Bài giảng Chương 4 Các ứng dụng của lò phản ứng nghiên cứu PGS.TS Nguyễn Nhị Điền

Chương 4

CÁC ỨNG DỤNG CỦA
LÒ PHẢN ỨNG NGHIÊN CỨU
PGS TS Nguyễn Nhị Điền

Đà Lạt,
L t 2012
1


CÁC ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU (1):
Nghiên
ê cứu
ứ về
ề tán
á
xạ nơtron
Nghiên cứu vật liệu
và nhiên liệu

Irr.Tests for
Fuel&Mat.
&
Neutron
Scattering

Sản
xuất
ĐV
và

pha
tạp
Silic

NAA online

R&D on
RIs&NTD

NeutronNeutronphotography

BNCT &
rBNCT

Nghiên cứu về kỹ
thuật BNCT

+ Phát triển kỹ
thuật phân tích
+ Chụp ảnh nơtron

Tech. Train
Tech.
IT fields
Others

Huấn luyện và đào tạo
về hạt nhân
2

CÁC ỨNG DỤNG ĐIỂN HÌNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU (2):
được phân ra 4 nhóm:
• Các ứng dụng chiếu xạ: để phân tích kích hoạt, sản xuất đồng vị,
pha tạp
p
ạp vật
ậ liệu
ệ bán dẫn,, nghiên
g
cứu hiệu
ệ ứng
g sai hỏng
g và bền
vững với bức xạ, ...
•

Thử vật liệu và thanh nhiên liệu cho lò công suất: để nghiên cứu
ệ hạt
ạ nhân.
thiết kế LPƯ và nhiên liệu

•

Sử dụng chùm nơtron ngoài lò: nghiên cứu vật liệu, phân tích
gamma tức thời, chụp ảnh nơtron, chiếu xạ sinh học, nghiên cứu
cơ bản, ...

•

Phát triển nguồn nhân lực: công nghệ LPƯ, thí nghiệm che chắn,
huấn luyện và đào tạo cán bộ vận hành, thông tin dân chúng.

Có thể phân
hâ ra 3 lloạii ứng
ứ
d
dụng chính
hí h là:
là
•

Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện hạt nhân)

•

Các ứ
ứng
g dụ
dụng
gp
phi năng
ă g lượng
ượ g (c
(cho
o các ngành
gà kinh tế)
ế)

•

Đào tạo nguồn nhân lực.

3


Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN):
1. Thử nghiệm và phát triển
ể nhiên liệu hạt nhân
(development of nuclear fuels)
+ Nghiên cứu sự biến đổi thành phần và cấu trúc bên trong của
viên gốm nhiên liệu (như mật độ, độ rỗng, nứt gãy, sự thay đổi
nhiệt độ nóng chảy và hệ số dẫn nhiệt, v.v…).
+ Chiếu xạ thử nghiệm để đánh giá tính toàn vẹn vỏ bọc thanh
nhiên liệu trong điều kiện vận hành bình thường và tai nạn sự
cố, nghiên cứu phát triển các hợp kim mới làm vỏ bọc thanh
nhiên liệu cho phép đạt được độ cháy cao hơn
hơn.
+ Nghiên cứu sự di chuyển, phát tán thành phần và hoạt độ của
các chất phóng xạ có trong các thanh nhiên liệu bị hỏng ra bên
ngoài.
ài
+ Nghiên cứu phát triển các thế hệ nhiên liệu mới như nhiên liệu
MOX (Mixed oxide fuel development), v.v…
ÎCần LPƯ công suất lò P >10 MW để có thông lượng nơtron
4
Φ = 1.0 - 5.0 x1014n.cm-2.s-1.


Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN):

2. Nghiên cứu chiếu
ế xạ vật liệu (material irradiation studies)
+ Nghiên cứu hiệu ứng cứng hoá, biến giòn dễ gãy, mất khả năng
chịu kéo và nén của vật liệu phụ thuộc vào thông lượng và liều chiếu
tích phân.
+ Kiểm tra, đánh giá chất lượng các ống, bình chịu áp lực của lò năng
lượng bằng kỹ thuật chụp ảnh phóng xạ nơtron.
nơtron
+ Chiếu xạ các mẫu thử hợp kim để nghiên cứu chất lượng thép làm
thùng LPƯ (thùng chịu áp lực) và nghiên cứu quá trình lão hóa, sự
hồi phục của vật liệu Zr-Nb.
Zr Nb
+ Áp dụng kỹ thuật đo tiếng ồn nơtron để theo dõi sự dao động, lắc,
rung của các khối, bộ phận và chi tiết cấu thành trong vùng hoạt của
LPƯ năng lượng.
l ợng
+ Nghiên cứu tính chất hóa học của nước và bản chất hiện tượng ăn
mòn vật liệu trong các LPƯ năng lượng.
+ Nghiên cứu quá trình rò rỉ khí phân hạch phóng xạ ra khỏi thanh
nhiên liệu theo độ cháy, đặc biệt ở các bó nhiên liệu có độ cháy cao.
5


Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN):
2. Nghiên cứu chiếu
ế xạ vật liệu (material irradiation studies)
Các lĩnh vực chính và các thiết bị thí nghiệm dùng trong thử
nghiệm
hiệ nhiên
hiê liệu

liệ và
à chiếu
hiế xạ vật
ật liệu
liệ hạt
h t nhân:
hâ
Lĩnh vực ứng dụng
Thử nghiệm
chiếu xạ vật
liệu hạt
nhân &
nhiên liệu

Thử nghiệm
chiếu xạ để
xác nhận
tính năng
của
ủ nhiên
hiê
liệu

•
•
•
•
•

•

•
•
•
•

Thiết bị thí nghiệm

Đánh giá vật liệu bằng chiếu xạ nơtron
Thử nghiệm tính an toàn và sự nguyên vẹn của
các vật liệu dùng trong vùng hoạt
Đưa ra số liệu để phát triển loại nhiên liệu mới
Tính chất
ấ giải phóng khí phân hạch
Hiệu ứng lão hóa như tính chất dão của vật liệu

Capsule để chiếu xạ:
Capsule không kèm thiết bị
đo
Capsule kèm thiết bị đo
Capsule nhiên liệu
Capsule dão

Tính chất của nhiên liệu ở các mức công suất
khác nhau của LPƯ
Tính chất của vỏ bọc thanh nhiên liệu
Thử nghiệm tính toàn vẹn của thanh nhiên liệu
Nghiên cứu để phát triển các vật liệu bên trong
vùng hoạt
Nghiên cứu sự ăn mòn và tính chất hoá học của
nước lò

Vòng thử nghiệm
nhiên liệu (FTL - Fuel Test
Loop))

6


Các ứng dụng năng lượng (cho chương trình điện HN):
3. Thử nghiệm và hiệu chuẩn các thiết bị đo ghi bức xạ

Các thiết bị đo ghi nơtron, gamma dùng trong nhà máy điện
hạt nhân, LPƯNC và các ứng dụng kỹ thuật, công nghệ hạt
nhân khi được phát triển, chế tạo nhất thiết phải được kiểm
tra và hiệu chuẩn trong các điều kiện bức xạ thích hợp để
đảm bảo khả năng làm việc chính xác,
xác lâu dài của chúng.
chúng
Î Các yêu cầu này chỉ đòi hỏi thông lượng nơtron và liều
bức xạ gamma ở mức thấp từ vài μSv/h đến mSv/h
mSv/h, nên hầu
hết các LPƯNC đều có thể đáp ứng được nhu cầu này.

7


Sử dụng các Capsules chiếu xạ tại lò HANARO
‰ Thử vật liệu lò phản ứng công suất:
ấ
™ Vật liệu thùng áp lực của lò công suất

™ Vật liệu đường ống chịu áp suất của lò: Zr-2.5Nb
™ Các loại vật liệu của các kết cấu trong lò

‰ Thử nghiệm vật liệu của nhiên liệu:

™ Nhiên liệu
ệ của lò PWR cải tiến
™ Chu trình nhiên liệu DUPIC (Direct Use of Pressurized Water
Reactor Spent Fuel in CANDU - Sử dụng trực tiếp nhiên liệu
đã cháy của lò PWR cho lò CANDU- CANada Deuterium Uranium)
™ Hợp kim U
U-Zr
Zr

‰ Nghiên cứu cơ bản:

™ Chất bán dẫn, các vật
ậ liệu
ệ nano và

vật liệu từ tính
™ Các loại hợp kim Zr-1Nb-1Sn-X,
Zircaloy-4
™ SPND (self-power neutron detector –
detector nơtron tự cấp nguồn nuôi).
8


