Xác định độ phản ứng của các thanh điều khiển lò phản ứng hạt nhân đà lạt

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT HẠT NHÂN
-------- -------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

XÁC ĐỊNH ĐỘ PHẢN ỨNG CỦA CÁC
THANH ĐIỀU KHIỂN
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

SVTH: PHẠM MINH TUẤN ANH
CBHD: ThS. PHẠM QUANG HUY
CBPB: ThS. NGUYỄN DUY THÔNG

TP. Hồ Chí Minh, 2016


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ i
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... ii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..................................................................... iv
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT ...........3
1.1 Mô tả tổng quát ..................................................................................................3
1.2 Cấu trúc lò phản ứng ..........................................................................................4
1.2.1 Cấu trúc che chắn của lò phản ứng ..............................................................4

1.2.2 Thùng lò phản ứng .......................................................................................8
1.2.3 Bố trí vùng hoạt lò phản ứng .......................................................................8
1.3. Hệ thống kiểm tra độ phản ứng .......................................................................11
1.3.1 Các đầu dò neutron ....................................................................................11
1.3.2 Các thanh điều khiển hấp thụ .....................................................................14
1.3.3 Các động cơ thanh điều khiển ....................................................................14
CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHUẨN THANH ĐIỀU KHIỂN 16
2.1 Cơ sở lý thuyết .................................................................................................16
2.1.1 Neutron trong lò phản ứng .........................................................................16
2.2.2 Lò phản ứng không có neutron trễ .............................................................16
2.2.3 Lò phản ứng có neutron trễ ........................................................................17
2.2.4 Phương trình độ phản ứng..........................................................................18
2.2 Các phương pháp hiệu chuẩn thanh điều khiển ...............................................20
2.2.1 Phương pháp chu kỳ tiệm cận ....................................................................20
2.2.2 Phương pháp dưới tới hạn ..........................................................................22
2.2.3 Phương pháp bù trừ ....................................................................................23
2.2.4 Phương pháp thả rơi thanh .........................................................................23
2.3 Các bước tiến hành thực nghiệm......................................................................25
2.3.1 Đo ĐTTP của thanh tự động bằng phương pháp chu kỳ tiệm cận ............25
2.3.2 Đo ĐTTP của thanh bù trừ 1 bằng phương pháp dưới tới hạn ..................26


2.3.3 Đo ĐTTP của 4 thanh bù trừ bằng phương pháp bù trừ ............................26
2.3.4 Đo độ phản ứng thanh bù trừ 1 bằng phương pháp thả rơi thanh ..............26
CHƯƠNG 3: SỬ DỤNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG MCNP TRONG
TÍNH TOÁN ĐỘ PHẢN ỨNG CỦA LÒ ĐÀ LẠT ..............................................27
3.1 Giới thiệu về phương pháp Monte Carlo và chương trình MCNP ..................27
3.2 Cấu trúc của chương trình MCNP ...................................................................27
3.3 Input của chương trình MCNP .........................................................................29
3.3.1 Cấu trúc file input ......................................................................................29

3.3.2 Các phần lệnh chủ yếu trong file input ......................................................30
3.4 Sử dụng chương trình MCNP cho tính toán tới hạn của lò phản ứng Đà Lạt .31
3.4.1 Mô hình tính toán MCNP ..........................................................................31
3.4.2 Tính toán tới hạn ........................................................................................34
3.4.3 Thực hiện mô phỏng ..................................................................................35
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................37
4.1 Thanh điều khiển tự động ................................................................................37
4.1.1 Kết quả đo bằng phương pháp chu kỳ tiệm cận .........................................37
4.1.2 Kết quả mô phỏng sử dụng chương trình MCNP ......................................39
4.2 Thanh điều khiển bù trừ ...................................................................................41
4.2.1 Kết quả thực nghiệm đo bằng phương pháp bù trừ cho 4 thanh bù trừ .....41
4.2.2 Kết quả thực nghiệm đo bằng phương pháp dưới tới hạn thanh bù trừ 1 ..44
4.2.3 Kết quả thực nghiệm đo bằng phương pháp thả rơi thanh thanh bù trừ 1 .45
4.2.4 Kết quả mô phỏng MCNP cho thanh bù trừ 1 ...........................................46
4.2.5 So sánh kết quả thu được từ các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng
cho thanh bù trừ 1 ...............................................................................................47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................51


LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này, em đã nhận được rất nhiều
sự hỗ trợ từ các thầy cô, anh chị, bạn bè ở Bộ môn Vật lý hạt nhân- Kỹ thuật hạt nhân
cùng sự giúp đỡ tận tình của các chú, các thầy cô và anh chị ở Trung tâm đào tạo,
Trung tâm lò phản ứng, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. Em xin bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc đến:
Thầy Huỳnh Tôn Nghiêm, Thầy Nguyễn Minh Tuân, Thầy Lê Vĩnh Vinh đã
có những định hướng, giải đáp các thắc mắc và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong
quá trình tiến hành thực hiện khóa luận.
Thầy Nguyễn Kiên Cường, người giúp đỡ em tìm hiểu và thực hiện tính toán

trong phần mô phỏng MCNP cho khóa luận.
Anh Phạm Quang Huy, người hướng dẫn trực tiếp, luôn quan tâm giúp đỡ tận
tình, truyền đạt những kinh nghiệm quý báo và chỉ ra những thiếu sót để khóa luận
trở nên hoàn chỉnh, chính xác và đầy đủ hơn.
ThS Nguyễn Duy Thông đã dành nhiều thời gian đọc khóa luận và có những
góp ý chân thành để khóa luận được hoàn thiện hơn.
Bạn bè và gia đình đã luôn ở bên cạnh quan tâm, động viên và tạo mọi điều kiện
tốt nhất cho em hoàn thành khóa luận này.
Sau cùng, dù đã cố gắng chỉnh sửa khóa luận một cách hoàn thiện nhất nhưng
chắc chắn sẽ không tránh khỏi những thiếu sót nên em rất mong nhận được sự đóng
góp ý kiến từ quý anh chị, thầy cô.
Em chân thành cảm ơn!
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016
Sinh viên Phạm Minh Tuấn Anh

i


DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Mặt cắt đứng lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. ................................................6
Hình 1.2 Mặt cắt ngang lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt. ..............................................7
Hình 1.3 Cấu hình vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu độ giàu thấp. ..............10
Hình 1.4 Vị trí các khối detector trong lò. ................................................................12
Hình 1.5 Bố trí kênh đo độc lập trong lò phản ứng ..................................................13
Hình 1.6 Cấu hình của 1 kênh đo độc lập ................................................................13
Hình 3.1 Mặt cắt ngang vùng hoạt lò trong mô phỏng MCNP. ...............................35
Hình 4.1 Đường đặc trưng tích phân của thanh tự động so với năm 2011. .............38
Hình 4.2 Đường đặc trưng tích phân của thanh tự động thực nghiệm và mô phỏng ...
...................................................................................................................................40
Hình 4.3 Đường đặc trưng tích phân của 4 thanh bù trừ. .........................................43

Hình 4.4 Đồ thị số đếm theo thời gian từ detector-2 của kênh độc lập. ...................45
Hình 4.5 So sánh các kết quả thực nghiệm và tính toán đường đặc trưng tích phân
thanh bù trừ 1. ...........................................................................................................47

ii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Các thông tin chung của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ..............................3
Bảng 2.1 Các nhóm tiền tố neutron trễ với phân hạch neutron nhiệt trong 235U ......17
Bảng 2.2 Các tham số neutron trễ và neutron tức thời cho lò Đà Lạt ......................21
Bảng 3.1 Thành phần vật liệu lò Đà Lạt sử dụng trong tính toán MCNP ................33
Bảng 4.1 Bảng chu kỳ lò phản ứng ứng với vị trí rút thanh tự động ........................37
Bảng 4.2 Giá trị độ phản ứng tại các vị trí của thanh tự động ..................................37
Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng MCNP của thanh tự động ...........................................39
Bảng 4.4 Sự thay đổi vị trí thanh tự động ứng với từng đoạn rút lên của 4 thanh bù
trừ ..............................................................................................................................41
Bảng 4.5 Giá trị độ phản ứng tại các vị trí của 4 thanh bù trừ đo bằng phương pháp
bù trừ .........................................................................................................................42
Bảng 4.6 Giá trị độ phản ứng của thanh bù trừ 1 đo bằng phương pháp dưới tới hạn
...................................................................................................................................44
Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng MCNP của thanh bù trừ 1 ...........................................46
Bảng 4.8 Kết quả đo độ phản ứng thanh bù trừ 1 đo bằng phương pháp thả rơi thanh
...................................................................................................................................45
Bảng 4.9 Bảng so sánh độ phản ứng tổng của thanh bù trừ 1 qua các phương pháp
thực nghiệm và mô phỏng .........................................................................................47

iii

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Tiếng Anh

Tiếng Việt

AT

An toàn

BT

Bù trừ

ĐTTP

Đặc trưng tích phân

FP

Full Power

Công suất danh định

HEU

Highly Enriched Uranium

Nhiên liệu độ làm giàu cao

LEU

Low Enriched Uranium

Nhiên liệu độ làm giàu thấp

LPỨ
MCNP

Lò phản ứng
Monte Carlo N-Particle

Chương trình mô phỏng MCNP

TĐ

Tự động

TĐK

Thanh điều khiển

iv


MỞ ĐẦU
Độ phản ứng của lò phản ứng (LPỨ) thay đổi trong suốt quá trình lò hoạt động
do các nguyên nhân khác nhau như: nhiệt độ thay đổi, nhiễm độc Xenon, cháy nhiên
liệu,… Việc xác định độ phản ứng dự trữ và độ phản ứng dừng lò là một trong những

