Thạc Sĩ Tính toán khảo sát một số thông số vật lý Neutron của loại lò phản ứng nguồn Neutron nhỏ MNSR

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
Chuyên ngành: Vật lý nguyên tử, hạt nhân và năng lượng cao
LUẬN VĂN THẠC SĨ VẬT LÝ
NĂM 2011

MỤC LỤC
Đề mục

MỤC LỤC 1
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT 4
DANH MỤC CÁC BẢNG 6
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 7

MỞ ĐẦU . 9

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 12

1.1. Phản ứng phân hạch hạt nhân .12
1.1.1. Cơ chế của phản ứng phân hạch hạt nhân .12
1.1.2. Các hạt nhân phân hạch .13
1.1.3. Các sản phẩm phân hạch 14
1.1.4. Các neutron của phản ứng phân hạch 15
1.2. Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng hạt nhân .19
1.3. Cấu tạo của lò phản ứng hạt nhân 20

CHƯƠNG 2. LÝ THUYẾT LÒ PHẢN ỨNG .23

2.1. Các định nghĩa và ký hiệu 23
2.1.1. Mật độ và thông lượng neutron .23
2.1.2. Dòng neutron .24
2.1.3. Các nguồn độc lập .24
2.1.4. Các tiết diện và xác suất chuyển 24
2.1.5. Tốc độ tương tác 26
2.2. Phương trình vận chuyển neutron 26
2.2.1. Phương trình vi tích phân 26
2.2.2. Phương trình tích phân 28
2.2.3. Điều kiện trên bề mặt phân cách và điều kiện biên .29
2.2.3.1. Điều kiện trên bề mặt phân cách .29
2.2.3.2. Điều kiện biên .30
2.3. Phương trình khuếch tán neutron .31

2.3.1. Phương trình khuếch tán neutron một nhóm năng lượng 31
2.3.2. Hệ phương trình khuếch tán neutron nhiều nhóm năng lượng 33
2.3.3. Điều kiện trên bề mặt phân cách và điều kiện biên .35
2.3.3.1. Điều kiện trên bề mặt phân cách .35
2.3.3.2. Điều kiện biên .35
2.4. Làm chậm neutron 36
2.4.1. Cơ chế làm chậm neutron 36
2.4.2. Phổ năng lượng của neutron làm chậm .39
2.4.2.1. Chất làm chậm không hấp thụ neutron .39
2.4.2.2. Chất làm chậm có hấp thụ neutron .40

CHƯƠNG 3. CÁC CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN .42

3.1. Chương trình WIMS .42
3.1.1. Tổng quan 42
3.1.2. Cơ sở lý thuyết .43
3.1.2.1. Phương pháp tọa độ gián đoạn 43
3.1.2.2. Phương pháp xác suất va chạm .43
3.1.3. Cấu trúc chương trình 45
3.1.4. Mô tả số liệu đầu vào .47
3.2. Chương trình CITATION .48
3.2.1. Tổng quan 48
3.2.2. Cơ sở lý thuyết .49
3.2.3. Mô tả số liệu đầu vào .52

CHƯƠNG 4. MÔ TẢ LÒ PHẢN ỨNG NGUỒN NEUTRON NHỎ MNSR VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CHO CÁC CHƯƠNG TRÌNH TÍNH TOÁN .56
4.1. Mô tả lò phản ứng nguồn neutron nhỏ MNSR .56
4.1.1. Mô tả chung về lò MNSR 56
4.1.2. Mô tả vùng hoạt lò MNSR .58
4.1.3. Mô tả vành phản xạ 59
4.2. Xây dựng mô hình tính toán cho chương trình WIMS 60

4.2.1. Mô hình tính toán của ô mạng nhiên liệu 60
4.2.2. Mô hình tính toán của ô mạng thanh điều khiển .61
4.2.3. Mô hình tính toán của ô mạng nước nhẹ .62
4.2.4. Mô hình tính toán của ô mạng beryllium 64
4.3. Xây dựng mô hình tính toán cho chương trình CITATION 65

