I. Tổng Quan Nghiên Cứu Đặc Điểm Vật Lý Phân Tử Uranium
Năng lượng hạt nhân đóng vai trò quan trọng trong phát triển của các quốc gia. Tại Việt Nam, phát triển năng lượng hạt nhân được ưu tiên do sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng truyền thống. Uranium là nhiên liệu quan trọng trong lĩnh vực này. Các thông tin đầy đủ về loại vật liệu này luôn cần thiết. Các số liệu về thành phần, hàm lượng các đồng vị, các tạp chất hóa học, tuổi nhiên liệu có ý nghĩa quan trọng trong quá trình sử dụng cũng như công tác quản lý, an ninh, an toàn hạt nhân. Dựa trên đặc tính phân rã tự nhiên của các đồng vị trong chuỗi uranium, hàm lượng của vật liệu uranium có thể xác định thông qua việc đo tỷ số hoạt độ của các đồng vị phóng xạ này.
1.1. Giới Thiệu Chung Về Phân Tử Uranium U
Uranium (U) là một nguyên tố kim loại màu xám bạc, dễ bị oxy hóa trong không khí. Nó thuộc nhóm Actini trong bảng tuần hoàn, có số nguyên tử là 92. Hiện nay, người ta đã phát hiện được 23 đồng vị Uranium khác nhau, nhưng phổ biến nhất là 238U và 235U. Tất cả đồng vị của uranium đều không bền và có tính phóng xạ yếu. Uranium có mặt trong tự nhiên với nồng độ thấp khoảng 10^-4 % trong đất, đá và nước. Chu kỳ bán rã của 238U là khoảng 4,47 tỷ năm và của 235U là 704 triệu năm, do đó nó được sử dụng để xác định tuổi của Trái Đất.
1.2. Các Đồng Vị Phóng Xạ Quan Trọng Của Uranium
Hiện tại, các ứng dụng của uranium chỉ dựa trên các tính chất hạt nhân của nó. 235U là đồng vị duy nhất tồn tại trong tự nhiên, có khả năng phân hạch một cách tự phát. 238U có thể phân hạch bằng neutron nhanh, và có thể được chuyển đổi thành Plutoni-239 (239Pu), một sản phẩm có thể tự phân hạch được trong lò phản ứng hạt nhân. Đồng vị có khả năng tự phân hạch khác là 233U có thể được tạo ra từ Thori tự nhiên và cũng là vật liệu quan trọng trong công nghệ hạt nhân.
II. Cách Xác Định Đặc Tính Vật Lý Uranium Bằng Gamma
Để xác định các đặc trưng của nhiên liệu uranium, có nhiều phương pháp khác nhau được sử dụng như phân tích phá hủy mẫu, thường sử dụng các khối phổ kế hấp thụ nguyên tử, khối phổ kế cảm ứng plasma (ICP-MS), phổ kế alpha và phương pháp không phá hủy mẫu (NDA) chủ yếu sử dụng phổ kế gamma độ phân giải năng lượng cao. Mỗi phương pháp trên đều có những lợi thế và mặt hạn chế riêng, bổ sung lẫn nhau. Tùy thuộc vào mục đích và điều kiện nghiên cứu và đặc điểm của từng loại.
2.1. Phương Pháp Phổ Kế Gamma Bán Dẫn Trong Nghiên Cứu Uranium
Phương pháp xác định các đặc trưng của vật liệu hạt nhân sử dụng phổ kế gamma bán dẫn được ứng dụng phổ biến, với ưu điểm không cần phá mẫu, quy trình thực nghiệm không quá phức tạp, tuy nhiên đòi hỏi kỹ năng phân tích xử lý số liệu khá phức tạp và tinh tế. Luận văn với đề tài: “Xác định một số đặc trưng của nhiên liệu hạt nhân và xác định độ giàu bằng phương pháp gamma”.
2.2. Ưu Điểm Của Phương Pháp Gamma So Với Các Phương Pháp Khác
Việc xác định năng lượng của tia gamma tương đối đơn giản và có thể đạt được độ chính xác cao. Sự hấp thụ các tia gamma trong mẫu ít hơn so với sự hấp thụ các tia alpha và beta. Do đó, tia gamma được sử dụng nhiều nhất vào mục đích phân tích. Các đồng vị phát ra gamma năng lượng cao thường là các đồng vị nằm ở cuối dãy phóng xạ.