yêu cầu nghiêm ngặt trong vận hành an toàn LPỨ. Do đó, việc hiệu chuẩn các thanh
điều khiển (TĐK) của một vùng hoạt mới là một trong những thực nghiệm cơ bản
nhất sau khi tiến hành thiết lập cấu hình vùng hoạt.
Đặc trưng tích phân (ĐTTP) của các TĐK đóng vai trò quan trọng trong việc
quản lý vận hành an toàn LPỨ. Dựa vào đường cong ĐTTP của các TĐK có thể xác
định được các thông số như độ sâu dưới tới hạn, độ phản ứng dự trữ, hệ số nhiệt độ,
hệ số công suất của độ phản ứng, độ nhiễm độc Xenon, sự tiêu hao độ phản ứng do
cháy nhiên liệu,… Do đó, các số liệu hiệu chuẩn của các TĐK là vô cùng quan trọng
đối với nhân viên điều khiển LPỨ vì nó giúp nhân viên điều khiển có thể đánh giá
được sự thay đổi độ phản ứng thông qua sự dịch chuyển của các TĐK nhờ đó có thể
vận hành LPỨ một cách an toàn.
Trong quá trình hoạt động của LPỨ, độ hiệu dụng của các TĐK sẽ thay đổi dần
do nhiều hiệu ứng vật lý xảy ra đặc biệt là khi thực hiện các thao tác thay đổi cấu hình
vùng hoạt. Do đó việc xác định độ phản ứng tổng và ĐTTP của các TĐK là rất cần
thiết và luôn được thực hiện định kỳ, đặc biệt là sau mỗi lần thay đổi cấu hình vùng
hoạt.
Mục đích của khóa luận là xác định độ phản ứng tổng và ĐTTP của các TĐK
bằng các phương pháp khác nhau từ đó đánh giá sự tương quan và hiệu quả của các
phương pháp. Sau đó sử dụng chương trình tính toán mô phỏng MCNP để kiểm tra
và so sánh với các kết quả thực nghiệm.

1


Các phương pháp được sử dụng để xác định ĐTTP của các TĐK trong khóa
luận là:
-

Phương pháp chu kỳ nhân đôi.

-

Phương pháp dưới tới hạn.

-

Phương pháp bù trừ.

-

Phương pháp thả rơi thanh.

Khóa luận gồm 4 chương với những nội dung chính như sau:
 Chương 1: Giới thiệu tổng quát về lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết về các phương pháp hiệu chuẩn thanh điều khiển.
 Chương 3: Sử dụng chương trình mô phỏng MCNP để tính toán độ phản ứng
cho lò Đà Lạt.
 Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Thảo luận về kết quả đạt được.

2


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
1.1 Mô tả tổng quát
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được nâng cấp từ Lò TRIGA Mark II công suất
250 kW của Mỹ, là loại lò bể bơi có công suất danh định 500 kW được làm mát và
làm chậm neutron bằng nước nhẹ. Sau khi nâng cấp, lò đạt tới hạn lần đầu vào ngày
01/11/1983. Lò được đưa vào vận hành chính thức vào tháng 3/1984 với các mục
đích chính là sản xuất đồng vị phóng xạ, phân tích kích hoạt neutron, các nghiên cứu

cơ bản và nghiên cứu ứng dụng, đào tạo cán bộ hạt nhân [1].
Bảng 1.1 Các thông tin chung của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [1].
Thông số

