CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU Chương này giới thiệu sơ lược về quá trình hình thành ý tường về lò phản ứng hạt nhân dưới tới hạn điều khiển bằng máy gia tốc , nguyên tắc hoạt động cũng như tình hình phát triển hiện nay; cùng với đó là phân tích các nghiên cứu về ADSR có liên quan đến đề tài như các nghiên cứu phản ứng phân hạch, phân bố neutron và nghiên cứu sử dụng thori làm nhiên liệu.1 Lò phản ứng hạt nhân dưới tới hạn điều khiển bằng máy gia tốc (ADSR) Quá trình cơ bản xảy ra trong một lò phản ứng hạt nhân điều khiển bằng máy gia tốc là sự biến đổi hạt nhân dựa trên phản ứng bắn phá một hạt nhân nặng bằng một hạt nhân nhẹ. Những quan sát đầu tiên thuộc về Ernest Rutherford vào năm 1919, khi ông nghiên cứu phản ứng bắn phá hạt nhân N-17 bằng hạt α. Sau đó, Ernest Orlande Lawrence đã thiết kế nên máy gia tốc cyclotron đầu tiên, mở ra hướng nghiên cứu về cường độ, dòng hạt tạo ra từ máy gia tốc và ứng dụng vào nghiên cứu phân hạch hạt nhân.
Đến năm 1940, Ernest Orlande Lawrence và Nicolay Nicolayevich Semenov đã độc lập đề xuất sử dụng máy gia tốc hạt như là một nguồn để tạo ra neutron. Seaborg và cộng sự của ông đã tạo ra lượng plutoni đầu tiên (Pu-238) bằng cách sử dụng máy gia tốc cyclotron kích thước 60 inch ở Đại học California tại Berkeley (U. Berkeley) tạo ra dòng deuteron bắn phá hạt nhân urani tự nhiên (chủ yếu là U-238). Các đề xuất sử dụng máy gia tốc tạo dòng proton năng lượng cao trong việc phát triển năng lượng hạt nhân đã được đưa ra từ nhiều thập kỷ trước đây [9-12], nhưng nó chỉ thực sự được quan tâm nhiều kể từ khi được đề cập trở lại bởi các tác giả C.Bowman [3] và các cộng sự.
ADSR hoạt động dựa trên nguyên tắc cơ bản: một máy gia tốc tạo ra dòng proton mang năng lượng từ vài trăm MeV đến vài GeV, tương tác 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com lên một bia nặng, gây ra tương tác (p,n). Quá trình phá vỡ này sẽ sinh ra nhiều neutron phát ra theo các hướng khác nhau; các neutron sinh ra sẽ gây ra nhiều phản ứng khác nhau như (n,n), (n,2n), (n, γ ),.; tham gia vào nhiều quá trình khác nhau như hấp thụ neutron, tán xạ đàn hồi và tán xạ không đàn hồi. Năng lượng của neutron bị giảm dần do các quá trình ion hóa, va chạm không đàn hồi, đạt đến năng lượng nhiệt; từ đây sẽ gây ra phản ứng phân hạch và số neutron sẽ được nhân lên. Các quá trình bên trong lò phản ứng được duy trì hoạt động ở trạng thái dưới tới hạn; các neutron sinh ra từ quá trình tương tác (p,n) sẽ đóng vai trò là các neutron bù, duy trì trạng thái hoạt động dưới tới hạn của lò phản ứng.
Nguyên lý hoạt động của ADSR được trình bày ở hình 1. Trong lò phản ứng, nếu hệ số nhân neutron kef f < 1 thì phản ứng phân hạch không thể tự duy trì và có xu hướng tắt dần; muốn duy trì hoạt động của nó, cần phải cấp thêm cho lò một lượng neutron để duy trì ổn định hoạt động nên gọi là lò phản ứng dưới tới hạn. Dòng proton năng lượng cao tương tác lên bia nặng tạo ra tương tác (p,n) chính là để tạo ra các neutron bù. Ngày nay, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật, việc tạo ra dòng proton năng lượng cao từ máy gia tốc không còn là vấn đề lớn.