2.3. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Đo Đạc Phổ Gamma Uranium
Đối với các bức xạ gamma năng lượng thấp, cường độ nhỏ vẫn có thể được sử dụng để xác định hàm lượng của đồng vị mẹ. Trong cả hai dãy phóng xạ tự nhiên, các nguyên tố phóng xạ ở đầu dãy khi phân rã phóng xạ thì hạt nhân con thường ở trạng thái cơ bản hoặc trạng thái kích thích thấp, do đó các bức xạ gamma do nguyên tố đầu dãy phát ra thường có năng lượng thấp và cường độ nhỏ.
III. Phân Tích Chi Tiết Các Đặc Tính Vật Lý Của Uranium U
Trong tự nhiên tồn tại ba đồng vị của Uranium là 238U, 235U và 234U với hàm lượng khá thấp, cỡ vài ppm (10^-4 %) trong đất đá dưới dạng hỗn hợp muối Uraninit. Trong đó chủ yếu là 238U, chiếm cỡ 99,2745 % trên tổng số các đồng vị Uranium, 235U chiếm 0,720 % và 234U (con cháu của 238U) chỉ chiếm khoảng 0,0055 %. Trong các đồng vị tự nhiên này của Uranium thì chỉ có 235U mới có khả năng tự phân hạch hoặc phân hạch gây bởi neutron năng lượng thấp, neutron nhiệt.
3.1. Hàm Lượng Các Đồng Vị Uranium Trong Tự Nhiên
Quá trình sản xuất nhiên liệu hạt nhân bắt đầu từ công đoạn sàng lọc tách chiết từ các mẫu đất, đá, quặng Uraninit để có được hỗn hợp Uranium hàm lượng cao. Tuy nhiên đây chưa phải nhiên liệu hạt nhân. Uranium khi được sử dụng làm nhiên liệu hạt nhân phải đạt được một tiêu chí quan trọng, đó là hàm lượng 235U phải đủ lớn để duy trì được phản ứng phân hạch dây chuyền của các hạt nhân.
3.2. Phân Loại Vật Liệu Uranium Tự Nhiên Nghèo Giàu
Chính vì vậy mà người ta đã phân loại các vật liệu Uranium thành các dạng là: Uranium tự nhiên, Uranium nghèo, Uranium giàu và siêu giàu, trong đó cơ sở để phân loại chính là hàm lượng 235U trong tự nhiên (0,72 %). Khái niệm giàu hay nghèo là nói đến tỉ lệ 235U trong một mẫu hỗn hợp Uranium ít hơn hay nhiều hơn so với Uranium tự nhiên.
IV. Hướng Dẫn Quy Trình Làm Giàu Uranium U Hiệu Quả
Quá trình làm giàu bắt đầu từ những sản phẩm Uranium công nghiệp, đó là các dạng Oxit của Uranium chứa các trạng thái oxy hóa từ thấp đến cao của Uranium. Trong đó có 2 dạng Oxit phổ biến nhất, tồn tại ở thể rắn, ít hòa tan trong nước, tương đối bền trong nhiều điều kiện môi trường, đó là Triuran Octaoxit (U3O8) và Uranium Dioxit (UO2). U3O8 là dạng Oxit tự nhiên của Uranium, khi đưa vào lò nung sẽ tạo ra các trạng thái oxy hóa cao hơn của Uranium, còn UO2 chính là nguyên liệu để làm giàu Uranium.
4.1. Các Phương Pháp Làm Giàu Uranium Phổ Biến Hiện Nay
Có nhiều phương pháp để làm giàu Uranium như: tách đồng vị điện từ , khuếch tán nhiệt, khuếch tán khí, khí động học, tách đồng vị Lade (Laser Isotope Separation), trao đổi ion và hóa học, tách Plasma và khí ly tâm. Trong đó Ly tâm khí là phương pháp phổ biến hiện nay. Phương pháp ly tâm khí để tách đồng vị 235U ra khỏi 238U dựa trên sự khác nhau về khối lượng của 235U và 238U.
4.2. Chi Tiết Về Phương Pháp Ly Tâm Khí Trong Làm Giàu Uranium
Lực ly tâm của các phân tử khí nhẹ và nặng hơn.Sự tách riêng bằng phương pháp ly tâm được thực hiện trong các xylanh quay. Những phân tử nặng hơn bị gạt ra vùng ngoại biên của máy ly tâm và chuyển động xuống dưới dọc theo thành ngoài, còn cũng những phân tử ấy nhưng nhẹ hơn thì bị đẩy vào phần trung tâm hướng lên trên dọc theo trục của máy ly tâm.
