Luận Văn Thạc Sĩ: Khảo Sát Đặc Tính Vật Lý Lò Phản Ứng Hạt Nhân HTTR Bằng Serpent 2

Luận văn thạc sĩ khảo sát đặc trưng vật lý lò phản ứng hạt nhân HTTR sử dụng chương trình Serpent 2, tập trung vào kỹ thuật làm mát bằng khí nhiệt độ cao.

• Tác giả: Bùi Hà Dũng
• Người hướng dẫn: TS. Phạm Như Việt Hà
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
• Đề tài: Khảo Sát Đặc Tính Vật Lý Lò Phản Ứng Hạt Nhân HTTR Sử Dụng Serpent 2
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CÁC CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG KHÍ NHIỆT ĐỘ CAO TRÊN THẾ GIỚI
• 2. CHƯƠNG 2: TÌM HIỂU LÒ PHẢN ỨNG THỬ NGHIỆM KỸ THUẬT NHIỆT ĐỘ CAO (HTTR) VÀ CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN MONTE CARLO SERPENT 2
• 2.1. Tìm hiểu lò phản ứng HTTR
• 2.2. Tìm hiểu chương trình tính toán Monte Carlo Serpent 2
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN MÔ PHỎNG HTTR DÙNG CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN MONTE CARLO SERPENT 2
• 3.1. Mô tả bài toán benchmark đối với HTTR
• 3.2. Mô hình hóa lò phản ứng HTTR dùng Serpent 2
• 4. TÍNH TOÁN, KHẢO SÁT MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA HTTR VÀ SO SÁNH VỚI CÁC KẾT QUẢ ĐÃ ĐƯỢC CÔNG BỐ TRƯỚC ĐÂY
• 4.1. Hệ số nhân neutron hiệu dụng và độ phản ứng
• 4.2. Tốc độ phản ứng, thông lượng neutron và phân bố công suất
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Khảo sát tổng quan về lò phản ứng hạt nhân HTTR

Lò phản ứng hạt nhân HTTR (High Temperature engineering Test Reactor) là một trong những lò phản ứng tiên tiến, được thiết kế để hoạt động ở nhiệt độ cao, với khả năng làm mát bằng khí. Đặc điểm nổi bật của HTTR là khả năng sản xuất điện và nhiệt đồng thời, phục vụ cho nhiều ứng dụng khác nhau. Việc khảo sát các đặc tính vật lý của HTTR là rất quan trọng để đánh giá hiệu suất và tính an toàn của lò phản ứng. Theo nghiên cứu, HTTR có thể đạt nhiệt độ làm mát lên đến 1000°C, cho phép tối ưu hóa quy trình sản xuất năng lượng. Sự phát triển của HTTR không chỉ giúp nâng cao hiệu suất năng lượng mà còn giảm thiểu chất thải phóng xạ, một vấn đề lớn trong ngành công nghiệp hạt nhân hiện nay.

1.1. Đặc điểm kỹ thuật của HTTR

HTTR được thiết kế với nhiều đặc điểm kỹ thuật nổi bật, bao gồm hệ thống làm mát bằng khí và cấu trúc nhiên liệu dạng hạt TRISO. Hệ thống này cho phép lò phản ứng hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao mà không gặp phải các vấn đề an toàn nghiêm trọng. Theo tài liệu, HTTR có công suất nhiệt 30 MWth, với khả năng điều chỉnh linh hoạt để đáp ứng nhu cầu năng lượng. Việc sử dụng chương trình tính toán Monte Carlo Serpent 2 trong mô phỏng và khảo sát các đặc tính vật lý của HTTR đã cho thấy độ chính xác cao trong việc dự đoán hiệu suất hoạt động của lò phản ứng. Điều này không chỉ giúp cải thiện thiết kế mà còn nâng cao tính an toàn trong vận hành.

II. Phương pháp nghiên cứu và mô phỏng

Nghiên cứu này sử dụng chương trình tính toán Monte Carlo Serpent 2 để mô phỏng và khảo sát các đặc tính vật lý của lò phản ứng HTTR. Phương pháp này cho phép phân tích chi tiết các thông số như năng lượng hạt nhân, tốc độ phản ứng, và thông lượng neutron. Việc xây dựng mô hình mô phỏng dựa trên các dữ liệu benchmark đã được công bố trước đây, giúp đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của kết quả. Các thông số như áp suất lò, nhiệt độ lò, và hiệu suất lò phản ứng được theo dõi và phân tích kỹ lưỡng. Kết quả từ mô phỏng cho thấy sự tương đồng cao với các nghiên cứu trước đó, khẳng định tính khả thi của phương pháp này trong việc khảo sát các đặc tính vật lý của lò phản ứng hạt nhân.

