Nghiên cứu tính toán một số thông số đảm bảo an toàn cho việc chuyển đổi nhiên liệu tại lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KIỀU NGỌC DŨNG NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN MỘT SỐ THÔNG SỐ ĐẢM BẢO AN TOÀN CHO VIỆC CHUYỂN ĐỔI NHIÊN LIỆU TẠI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ KỸ THUẬT HÀ NỘI - 2010 MỤC LỤC Danh mục các bảng i Danh mục các hình vẽ, đồ thị ii MỞ ĐẦU iii CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG 1 I.1 Cơ chế tương tác của nơtrôn với vật chất 1 I.2 Phản ứng phân hạch hạt nhân 4 I.3 Phản ứng dây chuyền, trạng thái tới hạn của LPƯ 5 I.4 Phân bố nơtrôn trong LPƯ 9 I.4.1 Phương trình vận chuyển nơtrôn 9 I.4.2 Phương trình vận chuyển tới hạn 13 I.4.3 Phương trình khuyếch tán nơtrôn 14 I.5 Thời gian tồn tại của nơtrôn trong LPƯ 14 I.6 Nơtrôn trễ 15 I.7 Sự nhiễm độc LPƯ 16 I.8 Một số thông số cho việc đánh giá an toàn LPƯ 17 I.9 Nguyên tắc hoạt động và điều khiển LPƯ hạt nhân 19 Kết luận chương I 20 CHƯƠNG II: ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22 II.1 Mô tả LPƯ Đà Lạt 22 II.2 Mô tả bó nhiên liệu HEU và LEU 27 II.3 Phương pháp tính toán và nghiên cứu trên phần mềm MCNP 30 II.3.1 Các đặc trưng của hệ mô phỏng MCNP 30 II.3.2 Hình học MCNP 35 II.3.3 File đầu vào của MCNP 37 II.3.4 Tính toán tới hạn 43 Kết luận chương II 47 CHƯƠNG III: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 48 III.1 Mô hình LPƯ được mô phỏng bằng MCNP 50 III.2 Ứng dụng MCNP vào tính toán thẩm định kết quả thông số an toàn cho việc chuyển đổi nhiên liệu tại LPƯ Đà Lạt (Core 1) 52 III.3 Ứng dụng MCNP vào tính toán thẩm định kết quả thông số an toàn cho việc chuyển đổi nhiên liệu tại LPƯ Đà Lạt (Core 2) 58 III.4 Ứng dụng MCNP tính toán thử nghiệm trên LPƯ Đà Lạt 64 III.5 Thảo luận và đánh giá 68 Kết luận chương III 69 KẾT LUẬN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC 72 i DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.
- Các đặc trưng của các bó nhiên liệu VVR-M2 27 Bảng 2.
- Ký hiệu tính toán trong MCNP 42 Bảng 4.
- Các thiết bị thí nghiệm trong mô hình chi tiết của chương trình MCNP 50 Bảng 5: Các thông số vật lý của cấu hình Core 1 52 Bảng 6: Phân bố công suất trong Core 1 54 Bảng 7.
- Hệ số phản hồi độ phản ứng do nhiệt độ 57 Bảng 10.
- Thông lượng notron trong các hốc chiếu mẫu 58 Bảng 11: Các thông số vật lý của cấu hình Core 2 59 Bảng 12: Phân bố công suất trong Core 2 60 Bảng 13.
- Hệ số phản hồi độ phản ứng do nhiệt độ Core 2 63 Bảng 16.
- Các thông số vật lý của cấu hình Core 3 65 Bảng 18.
- Mặt cắt đứng của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 24 Hình 2.
- Mặt cắt ngang của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt 25 Hình 3.
- Cấu trúc bó nhiên liệu HEU VVR-M2 26 Hình 5.
- Bó nhiên liệu HEU VVR-M2 29 Hình 6.
- Vị trí thêm bó nhiên liệu trong vùng hoạt LPƯ 65 Hình 14.
- Phân bố công suất trong vùng hoạt theo bán kính 67 iv DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VIẾT TẮT MCNP: Monte Carlo N Particle Transport Code LEU: Low-enriched uranium HEU: High-enriched uranium LPƯ: Lò phản ứng LPƯHNĐL: Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt v MỞ ĐẦU Lò phản ứng TRIGA MARK II do Mỹ xây dựng tại Đà Lạt, bắt đầu hoạt động năm 1963 với công suất danh định 250 kW.