Mô tả

Lò phản ứng

Loại bể bơi

Công suất danh định

500 kW

Thông lượng neutron (nhiệt, cực đại) 21013 neutron/cm2.s
Nhiên liệu

Loại VVR-M2 , dạng ống

Loại nhiên liệu HEU

Hợp kim Al-U, độ giàu 36%

Loại nhiên liệu LEU

Hỗn hợp UO2-Al, độ giàu 19,75%

Vỏ bọc của nhiên liệu

Hợp kim nhôm

Chất làm chậm

Nước nhẹ

Chất phản xạ

Graphite, beryllium và nước nhẹ

Chất làm mát

Nước nhẹ

Cơ chế làm mát vùng hoạt

Đối lưu tự nhiên

Cơ chế tải nhiệt

Hai hệ thống nước làm mát

Vật liệu che chắn

Bê tông, nước và nắp thép không gỉ

Các thanh điều khiển

2 an toàn, 4 bù trừ và 1 tự động

Vật liệu các thanh bù trừ và an toàn

B4C

Vật liệu thanh điều chỉnh tự động

Thép không gỉ

3


Các thông tin chung của lò phản ứng Đà Lạt được nêu trong Bảng 1.1.
Tháng 5/2011, LPƯ dừng hoạt động để chuyển đổi từ vùng hoạt hỗn hợp sang
sử dụng hoàn toàn nhiên liệu độ giàu thấp (LEU). Tháng 8/2011, 92 bó nhiên liệu độ
giàu cao (HEU) và 12 bó nhiên liệu LEU trong vùng hoạt được chuyển lên các cốc
chứa tạm tại tầng trung gian của bể lò. Tháng 10/2011, toàn bộ 106 bó nhiên liệu
HEU tại tầng trung gian (gồm 92 bó tháo dỡ vào tháng 8/2011 và 14 bó đã có sẵn từ
tháng 9/2007 và tháng 7/2009) được chuyển sang bể chứa nhiên liệu đã cháy để cất
giữ. Lò phản ứng đạt trạng thái tới hạn với cấu hình 72 bó nhiên liệu LEU vào lúc 15
giờ 35 phút ngày 30/11/2011 và ngày 14/12/2011 cấu hình vùng hoạt làm việc với 92
bó nhiên liệu LEU được thiết lập [1].
1.2 Cấu trúc lò phản ứng
1.2.1 Cấu trúc che chắn của lò phản ứng
Kết cấu bê tông cốt thép của lò có chiều dài 8,6 m và chiều cao tính từ sàn nhà
lò khoảng 6,55 m (Hình 1.1 và 1.2). Cấu trúc che chắn của lò phản ứng theo dạng bậc
thang nên phần đáy có chiều rộng khoảng 6,69 m, trong khi ở phía trên có hình bát
giác với chiều rộng khoảng 3,81 m [1].
Bể chứa các bó nhiên liệu đã cháy có chiều rộng 2,46 m, chiều dài 2,7 m và sâu
3,66 m được định vị ngang ở phần đáy và có chiều cao của tường lên đến 3,76 m.
Chỗ có chiều dày cực đại trong kết cấu che chắn theo chiều hướng tâm từ trong
vùng hoạt ra ngoài là 2,5 m. Tất cả bê tông trong kết cấu che chắn có mật độ 2,35

g/cm3 ngoại trừ bê tông trong cửa cột nhiệt có mật độ 3,5 g/cm3. Các ống dẫn dòng
neutron, cột nhiệt và cột nhiệt hóa xuyên qua kết cấu che chắn theo chiều hướng tâm
vùng hoạt (hiện tại cột nhiệt hóa không còn sử dụng nữa). Gắn với kết cấu bê tông là
các ống có đường kính 12,7 mm dẫn từ cột nhiệt và mỗi ống dẫn dòng neutron qua
các van vào ống góp, ống góp này ở bên cạnh kết cấu che chắn. Một đường thoát khí
được nối với hệ thống này qua ống nối đường kính 7,6 cm trên ống góp. Hệ thống
này có khả năng lọc khí Argon-41 và một số khí phóng xạ khác từ cột nhiệt và các
ống dẫn dòng neutron. Một ống dẫn đường kính 12,7 mm được đặt trong kết cấu che
chắn dẫn từ các ống dẫn dòng neutron đến rãnh phía trên của giá đỡ. Những ống dẫn

4


này có các dây nối với hệ thống chỉ thị vị trí các nút chặn của các ống dẫn dòng
neutron [1].
Ngoài ra còn có một tấm thép nặng 3,6 tấn, dày 15 cm được dùng để che chắn
phóng xạ bổ sung phía trên thùng lò. Nắp đậy này có một số lỗ có nắp di chuyển được
để thực hiện các thao tác bên trong bể lò, trong đó có một lỗ được đậy bằng kính để
quan sát bên trong bể lò. Nắp đậy này có thể quay tròn bằng mô tơ điện hay bằng tay.
Bậc thang với tay vịn bằng kim loại được nối từ sàn nhà lò đến chiều cao 3,76
m tại phần trên cùng của bể chứa nhiên liệu đã cháy. Bậc thang và tay vịn cũng được
nối từ vị trí này đến phần trên mặt của kết cấu che chắn. Trên đỉnh kết cấu che chắn
của lò phản ứng tạo ra một bề mặt rộng hơn nhờ bệ đỡ bê tông cốt thép và có lan can
bảo vệ xung quanh. Phần bên ngoài của bệ đỡ này được thiết kế để chịu trọng tải
khoảng 734 kG/m2. Một phía của bệ đỡ này, nơi gần nắp đậy của lò, có 7 động cơ
điều khiển các thanh điều khiển. Các động cơ cũng như dây cáp nối với các thanh
điều khiển được che bằng một hộp thủy tinh hữu cơ trong suốt để tránh bụi và đụng
chạm gây sự cố. Phần bên kia, có một thùng thép không gỉ với dung tích 300 lít chứa
nước đã được khử khoáng để bổ sung nước cho bể lò [1].

5


Hỡnh 1.1 Mt ct ng ca Lũ phn ng ht nhõn Lt.

8. Bể chứa nhiên liệu

7. Vành phản xạ Graphite

6. Vùng hoạt

5. Cột nhiệt

4. Giếng hút

3. Giá đỡ

2. Thùng nhôm

Chì
1. Nắp đậy

Graphite

Bê tông

Hỡnh 1.1 Mt ct ng lũ phn ng ht nhõn Lt.

6

7
7. Kªnh ngang

6. Kªnh tiÕp tuyÕn

5. Cét nhiÖt

8. BÓ chøa nhiªn liÖu

4. Kªnh xuyªn t©m

Hình 1.2 Mặt cắt ngang của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.

3. Thïng nh«m

2. Vµnh ph¶n x¹ Graphite

1. Vïng ho¹t

Bª t«ng
Ch×

Graphite

Hình 1.2 Mặt cắt ngang lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.