2.1. Xây dựng mô hình tính toán

Mô hình tính toán được xây dựng dựa trên các thông số kỹ thuật của HTTR, bao gồm cấu trúc lò phản ứng, hệ thống làm mát, và các thành phần nhiên liệu. Việc sử dụng Serpent 2 cho phép mô phỏng chi tiết quá trình phân hạch và tương tác neutron trong lò phản ứng. Các thông số như hệ số nhân neutron hiệu dụng và độ phản ứng được tính toán để đánh giá khả năng hoạt động của lò. Kết quả cho thấy mô hình có thể dự đoán chính xác các đặc tính vật lý của HTTR, từ đó cung cấp thông tin quý giá cho việc tối ưu hóa thiết kế và vận hành lò phản ứng.

III. Kết quả khảo sát và phân tích

Kết quả khảo sát cho thấy các đặc tính vật lý của lò phản ứng HTTR đạt được các tiêu chuẩn an toàn và hiệu suất cao. Các thông số như tốc độ phản ứng, thông lượng neutron, và phân bố công suất được phân tích và so sánh với các kết quả đã công bố trước đây. Việc sử dụng Serpent 2 đã cho phép xác định chính xác các thông số này, từ đó khẳng định tính hiệu quả của lò phản ứng trong việc sản xuất năng lượng. Đặc biệt, các kết quả cho thấy lò phản ứng HTTR có khả năng hoạt động ổn định ở nhiệt độ cao mà không gặp phải các vấn đề an toàn nghiêm trọng, điều này mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển công nghệ lò phản ứng hạt nhân trong tương lai.

3.1. So sánh với các kết quả trước đây

Kết quả khảo sát được so sánh với các nghiên cứu trước đây cho thấy sự tương đồng cao về các thông số như hệ số nhân neutron hiệu dụng và độ phản ứng. Điều này chứng tỏ rằng mô hình tính toán sử dụng Serpent 2 có độ chính xác cao và có thể được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu và phát triển lò phản ứng hạt nhân. Sự phát triển của HTTR không chỉ giúp nâng cao hiệu suất năng lượng mà còn giảm thiểu chất thải phóng xạ, một vấn đề lớn trong ngành công nghiệp hạt nhân hiện nay. Kết quả này có thể được sử dụng làm cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo về lò phản ứng hạt nhân thế hệ mới.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng hạt nhân (NLHN) đã trở thành nguồn năng lượng quan trọng với tiềm năng gần như vô tận, đóng góp lớn cho sản xuất điện và các ứng dụng công nghiệp khác như sản xuất hydro, khử mặn nước biển. Tuy nhiên, các vấn đề về an toàn, quản lý chất thải phóng xạ và chi phí cao vẫn là thách thức lớn đối với phát triển điện hạt nhân. Trong bối cảnh đó, lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí nhiệt độ cao (HTGR) được xem là công nghệ thế hệ IV với nhiều ưu điểm vượt trội, như nhiệt độ đầu ra cao lên tới 1000°C, an toàn thụ động, hiệu suất nhiệt cao và khả năng ứng dụng đa dạng.

Lò phản ứng thử nghiệm kỹ thuật nhiệt độ cao (HTTR) của Nhật Bản là một trong những mô hình HTGR tiêu biểu, có công suất nhiệt 30 MWth và nhiệt độ chất làm mát đầu ra đạt 950°C. HTTR sử dụng nhiên liệu dạng lăng trụ với hạt nhiên liệu TRISO có khả năng chịu nhiệt cao và giam giữ sản phẩm phân hạch hiệu quả. Nghiên cứu này nhằm khảo sát các đặc trưng vật lý của HTTR bằng chương trình tính toán Monte Carlo Serpent 2, sử dụng thư viện dữ liệu hạt nhân ENDF/B-VIII.0 mới nhất, nhằm đánh giá chính xác các thông số như hệ số nhân neutron hiệu dụng, độ phản ứng, phân bố công suất và thông lượng neutron.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào mô phỏng HTTR trong điều kiện vận hành bình thường và so sánh kết quả với các dữ liệu benchmark đã công bố. Mục tiêu cụ thể là làm chủ công nghệ mô phỏng Monte Carlo, xây dựng mô hình tính toán chính xác và phân tích các đặc trưng vật lý của HTTR. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển nguồn nhân lực và công nghệ lò phản ứng hạt nhân tiên tiến tại Việt Nam, đồng thời góp phần nâng cao hiểu biết về HTGR phục vụ chương trình điện hạt nhân trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình vật lý hạt nhân liên quan đến vận chuyển neutron và tính toán phản ứng hạt nhân trong lò phản ứng HTGR. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

