Nghiên cứu khả năng sử dụng thori làm nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân điều khiển bằng máy gia tốc

• Tác giả: Trần Minh Tiến
• Người hướng dẫn: PGS. Trần Quốc Dũng
• Trường học: Đại học Thủ Dầu Một
• Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử và hạt nhân
• Đề tài: Nghiên cứu khả năng sử dụng thori làm nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân điều khiển bằng máy gia tốc
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• DANH MỤC VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC BẢNG
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
• 1.1. Lò phản ứng hạt nhân dưới tới hạn điều khiển bằng máy gia tốc (ADSR)
• 1.2. Tình hình phát triển ADSR hiện nay
• 1.3. Nghiên cứu phản ứng phân hạch, phân bố neutron trên bia rắn cho ADSR
• 1.4. Nghiên cứu sử dụng thori làm nhiên liệu trong lò phản ứng hạt nhân truyền thống
• 1.5. Khả năng sử dụng thori làm nhiên liệu cho ADSR
• 2. MÔ PHỎNG VẬT LÝ ADSR SỬ DỤNG BIA CHÌ LỎNG VÀ NHIÊN LIỆU THORI
• 2.1. Mô hình tương tác (p,n) trên bia chì lỏng
• 2.1.1. Mô hình và phương pháp tính toán
• 2.1.2. Phân bố năng lượng của các neutron phát ra
• 2.1.3. Phân bố góc của neutron phát ra
• 2.1.4. Hiệu suất phát neutron theo góc
• 2.1.5. Vi phân bậc hai của tiết diện sinh neutron theo năng lượng và theo góc khối (neutron production double - differential cross section)
• 2.2. Mô hình lò phản ứng TRIGA Mark II dưới tới hạn dùng chì lỏng và nhiên liệu thori
• 2.2.1. Mô hình lò phản ứng TRIGA Mark II mô phỏng bằng MCNPX
• 2.2.2. Hiệu suất phát neutron Yn/p
• 2.2.3. Hệ số nhân neutron hiệu dụng kef f
• 3. TÍNH TOÁN NHIÊN LIỆU THORI CHO ADSR
• 3.1. Phân rã phóng xạ hạt nhân thori trong môi trường chì lỏng
• 3.1.1. Mô hình và phương pháp tính toán
• 3.1.2. Phổ năng lượng của các tia alpha, beta, gamma và phản neutrino
• 3.1.3. Năng lượng của các hạt nhân con tạo thành
• 3.2. So sánh phân bố thông lượng neutron trong ADSR dùng chì lỏng, nhiên liệu hỗn hợp thori với ADSR dùng bia rắn, nhiên liệu hỗn hợp urani
• 3.2.1. Trường hợp nhiên liệu UZrH và chất làm mát bằng nước nhẹ
• 3.2.2. Trường hợp nhiên liệu UZrH và chất làm mát bằng chì lỏng
• 3.2.3. Trường hợp nhiên liệu ThUO và chất làm mát bằng chì lỏng
• 3.3. Phân bố thông lượng neutron bên trong ADSR sử dụng nhiên liệu thori
• 3.3.1. Phân bố thông lượng neutron theo năng lượng neutron phát ra
• 3.3.2. Phân bố thông lượng neutron dọc theo chiều cao
• 3.3.3. Phân bố thông lượng neutron dọc theo bán kính
• 3.3.4. Phân bố thông lượng neutron bên trong ADSR sử dụng nhiên liệu hỗn hợp thori và urani
• 3.3.4.1. Phân bố thông lượng neutron dọc theo bán kính
• 3.3.4.2. Phân bố thông lượng neutron dọc theo chiều cao lõi lò
• 3.3.5. So sánh phân bố thông lượng neutron với nhiên liệu U O2, T h233 U O2 và T h235 U O2
• 3.3.6. Hệ số nhân neutron trong ADSR với nhiên liệu hỗn hợp thori
• 3.3.6.1. Hệ số nhân neutron hiệu dụng kef f với hỗn hợp nhiên liệu T h233 U O2
• 3.3.6.2. Hệ số nhân neutron hiệu dụng kef f với hỗn hợp nhiên liệu T h235 U O2
• 3.3.6.3. Hệ số nhân neutron hiệu dụng kef f với hỗn hợp nhiên liệu T h238 U O2
• KẾT LUẬN
• KIẾN NGHỊ VỀ NHỮNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO
• CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỀ TÀI
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về lò phản ứng hạt nhân điều khiển bằng máy gia tốc ADSR

Lò phản ứng hạt nhân điều khiển bằng máy gia tốc (ADSR) là một công nghệ tiên tiến, hoạt động dựa trên nguyên tắc sử dụng máy gia tốc để tạo ra dòng proton năng lượng cao. Dòng proton này tương tác với hạt nhân bia, sinh ra phản ứng (p,n) trong trạng thái dưới tới hạn. ADSR được xem là giải pháp tiềm năng để giải quyết các vấn đề của lò phản ứng hạt nhân truyền thống, như chi phí cao, an toàn, và xử lý rác thải phóng xạ. Công nghệ này cũng cho phép sử dụng thori làm nhiên liệu thay thế cho urani, mở ra hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực năng lượng hạt nhân.

