Thứ năm, 14/01/2021 14:18 GMT+7

Khả năng tham gia thiết kế Lò phản ứng nghiên cứu mới cho Trung tâm Nghiên cứu khoa học công nghệ hạt nhân

Hiểu biết về công nghệ và kinh nghiệm về thiết kế lò phản ứng nghiên cứu của nước ta được tích lũy qua trên 35 năm vận hành và 8 lần thay đảo, tái nạp nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt, mà đặc biệt là giai đoạn 2005-2013, đã thực hiện thành công dự án chuyển đổi nhiên liệu của lò phản ứng từ độ giàu cao (HEU, 36% 235U) sang độ giàu thấp (LEU, 19,75% 235U), với kết quả khoa học chính là thiết kế lại cấu hình vùng hoạt mới, tiến hành khởi động vật lý, đưa lò phản ứng đạt tới hạn vào lúc 15:35 ngày 30/11/2011, và tiếp theo, thực hiện khởi động năng lượng, đưa lò phản ứng vào vận hành chính thức với cấu hình 92 bó nhiên liệu (BNL) LEU từ tháng 02/2012. Qua đó, tập thể các cán bộ về lĩnh vực vật lý và công nghệ lò phản ứng nghiên cứu của Viện Nghiên cứu hạt nhân (NCHN) đã trưởng thành, có kiến thức và kinh nghiệm để có thể tham gia vào các giai đoạn triển khai thực hiện Dự án Trung tâm Nghiên cứu khoa học công nghệ hạt nhân, trong đó có nhiệm vụ trước mắt là nghiên cứu, tính toán thiết kế các cấu hình vùng hoạt để đề xuất cấu hình lò phản ứng nghiên cứu với công suất dự kiến 10 MW phù hợp nhất.

Thông qua thực hiện đề tài độc lập cấp quốc gia giai đoạn 2016-2020 về Nghiên cứu, tính toán các đặc trưng nơtron, thủy nhiệt và phân tích an toàn lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu cho Trung tâm Nghiên cứu khoa học công nghệ hạt nhân, mã số ĐTĐL.CN-50/15 do PGS. TS. Nguyễn Nhị Điền làm chủ nhiệm; tập thể đề tài đã khảo sát, thiết lập và tính toán thiết kế về nơtron và thủy nhiệt cho 4 cấu hình vùng hoạt lò phản ứng là: 1) Cấu hình sử dụng nhiên liệu IRT-4M với vành phản xạ Beryllium (Be); 2) Cấu hình sử dụng nhiên liệu VVR-KN với vành phản xạ Be; 3) Cấu hình sử dụng nhiên liệu MRT với vành phản xạ Be; và 4) Cấu hình sử dụng nhiên liệu MTR với vành phản xạ nước nặng (D2O). Các mặt cắt và hình 3D của 2 loại BNL do Liên bang Nga chế tạo đã dùng để thiết kế được chỉ ra trong Hình 1 và 2 cấu hình thiết kế đề xuất lựa chọn cho Trung tâm được chỉ ra trong Hình 2.

 

Hình 1a. Bó nhiên liệu IRT-4M, hình vuông, gồm 8 ống tiêu chuẩn và 5 ống để bố trí thanh điều khiển. Hình 1b. Bó nhiên liệu VVR-KN, hình lục giác, 8 ống tiêu chuẩn và 6 ống để bố trí thanh điều khiển.
Hình 2a. Cấu hình vùng hoạt sử dụng nhiên liệu IRT-4M và vành phản xạ Beryllium. Hình 2b. Cấu hình vùng hoạt sử dụng nhiên liệu VVR-KN và vành phản xạ Beryllium.

