Tìm hiểu về công nghệ lò phản ứng nghiên cứu

bổ sung graphite vào một số vùng của vành 
phản xạ cần được xem xét. Ngoài ra, với thời gian 
vận hành liên tục, dài ngày, vành phản xạ berili 
sẽ gây ra hiệu ứng nhiễm độc làm giảm độ phản 
ứng dự trữ và biến dạng trường nơtrôn, tính chất 
cơ học của berili cũng dễ dàng thay đổi theo quá 
trình vận hành lò. Việc bố trí các kênh ngang dẫn 
dòng nơtrôn khi dùng vành phản xạ berili là khá 
phức tạp và khó khăn, lại không đảm bảo được 
thông lượng yêu cầu cũng như ảnh hưởng giữa 
các kênh là rất đáng kể vì kích thước vành phản 
xạ không đủ rộng. 
3. Chất làm mát và làm chậm nơtron trong 
vùng hoạt
Nước nhẹ (H
2
O) và nước nặng (D
2
O) 
thường là sự lựa chọn chung nhất cho chất làm 
mát vòng sơ cấp của LPƯNC. Nước nặng (σ
a
= 0,0006 barn) có ưu điểm là ít hấp thụ nơtrôn 
nên sẽ tiết kiệm nơtrôn hơn nước nhẹ (σ
a
 = 0,333 
barn). Tuy nhiên, nước nặng cũng có nhược điểm 
là giá thành cao và cần trang bị một hệ thống làm 
nguội sơ cấp khá phức tạp để tránh sự giảm chất 
lượng của nước nặng và để ngăn chặn đồng vị 
phóng xạ triti (3H) sinh ra do phản ứng của nơtrôn 
với nước nặng sẽ giải phóng vào môi trường. Vì 
việc thao tác diễn ra thường xuyên trên vùng hoạt 
của LPƯ để thay đổi nhiên liệu và tiến hành các 
thí nghiệm chiếu xạ nên việc giữ sự tinh khiết 
của nước nặng trong hệ thống làm mát luôn là 
mối quan tâm lớn nhất. Với những vấn đề công 
nghệ và an toàn bức xạ nêu trên, hầu như tất cả 
các thiết kế cho LPƯNC loại bể mở (không có 
áp lực) hiện nay đều chọn nước nhẹ làm chất làm 
mát cho hệ thống tải nhiệt vòng sơ cấp. 
Nước nặng hoặc nước nhẹ có thể được 
dùng phổ biến như là chất làm chậm trong các 
LPƯNC. Nước nhẹ có khả năng làm chậm nơtrôn 
cao nhất (giá trị khả năng làm chậm ξΣ
s
 lớn, 1,35 
cm-1) nhưng ngược lại thì hấp thụ nơtron cũng 
nhiều (hệ số làm chậm ξΣ
s
/Σ
a
thấp, 71). Nước 
nặng sẽ tiết kiệm nơtrôn nhiều nhất vì ít hấp thụ 
nơtrôn nhất (σ
a
 = 0,0006 barn) nhưng khả năng 
làm chậm nơtrôn thấp hơn (ξΣ
s
 = 0,176 cm-1), với 
ξ là độ lợi lethargy, đặc trưng cho độ mất năng 
lượng logarit trung bình của nơtrôn do va chạm, 
Σ
s
 = Nσ
s
 và Σ
a
 =Nσ
a
 là tiết diện vĩ mô tán xạ và 
hấp thụ nơtrôn và N là mật độ các hạt nhân của 
chất làm chậm.
Các vùng hoạt được làm chậm bằng nước 
nhẹ có thể tích tương đối nhỏ trong khi vùng hoạt 
được làm chậm bằng nước nặng chiếm nhiều 
không gian hơn vì cần nhiều va chạm để nhiệt 
hóa nơtrôn. Thể tích nhỏ của vùng hoạt được làm 
chậm bằng nước nhẹ cho thông lượng nơtrôn cao 
hơn trên một đơn vị công suất, nhưng loại vùng 
hoạt này có thể trở thành nhược điểm nếu cần 
phải duy trì phản ứng trong một thể tích khá lớn 
để dành chỗ cho nhiều thiết bị thí nghiệm. Do 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
18 Số 50 - Tháng 3/2017
vậy, các thiết bị thí nghiệm trong vùng hoạt được 
làm mát bằng nước nhẹ thường được bố trí trong 
khu vực vành phản xạ bao quanh vùng hoạt. Hầu 
hết các LPƯNC đa chức năng hiện nay đều dùng 
chất làm chậm bằng nước nhẹ.
