ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN
KHOA VẬT LÝ – VẬT LÝ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT HẠT NHÂN
-------- -------

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

XÁC ĐỊNH ĐỘ PHẢN ỨNG CỦA CÁC
THANH ĐIỀU KHIỂN
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT

SVTH: PHẠM MINH TUẤN ANH
CBHD: ThS. PHẠM QUANG HUY
CBPB: ThS. NGUYỄN DUY THÔNG

TP. Hồ Chí Minh, 2016


MỤC LỤC
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ i
DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................... ii
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................ iii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT..................................................................... iv
MỞ ĐẦU ....................................................................................................................1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT ...........3
1.1 Mô tả tổng quát ..................................................................................................3
1.2 Cấu trúc lò phản ứng ..........................................................................................4
1.2.1 Cấu trúc che chắn của lò phản ứng ..............................................................4

3.3.2 Các phần lệnh chủ yếu trong file input ......................................................30
3.4 Sử dụng chương trình MCNP cho tính toán tới hạn của lò phản ứng Đà Lạt .31
3.4.1 Mô hình tính toán MCNP ..........................................................................31
3.4.2 Tính toán tới hạn ........................................................................................34
3.4.3 Thực hiện mô phỏng ..................................................................................35
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN .........................................................37
4.1 Thanh điều khiển tự động ................................................................................37
4.1.1 Kết quả đo bằng phương pháp chu kỳ tiệm cận .........................................37
4.1.2 Kết quả mô phỏng sử dụng chương trình MCNP ......................................39
4.2 Thanh điều khiển bù trừ ...................................................................................41
4.2.1 Kết quả thực nghiệm đo bằng phương pháp bù trừ cho 4 thanh bù trừ .....41
4.2.2 Kết quả thực nghiệm đo bằng phương pháp dưới tới hạn thanh bù trừ 1 ..44
4.2.3 Kết quả thực nghiệm đo bằng phương pháp thả rơi thanh thanh bù trừ 1 .45
4.2.4 Kết quả mô phỏng MCNP cho thanh bù trừ 1 ...........................................46
4.2.5 So sánh kết quả thu được từ các phương pháp thực nghiệm và mô phỏng
cho thanh bù trừ 1 ...............................................................................................47
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................49
TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................51


LỜI CÁM ƠN
Trong quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp này, em đã nhận được rất nhiều
sự hỗ trợ từ các thầy cô, anh chị, bạn bè ở Bộ môn Vật lý hạt nhân- Kỹ thuật hạt nhân
cùng sự giúp đỡ tận tình của các chú, các thầy cô và anh chị ở Trung tâm đào tạo,
Trung tâm lò phản ứng, Viện nghiên cứu hạt nhân Đà Lạt. Em xin bày tỏ lòng biết ơn
sâu sắc đến:
Thầy Huỳnh Tôn Nghiêm, Thầy Nguyễn Minh Tuân, Thầy Lê Vĩnh Vinh đã
có những định hướng, giải đáp các thắc mắc và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất trong
quá trình tiến hành thực hiện khóa luận.
Thầy Nguyễn Kiên Cường, người giúp đỡ em tìm hiểu và thực hiện tính toán

Hình 4.4 Đồ thị số đếm theo thời gian từ detector-2 của kênh độc lập. ...................45
Hình 4.5 So sánh các kết quả thực nghiệm và tính toán đường đặc trưng tích phân
thanh bù trừ 1. ...........................................................................................................47

