Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy : Luận văn ThS. Vật lý: 60 44 05

Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

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

Tƣởng Thị Thanh

TÍNH TOÁN AN TOÀN CHO BỂ LƢU GIỮ
NHIÊN LIỆU ĐÃ CHÁY
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, Hạt nhân
và Năng lượng cao
Mã số :

60 44 05

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Chí Dũng

Hà Nội – Năm 2012

Tưởng Thị Thanh

1


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 1
CHƢƠNG 1:CHU TRÌNH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN ...................................... 9
1.1.CHU TRÌNH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN ................................................................. 9
1.2.CÁC QUY ĐỊNH AN TOÀN LIÊN QUAN ĐẾN BỂ LƯU GIỮ NHIÊN LIỆU ĐÃ CHÁY 10
CHƢƠNG 2:MÔ TẢ BỂ LƢU GIỮ NHIÊN LIỆU ĐÃ CHÁY CỦA LÒ PHẢN
ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT ................................................................................ 20
2.1. Mô tả tổng quát lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ............................................... 20
2.2. Bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ................... 23
CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP VÀ CHƢƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN............. 28
3.1. Phương pháp tính toán ................................................................................. 28
3.2. Chương trình MCNP5 .................................................................................. 29
3.2.1. Mô tả tệp tin đầu vào của MCNP .......................................................... 31
3.2.2. Mô hình hình học của bể lưu giữ lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt .............. 42
3.2.3. Thư viện số liệu..................................................................................... 42
3.2.4. Kỹ thuật giảm phương sai sử dụng trong tính toán ................................ 42
3.3. Chương trình ORIGEN2 .............................................................................. 43
CHƢƠNG 4:TÍNH TOÁN AN TOÀN CHO BỂ LƢU GIỮ NHIÊN LIỆU ĐÃ
CHÁY CỦA LÒ PHẢN ỨNG ĐÀ LẠT ............................................................. 45
4.1. Tính toán tới hạn .......................................................................................... 45
4.1.1. Tính toán tới hạn theo số bó nhiên liệu được lưu giữ [2] ....................... 45
4.1.2. Tính toán tới hạn bể chứa đầy nhiên liệu bị mất nước............................ 46
4.2. Tính toán nhiệt phân rã và hoạt độ cho bể lưu giữ nhiên liệu. ....................... 47
4.2.1. Nhiệt phân rã......................................................................................... 47
4.2.2. Phóng xạ ............................................................................................... 51
4.3. Tính suất liều ............................................................................................... 56

Tưởng Thị Thanh

2


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

4.3.1. Kết quả tính toán và thực nghiệm đo suất liều 1 BNL......................... 57
4.3.2.Tính toán suất liều trong trường hợp bể chứa đầy nhiên liệu ............... 57
KẾT LUẬN ....................................................................................................... 67
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 68
PHỤC LỤC ....................................................................................................... 63

Tưởng Thị Thanh

3


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Các thông số vật lý cơ bản của lò phản ứng ............................................ 15
Bảng 2.2. Các đặc trưng của các bó nhiên liệu VVR-M2 ....................................... 19
Bảng 3.1. Các loại mặt trong MCNP ..................................................................... 27
Bảng 3.2: Các tham biến nguồn ............................................................................. 31
Bảng 3.3. Các tally ................................................................................................ 31

Bảng 4.1. Hệ số keff theo số lượng bó nhiên liệu được lưu giữ ............................... 39
Bảng 4.2. Nhiệt phân rã (W) của 150 BNL 10 giờ đầu sau chiếu ........................... 41
Bảng 4.3. Nhiệt phân rã của 150 BNL từ 12 giờ đến 72 giờ sau chiếu ................... 42
Bảng 4.4. Nhiệt phân rã của 150 BNL sau 7 ngày đến 20 năm .............................. 43
Bảng 4.5. Hoạt độ phóng xạ (Ci) của 150 BNL 10 giờ đầu sau chiếu..................... 46
Bảng 4.6. Hoạt độ phóng xạ của 150 BNL từ 12 giờ đến 72 giờ .......................... 47
Bảng 4.7. Hoạt độ phóng xạ của 150 BNL từ 7 ngày đến 20 năm ......................... 49
Bảng 4.8. Giá trị suất liều của 1 bó nhiên liệu cháy 30% từ kết quả tính toán và
thực nghiệm với thời gian làm nguội 85 giờ, 228 giờ và 493giờ ............................ 51
Bảng 4.9. Kết quả tính toán suất liều trong trường hợp bể chứa đầy bó nhiên liệu đã
cháy theo chiều cao ............................................................................................... 53
Bảng 4.10. Suất liều giảm theo thời gian khi bể mất nước hoàn toàn và tại các
khoảng cách khác nhau sau 2 năm sau chiếu tại nơi suất liều lớn nhất ................ 58
Bảng 4.11. Suất liều trong trường hợp bể hết nước theo thời gian .......................... 59

Tưởng Thị Thanh

4


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Chu trình nhiên liệu hạt nhân .................................................................. 4
Hình 1.2. Bể chứa nhiên liệu đã cháy của một nhà máy điện hạt nhân ..................... 5
Hình 2.1 Sơ đồ mặt cắt đứng của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ............................ 17
Hình 2.2. Sơ đồ bố trí các cốc chứa trong bể chứa nhiên........................................ 18
Hình 2.3. Mô hình mặt cắt ngang của thanh nhiên liệu HEU ................................. 21