4. Nhiên liệu dùng cho lò phản ứng nghiên cứu
Trước những năm 1990, nhiên liệu dùng 
cho LPƯNC phổ biến là vật liệu urani được làm 
giàu cao (HEU – Highly Enriched Uranium) với 
nồng độ của U-235 từ 36% đến 93%. Nhiêu liệu 
HEU cho tính năng tốt hơn nếu xét về khía cạnh 
cung cấp thông lượng nơtron cao trên đơn vị thể 
tích. Tuy nhiên, nhằm ngăn chặn phổ biến vũ 
khí hạt nhân bằng cách giảm thiểu, tiến tới loại 
bỏ việc sử dụng urani có độ giàu cao trong các 
ứng dụng hạt nhân dân sự trên toàn thế giới, năm 
1978, Hoa Kỳ đã khởi xướng chương trình giảm 
độ giàu nhiên liệu cho LPƯNC và lò thử nghiệm 
với tên gọi là RERTR (Reduced Enrichment 
for Research and Test Reactors). Mục đích của 
chương trình này là để thay thế nhiên liệu HEU 
sang nhiên liệu có độ làm giàu thấp (LEU – Low 
Enriched Uranium), có độ giàu của U-235 nhỏ 
hơn 20% trong các LPƯNC và lò thử nghiệm đã 
xây dựng trên thế giới. 
Để chuyển sang sử dụng nhiên liệu LEU, 
loại nhiên liệu có urani mật độ cao khuếch tán 
vào nền nhôm hiện đang được sử dụng rộng rãi 
trong các LPƯNC, bao gồm U
3
Si
2
+Al (mật độ 4,8 
g/cm3), U
3
Si+Al (mật độ 3,15 g/cm3), U
3
O
8
+Al 
(mật độ 1,3 g/cm3), UZrH
x
-Er (mật độ 0,16 g/
cm3), và UO
2
+Al Er (mật độ 3,0 g/cm3). Vật liệu 
U
3
Si
2
+Al (mật độ 4,8 g/cm3) đang được xem là 
nhiên liệu chuẩn trong các LPƯNC thế hệ mới 
hiện nay. Tuy nhiên, một số chương trình nghiên 
cứu và phát triển ở các nước như Hoa Kỳ, Châu 
Âu, Liên bang Nga, Nhật bản và Hàn quốc đang 
quan tâm đến việc phát triển loại nhiên liệu LEU 
có mật độ urani đến 8 g/cm3 để đạt được thông 
lượng nơtrôn cao, tương tự như trong nhiên liệu 
HEU trước đây. Các loại nhiên liệu đang được 
khảo sát để cải tiến hoặc sẽ thay thế cho loại nhiên 
liệu cũ hiện nay có thể kể đến như: UAl
x
+Al (mật 
độ 2,3 g/cm3), UZrH
x
 (mật độ 3,7 g/cm3), U
3
O
8
+Al (mật độ 3,2 g/cm3), UO
2
+Al (mật độ 5,0 g/
cm3), U
3
Si
2
+Al (mật độ 6,0 g/cm3), UN+Al (mật 
độ 7,0 g/cm3) và Al+U- Các hợp kim của Mo 
(mật độ 8,0 g/cm3). 
Vỏ bọc cho thanh nhiên liệu phổ biến là 
vật liệu nhôm, ngoại trừ nhiên liệu của lò TRIGA 
dùng vỏ bọc hợp kim 800H hoặc thép không rỉ. 
Vì LPƯ cần được thiết kế sao cho đạt được mật 
độ công suất cao nên kỹ thuật khuếch tán các hạt 
nhiên liệu lên nền nhôm đang được sử dụng rộng 
rãi. Loại nhiên liệu khuếch tán này cùng với việc 
không có khe hở giữa lõi và vỏ bọc thanh nhiên 
liệu cho phép ngăn chặn rất tốt sự giải phóng 
sản phẩm phân hạch ra bên ngoài và cho các đặc 
trưng nhiệt rất tốt.