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ BIỆN LUẬN .67

5.1. Kết quả tính toán của bài toán ô mạng dùng WIMS 67
5.2. Kết quả tính toán của bài toán toàn lò dùng CITATION .69
5.2.1. Hệ số nhân hiệu dụng và độ phản ứng .69
5.2.2. Độ hiệu dụng và đặc trưng tích phân của thanh điều khiển 71
5.2.3. Phân bố thông lượng neutron .73
5.2.4. Ảnh hưởng của vị trí thanh điều khiển lên phân bố thông lượng neutron nhiệt .80
5.2.5. Độ hiệu dụng của beryllium tại đỉnh vùng hoạt 82
5.2.6. Hệ số nhiệt độ độ phản ứng của chất làm chậm 85
5.2.7. Hệ số bất đồng đều công suất 86

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 88
DANH MỤC CÔNG TRÌNH .91
TÀI LIỆU THAM KHẢO 92
PHỤ LỤC .95




DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng Trang

Bảng 1.1. Năng lượng ngưỡng và năng lượng liên kết của một số hạt nhân .13
Bảng 1.2. Các hằng số ν0 và a .16
Bảng 1.3. Các đặc trưng của neutron trễ đối với một số hạt nhân khác nhau 18
Bảng 2.1. Các thông số đối với một số chất làm chậm 38
Bảng 4.1. Cách bố trí các vị trí đặt nhiên liệu trong vùng hoạt lò MNSR .58
Bảng 4.2. Tóm tắt một số thông số cơ bản của lò MNSR 59
Bảng 4.3. Mật độ và nồng độ các thành phần của ô mạng nhiên liệu 61
Bảng 4.4. Mật độ và nồng độ các thành phần của ô mạng thanh điều khiển .62
Bảng 4.5. Mật độ và nồng độ các thành phần của ô mạng nước nhẹ .63
Bảng 4.6. Mật độ và nồng độ các thành phần của ô mạng beryllium 65
Bảng 5.1. Hằng số nhóm của các loại vật liệu 68
Bảng 5.2. Tiết diện tán xạ của các loại vật liệu 69
Bảng 5.3. Sự phụ thuộc của hệ số nhân hiệu dụng và độ phản ứng vào chiều dài phần thanh điều khiển được đưa vào vùng hoạt .72
Bảng 5.4. Sự phụ thuộc của độ hiệu dụng vào chiều dài phần thanh điều khiển được đưa vào vùng hoạt 73
Bảng 5.5. Sự phụ thuộc của hệ số nhân hiệu dụng và độ phản ứng vào bề dày beryllium ở đỉnh vùng hoạt 82
Bảng 5.6. Sự phụ thuộc của độ hiệu dụng beryllium vào bề dày .83
Bảng 5.7. Sự phụ thuộc của hệ số nhân hiệu dụng và độ phản ứng vào nhiệt độ chất làm chậm 86



DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1. Cơ chế của phản ứng phân hạch hạt nhân 12
Hình 1.2. Suất ra của các mảnh vỡ phân hạch đối với 235U .14
Hình 1.3. Phổ neutron tức thời đối với phân hạch của 235U .17
Hình 1.4. Cơ chế sinh neutron trễ khi phân rã 87Br 18
Hình 4.1. Mặt cắt đứng của lò MNSR 57
Hình 4.2. Mặt cắt ngang của lò MNSR 57
Hình 4.3. Mặt cắt ngang của vùng hoạt lò MNSR .58
Hình 4.4. Ô mạng nhiên liệu 61
Hình 4.5. Ô mạng thanh điều khiển 62
Hình 4.6. Ô mạng nước nhẹ .63
Hình 4.7. Ô mạng beryllium .64
Hình 4.8. Mô hình toàn lò của chương trình CITATION 66
Hình 5.1. Đặc trưng tích phân của thanh điều khiển 72
Hình 5.2. Phân bố thông lượng neutron theo bán kính tại tọa độ Z = 34,85 cm 74
Hình 5.3. Phân bố thông lượng neutron theo bán kính tại tọa độ Z = 34,588 cm theo tính toán của K. Khattab và các cộng sự .75
Hình 5.4. Phân bố thông lượng neutron theo bán kính tại tọa độ Z = 54,2 cm 76
Hình 5.5. Phân bố thông lượng neutron theo bán kính tại tọa độ Z = 49,65 cm theo tính toán của K. Khattab và các cộng sự 76
Hình 5.6. Phân bố thông lượng neutron theo chiều cao tại tọa độ R = 6,76 cm 77
Hình 5.7. Phân bố thông lượng neutron theo chiều cao tại tọa độ R = 6,849 cm theo tính toán của K. Khattab và các cộng sự .77
Hình 5.8. Phân bố thông lượng neutron theo chiều cao tại tọa độ R = 16,363 cm 79
Hình 5.9. Phân bố thông lượng neutron theo chiều cao tại tọa độ R = 16,593 cm theo tính toán của K. Khattab và các cộng sự .79