V. Ứng Dụng Kỹ Thuật Gamma Trong Nghiên Cứu Uranium U
Trong kỹ thuật hạt nhân người ta dùng Uranium thiên nhiên (chứa 0,71 % đồng vị 235U) để làm giàu đồng vị này lên mức 3,2% hay 3,6% , được gọi chung là Uranium đã làm giàu (Enriched Uranium). Quá trình tạo ra Uranium làm giàu đồng thời sinh ra một sản phẩm phụ, cũng có thể xem là phế liệu, là DU chỉ còn chứa 0,2 – 0,3 % 235U. Với công nghệ hiện nay từ 8,05 tấn Uranium thiên nhiên chứa 0,72 % 235U, người ta sản xuất được 1 tấn Uranium làm giàu (chứa 3,6 % 235U) đồng thời tạo ra 7,05 tấn DU (chứa 0,3 % 235U).
5.1. Uranium Nghèo DU Và Các Ứng Dụng Thực Tế
Như vậy, khái niệm giàu hay nghèo ở đây có nghĩa là nhiều hay ít 235U hơn so với Uranium thiên nhiên. Ngoài ra, các DU còn có thể là sản phẩm sau phân hạch của lò phản ứng, hàm lượng rất đáng kể do hầu hết các 235U đều đã phân hạch, nên trong lượng “sỉ” đưa ra không còn 235U nữa. Một phần nhỏ các 238U cũng phân hạch trong quá trình thu neutron nhanh, nhưng không đáng kể, vì thế có thể coi sản phẩm của lò phản ứng cũng là hỗn hợp Uranium nghèo.
5.2. Ứng Dụng Của Uranium Nghèo Trong Quân Sự Và Công Nghiệp
Vì thế họ luôn tìm cách ứng dụng vào các mục đích khác, đặc biệt là trong quân sự. Do mật độ của Uranium lớn hơn thì cỡ 70%, đồng thời lại là nguyên tố có khối lượng nặng thứ 2 trong các nguyên tố tự nhiên nên hệ số bắt phóng xạ rất cao, đồng thời tính phóng xạ của Uranium lại rất yếu, vậy nên sử dụng DU để che chắn rất hiệu quả (có thể dùng thay thế cho Pb).
VI. Thiết Kế Thanh Nhiên Liệu Hạt Nhân Tổng Quan Và Đặc Điểm
Dựa trên thiết kế nguyên mẫu ban đầu của thanh nhiên liệu hạt nhân sử dụng trong lò phản ứng nước áp lực của nhà máy điện hạt nhân đầu tiên, khối các nước Hoa Kỳ, Pháp, Bỉ, Đức, Nga,… và sau đó là các nước Nhật Bản, Hàn Quốc đã phát triển các thiết kế của mình với những đặc điểm riêng đáp ứng theo các yêu cầu cụ thể trong vận hành. Về cơ bản thì hình dạng, thành phần cấu trúc của thanh nhiên liệu sử dụng trong lò phản ứng nước áp lực của các thiết kế là như nhau.
6.1. Cấu Trúc Và Thành Phần Của Thanh Nhiên Liệu Uranium
Trong đó, thanh nhiên liệu có dạng hình trụ, các viên gốm nhiên liệu UO2/UO2-Gd2O3 được làm giàu đồng vị (235U) ở mức thấp và nạp vào trong ống vỏ bọc bằng hợp kim zirconi, sau khi khí Heli được nạp vào thì hai đầu ống được hàn kín. Bên trong thanh có bộ phận lò xo bằng thép không gỉ giúp ổn định cột nhiên liệu trong quá trình vận chuyển hoặc nạp tải vào vùng hoạt.
6.2. Phân Loại Thiết Kế Thanh Nhiên Liệu Hạt Nhân
Tuy nhiên, theo hình dạng bó thanh nhiên liệu được lắp ráp và cấu trúc nạp tải ô lưới nhiên liệu trong vùng hoạt, có thể tạm chia thiết kế của thanh nhiên liệu hạt nhân thành 2 xu hướng đó là: Thanh nhiên liệu theo thiết kế của Hoa Kỳ-châu Âu (PWR) bao gồm các nước Hoa Kỳ, Pháp, Bỉ, Đức, Nhật Bản, Hàn Quốc và thanh nhiên liệu theo thiết kế của Liên bang Nga (VVER).