Ba dạng nhiên liệu được dùng phổ biến 
trong thiết kế các LPƯNC là dạng tấm phẳng 
(plate), dạng thanh hay ống nhỏ (rod, pin) và 
dạng ống (tube) được uốn từ tấm phẳng. Cấu trúc 
nhiên liệu loại tấm phẳng hoặc ống (tube) cho sự 
truyền nhiệt tốt hơn so với nhiên liệu loại thanh 
do có tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn. Với 
nhiên liệu loại thanh, việc sử dụng lớp vỏ bọc 
dày bằng nhôm và vận hành ở nhiệt độ thấp trong 
các LPƯNC, sự phồng rộp của thanh nhiên liệu 
đã được ngăn chặn bằng cách hạn chế sự gia tăng 
của các khí phân hạch ở độ cháy thích hợp. Tuy 
nhiên, để phát triển kỹ năng phục vụ cho chương 
trình điện hạt nhân thì việc huấn luyện trên các 
LPƯNC dùng nhiên liệu loại thanh có thể đem lại 
nhiều lợi ích hơn dùng nhiên liệu loại tấm. Lý do 
là nhiên liệu loại thanh gần giống bó nhiên liệu 
(BNL) dùng trong các nhà máy điện hạt nhân do 
đó các chương trình tính toán vật lý lò được xây 
dựng cho một loại BNL có thể được sử dụng với 
một vài sửa đổi để đánh giá tính chất của BNL 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
19Số 50 - Tháng 3/2017
loại khác trong nhà máy điện hạt nhân.
Hình 3a. Bó nhiên liệu loại MTR của lò 
phản ứng JRR-3M
Hình chiếu đứng của BNL (trên) và Mặt 
cắt ngang của BNL (dưới).
Bó nhiên liệu dạng tấm phẳng phổ biến 
hiện nay được gọi là nhiên liệu MTR (Material 
Testing Reactor), mang tên loại lò thử vật liệu 
nhưng dùng phù hợp cho các LPƯNC đa mục tiêu 
như lò JRR-3M công suất 20 MWt của Nhật Bản, 
lò OPAL công suất 20 MWt của Úc, lò CARR 
công suất 60 MWt của Trung Quốc, lò ETRR-2 
công suất 22 MWt của Hy lạp, v.v...; cũng như 
lò RA-10 công suất 30 MWt của Argentina và 
lò RMB công suất 30 MWt của Brazil đang xây 
dựng. 
Hình 3b. Bó nhiên liệu chuẩn và bó nhiên 
liệu đi kèm của lò phản ứng JRR-3M
Hình 3a là bó nhiên liệu dạng MTR của 
lò JRR-3M, sử dụng nhiên liệu U
3
Si
2
-Al có mật 
độ cao 4,8 g/cm3. Có hai loại BNL được sử dụng 
trong lò, gồm BNL chuẩn và BNL đi kèm thanh 
điều khiển (follower fuel). Mỗi BNL nhiên liệu 
chuẩn có tiết diện vuông 7,62 cm x 7,62 cm và 
có chiều cao toàn bộ 115 cm. BNL đi kèm thanh 
điều khiển có kích thước 6,4 cm x 6,4 cm x 88 
cm, nhỏ hơn so với BNL chuẩn (Hình 3b). Số 
tấm nhiên liệu có trong BNL chuẩn và BNL đi 
kèm thanh điều khiển tương ứng là 21 và 17 tấm. 
Trong từng tấm nhiên liệu, bề dày của phần lõi 
nhiên liệu là 0,51 mm và độ dày của vỏ bọc là 
0,38 mm. Do có 6 BNL đi kèm 6 thanh điều khiển 
hấp thụ nơtrôn nên khi lò vận hành, thanh điều 
khiển được đẩy lên phía trên vùng hoạt, 6 BNL đi 
kèm sẽ chiếm chỗ của phần thanh hấp thụ nơtrôn 
làm độ phản ứng dự trữ tăng, kéo dài chu trình 
vận hành lò. Mỗi tấm nhiên liệu được gắn thêm 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
20 Số 50 - Tháng 3/2017
dây cadmi có khả năng tự cháy khi lò vận hành để 
giảm độ phản ứng dự trữ ở đầu chu trình nạp tải.
Loại bó nhiên liệu được lắp ráp từ nhiều 
thanh nhiên liệu dạng ống tròn nhỏ (dạng pin) 
đang sản xuất cho lò HANARO công suất 30 
MWt của Hàn Quốc, một số LPƯNC của Liên 
bang Nga và Canada.
Bó nhiên liệu của lò HANARO được ghép 
từ nhiều ống nhỏ làm từ U
3
Si+Al mật độ 3,15 g/
cm3. Ống thanh nhiên liệu có đường kính 6,35 
mm, dài 700 mm và được bọc bằng vỏ nhôm dày 
0,76 mm. Trên vỏ bọc có 8 cánh tỏa nhiệt bằng 
nhôm để tăng tiết diện tỏa nhiệt của BNL. Có 2 
loại BNL, 36 ống và 18 ống nhiên liệu (Hình 4a). 
