Xác định độ cháy của thanh nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân bằng phương pháp tỷ số đồng vị

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Đinh Văn Thìn

XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÁY CỦA THANH NHIÊN LIỆU
TRONG LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỶ SỐ ĐỒNG VỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2015

ĐINH VĂN THÌN


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
---------------------

Đinh Văn Thìn

XÁC ĐỊNH ĐỘ CHÁY CỦA THANH NHIÊN LIỆU
TRONG LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
BẰNG PHƢƠNG PHÁP TỶ SỐ ĐỒNG VỊ

Chuyên ngành: Vật lý Nguyên tử và Hạt nhân
Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. BÙI VĂN LOÁT

Hà Nội - 2015

ĐINH VĂN THÌN


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội, tôi đã được gặp gỡ, học hỏi và làm việc cùng
những giảng viên rất nhiệt tình và tâm huyết với nghiên cứu khoa học, đặc biệt là
các thầy cô đang công tác tại Bộ môn Vật lý Hạt nhân, Khoa Vật lý. Vì thế, tôi xin
gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến quý thầy, cô, xin chúc các thầy cô luôn mạnh
khỏe để tiếp tục thắp sáng ngọn lửa tri thức dẫn lối cho lớp lớp sinh viên trên con
đường nghiên cứu khoa học.
Để hoàn thành được nội dung nghiên cứu trong cuốn luận văn này, tôi xin
bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS. Bùi Văn Loát, người thầy đã trực tiếp dìu
dắt và hướng dẫn khoa học cho tôi trong nhiều năm qua. Tôi đã học hỏi ở thầy
không chỉ về kiến thức chuyên môn mà còn cả lòng yêu nghề và sự tâm huyết với
khoa học. Tôi xin chúc thầy và gia đình luôn mạnh khỏe, hạnh phúc và mong
muốn thầy sẽ tiếp tục cống hiến nhiều hơn nữa cho sự nghiệp giáo dục và đào tạo
cho các thế hệ tương lai của đất nước.
Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Ban Lãnh đạo Trường Đại học Điện lực, Phòng

Tổ chức Cán bộ và Bộ môn Điện Hạt nhân đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi
hoàn thành khóa học này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới toàn thể người thân, bạn bè của tôi,
những người đã luôn quan tâm, động viên tôi vượt qua mọi khó khăn trong cuộc
sống. Tôi xin hứa sẽ cố gắng, nỗ lực nhiều hơn nữa để không phụ lòng tin của tất
cả mọi người.
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày……..tháng……..năm…………

Đinh Văn Thìn

ĐINH VĂN THÌN

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU………………...……………………………………………...….1
CHƢƠNG
I:
CƠ
THUYẾT……………………………………….2

SỞ

LÝ

1.1. Độ cháy và mối liên hệ với các đại lƣợng quan trọng trong lò phản

ứng hạt nhân. ...……………………………………………………………………2
1.1.1. Độ cháy ............................................................................................. 2
1.1.2. Liên hệ giữa độ cháy và các đại lượng quan trọng trong lò phản ứng
hạt nhân ..................................................................................................................... 2
1.1.2.1. Các đại lượng nhiệt động học ..................................................... 2
1.1.2.2. Các tiêu chí an toàn đối với nhiên liệu hạt nhân ......................... 4
1.2. Các phƣơng pháp xác định độ cháy .................................................. 12
1.2.1. Xác định độ cháy bằng phương pháp hóa học ................................ 13
1.2.2. Xác định độ cháy bằng phương pháp khối phổ kế.......................... 14
1.2.3. Xác định độ cháy bằng phương pháp không phá hủy mẫu ............. 19
1.3. Lý thuyết lò phản ứng hạt nhân ........................................................ 22
1.3.1. Tương tác của notron với hạt nhân ................................................. 22
1.3.1.1. Tiết diện phản ứng ................................................................... 22
1.3.1.2. Phản ứng tán xạ notron ............................................................. 24
1.3.1.3. Phản ứng chiếm bắt notron ....................................................... 25
1.3.1.4. Phản ứng phân hạch hạt nhân .................................................. 25
1.3.2. Lý thuyết khuếch tán notron đa nhóm và trạng thái tới hạn của lò
phản ứng hạt nhân. .................................................................................................. 29
1.3.3. Quá trình biến đổi thành phần nhiên liệu hạt nhân ......................... 35

