Hóa học Phóng xạ

Hóa Học Phóng Xa


I. PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HOÁ
HỌC PHÓNG XẠ


PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH HOÁ
HỌC PHÓNG XẠ
Là phương pháp dùng để xác định, tách và định
lượng các loại hóa học (thành phần) của vật liệu.
Ứng dụng:

 Phân tích định tính: xác định loai thành phần (các yếu
tố, phân tử, ...) trong tài liệu nghiên cứu
 Tách các thành phần
 Phân tích định lượng: Xác định nồng độ tuyệt đối hoặc
tương đối của thành phần trong vật liệu.
 Phân tích hoá học vật liệu phóng xa: phương pháp đặc
biệt
 Các điều kiện vật lý và hóa học cực đoan trong các nhà
máy điện hat nhân: Nhiệt độ, áp suất, bức xa ion hóa ...


CÁC PHƯƠNG PHÁP HẠT NHÂN
TRONG PHÂN TÍCH HOÁ HỌC
• Quang phổ khối (MS)
• Cộng hưởng từ hat nhân
(NMR) Phân tích kích
hoat neutron (NAA)
• Phân tích huỳnh quang

tia X (XRS)
• Chụp cắt lớp vi tính (CT)
• Sắc ký


1. Quang phổ khối
Là phương pháp sử dùng thiết bị khối phổ kế để đo
đạc tỉ lệ khối lượng trên điện tích của ion
Tính chất:
 Sử dụng từ trường tập trung
 Có thể phân tích định tính và định lượng
 Giới han khối lượng mẫu thử ng÷mg


Các bộ phận chính:
Một khối phổ kế thông
thường gồm 3 phần:
• Phần nguồn ion
• phần phân tích khối
lượng
• phần đo đac


Nguyên Lý:
• Từ mẫu tao ra các ion dưới dang khí
• Các chùm ion có tỷ lệ giữa điện tích và
khối lượng được phân tách trong điện
trường và(hoặc) từ trường
• Các chùm tia được lựa chọn theo động
lượng, vận tốc, thời gian bay

2. Phân tích kích hoat Neutron
Là một phương pháp dùng để định tính và định
lượng, dựa trên phản ứng giữa neutron và hạt
nhân bia tạo thành nhân hợp phân, sau đó phân rã
phát ra các tia gamma đặc trưng.


Ưu điểm:
• Nhay cảm với các nguyên tố vi lượng
• Phương pháp không phá hủy mẫu
• Phân tích được nhiều nguyên tố
Nhược điểm:
• Nguồn neutron phải có năng lượng cao
• Cần có quang phổ gamma độ phân giải
cao
• Chi phí cao


3. Phân tích huỳnh quang tia X (XRF)
Tia X có bản chất là sóng điện từ. Tia X là bức xạ phát
ra khi chùm tia electron đập vào bia có số khối lớn
Ưu điểm:
• Xác định thành phần cơ bản của mẫu
• Kiểm tra không phá huỷ
• Cho kết quả nhanh
• Phân tích được số lượng lớn các nguyên tố
Nhược điểm:
• Dễ gây nguy hiểm

• Han chế đo đac đối với các nguyên tố có Z < 11


4. Phương pháp sắc ký:
Là một trong các kĩ thuật
phân tích thường dùng để
tách các chất trong một hỗn
hợp trong phòng thí nghiệm


II. Cấu trúc thanh nhiên liệu và
các mô hình tính toán rò rỉ


Cấu trúc thanh nhiên liệu


Cấu trúc vĩ mô và thành phần của viên
nhiên liệu
Vết nứt
bên trong
viên nhiên
liệu

 Cấu trúc viên, phân bố đồng
trục trong thanh nhiên liệu:
 Có vết nứt trong lòng viên
 Lớp “Rim” – Viền ở mép viên
 Có bong bóng khí ở ranh giới
viên

Lớp “Rim”


Cấu trúc vi mô của viên nhiên liệu (SEM)
•

SEM = Scanning Electron Microscope
(Quét điện tử với kính hiển vi)