Hình 3.1. Sơ đồ tính suất liều của bể lưu giữ của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ..... 23
Hình 3.2. Cấu trúc khái quát một tệp tin đầu vào của MCNP ................................ 25
Hình 3.3. Khuông mẫu thẻ bề mặt ........................................................................ 26
Hình 3.4. Khuôn mẫu thẻ ô ................................................................................... 29
Hình 3.5. Khuôn mẫu đặc trưng thẻ vật liệu .......................................................... 34
Hình 4.1. Nhiệt phân rã của 150 BNL 10 giờ đầu sau chiếu .................................. 42
Hình 4.2. Nhiệt phân rã của 150 BNL từ 12 giờ đến 72 giờ ................................. 43
Hình 4.3. Nhiệt phân rã của 150 BNL từ 7 ngày đến 20 năm ................................ 44
Hình 4.4. Hoạt độ phóng xạ của 150 BNL 10 giờ đầu sau chiếu ........................... 47
Hình 4.5. Hoạt độ phóng xạ của 150 BNL từ 12 giờ đến 72 giờ ............................ 48
Hình 4.6. Hoạt độ phóng xạ của 150 BNL từ 7 ngày đến 20 năm .......................... 50
Hình 4.7. Mô hình 1 nửa bể chứa bằng mô phỏng MCNP5 ................................... 52
Hình 4.8. Suất liều phụ thuộc chiều cao trong trường hợp bể đầy nước sau 2 năm . 55
Hình 4.9. Suất liều trong 3 trường hợp đầy nước, mất nước đến thanh nhiên liệu và
mất nước hoàn toàn .............................................................................................. 56

Tưởng Thị Thanh

5


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

Hình 4.10. Các vị trí khoảng cách suất liều khảo sát ............................................. 57
Hình 4.11. Suất liều thay đổi theo khoảng cách khác nhau ................................... 58
Hình 4.12. Suất liều trong trường hợp bể hết nước theo thời gian tại chiều cao 20
cm ........................................................................................................................ 59

Tưởng Thị Thanh

6


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

MỞ ĐẦU
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được nâng cấp từ Lò TRIGA (Training,
Research and Isotope - Production Reactors, General Atomic) của Mỹ có công suất
250 kW, đây là loại lò bể bơi, 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, với công suất 500
kW. 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, nghiên cứu ứng dụng và đào tạo cán bộ.
Đối với mỗi lò phản ứng, sau khi nhiên liệu đã cháy được chuyển ra khỏi lò,
được lưu giữ trong bể nhiên liệu sau một thời gian từ vài năm đến vài chục năm để
giảm nhiệt dư, phóng xạ trước khi có thể vận chuyển an toàn về các nhà máy xử lý,
tái chế nhiên liệu hoặc chôn thải vĩnh viễn theo tiêu chuẩn của IAEA. Ngoài ra
trong quá trình lưu giữ nhiên liệu, bể cũng phải đảm bảo an toàn, không để gây hại
cho con người và môi trường. Trong luận văn này “Tính toán an toàn cho bể lƣu
giữ nhiên liệu đã cháy” này, chúng tôi đã tính toán an toàn cho bể chứa đầy nhiên
liệu trong trường hợp hoạt động bình thường và khi sự cố xảy ra như động đất, va
đập làm nứt, vỡ bể, mất nước và hư hại các thanh nhiên liệu trong bể chứa. Chương
trình tính toán được sử dụng là MCNP5 và ORIGEN2 với hình dạng và các thành
phần nhiên liệu, cấu kiện của bể sát với thực tế và bó nhiên liệu đã cháy 30%. Đây
là bài toán thực tế phải giải quyết tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt trong khuôn
khổ dự án hợp tác quốc tế thay đổi nhiên liệu có độ làm giàu cao ( HEU) thành

nhiên liệu có độ làm giàu thấp ( LEU ). Nhiên liệu HEU đã cháy được lấy ra khỏi
lò, lưu giữ trong bể chứa trước khi chuyển trả về Nga. Trong quá trình nước ta đang
có dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân, thì việc giải bài toán này như bước đầu
cho việc tính toán đối với bể chứa nhiên liệu đã cháy của nhà máy điện hạt nhân
Ninh Thuận trong tương lai.

Tưởng Thị Thanh

7


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

Luận văn bao gồm phần mở đầu, 4 chương và phần kết luận. Chương 1: chu
trình nhiên liệu hạt nhân và các quy định của IAEA liên quan đến lưu giữ nhiên liệu
hạt nhân, chương 2: Mô tả bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng hạt nhân
Đà Lạt, chương 3: Phương pháp và chương trình tính toán, chương 4: Tính toán an
toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy. Mô hình, phương pháp và các nghiên cứu lý
thuyết được thực hiện dưới sự hướng dẫn của thầy giáo là cán bộ có kinh nghiệm về
an toàn hạt nhân. Các kết quả tính toán và so sánh thực nghiệm được thực hiện chủ
yếu tại Đà Lạt dưới sự hướng dẫn của các chuyên gia có nhiều năm kinh nghiệm
làm việc tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt.

Tưởng Thị Thanh

8

Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

Chƣơng 1
CHU TRÌNH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN
Chương này giới thiệu về chu trình nhiên liệu hạt nhân và quy định liên
quan về bảo đảm an toàn hạt nhân.

1.1.

