Tổng quan nghiên cứu

Sản xuất đồng vị phóng xạ I-131 là một trong những ứng dụng quan trọng của lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu, đặc biệt trong lĩnh vực y học hạt nhân để chẩn đoán và điều trị ung thư tuyến giáp. Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (Lò PƯHNĐL) đã sản xuất đồng vị I-131 từ năm 1984 bằng phương pháp chiếu xạ neutron nhiệt lên bia TeO2. Tuy nhiên, với công suất vận hành 0,5 MW và thông lượng neutron nhiệt trung bình khoảng 3,8×10^12 n/cm².s, sản lượng I-131 hiện tại chỉ đáp ứng khoảng 40-50% nhu cầu trong nước, còn lại phải nhập khẩu. Nhu cầu sử dụng I-131 dự kiến tăng lên hơn 5000 Ci/năm vào năm 2025, đòi hỏi phải nâng cao khả năng sản xuất trong nước.

Mục tiêu nghiên cứu là nâng cao sản lượng và hiệu quả chiếu xạ đồng vị I-131 trên Lò PƯHNĐL thông qua việc thiết kế các cốc chiếu mới có vị trí chiếu xạ trong vùng hoạt có thông lượng neutron nhiệt cao, đồng thời tối ưu hóa thời gian vận hành và khối lượng bia TeO2 nạp tải. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào Lò PƯHNĐL tại Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt trong giai đoạn từ năm 2019 đến 2022, với các phương pháp tính toán và thực nghiệm nhằm đánh giá an toàn và hiệu quả sản xuất.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tăng cường khả năng tự chủ sản xuất đồng vị phóng xạ trong nước, giảm nhập khẩu, đồng thời nâng cao hiệu quả sử dụng lò phản ứng hiện có. Kết quả cũng góp phần chuẩn bị kinh nghiệm cho việc vận hành các lò phản ứng nghiên cứu công suất cao 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 phản ứng bắt neutron nhiệt và phân rã phóng xạ. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  • Phản ứng bắt neutron nhiệt (n,γ): Đồng vị Te-130 trong bia TeO2 hấp thụ neutron nhiệt (khoảng 0,625 eV) để tạo thành Te-131m, sau đó phân rã β− thành I-131 với chu kỳ bán rã 8 ngày. Tiết diện bắt neutron vi mô của Te-130 trong vùng năng lượng nhiệt khoảng 0,150 barn là cơ sở để tính toán hoạt độ I-131.

  • Phân rã phóng xạ: Mô hình phân rã đồng vị I-131 được mô phỏng bằng phương trình vi phân bậc nhất, giải tích bằng phương pháp ma trận lũy thừa, cho phép xác định nồng độ đồng vị theo thời gian chiếu xạ và làm nguội.

Các khái niệm chính bao gồm: thông lượng neutron nhiệt, tiết diện phản ứng vi mô, hoạt độ đồng vị, độ phản ứng âm của vùng hoạt, và an toàn thủy nhiệt trong vận hành lò.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp tính toán lý thuyết và thực nghiệm:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu thực nghiệm thu thập tại Trung tâm Lò phản ứng, Viện Nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt, bao gồm đo phân bố thông lượng neutron bằng phương pháp kích hoạt lá dò, đo nhiệt độ nhiên liệu và vỏ bọc, hoạt độ I-131 thu được sau chiếu xạ.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng các chương trình tính toán chuyên dụng như MCNP6 (Monte Carlo N-Particle) để mô phỏng phân bố neutron và hệ số nhân, MCNP-REBUS để tính toán cháy nhiên liệu và thay đổi thành phần đồng vị theo thời gian, ORIGEN 2.1 để tính toán hoạt độ và phổ photon, PLTEMP 4.2 để phân tích thủy nhiệt và đánh giá an toàn vận hành.

  • Thiết kế thí nghiệm: Thử nghiệm vận hành lò với các cấu hình vùng hoạt mới, bao gồm thêm 2 cốc chiếu mới tại vị trí ô 5-6 và 9-6, với số container chứa bia TeO2 tăng từ 9 lên 15, thời gian vận hành từ 85 đến 180 giờ, nhằm đánh giá ảnh hưởng đến sản lượng I-131 và an toàn vận hành.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2019-2022, với các đợt thử nghiệm vận hành lò, thu thập và phân tích số liệu thực nghiệm, đồng thời cập nhật mô hình tính toán.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tăng số lượng container chiếu mẫu: Việc thiết kế thêm 2 cốc chiếu mới tại vị trí ô 5-6 và 9-6 cho phép tăng số container chứa bia TeO2 từ 9 lên 15, tương đương tăng khối lượng bia lên khoảng 65%, từ 2,07 kg lên khoảng 3,5 kg. Thông lượng neutron nhiệt tại các vị trí mới đạt khoảng 75% so với bẫy neutron, đảm bảo hiệu quả chiếu xạ.