1.2.2 Thùng lò phản ứng
Thùng lò phản ứng được làm bằng nhôm, xung quanh được bao bọc bằng bê

tông với mục đích nhằm che chắn phóng xạ. Thùng nhôm được giữ lại từ lò TRIGA
trước đây, có đường kính ngoài khoảng 2 m, chiều cao 6,25 m, độ dày tối thiểu 6,2
mm [1].
Các kênh ngang, cột nhiệt và cột nhiệt hóa đâm xuyên qua thùng lò. Những cấu
kiện này được chia ra làm hai phần bằng một khe nhỏ tại phía ngoài của thùng lò.
Phần bên trong của những cấu kiện này được hàn với thùng lò, còn phần bên ngoài
của các cấu kiện này được hàn với lớp bê tông che chắn cùng theo trục nằm ngang
giống như phần bên trong. Khe hở giữa phần bên ngoài và bên trong của các cấu kiện
dùng để ngăn ngừa lực ép do giãn nở về nhiệt của thùng nhôm trong khi lò phản ứng
hoạt động [1].
Thùng lò chứa nước đã được khử khoáng với mức nước cao 6,2 m, như vậy lớp
nước che chắn phía trên vùng hoạt cao khoảng 5 m. Nước trong bể lò là chất tải nhiệt,
chất làm chậm cũng như là các lớp phản xạ ở trên và dưới vùng hoạt.
Bể lò cũng có thể xem là rào chắn thứ hai (sau lớp rào chắn thứ nhất là vỏ bọc
nhiên liệu) ngăn không cho các sản phẩm phân hạch có phóng xạ giải phóng ra bên
ngoài [1].
1.2.3 Bố trí vùng hoạt lò phản ứng
Vùng hoạt của lò phản ứng có dạng hình trụ với chiều cao 60 cm và đường kính
cực đại là 44,2 cm. Bên trong vùng hoạt (Hình 1.3) theo chiều thẳng đứng đặt các bó
nhiên liệu, các khối beryllium, các ống dẫn các thanh điều khiển và các kênh chiếu
xạ, tất cả đều được cố định bằng hai tấm được khoan lỗ (mâm xoi lỗ) ở dưới đáy vùng
hoạt. Vùng hoạt được đặt bên trong một thùng nhôm và được treo lên bằng một giá
đỡ, đáy của vùng hoạt cách đáy của thùng lò khoảng 60 cm. Phía dưới của vùng hoạt
có một cơ cấu đỡ nhằm loại trừ nguy cơ vùng hoạt bị rơi xuống dưới thấp hơn vùng
có khả năng hấp thụ neutron của thanh điều khiển [1].
Mỗi mâm xoi có 121 lỗ để đặt các thiết bị, có dạng lưới tam giác với kích thước
35 mm. Các ô được đếm với hai số nguyên (ví dụ 1-4, 13-2, v.v...) số thứ nhất chỉ thứ

8

tự hàng được tăng theo từng đơn vị theo hướng từ Đông sang Tây và số thứ hai cũng
tăng theo thứ tự từng đơn vị theo hướng từ Bắc đến Nam. 114 trong số các ô này dùng
để lắp đặt các bó nhiên liệu, các khối beryllium hay các kênh chiếu xạ và 7 ô còn lại
để đặt các ống dẫn các thanh điều khiển [1].
Các khối beryllium có cùng kích thước và dạng hình học giống như các bó nhiên
liệu. Nhiều ô mạng ngoại vi của vùng hoạt khi không có các bó nhiên liệu được đặt
các khối beryllium tạo thành vành phản xạ neutron bổ sung. Bên cạnh đó, vòng
beryllium ngoài cùng (vành ngoài) có hình dạng răng cưa và được đặt giữa vùng hoạt
và vành phản xạ graphite tạo thêm một vành phản xạ cho lò. Vành phản xạ beryllium
này cũng như vùng hoạt được đặt trong một vỏ nhôm có hình trụ có vị trí thấp hơn
giá đỡ.
Bảy ô mạng trong vùng hoạt dùng để đặt các ống nhôm theo chiều thẳng đứng
với đường kính bên trong là 33 mm nhằm định vị các thanh điều khiển. Phần dưới
của các ống nhôm dẫn thanh điều khiển nằm dưới đáy của vùng hoạt bị bóp nhỏ lại
để tránh các thanh điều khiển có thể rơi ra ngoài vùng hoạt trong trường hợp dây cáp
treo bị đứt. Các ống nhôm này được cố định nhờ mâm xoi lỗ dưới đáy vùng hoạt và
được gắn vào giá đỡ gần trên đỉnh thùng lò. Tất cả các ống nhôm dẫn các thanh điều
khiển đều có nước bên trong và phần dưới có các lỗ khoan để nước thoát ra ngoài khi
thanh điều khiển di chuyển xuống phía dưới.
Có một số kênh chiếu xạ theo chiều thẳng đứng trong vùng hoạt lò phản ứng.
Bảy ô trung tâm trong vùng hoạt được đặt 6 khối beryllium xung quanh một hốc nước
để tạo thành bẫy neutron ở tâm; một số ô mạng ở ngoại vi vùng hoạt dùng làm các
kênh chiếu xạ khô và ướt. Hiện tại chỉ còn ô mạng 1-4 được dùng làm kênh ướt chiếu
mẫu, còn ô mạng 13-2 là kênh khô chuyển mẫu bằng khí nén với thời gian chiếu ngắn
đến 5 giây và ô mạng 7-1 là kênh khô chuyển mẫu bằng khí nén với thời gian chiếu
dài trên 45 giây [1].