Chu trình nhiên liệu hạt nhân
Vấn đề an toàn hạt nhân luôn được đặt lên hàng đầu cho những quốc gia có chu

trình hạt nhân. An toàn hạt nhân là đảm bảo an toàn sử dụng nhiên liệu hạt nhân từ
lúc sản suất ra đến lúc xử lý phế liệu để không làm ô nhiễm môi trường và ảnh
hưởng đến sức khỏe con người. An toàn hạt nhân phải đảm bảo 3 yếu tố: Kiểm soát
tới hạn, tải nhiệt dư và che chắn phóng xạ. Nhà máy điện hạt nhân chỉ là một khâu
trong một chuỗi công nghệ phức tạp gọi là chu trình nhiên liệu [4]. Chu trình đó
gồm bảy khâu:
1. Khai thác quặng Uranium;
2. Xử lý quặng Uranium;
3. Làm giàu quặng đồng vị 235U;
4. Chế tạo thanh nhiên liệu;
5. Sử dụng trong lò phản ứng nhà máy điện hạt nhân;
6. Xử lý nhiên liệu đã cháy;
7. Xử lý chất thải.

Tưởng Thị Thanh

9


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

Hình 1.1. Chu trình nhiên liệu hạt nhân
Mức độ nguy hiểm của nhiên liệu phụ thuộc vào khả năng phát xạ của nó.
Nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân và ngay sau khi được lấy ra khỏi lò có độ
phóng xạ rất cao. Luận văn này đề cập đến an toàn lưu giữ nhiên liệu sau khi cháy
được lấy ra khỏi lò và cho vào bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy.

1.2.

Các quy định an toàn liên quan đến bể lƣu giữ nhiên liệu đã cháy

Tài liệu [9] của IAEA quy định về an toàn liên quan đến bể lưu giữ nhiên liệu
đã cháy như sau:

Tưởng Thị Thanh

10


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

Hình 1.2. Bể chứa nhiên liệu đã cháy của một nhà máy điện hạt nhân

1.2.1. Thiết kế của hệ thống xử lý và lưu giữ nhiên liệu đã cháy phải đảm bảo đầy
đủ các tiêu chuẩn an toàn cơ bản trong mọi thời điểm:
- Duy trì dưới tới hạn của nhiên liệu;
- Loại bỏ nhiệt dư từ nhiên liệu đã chiếu;
- Không làm rò rỉ các chất phóng xạ.
1.2.2. Dưới tới hạn phải được đảm bảo ở tại mọi thời điểm và địa điểm nơi nhiên
liệu đã cháy được lưu giữ để ngăn chặn không có bất kì ảnh hưởng của bức xạ tới
nhân viên, môi trường. Thiết kế phải đảm bảo dưới tới hạn ngay cả khi xảy ra đồng
thời hai hoặc liên tiếp các sự kiện bất thường.
1.2.3. Thiết kế phải tuân thủ các quy định để loại bỏ nhiệt dư từ nhiên liệu đã cháy.
Nhiệt phải được lấy ra khỏi bó nhiên liệu đã cháy để không làm hư hại vỏ nhiên
liệu, kho chứa và hệ thống hỗ trợ do phân rã phóng xạ.
1.2.4. Luôn theo dõi đảm bảo môi trường hoạt động an toàn trong khu vực lò và
ngăn cản rò rỉ quá mức của chất phóng xạ. Thiết kế bể phải ngăn chặn rò rỉ nước
xuống mạch nước ngầm.

Tưởng Thị Thanh

11


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

1.2.5. Che chắn xung quanh vùng nhiên liệu đã cháy, cấu kiện vùng hoạt bị chiếu xạ
phải đảm bảo vệ cán bộ vận hành không bị chiếu xạ trực tiếp từ phân hạch và sản
phẩm bị kích hoạt quá liều theo quy định và giữ cho mức chiếu xạ thấp hợp lý có
thể đạt được.
1.2.6. Trong quá trình xử lý và lưu giữ nhiên liệu, thanh, bó nhiên liệu phải ngăn

chặn hư hại từ các tác nhân vật lý như di chuyển hoặc va đập.
1.2.7. Thành phần hóa học của môi trường nước làm mát luôn được kiểm soát để
ngăn chặn oxi hóa của vỏ, các thành phần cấu trúc của bể.
1.2.8. Hệ thống làm mát luôn hoạt động ổn định trong suốt thời gian hoạt động theo
thiết kế. Vật liệu của toàn bộ hệ thống phải đảm bảo độ an toàn và tin cậy. Thiết bị
phụ trợ (ví dụ, nguồn cung cấp điện) luôn được giám sát lò và hoạt động ổn định,
phù hợp với công nghệ lưu giữ được sử dụng.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Phân tích dƣới tới hạn.
1.2.9. Khi thiết kế phải đảm bảo điều kiện dưới tới hạn, tiến hành phân tích cho tất
cả trạng thái để chứng minh rằng các hệ thống thành phần quan trọng sẽ không bị
biến dạng.
1.2.10. Khi xác định trạng thái dưới tới hạn, giá trị hệ số nhân hiệu dụng keff hoặc hệ
số nhân vô hạn k∞ sử dụng trong tính toán. Hệ số nhân phải:
(a) Nơi nào nhiên liệu đã cháy không thể duy trì dưới tới hạn bằng cấu hình riêng,
thiết kế phải có biện pháp thiết kế bổ xung, như hòa tan chất hấp thụ nơtron (Bo)
hoặc sử dụng thanh bù trừ tự cháy, để đảm bảo dưới tới hạn. Trong trường hợp thêm
vào Bo, các nghiên cứu dưới tới hạn phải tính đến sự pha loãng chất hấp thụ. Bù trừ
do Bo hòa tan và do giảm tự cháy không nên áp dụng như nhau cho các khu vực lưu
giữ.
(b) Mức tự cháy, độ làm giàu, kết quả của phản ứng phải giả định ở tình trạng bất
lợi nhất có thể.
(c) Phải tính đến ảnh hưởng của phản xạ nơtron trong trường hợp rủi ro.

