu PWR đã dùng một năm. Sau một vài chu kỳ tái sinh, kết cấu MA hầu như đi
đến cân bằng.
+ Đăc tính độc hại của C14 được sản sinh ra bởi việc sử dụng N14 ( nitric tự
nhiên) hầu hết trở thành americium và curium sau 5000 năm, và độ độc của N15 làm
giàu đến 90% là tương đương với sản phẩm phân hạch sau 1000 năm. Bởi vậy, sự
khơi phục C14 trở thành một vấn đề rất quan trọng đến việc sử lý lại cao nhiệt có thể
là một giải pháp.

+ Q trình cao nhiệt có thể được làm thích hợp để xử lý nhiên liệu đã dùng
dạng nitric. Ước lượng q trình cho thấy rằng actinide đã được phân rả rất tốt từ
sản phẩm phân hạch, và mức chất thải cao là gần như actinide tự do.
+ Mở đầu việc nghiên cứu cho kế hoạch thiết kế được trình bày đó là chi phí
của chu kỳ nhiên liệu của hệ thống kết hợp này có thể được giảm bớt về cơ bản bởi
việc tận dụng q trình tái sản xuất hố học cao nhiệt làm nó trở về dạng đơn giản
và rắn chắc.

2.2. Pháp và Tây Âu
CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


18
Chương 2: Viễn cảnh của lò phản ứng nhanh

2.2.1. Những lò phản ứng kiểm chứng.
Cơng việc nghiên cứu đã được tiến hành trong gần 30 năm, khơng chỉ ở pháp
mà còn ở những nước Châu Âu láng giềng như: Bỉ, Ha Lan, Đức, Ý, và Mỹ. Dự án
xây dựng một lò phản ứng nhanh của Châu Âu ( EFR) thành cơng là Superphenix,
nhưng bị trì hỗn đến 2010 hoặc hơn.
Lò ngun mẫu Phenix 250 MWe, đã ngừng hoạt động từ 1990 đến 1994, và
hoạt động lại từ 1995. Tuy nhiên, sự bảo trì , kiểm tra, và sữa chữa tỏ ra nhiều hơn
những kế hoạch trước đây, với sự an tồn được đòi hỏi với những u cầu khác như
đo đạt địa chấn, phục hồi tất cả máy hơi nước ( nồi hơi), sự kiểm tra bằng mắt các
cấu trúc bên trong khối lò phản ứng, và những kiểm tra siêu âm những mối hàn của
lõi lò phản ứng. Sau khi hồn tất cơng việc đổi mới, nó tiếp tục hoạt động ở 2/3
cơng suất vào hè năm 2002.
Thành tựu chủ yếu trên nhiên liệu MOX trong lò phản ứng ngun mẫu
phenix và PFR có thể tóm tắt phía sau:

+ Vỏ bọc nhiên liệu gồm thép và những hợp kim của nhơm đã được tối ưu
hóa và kiểm tra trong sự đốt cháy bức xạ cao ở PFR nhiều hơn 135000 MWd/t cho
đầy đủ những sự lắp ráp từng phần, trung bình đốt cháy ở trên 180000 MWd/t đã
đạt được với nhiên liệu thử nghiệm.
+ Ống ferit bọc ngồi, thực tế khơng phồng lên dưới tác dụng của neutron
nhanh, đã được phát triển để điều tiết sự cháy cao.
2.2.2. Sự cộng tác lò phản ứng nhanh ở Châu Âu.
Lò phản ứng nhanh cộng tác của Châu Âu ( EFR) được thành lập năm 1988,
sự tham gia của các tổ chức đã khởi đầu một chương trình thiết kế và phê chuẩn
hoạt động. Dự án lò phản ứng nhanh thương mại được hòa hợp vào trong một hiệp
ước EFR “ thiết kế phù hợp đầu tiên”. Ba năm theo đuổi cho hệ thống EFR cuối
cùng cũng hồn thành và kết quả là sự chuyển đổi và sự phân chia đã được hợp nhất
vào trong thiết kế.
Mục tiêu chủ yếu ban đầu tạo ra những tiện ích cho EFR là:
CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng


19
Chương 2: Viễn cảnh của lò phản ứng nhanh

+ Một sự hiện đại của tiêu chuẩn an tồn, có thể so sánh với những lò LWR
tương lai, và cho phép sự tham gia của những quốc gia mà khơng có sự thay đổi
thiết kế đáng kể.
+ Tìm năng cạnh tranh về giá điện có thể so sánh với những lò LWR tương
lai.

☆

An tồn của EFR.