  2. Tăng sản lượng đồng vị I-131: Với cấu hình mới và thời gian vận hành từ 130 đến 150 giờ, sản lượng I-131 tăng từ trung bình 37 Ci lên hơn 100 Ci mỗi tháng, tương đương tăng khoảng 170%. Khi vận hành 85-100 giờ mỗi tuần, hoạt độ I-131 đạt khoảng 4-4,5 Ci/container.

  3. An toàn vận hành được đảm bảo: Các tính toán thủy nhiệt cho thấy nhiệt độ nhiên liệu và vỏ bọc không vượt quá giới hạn an toàn (nhiệt độ bề mặt vỏ bọc dưới 1030°C). Độ phản ứng âm do các container chiếu mẫu đưa vào nằm trong khoảng 60-96 cent, không ảnh hưởng đến độ ổn định của lò. Hệ số bất đồng đều công suất giảm xuống còn khoảng 2,6, đảm bảo phân bố công suất đồng đều.

  4. Hiệu quả chiếu xạ theo chiều cao: Phân bố thông lượng neutron theo chiều cao trong container có dạng phức tạp với hai đỉnh thông lượng, tận dụng được phần thông lượng neutron lãng phí giúp tăng hiệu suất sản xuất đồng vị.

Thảo luận kết quả

Việc tăng số lượng container chiếu mẫu và thiết kế cốc chiếu mới gần bẫy neutron tận dụng được vùng thông lượng neutron nhiệt cao, giúp tăng đáng kể sản lượng I-131 mà không làm suy giảm thông lượng neutron tại các vị trí chiếu khác. Kết quả thực nghiệm và tính toán cho thấy sự phù hợp giữa mô hình lý thuyết và thực tế, minh chứng qua các số liệu hoạt độ và nhiệt độ đo được.

So với các nghiên cứu trước đây, phương án này vượt trội khi không cần tăng công suất lò (vốn khó khả thi) mà vẫn đạt được mục tiêu tăng sản lượng. Việc vận hành lò với thời gian ngắn hơn nhưng tần suất cao hơn (khoảng 85-100 giờ/tuần) cũng giúp giảm áp lực lên hệ thống điều khiển và bảo dưỡng thiết bị.

Các biểu đồ phân bố thông lượng neutron theo chiều cao và bảng so sánh hoạt độ I-131 giữa các cấu hình cũ và mới minh họa rõ hiệu quả của phương án nâng cấp. Kết quả này có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc đáp ứng nhu cầu đồng vị phóng xạ trong nước, giảm nhập khẩu và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai chính thức cấu hình 15 container với 2 cốc chiếu mới: Động tác này giúp tăng khối lượng bia chiếu xạ lên 65%, nâng sản lượng I-131 lên hơn 100 Ci/tháng. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, do Viện Nghiên cứu hạt nhân chủ trì.

  2. Tối ưu hóa thời gian vận hành lò: Vận hành lò khoảng 85-100 giờ mỗi tuần, thay vì chạy liên tục dài ngày, nhằm đảm bảo an toàn hệ thống điều khiển và tăng hiệu suất sản xuất. Thời gian áp dụng ngay trong năm nghiên cứu.

  3. Nâng cao hiệu suất dây chuyền sản xuất: Cải tiến quy trình chưng cất và xử lý bia chiếu để tăng hiệu suất từ 70% lên 80-85%, giúp tăng sản lượng I-131 thêm 10-15%. Cần phối hợp với phòng công nghệ và kỹ thuật trong 12 tháng tới.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu cho kỹ thuật viên vận hành lò và dây chuyền sản xuất đồng vị, đảm bảo vận hành an toàn và hiệu quả. Thực hiện liên tục hàng năm.

  5. Nghiên cứu mở rộng ứng dụng cho lò phản ứng công suất cao: Áp dụng kinh nghiệm và mô hình tính toán cho lò phản ứng nghiên cứu công suất 10 MW trong tương lai, nhằm tăng sản lượng đồng vị phóng xạ đa dạng. Lập kế hoạch nghiên cứu dài hạn 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu vật lý hạt nhân và kỹ thuật lò phản ứng: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình tính toán chi tiết về phân bố neutron, cháy nhiên liệu và an toàn thủy nhiệt, hỗ trợ nghiên cứu phát triển lò phản ứng nghiên cứu.