Tưởng Thị Thanh

12


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

(d) Đối với các khu vực lưu giữ khác nhau phải tính đến tác động tương tác của
nơtron giữa các khu vực.
(e) Bó nhiên liệu cháy không hoàn toàn ( lượng U235 còn tồn dư lớn hơn dự kiến )
cũng phải được tính đến trong quá trình lưu giữ.
Bố trí trong khu vực lƣu giữ
1.2.12. Thiết kế phải đảm bảo khả năng lưu giữ tối đa đối với bó nhiên liệu của tất
cả các loại lò, thiết bị điều khiển phản ứng, bó nhiên liệu giả, kênh nhiên liệu, thiết
bị đo đạc, nguồn notron, thành phần vùng hoạt khác và thiết bị khác như vỏ lưu giữ
và thùng vận chuyển. Tuyệt đối không đặt nhiên liệu bên ngoài các địa điểm quy
định.
1.2.13. Bể phải đảm bảo phân rã phóng xạ và giảm nhiệt dư trước khi vận chuyển.
Đối với nhiên liệu giàu hơn, giá trị nhiệt dư phải được tính đến.
1.2.14. Trong giai đoạn thiết kế, khả năng lưu giữ nhiên liệu cho phép dỡ vùng hoạt
đầy bất kỳ lúc nào hoặc để sửa chữa bể.
1.2.15. Lưu giữ an toàn cho nhiên liệu bị rò rỉ hay hư hại phải được tính đến. Trong
quá trình xử lý và lưu giữ, bó nhiên liệu hư hại phải được sắp xếp để giảm thiểu
nguy cơ gây phân hạch cho các vật liệu khác.
1.2.16. Ngay cả khi địa điểm lưu giữ nhiên liệu đầy đến thể tích lớn nhất thì quy
định xử lý an toàn của một thùng vẫn được đảm bảo. Khu vực xử lý thùng phải đảm
bảo lưu giữ được tất cả các loại thùng dự kiến cho nhà máy.
1.2.17. Ngoài ra:
- Thiết kế phải cho phép kiểm tra định kì và bảo trì ( ví dụ các mối hàn kết
nối giữa các tấm của bể).
- Quy định bố trí phải đảm bảo cho việc khử nhiễm và kiểm tra thiết bị xử lý,
lưu giữ nhiên liệu và thùng.
- Quy định cho phép kiểm tra, xác định, tháo dỡ và phục hồi nhiên liệu, bao
gồm có thể đo mức cháy của nhiên liệu.

- Quy định có không gian cho việc lưu giữ, sử dụng công cụ và thiết bị cần
thiết cho sửa chữa, kiểm tra cấu kiện vùng hoạt, thiết bị xử lý và lưu giữ nhiên liệu.

Tưởng Thị Thanh

13


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

- Bố trí nên đảm bảo di chuyển chính xác và không làm hư hại nhiên liệu,
thiết bị xử lý.
Hệ thống nƣớc bể, hệ thống lọc và hệ thống làm mát.
1.2.18. Thiết kế phải tuân theo những yêu cầu sau:
- Đảm bảo hệ thống giám sát mức nước và nhiệt độ.
- Phải có biện pháp ngăn chặn không để nước tràn bể. Thể tích nước bể phải
đảm bảo trong trường hợp trục trặc của hệ thống bơm, nước chảy qua một chu trình
với thời gian dài để nước không đạt đến điểm sôi.
- Trong quá trình thiết kế, nếu có sự mất mát nước trong hoạt động và sự cố
cơ bản phải bổ xung bằng một hệ thống có nguồn nước ổn định. Khi mất nước che
chắn và làm mát vẫn thực hiện được các biện pháp cứu trợ.
- Ống dẫn nước phải bố trí sao cho ảnh hưởng hiệu ứng hút hoặc nứt của bất
kỳ đường ống nào, mực nước của bể không giảm xuống dưới mức mà tại đó nhiên
liệu đã cháy ngập nước và được che chắn an toàn. Khi thêm nước vào phải đảm bảo
không làm hư hại đến nhiên liệu.
- Cống xả nước được sử dụng giữa các bể khác nhau, phải được thiết kế chịu
được áp lực nước đầy từ cả hai phía. Độ cao của cửa cống phải cao hơn bó nhiên
liệu lưu giữ để duy trì che chắn. Khóa bền bức xạ được sử dụng cho cửa cống.

- Hệ thống giám sát rò rỉ luôn được duy trì.
1.2.19. Nồng độ chất phóng xạ được giới hạn theo quy định cho tất cả các khu vực
lưu giữ và xử lý nhiên liệu. Mức độ ô nhiễm nước, không khí phải được thiết lập.
1.2.20. Nước đã được kiểm tra thành phần hóa học mới được sử dụng. Thiết kế hệ
thống lọc nước phải đảm bảo:
- Phóng xạ, ion và các tạp chất rắn phát sinh từ sản phẩm kích hoạt, nhiên
liệu hư hại và các vật liệu khác phải được loại bỏ ra khỏi nước nhằm đảm bảo liều
lượng bức xạ duy trì trong giới hạn yêu cầu.
- Thành phần hóa học của nước bể ( ví dụ, nồng độ Bo, Clo, Sunfat, và Flo
thích hợp, giá trị PH và độ dẫn điện) được quy định nhằm duy trì hoạt động dưới tới
hạn và giảm thiểu sự ăn mòn.