ii


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1 Các thông tin chung của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt ..............................3
Bảng 2.1 Các nhóm tiền tố neutron trễ với phân hạch neutron nhiệt trong 235U ......17
Bảng 2.2 Các tham số neutron trễ và neutron tức thời cho lò Đà Lạt ......................21
Bảng 3.1 Thành phần vật liệu lò Đà Lạt sử dụng trong tính toán MCNP ................33
Bảng 4.1 Bảng chu kỳ lò phản ứng ứng với vị trí rút thanh tự động ........................37
Bảng 4.2 Giá trị độ phản ứng tại các vị trí của thanh tự động ..................................37
Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng MCNP của thanh tự động ...........................................39
Bảng 4.4 Sự thay đổi vị trí thanh tự động ứng với từng đoạn rút lên của 4 thanh bù
trừ ..............................................................................................................................41
Bảng 4.5 Giá trị độ phản ứng tại các vị trí của 4 thanh bù trừ đo bằng phương pháp
bù trừ .........................................................................................................................42
Bảng 4.6 Giá trị độ phản ứng của thanh bù trừ 1 đo bằng phương pháp dưới tới hạn
...................................................................................................................................44
Bảng 4.7 Kết quả mô phỏng MCNP của thanh bù trừ 1 ...........................................46
Bảng 4.8 Kết quả đo độ phản ứng thanh bù trừ 1 đo bằng phương pháp thả rơi thanh
...................................................................................................................................45
Bảng 4.9 Bảng so sánh độ phản ứng tổng của thanh bù trừ 1 qua các phương pháp
thực nghiệm và mô phỏng .........................................................................................47

iii




LEU

Low Enriched Uranium

Nhiên liệu độ làm giàu thấp

LPỨ
MCNP

Lò phản ứng
Monte Carlo N-Particle

Chương trình mô phỏng MCNP

TĐ

Tự động

TĐK

Thanh điều khiển

iv


MỞ ĐẦU
Độ phản ứng của lò phản ứng (LPỨ) thay đổi trong suốt quá trình lò hoạt động
do các nguyên nhân khác nhau như: nhiệt độ thay đổi, nhiễm độc Xenon, cháy nhiên
liệu,… Việc xác định độ phản ứng dự trữ và độ phản ứng dừng lò là một trong những

-

Phương pháp dưới tới hạn.

-

Phương pháp bù trừ.

-

Phương pháp thả rơi thanh.

Khóa luận gồm 4 chương với những nội dung chính như sau:
 Chương 1: Giới thiệu tổng quát về lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.
 Chương 2: Cơ sở lý thuyết về các phương pháp hiệu chuẩn thanh điều khiển.
 Chương 3: Sử dụng chương trình mô phỏng MCNP để tính toán độ phản ứng
cho lò Đà Lạt.
 Chương 4: Kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Thảo luận về kết quả đạt được.

2


CHƯƠNG 1
GIỚI THIỆU VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐÀ LẠT
1.1 Mô tả tổng quát
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt được nâng cấp từ Lò TRIGA Mark II công suất
250 kW của Mỹ, là loại lò bể bơi có công suất danh định 500 kW được làm mát và
làm chậm neutron bằng nước nhẹ. Sau khi nâng cấp, lò đạt tới hạn lần đầu vào ngày
01/11/1983. Lò được đưa vào vận hành chính thức vào tháng 3/1984 với các mục
đích chính là sản xuất đồng vị phóng xạ, phân tích kích hoạt neutron, các nghiên cứu


Chất làm chậm

Nước nhẹ

Chất phản xạ

Graphite, beryllium và nước nhẹ

Chất làm mát

Nước nhẹ

Cơ chế làm mát vùng hoạt

Đối lưu tự nhiên

Cơ chế tải nhiệt

Hai hệ thống nước làm mát

Vật liệu che chắn

Bê tông, nước và nắp thép không gỉ

Các thanh điều khiển

2 an toàn, 4 bù trừ và 1 tự động

Vật liệu các thanh bù trừ và an toàn

g/cm3 ngoại trừ bê tông trong cửa cột nhiệt có mật độ 3,5 g/cm3. Các ống dẫn dòng
neutron, cột nhiệt và cột nhiệt hóa xuyên qua kết cấu che chắn theo chiều hướng tâm
vùng hoạt (hiện tại cột nhiệt hóa không còn sử dụng nữa). Gắn với kết cấu bê tông là
các ống có đường kính 12,7 mm dẫn từ cột nhiệt và mỗi ống dẫn dòng neutron qua
các van vào ống góp, ống góp này ở bên cạnh kết cấu che chắn. Một đường thoát khí
được nối với hệ thống này qua ống nối đường kính 7,6 cm trên ống góp. Hệ thống
này có khả năng lọc khí Argon-41 và một số khí phóng xạ khác từ cột nhiệt và các
ống dẫn dòng neutron. Một ống dẫn đường kính 12,7 mm được đặt trong kết cấu che
chắn dẫn từ các ống dẫn dòng neutron đến rãnh phía trên của giá đỡ. Những ống dẫn