Hình 5.10. Phân bố thông lượng neutron nhiệt theo bán kính tại tọa độ Z = 34,85 cm theo các vị trí khác nhau của thanh điều khiển 80
Hình 5.11. Phân bố thông lượng neutron nhiệt theo chiều cao tại tọa độ R = 1,832 cm theo các vị trí khác nhau của thanh điều khiển 81
Hình 5.12. Phân bố thông lượng neutron nhiệt theo chiều cao tại tọa độ R = 6,76 cm theo các vị trí khác nhau của thanh điều khiển 81
Hình 5.13. Sự phụ thuộc của độ hiệu dụng beryllium vào bề dày .84
Hình 5.14. Sự phụ thuộc của độ hiệu dụng beryllium vào bề dày theo tính toán của K. Khattab và I. Sulieman 84




MỞ ĐẦU

Kể từ khi được xây dựng lần đầu tiên vào năm 1942 tại Chicago, lò phản ứng hạt nhân đã trở thành một trong những đối tượng nghiên cứu quan trọng trong lãnh vực khoa học và công nghệ hạt nhân. Lò phản ứng hạt nhân ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như sản xuất điện năng, sản xuất đồng vị phóng xạ, phân tích kích hoạt, nghiên cứu vật liệu, đào tạo, Trong lĩnh vực điện hạt nhân, tính đến thời điểm 1/2010, trên thế giới có 437 lò phản ứng năng lượng đang hoạt động, cung cấp 371 GW điện năng và 12 lò phản ứng năng lượng đang bắt đầu được xây dựng như lò Fuqing – 2, Fangjiashan – 2 của Trung Quốc, Shin – Kori – 4 của Hàn Quốc, Novovoronezh 2 – 2 của Liên bang Nga, [13]. Ngoài các lò năng lượng, một số lò phản ứng nghiên cứu mới cũng được xây dựng để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng trong các lãnh vực nghiên cứu vật liệu, sản xuất đồng vị phóng xạ, đào tạo, như lò OPAL của Úc, lò FRM II của Đức, Ngoài các loại lò đã có, hiện nay người ta đang khảo sát và phát triển một số thiết kế lò như lò phản ứng làm nguội bằng khí nhiệt độ cao HTGCR, lò phản ứng dưới tới hạn, lò phản ứng sử dụng 233U làm nhiên liệu KAMINI, Ngoài ra, còn có một số thiết kế lò phản ứng mới đang được nghiên cứu lý thuyết như lò phản ứng nhanh tải nhiệt bằng khí, lò phản ứng nhanh tải nhiệt bằng chì, lò phản ứng muối nóng chảy, lò phản ứng nhiệt độ rất cao, [14], [23]. Trước khi đưa vào vận hành một lò phản ứng mới, hoặc nghiên cứu, phát triển một loại lò phản ứng mới, việc tính toán các thông số của lò phản ứng là một việc làm bắt buộc. Do đó, với sự phát triển của lò phản ứng hạt nhân tại nhiều quốc gia, cũng như sự phát triển của các thiết kế lò phản ứng mới, việc tính toán lò phản ứng vẫn đang là một hướng nghiên cứu quan trọng trong ngành hạt nhân.