Tưởng Thị Thanh

14


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

- Độ tinh khiết của nước phải được duy trì ở mức độ cho phép.
- Sự tăng trưởng của vi sinh vật phải được giám sát.
- Việc giảm nồng độ Bo phải được ngăn chặn. Một hệ thống giám sát tự động
và báo động hàm lượng Bo phải được lắp đặt.
1.2.21. Thiết bị để loại bỏ tạp chất và các hạt huyền phù từ bề mặt bể luôn được
đảm bảo.
1.2.22. Đối với các hoạt động làm rò rỉ chất phóng xạ hoặc tăng huyền phù ( ví dụ
trong quá trình phục hồi nhiên liệu) thì phải có biện pháp loại bỏ chất phóng xạ
nước trong bể và đường ống của hệ thống làm sạch hoặc thiết bị làm sạch tại chỗ.

Ngăn chặn phát tán chất phóng xạ trong không khí, bao gồm cả Halogen, từ bề mặt
của bể (ví dụ, bằng các điểm thông gió và hút gió điều hòa không khí gần bề mặt
bể).
1.2.23. Nếu thùng chứa sản phẩm phân hạch có thể tháo rời (thường làm bằng nhựa
dẻo) và được đặt trong bể nhiên liệu đã cháy, phải được sắp xếp, lưu giữ trong thời
gian dài hoặc chôn các thùng này để ngăn chặn sản phẩm phân hạch thứ cấp ra môi
trường.
1.2.24. Hệ thống phải đảm bảo giảm tích tụ ô nhiễm phóng xạ đến mức cho phép
trong tất cả khu vực lưu giữ. Đường ống phải được thiết kế tối thiểu chỗ uốn và các
chỗ đặc biệt khác (như bẫy hay vòng lặp) trong đó chất phóng xạ được tích lũy.
1.2.25. Hệ thống làm mát phải đảm bảo:
- Loại bỏ tối đa nhiệt dư và duy trì nhiệt độ của bể bằng kiểm tra và bảo
dưỡng bể. Nhiệt độ bể được đảm bảo dưới mức giới hạn khi hoạt động bình thường.
- Duy trì tính toàn vẹn của vỏ nhiên liệu.
- Điều khiển mức nước.
- Điều khiển nhiệt độ trung bình của nước ở mức độ phù hợp với yêu cầu
thiết kế thành bể và các cấu trúc bể.
- Hạn chế sự phát tán ô nhiễm do bốc hơi hoặc sự sôi của nước (sự sôi của
nước làm mát phải được tính tới trong trường hợp có sự cố).

Tưởng Thị Thanh

15


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

- Chấp nhận điều kiện làm việc trong môi trường ẩm của khu vực hoạt động

của thiết bị (chẳng hạn thiết bị lọc và thiết bị điện).
- Chấp nhận các điều kiện làm việc cho nhân viên điều hành.
- Đa dạng hóa chức năng của hệ thống làm mát.
- Tuân thủ các tiêu chí của sự cố sai hỏng đơn lẻ.
1.2.26. Nhiệt độ giới hạn của nước bể phải được xác định trong thiết kế chịu nhiệt,
giải phóng vật liệu phóng xạ từ nước, các ảnh hưởng lên cấu trúc bể, bộ phận hệ
thống làm mát và hệ thống lọc, thùng lưu giữ nhiên liệu và thiết bị xử lý bên trong
khu vực lưu giữ, thất thoát nước, thiết bị điều khiển hoạt động tự động và các ảnh
hưởng lên thiết bị phụ trợ chẳng hạn như thiết bị điện và thiết bị lọc không khí.
Nhiệt độ giới hạn khác nhau được thiết lập cho trạng thái hoạt động bình thường và
có sự cố. Hệ thống làm mát bể phải đảm bảo nhiệt độ của nước không vượt quá giới
hạn cho phép. Hệ thống làm mát bể phải đảm bảo rằng chúng có thể khởi động lại
trong điều kiện nước gần sôi.
Che chắn
1.2.27. Thiết kế che chắn bức xạ phải được đảm bảo trong khu vực hoạt động, trong
các phòng và khu vực lân cận, các địa điểm của hệ thống xử lý nhiên liệu. Thiết kế
che chắn phải giả định cho các trường hợp sau:
- Tất cả các điểm lưu giữ nhiên liệu là đầy, tất cả nhiên liệu được xem là tối
đa cho mức tự cháy nhiên liệu cao nhất và thời gian làm mát nhiên liệu thích hợp
được sử dụng.
- Một mức nước tối thiểu cần thiết phải được duy trì phía trên bó nhiên liệu
trong quá trình xử lý.
- Máy và thiết bị chứa nhiên liệu đã cháy hoặc vật liệu đã bị chiếu xạ cao
nhất.
1.2.28. Thiết bị xử lý phải không cho phép vô ý đặt hoặc nâng nhiên liệu đã cháy ra
khỏi khu vực che chắn.
1.2.29. Hệ thống điều khiển từ xa, tự động hóa và cơ giới hóa của toàn bộ các quá
trình liên kết với tải, xếp dỡ, xử lý nhiên liệu, sửa chữa và các hoạt động liên quan