Cả hai loại BNL đều có cùng thiết kế, ngoại trừ 
các thanh nhiên liệu ở vòng ngoài BNL có độ dày 
5,5 mm để làm giảm hệ số bất đồng đều.
Hình 4a. Hai loại bó nhiên liệu dạng 
thanh của lò HANARO
Loại bó nhiên liệu được lắp ráp từ nhiều 
thanh nhiên liệu dạng ống tròn nhỏ (dạng pin) 
đang sản xuất cho lò HANARO công suất 30 
MWt của Hàn Quốc, một số LPƯNC của Liên 
bang Nga và Canada.
Bó nhiên liệu của lò HANARO được ghép 
từ nhiều ống nhỏ làm từ U
3
Si+Al mật độ 3,15 g/
cm3. Ống thanh nhiên liệu có đường kính 6,35 
mm, dài 700 mm và được bọc bằng vỏ nhôm dày 
0,76 mm. Trên vỏ bọc có 8 cánh tỏa nhiệt bằng 
nhôm để tăng tiết diện tỏa nhiệt của BNL. Có 2 
loại BNL, 36 ống và 18 ống nhiên liệu (Hình 4a). 
Cả hai loại BNL đều có cùng thiết kế, ngoại trừ 
các thanh nhiên liệu ở vòng ngoài BNL có độ dày 
5,5 mm để làm giảm hệ số bất đồng đều.
Tuy không phổ biến, nhưng Công ty 
TVEL của Liên bang Nga cũng sản xuất nhiên 
liệu dạng ống (pin), được sử dụng khá hạn chế 
trong một số LPƯNC dùng trong nội địa (Hình 
4b).
Hình 4b. Bó nhiên liệu dạng thanh (pin) 
do Liên bang Nga chế tạo
Nhiên liệu dạng tấm ép thành ống của 
Liên bang Nga sản xuất gồm 2 loại là VVR và 
IRT với các phương án cải tiến khác nhau như 
VVR-M2, VVR-M5, VVR-TS, VVR-KN, v.v... 
và IRT-2M, IRT-3M, IRT-4M, v.v... Bảng 1 là 
các thông số kỹ thuật và các Hình 5a và Hình 5b 
là hình dạng của các BNL phổ biến dùng cho các 
LPƯNC do Liên bang Nga thiết kế và xây dựng.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
21Số 50 - Tháng 3/2017
Bảng 1. Các thông số kỹ thuật của BNL 
loại VVR và IRT của Liên bang Nga.
Loại bó 
nhiên 
liệu 
(BNL) 
Số 
thanh 
trong 
BNL 
Khối 
lượng 
235U 
trong 
BNL (g) 
Độ giàu 
235U (%) 
Độ dài 
của phần 
nhiên 
liệu 
(mm) 
Độ dày 
thành 
của 
thanh 
NL 
(mm) 
Khối 
lượng 
(kg) 
Mật độ 
urani 
(g/cm3) 
Thành 
phần 
nhiên liệu 
VVR-
M2 
3 
50 19,75 600 
2,5 
(0,80/0,9
/0,80) 
2,5 UO2 +Al 
45 
36 
600 2,5 
(0,75/1,0
/0,75) 
0,9 
1,4 U-Al alloy 38 500 
VVR-
M5 
5 65 36 600 1,3 (0,35/0,6
/0,35) 
0,9 U-Al 
alloy 54 500 6 66 90 500 
VVR-
TS 
5 109 
36 600 
2,3 
(0,85/0,6
/0,85) 
3,9 U-Al 
alloy 3 83 2,9 
VVR-
KN 
8 245 
19,75 600 
1,6 
(0,45/0,7
/0,45) 
3,0 UO2 +Al 5 198 
IRT-2M 
4 230 
36 600 
2 
(0,65/0,7
/0,65) 
3,3 U-Al 
alloy 3 198 2,6 
IRT-3M 
8 352 
36 
600 
1,4 
(0,45/0,5
/0,45) 
3,7 
U-Al 
alloy 
6 309 3,3 
4 235 2,9 
8 300 
90 
6 264 
4 201 
IRT-4M 
8 300 
19,75 600 
1,6 
(0,45/0,7
/0,45) 
 3,0 UO2 +Al 
6 263,8 
.
Hình 5a-1. Bó nhiên liệu dạng ống cuốn 
loại VVR do Liên bang Nga chế tạo
 Từ trái sang: VVR-M2 (3 ống); VVR-M5 
(5 ống) và VVR-TS (5 ống).