4


này có các dây nối với hệ thống chỉ thị vị trí các nút chặn của các ống dẫn dòng
neutron [1].
Ngoài ra còn có một tấm thép nặng 3,6 tấn, dày 15 cm được dùng để che chắn
phóng xạ bổ sung phía trên thùng lò. Nắp đậy này có một số lỗ có nắp di chuyển được
để thực hiện các thao tác bên trong bể lò, trong đó có một lỗ được đậy bằng kính để
quan sát bên trong bể lò. Nắp đậy này có thể quay tròn bằng mô tơ điện hay bằng tay.
Bậc thang với tay vịn bằng kim loại được nối từ sàn nhà lò đến chiều cao 3,76
m tại phần trên cùng của bể chứa nhiên liệu đã cháy. Bậc thang và tay vịn cũng được
nối từ vị trí này đến phần trên mặt của kết cấu che chắn. Trên đỉnh kết cấu che chắn
của lò phản ứng tạo ra một bề mặt rộng hơn nhờ bệ đỡ bê tông cốt thép và có lan can
bảo vệ xung quanh. Phần bên ngoài của bệ đỡ này được thiết kế để chịu trọng tải
khoảng 734 kG/m2. Một phía của bệ đỡ này, nơi gần nắp đậy của lò, có 7 động cơ
điều khiển các thanh điều khiển. Các động cơ cũng như dây cáp nối với các thanh
điều khiển được che bằng một hộp thủy tinh hữu cơ trong suốt để tránh bụi và đụng
chạm gây sự cố. Phần bên kia, có một thùng thép không gỉ với dung tích 300 lít chứa
nước đã được khử khoáng để bổ sung nước cho bể lò [1].



7
7. Kªnh ngang

6. Kªnh tiÕp tuyÕn

5. Cét nhiÖt

8. BÓ chøa nhiªn liÖu

4. Kªnh xuyªn t©m

Hình 1.2 Mặt cắt ngang của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.

3. Thïng nh«m

2. Vµnh ph¶n x¹ Graphite

1. Vïng ho¹t

Bª t«ng
Ch×

Graphite

Hình 1.2 Mặt cắt ngang lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt.