Tưởng Thị Thanh

16


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

đến việc thay thế của thiết bị phóng xạ phải được đảm bảo dể giảm tiếp xúc của con
người với phóng xạ.
Kết cấu không rò rỉ
1.2.30. Bể chứa phải được thiết kế không rò rỉ. Tốc độ rò rỉ trong một sự cố cụ thể
không được vượt quá thể tích thêm vào để đảm bảo rằng rò rỉ nước trong giới hạn
cho phép và duy trì kiểm tra. Đối với tất cả thiết kế, luôn giám sát sự rò rỉ .
1.2.31. Thiết kế phải làm giảm các lỗ rò lớn. Biện pháp sửa chữa hư hại bể trong
trường hợp có sự cố gây ra rò rỉ phải được sẵn sàng. Kiểm tra hệ thống thu gom rò
rỉ có thể đoán trước và phát hiện bất kỳ lỗ rò nào. Vị trí lưu giữ tạm thời phải kết
hợp với bể để có thể chuyển hướng nước trong trường hợp sửa chữa cấu trúc bể,
nhà máy và thiết bị liên quan.
Thiết bị
1.2.32. Thiết bị phải được quy định cho việc xử lý an toàn nhiên liệu đã cháy, các
cấu kiện vùng hoạt khác, bó nhiên liệu hoàn chỉnh, một phần bó, thùng vận chuyển.
Thiết bị bao gồm:
- Máy xử lý nhiên liệu;
- Thiết bị chuyển giao nhiên liệu;
- Thiết bị nâng nhiên liệu;
- Thiết bị nâng vùng hoạt;
- Thiết bị tháo dỡ và phục hồi nhiên liệu;
- Thiết bị kiểm tra nhiên liệu;
- Thiết bị xử lý đối với các thùng lưu giữ nhiên liệu;

- Thiết bị bảo vệ bức xạ;
- Thiết bị khử nhiễm;
1.2.33. Tất cả các thiết bị cho việc xử lý và lưu giữ nhiên liệu đã qua sử dụng phải
đáp ứng các khuyến nghị an toàn cho thiết bị.
1.2.34. Thiết bị xử lý bao gồm:
- Thiết bị xử lý rỗng được sử dụng dưới nước phải được thiết kế chìm trong
nước ( để duy trì che chắn) và thoát nước khi di dời;

Tưởng Thị Thanh

17


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

- Các hệ thống xử lý không cho phép tháo rời các bộ phận khi đang sử dụng;
Thiết bị kiểm tra và tháo dỡ
1.2.35. Thiết bị cho phép kiểm tra trực tiếp hay từ xa của bó nhiên liệu và cấu kiện
vùng hoạt khác bằng hình ảnh hoặc những phương pháp khác.
1.2.36. Thiết bị tháo dỡ luôn được đảm bảo. Tháo dỡ nhiên liệu là cần thiết để giữ
lại các bộ phận có thể tái sử dụng (chẳng hạn như kênh nhiên liệu) hoặc trước khi
nhiên liệu được lưu giữ.
1.2.37. Thiết bị có thể phát hiện lỗi của bó nhiên liệu đã chiếu mà không làm ảnh
hưởng đến tính toàn vẹn cấu trúc nhiên liệu.
1.2.38. Thiết bị kiểm tra, phục hồi và tháo dỡ phải giảm thiểu ảnh hưởng của chiếu
xạ và ngăn chặn nhiệt độ quá cao của nhiên liệu.
Thiết bị lƣu giữ
1.2.39. Nơi lưu giữ nhiên liệu trước khi vận chuyển phải cách xa lò phản ứng hoặc

vận chuyển đến một khu vực lưu giữ khác, thiết bị lưu giữ như kệ lưu giữ hoặc
thùng vận chuyển phải phải được quy định như sau:
(a) Thiết bị xử lý nhiên liệu phải truy cập được tới tất cả điểm lưu giữ nhiên liệu.
(b) Nghiêng kệ hoặc di chuyển các thùng vận chuyển nhiên liệu phải tránh gây nổ
và phải đảm bảo rằng sự di chuyển là không nguy hiểm.
(d) Thiết bị phải có khả năng giảm thiểu tải trọng quá mức của bó nhiên liệu trong
quá trình xử lý và lưu giữ; thay đổi kích thước của bó nhiên liệu sau khi cháy phải
được tính tới.
(e) Các thùng vận chuyển, lưu giữ phải thiết kế chống đỡ nhiên liệu và ngăn chặn
hư hại thanh nhiên liệu trong trong trường hợp nghiêng hoặc xoay thùng.
(f) Cho phép dễ dàng tháo dỡ, sữa chữa hoặc loại bỏ toàn bộ các kệ và các lớp lót
hồ.
(g) Nhiệt độ tác động đến vật liệu sử dụng trong lưu giữ phải được tính tới. Dàn lưu
giữ có thể chịu được sự gia tăng nhiệt của phản ứng.
Quy định cho nhiên liệu hƣ hại

Tưởng Thị Thanh

18


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

1.2.40. Nhiên liệu hư hại là một nguồn ô nhiễm tiềm ẩn vì thế phải được đặt trong
thùng vận chuyển lưu trữ. Thùng vận chuyển phải được thiết kế để chịu nhiệt, áp
suất do nhiệt dư của nhiên liệu đã cháy và từ phản ứng hóa học giữa nhiên liệu hoặc
vỏ nhiên liệu với nước xung quanh.
1.2.41. Chú ý các bước loại bỏ các bó nhiên liệu hư hại hoặc cấu kiện vùng hoạt

khác. Các công cụ đặc biệt được thiết kế để thao tác nhiên liệu hư hại đảm bảo dưới
tới hạn và che chắn.

