Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hiệu quả, kinh tế và nâng cao khả năng sản xuất đồng vị phóng xạ trên Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt
Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (PƯHNĐL) được vận hành từ năm 1984 với các ứng dụng cơ bản bao gồm sản xuất đồng vị phóng xạ, phân tích kích hoạt và nghiên cứu, huấn luyện, đào tạo. Lò PƯHNĐL đã có những đóng góp đáng kể trong phát triển kinh tế - xã hội cũng như hình thành đội ngũ có kinh nghiệm chuyên ngành trong lĩnh vực hạt nhân và Lò phản ứng, đặc biệt là những đóng góp cho y học trong quá trình sử dụng đồng vị phóng xạ để chẩn đoán và điều trị ưng thư.
Theo dự báo, nhu cầu sử dụng đồng vị sẽ còn tăng đáng kể trong thời gian tới và việc vận hành an toàn, khai thác hiệu quả Lò PƯHNĐL sẽ tiếp tục đáp ứng yêu cầu từ thực tế. Ngoài ra, việc quản lý nhiên liệu và vùng hoạt cùng với tính toán thay đảo nhiên liệu cho Lò PƯHNĐL được thực hiện nhằm tiếp tục khai thác sử dụng Lò an toàn, hiệu quả.
Trước đây, các nghiên cứu liên quan đến tối ưu sử dụng nhiên liệu đã được khởi động với vùng hoạt Lò PƯHNĐL dùng hoàn toàn nhiên liệu độ giàu cao 36% U-235 bằng các thuật toán di truyền, luyện kim thông qua việc kết hợp với chương trình tính toán WIMSD5B và CITATION. Hiện tại, các chương trình tính toán về neutron, thủy nhiệt cũng như phân tích an toàn cho Lò PƯHNĐL đã được chuẩn hóa và so sánh với số liệu thực nghiệm trong quá trình khởi động. Việc nghiên cứu tính toán thay đảo nhiên liệu được đặt ra và thực hiện bằng cách kết hợp các tính toán phân tích toàn diện cho Lò Phản ứng với chương trình áp dụng thuật toán tối ưu. Bằng việc thực hiện tính toán chi tiết, kịch bản sử dụng tối ưu số nhiên liệu hiện tại đã nạp tải trong vùng hoạt cùng với số bó nhiên liệu mới sẽ được xác định. Đồng thời nhằm hiệu lực hóa quá trình tính toán, các thực nghiệm sẽ được tiến hành trên Lò cũng như có thể tạo ra các bài toán chuẩn với các cấu hình nạp tải khác nhau..
Nhằm thực hiện nghiên cứu tính toán sử dụng hiệu quả nhiên liệu độ giàu thấp VVR-M2 của Lò PƯHNĐL bằng việc thực hiện tái nạp nhiên liệu cuối chu trình cấu hình 92 BNL và thiết lập chiến lược nạp tải sử dụng 10 BNL mới hiện có. Việc đẩy mạnh sản xuất đồng vị phóng xạ được nghiên cứu, thử nghiệm và thực hiện với đáp ứng yêu cầu về vận hành an toàn và gia tăng sản lượng đồng vị I-131 từ 5 đến 15% với 130 giờ vận hành. Tính toán thiết kế container chì chứa container chứa bia TeO2 sau khi chiếu xạ cũng được thực hiện, ThS. Nguyễn Kiên Cường cùng nhóm nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Hạt Nhân - Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã thực hiện đề tài: “Nghiên cứu sử dụng nhiên liệu hiệu quả, kinh tế và nâng cao khả năng sản xuất đồng vị phóng xạ trên Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt”.
Sau một thời gian triển khai, đề tài thu được các kết quả chính như sau:
Các kết quả liên quan đến tính toán và thực nghiệm cũng như vận hành Lò thử nghiệm để áp ứng mục tiêu nâng cao sản lượng sản xuất đồng vị I-131 trên Lò PƯHNĐL. So với cấu hình nạp tải 9 container trước đây, sau thời gian vận hành 160 giờ hoạt độ I-131 thu được trung bình vào khoảng 37 Ci và Lò chỉ có thể vận hành 1 tháng 2 lần. Đến thời điểm như hiện nay với thời gian vận hành Lò ngắn khoảng 100 giờ trong tuần, cùng với việc đảo các vị trí của bia chiếu từ mâm quay đến bẫy neutron, số lượng đồng vị I-131 có thể cung cấp hàng tháng lên đến 138 hơn 100 Ci. Như vậy 2 cốc chiếu được thiết kế mới có vai trò rất quan trọng và rất hiệu quả trong quá trình thực hiện nâng cao sản lượng đồng vị.