Trước chiếu xa

Hình ảnh hiển vi của
viên nhiên liệu đã
được đốt cháy
Sau chiếu xa


Kim loai Hydrua
•• Là
  hợp chất của kim loai+khí H
Phân loại:
• Dang tinh thể, thủy phân trong
nước: LiH, Ca, Ba
• Hydrua cộng hóa trị: phi kim loai và
bán kim loai, HCl, S, N...
• Hydrua trung gian: các tính chất
tương tự như hợp kim, có thể
được sản xuất với hầu hết các kim
loai chuyển tiếp

Kim loai Hydua

• Việc
  tích hợp hydro vào cấu trúc
kim loai làm cho lớp vỏ hợp kim
Zr dễ vỡ và gây ra các vết nứt
trong cấu trúc.
 Phòng ngừa sự hình thành
hydrua:
 Giảm độ rỗng của viên nhiên liệu
U
 Áp dụng phương pháp sấy đặc
biệt để làm giảm lượng nước
trong lớp vỏ bọc của viên nhiên
liệu và các bộ phận khác của
thanh nhiên liệu.


Các quá trình hư hỏng vật lý trong các
viên nhiên liệu

Lớp Oxit
Lớp Hydrat
Bề mặt bị phá hủy
bởi lớp hydrat

Vết nứt

Bề mặt bị phá
hủy bởi lớp
hydrat


Thiệt hai trong nhiên liệu
• Một số vật liệu nhiên liệu của bề mặt viên rò rỉ đến
chất làm mát thông qua các vết vỏ nứt. Kích thước
tiêu chuẩn của lượng thiếu hụt: dài 2,0 mm và
rộng 0,15 mm.

Lớp phủ

Viên nhiên liệu


Thanh nhiên liệu hàn kín
 Lý do: tránh rò rỉ các sản phẩm
kích hoat và phân hach
– Rò rỉ nhỏ: các sản phẩm
phân hach
– Rò rỉ lớn: Nhiên liệu và chất
làm mát
 Rò nguyên liệu Ura
 Điểm rò: < mg U
 Lỗ rò 5-10 mm ~ 1 g U
 Vết nứt: 20-50 mm ~ 10 g U


Các mô hình tính toán rò rỉ nhiên liệu

• Mô hình Stationer: đưa ra các kết quả ban đầu về các
loai và mức độ của thiệt hai.
• Mô hình Spiking: tính toán hoat động tăng sau khi lò
phản ứng thoáng qua từ tính di chuyển của các đồng vị
phân hach, tính toán tăng hoat động với sự xem xét tính
di chuyển của các sản phẩm phân hach
• Tính toán lượng đồng vị phóng xa phát tán trong môi
trường làm mát: khả năng làm sach nước, rò rỉ, tích tụ
bề mặt, ....


Mô hình Stationer


•
•
•
•

Được sử dụng trên lò CANDU, PWR, VVER-444…
Kiểm tra các tiêu chí về chất lượng và số lượng:
Thay đổi nồng độ I-134 và I-131
Ước lượng ô nhiễm bề mặt
Xác định số lượng thanh nhiên liệu bị hư hỏng
Kiểm tra sự hao hụt nhiên liệu


Phương trình cơ bản của mô hình
Stationer
•

Phương trình chuyển động của phân tử trong viên nhiên liệu:

•

trong đó: D: diện tích khuếch tán
divJ: vận tốc dòng chảy
λ: hằng số phân rã
Phương trình số lượng đồng vị trong khoảng trống “gap”:

trong đó: R: rò từ viên nhiên liệu
ε: rò từ chất làm mát


Phương trình cơ bản của mô hình
Stationer
•• Công
thức của đồng vị phân hach trong chất làm mát:
 

trong đó: : rò rỉ đồng vị từ khoảng “gap”
β: hiệu ứng lọc nước
: nhiễm bẩn bề mặt


Mô hình Spiking
•• Tính
  toán hoat động của I-131:

trong đó: P: năng lượng

: áp suất chênh lệch
S: hệ số Spiking