1.2.2 Thùng lò phản ứng
Thùng lò phản ứng được làm bằng nhôm, xung quanh được bao bọc bằng bê


tự hàng được tăng theo từng đơn vị theo hướng từ Đông sang Tây và số thứ hai cũng
tăng theo thứ tự từng đơn vị theo hướng từ Bắc đến Nam. 114 trong số các ô này dùng
để lắp đặt các bó nhiên liệu, các khối beryllium hay các kênh chiếu xạ và 7 ô còn lại
để đặt các ống dẫn các thanh điều khiển [1].
Các khối beryllium có cùng kích thước và dạng hình học giống như các bó nhiên
liệu. Nhiều ô mạng ngoại vi của vùng hoạt khi không có các bó nhiên liệu được đặt
các khối beryllium tạo thành vành phản xạ neutron bổ sung. Bên cạnh đó, vòng
beryllium ngoài cùng (vành ngoài) có hình dạng răng cưa và được đặt giữa vùng hoạt
và vành phản xạ graphite tạo thêm một vành phản xạ cho lò. Vành phản xạ beryllium
này cũng như vùng hoạt được đặt trong một vỏ nhôm có hình trụ có vị trí thấp hơn
giá đỡ.
Bảy ô mạng trong vùng hoạt dùng để đặt các ống nhôm theo chiều thẳng đứng
với đường kính bên trong là 33 mm nhằm định vị các thanh điều khiển. Phần dưới
của các ống nhôm dẫn thanh điều khiển nằm dưới đáy của vùng hoạt bị bóp nhỏ lại
để tránh các thanh điều khiển có thể rơi ra ngoài vùng hoạt trong trường hợp dây cáp
treo bị đứt. Các ống nhôm này được cố định nhờ mâm xoi lỗ dưới đáy vùng hoạt và
được gắn vào giá đỡ gần trên đỉnh thùng lò. Tất cả các ống nhôm dẫn các thanh điều
khiển đều có nước bên trong và phần dưới có các lỗ khoan để nước thoát ra ngoài khi
thanh điều khiển di chuyển xuống phía dưới.
Có một số kênh chiếu xạ theo chiều thẳng đứng trong vùng hoạt lò phản ứng.
Bảy ô trung tâm trong vùng hoạt được đặt 6 khối beryllium xung quanh một hốc nước
để tạo thành bẫy neutron ở tâm; một số ô mạng ở ngoại vi vùng hoạt dùng làm các
kênh chiếu xạ khô và ướt. Hiện tại chỉ còn ô mạng 1-4 được dùng làm kênh ướt chiếu
mẫu, còn ô mạng 13-2 là kênh khô chuyển mẫu bằng khí nén với thời gian chiếu ngắn
đến 5 giây và ô mạng 7-1 là kênh khô chuyển mẫu bằng khí nén với thời gian chiếu
dài trên 45 giây [1].

9


11


1. Vùng hoạt

3. Chì che chắn

5. Các det của ASUZ-14R

2. Vành phản xạ graphite 4. Các det của AKNP-5A 6. Các det của AKNP-5A

Hình 1.4 Vị trí các khối detector trong lò.

12


Hình 1.5 Bố trí kênh đo độc lập trong lò phản ứng [1].

Neu. Counter

Pre-amp.

Amp.

MCA

PC

(He-3)


gian nhỏ hơn một giây, hơn nữa chỉ với một thanh an toàn đã đủ khả năng dập tắt
phản ứng dây chuyền, tức là ngừng hoạt động của lò.
Bốn thanh bù trừ dùng để bù trừ độ phản ứng dự trữ của lò phản ứng. Khi được
rút lên một phần nào đó, chúng cũng có thể bị rơi tự do vào vùng hoạt để đưa vào độ
phản ứng âm giống như các thanh an toàn. Giá trị độ phản ứng của chúng đảm bảo lò
phản ứng ngừng hoạt động ở trạng thái dưới tới hạn rất sâu. Tốc độ dịch chuyển cực
đại của các thanh an toàn và bù trừ là 3,4 mm/s [1].
Thanh điều chỉnh tự động dùng để điều chỉnh công suất lò phản ứng. Tốc độ
dịch chuyển cực đại của thanh là 20 mm/s [1].
1.3.3 Các động cơ thanh điều khiển
Mỗi động cơ của các thanh an toàn hay bù trừ bao gồm một mô-tơ điện một
chiều, một nam châm điện, một bộ giảm tốc, các công tắc báo vị trí, bộ chỉ thị phân
thế và một trống để cuốn dây cáp. Điện thế cung cấp cho động cơ và nam châm là
14


