Các lò phản ứng hạt nhân hiện tại vẫn là một nguồn năng lượng không thể thiếu trên thế giới. Hiện nay trên thế giới có 31 quốc gia đang sử dụng điện hạt nhân với hơn 450 lò phản ứng đang vận hành, chủ yếu là các lò phản ứng nước nhẹ (Light Water Reactor - LWR). Trung bình mỗi năm, khoảng 20-25 tấn nhiên liệu đã qua sử dụng sẽ được đưa ra khỏi một lò phản ứng nước nhẹ với công suất 1000 MW điện. Nhiên liệu đã qua sử dụng của lò phản ứng hạt nhân chứa nhiều đồng vị có độ phóng xạ cao và chu kì bán rã lớn, do đó việc xử lý và lưu giữ nhiên liệu đã qua sử dụng vẫn là một thử thách đối với nền công nghiệp hạt nhân. Nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng chứa khoảng 93-94% khối lượng là oxit Uran, 1% Plutoni và khoảng 4-5% khối lượng là các sản phẩm phân hạch. Ngoài ra trong nhiên liệu đã qua sử dụng của lò phản ứng hạt nhân chứa khoảng 0.1-0.2% là các đồng vị Actini hiếm (Minor Actinide “MA”), trong đó chủ yếu là các đồng vị 237Np, 241Am, 243Am, 244Cm và 245Cm. Tuy các đồng vị MA chỉ chiếm một lượng nhỏ trong nhiên liệu đã qua sử dụng, nhưng đây lại là các đồng vị tác động chủ yếu lên độ độc phóng xạ và nhiệt phân rã trong quá trình lưu giữ nhiên liệu đã qua sử dụng. Do đó việc nghiên cứu tiêu hủy các đồng vị này nhằm những tác động có hại của chúng lên kho chứa nhiên liệu và môi trường là cần thiết.

Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, các lò phản ứng là đối tượng tốt nhất để để chuyển hóa các đồng vị MA thành những đồng vị có thời gian sống ngắn hơn. Trong đó, các lò phản ứng dưới tới hạn (Accelerator Driven System “ADS”) và các lò phản ứng nhanh là những đối tượng phù hợp nhất để chuyển hóa MA do chúng có thông lượng cao. Tuy nhiên, những đối tượng lò phản ứng kể trên cần thời gian để kiểm chứng và đưa vào hoạt động trên quy mô thương mại. Do đó, cần phải có một bước chuyển tiếp trung gian trong giai đoạn hiện tại để chờ đợi những công nghệ tiên tiến trong tương lai có thể giải quyết vấn đề chuyển hóa MA. Các lò phản ứng nhiệt tuy có hiệu suất chuyển hóa MA thấp hơn so với lò phản ứng nhanh và ADS, nhưng với số lượng gần như tuyệt đối đang vận hành trên thế giới hiện nay, các lò phản ứng nhiệt có thể được coi là một ứng viên để chuyển hóa các đồng vị MA.

Lò phản ứng VVER của Liên Bang Nga với nhiều ưu điểm về tính an toàn, độ tin cậy đang được sử dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia trên thế giới. Lò phản ứng VVER-1200 là phiên bản mới nhất của dòng lò phản ứng VVER. Với công suất lớn, loại lò phản ứng này cũng có thể được xem như một đối tượng có tiềm năng để chuyển hóa các đồng vị Actini hiếm.

Do các tính chất hấp thụ notron tại dải năng lượng nhiệt và có khả năng hấp thụ notron để tạo thành các đồng vị nguyên liệu hạt nhân (fertile), các đồng vị Actini hiếm vừa có thể được xem xét sử dụ ng như “pin” nhiên liệu trong các lò phản ứng, vừa có thể thay thế một phần cho chất hấp thụ cháy được trong các bó nhiên liệu để làm đều phân bố độ phản ứng tại thời điểm ban đầu của lò phản ứng. Việc đánh giá các ảnh hưởng của nhiên liệu có chứa Actini hiếm đến các đặc trưng vật lý và an toàn của lò phản ứng VVER-1200 là cần thiết.