Việt Nam sẽ vận hành nhà máy điện hạt nhân vào năm 2020 và có thể sẽ xây dựng thêm lò phản ứng nghiên cứu mới. Do đó, việc xây dựng và phát triển năng lực tính toán lò phản ứng là một việc làm cần thiết. Một thực tế khác là hiện nay chưa có một thông báo chính thức nào về công nghệ lò phản ứng năng lượng, cũng như loại lò phản ứng nghiên cứu mới mà Việt Nam sẽ xây dựng. Do đó, việc khảo sát các loại lò phản ứng khác nhau là một việc làm hữu ích. Chính vì vậy, mục đích nghiên cứu của luận văn là sử dụng các phương pháp và công cụ chuẩn để tính cho một loại lò phản ứng nghiên cứu chưa có ở Việt Nam.
Đối tượng được tính toán trong luận văn là loại lò phản ứng nguồn neutron nhỏ MNSR. Đây là loại lò nghiên cứu công suất thấp, được thiết kế và xây dựng bởi Trung Quốc, dựa trên thiết kế lò phản ứng SLOWPOKE của Canada. Tính toán lò phản ứng bao gồm ba bài toán: bài toán vật lý neutron, bài toán thủy nhiệt và bài toán phân tích an toàn lò phản ứng. Phạm vi nghiên cứu của đề tài là bài toán vật lý neutron. Phương pháp tất định được sử dụng để tính toán các thông số vật lý neutron với công cụ dùng để tính toán là hai chương trình WIMS [6] và CITATION [10]. Kết quả thu được sẽ được so sánh với kết quả tính toán và thực nghiệm của các tác giả khác trên thế giới.
Với mục đích trên, nội dung luận văn được trình bày trong năm chương:

- Chương 1 trình bày tổng quan về lò phản ứng hạt nhân.
- Chương 2 trình bày về ba vấn đề cơ bản của lý thuyết lò phản ứng, bao gồm: lý thuyết vận chuyển neutron, lý thuyết khuếch tán neutron và lý thuyết làm chậm neutron.
- Chương 3 giới thiệu về cơ sở lý thuyết và cách xây dựng số liệu đầu vào của các chương trình tính toán WIMS và CITATION.
- Chương 4 mô tả về lò phản ứng MNSR và cách xây dựng mô hình cho bài toán ô mạng và bài toán toàn lò. Trong bài toán ô mạng, bốn loại ô mạng của lò phản ứng MNSR đã được mô hình hóa, bao gồm ô mạng nhiên liệu, ô mạng thanh điều khiển, ô mạng nước nhẹ và ô mạng beryllium. Phương pháp được sử dụng trong bài toán ô mạng là phương pháp tọa độ gián đoạn với năng lượng neutron được chia làm bốn nhóm. Trong bài toán toàn lò, hình học hai chiều (R, Z), với điều kiện biên phản xạ theo chiều Z tại đường trung tâm và điều kiện biên ngoại suy tại các mặt biên khác, được sử dụng để tính toán các thông số vật lý neutron.


- Chương 5 trình bày về các kết quả đạt được. Các thông số vật lý neutron được tính toán bao gồm: hệ số nhân hiệu dụng và độ phản ứng trong một số trường hợp, độ hiệu dụng và đặc trưng tích phân của thanh điều khiển, phân bố thông lượng neutron theo bán kính và theo chiều cao tại một số vị trí trong lò, ảnh hưởng của vị trí thanh điều khiển lên phân bố thông lượng neutron nhiệt tại một số vị trí trong lò, hiệu dụng của vành phản xạ beryllium tại đỉnh của vùng hoạt, hệ số nhiệt độ độ phản ứng của chất làm chậm và hệ số bất đồng đều công suất.