Nội dung phát triển chương trình tính toán tối ưu thay đảo nhiên liệu được thực hiện khi áp dụng 2 thuật toán luyện kim (SA) và luyện kim tiến hóa (ESA) nhằm tìm kiếm cấu hình tối ưu khi thay đảo nhiên liệu được thực hiện. Các thuật toán này được kết nối với chương trình tính toán toàn Lò sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn giải bài toán lưới tam giác 2 chiều không gian. Tuy nhiên, các tính toán cũng chủ yếu mang tính định hướng và luôn cần kiểm tra chi tiết bằng các tính toán từ chương trình MCNP.
Hai cấu hình nạp tải nhiên liệu nhằm sử dụng hết 10 BNL hiện có cơ bản được tính toán, phân tích chi tiết về Vật Lý, Thủy nhiệt, khả năng sử dụng. Phương án 1 nạp tải 4 BNL mới sau đó là 6 BNL mới còn phương án 2 nạp tải 6 BNL mới sau đó là 4 BNL mới. Các cấu hình đều đáp ứng về an toàn thủy nhiệt, độ phản ứng dự trữ dập Lò cùng các yêu cầu khai thác sử dụng. Các chương trình tính toán MCNP, MCNP-REBUS, PLTEMP4.2, ORIGEN2.1 và RELAP5 được sử dụng để tính toán chi tiết đặc trưng về Vật Lý, Thủy nhiệt, khả năng sản xuất được đồng vị I-131 từ 3,9 đến 4,1 Ci trung bình trên 1 container, cũng như phân tích an toàn cho cả 2 phương án thay đảo nhiên liệu với 4 cấu hình nạp tải. Phương án 2 được ưu tiên vì đáp ứng tốt yêu cầu về an toàn do mật độ công suất trung bình thấp hơn, thời gian vận hành được kéo dài hơn tuy thông lượng neutron tại các vị trí chiếu mẫu có thấp hơn khoảng 6% so với phương án 1. Đồng thời phương án 2 được tiếp tục nạp tải theo bội số của 6 đối với nhiên liệu khi có thêm các BNL mới đến 36. Các kết quả tính toán nhằm mục tiêu chính là định hướng cho thay đảo nhiên liệu vào tháng 3 hoặc tháng 4 năm 2021. Do kết quả ở đây chỉ mang tính dự báo nên trước khi tiến hành thay đảo nhiên liệu sẽ cần phải tính toán toán lại thật chi tiết nhưng kết quả từ những tính toán này có tính định hướng rất tốt để có thể thực hiện cho quá trình thay đảo thật sự sau này.
Dựa trên kết quả của đề tài, có thể kết luận rằng đề tài đã đạt được những mục tiêu và các nội dung nghiên cứu đã đề ra cũng như hoàn thành các sản phẩm chính đăng ký theo thuyết minh của đề tài. Các mục tiêu chính đã đạt được từ đề tài bao gồm: (1) tính toán và thực hiện giải pháp nâng cao sản xuất đồng vị I-131 trên Lò PƯHNĐL vượt các yêu cầu ban đầu và hiện tại Lò PƯHNĐL hoàn toàn chủ động cung cấp tốt lượng đồng vị đặt hàng hàng tháng đến hơn 100 Ci; (2) đã xây dựng và thử nghiệm các tính toán tối ưu liên quan đến thay đảo nhiên liệu cho Lò PƯHNĐL; (3) đã xây dựng được chiến lược nạp tải, sử dụng nhiên liệu hết 10 BNL sẵn có; (4) đã xây dựng được đội ngũ cán bộ có khả năng nghiên cứu, hiểu và 139 thực hiện các tính toán, thực nghiệm trên Lò PƯHNĐL nhằm đảm bảo Lò được vận hành an toàn và khai thác có hiệu quả.
Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu của Đề tài (Mã số 19543/2021) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.
https://vista.gov.vn/