điện thế một chiều 48V. Khi được cấp điện, nam châm sẽ giữ khớp nối. Khi quay qua
khớp nối này, động cơ làm quay trống để đưa các thanh điều khiển vào trong hay ra
ngoài vùng hoạt. Từ trống này qua một loạt bánh răng cưa, trục chỉ thị chia thế cũng
quay tròn, và sau đó tín hiệu chỉ thị vị trí thanh điều khiển được thiết lập và được đưa
đến bàn điều khiển trong phòng điều khiển lò phản ứng. Có các công tắc chỉ thị vị trí
làm giới hạn dịch chuyển lên hay xuống của các thanh điều khiển khi các thanh điều
khiển đạt được các vị trí cao nhất hoặc thấp nhất. Khi có tín hiệu sự cố hay điện thế
bị ngắt, nam châm sẽ không hoạt động, tấm giữ khớp nối không được hút nữa và
thanh điều khiển, nếu đang được kéo lên, sẽ rơi tự do vào vùng hoạt (để tăng vận tốc
rơi, thời gian ban đầu vận hành có sử dụng lò xo). Khi thanh điều khiển đang rơi, nhờ
cáp treo làm cho trống cũng quay theo, việc quay này sẽ được truyền đến đai ốc tác
dụng đến việc gài lại khớp nối để thanh điều khiển sẽ dừng lại một cách từ từ [1].
Cơ cấu động cơ của thanh điều chỉnh tự động bao gồm một mô-tơ điện 110VAC-50Hz, một bộ đo tốc độ, bộ giảm tốc có trống quay, các công tắc báo vị trí, một
bộ chỉ thị vị trí thanh bằng chia thế, một trống quay nữa để cuốn cáp và kéo cả thanh

dn
dt

= sT − Σa Φ

(2.1)

Trong đó sT là mật độ nguồn neutron (neutron/cm3.s), Σa là tiết diện hấp thụ vĩ
mô (cm-1), Φ là thông lượng (neutron/cm2.s). Khi không có sự đóng góp của neutron
trễ, mật độ nguồn sẽ là:
sT = k ∞ Σa Φ

(2.2)

Từ phương trình (2.1) và (2.2) kết hợp với thay Φ = nv, trong đó n là mật độ
neutron (neutron/cm3) và v là vận tốc neutron (cm/s), ta có:
dn
dt

= (k ∞ − 1)Σa nv

(2.3)

16


Lời giải của phương trình (2.3):
n = n0e(k∞−1)Σavt

(2.4)

Bảng 2.1 Các nhóm tiền tố neutron trễ với phân hạch neutron nhiệt trong 235U [2].
Năng lượng

Chu kỳ bán rã

Tỷ số sinh

trung bình (keV)

(giây)

βi x10-4

1

250

55,72

2,1

2

570

22,72

14,1

3


Nhóm

β = 64,2

17


Phần đóng góp neutron trễ trên toàn bộ neutron phân hạch là xấp xỉ 0,64% đối
với lò dùng nhiên liệu 235U. Nếu ti là thời gian sống trung bình của tiền tố phát neutron
trễ và βi là tỷ số sinh của neutron trễ nhóm i, khi đó βiti là thời gian sống trung bình
và Σβiti là tổng thời gian sống trung bình của các neutron trễ. Do đó, tổng thời gian
sống trung bình của toàn bộ neutron trong lò là:
l ̅ = Σ βiti + l

(2.7)

Sử dụng các giá trị từ Bảng 2.1 thì Σβiti ≈ 0,1 giây lớn hơn nhiều với l = 10-4
giây nên có thể xem như thời gian sống trung bình của neutron trong lò lúc này gần
như được quyết định bởi neutron trễ, trong trường hợp k ∞ = 1,001 thay l ̅ = 0,1 giây
vào phương trình (2.6) ta tính được T ≈ 100 giây, tức trong 100 giây công suất lò
tăng lên e lần. Với mức chu kỳ này, lò phản ứng hoàn toàn có thể điều khiển được.
2.2.4 Phương trình độ phản ứng
Sự thay đổi mật độ thông lượng neutron [3] phụ thuộc vào tốc độ sinh ra của
các tiền tố phát neutron trễ. Tốc độ thay đổi của tiền tố Ci là:
dCi
dt

= Σa Φk ∞ βi − λi Ci



∂
∂t

l
k∞

(2.10)

n − ∑ λ i Ci

Từ định nghĩa độ phản ứng ρ =
bình Ʌ =

(2.9)

(2.11)
k∞ −1
k∞

cho lò vô hạn và thời gian một thế hệ trung

thay vào phương trình (2.10) và (2.11) ta có được:

Ci (t ) =

βi
Ʌ

n (t ) − λ i Ci