 

Các cấu hình đề xuất có các đặc trưng kỹ thuật đáp ứng tốt cho các ứng dụng đa mục tiêu của một lò phản ứng đương đại trên thế giới có cùng mức công suất. Các thông số và yêu cầu đặt ra để thiết kế là: công suất lò 10 MW, sử dụng nhiên liệu độ giàu thấp 19,75 % 235U, làm chậm nơtron và tải nhiệt bằng nước thường (H2O) với dòng làm mát bằng đối lưu cưỡng bức qua vùng hoạt theo chiều từ trên xuống, có 18 kênh chiếu xạ thẳng đứng trong vùng hoạt và tại vành phản xạ (trong đó có 4 hốc chiếu đường kính 20 cm để pha tạp đơn tinh thể silic loại 8 inch và 1 kênh dự phòng kích thước khoảng 30 cm để tạo nguồn nơtron lạnh khi có nhu cầu), 6 kênh thực nghiệm nằm ngang dẫn dòng nơtron ra ngoài, trong đó có 1 kênh dự phòng cho dòng nơtron lạnh, có 9 kênh đo của hệ điều khiển và không quá 9 thanh điều khiển bằng vật liệu B4C, … Các thông số kỹ thuật đặc trưng về nơtron cho các ứng dụng, về thủy nhiệt và an toàn nội tại mà các cấu hình thiết kế đạt được như Bảng 1. Các giá trị tính toán về thông lượng nơtron đáp ứng tốt cho các ứng dụng điển hình, gồm: sản xuất 8 loại đồng vị phóng xạ phổ biến trong Y học hạt nhân (99Mo, 131I, 125I, 90Y, 166Ho, 177Lu, 35S, 32P và 153Sm) và nguồn phóng xạ kín cho y tế (192I) và công nghiệp (192I, 75Se, 60Co) cho nhu cầu trong nước và xuất khẩu, phân tích kích hoạt nơtron, chiếu xạ pha tạp đơn tinh thể silic, nghiên cứu cấu trúc vật liệu bằng kỹ thuật tán xạ và nhiễu xạ nơtron, chụp ảnh nơtron,… Thông lượng nơtron nhiệt cực đại tại tâm vùng hoạt khoảng 2,5´1014 n.сm-2×s -1 là hoàn toàn đủ cao để chiếu xạ thử nghiệm vật liệu cấu trúc của lò phản ứng năng lượng nhằm phục vụ cho tầm nhìn dài hạn khi chương trình phát triển Điện hạt nhân được đầu tư trở lại.

Bảng 1. Các thông số kỹ thuật cơ bản yêu cầu và thiết kế đã đạt được.

 

STT

Thông số kỹ thuật

Giá trị

1

Thông lượng nơtron nhiệt cực đại tại vùng hoạt, n.сm-2×s -1

 2,5x1014

2

Thông lượng nơtron nhiệt cực đại trong vành phản xạ, n.сm-2×s-1

 5x1013

3

Thông lượng nơtron cực đại trong kênh chiếu xạ silic, n.сm-2×s -1:

- Nơtron nhiệt (Е < 0,625 eV)

- Nơtron nhanh (Е> 0,821 МeV)

 

3x1013

3x1011

4

Thông lượng nơtron cực đại tại đầu ra của các kênh ngang, n.сm‑2×s -1:

  • Nơtron nhiệt (Е < 0,625 eV)
  • Nơtron nhanh (Е > 0,821 МeV)

6x10

2x10

5

Thông lượng nơtron nhiệt cực đại tại vị trí đặt các kênh chiếu xạ chuyển mẫu bằng khí nén, n.сm-2×s -1:

 5x1012

6

Hệ số nhiệt độ, %ΔK/K

- 0,15

7

Hệ số không đồng đều của thông lượng theo thể tích vùng hoạt

<= 3,0

8

Dự trữ tới nhiệt độ sôi bọt (ONB)

> 1,3

 

Từ 4 cấu hình thiết kế, đã thực hiện phân tích an toàn cho 2 cấu hình, đó là sử dụng nhiên liệu liệu IRT-4M và VVR-KN với vành phản xạ Be để khẳng định khả năng an toàn và lựa chọn cấu hình phù hợp nhất cho Trung tâm. Sơ đồ nguyên lý hệ tải nhiệt sử dụng để phân tích an toàn được chỉ ra trong Hình 3. Bốn loại kịch bản sự cố điển hình đối với lò phản ứng nghiên cứu công suất cao đã được chọn để phân tích an toàn là: 1) Mất nguồn điện lưới dẫn đến bơm nước làm mát vòng 1 không làm việc; 2) Đưa vào độ phản ứng dương lớn, do: Một thanh Bù trừ (BT) chuyển động đi lên không kiểm soát; Thanh Tự động (TĐ) chuyển động đi lên mất kiểm soát; Một Bó nhiên liệu rơi vào vùng hoạt khi thay đảo nhiên liệu; Sai sót hoặc hư hỏng trong khi thực hiện các thí nghiệm; 3) Mất dòng làm mát (LOFA), do: Một bơm làm mát vòng 1 ngừng làm việc; Cả 2 bơm làm mát vòng 1 ngừng làm việc; Hỏng hệ thống làm mát vòng 2 (LOHS); và 4) Mất chất làm mát (LOCA), do: Vỡ đường ống nước làm mát vòng 1; Tắc nghẽn một kênh chảy trong một BNL; Tắc nghẽn các kênh chảy trong một bó nhiên liệu dẫn đến mất sự toàn vẹn của vỏ bọc nhiên liệu.