Những vấn đề cơ bản liên quan đến ADSR đã bắt đầu được nghiên cứu từ năm 2001 [13]. Hiện nay, một số vấn đề vẫn còn đang được quan tâm như: phổ neutron nhiệt, neutron nhanh; loại nhiên liệu: rắn (kim loại, oxit, nitric, cacbua. ); hoặc lỏng (clorua, florua); các loại bia phá vỡ (chì, chì-bismuth, vonfram, muối nóng chảy. Nghiên cứu về phổ neutron.
Phổ neutron sinh ra từ phản ứng (p,n) gồm cả neutron nhiệt và neutron nhanh. Tiết diện phản ứng đối với neutron nhiệt nhìn chung cao hơn so với neutron nhanh; điều này mở ra tiềm năng lớn trong việc thiêu hủy chất thải phóng xạ [14]. Tuy nhiên, điều này chỉ đúng đối với các hỗn hợp nhiên liệu phân hạch; còn đối với các actini hiếm (minor 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.1: Nguyên tắc hoạt động cơ bản của một ADSR Chú thích: Accelerated protons: các hạt proton được gia tốc; Accelerator: máy gia tốc hạt; Energy extraction: năng lượng được lấy ra ; Fraction f of the energy bach to the accelerator: tỉ phần f của năng lượng được đưa trở lại để cung cấp cho máy gia tốc hoạt động; Fraction (1-f) of the energy: tỉ phần (1-f) của năng lượng được đưa vào lưới điện; Grid: lưới điện; Spallation: sự phá vỡ hạt nhân, Subcritical core: lõi lò phản ứng dưới tới hạn; Target: bia để bắn chùm hạt proton vào và tạo ra phản ứng (p,n). actinide), phổ neutron nhanh cho phép thiêu hủy dễ dàng hơn do tiết diện phân hạch lớn hơn.
Nghiên cứu về loại nhiên liệu. ADSR đang được xem xét sử dụng nhiên liệu truyền thống urani dạng oxit. Một số đề xuất gần đây cho việc sử dụng thori hay hỗn hợp urani – thori. Nguồn urani ngày càng giảm, trong khi tiềm năng của thori rất lớn.
Đặc biệt khi dùng thori thì không sinh ra plutoni, một nguyên liệu cần thiết cho việc phát triển vũ khí hạt nhân. Nghiên cứu về loại bia tương tác. Các loại bia nặng thường cho hiệu suất sinh neutron cao, điển hình như chì, chì – bismuth ở dạng rắn và cả những đề xuất dạng lỏng. Chì có nhiệt độ nóng chảy khá cao, 3270 C và có thể khó khăn và tốn kém để giữ cho nó ở trạng thái ổn định tại mọi thời điểm.
Chì-bismuth có nhiệt độ nóng chảy chỉ là 123, 50 C ; dùng bismuth sẽ làm sinh ra nhiều Po-210 có tính độc phóng xạ và dễ bay hơi. Cả chì và chì-bismuth đều ăn mòn kim loại, ăn mòn nhiều hơn ở nhiệt độ cao. Về mặt này, nhiệt 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com độ làm việc thấp hơn của chì-bismuth là một ưu điểm lớn. Nghiên cứu về chất làm mát.
Một số đề xuất cho chất làm mát (hay chất tải nhiệt), là làm mát bằng khí hoặc bằng kim loại lỏng. Đề xuất làm mát bằng khí lấy ý tưởng từ lò phản ứng bằng khí ở nhiệt độ cao – HTGR [15]. Một số đề xuất làm mát bằng chì, chì – bismuth hoặc dùng muối nóng chảy. Tuy nhiên, mỗi loại đều có ưu nhược điểm riêng, cần phải nghiên cứu một cách rõ ràng hơn.