• Lý thuyết vận chuyển neutron Monte Carlo: Phương pháp mô phỏng quá trình tương tác của neutron với vật liệu trong lò phản ứng bằng cách sử dụng các thuật toán xác suất, cho phép mô hình hóa chính xác hình học phức tạp và phổ năng lượng liên tục của neutron.

• Mô hình nhiên liệu TRISO và cấu trúc vùng hoạt HTTR: Nghiên cứu đặc tính vật lý của nhiên liệu TRISO gồm nhân UO2 được bao phủ bởi các lớp Pyrolytic Carbon và Silicon Carbide, có khả năng chịu nhiệt và giam giữ sản phẩm phân hạch. Cấu trúc vùng hoạt HTTR gồm các khối nhiên liệu lăng trụ, các khối phản xạ graphite và hệ thống điều khiển phản ứng.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: hệ số nhân neutron hiệu dụng (k_eff), độ phản ứng, phân bố công suất theo chiều cao và bán kính, thông lượng neutron, và các hệ số phản hồi nhiệt độ (Doppler, chất làm chậm).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp tính toán mô phỏng bằng chương trình Monte Carlo Serpent 2, phiên bản ổn định mới nhất, kết hợp với thư viện dữ liệu hạt nhân ENDF/B-VIII.0. Các bước thực hiện gồm:

• Xây dựng mô hình hình học: Mô phỏng chi tiết cấu trúc vùng hoạt HTTR với 30 cột nhiên liệu, 7 cột dẫn hướng thanh điều khiển, các khối phản xạ cố định và có thể thay thế, theo thông số kỹ thuật chính xác của lò phản ứng.

• Chọn mẫu và cỡ mẫu: Sử dụng cỡ mẫu neutron lớn (khoảng hàng triệu neutron theo từng chu kỳ) để đảm bảo độ chính xác và giảm sai số thống kê trong tính toán.

• Phân tích và tính toán: Tính toán các đặc trưng vật lý như hệ số nhân neutron hiệu dụng, độ phản ứng, phân bố công suất, tốc độ phản ứng phân hạch và thông lượng neutron theo chiều cao và bán kính vùng hoạt.

• So sánh và đánh giá: Đối chiếu kết quả tính toán với các dữ liệu benchmark và kết quả công bố trước đây để đánh giá độ tin cậy và hiệu quả của mô hình.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài trong khoảng 12 tháng, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác các quá trình vật lý phức tạp trong HTTR, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học để phát triển các lò phản ứng HTGR tại Việt Nam.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hệ số nhân neutron hiệu dụng (k_eff): Kết quả mô phỏng cho thấy k_eff của HTTR trong trạng thái tới hạn đạt khoảng 1.0005 ± 0.0003, phù hợp với các kết quả benchmark đã công bố, chứng tỏ mô hình Serpent 2 mô phỏng chính xác trạng thái hoạt động của lò phản ứng.

2. Độ phản ứng và dự trữ dập lò: Độ phản ứng dự trữ được tính toán đạt khoảng 0.05 Δk/k, đảm bảo khả năng điều khiển và dập lò an toàn. Hệ số phản hồi nhiệt độ âm giúp giảm công suất khi có sự cố, tăng tính an toàn nội tại của HTTR.

3. Phân bố công suất và tốc độ phản ứng phân hạch: Phân bố công suất theo chiều cao và bán kính vùng hoạt được làm phẳng nhờ tối ưu hóa phân bố nhiên liệu và chất độc có thể cháy được (BP). Tốc độ phản ứng phân hạch phân bố đồng đều với sai số dưới 5% so với dữ liệu thực nghiệm.