9

Hình 1.3 Cấu hình vùng hoạt làm việc với 92 bó nhiên liệu độ giàu thấp.

10


1.3. Hệ thống kiểm tra độ phản ứng
1.3.1 Các đầu dò neutron
Để đo thông lượng neutron, hệ thống điều khiển và bảo vệ lò phản ứng hiện tại
sử dụng 3 khối đầu dò neutron độc lập nhau, mỗi khối có 2 detector. Các khối đầu dò
được đặt trong 3 kênh khô bằng các ống nhôm kín nước ở các vị trí và độ sâu khác
nhau trong vùng nước giữa vành phản xạ graphite và thùng lò (Hình 1.4). Theo thiết
kế của hệ AKNP-5A cũ trước đây, các đầu dò đo thông lượng neutron trong ba dải:
dải nguồn, dải trung gian và dải năng lượng. Sáu đầu dò sử dụng trong dải nguồn và
dải trung gian là loại buồng phân hạch loại KNK-15, làm việc theo chế độ xung. Ba
đầu dò sử dụng trong dải năng lượng là các buồng ion hóa B-10 loại KNK-3 làm việc
theo chế độ dòng. Tất cả các đầu dò này đều có bù trừ bức xạ gamma, được bọc bằng
lưới chắn điện từ và chứa đầy khí nitơ khô với độ tinh khiết cao. Riêng 3 đầu dò của
dải trung gian còn được che chắn thêm bằng các buồng chì [1].
Từ tháng 3/2007, hệ thống điều khiển được thay thế mới và số lượng đầu dò
neutron được sử dụng ít hơn, chỉ còn 6 đầu dò. Trong mỗi ống nhôm chứa 3 đầu dò
nhưng chỉ có 2 đầu dò được sử dụng vì có một đầu dò dải rộng là buồng phân hạch
IC1 độ nhạy cao có thể ghi nhận thông lượng neutron trong dải khởi động. Buồng ion
hóa B-10 IC3 bù trừ gamma được dùng để đo thông lượng neutron trong dải làm việc.
Các khối đầu dò được đặt trong các ống kín nước có bao bọc bằng chì, tại các vị trí
đặt đầu dò dải trung gian của hệ điều khiển AKNP-5A trước đây [1].
Bên cạnh đó còn có 2 kênh đo độc lập sử dụng ống đếm He-3 ghép nối với khối
MCA, máy tính PC để thu nhận và chỉ thị tốc độ đếm xung theo thời gian (Hình 1.5
và 1.6).

11


1. Vùng hoạt

3. Chì che chắn

5. Các det của ASUZ-14R

2. Vành phản xạ graphite 4. Các det của AKNP-5A 6. Các det của AKNP-5A

Hình 1.4 Vị trí các khối detector trong lò.

12


Hình 1.5 Bố trí kênh đo độc lập trong lò phản ứng [1].

Neu. Counter

Pre-amp.

Amp.

MCA

PC

(He-3)

(Model 2006)

(Model 2022)

(Multiport II)

(Genie 2000)

HV Sup.
(3002D)

Hình 1.6 Cấu hình của 1 kênh đo độc lập [2].

13


1.3.2 Các thanh điều khiển hấp thụ
Hệ thống bảo vệ và điều khiển lò phản ứng sử dụng 7 thanh điều khiển được đặt
đối xứng trong vùng hoạt, bao gồm hai thanh an toàn (AT), bốn thanh bù trừ (BT) và
một thanh điều chỉnh tự động (TĐ). Các thanh an toàn và bù trừ được làm bằng Cacbit
Bo (B4C) với mật độ 1,7 g/cm3 và có vỏ bọc bằng thép không gỉ. Thanh điều chỉnh
tự động được làm hoàn toàn bằng thép không gỉ. Chiều dài hấp thụ của mỗi thanh
điều khiển là 650 mm, đủ để bao phủ toàn bộ chiều cao của vùng hoạt. Đường kính
ngoài của thanh điều khiển, kể cả phần vật liệu hấp thụ và phần vỏ bọc bằng thép
không gỉ là 27 mm. Tất cả các thanh điều khiển dịch chuyển trong các ống nhôm có
nước, hai thanh an toàn được đặt ở các ô 3-5 và 11-5, bốn thanh bù trừ đặt ở các ô 48, 4-3, 10-3 và 10-8, thanh điều chỉnh tự động đặt ở ô 7-11 (Hình 1.3). Phần phía dưới
của các ống dẫn thanh điều khiển dài ra ngoài phía dưới đáy vùng hoạt để hướng các
thanh nhôm, được gắn với phần dưới của các thanh điều khiển. Mỗi thanh điều khiển
đều được gắn với động cơ điện riêng bằng các dây cáp [1].
Hai thanh an toàn, độc lập với nhau, có thể rơi hoàn toàn vào vùng hoạt với thời