Hình 5a-2. Bó nhiên liệu dạng ống cuốn 
loại VVR-KN (8 và 5 ống)
Hình 5b. Bó nhiên liệu dạng ống cuốn 
loại IRT do Liên bang Nga chế tạo
Nhiên liệu cho lò TRIGA được sản xuất 
theo công nghệ Delta phase Uranium-Zirconium 
Hydride U-ZrH1,6 với tỷ lệ H/Zr là 1,6 với độ 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
22 Số 50 - Tháng 3/2017
giàu thấp 19,7% U-235, gồm các loại có hàm 
lượng urani theo khối lượng là 8,5% wt, 12% wt, 
20% wt, 30% wt và 45% wt; đường kính phần 
nhiên liệu khoảng 3,6 cm và độ dài khoảng 38 
cm. Hai đầu nhiên liệu là 2 khối phản xạ berili 
với cùng đường kính 3,6 cm và độ dài khoảng 8,7 
cm mỗi khối (Hình 6). Vỏ bọc thanh nhiên liệu 
có thể chịu được nhiệt độ cao đến 1150 oC, được 
làm bằng thép không rỉ 304 hoặc hợp kim incoloy 
800, với bề dày khoảng 0,5 mm và chiều dài 56 
cm chưa kể phần đầu và phần đuôi của BNL. Như 
vậy, bó nhiên liệu hoàn chỉnh sẽ có đường kính 
ngoài là 3,73 cm, dài 72,06 cm và trọng lượng 
3,18 kg. Bó nhiên liệu của lò TRIGA có dạng 
thanh (rod) và chỉ do hãng General Atomics của 
Hoa Kỳ sản xuất và cung cấp.
Hình 6. Bó nhiên liệu của lò TRIGA của 
hãng General Atomics
Nhiên liệu TRIGA có những đặc trưng 
quan trọng, hoàn toàn khác với nhiên liệu của các 
hãng khác sản xuất, đó là:
- Hệ số nhiệt độ âm tức thời, tạo ra khả 
năng an toàn nội tại cao, cho phép lò hoạt động 
an toàn ở chế độ xung với công suất lên tới 2000 
MWt (2,2% ΔK/K). Thiết kế lò phản ứng cho 
phép quá trình chính của làm chậm nơtron xẩy 
ra ngay trong thanh nhiên liệu do có thành phần 
hydro trong đó. Khi nhiệt độ nhiên liệu tăng, dao 
động của H trong ma trận ZR-H tăng nên làm 
giảm khả năng làm chậm của nhiên liệu. Tương 
tác của neutron với nguyên tử hydro trong nhiên 
liệu U-ZrH với nhiệt độ cao có thể làm tăng năng 
lượng của nơtrôn chậm lên trên năng lượng nhiệt 
(0,025 eV), là vùng tiết diện vi mô phân hạch của 
nơtrôn với U-235 là cao nhất. Hiệu ứng này là tức 
thời và sẽ tăng lên khi nhiệt độ nhiên liệu tăng, 
kết quả là đưa vào độ phản ứng âm mà phải được 
bù trừ nó hoặc công suất lò phản ứng sẽ giảm.
- Sự giãn nở thể tích thấp với sự thay đổi 
nhiệt độ nhiên liệu. Kết quả là khả năng nứt, gãy 
vỏ bọc thấp gây bởi các ứng suất tác động lên vỏ 
bọc do thay đổi kích thước vì nhiệt của phần thịt 
nhiên liệu.
- Phản ứng hóa học tối thiểu với nước 
hoặc không khí. Kết quả là giải phóng tối thiểu 
các sản phẩm phân hạch ra ngoài trong trường 
hợp vỏ bọc thanh nhiên liệu bị nứt, gãy.
- Áp lực của khí hydro được hạn chế tối 
thiểu do việc tăng áp lực khi nhiệt độ tăng sẽ làm 
tăng ứng suất lên lớp vỏ nhiên liệu.
Để kiểm soát độ phản ứng dự trữ rất lớn 
trong nhiên liệu có mật độ urani cao, ngoài việc 
sử dụng thanh điều khiển, ở các BNL thường 
được gắn thêm chất nhiễm độc có thể cháy như 
cadmi, được sử dụng để tạo sự cân bằng độ phản 
ứng hợp lý trong suốt thời gian sống của vùng 
hoạt và để giảm sự chênh lệch độ phản ứng đến 
mức chấp nhận được. Việc dùng các BNL với mật 
độ uran khác nhau cũng là cách giảm bớt độ phản 
ứng dự trữ ở đầu chu trình vận hành.
Nguyễn Nhị Điền
Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam
________________
Đón xem số tới: Phần 2 - Các hệ công nghệ của 
lò phản ứng.