4. Thông lượng neutron: Thông lượng neutron đo được tại các kênh đo đạc trong mô hình tương ứng với các giá trị thực tế, dao động trong khoảng 10^12 neutron/cm²/s, phù hợp với các kết quả công bố trước đây.

Thảo luận kết quả

Các kết quả mô phỏng cho thấy chương trình Serpent 2 với thư viện dữ liệu ENDF/B-VIII.0 có khả năng mô phỏng chính xác các đặc trưng vật lý của HTTR, bao gồm hệ số nhân neutron, độ phản ứng và phân bố công suất. Việc sử dụng phương pháp Monte Carlo năng lượng liên tục giúp mô hình hóa chi tiết cấu trúc phức tạp của vùng hoạt và nhiên liệu TRISO.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng các chương trình khác như MCNP hay SCALE, kết quả Serpent 2 có độ chính xác tương đương hoặc cao hơn, đồng thời thời gian tính toán được tối ưu nhờ thuật toán cải tiến. Các biểu đồ phân bố công suất và thông lượng neutron có thể được trình bày dưới dạng đồ thị theo chiều cao và bán kính vùng hoạt, minh họa sự đồng đều và ổn định của phản ứng phân hạch.

Nguyên nhân của sự phân bố công suất đồng đều là do thiết kế tối ưu hóa phân bố nhiên liệu và chất độc có thể cháy được, giúp kiểm soát nhiệt độ nhiên liệu và tăng tuổi thọ vùng hoạt. Hệ số phản hồi nhiệt độ âm góp phần nâng cao tính an toàn nội tại, giảm nguy cơ tai nạn nóng chảy nhiên liệu.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ HTGR tại Việt Nam, cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế và vận hành các lò phản ứng thế hệ IV an toàn và hiệu quả.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Phát triển nguồn nhân lực chuyên sâu về HTGR: Tổ chức các khóa đào tạo và nghiên cứu chuyên sâu về vật lý lò phản ứng HTGR và kỹ thuật mô phỏng Monte Carlo nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng tại các viện nghiên cứu và trường đại học trong nước. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Bộ Giáo dục, Viện Khoa học và Công nghệ.

2. Xây dựng trung tâm mô phỏng lò phản ứng hạt nhân: Đầu tư trang thiết bị tính toán hiện đại và phần mềm mô phỏng như Serpent 2 để phục vụ nghiên cứu, đào tạo và phát triển công nghệ lò phản ứng HTGR. Thời gian: 2 năm; Chủ thể: Viện Nghiên cứu hạt nhân, các trường đại học kỹ thuật.

3. Nghiên cứu mở rộng các đặc trưng vật lý và an toàn của HTGR: Tiếp tục khảo sát các kịch bản vận hành, tai nạn và ứng dụng nhiệt hạt nhân trong công nghiệp, đặc biệt là sản xuất hydro sạch, nhằm đa dạng hóa ứng dụng và nâng cao hiệu quả kinh tế. Thời gian: 3 năm; Chủ thể: Viện Khoa học và Công nghệ, doanh nghiệp công nghiệp.

4. Hợp tác quốc tế trong phát triển công nghệ HTGR: Tăng cường hợp tác với các tổ chức quốc tế và các nước có kinh nghiệm như Nhật Bản, Hoa Kỳ, Trung Quốc để trao đổi công nghệ, dữ liệu và kinh nghiệm vận hành lò phản ứng HTGR. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Bộ Khoa học và Công nghệ, Bộ Ngoại giao.

Các giải pháp trên nhằm mục tiêu nâng cao năng lực nghiên cứu, phát triển công nghệ HTGR trong nước, góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và phát triển bền vững.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và giảng viên ngành vật lý hạt nhân và kỹ thuật hạt nhân: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về vật lý lò phản ứng HTGR, phương pháp mô phỏng Monte Carlo, giúp nâng cao năng lực nghiên cứu và giảng dạy.

2. Sinh viên thạc sĩ, tiến sĩ chuyên ngành vật lý nguyên tử và hạt nhân: Tài liệu tham khảo quý giá cho việc học tập, nghiên cứu luận văn, đặc biệt về mô hình hóa và phân tích đặc trưng vật lý lò phản ứng HTGR.

3. Chuyên gia và kỹ sư làm việc trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển, vận hành và đánh giá an toàn các lò phản ứng thế hệ IV, đặc biệt HTGR.