CHƢƠNG II. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN
CỨU…...41
2.1. Đối tƣợng nghiên cứu ........................................................................ 41
2.1.1. Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ........................................................ 41
2.1.1.1. Cấu trúc của lò phản ứng ........................................................... 41
2.1.1.2. Thanh nhiên liệu ........................................................................ 43
ĐINH VĂN THÌN

2

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu .................................................................. 44
2.2.1. Xác định các hằng số nhóm và sản phẩm phân hạch ..................... 44
2.2.2. Tiến hành thực nghiệm ....................................................................... 49
2.2.2.1. Cấu tạo của một hệ đo bức xạ ..................................................... 49
2.2.2.2. Thực nghiệm ................................................................................ 51
2.2.2.3. Các thông số của sản phẩm phân hạch được sử dụng.................. 52
2.2.3. Phần mềm lập trình MATLAB ........................................................... 54

CHƢƠNG III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN…………………………..55
3.1. Kết quả ................................................................................................. 55
3.1.1. Phân bố công suất trong tâm lò phản ứng ...................................... 55
3.1.2. Biến thiên số hạt nhân theo thời gian của bó nhiên liệu số 62 ....... 57
3.1.3. Biến thiên số hạt nhân theo thông lượng của bó nhiên liệu số 62 .. 59
3.1.4. Biến thiên của độ cháy theo thời gian chiếu xạ và thông lượng
notron đối với bó nhiên liệu số 62 .......................................................................... 61
3.1.5.

dựng

Xây

đường

cong

hiệu

suất

ghi

tương

đối…………………….62
3.1.6.

Tỷ

đồng

số

vị

Cs134

và

Cs137……………………………………….64
3.1.7.

Độ

cháy

của

bó

nhiên

liệu

số

62…………………………………...65
3.2. Thảo luận ............................................................................................. 70

KẾT LUẬN ................................................................................................. 71
TÀI

LIỆU

KHẢO………………………………………………..72
ĐINH VĂN THÌN

3

THAM


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

PHỤ LỤC…………………………………………………………………75

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1: Giá trị giới hạn an toàn của một số nước đang sử
dụng.….................6
Bảng 2: Các đồng vị đặc trưng phù hợp với phương pháp khối phổ
kế……17
Bảng 3: Năng lượng ngưỡng và kích thích đối với một số hạt
nhân.……….26
Bảng 4: Phân bố năng lượng theo sản phẩm phân hạch đối với
235
92U .….…27

Bảng 5: Số notron trung bình được sinh ra sau mỗi phản ứng phân
hạch.…28
Bảng 6: Một số đặc trưng của các notron trễ đối với các hạt nhân nặng.…29
Bảng 7: Suất lượng phân hạch của các sản phẩm phân hạch từ

235
92U

……36
Bảng

8:

Các

thông

số

liên

quan

đến

bó

nhiên

liệu

số

62……………………44
Bảng

9:

Các

thông

số

đối

với

số

đối

với

Cs134.………………………….…………….53
Bảng

10:

Các

thông

Cs137.………………………………………53
Bảng

11:

Các

thông

số

đối

với

Eu154.……………………....

……………..53
Bảng 12: Phân bố công suất tại các vị trí thanh nhiên liệu trong tâm lò phản
ứng…………...…………………………………………………………….55

ĐINH VĂN THÌN

4


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

Bảng 13: Giá trị thực nghiệm đối với thanh nhiên liệu số
62.………………63
Bảng

14:

Giá

trị

tính

toán

đối

với

tỷ

số

đồng

vị

Cs134/Cs137………………..64
Bảng 15: Các giá trị tính toán về độ cháy trung bình của các thanh nhiên
liệu

tại

Lò

Phản

ứng

Hạt

nhân

Đà

Lạt

…………………………………………..66
Bảng 16: Các giá trị tham chiếu về độ cháy trung bình của các thanh nhiên
liệu

tại

Lò

Phản

ứng

Lạt………………………………………68

ĐINH VĂN THÌN

5

Hạt

nhân

Đà


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình

1:

Dẫn

trong

nhiệt

thanh

nhiên

liệu

nhân

hạt

…………….……………3
Hình

2:

Đường

cong

sôi

của

UO2

theo

Ukiyama

…….……………………….….……4
Hình

3:

Độ

dẫn

nhiệt

của

độ

nhiệt

……….………………….……9
Hình 4: Sự trương nở viên nhiên liệu và rão của lớp vỏ
……………………10
Hình 5: Độ dẫn nhiệt qua khe theo độ cháy của thanh nhiên liệu PWR
……10
Hình 6: Tốc độ sinh nhiệt tuyến tính theo chiều cao tâm lò phản ứng
……11
Hình 7: Tốc độ

………………………..11

sinh

nhiệt

tuyến

tính

theo

độ

cháy

Hình 8: Khối phổ kế của UO2 tự nhiên và sau khi chiếu xạ
………….……15
Hình 9: Khối phổ kế của uranium và plutonium trong mẫu trải qua chiếu
xạ…………………………………………………………………………..16
Hình
10:
Phổ
plutonium
xạ…………………….……………16

sau

khi

chiếu

Hình 11: Khối phổ kế của zirconium tự nhiên và của zirconium trong UO2
bị

chiếu

xạ

có

pha

trộn

với

dung

notron

đồng

nhất

dịch

zirconium

tự

nhiên.……………………19
Hình

12:

Bắn

chùm

………………….23

ĐINH VĂN THÌN

6

đến

một

bia

mỏng


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

Hình 13: Tiết diện vi mô của phân hạch giữa notron với
235
92U ……………23

Hình

14:

Bắn

chùm

notron

đồng

đến

nhất

một

bia

dày

……………………24
Hình 15: Cơ chế phân hạch hạt nhân theo mẫu giọt chất lỏng
………….…26
Hình 16: Suất lượng của sản phẩm phân hạch đối với 92U235 và 94Pu239.…27
Hình 17: Quá trình phân rã beta và sinh notron trễ của Br87 và I131………28
Hình

18:

Chiếm

bắt

notron

trong

nhóm

bắt

notron

trong

nhóm

U235………………………………35
Hình

19:

Chiếm

U238………………………………36
Hình 20: Sơ đồ biến đổi chi tiết của các sản phẩm phân
hạch.………….…40

Hình

21:

Mặt

cắt

đứng

của

lò

phản

ứng

hạt

nhân

Đà

cắt

ngang

của

lò

phản

ứng

hạt

nhân

Đà

Lạt.…………………41
Hình

22:

Mặt

Lạt.…………………42
Hình

23:

Mặt

cắt

ngang

của

vùng

hoạt

và

vành

phản

xạ…………………..43
Hình 24: Mặt cắt ngang của bó thanh nhiên liệu loại VVRM2……………43
Hình

25:

Sơ

đồ

khối

của

hệ

đo

bức

xạ.……………………………………49
Hình 26: Cấu hình của detector HPGe loại mặt phẳng và đồng trục
………49

ĐINH VĂN THÌN

7


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

Hình

27:

Độ

phân

giải

năng

lượng.…………………..……………………50
Hình

28:

hình

Cấu

hệ

đo

thực

nghiệm……………………………………..51
Hình

29:

Phân

bố

công

suất

trong

tâm

lò

phản

ứng………………………...57
Hình 30: Biến thiên số hạt nhân U235 theo thời gian chiếu
xạ………………58
Hình 31: Biến thiên số hạt nhân Cs137 theo thời gian chiếu
xạ……………...58
Hình 32: Biến thiên số hạt nhân Cs133 theo thời gian chiếu xạ……………58
Hình 33: Biến thiên số hạt nhân Cs134 theo thời gian chiếu
xạ…………….59
Hình

34:

Biến

thiên

số

hạt

nhân

U235

theo

thông

lượng

Biến

thiên

số

hạt

nhân

Cs133

theo

thông

lượng

Biến

thiên

số

hạt

nhân

Cs134

theo

thông

lượng

Biến

thiên

số

hạt

nhân

Cs137

theo

thông

lượng

notron…………….59
Hình

35:

notron……………60
Hình

36:

notron…………….60
Hình

37:

notron…………….60
Hình 38: Biến thiên số hạt nhân Cs134/Cs137 theo thông lượng notron…..61
Hình 39: Độ cháy theo thời gian chiếu xạ của bó nhiên liệu số
62………….61
Hình 40: Độ cháy theo thông lượng notron nhiệt của bó nhiên liệu số
62…62

ĐINH VĂN THÌN

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt.
1. Nguyễn Văn Đỗ (2004), Các phương pháp phân tích hạt nhân, NXB Đại học
Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
2. Ngô Quang Huy (2006), Cơ Sở Vật Lý Hạt Nhân, NXB Khoa học và Kỹ
thuật, Hà Nội.