Tưởng Thị Thanh

19


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

Chƣơng 2
MÔ TẢ BỂ LƢU GIỮ NHIÊN LIỆU ĐÃ CHÁY CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT
NHÂN ĐÀ LẠT
Trên cơ sở các nghiên cứu tổng quan về chu trình nhiên liệu hạt nhân và
quy định bảo đảm an toàn của IAEA, chương này và các chương tiếp theo trình bày
một số kết quả tính toán minh họa cho tính an toàn của bể lưu giữ nhiên liệu đã
cháy ở Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
2.1. Mô tả tổng quát lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt [3] hiện tại được cải tạo từ lò TRIGA Mark II,
do hãng General Atomic (GA, San Diego, California, Mỹ) thiết kế và xây dựng vào
đầu thập kỷ 60, đưa vào hoạt động từ năm 1963 đến năm 1968 với công suất danh
định 250 kW và sau đó thì ngừng hoạt động do một số trục trặc kỹ thuật và do chiến
tranh. Giai đoạn 1974-1975, toàn bộ nhiên liệu của Lò phản ứng được lấy ra khỏi
vùng hoạt và chuyển trở lại Mỹ.
Trong giai đoạn từ năm 1976 đến năm 1980, chương trình hợp tác nghiên
cứu nhằm cải tạo, nâng cấp và mở rộng Lò phản ứng được xây dựng. Vào đầu năm
1982, công trình khôi phục và mở rộng Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được khởi
công. Một số các cấu trúc của lò TRIGA, như thùng nhôm với tường bê tông bảo vệ

xung quanh, các kênh ngang, cột nhiệt graphite và vành phản xạ graphite vẫn được
giữ lại. Một hệ thống treo vùng hoạt được lắp đặt thêm gồm một vành nhôm (còn
gọi là giá đỡ), tầng trung gian với kho chứa nhiên liệu cháy tạm thời, giếng hút bằng
nhôm phía trên vùng hoạt và phần nhôm chứa vùng hoạt, v.v. Lần đạt trạng thái tới
hạn đầu tiên của lò là vào ngày 01/11/1983. Lò được khởi động năng lượng và đạt
công suất danh định 500 kW vào tháng 2/1984, và sau đó 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 nơtron, các nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng, và đào
tạo cán bộ. Từ đó, lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt chính thức được đưa vào hoạt động

Tưởng Thị Thanh

20


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

và vận hành cho đến nay. Hàng năm, Lò phản ứng hoạt động khoảng 1200 giờ ở
công suất danh định theo từng đợt khoảng 100 giờ.
Các thông tin chung của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được nêu trong bảng 1
dưới đây:
Bảng 2.1 Các thông số vật lý cơ bản của lò phản ứng
Thông số

Mô tả

Lò phản ứng

Loại bể bơi

Công suất danh định

500 kW

Thông lượng neutron (nhiệt, cực đại) 2.11013 neutron/cm2.s
Nhiên liệu

Loại VVR-M2, dạng ống

Phần thịt của nhiên liệu

Hợp kim Al-U, độ giàu 36% và
Hợp kim Al-UO2, độ giàu 19.75%

Vỏ bọc của nhiên liệu

Hợp kim nhôm

Chất làm chậm

Nước nhẹ

Chất phản xạ

Graphite, beryli 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 rỉ

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 rỉ

Các bó nhiên liệu và các thanh berili được định vị trong vùng hoạt nhờ hai
mâm xoi lỗ theo lưới tam giác bằng hợp kim nhôm ở phía dưới vùng hoạt và phần
đầu lục giác dựa sát vào nhau ở phía trên. Vành phản xạ chính được làm bằng
graphite bọc nhôm bao quanh vùng hoạt lò.

Tưởng Thị Thanh

21


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

Hệ thống bảo vệ và điều khiển lò được thực hiện nhờ 7 thanh điều khiển,
trong đó có 6 thanh làm bằng B4C (carbite boron) có vỏ bọc thép không gỉ (trong đó
có 2 thanh an toàn và 4 thanh bù trừ), và một thanh điều khiển tự động bằng thép
không gỉ. Chiều dài các thanh điều khiển là 65 cm. Các thanh điều khiển có thể
chuyển động xuyên qua vùng hoạt trong một ống dẫn bằng nhôm có đục lỗ.
Bên trong và xung quanh vùng hoạt Lò phản ứng có bố trí một số các kênh
thí nghiệm. Trong vùng hoạt có hai kênh chiếu mẫu ướt và hai kênh chiếu mẫu khô
(có trang bị các hệ chuyển mẫu bằng khí nén). Một trong hai kênh chiếu mẫu ướt là
bẫy neutron đặt ở tâm vùng hoạt, là một khối berili và một cốc nhôm ở bên trong.
Xung quanh vùng hoạt, trong vành phản xạ graphite có một mâm quay chứa 40 ô
chiếu mẫu được làm bằng nhôm. Một cột nhiệt và một cột nhiệt hóa bố trí bên ngoài
vành phản xạ bằng graphite có vỏ bọc nhôm. Lò phản ứng có 4 kênh dẫn dòng
neutron nằm ngang, là hai ống nhôm (phần bên trong bể lò) và ống thép không gỉ
(phần bên ngoài trong khối bê tông) xuyên qua khối bê tông che chắn, thùng lò, bể
nước, hướng về phía vùng hoạt lò.
Phản xạ neutron xung quanh vùng hoạt Lò phản ứng được thực hiện bởi vành
phản xạ graphite cố định, thêm vào đó là vành phản xạ berili và các khối berili.
Phản xạ neutron phần trên và dưới vùng hoạt được thực hiện bởi nước nhẹ.
Vành phản xạ graphite xung quanh vùng hoạt là cấu trúc được giữ lại từ lò
TRIGA trước đây. Về cơ bản, vành phản xạ graphite có dạng hình vành khăn với

đường kính trong xấp xỉ 47,5 cm, độ dày theo chiều bán kính là 30,5 cm và chiều
cao là 55,9 cm. Nước tiếp xúc với vành phản xạ berili ở phía bên ngoài qua thùng
nhôm bao bọc vành phản xạ. Một vách đứng hình vành khuyên bên trong vành phản
xạ, có hướng lên trên vùng hoạt là thiết bị mâm quay chiếu mẫu. Có hai ống rỗng
hình trụ bên trong vành phản xạ graphite, một ống đồng trục thông với một trong
những kênh nằm ngang hướng tâm và một ống để cho kênh tiếp tuyến. Một ống có
phần nối thẳng bằng nhôm xuyên qua graphite đến tận phần bên trong của vành
phản xạ. Vành phản xạ graphite được đặt trên bệ đỡ. Để đỡ vành phản xạ, hai ống
nhôm được hàn với phần đáy của vỏ bọc vành phản xạ graphite.