4. Cơ quan quản lý nhà nước và hoạch định chính sách năng lượng: Giúp hiểu rõ tiềm năng, ưu nhược điểm của công nghệ HTGR, từ đó xây dựng chính sách phát triển năng lượng hạt nhân bền vững và an toàn.

Luận văn có thể được ứng dụng trong đào tạo, nghiên cứu phát triển công nghệ, cũng như tham khảo trong các dự án xây dựng và vận hành lò phản ứng HTGR.

Câu hỏi thường gặp

1. Lò phản ứng HTGR khác gì so với lò phản ứng nước nhẹ (LWR)?
   HTGR sử dụng khí heli làm chất làm mát và graphite làm chất làm chậm neutron, cho phép nhiệt độ đầu ra cao tới 950°C, trong khi LWR dùng nước làm chất làm mát và làm chậm với nhiệt độ thấp hơn khoảng 290-340°C. HTGR có tính an toàn nội tại cao hơn nhờ nhiên liệu TRISO chịu nhiệt tốt và cấu trúc vùng hoạt bằng graphite.

2. Phương pháp Monte Carlo Serpent 2 có ưu điểm gì trong mô phỏng lò phản ứng?
   Serpent 2 cho phép mô phỏng chính xác hình học phức tạp và phổ năng lượng neutron liên tục, giảm sai số thống kê, đồng thời hỗ trợ tính toán cháy nhiên liệu và đa vật lý. Đây là công cụ mạnh mẽ cho nghiên cứu và thiết kế lò phản ứng hạt nhân hiện đại.

3. Tại sao nhiên liệu TRISO được sử dụng trong HTGR?
   Nhiên liệu TRISO có cấu trúc nhiều lớp phủ gốm chịu nhiệt cao, giam giữ sản phẩm phân hạch hiệu quả, chịu được nhiệt độ lên tới 1600°C mà không bị hư hại, giúp tăng tính an toàn và tuổi thọ nhiên liệu trong lò phản ứng HTGR.

4. Kết quả mô phỏng có thể ứng dụng như thế nào trong thực tế?
   Kết quả giúp đánh giá hiệu suất, an toàn và thiết kế vận hành lò phản ứng HTGR, hỗ trợ phát triển công nghệ, đào tạo nhân lực và xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật cho lò phản ứng thế hệ IV.

5. Việt Nam có thể phát triển công nghệ HTGR trong tương lai không?
   Có thể, với việc đầu tư nghiên cứu, đào tạo nguồn nhân lực và hợp tác quốc tế, Việt Nam có thể tiếp cận và phát triển công nghệ HTGR để phục vụ chương trình điện hạt nhân và các ứng dụng nhiệt sạch, góp phần bảo vệ môi trường và đảm bảo an ninh năng lượng.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công mô hình tính toán mô phỏng lò phản ứng HTTR sử dụng chương trình Monte Carlo Serpent 2 với thư viện dữ liệu ENDF/B-VIII.0, cho kết quả chính xác và phù hợp với benchmark quốc tế.
• Các đặc trưng vật lý như hệ số nhân neutron, độ phản ứng, phân bố công suất và thông lượng neutron được khảo sát chi tiết, góp phần nâng cao hiểu biết về HTGR.
• Nghiên cứu khẳng định tính ưu việt của HTGR về an toàn nội tại, hiệu suất nhiệt cao và khả năng ứng dụng đa dạng trong sản xuất điện và nhiệt công nghiệp.
• Đề xuất phát triển nguồn nhân lực, đầu tư trung tâm mô phỏng và tăng cường hợp tác quốc tế để thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng HTGR tại Việt Nam.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu các kịch bản vận hành, tai nạn và ứng dụng nhiệt hạt nhân, đồng thời triển khai đào tạo chuyên sâu về công nghệ HTGR.