Như vậy, có thể thấy rằng còn cần rất nhiều nghiên cứu khác nhau về ADSR, và luận án này lựa chọn nghiên cứu về khả năng sử dụng thori làm nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân điều khiển bằng máy gia tốc dựa trên mô hình tương tác (p,n) trên chì lỏng vừa làm bia và tải nhiệt; nhằm có thêm đánh giá một cách rõ ràng hơn, vì những nghiên cứu về vấn đề này trên thế giới chỉ mới ở mức đề xuất hoặc mới ở những nghiên cứu ban đầu, chưa có nhiều đánh giá thật sự rõ ràng và đầy đủ. Ở Việt Nam hiện nay chưa có nhiều nhóm nghiên cứu về lò phản ứng hạt nhân dưới tới hạn điều khiển bằng máy gia tốc. Nhóm nghiên cứu đầu tiên là của các tác giả Nguyễn Mộng Giao và cộng sự. Nhóm đã bắt đầu nghiên cứu về ADSR vào khoảng từ năm 2002.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển các kĩ thuật tính toán liên quan đến phổ neutron, số neutron sinh ra trong tương tác (p,n) trên một số bia dày với năng lượng dòng proton tới từ 0,5 GeV đến 3,0 GeV; về hiệu ứng màn chắn trong tương tác (p,n) trên một số bia nặng và một số vấn đề khác. Nhóm nghiên cứu đã có nhiều công bố quan trọng, trong đó có tác giả Nguyễn Thị Ái Thu đã hoàn thành luận án Tiến sĩ của mình dưới sự hướng dẫn của thầy Châu Văn Tạo và thầy Nguyễn Mộng Giao. Trong luận án của mình, tác giả đã đề ra một mô hình để nghiên cứu tương tác (p,n) trên các bia nhằm cải thiện sai khác của những tính toán lý thuyết trước đây so với thực nghiệm ; mô hình này được gọi là mô hình màn chắn trên bia. Kết quả trong luận án này gồm bộ số liệu về số neutron 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com sinh ra, phân bố năng lượng, phân bố góc của neutron trong các tương tác (p,n) trên một số bia nặng như urani, chì, vonfram , vàng;.
với năng lượng bắn phá từ 0,5 GeV đến 1,5 GeV [16-19]. Từ các kết quả tính toán, tác giả đã đưa ra nhiều nhận xét về tính chất của tương tác (p,n) trên các bia khác nhau làm cơ sở cho việc lựa chọn bia, năng lượng dòng proton được gia tốc. Những năm gần đây, nhóm đã phát triển các hướng nghiên cứu mới, một trong những hướng này là tính toán trên bia chì lỏng; nghiên cứu khả năng sử dụng thori làm nhiên liệu cho ADSR được thực hiện trong luận án. Một tác giả khác ở Việt Nam có nhiều nhiên cứu về ADSR là tác giả Vũ Thanh Mai và các cộng sự Cheol Ho Pyeon, Masao Yanmanaka.
ở đại học Kyoto và cơ quan năng lượng nguyên tử Nhật Bản [20-25]. Nhóm đã thực hiện các nghiên cứu trên hệ tổ hợp đa lõi KUCA ( Kyoto University Critical Assembly). Những công trình này tập trung vào nghiên cứu sử dụng hệ thống máy gia tốc dòng proton 100 MeV trên bia kim loại nặng, kết hợp sử dụng nhiên liệu U-235 và Th-232, kết hợp với máy phát neutron 14 MeV. Tính toán các tham số động học, so sánh hành vi của các neutron tức thời và neutron trễ trong các trường hợp khác nhau.
Thực nghiệm nghiên cứu độ phản ứng với dòng proton 100 MeV trên bia chì – bismuth ở KUCA. Các công trình này có giá trị rất lớn, được đăng tải trên nhiều tạp chí hàng đầu về năng lượng hạt nhân, đóng góp quan trọng vào nghiên chung về ADSR trên thế giới.2 Tình hình phát triển ADSR hiện nay Từ lúc được đề xuất đến nay, đã có rất nhiều hội nghị quốc tế về ADSR đã được tổ chức. Tiêu biểu nhất là hội nghị về công nghệ và cấu trúc các hệ thống điều khiển bằng máy gia tốc (Technology and Componens of Accelerator Driven Systems) được tổ chức liên tục ba năm một lần, bắt đầu từ năm 2010 [26-28]. Năm 2019, hội nghị này được tổ chức tại Antwerp, Bỉ từ ngày 14-17/10/2019.
Hội nghị tập trung rất nhiều nghiên cứu khác nhau 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.