Tưởng Thị Thanh

22


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

1

2012

1

Bê tông
2

1.98m

Graphite
Chì

3
3
3.65m

Bể chứa
nhiên liệu đã
8
cháy

4
4

Tường bê tông che
chắn

6

1. Nắp đậy
2. Thùng nhôm
3. Giá đỡ
4. Giếng hút
5. Vùng hoạt

5
6

Cột nhiệt
5

6. Vành phản xạ
graphite

Hình 2.1 Sơ đồ mặt cắt đứng của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
2.2. Bể lƣu giữ nhiên liệu đã cháy của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Các bó nhiên liệu (BNL) đã bị chiếu xạ và đã cháy được nhúng trong nước
đã làm sạch khoáng và được giữ tại hai vị trí: cất giữ tạm thời trong thùng lò và cất
giữ lâu dài hơn trong một thùng khác gần lò, bể chứa các BNL đã cháy. Sau khi
được làm nguội khoảng 3 tháng tại các cốc chứa tạm thời, các BNL đã cháy sẽ được
chuyển sang bể chứa để giữ lâu dài.
Bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy nằm bên cạnh thùng lò, cùng nằm trong kết
cấu che chắn bằng bê-tông. Trước đó nó là bể thực nghiệm của lò TRIGA, sử dụng
với cột nhiệt hóa để chiếu xạ sinh học.
Đối với lò hiện nay, bể được phủ bên trong bằng một lớp thép không gỉ và
được đổ đầy nước đã làm sạch khoáng chất để chứa các BNL đã cháy. Bể có 300 ô
được phân bố thành 2 bên mỗi bên là một mạng hình chữ nhật với mỗi bước rộng
6,5 cm. Mỗi một ô có bán kính 4,2 cm và sâu 688 cm và thiết kế để cất giữ được

Tưởng Thị Thanh

23


Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

một bó nhiên liệu. Để ngăn không cho bụi bẩn bay vào, bể có một tấm kim loại nhẹ
phủ phía trên bề mặt, tấm phủ này được chia thành một số phần nhỏ có các cửa
riêng. Việc làm sạch nước cho bể được đảm bảo nhờ một hệ bao gồm một bơm

nước, hai phin lọc cơ học và một phin lọc trao đổi ion.

65

Cấu trúc
che chắn
và thiết bị
thao tác

2045

Hình 2.2. Sơ đồ bố trí các cốc chứa trong bể chứa nhiên liệu

cháy

Hiện nay bể đang chứa 106 bó nhiên liệu đã cháy. Bó nhiên liệu đang được lưu
giữ là loại bó nhiên liệu có độ giàu là 36% (độ giàu cao). Ngoài ra hiện tại trong lò
đang vận hành còn có bó nhiên liệu có độ giàu thấp (19,75%). Tương lai cũng được
lưu giữ trong bể chứa. Nhiên liệu độ giàu cao là loại hợp kim nhôm-uran mỗi bó
chứa khoảng 40,2 g U-235, còn nhiên liệu độ giàu thấp là Al+UO2 khuếch tán trong
nhôm chứa khoảng 49,7 g U-235. Về cơ bản, hình học của hai loại nhiên liệu HEU
và LEU có cùng kích thước, chỉ khác nhau về độ dày của phần nhiên liệu và vỏ bọc.
Mỗi bó nhiên liệu gồm 3 thanh đồng trục, thanh ngoài cùng hình lục giác và hai
thanh bên trong hình trụ. Mỗi thanh nhiên liệu có 3 lớp, lớp nhiên liệu ở giữa dày
0,7 mm (độ giàu cao) và 0,94 mm (độ giàu thấp), được bọc bằng 2 lớp vỏ là hợp

Tưởng Thị Thanh

24

Tính toán an toàn cho bể lưu giữ nhiên liệu đã cháy

2012

kim nhôm với độ dày mỗi lớp là 0,9 mm (độ giàu cao) và 0,78 mm (độ giàu thấp).
Khoảng không gian giữa các thanh nhiên liệu rộng khoảng 2,5-3,0 mm cho nước đi
qua. Tổng chiều dài của bó nhiên liệu là 865 mm trong đó phần chứa nhiên liệu dài
khoảng 600 mm.
Bảng 2.2. Các đặc trưng của các bó nhiên liệu VVR-M2 độ giàu 36% và 19,75%.

Thông số

HEU

LEU

3

3

1

1

2

2

2,5

2,5

0,7

0,94

0,9

0,78

2,5-3

2,5-3

10,61

10,61

5,85

5,85

Số thanh nhiên liệu trong một bó nhiên liệu
Dạng hình lục giác (thanh nhiên liệu ngoài
cùng)
Dạng hình trụ (các thanh nhiên liệu bên trong)
Chiều dày, mm
Thanh nhiên liệu (nhiên liệu và vỏ bọc)
Nhiên liệu

Vỏ bọc (hợp kim nhôm)
Độ rộng khe hở giữa các thanh nhiên liệu
Tiết diệng ngang, cm2
Toàn ô mạng nhiên liệu
Dòng nước chảy
Chiều dài, mm

Tưởng Thị Thanh

25