Hành động tiếp theo là triển khai các đề xuất nghiên cứu và đào tạo, đồng thời thúc đẩy hợp tác quốc tế để phát triển công nghệ HTGR, góp phần vào chiến lược năng lượng bền vững và an toàn của Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 tổng quan tình hình phát triển các công nghệ lò phản ứng khí nhiệt độ cao trên thế giới, Chương 2 tìm hiểu lò phản ứng HTTR và chương trình Serpent 2, Chương 3 xây dựng mô hình tính toán HTTR dùng Serpent 2, Chương 4 trình bày về các kết quả và thảo luận, sau đó là Kết luận và Tài liệu tham khảo. NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN TÌNH HÌNH PHÁT TRIỂN CÁC CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG KHÍ NHIỆT ĐỘ CAO TRÊN THẾ GIỚI Trong thế kỷ 20, việc phát hiện ra năng lượng hạt nhân (NLHN) đã cung cấp cho con người một nguồn năng lượng gần như vô tận. Trong sự phát triển của điện năng, sự tạo ra NLHN và giá trị tiềm ẩn của NLHN là vô cùng to lớn. Ngoài việc được dùng để tạo ra điện, NLHN còn được sử dụng rộng rãi trong việc sưởi ấm, sản xuất hydro, khử mặn nước biển và các lĩnh vực khác.

Nhưng đáng tiếc là mặc dù trên lý thuyết ĐHN có thể giải quyết được vấn đề năng lượng của con người, nhưng tính an toàn, vấn đề quản lý chất thải phóng xạ cùng giá thành cao đã và đang cản trở sự phát triển nhanh chóng của ĐHN. Kể từ khi NLHN được sử dụng vì mục đích hòa bình, việc phát triển ĐHN đã được đặt lên hàng đầu. Sau các sự cố nhà máy ĐHN Fukushima ở Nhật Bản, Chernobyl ở Liên Xô cũ và Three Mile Island ở Hoa Kỳ có thể thấy con người đang cần gấp những lò phản ứng hạt nhân tiên tiến và an toàn hơn. Sau quá trình khai thác và cải tiến liên tục, các nhà phát triển đã đề xuất các lò phản ứng hạt nhân tiên tiến hơn, như ABWR, AP1000, EPR, VVER-1200, … và độ an toàn của chúng đã được cải thiện rất nhiều.

Tuy nhiên, với việc nâng cao mức độ an toàn, chi phí xây dựng các lò phản ứng hạt nhân cũng tăng chưa từng thấy, do đó việc giảm chi phí xây dựng cũng đã trở thành một vấn đề được quan tâm chú trọng. Trong bối cảnh đó, các công nghệ lò phản ứng hạt nhân làm mát bằng khí (carbon dioxide, heli, v. HTGR còn được gọi là lò phản ứng nhiệt độ rất cao (VHTR: Very High Temperature Reactor), là loại lò phản ứng hạt nhân thế hệ thứ IV có thể hoạt động ở nhiệt độ rất cao lên đến cỡ 1000°C và được làm mát bằng khí, làm chậm neutron bằng than chì (graphite) với phổ năng lượng neutron nhiệt (Hình 1. Thiết kế HTGR đầu tiên được đề xuất tại các phòng thí nghiệm Clinton (nay là Phòng thí nghiệm Quốc gia Oak Ridge, ORNL) vào năm 1947.

Đức cũng đóng một vai trò quan trọng trong sự phát triển HTGR trong thập kỷ tiếp theo. Lò phản ứng Peach Bottom ở Hoa Kỳ (US) là HTGR đầu tiên sản xuất điện năng, hoạt động từ năm 1966 đến năm 1974 như một nhà máy trình diễn 9 với công suất nhiệt 150 MWth. Nhà máy Fort St. Vrain (FSV) là thiết kế điện thương mại đầu tiên, hoạt động từ năm 1979 đến năm 1989 với công suất nhiệt 842 MWth.

Mặc dù lò phản ứng này gặp các vấn đề về vận hành dẫn đến việc ngừng hoạt động do các yếu tố kinh tế, nhưng FSV vẫn là bằng chứng cho khái niệm HTGR ở Hoa Kỳ. HTGR cũng đã được phát triển ở Vương quốc Anh (lò phản ứng Dragon) và Đức (AVR: Arbeitsgemeinschaft Versuchsreaktor; và THTR-300: Thorium Hochtemperatur Reaktor); và hiện đang được nghiên cứu, phát triển ở Nhật Bản (HTTR sử dụng nhiên liệu dạng lăng trụ với công suất nhiệt 30 MWth) và Trung Quốc (HTR-10, thiết kế pebble bed (dạng “đá cuội” hay khối cầu) với công suất điện 10 MWe). Gần đây nhất vào ngày 20/12/2021, hai mô đun lò phản ứng trình diễn HTR-PM kiểu pebble bed (High Temperature Gas-Cooled Reactor - Pebble-bed Module) ở Vịnh Shidao, Sơn Đông, Trung Quốc (Hình 1.2) đã lần đầu tiên được kết nối với lưới điện [8]. Mỗi mô đun HTR-PM có công suất nhiệt 250 MWth và hai mô đun HTR-PM được kết nối với một tuabin hơi nước để cung cấp công suất điện 210 MWe.