3. Ngô Quang Huy (2004), An Toàn Bức Xạ Ion Hoá, NXB Khoa học và Kỹ
thuật, Hà Nội.
4. Ngô Quang Huy (2004), Vật lý lò phản ứng hạt nhân, NXB Đại học Quốc
gia Hà Nội, Hà Nội.
5. Bùi Văn Loát (2000), Xác suất thống kê trong xử lý số liệu hạt nhân, NXB
Đại học Quốc gia Hà Nội, Hà Nội.
6. Đặng Đức Nhận, Đinh Văn Thìn (2015), “Khả năng ô nhiễm các chất khí
phóng xạ trong khí thải từ nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò FBNR”,
Trường Đại học Điện lực.
7. Nguyễn Triệu Tú (2007), Ghi nhận và đo lường bức xạ, NXB Đại học Quốc
gia Hà Nội, Hà Nội.
8. Nguyễn Hữu Xí (1962), Kỹ thuật thực nghiệm trong vật lý hạt nhân, NXB
Đại học Tổng hợp, Hà Nội.
Tiếng Anh.
9. A.L. Nichols (2002), Nuclear Data Requirements for Decay Heat
Calculations, Vienna, Austria.
10. Attila Vértes, Sándor Nagy, Zoltán Klencsár, Rezso György Lovas, Frank
Rösch (2010), Handbook of Nuclear Chemistry: Vol. 1: Basics of Nuclear
Science; Vol. 2: Elements and Isotopes: Formation, Transformation,
Distribution; Vol. 3: Nuclear Energy Production and Safety Issues,
Springer, USA.

ĐINH VĂN THÌN

9


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

11. Dan Gabriel Cacuci (2010), Handbook of Nuclear Engineering, Springer

US, USA.
12. Glenn F. Knoll (2010), Radiation Detection and Measurement, Wiley,
USA.
13. Kiyoshi Inoeu, Kaoru Taniguchi, Toshifumi Murata, Hidehiko Mitsui and
Akira Doi (1969), Burnup determination of nuclear fuel, Vol. 17. No.4
December 1969, Hitachi Ltd, Japan.
14. Luís Antônio Albiac Terremoto (2009), “ Gamma-ray Spectroscopy on
Irradiated Fuel Rods”, 2009 International Nuclear Atlantic Conference INAC 2009, Rio de Janeiro, RJ, Brazil.
15. Michael F. L'Annunziata (2012), Handbook of Radioactivity Analysis
(Third Edition), Academic Press, USA.
16. R. I. Dobin, T. Craciunescu, M. Pavelescu (2011), “Candu And Triga Fuel
Burn-up Determination Using Axial And Tomographic Gamma-Scanning”,
Romanian Reports in Physics, Vol. 63, No. 4, P. 1009–1017.
17. Raymond L. Murray (2008), An Introduction to the Concepts, Systems, and
Applications of Nuclear Processes, Butterworth-Heinemann, USA.
18. James J. Duderstadt, Louis J. Hamilton (1976), Nuclear Reactor Analysis,
Wiley, USA.
19. Joe D. Hoffman, Steven Frankel (2001), Numerical Methods for Engineers
and Scientists (Second Edition), CRC Press, USA.
20. John R. Taylor (1997), An Introduction to Error Analysis: The Study of
Uncertainties in Physical Measurements, University Science Books, USA.
21. Nuclear Energy Agency NEA (2012), Nuclear Fuel Safety Criteria
Technical

Review,

Organisation

for

Economic

Co-operation

and

Development OECD, UK.
22. Neil E. Todreas, Mujid S. Kazimi (1993), Nuclear Systems I - Thermal
Hydraulic Fundamentals, Taylor&Francis, USA.

ĐINH VĂN THÌN

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC_2015

23. Nguyen Minh Tuan, Pham Quang Huy, Tran Tri Vien, Trang Cao Su, Tran
Quoc Duong, Dang Tran Thai Nguyen (2012), “ Burnup Measurement of
36% Enriched VVR-M2 Fuel Tupy Assembly of Dalat Reactor Using
Gamma Spectrometer”, Da Lat Nuclear Research Institute, Da Lat.
24. Weston M. Stacey (2007), Nuclear Reactor Physics (Second edition),
Wiley-VCH, USA.

ĐINH VĂN THÌN

11