Một đặc tính an tồn của EFR là ứng dụng rộng lớn những ngun lý “ bảo

vệ bên trong, theo chiều sâu” sự bảo vệ liên tiếp bao gồm:
+ Sự chọn lọc cẩn thận ngun liệu thích hợp, những thủ tục bảo vệ chất
lượng có tính chính xác cao.
+ Sự chuẩn bị những hệ thống để phát hiện ra những sự hư hỏng hoặc những
sai lệch thao tác thơng thường và ngăn chặn những hư hỏng lan rộng.
+ Những đặc tính an tồn và những hệ thống bảo vệ được hợp nhất vào trong
một thiết kế.
+ Ngăn ngừa những sai hỏng của thiết bị hoặc những lổi do con người dẫn
đến những sự cố.
+ Xây dựng nhiều lớp hàng rào liên tục để ngăn cản bất kỳ phiên bản phóng
xạ nguy hiểm nào thốt ra mơi trường.

☆

Thiết kế lõi cho EFR.
Lõi thiết kế EFR đã được tối ưu hóa cho sự an tồn:
+ Sự lựa chọn những kim nhiên liệu tuyến tính, ngăn ngừa sự tan chảy nhiên

liệu trong trường hợp tình cờ rút bỏ những thanh hấp thụ.
+ Sự lựa chọn chiều cao lõi để tối giản độ tái kích hoạt của Na.
+ Hệ số doppler để cung cấp sự phản hồi độ tái kích hoạt trong khoảng thời
gian ngắn.
+ Sử dụng những nhiên liệu viên hình khun để ngăn ngừa sự leo thang của
sự cố lõi bao gồm sự tan chảy nhiên liệu.

2.3. Ở Mỹ
CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng

20
Chương 2: Viễn cảnh của lò phản ứng nhanh

2.3.1. Những thành tựu đạt được:
Giữa những năm 1953 và 1954, một vài lò phản ứng nhanh được hoạt động ở
Mỹ. Hai trong số đó là EBR-2 ( lò phản ứng tái sinh thí nghiệm ) và EFFBR ( lò
phản ứng nhanh tái sinh Enrico Fermi ). Sau này xảy ra sự tan chảy nhiên liệu và
cuối cùng đóng cửa vào năm 1972. Lò FFTF ( The Fast Flux Test Facility) cơng
suất 400 MWth hoạt động năm 1980 với nhiên liệu trong lõi là sự trộn của nhiên
liệu ơxit và đạt cơng suất 500 MWth vào năm 1987.
Dự án lò phản ứng nhanh của Mỹ xuất hiện từ giữa năm 1994 khi chính phủ
quyến định đóng cửa EBR-2, đặt FFTF trong tình trạng nghỉ ngơi, xóa bỏ dự án
CRBR ( Clinch River Breeder Reactor) và từ bỏ dự án IFR ( Intergral Fast Reactor).
Đến cuối năm 2001, cơ quan năng lượng Mỹ cuối cùng thơng báo chấm dứt FFTF.
IFR là một sáng kiến lò phản ứng nhanh mới được xúc tiến bởi phòng thí
nghiệm quốc gia Argonne, nhiên liệu cơ bản gồm có 3 hợp kim U, Pt, Zirconium.
Ba hợp kim này được hình thành như là một sự kế nghiệp đến việc xử lý lại hợp
kim, chúng được tái sinh trong EBR-2. Khái niệm này được kết hợp bởi việc phổ
biến điện trong một dự án thiết kế được gọi là PRISM ( lò phản ứng cơng suất với
sáng kiến dùng nhiều mudun nhỏ), nó bao gồm sự đóng góp của 9 modun, mỗi cái
có cơng suất 135 MWe. Bản thiết kế PRISM sau đó được chỉnh sữa để phát ra điện
ở mỗi modun là 300 MWe ( PRISM Mod.B). Tất cả đồ án IFR được dựa vào việc
tái sinh hết actinide bằng việc sử dụng một q trình luyện kim điện với những lò
phản ứng rất phức tạp.
2.3.2. Đồ án IFR.

☆

Khái niệm IFR.
IFR phát triển bởi cơ quan năng lượng Mỹ trong thập kỷ giữa những năm

1984 và 1994. Cơng nghệ phát triển được đưa ra từ phòng thí nghiệm quốc gia
Argonne, đó là một dự án thiết kế lò phản ứng điện ngun tử đặc biệt ALMR ( lò
phản ứng kim loại lỏng tiên tiến). Vòng nhiên liệu IFR gồm một dòng kim loại lỏng
dùng làm nguội trong lò phản ứng nhanh và nhiên liệu hợp kim kết hợp với cơng
CBHD: Nguyễn Đình Gẫm
SVTH: Nguyễn Thanh Tòng