Xuất phát từ thực tiễn đó, Cơ quan chủ trì Viện Khoa học và Kỹ thuật hạt nhân cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài Cử nhân Trần Vĩnh Thành thực hiện đề tài “Tính toán ảnh hưởng của nhiên liệu có chứa Actini hiếm đến tính toán vật lý và an toàn lò phản ứng năng lượng VVER (V491)” với mục tiêu: Tính toán quá trình cháy nhiên liệu trong lò phản ứng VVER-1200, đưa ra báo cáo xác định tổng lượng các đồng vị Actini hiếm (Minor Actinides hoặc MAs) sinh ra và khả năng tiêu hủy các chất thải phóng xạ trong quá trình vận hành của lò phản ứng; Nghiên cứu nhiên liệu có chứa Actini hiếm, đưa ra báo cáo phân tích ảnh hưởng của nhiên liệu chứa Actini hiếm đến các đặc trưng vật lý và an toàn của lò phản ứng VVER-1200; Nâng cao năng lực tính toán vật lý và an toàn lò phản ứng năng lượng VVER (V491).

Hiện nay, năng lượng hạt nhân vẫn được coi là một nguồn năng lượng không thể thiếu trên thế giới. Tuy nhiên, cùng với lợi ích đó, sự phát xạ ra những đồng vị phóng xạ bao gồm cả những đồng vị có thời gian sống rất dài trong quá trình vận hành cũng như khi xảy ra sự cố là vấn đề cần được quan tâm giải quyết. Do vậy, một chu trình nhiên liệu hạt nhân kín (closed fuel cycle) được coi là giải pháp tốt nhất để giải quyết những vấn đề liên quan đến sự phát thải chất phóng xạ ra môi trường xung quanh.

Actini hiếm (Minor Actinide “MA”) gồm ba nguyên tố Neptun, Americi và Curi. Trung bình một năm, một nhà máy điện hạt nhân có công suất 1000 MW điện tạo ra khoảng 20-25 tấn nhiên liệu đã qua sử dụng, trong đó ~93-94% khối lượng nhiên liệu đã qua sử dụng là oxit của Uran, ~4-5% các sản phẩm phân hạch, ~1% Plutoni và ~0.1-0.2% là MA. Tuy lượng MA sinh ra chỉ ~20- 25kg/năm nhưng nó lại là thành phần chủ yếu gây ra nhiệt phân rã trong quá trình lưu giữ nhiên liệu, cùng với đó là sự tích lũy các đồng vị phóng xạ có thời gian sống rất lớn có tác hại đến môi trường.

Lò phản ứng nhanh và lò phản ứng dưới tới hạn (Accelerator-DrivenSystem “ADS”) được coi là những ứng viên tốt nhất để chuyển hóa MA do chúng có thông lượng cao. Tuy nhiên, các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc chuyển hóa các đồng vị MA cũng có thể được thực hiện trên lò nhiệt, dù cho việc này sẽ khó khăn hơn khi thực hiện trên lò nhanh hay ADS.

Một số lượng các nghiên cứu đã chỉ ra rằng MA có thể được chuyển hóa trên lò nhiệt [1-3]. Với số lượng lớn đang hoạt động trên thế giới, việc sử dụng các lò phản ứng nhiệt để chuyển hóa MA sẽ là một bước chuyển tiếp để xử lý nhiên liệu đã qua sử dụng trong khi chờ đợi công nghệ của lò nhanh và ADS được kiểm chứng và nhân rộng. Vì lẽ đó, việc nghiên cứu ảnh hưởng của nhiên liệu chứa MA tới các đặc tính vật lý của vùng hoạt lò phản ứng nhiệt cần phải được thực hiện.

Đề tài đã hoàn thành các mục tiêu và nội dung đề xuất. Các sản phẩm của đề tài đã được hoàn thành tốt, một số nội dung đã vượt số lượng và chất lượng đã đăng ký.

Đề tài đã hỗ trợ đào tạo cho 01 Thạc sỹ bảo vệ thành công khóa luận tốt nghiệp tại Viện Kỹ thuật Hạt nhân và Vật lý Môi trường - Đại học Bách khoa Hà Nội. Đề tài đã đăng ký 01 bài báo trong nước, 01 bài báo quốc tế và 01 báo cáo hội nghị. Trong thời gian thực hiện, nhóm tác giả đã công bố 1 bài báo trong nước trên Tạp chí Nuclear Science and Technology, 1 bài báo quốc tế hạng ISI trên Tạp chí Science and Technology of Nuclear Installations và 2 báo cáo tại các Hội nghị Khoa học và Công nghệ Hạt nhân lần thứ XII năm 2017 và Hội nghị Khoa học và Công nghệ Hạt nhân cho các nghiên cứu viên trẻ lần thứ V năm 2018.