Trong khi đó, Dự án Nhà máy Hạt nhân Thế hệ Tiếp theo (NGNP: Next Generation Nuclear Plant) [9] của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE: Department of Energy) và thiết kế lò phản ứng siêu nhỏ kiểu mô đun MMR (Micro Modular Reactor) [10] của Công ty USNC (Ultra Safe Nuclear Corporation), Hoa Kỳ đại diện cho các hoạt động phát triển quan trọng gần đây đối với công nghệ lò phản ứng HTGR ở Hoa Kỳ. VHTR có hai cấu hình lò phản ứng điển hình: (1) kiểu khối lăng trụ như thiết kế HTTR của Nhật và GTMHR trước đó của General Atomics và các lò khác ở Nga; (2) kiểu pebble bed như HTR-10 hoặc HTR-PM của Trung Quốc và PBMR (Pebble Bed Modular Reactor) trước đây ở Nam Phi (Hình 1. Mặc dù hình dạng của phần tử nhiên liệu cho hai cấu hình là khác nhau, nhưng nền tảng kỹ thuật cho cả hai cấu hình đều giống nhau, chẳng hạn như nhiên liệu dạng hạt TRISO (TRistructural ISOtropic) (Hình 1.4) trong ma trận graphite, cấu trúc vùng hoạt lò phản ứng hoàn toàn bằng các vật liệu chịu nhiệt độ cao như gốm và graphite, chất làm mát heli và mật độ năng lượng thấp; nhằm đạt được nhiệt độ đầu ra cao và duy trì sự phân hạch bên trong nhiên liệu TRISO trong các điều kiện vận hành của lò phản ứng. VHTR có thể hỗ trợ các chu trình nhiên liệu thay thế như U-Pu, Pu, ô xít hỗn hợp MOX, U-Th.

Sơ đồ lò phản ứng VHTR [1] Hình 1. Địa điểm xây dựng HTR-PM tại Vịnh Shidao, Trung Quốc [8] 11 Hình 1. Các cấu trúc nhiên liệu dạng lăng trụ (prismatic) và dạng cầu (pebble) của VHTR (Nguồn: Internet) Để phát điện, hệ thống tuabin khí heli có thể được đặt trực tiếp trong vòng làm mát sơ cấp, được gọi là chu trình trực tiếp; hoặc ở phía cuối của dải nhiệt độ đầu ra, một bình sinh hơi có thể được sử dụng với chu trình Rankine thông thường. Đối với các ứng dụng nhiệt hạt nhân như nhiệt quá trình cho các nhà máy lọc dầu, hóa dầu, luyện kim và sản xuất hydro, quá trình ứng dụng nhiệt thường được kết hợp với lò phản ứng thông qua bộ trao đổi nhiệt trung gian (IHX: Intermediate Heat Exchanger), được gọi là chu trình gián tiếp.

Nền tảng kỹ thuật cho VHTR là nhiên liệu TRISO, graphite làm cấu trúc vùng hoạt lò phản ứng, chất làm mát heli, cũng như bố trí vùng hoạt lò phản ứng chuyên dụng và mật độ công suất thấp để loại bỏ nhiệt phân rã một cách tự nhiên. Nhiên liệu ở dạng hạt TRISO (Hình 1.4) có đường kính nhỏ hơn một milimét. Mỗi hạt có một nhân (kernel) (đường kính khoảng 0.5 mm) UCO 12 (uranium oxycarbide) hoặc UO2 (uranium dioxide), với urani được làm giàu có thể lên tới 20% U-235, mặc dù thông thường thấp hơn. Phần nhân này được bao quanh bởi các lớp cacbon và silicon carbide, tạo ra một lớp giam giữ các sản phẩm phân hạch ổn định với nhiệt độ cao tới khoảng 1600°C.

Các hạt TRISO được kết hợp lại trong các viên pebble dạng cầu cỡ quả bóng bi-a, hoặc trong các khối graphite dạng lăng trụ (Hình 1. VHTR có độ sâu cháy nhiên liệu cao (100-200 GWd/t), hiệu suất nhiệt cao, khả năng ứng dụng nhiệt quá trình, an toàn thụ động hoàn toàn, tính mô-đun, các chi phí vận hành và bảo trì thấp, và độ linh hoạt trong xây dựng ngày càng tăng. Cấu trúc của viên nhiên liệu TRISO (Nguồn: Internet) Lò phản ứng làm mát bằng khí đã được đề xuất lần đầu tiên là vào năm 1942, năm mà cấu hình hạt nhân đầu tiên (CP-1) đạt tới trạng thái tới hạn. Vào giữa những năm 1940, thiết kế của một lò phản ứng năng lượng làm mát bằng khí heli được đề xuất như trình bày ở trên.

Trong thiết kế này, các đặc điểm cơ bản của lò phản ứng làm mát bằng khí nhiệt độ cao tiên tiến đã được thiết lập, đó là việc sử dụng khí heli làm chất làm mát trong hệ thống sơ cấp tuabin khí chu trình trực tiếp, việc lựa chọn graphite làm vật liệu làm chậm neutron và cấu trúc lò phản ứng, và lựa chọn cacbua urani (uranium carbide) và thori cacbua (thorium carbide) tương ứng là vật liệu fissile (dễ phân hạch) và vật liệu tái sinh (fertile) trong chu trình nhiên liệu 235U/ Th /233U. Khái niệm này đã được sửa đổi cập nhật vào giữa những năm 1950 ở Vương quốc Anh. HTGR được kỳ vọng sẽ có những ưu điểm sau so với các lò phản ứng 13 làm mát bằng khí khác mà đại diện là lò phản ứng Magnox.  HTGR có thể giảm được kích thước vì mật độ công suất nhiệt cao như một lò phản ứng làm mát bằng khí.

 HTGR có hiệu suất nhiệt cao do nhiệt độ chất làm mát đầu ra cao.  Từ các đặc điểm trên, tính kinh tế vượt trội của HTGR có thể được kỳ vọng.  Ngoài việc phát điện, HTGR có thể được sử dụng như một nguồn nhiệt cho các quá trình ứng dụng nhiệt khác nhau. Vào thời điểm đó, tính an toàn nội tại cao của HTGR không được nhấn mạnh như lý do để chọn một lò phản ứng, nhưng tính kinh tế cao hơn được kỳ vọng vì chưa có tai nạn hạt nhân nghiêm trọng nào xảy ra.

Nói chung, rất khó để tăng nhiệt độ lớp vỏ bọc nhiên liệu trên 650°C đối với lò phản ứng với nhiên liệu sử dụng vỏ bọc kim loại như lò phản ứng nước nhẹ (LWR: Light Water Reactor) và lò phản ứng nhanh. Do đó, rất khó để làm nóng nhiệt độ chất làm mát đầu ra của lò phản ứng trên 600°C. Để tách nhiệt ở nhiệt độ cao từ lò phản ứng hạt nhân, cần phải phát triển một loại vật liệu làm vỏ bọc nhiên liệu, có chức năng chứa nhiên liệu và ngăn chặn sự giải phóng các sản phẩm phân hạch và chịu được nhiệt độ cao trên 650°C. Năm 1956, viên nhiên liệu được bọc ngoài (CFP: Coated Fuel Particle) đã được phát triển bởi phòng thí nghiệm Harwell ở Vương quốc Anh để giải quyết vấn đề này.

Với sự phát triển của CFP, Dự án Dragon đã được phòng thí nghiệm Harwell đề xuất với Cơ quan Hạt nhân Châu Âu (European Nuclear Agency) vào năm 1958. Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD: Organisation for Economic Co-operation and Development) đã chấp nhận đề xuất này và thiết lập một chương trình trong đó 12 quốc gia châu Âu hợp tác phát triển công nghệ HTGR. Lò phản ứng HTGR thử nghiệm 20 MWt, Dragon, với nhiệt độ chất làm mát đầu ra của lò phản ứng là 750°C được xây dựng tại Winfrith, Vương quốc Anh. Đây là HTGR đầu tiên đạt được trạng thái tới hạn, nhưng Dragon đã không được dùng để phát ra điện năng.