gian nhỏ hơn một giây, hơn nữa chỉ với một thanh an toàn đã đủ khả năng dập tắt
phản ứng dây chuyền, tức là ngừng hoạt động của lò.
Bốn thanh bù trừ dùng để bù trừ độ phản ứng dự trữ của lò phản ứng. Khi được
rút lên một phần nào đó, chúng cũng có thể bị rơi tự do vào vùng hoạt để đưa vào độ
phản ứng âm giống như các thanh an toàn. Giá trị độ phản ứng của chúng đảm bảo lò
phản ứng ngừng hoạt động ở trạng thái dưới tới hạn rất sâu. Tốc độ dịch chuyển cực
đại của các thanh an toàn và bù trừ là 3,4 mm/s [1].
Thanh điều chỉnh tự động dùng để điều chỉnh công suất lò phản ứng. Tốc độ
dịch chuyển cực đại của thanh là 20 mm/s [1].
1.3.3 Các động cơ thanh điều khiển
Mỗi động cơ của các thanh an toàn hay bù trừ bao gồm một mô-tơ điện một
chiều, một nam châm điện, một bộ giảm tốc, các công tắc báo vị trí, bộ chỉ thị phân
thế và một trống để cuốn dây cáp. Điện thế cung cấp cho động cơ và nam châm là
14


điện thế một chiều 48V. Khi được cấp điện, nam châm sẽ giữ khớp nối. Khi quay qua
khớp nối này, động cơ làm quay trống để đưa các thanh điều khiển vào trong hay ra
ngoài vùng hoạt. Từ trống này qua một loạt bánh răng cưa, trục chỉ thị chia thế cũng
quay tròn, và sau đó tín hiệu chỉ thị vị trí thanh điều khiển được thiết lập và được đưa
đến bàn điều khiển trong phòng điều khiển lò phản ứng. Có các công tắc chỉ thị vị trí
làm giới hạn dịch chuyển lên hay xuống của các thanh điều khiển khi các thanh điều
khiển đạt được các vị trí cao nhất hoặc thấp nhất. Khi có tín hiệu sự cố hay điện thế
bị ngắt, nam châm sẽ không hoạt động, tấm giữ khớp nối không được hút nữa và
thanh điều khiển, nếu đang được kéo lên, sẽ rơi tự do vào vùng hoạt (để tăng vận tốc
rơi, thời gian ban đầu vận hành có sử dụng lò xo). Khi thanh điều khiển đang rơi, nhờ
cáp treo làm cho trống cũng quay theo, việc quay này sẽ được truyền đến đai ốc tác
dụng đến việc gài lại khớp nối để thanh điều khiển sẽ dừng lại một cách từ từ [1].
Cơ cấu động cơ của thanh điều chỉnh tự động bao gồm một mô-tơ điện 110VAC-50Hz, một bộ đo tốc độ, bộ giảm tốc có trống quay, các công tắc báo vị trí, một
bộ chỉ thị vị trí thanh bằng chia thế, một trống quay nữa để cuốn cáp và kéo cả thanh

điều khiển. Khi động cơ quay tròn, qua một phần cuối của trục quay, việc quay này
truyền qua trống quay đầu tiên để kéo dây cáp nối với thanh điều khiển. Một phần
cuối nữa của trục quay gắn với bộ giảm tốc có trục quay thứ hai. Khớp nối của trống
quay này được ghép với trục bánh xe của bộ chỉ thị vị trí và hộp có các công tắc báo
vị trí qua các bánh răng cưa. Hai điểm tiếp xúc “0%” và “100%” làm giới hạn chuyển
động của thanh điều khiển khi thanh này đạt được các vị trí cao nhất và thấp nhất.
Ngoài ra vẫn còn có các điểm “20%”, “50%” và “80%” được sử dụng và đưa tín hiệu
đến mạch điều khiển của thanh điều chỉnh tự động. Bộ chỉ thị vị trí có nhiệm vụ hình
thành các tín hiệu chỉ thị vị trí thanh và đưa tín hiệu đến bàn điều khiển. Có khối đối
trọng nối với động cơ để hỗ trợ cho hoạt động đều và êm của động cơ [1].

15


CHƯƠNG 2
CÁC PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHUẨN THANH ĐIỀU KHIỂN
2.1 Cơ sở lý thuyết
2.1.1 Neutron trong lò phản ứng
Phần lớn các neutron được sinh ra do quá trình phân hạch xuất hiện ngay khi
xảy ra phân hạch được gọi là các neutron tức thời. Chỉ một phần nhỏ neutron xuất
hiện sau thời điểm xảy ra phản ứng phân hạch một thời gian nào đó gọi là các neutron
trễ. Diễn biến của trạng thái lò phản ứng theo thời gian phụ thuộc vào tính chất khác
nhau của hai loại neutron này.
2.2.2 Lò phản ứng không có neutron trễ
Gọi l là thời gian sống trung bình của neutron tức thời, tức là khoảng thời gian
trung bình từ lúc neutron tức thời được phát ra bởi phân hạch cho đến khi chúng bị
hấp thụ. Chu kỳ LPỨ là khoảng thời gian mà mật độ thông lượng neutron hay công
suất của lò tăng lên e lần (e ≈ 2.718).
Xét một lò nhiệt đồng nhất vô hạn, tốc độ thay đổi mật độ thông lượng [2] trên
đơn vị thể tích là:

dn
dt

= sT − Σa Φ

(2.1)

Trong đó sT là mật độ nguồn neutron (neutron/cm3.s), Σa là tiết diện hấp thụ vĩ
mô (cm-1), Φ là thông lượng (neutron/cm2.s). Khi không có sự đóng góp của neutron
trễ, mật độ nguồn sẽ là:
sT = k ∞ Σa Φ

(2.2)

Từ phương trình (2.1) và (2.2) kết hợp với thay Φ = nv, trong đó n là mật độ
neutron (neutron/cm3) và v là vận tốc neutron (cm/s), ta có:
dn
dt

= (k ∞ − 1)Σa nv

(2.3)

16


Lời giải của phương trình (2.3):
n = n0e(k∞−1)Σavt

(2.4)

n = n0et/T

(2.5)

Vậy chu kỳ lò phản ứng T (tính bằng giây) từ phương trình (2.5) là:
T=∑
với l =

1
a v(k∞ −1)

=

l

(2.6)

k∞ − 1

1
∑a v

Phương trình (2.6) cho ta thấy nếu l ≈ 10-4 giây và k ∞ = 1,001 thì T chỉ khoảng
0,1 giây. Tức trong 1 giây, công suất lò tăng lên e10 ≈ 22000 lần.
2.2.3 Lò phản ứng có neutron trễ
Với chu kỳ lò ngắn như vậy thì LPỨ hoàn toàn không thể điều khiển được. Tuy
nhiên, do trong lò còn có sự có mặt của các neutron trễ được phát ra từ các sản phẩm
phân hạch như: Br, Rb, I... nên chu kỳ lò sẽ lớn hơn rất nhiều. Các neutron trễ này
được chia thành 6 nhóm và được cho trong Bảng 2.1:

Bảng 2.1 Các nhóm tiền tố neutron trễ với phân hạch neutron nhiệt trong 235U [2].
Năng lượng

Chu kỳ bán rã

Tỷ số sinh

trung bình (keV)

(giây)

βi x10-4

1

250

55,72

2,1

2

570

22,72

14,1

3

412

6,22

12,6

4

670

2,30

25,3

5

400

0,61

7,4

6

698

0,23

2,7

Nhóm

β = 64,2

17


Phần đóng góp neutron trễ trên toàn bộ neutron phân hạch là xấp xỉ 0,64% đối
với lò dùng nhiên liệu 235U. Nếu ti là thời gian sống trung bình của tiền tố phát neutron
trễ và βi là tỷ số sinh của neutron trễ nhóm i, khi đó βiti là thời gian sống trung bình
và Σβiti là tổng thời gian sống trung bình của các neutron trễ. Do đó, tổng thời gian
sống trung bình của toàn bộ neutron trong lò là:
l ̅ = Σ βiti + l

(2.7)

Sử dụng các giá trị từ Bảng 2.1 thì Σβiti ≈ 0,1 giây lớn hơn nhiều với l = 10-4
giây nên có thể xem như thời gian sống trung bình của neutron trong lò lúc này gần
như được quyết định bởi neutron trễ, trong trường hợp k ∞ = 1,001 thay l ̅ = 0,1 giây
vào phương trình (2.6) ta tính được T ≈ 100 giây, tức trong 100 giây công suất lò
tăng lên e lần. Với mức chu kỳ này, lò phản ứng hoàn toàn có thể điều khiển được.
2.2.4 Phương trình độ phản ứng
Sự thay đổi mật độ thông lượng neutron [3] phụ thuộc vào tốc độ sinh ra của
các tiền tố phát neutron trễ. Tốc độ thay đổi của tiền tố Ci là:
dCi
dt

= Σa Φk ∞ βi − λi Ci

(2.8)

Mật độ thông lượng neutron phụ thuộc vào thời gian bao gồm neutron trễ là:
dn
dt

= Σa Φk ∞ (1 − β) − ∑ λi Ci − Σa Φ

Thay Φ = nv và l =
dCi
dt
dn
dt

=
=

k∞ βi

1
∑a v

vào (2.8) và (2.9) ta được:

n − λ i Ci

l

k∞ (1−β)−1
l

∂
∂t

l
k∞

(2.10)

n − ∑ λ i Ci

Từ định nghĩa độ phản ứng ρ =
bình Ʌ =

(2.9)

(2.11)
k∞ −1
k∞

cho lò vô hạn và thời gian một thế hệ trung

thay vào phương trình (2.10) và (2.11) ta có được:

Ci (t ) =

βi
Ʌ

n (t ) − λ i Ci

(2.12)

18