Đối tượng tính toán của đề tài là lò phản ứng VVER-1200/V491 được Liên bang Nga dự kiến xây dựng tại Việt Nam, các đặc trưng vật lý và an toàn của vùng hoạt lò phản ứng VVER-1200/V491 trong các trường hợp chưa và có nạp tải Actini hiếm đều được trình bày trong báo cáo. Ngoài ra, đề tài còn thực hiện việc tính toán đối với lò phản ứng VVER-1200/V392M. Đây là phiên bản lò phản ứng đã được đưa vào vận hành trên thực tế tại Nhà máy điện Hạt nhân Novovoronezh-II, do vậy các đặc trưng vật lý và an toàn của vùng hoạt lò phản ứng VVER-1200/V392M có thể được sử dụng để tham khảo và đối chiếu với các kết quả tính toán trên đối tượng lò phản ứng VVER-1200/V491.

Các đồng vị MA được nạp tải vào vùng hoạt theo bốn cách:

(a) MA được nạp tải vào vành xung quanh của tất cả các thanh nhiên liệu tại biên của mỗi bó nhiên liệu VVER-1200,

(b) MA chỉ được nạp tải vào vành xung quanh của 6 thanh nhiên liệu tại mỗi góc của mỗi bó nhiên liệu VVER-1200,

(c) Đối với lò phản ứng VVER-1200/V392M, vùng hoạt tại chu trình đầu tiên có ba loại bó nhiên liệu có sử dụng các thanh UGD, trong nghiên cứu này, MA được nạp tải thay thế cho một phần UO2-Gd2O3 trong thanh UGD tại ba loại bó nhiên liệu và

(d) Kết hợp các cách nạp tải từ (b) và (c).

Các kết quả chính của đề tài đã chỉ ra rằng, việc sử dụng lò phản ứng VVER-1200 để tiêu hủy các đồng vị Actini hiếm (MA) là có thể thực hiện được. Khi nạp tải các đồng vị MA vào trong các lò phản ứng, do MA hấp thụ notron nên thời gian vận hành của vùng hoạt lò phản ứng có chứa MA sẽ ngắn hơn trong trường hợp khi chưa nạp tải MA ~50 ngày. Tuy vậy, từ các kết quả từ bài báo quốc tế mà nhóm đã thực hiện, có thể dự đoán được rằng việc sử dụng phương pháp giảm hàm lượng Boron khi vận hành hoàn toàn có thể khắc phục nhược điểm về thời gian vận hành như đã kể trên.

Các tính toán về an toàn trong vùng hoạt chỉ ra rằng, việc nạp tải MA trong các thanh nhiên liệu ở góc của mỗi bó nhiên liệu sẽ không làm thay đổi vị trí cũng như hệ số công suất so với trường hợp khi chưa nạp tải MA; thậm chí, tại MOC và EOC, phân bố công suất trong các trường hợp nạp tải MA còn đều 26 hơn so với trường hợp khi chưa nạp tải MA. Đối với các hệ số phản hồi độ phản ứng theo nhiệt độ nhiên liệu cũng như chất làm chậm, các kết quả cũng chỉ ra rằng việc nạp tải MA không làm thay đổi các hệ số này trong các lò phản ứng VVER-1200. Các tính toán về tỉ suất notron trễ hiệu dụng cho thấy, trong các trường hợp nạp tải MA, tỉ suất notron trễ hiệu dụng cũng như thời gian sống trung bình của notron trễ gần như không thay đổi khi so sánh với trường hợp chưa nạp tải MA.

Các tính toán về hiệu suất tiêu hủy các đồng vị MA chỉ ra rằng, với việc nạp tải MA vào trong các thanh nhiên liệu ở 6 góc của mỗi bó nhiên liệu cùng hàm lượng 10%, sau thời gian vận hành 306 ngày, các lò phản ứng VVER-1200 có thể tiêu hủy lượng MA ~ 26 kg. Tuy nhiên, việc nạp tải MA cũng làm sinh ra thêm Plutoni trong lò phản ứng. Lượng 239Pu sinh ra sau thời gian 306 ngày ~ 8kg. Như vậy, để giảm nguy cơ tái sử dụng Plutonium làm vũ khí hạt nhân, việc nghiên cứu nhiên liệu MOX nhằm tiêu hủy Plutonium cũng cần thiết cần được đặt cùng bài toán tiêu hủy MA và sẽ nằm trong kế hoạch nghiên cứu trong tương lai của nhóm thực hiện đề tài này.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17514/2019) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)