Thiết kế của hệ tải nhiệt lò phản ứng có tính đến chức năng an toàn thụ động gồm 2 phương án của hệ làm mát vùng hoạt khẩn cấp (ECCS- Emergency Core Cooling System), đó là sử dụng bể làm mát (hoàn toàn thụ động theo nguyên lý của hai bình thông nhau) và bơm làm mát (được cấp điện bằng ac-quy) để làm mát vùng hoạt khẩn cấp trong trường hợp mất điện lưới. Hệ giải nhiệt từ vòng sơ cấp sang vòng thứ cấp có 2 nhánh trao đổi nhiệt tách biệt HX1 và HX2, mỗi nhánh có khả năng đáp ứng tải nhiệt cho 50% công suất lò phản ứng. Vì vậy, trong thời gian 10 năm đầu đưa lò phản ứng vào vận hành, nhu cầu sản xuất đồng vị chưa quá cao, các ứng dụng và dịch vụ khác chưa cần sử dụng hết công suất của lò phản ứng, cũng như để tiết kiệm tiêu tốn nhiên liệu hạt nhân, … khi đó chỉ cần vận hành lò phản ứng với công suất 5 MW và chỉ sử dụng một nhánh trao đổi nhiệt luân phiên.

Như vậy, các cấu hình vùng hoạt và hệ tải nhiệt đề xuất đảm bảo tính mềm dẻo và có dự phòng để đáp ứng những thay đổi về định hướng nghiên cứu, loại hình ứng dụng, nhu cầu sản phẩm và dịch vụ, cũng như có tính đến xu hướng phát triển khoa học và kinh tế - xã hội, tốc độ tăng dân số của nước ta trong cả vòng đời tối thiểu 50 năm vận hành của lò phản ứng mà thiết kế không bị quá lạc hậu.

 

Hình 3. Sơ đồ tải nhiệt với 2 hệ thống ECCS và 2 nhánh trao đổi nhiệt tách biệt.

 

Tuy những kết quả thu được chỉ là bước đầu, nhưng có thể khẳng định rằng các cán bộ khoa học thuộc lĩnh vực vật lý và công nghệ lò phản ứng nghiên cứu của Viện NCHN đã có khả năng để trao đổi với các chuyên gia thiết kế của phía đối tác thuộc Tập đoàn Rosatom để chọn được cấu hình tối ưu nhất cho Lò phản ứng nghiên cứu của Trung tâm  Nghiên cứu khoa học công nghệ hạt nhân.

Thông tin chi tiết hơn về thiết kế và các số liệu kỹ thuật của các cấu hình lò phản ứng có thể tìm hiểu tại Công trình khoa học “Conceptual design of a 10 MW multi-purpose research reactor using VVR-KN fuel” được đăng tải trên Tạp chí quốc tế Science and Technology of Nuclear Installations, https://doi.org/10.1155/2020/7972827. Ngoài ra, trong bản Báo cáo Tổng hợp kết quả khoa học công nghệ của đề tài được lưu tại Thư viện của Viện Nghiên cứu hạt nhân, Viện Năng lượng Nguyên tử Việt Nam và Cục Thông tin Khoa học và Công nghệ Quốc gia.

 

Tác giả bài viết: Hội đồng KH-CN&ĐT Viện NCHN

Nguồn tin: Viện Nghiên cứu hạt nhân

Lượt xem: 52

Đa phương tiện

Xem thêm

Liên kết website

Khách online: 11

Lượt truy cập: 217148