Các Capsules dụng cụ để thử Vật liệu

Charpy

R-CT

Design Characteristics
Tube

경 인장
경도/인장

- Total Length : ‫׽‬6m ( 60mm D x 870mm H)
- Available Space(Max.): 40mm D × 600mm L
- 5 Stages Independent Temp. Control
- Max. Temp. Control : Up to 500Ԩ
- He Atmosphere : 1 atm‫׽‬3×10-3 torr (He)
- Instrumentation : 14 T/Cs, 5 micro-heaters,
5 F/Ms
- Available Test : Tensile, Charpy, Toughness,
p, etc.
SP,, MBE,, TEM,, Creep,

Applications
- Material Tests
Reactor Pressure Vessel
Reactor Core Materials
CANDU Pressure Tube Materials
- Safety and Integrity-Related Tests
- Industry
I d t Application
A li ti Material

M t i l Tests
T t
- Fundamental Research
9


Instrumented Capsules for Nuclear Fuel Test
Design Characteristics
- Total Length : ‫ ׽‬5 m
- Diameter of Outer Tube : 56 mm
- Length of Outer Tube : 730 mm
- 3 Mini-Elements Fuel Rod
- Instrumentations : T/C,
T/C LVDT,
LVDT SPND
- Irradiating Environment Control
System Using Mixed Gas (He/Ne)
Applications
- Fuel Pellet Irradiation Test
Advanced PWR Fuel
- Fuel Design Data Production
Center Temperature of Fuel Pellet
Internal Pressure of Fuel Rod
Deformation of Fuel Pellet
- Fundamental Research
10


Capsules for Specific Purpose (Creep – sự dão)
Design Characteristics

- Total Length : ‫׽‬6
6m
- Diameter of Outer Tube : 60 mm
- Length of Outer Tube : 997 mm
- Test Specimen: 1, 2, 4
- Test
T t Temperature
T
t
: Max.
M
600Ԩ
- He Atmosphere : 1 atm‫׽‬30 torr (He)
- Instrumentation per specimen :
8 ‫׽‬12 T/Cs, 1‫׽‬4 micro-heaters,
1 ‫׽‬4 LVDT

Applications
- Material
M t i l Creep
C
Behaviour
B h i
- Lifetime Estimation of Reactor
Components
- Study
y of Key
y Components for Creep
Capsule
11

Fuel Test Loop
p (Vòng
(
g thử bó nhiên liệu)
ệ )
Các ứng dụng
™ Chiếu xạ để kiểm tra tính toàn vẹn của bó nhiên
liệu
ệ
™ Kiểm tra chất lượng nhiên liệu
™ Kiểm tra việc ăn mòn và di chuyển các hoạt
chất
ấ trong nước lò
™ Kiểm tra tính không bị phân hạch của vật liệu
làm ống chịu áp lực
™ Kiểm tra độ cháy cao của nhiên liệu.

12


Fuel Test Loop (Vòng thử bó nhiên liệu)

+ Nghiên cứu sự
biến đổi thành
phần và cấu trúc
bên trong của
viên gốm nhiên
liệu

+ Thử nghiệm để
đánh giá tính toàn
vẹn vỏ bọc thanh
nhiên liệu trong
điều kiện vận
hành bình thường
và tai nạn sự cố

Thiết bị thử nhiên liệu (Fuel test loop) tại
lò HANARO:
- Thông nơtron: 1
1.2x10
2x1014 n/cm
n/cm²·sec
·sec
- Áp suất: 17.5 MPa; Nhiệt độ: 350oC

13


3-D Model of In
In--Pile Section
Outer Pressure Vessel
Inner Pressure Vessel
Flow Divider
Insulation Gas Gap
Test Fuel

Test Fuel Carrier Leg

IPS Head

Upward Flow Path
D
Downward
d Fl
Flow P
Path
th
Cross Section of IPS 14


3-D View of the Out
Out--Pile System

► Design
g Pressure : 17.5 MPa
► Design Temperature : 350Ԩ

노외공정부 3차원 개략도 (3-D View of OPS)

15


Fuel Test Loop (Vòng thử bó nhiên liệu)
Oxide layer

Hydride
Brittle fracture

D il ffracture
Ductile

Cross section of failed fuel

16


Các ứng dụng phi năng lượng (phục vụ các ngành
KT XH):
KT-XH):
1. Sản xuất chất phóng xạ (radioisotope production)
2 Hiệu
2.
Hiệ ứ
ứng chuyển
h ể hó
hóa (transmutation
(t
t ti
effects,
ff t silicon
ili
doping)
3. Phân tích kích hoạt nơtron (neutron activation analysis)
4. Chụp ảnh neutron (neutron radiography)
5. Nghiên cứu cấu trúc vật liệu (material structure study)
6 Phân tích kích hoạt gamma tức thời (PGNAA)
6.
7. Chữa bệnh bằng phương pháp bắt neutron (neutron

capture therapy)
8. Địa thời học (geochronology)
9. Tạo nguồn positron (neutron source)
10 Các ứng dụng khác.
10.
khác
17


