Đánh giá khả năng bắt giữ Iodine của bể nước trong điều kiện sự cố nặng

Sunday, 15/05/2022, 00:00

       Các nghiên cứu đánh giá tác động của các sản phẩm phân hạch phát ra từ nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) khi xảy ra sự cố trở nên rất được quan tâm sau vụ tai nạn TMI (Three Mile Island). Các chất phóng xạ có thể được phát tán ra môi trường thông qua sự rò rỉ của nhà lò phản ứng do có sự hỏng hóc hoặc bỏ qua sự ngăn chặn trong nhà lò phản ứng. Trong môi trường nhà lò phản ứng, chúng trải qua các quá trình vật lý và hóa hóa chi phối hành vi và nồng độ của chúng, điều này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nồng độ phóng xạ phát thải ra ngoài môi trường. Chính vì vậy, chương trình IRIS (Iodine Retention In Solution) đã được chúng tôi xây dựng và phát triển dựa trên chương trình tính toán SPARC và BUSCA hiện có, nhằm cải thiện và giảm thiểu sự bất định về các hiện tượng cụ thể liên quan đến hóa lý của iốt phóng xạ đối với một tai nạn nghiêm trọng trong NMĐHN.

       Ảnh hưởng của độ pH trong dung dịch đối với các quá trình biến đổi của iốt dễ bay hơi được đánh giá trong phạm vi bài báo. Kết quả tính toán cho thấy, với dung dịch có tính kiềm cao thì khả năng bắt giữ iốt trong dung dịch tăng từ 10 đến 100 lần trong môi trường không chiếu xạ và khả năng bắt giữ giảm khoảng từ 10 lần trước và sau khi bị tác động của bức xạ gamma. Để đạt được hiệu quả tốt nhất cho việc bắt giữ nguồn phóng xạ iốt trong dung dịch, thì việc duy trì dung dịch có độ kiền cao trong điều kiện tai nạn nghiêm trọng là yếu tố quyết định kiên quyết. Tuy nhiên, độ pH lại phụ thuộc rất nhiều vào sự hình thành các chất axit trong dung dịch bởi sự tương tác giữa các cấu trúc vật liệu được giải phóng từ nhiên liệu cũng như trên bề mặt của thành lò phản ứng.

SỐ HẠNG NGUỒN I ỐT TRONG NHÀ LÒ

       Các nghiên cứu đánh giá tác động của các sản phẩm phân hạch phát ra từ nhà máy điện hạt nhân (NMĐHN) khi xảy ra sự cố trở nên rất được quan tâm sau vụ tai nạn TMI (Three Mile Island). Các sản phẩm phân hạch có thể được phát ra môi trường thông qua sự rò rỉ của nhà lò phản ứng do có sự hỏng hóc hoặc vượt qua sự ngăn chặn trong nhà lò phản ứng, thông qua ba giai đoạn: quá trình giải phóng sản phẩm phân hạch ra khỏi nhiên liệu bị đứt gãy, quá trình vận chuyển ở hệ thống làm mát lò phản ứng (RCS) và hành vi của chúng khi ra ngoài hệ thống làm mát và tồn tại trong nhà lò phản ứng (Hình 1) [1]. Hơn nữa, chúng trải qua các quá trình lý hóa nhằm chi phối hành vi và nồng độ của chúng trong không gian nhà lò, điều này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định nồng độ phát tán của chúng ra ngoài môi trường [2].

      Hình 2 cho thấy hành vi chung của các sản phẩm phân hạch trong nhà lò phản ứng do tai nạn nghiêm trọng trong nhà máy điện hạt nhân. Một lượng lớn các sản phẩm phân hạch được giải phóng từ RCS ở dạng hạt sol khí (aerosol) được giải phóng vào nhà lò, ngoại trừ khí hiếm, iốt và ruthenium có thể một phần vẫn ở dạng khí trong một số trường hợp nhất định.

       Các sản phẩm phân hạch có thể được thu giữ đáng kể trong nhà lò phản ứng theo nhiều cơ chế khác nhau, bao gồm các quá trình loại bỏ tự nhiên hoặc các đặc tính thiết kế an toàn của nhà máy. Cơ chế loại bỏ tự nhiên chính là sự lắng đọng, hấp thụ hơi trên bề mặt cấu trúc và sự lọc rửa bằng nước (scrubbing). Các tính năng an toàn chính được thiết kế để loại bỏ sản phẩm phân hạch bao gồm hệ thống phun nước trong nhà lò phản ứng hay các hệ thống lọc khí được lắp đặt bên trong và bên ngoài nhà lò phản ứng.

Hình 1. Quá trình từ số hạng nguồn phóng xạ đến môi trường bên ngoài

       Iốt phóng xạ là một trong những sản phẩm phân hạch nguy hiểm nhất được thải ra từ nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân trong một vụ tai nạn nghiêm trọng. Iốt giải phóng từ nhiên liệu tồn tại dưới nhiều dạng hóa học khác nhau như: phân tử I2 (Iodine) ở dạng dễ bay hơi, CsI (Cesium Iodide) ở trạng thái hạt sol khí hay iốt hữu cơ (CH3I) v.v... Nhưng theo tính toán động học trong các thí nghiệm ở điều kiện tai nạn nghiệm trọng, phần lớn chúng tồn tại dưới dạng các hạt sol khí, ổn định trong môi trường nhà lò phản ứng.

 

       Các hạt sol khí CsI có thể hòa tan, trong bể chứa nước của nhà lò phản ứng, buồng ngăn hoặc bộ phận lọc nước của hệ thống thông hơi cho nhà lò phản ứng (CFVS), dưới dạng Cs+ và I-. Tuy nhiên, các hợp chất iốt không bay hơi có thể phản ứng với các sản phẩn của nước phóng xạ như OH, H+, H2O2, HO2 để hình thành nên các iốt dễ bay hơi I2 trong nhà lò phản ứng.

Hình 2. Hành vi chung của sản phẩm phân hạch do tai nạn nghiêm trọng trong nhà lò phản ứng

       Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ giải phóng của iốt trong pha khí, một trong những yếu tố ảnh hưởng nhiều nhất đến trạng thái tồn tại của iốt ở pha khí hay pha nước, điều này được thể hiện qua độ lớn của hệ số phân tách IPC hay hệ số khử nhiễm DF, đó chính là nồng độ pH trong dung dịch. Do vậy mà trong bài báo này, chúng tôi sẽ tập trung khảo sát ảnh hưởng của nồng độ pH trong dung dịch iốt thông qua sử dụng chương trình IRIS đã được xây dựng cho mục đích này. Cấu trúc của chương trình gồm ba phần chính: các mô hình cho thủy động lực học trong bể lọc, mô hình trạng thái cân bằng của iốt và phân bố của iốt trong môi trường chiếu xạ.

LÝ THUYẾT VÀ MÔ HÌNH TÍNH TOÁN

       Một luồng khí bao gồm cả các chất phóng xạ thoát ra từ hệ thống RCS do sự chênh lệch áp suất đến nhà lò hay qua đường dẫn thông hơi đến hệ thống FCVS, một số hạt trong số chúng sẽ được giữ lại trong bể nước bởi quá trình lọc rửa. Quá trình này được xác định bởi hệ số khử nhiễm DF, là tỷ số giữa khối lượng ban đầu của chất phóng xạ với khối lượng cuối cùng sau khi nó đi qua bể nước là bể chứa nhiên liệu đã qua sử dụng, bể chứa trong hệ thống lọc rửa nhà lò phản ứng (FCVS), hay hệ thống sparging. Các trường hợp sau cần phải được xem xét trong hệ số IPC

Phản ứng iốt trong môi trường nước không chứa phóng xạ

Trường hợp iodine trong dung dịch ban đầu tồn tại dưới dạng iốt không bay hơi, I-, được chuyển thành I2 dưới điều kiện oxy hóa bởi sự có mặt của phần tử oxy trong không khí,

Các phần tử I2 tồn tại ở dạng không bền vững trong môi trường nước. Do vậy, chúng có xu hướng chuyển thành các dạng iốt khác ở trạng thái bền vững hơn trong dung dịch nước pha loãng thông qua các phản ứng sau:

       Nồng độ cân bằng của các thành phần iốt khác nhau trong dung dịch được xác định thông qua các hằng số cân bằng Keq tương ứng với các phản ứng (2 – 5), cùng với việc giả định rằng, tổng nồng độ của iốt trong nước là không đổi và sự cân bằng điện tích được thiết lập giữa các chất phản ứng và sản phẩm trong dung dịch. Khi đó, sự phân bố này sẽ được xác định theo hàm của nồng độ I2 và I-.

       Ngoài các thành phần nói trên, người ta cũng thấy rằng sự chuyển đổi của HOI sang dạng IO3-  thông qua phản ứng (6) trở nên quan trọng khi nồng độ pH trong dung dịch tăng,

Phản ứng iốt trong môi trường nước có phóng xạ

       Trong môi trường chiếu xạ, phản ứng oxy hóa các nguyên tố iốt với các sản phẩm của nước phóng xạ trở nên quan trọng, chính các phản ứng đó lại dẫn đến sự tái hình thành của các phân tử I2 dễ bay hơi trong dung dịch. Một số các phản ứng trên có thể kể ra là:

Tuy nhiên, việc xác định tốc độ của tất cả các phản ứng hóa học là khá phức tạp vì iốt có thể tồn tại ở nhiều trạng thái oxy hóa khác nhau từ -1 đến +7 như I-, I2, HIO, IO2-, IO3-, v.v.. và chúng lại là hàm của thời gian được xem xét. Do vậy, quá trình oxy hóa được đơn giản hóa dưới dạng phương trình sau:

Tốc độ bay hơi của I2 trong dung dịch được xác định bởi các hệ số k1 và k2 và các điều kiện ban đầu khác như liều chiết xạ, độ pH, thời gian chiếu xạ v.v…

       Một chương trình iốt với tên gọi là IRIS (Iodine Retention In Solution) được xây dựng nhằm đánh giá độ bất định về khả năng bắt giữ iốt dưới điều kiện khác nhau như nhiệt độ, vận tốc dịch chuyển của các bong bóng trong môi trường nước, pH, nồng độ iốt khác nhau trong dung dịch, đồng thời với nó thì mô hình đánh giá mối tương quan mới để ước tính nồng độ iốt trong dung dịch axit dưới điều kiện chiếu xạ cũng được thực hiện. Sơ đồ tính toán của chương trình IRIS được thể hiện tóm tắt như trong Hình 3 [3].

Hình 3. Sơ đồ tính hệ số khử nhiễm DF của iốt trong dung dịch (chương trình IRIS)

 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨUĐẠT ĐƯỢC

       Chương trình IRIS được sử dụng để xem xét sự phụ thuộc của nồng độ iốt dễ bay hơi I2 theo độ pH trong dung dịch. Hình 4 cho thấy nồng độ I2 giảm đáng kể khi độ pH trong dung dịch lớn hơn 6. Với nồng độ ban đầu I2 nhỏ (≤ 10-5 M) thì gần như toàn bộ I2 được bắt giữ trong dung dung ở pH = 10. Còn đối với trường hợp ban đầu, nồng độ I2 ≥ 10-4 M, thì khả năng bắt giữ của dung dịch có tính kiềm (pH = 10) vào khoảng 10 đến 100 lần.

       Nồng độ I2 trong dung dịch giảm, tương ứng với hệ số phân tách giữa pha khí và lỏng (IPC) trong dung dịch pH tăng và IPC ở trạng thái cân bằng tăng nhanh khi giá trị pH trong dung dịch lớn hơn 6 (Hình 5).

Hình 4.  Sự thay đổi của nồng độ I2 dễ bay hơi tương ứng với độ pH trong dung dịch

       Sự phân bố của hỗn hợp iốt hoàn tan trong dung dịch trải qua nhiều phản ứng hóa học khác nhau và trạng thái bền của nó phụ thuộc vào độ pH của dung dịch. Điển hình như nguyên tố HOI tăng nhanh ở dung dịch có pH ≥8 (Hình 6).

 Hình 5. Hệ số phân tách giữa pha khí và pha lỏng của iốt ở nhiệt độ phòng ở pH  khác nhau

       Sự tái bay hơi của iốt được bắt giữ trong dung dịch cũng được đánh giá theo thời gian chiếu xạ và độ pH. Các giá trị DF và nồng độ I2 được được so sánh trước và sau chiếu xạ tương ứng với độ pH khác nhau trong dung dịch (Hình 7). Kết quả cho thấy, giá trị DF giảm đi khoảng 10 lần so với trước chiếu xạ dưới suất liều tương ứng 1.25Gy/hr trong 3.0 giờ với dung dịch có nồng độ iốt là 10-4 M.

Hình 6. Sự phân bố của các nguyên tố iốt bởi quá trình hydo hóa ([I]o = 2.0 x 10-3M)

Hình 7. Giá trị DF trước và sau chiếu xạ với suất liều 1.25Gy/hr trong 3.0 giờ ở nồng độ iốt (10-4 M)

       Tương ứng với nó thì nồng độ bay hơi của iốt cũng tăng lên khoảng 10 sau chiếu xạ. Tuy nhiên, sự chênh lệch này là không đáng kể đối với dung dịch có độ pH cao (Hình 8).

Hình 8. Sảm phẩm I2 dưới ảnh hưởng của suất liều 1.25 Gy/s trong vòng 3.0 giời với các trường hợp: 1.E-3 và 1.0E-4 M CsI

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trong bài báo này, chương trình IRIS đã được xây dựng để đánh giá lượng iốt dễ bay hơi trong môi trường nước dưới điều kiện tai nạn nghiêm trọng. IRIS được xây dựng dựa trên việc lựa chọn các mô hình có sẵn trong SPARC và chương trình tính toán BUSA, đồng thời bổ sung thêm mối tương quan động học cho quá trình tái bay hơi của nguyên tử iốt. Cấu trúc của chương trình gồm ba phần: các mô hình thủy động lực học trong bể, mô hình cân bằng của iốt và phân bố của iốt trong môi trường chiếu xạ.

Ảnh hưởng độ pH đối với các quá trình bay hơi của iốt trong dung dịch được đánh giá ở đây. Kết quả tính toán cho thấy, độ pH càng cao thì lượng iốt được bắt giữ trong dung dịch càng cao, với hiệu suất từ 10 đến 100 lần trong môi trường không chiếu xạ. Tuy nhiên, khả năng bắt giữ của bể lọc giảm khoảng 10 lần dưới tác động của bức xạ gamma. Để đạt được hiệu quả tốt nhất cho việc bắt giữ iốt trong dung dịch, thì việc duy trì điều kiện kiềm trong dung dịch (pH > 8) là trở nên quan trọng. Sự hình thành các chất axit trong dung dịch bởi sự tương tác giữa các cấu trúc vật liệu được giải phóng từ nhiên liệu cũng như trên bề mặt của thành lò phản ứng. Ngoài ra, hệ thống màng lọc cũng cần phải được lắp đặt phù hợp đối với từng kích thước hay nồng độ của chúng, đó có thể là công việc tiếp theo của nghiên cứu này.

Nguyễn T.Thanh Thủy(1), Ha Kwang Soon(2)

(1)   Viện KH&KTHN, Việt Nam

(2)   Viện KAERI, Hàn Quốc

Theo Tạp chí Thông tin Khoa học và Công nghệ hạt nhân,

số 68 xuất bản ngày 14.10. 2021

 Tài liệu tham khảo

[1] B.R. Sehgal, et. al. “Sarnet lecture notes in nuclear reactor severe accidentphenomenology”, Sep. 2008.

[2] L. Soffer, et. al., “Accident Source Teens for Light Water Nuclear Power Plans”, USNRC, NUREG-1465, 1995.

[3] Thi Thanh Thuy Nguyen, Kwang Soon Ha, Jin Ho Song & Sung Il Kim, “An Estimation of Volatile Iodine in a Pool at Low pH and High Iodide Concentrations Under Irradiation”, Nuclear Science and Engineering, Feb 2019.

Lượt xem: 98