- Năm 1975, khi rút quân khỏi miền Nam, Mỹ đã mang đi hết các thanh nhiên liệu urani và lò phản ứng không hoạt động được nữa.
- Việc khôi phục LPƯHNĐL thực chất là trang bị lại hầu hết các hệ công nghệ, và nạp nhiên liệu mới nâng công suất lò lên 500KW.
- Như vậy LPƯHNĐL được coi như một lò mới, do đó để đưa nó vào hoạt động cần tiến hành khởi động vật lý và khởi động năng lượng.
- Khởi động vật lý là giai đoạn nạp nhiên liệu cho lò đến trạng thái tới hạn và đưa lò vào hoạt động ở công suất rất thấp nhằm kiểm tra các thông số vật lý.
- Khởi động năng lượng là quá trình đưa lò lên công suất cao và đạt đến giá trị công suất danh định.
- Quá trình khởi động này rất quan trọng nhằm đo đạc tất cả các thông số vật lý, nhiệt kỹ thuật và đánh giá mức độ an toàn trước khi đưa lò vào hoạt động.
- Vì vậy việc tổ chức khởi động lò phải được thực hiện một cách nghiêm túc, chu đáo và vấn đề an toàn phải được đặt lên hàng đầu.
- Sau 26 năm hoạt động an toàn, năm nay LPƯHNĐL thực hiện kế hoạch chuyển đổi hoàn toàn nhiên liệu với độ giàu cao 36% thành nhiên liệu với độ giàu thấp 19,75%.
- Với việc thay toàn bộ nhiên liệu này, việc đưa lò mới vào hoạt động cũng phải trải qua một đợt khởi động vật lý và khởi động năng lượng.
- Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt hoạt động an toàn với cấu hình vùng hoạt pha trộn HEU + LEU từ tháng 9/2007 đến nay với khoảng 400 giờ vận hành, sản xuất khoảng 700 Ci đồng vị phóng xạ các loại, phục vụ phân tích kích hoạt, nghiên cứu, đào tạo.
- An toàn LPƯHNĐL và chất lượng phục vụ khai thác, sử dụng được đảm bảo.
- vi Các công việc chuẩn bị cho khởi động lại LPƯHNĐL bằng nhiên liệu LEU được chuẩn bị chu đáo và nghiêm túc trong gần 3 năm qua (tính toán nơtron, thuỷ nhiệt, phân tích an toàn, xây dựng chương trình khởi động.
- Viện Ngiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã tiến hành tính toán một số thông số an toàn cho việc chuyển đổi sử dụng hoàn toàn nhiên liệu LEU tại LPƯHNĐL.
- Bản luận văn này được xây dựng trên cơ sở tính toán thẩm định các thông số an toàn do Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt cung cấp.
- Các tính toán này được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của TS.
- Lê Chí Dũng, và phòng An toàn hạt nhân, Cục An toàn bức xạ và hạt nhân thực hiện, việc làm này với mục đích đánh giá các kết quả đã được tính toán, để đảm bảo cho việc chuyển đổi nhiên liệu, vận hành LPƯ an toàn.
- Chương trình MCNP được sử dụng mô phỏng toàn bộ hình học cụ thể các cấu trúc của Lò Phản ứng và tính toán độ hiệu dụng các thanh điều khiển, hệ số nhân hiệu dụng, và các thông số vật lý của lò phản ứng.
- Có thể kết hợp cùng các chương trình khác để tính toán thêm về các thông số thủy nhiệt cho LPƯ.
- Chương I: Trình bày các khái niệm cơ bản về vật lý lò phản ứng, một số thông số đặc trưng cho việc đánh giá an toàn của LPƯ.
- Chương II: Miêu tả LPƯHN Đà Lạt, và so sánh 2 loại nhiên liệu HEU và LEU.
- vii - Chương III: Trình bày kết quả tính toán các thông số an toàn cho vùng hoạt sử dụng 92 bó nhiên liệu LEU.
- Đồng thời tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến Phòng An toàn hạt nhân, Cục An toàn bức xạ và hạt nhân, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt đã tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp đỡ tác giả trong quá trình hoàn thành luận văn này.
- Xin chân thành cảm ơn! 1 CHƯƠNG I CƠ SỞ LÝ THUYẾT VẬT LÝ LÒ PHẢN ỨNG I.1.