1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Hai loại thiết bị được dùng để sản xuất ĐVPX:
1. Lò phản ứng:
LPƯ đóng vai trò chủ đạo trong việc điều chế một số ĐVPX
quan trọng không thể thiếu được cho các ứng dụng trong
y tế, công
công--nông nghiệp như Tc
Tc--99m, MoMo-99, II--131, Ir
Ir--192,
Co--60, v.v...
Co
Đặ biệt với
Đặc
ới sự phát
hát triển
t iể mạnh
h các
á phương
h
pháp
há điều

điề trị
tị
bệnh dùng các đồng vị phát bêta, bằng xạ trị ngoài (dùng
nguồn phóng xạ kín) và xạ trị nội (dùng nguồn phóng xạ
hở)
hở).
2. Máy gia tốc:
Máy gia tốc chủ yếu dùng để sản xuất các chất ĐVPX
sống ngắn và không thể sản xuất được trên LPƯ.
18


1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Các ĐVPX sản xuất từ LPƯ được dùng trong y tế, công
nghiệp và đào tạo với các mục đích như sau:
+ Trong y tế: dùng để chụp hình gamma các cơ quan nội tạng
con người phục vụ công việc tầm soát, chẩn đoán và điều trị
bệnh, đặc biệt là bệnh ung thư; định lượng nồng độ một số
hóc môn bằng kỹ thuật xét nghiệm miễn dịch học phóng xạ
(RIA); điều chế các dược chất phóng xạ, gắn kháng thể đơn
dòng với ĐVPX; điều trị bệnh bằng tia phóng xạ với các
nguồn kín (Radiotherapy).
+ Trong công nghiệp: dùng nguồn kín để chụp ảnh gamma
cho phép xác định các thông số về độ dày, độ ẩm, phát hiện
khuyết tật
tật, hư hỏng
hỏng, rò rỉ
rỉ, ăn mòn
mòn, chiếu xạ và xử lý bằng bức
xạ, khử trùng, v.v.... Sử dụng các đồng vị phóng xạ đánh dấu

trong việc thăm dò và khai thác dầu khí, nước ngầm, đánh giá
hiệu quả hoạt động của các hệ thống, chu trình phức tạp
trong các nhà máy hoá chất và xi măng.
19
+ Trong nghiên cứu khoa học và đào tạo.


1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Cá lloạii đồng
Các
đồ vịị phóng
hó xạ chính
hí h đ
được sử
ửd
dụng.
Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu

Chụp hình ảnh nhờ kỹ
thuật hạt nhân

Y học

Ch hình
Chụp
hì h ảảnh
h bằ
bằng gamma

Tc-99m,, Tl-201,, I-123,, Xe-133,, In111, Lu-177

PET

F-18, C-11, N-13, O-15

Đo nồng độ xương

I-124, Gd-153, Am-241

Xét nghiệm miễn
ễ dịch
học PX (RIA)

I-125, Co-57, H-3, Fe-59

Dược chất phóng xạ

I-131, Re-186, P-32, Lu-177, Sm153, Re-188, Y-90

Điều trị bệnh bằng
phóng xạ với các
nguồn kín
(Radiotherapy)

Nghiên
cứu
KH

Những đồng vị chính

Nghiên cứu Y-Sinh

Chiếu xạ từ ngoài cơ thể
(Teletherapy)

Co-60, Cs-137

Chiếu xạ bên trong cơ thể
(Brachytherapy)

Ir-192, Cs-137, I-125

Chiếu xạ máu để dùng cho
việc truyền máu

Co-60, Cs-137

Chụp ảnh tự động

P-32,33, I-125, H-3, Co-57,
Sn-119, Sm-152.
20


1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Các loại đồng vị phóng xạ chính được sử dụng.
Lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu

Những đồng vị chính

Kiểm tra on-line

Phát hiện nhờ kỹ
thuật hạt nhân

Công
nghiệp
Chiếu xạ và xử lý
bằng bức xạ
Đánh dấu bức xạ
Kiểm tra không hủy
mẫu (NDT)
Đồng vị bền

Đo mật độ, khối lượng, ...

Cs-137, Co-60, Am-241

Đo độ dày

Kr-85, Am-241, Sr-90, Y-90

Phát hiện bức xạ đểể phân
tích (xử lý hoá học)

Am-241

Đo nhiễm bẩn

C-14, Pm-47

Phân tích

Fe-55,, Cd-109,, Am-241,, Co-57

Detector báo khói

Am-241

Khử trùng dụng cụ y học

Co-60 (hoạt độ cao)

Chiếu xạ thực phẩm

Co-60 (hoạt độ cao)
Sc-46, Ir-192, Au-198, ...
Ir-192, Co-60
Zn 64 …
Zn-64,
21


1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Về phương diện mức công suất lò cần thiết để đáp ứng các loại
ĐVPX theo yêu cầu của người sử dụng như sau:
● LPƯ công suất thấp (thông lượng nơtron < 1013 n.cm-2.s-1): chỉ có
thể sản xuất được một số đồng vị phóng xạ sống ngắn và trung
bình, chẳng hạn: Na-24, P-32, Cl-38, Mn-56, Ar-41, Cu-64 và Au-198.
● LPƯ công suất trung bình (thông lượng nơtron trong khoảng 10131014 n.cm-2.s-1): có thể sản xuất được một số loại đồng vị phóng xạ

sống trung bình và dài ngày. Ngoài các loại đồng vị sống ngắn nêu
ở trên, còn có thể sản xuất được các đồng vị khác như: Y-90, Mo-99,
I-125, I-131, và Xe-133.
g suất cao ((thông
g lượng
ợ g nơtron > 1014 n.cm-2.s-1)): có thể
● LPƯ công
sản xuất được nhiều loại đồng vị phóng xạ sống trung bình và dài.
Ngoài các loại đồng vị ở 2 phần trên, có thể sản xuất được các đồng
vị khác: C-14, S-35, Cr-51, Co-60, Sr-89, Sm-153, Yb-169, Tm-170, Ir192.
22


1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Dự báo nhu cầu sử dụng ĐVPX trên thế giới:

Triệu
USD
mỗi
ỗ
năm

23


1. SẢN XUẤT ĐỒNG VỊ PHÓNG XẠ
Î Nhu cầu sử dụng ĐVPX trên thế giới ngày càng tăng.
Trong
g khi đó những
g LPƯ được

ợ dùng
g để sản xuất và cung
g cấp
p
chủ yếu ĐVPX cho thị trường thế giới đã có tuổi thọ cao như lò
NRU 135 MW của Canada (1957); lò HFR 45 MW của Hà Lan
((1961);
); lò BR-2 100 MW của Bỉ ((1961);
); lò OSIRIS 70 MW của Pháp
p
(1966); lò SAFARI 20 MW của Nam Phi (1965).
Hai LPƯ MAPLE-1 và MAPLE-2 công suất 10 MW của Canada
thiết kế chuyên dụng cho sản xuất ĐVPX nhưng đã đóng cửa vì
lý do kỹ thuật (hệ số nhiệt độ của độ phản ứng là dương).
Vì vậy, các LPƯNC công suất cao được xây dựng trong thời gian
gần đây đều đưa mục tiêu sản xuất ĐVPX là một trong các mục
tiêu chính, như lò RSG-GAS 30 MW của Indonesia (1987), lò JRR3M 20 MW của Nhật Bản (1990), lò HANARO 30 MW của Hàn
Quốc (1995)
(1995), ETRR
ETRR-2
2 22 MW của Ai Cập (1998),
(1998) lò OPAL 20 MW
của Úc (2006), lò CARR 60 MW của Trung Quốc (2010), v.v…
24


2. PHÂN TÍCH KÍCH HOẠT NƠTRON
Kỹ thuật phân tích mẫu bằng kích hoạt nơtron trong
LPƯ cho phép:
ƒXác định đồng thời đa nguyên tố với độ nhạy & độ

chính xác cao ở bậc phần triệu (ppm), thậm chí phần tỷ
(ppb)
ƒĐịnh tính (qualitative) và định lượng (quantitative)
thành p
phần nguyên
g y tố trong
g mẫu
ƒKhông hủy mẫu (non(non-destructive) & khả năng phân
tích “on“on-line”
ƒVì vậy, NAA được chọn làm phương pháp đánh giá
(method validation) & phê chuẩn vật liệu tham khảo
((certification for reference materials).
)
25