  2. Chuyên gia sản xuất đồng vị phóng xạ: Thông tin về thiết kế cốc chiếu, tối ưu hóa quy trình chiếu xạ và xử lý bia TeO2 giúp nâng cao hiệu quả sản xuất đồng vị I-131, giảm chi phí và tăng sản lượng.

  3. Cơ sở y tế và phòng thí nghiệm y học hạt nhân: Hiểu rõ nguồn gốc, chất lượng và khả năng cung cấp đồng vị I-131 trong nước, từ đó xây dựng kế hoạch sử dụng đồng vị phù hợp cho chẩn đoán và điều trị.

  4. Quản lý và hoạch định chính sách năng lượng hạt nhân: Cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn để phát triển ngành sản xuất đồng vị phóng xạ trong nước, giảm phụ thuộc nhập khẩu, đồng thời đảm bảo an toàn vận hành lò phản ứng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Làm thế nào để tăng sản lượng đồng vị I-131 trên lò phản ứng công suất thấp như Lò PƯHNĐL?
    Giải pháp hiệu quả là tăng số lượng container chứa bia TeO2 trong vùng hoạt có thông lượng neutron cao, thiết kế thêm cốc chiếu mới gần bẫy neutron, đồng thời tối ưu thời gian vận hành lò và nâng cao hiệu suất dây chuyền sản xuất.

  2. Thông lượng neutron nhiệt ảnh hưởng thế nào đến sản lượng I-131?
    Thông lượng neutron nhiệt càng cao thì tốc độ phản ứng bắt neutron của Te-130 càng lớn, dẫn đến hoạt độ I-131 thu được càng cao. Phân bố thông lượng neutron theo chiều cao trong container cũng ảnh hưởng đến hiệu suất chiếu xạ.

  3. Có những rủi ro an toàn nào khi tăng số lượng container chiếu mẫu?
    Rủi ro chính liên quan đến an toàn thủy nhiệt và độ phản ứng âm. Nghiên cứu đã tính toán và thực nghiệm cho thấy nhiệt độ nhiên liệu và vỏ bọc không vượt quá giới hạn an toàn, độ phản ứng âm nằm trong phạm vi cho phép, đảm bảo vận hành ổn định.

  4. Tại sao không tăng công suất lò để tăng sản lượng I-131?
    Tăng công suất lò lên 1 MW hoặc 2 MW gần như không khả thi do hạn chế về thiết kế và hệ thống làm mát hiện tại. Việc tăng công suất cũng đòi hỏi đầu tư lớn và có thể ảnh hưởng đến an toàn vận hành.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu cho các lò phản ứng nghiên cứu công suất cao trong tương lai?
    Kinh nghiệm thiết kế cốc chiếu, mô hình tính toán phân bố neutron và đánh giá an toàn thủy nhiệt có thể được mở rộng và điều chỉnh cho các lò công suất cao, giúp tối ưu hóa sản xuất đồng vị phóng xạ đa mục tiêu.

Kết luận

  • Thiết kế thêm 2 cốc chiếu mới tại vị trí ô 5-6 và 9-6 giúp tăng số lượng container chứa bia TeO2 lên 15, tăng khối lượng bia khoảng 65%.
  • Sản lượng đồng vị I-131 tăng từ trung bình 37 Ci lên hơn 100 Ci mỗi tháng, đáp ứng gần 90% nhu cầu trong nước.
  • Các chỉ số an toàn thủy nhiệt và độ phản ứng âm được đảm bảo trong giới hạn cho phép, vận hành lò ổn định.
  • Phương pháp vận hành lò với thời gian ngắn hơn nhưng tần suất cao hơn giúp giảm áp lực bảo dưỡng và tăng hiệu quả sản xuất.
  • Kết quả nghiên cứu là cơ sở khoa học và thực tiễn quan trọng để nâng cao khả năng sản xuất đồng vị phóng xạ trên Lò PƯHNĐL và chuẩn bị cho các lò phản ứng nghiên cứu công suất cao trong tương lai.

Khuyến nghị: Các đơn vị liên quan cần triển khai áp dụng cấu hình mới, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến dây chuyền sản xuất và đào tạo nhân lực để đảm bảo hiệu quả và an toàn lâu dài.