- Khi xảy ra tương tác với hạt nhân của nguyên tử vật chất, nơtrôn hoặc có thể biến mất hoàn toàn và thay bởi một hay nhiều những bức xạ thứ cấp, hoặc bị thay đổi năng lượng hay hướng chuyển động.
- Hay nói cách khác nơtrôn tương tác với hạt nhân nguyên tử thông qua những cơ chế sau.
- Tán xạ đàn hồi - Tán xạ không đàn hồi - Phản ứng bắt nơtrôn - Phản ứng phân hạch Khả năng xảy ra các loại tương tác của nơtrôn với hạt nhân vật chất thay đổi mạnh theo năng lượng của nơtrôn, điều đó được thể hiện rất rõ ở tiết diện tương tác của nơtrôn với vật chất phụ thuộc mạnh vào năng lượng của nơtrôn.
- Phụ thuộc vào phạm vi nghiên cứu và đối tượng nghiên cứu, ta có thể đơn giản chia nơtrôn thành ba loại dựa trên cơ sở năng lượng của chúng, đó là.
- Nơtrôn nhiệt: En< 1 eV - Nơtrôn trung gian: 1 eV ≤ En ≤10 keV - Nơtrôn nhanh: En > 10 keV Lưu ý rằng, tiêu chí phân loại nơtron theo mức năng lượng như trên chỉ là tương đối, các tác giả khác có thể sử dụng các tiêu chí khác nhau.
- 2 • Tán xạ đàn hồi: Trong quá trình tán xạ đàn hồi, nơtrôn bị đổi hướng chuyển động và truyền một phần hoặc toàn bộ năng lượng của nó cho hạt nhân mà nó va chạm dưới dạng động năng giật lùi của hạt nhân đó mà không làm hạt nhân bị kích thích.
- Bằng việc áp dụng định luật bảo toàn động năng và động lượng của hệ “nơtrôn và hạt nhân” trước và sau khi tán xạ theo những cơ chế đơn giản, coi quá trình tương tác đó như sự va chạm đàn hồi của hai hạt, ban đầu hạt nơtrôn bay tới đập vào hạt nhân đứng yên có thể xác định được mối quan hệ giữa góc tán xạ và năng lượng của nơtrôn trước và sau khi nó va chạm với hạt nhân nào đó như sau.
- Sự biến đổi năng lượng trong quá trình tán xạ: 2212)1(1cos2+++=AAAEEθ (1.1) trong đó, E1, E2 là động năng của nơtron trước và sau khi tán xạ.
- A là nguyên tử số của hạt nhân tán xạ.
- và θ là góc tán xạ của nơtron trong hệ quy chiếu khối tâm.
- Đặt AAαkhi đó phương trình (1.1) biến đổi thành: )]cos)1()1[(2112θαα−++=EE (1.2) Theo phương trình (1.2), động năng hạt nơtrôn sau va chạm có độ lớn phụ thuộc vào góc tán xạ trong hệ quy chiếu khối tâm, góc θ, và động năng nơtrôn sau va chạm nằm trong khoảng từ αE1 đến E1.
- Do vậy, nếu một chùm nơtron đơn năng tán xạ đàn hồi với hạt nhân của môi trường thì sau quá trình tán xạ chùm nơtrôn ban đầu sẽ trở thành chùm nơtrôn có năng lượng phân bố liên tục với năng lượng lớn nhất bằng năng lượng nơtrôn ban đầu.
- Xét trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm, cosin góc tán xạ được xác định theo công thức: 1cos21coscos2+++=θθψAAA (1.3) 3 Với nơtrôn có năng lượng không quá lớn thì quá trình tán xạ đàn hồi có tính đối xứng cầu (hay đẳng hướng) trong hệ khối tâm.
- Khi đó, trung bình của cosin góc tán xạ trong hệ quy chiếu phòng thí nghiệm được xác định như sau: Add32coscos40400=ΩΩ=≡∫∫ππψµψ (1.4) Khả năng xảy ra tán xạ đàn hồi hay tiết diện tán xạ đàn hồi của nơtrôn với vật chất phụ thuộc vào năng lượng nơtrôn và thành phần nguyên tố cấu thành nên vật chất mà nơtrôn tán xạ trên nó.
- Tán xạ không đàn hồi Tán xạ không đàn hồi là loại tán xạ trong đó nơtrôn truyền một phần năng lượng cho hạt nhân làm cho hạt nhân bị kích thích, phát bức xạ Gamma, và một phần động năng của nơtrôn có thể bị tiêu hao để biến đổi thành động năng của hạt nhân giật lùi.