1.1 Nguyên lý hoạt động của ADSR

Nguyên lý hoạt động của ADSR dựa trên việc sử dụng máy gia tốc để tạo ra dòng proton năng lượng cao. Dòng proton này tương tác với hạt nhân bia, sinh ra neutron thông qua phản ứng (p,n). Các neutron này duy trì phản ứng phân hạch trong lò phản ứng ở trạng thái dưới tới hạn. Khi máy gia tốc dừng hoạt động, phản ứng phân hạch cũng dừng lại, đảm bảo tính an toàn cao. ADSR còn có khả năng sử dụng thori làm nhiên liệu, giúp tận dụng nguồn tài nguyên dồi dào này.

1.2 Ưu điểm của ADSR

ADSR mang lại nhiều ưu điểm so với lò phản ứng hạt nhân truyền thống. Đầu tiên, tính an toàn được nâng cao do phản ứng chỉ xảy ra khi máy gia tốc hoạt động. Thứ hai, ADSR có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu, bao gồm thori, giúp giảm sự phụ thuộc vào urani. Cuối cùng, công nghệ này có khả năng xử lý rác thải phóng xạ, góp phần giải quyết vấn đề môi trường.

II. Khả năng sử dụng thori làm nhiên liệu trong ADSR

Thori là một nguyên tố có tiềm năng lớn trong việc thay thế urani làm nhiên liệu hạt nhân. Với trữ lượng dồi dào gấp khoảng 4 lần urani, thori có thể được chuyển đổi thành U-233 thông qua phản ứng bắt neutron. Mặc dù thori không phải là nhiên liệu phân hạch trực tiếp, nhưng việc chuyển đổi thành U-233 mang lại hiệu quả cao. ADSR là công nghệ phù hợp để khai thác tiềm năng này, đặc biệt khi kết hợp với máy gia tốc và bia chì lỏng.

2.1 Quá trình chuyển đổi thori thành U 233

Quá trình chuyển đổi thori thành U-233 bắt đầu khi Th-232 bắt neutron, tạo thành Th-233. Th-233 sau đó phân rã thành Pa-233 và cuối cùng là U-233. U-233 là nguyên liệu phân hạch hiệu quả, có thể được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân. Quá trình này được tối ưu hóa trong ADSR nhờ khả năng tạo neutron dồi dào từ máy gia tốc.

2.2 Lợi ích của việc sử dụng thori

Việc sử dụng thori làm nhiên liệu mang lại nhiều lợi ích. Đầu tiên, thori có trữ lượng lớn và phân bố rộng rãi hơn urani. Thứ hai, quá trình chuyển đổi thori thành U-233 tạo ra ít chất thải phóng xạ hơn so với chu trình urani. Cuối cùng, thori có tính ổn định cao hơn, giảm nguy cơ phát tán phóng xạ trong trường hợp sự cố.

III. Mô hình ADSR sử dụng bia chì lỏng và nhiên liệu thori

Mô hình ADSR sử dụng bia chì lỏng và nhiên liệu thori là một hướng nghiên cứu mới, mang lại nhiều ưu điểm. Bia chì lỏng không chỉ đóng vai trò là nguồn sinh neutron mà còn là chất làm mát, giúp duy trì hoạt động liên tục của lò phản ứng. Kết hợp với thori, mô hình này có thể tạo ra năng lượng hiệu quả và an toàn hơn so với các lò phản ứng truyền thống.

3.1 Tính toán hiệu suất phát neutron

Các tính toán về hiệu suất phát neutron trong mô hình ADSR sử dụng bia chì lỏng cho thấy số lượng neutron sinh ra tăng đáng kể so với bia rắn. Điều này là do toàn bộ khối chì lỏng trên đường đi của chùm proton đều tham gia vào quá trình sinh neutron. Kết quả này khẳng định tính khả thi của việc sử dụng bia chì lỏng trong ADSR.

3.2 Phân bố thông lượng neutron

Phân bố thông lượng neutron trong ADSR sử dụng thori được tính toán chi tiết, bao gồm phân bố theo năng lượng, góc, và vị trí trong lò phản ứng. Kết quả cho thấy thori có khả năng duy trì phản ứng phân hạch ổn định, đặc biệt khi kết hợp với urani ở các tỷ lệ khác nhau. Điều này mở ra hướng nghiên cứu mới trong việc tối ưu hóa tỷ lệ nhiên liệu cho ADSR.