Thanh điều khiển trong hệ thống bảo vệ lò phản ứng

Thanh điều khiển (H.1) là một yếu tố cấu thành nên hệ thiết bị bảo vệ lò phản ứng (RPS) trong hệ thống an toàn hạt nhân của nhà máy điện hạt nhân. Dưới đây sẽ trình bày các đặc trưng chủ yếu về thanh điều khiển

1/ Vật liệu chế tạo

    Một thanh điều khiển là thanh kim loại được sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân để kiểm soát tốc độ phân hạch của uran và plutôni. Thanh điều khiển được chế tạo từ các nguyên tố hóa học có khả năng bấp thụ nhiều nơtron mà không có sự tự phân hạch. Các nguyên tố hóa học này với một tiết diện bắt giữ nơtron lớn một cách thích hợp gồm bạc, Indi, Cadmi. Các nguyên tố khác cũng có thể được sử dụng như Bo, Coban, Haphni, Dysposi, Gadolini, Samari, Erbi và Eeuropi hoặc là các hợp kim và hợp chất của chúng. 

     Hợp kim bạc-Indi-Cadmi (80% Ag, 15% In, và 5% Cd ) là vật liệu thông dụng được sử dụng trong lò nước áp lực (PWR). Ưu điểm có các vùng hấp thụ năng lượng khác nhau của hợp kim này tạo cho nó trở thành chất hấp thụ nơtron rất tốt. Ngoài ra hợp kim này cón có độ bền cơ học cao và dễ chế tạo. Một loại vật liệu khác là các hợp chất của Bo (như cacbua Bo) cũng thường được lựa chọn làm vật liệu của thanh điều khiển trong cả lò PWR và lò nước sôi (BWR). Với phổ hấp thụ nơtron rộng, Bo cũng rất thích hợp trong việc che chắn nơtron. Haphni có các đặc tính rất phù hợp với lò sử dụng nước để làm mát và điều tiết. Haphni có độ bền cơ học tốt, dễ chế tạo và chịu được sự ăn mòn trong môi trường nước nóng. Haphni có thể được pha trộn với một lượng nhỏ các nguyên tố khác như thiếc, Oxy, sắt, Crom, Niobi hay Molybden để chế tạo thanh điều khiển.

     Tuy nhiên, hiện nay hợp kim oxyt Titan với Dysposi đang được đánh giá là vật liệu thay thế hợp kim nói trên trong tương lai do có những ưu điểm sau: điểm nóng chảy cao hơn nhiều, không có khuynh hướng phản ứng với vật liệu vỏ, dễ sản xuất, không sinh ra chất thải phóng xạ và khí thải, không bị phồng dộp. Loại vật liệu này được phát triển ở Nga và được khuyến cáo sử dụng trong các lò VVER và RBMK.

     Sự lựa chọn vật liệu chế tạo thanh điều khiển phụ thuộc vào các yếu tố như năng lượng của nơtron trong lò phản ứng, có khả năng không bị phồng dộp (tăng thể tích dẫn đến giảm mật độ vật liệu) do phản ứng nơtron mạnh và các đặc tính khác như thời gian làm việc, độ bền cơ học cần thiết. Sự phồng dộp vật liệu trong phổ nơtron có thể gây ra sự biến dạng thanh điều khiển và dẫn đến sự chết yểu của thanh. Sự hấp thụ các đồng vị quá lớn cũng là yếu tố khác hạn chế thời gian làm việc của thanh điều khiển.

2/ Nguyên lý làm việc      

     Một thanh điều khiển có thể được dịch chuyển ra khỏi hoặc được chèn vào tâm vùng hoạt của một lò phản ứng để kiểm soát thông lượng nơtron – làm tăng hoặc giảm số lượng nơtron mà sau đó sẽ tách các nguyên tử uran ra. Điều này lần lượt tác động đến công suất nhiệt của lò phản ứng, hơi được sinh ra và tạo ra sự phát điện.    

     Các thanh điều khiển thường được dựng thẳng đứng bên trong vùng hoạt (H.2). Tùy thuộc vào loại lò nước áp lực (PWR) hay lò nước sôi (BWR) các thanh điều khiển có thể được chèn vào vùng hoạt theo chiều từ trên xuống hoặc từ dưới lên. Khi các thanh điều khiển được dịch chuyển một phần ra khỏi vùng hoạt sẽ cho phép phản ứng chuỗi xảy ra. Số lượng các thanh điều khiển chèn vào và khoảng cách đến vùng hoạt có thể được thay đổi để điều khiển độ phản ứng của lò. 

H.2: Nguyên lý làm việc của thanh điều khiển

3/ Tính an toàn và tác dụng ngăn chặn sự cố trầm trọng

     Hầu hết trong các lò phản ứng, các thanh điều khiển được gắn vào thiết bị nâng bởi nam châm điện. Trong trường hợp có sự cố ngắt điện hoặc cần sự điều khiển bằng tay do thiết bị nâng hỏng hóc  thì các thanh điều khiển tự động rơi xuống do trọng lực, lấp đầy lò và làm dừng phản ứng. Một trường hợp ngoại lệ đối với kiểu vận hành trên là: trong lò BWR khi cần dập lò khẩn cấp các thanh điều khiển được chèn vào vùng hoạt theo phương pháp thủy lực bằng cách sử dụng nước trong một bể đặc biệt có áp lực cao.

     Sự mất kiểm soát hoặc sai hỏng của thanh điều khiển thường gây ra hoặc làm trầm trọn thêm các tai nạn hạt nhân. Các chất hấp thụ nơtron đồng nhất thường được sử dụng để kiểm soát các tai nạn hạt nhân trầm trọng liên quan đến các dung dịch nước của kim loại có thể phân hạch. Trong các trường hợp sự cố như vậy, hợp chất borat natri hoặc hợp chất Cadmi được bổ sung vào hệ thống. Trong các lò phản ứng được làm lạnh bằng dyoxit cacbon (lò ARG), khi các thanh điều khiển bị sai hỏng không ngăn chặn được phản ứng hạt nhân, khí ni tơ thường được phun vào vòng làm mát sơ cấp để bắt giữ nơtron.

     Cơ chế điều khiển phản ứng phân hạch của thanh điều khiển như sau: Trong một lò phản ứng phân hạch hạt nhân, do phản ứng chuỗi được liên tục phụ thuộc vào ít nhất một nơtron từ mỗi sự phân hạch được hấp thụ bởi các hạt nhân có khả năng phân hạch khác, nên phản ứng có thể được điều khiển bởi các thanh điều khiển có vật liệu hấp thụ nơtron. Bo và Cadmi là các vật liệu hấp thụ nơtron mạnh. Trong đó đồng vị ¹⁰B chịu trách nhiệm chủ yếu hấp thụ nơtron. Phản ứng điển hình hấp thụ nơtron vào đồng vị ¹⁰B là:

     Như vậy phản ứng nơtron với Bo làm triệt tiêu nơtron và phản ứng chuỗi được dừng lại.

 Tổng hợp từ “Control rod”, Wikipedia và “Control   rods for fission reactors”, Hyperphysics*****Nuclear

                                                                                                  Trần Thu Hà