- Sản phẩm sau khi tán xạ vẫn là nơtrôn và hạt nhân ban đầu nhưng hạt nhân nằm ở trạng thái kích thích, sau đó nó giải kích thích và phát ra tia Gamma.
- Như vậy, tán xạ không đàn hồi chỉ xảy ra khi động năng nơtrôn lớn hơn mức năng lượng kích thích thứ nhất của hạt nhân.
- Quá trình tán xạ không đàn hồi chỉ có ý nghĩa thực tế đối với các nơtron nhanh, trong khi đó tán xạ đàn hồi có thể xảy ra với nơtrôn có năng lượng bất kỳ.
- Do vậy, đối với vấn đề làm chậm nơtrôn, quá trình tán xạ đàn hồi của nơtrôn có vai trò rất quan trọng.
- Phản ứng bắt nơtrôn (n,γ) Đó là phản ứng mà nơtrôn bị hấp thụ bởi hạt nhân tạo thành hạt nhân hợp phần, hạt nhân hợp phần này có số khối tăng lên một đơn vị và thường ở trạng thái kích thích, sau đó hạt nhân hợp phần chuyển về trạng thái cơ bản, phát ra bức xạ Gamma.
- Năng lượng kích thích của hạt nhân hợp phần bằng tổng năng lượng của nơtrôn và năng lượng liên kết của nơtrôn với hạt nhân đó.
- Sau khoảng thời gian kích thích rất ngắn, khoảng s, hạt nhân hợp phần sẽ giải kích thích, trở về trạng thái cơ bản và phát ra bức xạ gamma.
- Đây là loại phản ứng đặc trưng của nơtrôn nhiệt với vật chất, trong đó hạt nhân bắt nơtrôn và phát lượng tử gamma 4 kèm theo.
- Năng lượng bức xạ gamma phát ra có năng lượng từ cỡ vài trăm KeV tới vài MeV.
- Cùng với quá trình tán xạ, phản ứng bắt nơtrôn là một loại phản ứng quan trọng trong bài toán bảo vệ và che chắn bức xạ nơtrôn.
- Nơtrôn được làm chậm qua chất làm chậm do tán xạ với hạt nhân nguyên tử của chất làm chậm, ở năng lượng nơtron đã làm chậm khả năng xảy ra phản ứng bắt nơtron của một số hạt nhân nguyên tố rất lớn.
- Bằng việc kết hợp chất làm chậm và chất hấp thụ nơtrôn tốt có thể giải quyết được bài toán bảo vệ và che chắn nơtron.
- Phản ứng sinh các hạt mang điện Phản ứng sinh các hạt mang điện xảy ra với xác suất lớn khi nơtrôn nhanh (nơtrôn có năng lượng cao) tương tác với hạt nhân nhẹ, còn với nơtrôn chậm thì xác suất xảy ra phản ứng này rất nhỏ.
- Trong loại phản ứng này, nơtrôn tới tương tác với hạt nhân, hạt nhân hấp thụ nơtrôn và biến thành hạt nhân hợp phần, sau khoảng thời gian rất ngắn hạt nhân hợp phần phát ra hạt thứ cấp, hạt thứ cấp là những hạt mang điện.
- Phản ứng phá vỡ hạt nhân Trong quá trình này, nơtrôn tương tác với hạt nhân sinh ra thành hạt nhân hợp phần, sau thời gian ngắn hạt nhân hợp phần này bị phân chia thành một số mảnh, hay gọi là những mảnh vỡ hạt nhân.
- Phản ứng này chỉ xảy ra với xác suất đáng kể ở năng lượng nơtrôn lớn hơn 100 MeV.
- I.2 Phản ứng phân hạch hạt nhân [4] Phản ứng hạt nhân quan trọng nhất trong quá trình vật lý của lò phản ứng là phản ứng phân hạch hạt nhân.
- Dưới tác dụng của nơtrôn hạt nhân nguyên tố nặng bị phân chia chủ yếu thành 2 mảnh có khối lượng gần bằng nhau.
- Hai phản ứng hạt nhân chính diễn ra trong lò phản ứng chạy bằng nơtron chậm và U235 là: 5 0n1 + 92U235 → A + B + νn' (1.5) và: 0n1 + 92U235 → 92U236 + γ (1.6) trong đó A và B là hai hạt nhân nhẹ hơn U235 gọi là các mảnh phân hạch.
- Hạt nhân của đồng vị U238 chỉ bị vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh (có năng lượng lớn hơn 1 MeV).
- Khi hấp thụ nơtron chậm U238 sẽ biếnthành Pu239.
- Ngược lại, hạt nhân U235 sẽ bị vỡ khi hấp thụ cả nơtron chậm và nơtron nhanh.
- Tuy nhiên xác suất hấp thụ nơtron chậm của hạt nhân U235 lớn hơn nhiều so với xác suất hấp thụ nơtron nhanh.
- Quá trình thực nghiệm đã cho kết quả là các hạt nhân U235, Pu239 và U233 sẽ bị vỡ ra khi hấp thụ nơtron nhiệt (có năng lượng nhỏ từ eV), còn U238 và Th232 sẽ vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh (năng lượng lớn hơn 1 MeV).
- Ngoài các mảnh vở phân hạch, khi phân hạch hạt nhân còn có các lượng tử gamma tức thời, các hạt β do phân rã, các lượng tử gamma do phân rã, các nơtrinô và các nơtrôn.
- Đặc điểm của phản ứng phân hạch U235 là giải phóng ra năng lượng Ef = 200MeV trên một phân hạch.
- Một đặc điểm quan trọng của phản ứng phân hạch là các sản phẩm phân hạch có các nơtrôn.
- Các nơtrôn sinh ra do phân hạch đóng vai trò quan trọng trong phản ứng dây chuyền.
- Số lượng nơtrôn sinh ra phụ thuộc vào các hạt nhân khác nhau, và năng lượng của nơtrôn ban đầu.
- I.3 Phản ứng dây chuyền, trạng thái tới hạn của lò phản ứng Điều kiện tới hạn của phản ứng dây chuyền [ 4 ] Các nơtrôn phân hạch đóng vai trò quan trọng trong các phản ứng dây chuyền.
- Các nơtrôn phân hạch lại tham gia vào các phản ứng phân hạch thế hệ sau, như vậy số nơtrôn tăng rất nhanh theo các thế hệ nơtrôn.
- Đó là sự phát triển của phản ứng dây chuyền.
- 6 Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó.
- Năng lượng cần thiết, nhỏ nhất để làm hạt nhân phân chia được gọi là năng lượng kích hoạt.
- Năng lượng kích hoạt được sử dụng cho hai phần: một phần truyền cho các nuclon riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nội tại, một phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân, do đó gây ra biến dạng và làm hạt nhân vỡ ra.
- Hai phản ứng hạt nhân chính diễn ra trong lò phản ứng chạy bằng nơtrôn chậm và U235 là: 0n1 + 92U235 → A + B + νn' và: 0n1 + 92U235 → 92U236 + γ trong đó A và B là hai hạt nhân nhẹ hơn U235 gọi là các mảnh phân hạch.
- Để lò đạt được trạng thái tới hạn tức là trạng thái mà ở đó phản ứng dây chuyền tự duy trì phải có một sự cân bằng chính xác giữa số nơtron mất đi và số nơtron xuất hiện trong phân hạch.
- Hạt nhân của đồng vị U238 chỉ bị vỡ khi hấp thụ nơtrôn nhanh (có năng lợng lớn hơn 1 MeV).
- Khi hấp thụ nơtrôn chậm U238 sẽ biến thành Pu239.
- Trái lại, hạt nhân U235 sẽ bị vỡ khi hấp thụ cả nơtrôn chậm và nơtron nhanh.
- Tuy nhiên xác suất hấp thụ nơtrôn chậm của hạt nhân U235 lớn hơn nhiều so với xác suất hấp thụ nơtrôn nhanh.
- Quá trình thực nghiệm đã cho kết quả là các hạt nhân U235, Pu239 và U233 sẽ bị vỡ ra khi hấp thụ nơtrôn nhiệt (có năng lợng nhỏ từ 0,1→0,001 eV), còn U238 và Th232 sẽ vỡ khi hấp thụ nơtrôn nhanh (năng lượng lớn hơn 1 MeV).
- Khi hấp thụ một nơtrôn, hạt nhân ZXA biến thành hạt nhân ZXA+1 ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn mức cơ bản.
- Năng lượng kích thích bằng tổng động năng và năng lượng liên kết của nơtrôn trong hạt nhân mới.
- Nếu năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt thì quá trình phân hạch sẽ xảy ra.
- Nếu ngược lại thì hạt nhân sẽ chỉ chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra bức xạ γ.

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt