Với trên 40 năm hình thành và phát triển, Ngành Năng lượng nguyên tử Việt Nam đã có nhiều đóng góp trong phát triển kinh tế - xã hội của đất nước. Đặc biệt, kể từ khi đưa Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt vào hoạt động (3/1984), nhiều ứng dụng của kỹ thuật hạt nhân và đồng vị phóng xạ cho các ngành y tế, nông nghiệp, công nghiệp, địa chất, thủy văn, môi trường, v.v... được đẩy mạnh, đưa lại hiệu quả kinh tế và bảo vệ sức khỏe cộng đồng, ngày càng được sự nhìn nhận của những người sử dụng.

Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (LPƯHNĐL) đã có trên 35 năm vận hành an toàn và khai thác có hiệu quả. Tính đến cuối năm 2019, lò đã vận hành gần 50.000 giờ ở công suất danh định 500 kW; đã sản xuất được trên 6.000 Ci dược chất phóng xạ phục vụ cho chẩn đoán và điều trị bệnh trong y tế; đã chiếu xạ trên 30.000 mẫu các loại để phân tích hàm lượng nguyên tố bằng kỹ thuật kích hoạt nơtron phục vụ các ngành địa chất, dầu khí, môi trường; đã tiến hành nhiều nghiên cứu cơ bản và nghiên cứu ứng dụng khác để đào tạo đội ngũ có trình độ cho ngành hạt nhân nói riêng và cho cả nước nói chung.

Từ các dẫn liệu nêu trên, việc xây dựng một Lò phản ứng nghiên cứu (LPƯNC) đa mục tiêu có công suất đủ lớn để tăng cường tiềm lực khoa học công nghệ hạt nhân cho quốc gia, nhằm đáp ứng cả các ứng dụng năng lượng, phi năng lượng và xây dựng đội ngũ cán bộ cho ngành hạt nhân nước ta là rất cần thiết và đã được đưa vào trong “Chiến lược ứng dụng năng lượng nguyên tử vì mục đích hòa bình đến năm 2020” theo Quyết định số 01/2006/QĐ-TTg ngày 03/01/2006 của Thủ tướng Chính phủ, trong đó có kế hoạch xây dựng và đưa LPƯNC mới vào hoạt động trước năm 2020 phục vụ công tác nghiên cứu và triển khai về khoa học và công nghệ hạt nhân, tăng cường tiềm lực, từng bước làm chủ công nghệ hạt nhân của quốc gia.

Với lý do đó, việc triển khai thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính toán các đặc trưng nơtron, thủy nhiệt và phân tích an toàn lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu do Liên bang Nga đề xuất cho Trung tâm Khoa học và Công nghệ hạt nhân Việt Nam” do Cơ quan chủ trì Viện nghiên cứu Hạt nhân cùng phối hợp với Chủ nhiệm đề tài PGS TS Nguyễn Nhị Điền thực hiện với mục tiêu: Làm chủ việc tính toán các đặc trưng nơtron, thủy nhiệt và phân tích an toàn lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu mới; Đề xuất, lựa chọn được cấu hình thiết kế phù hợp cho lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu của Trung tâm KH&CN hạt nhân cho Việt Nam.

Khác với lò năng lượng cho nhà máy điện hạt nhân, mục đích chính là sản xuất ra công suất điện lớn, vì vậy, về cơ bản đã có những thiết chuẩn cho loại lò nước nhẹ (lò nước áp lực và lò nước sôi) và loại lò nước nặng (lò nước nặng áp lực và lò CANDU), LPƯNC có thiết kế rất đa dạng tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng trong số 12 loại ứng dụng điển hình đã được tổng kết, loại nhiên liệu và vật liệu vành phản xạ được sử dụng, chiều dòng chảy cưỡng bức qua vùng hoạt của hệ làm mát, cơ chế vận hành của các thanh điều khiển… trong lúc Việt Nam chưa có kinh nghiệm thực tế về thiết kế lò phản ứng, nên để tính toán, thiết kế một LPƯNC cho Việt Nam cần có những cách tiếp cận phù hợp, đó là:

- Tiến hành khảo sát, đánh giá cấu hình thiết kế của các LPƯNC đa mục tiêu đương đại đang vận hành trên thế giới, đặc biệt là đối với các LPƯNC do Liên bang Nga thiết kế và xuất khẩu ra nước ngoài.

- Sử dụng các chương trình tính toán với số liệu thư viện mới nhất đã được kiểm chứng và hiệu lực hóa thông qua tính toán các bài toán chuẩn và so sánh với số liệu thực nghiệm để tính toán thiết kế về vật lý (neutronics), thủy nhiệt (thermohydraulics) và phân tích an toàn (safety analysis) cho một số cấu hình lò phản ứng sử dụng các loại nhiên liệu IRT và VVR của Liên bang Nga, cũng như nhiên liệu MTR thương mại với các loại vành phản xạ bằng berylli và nước nặng.

- Tranh thủ và tăng cường hợp tác quốc tế với các cơ sở nghiên cứu hạt nhân có kinh nghiệm trong việc tính toán thiết kế, vận hành và khai thác sử dụng các LPƯNC ở một số nước trên thế giới, như Hoa Kỳ, Hàn Quốc, Nhật Bản, Kazakhstan, Uzbekistan… để tiếp thu kiến thức và trao đổi kinh nghiệm.

Sau thời gian nghiên cứu, đề tài đã thu được những kết quả như sau:

Lựa chọn thư viện số liệu hạt nhân và các chương trình tính toán: Đã tạo thư viện số liệu hạt nhân cho các chương trình MCNP, WIMS-ANL, WIMD từ các thư viện JENDL4.0, ENDF/B7.1, JEFF3.1 và số liệu thư viện trong vùng năng lượng nhiệt từ thư viện ENDF/B; Cập nhật mới và biên dịch lại chương trình NJOY 2016 để xử lý số liệu tính toán; Kiểm chứng và hiệu lực hóa các chương trình tính toán nơtron, thủy nhiệt và phân tích an toàn dùng thư viện số liệu mới trên cơ sở số liệu thực nghiệm của Lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt với nhiên liệu VVR-M2, của lò WWR-K với nhiên liệu VVR-KN, của lò WWW-SM với nhiên liệu IRT-4M và của lò JRR-3 với nhiên liệu MTR-M sửa đổi. Bộ chương trình và các thư viện đã lựa chọn là đầy đủ và đáng tin cậy để tính toán thiết kế lò phản ứng nghiên cứu mới.

Tính toán cấu hình tới hạn với lượng nhiên liệu U-235 tối thiểu: Khảo sát các đặc trưng của 4 loại nhiên liệu độ giàu thấp điển hình, bao gồm 3 loại dạng ống của Liên bang Nga đã xuất khẩu sang các nước (VVR-M2, VVR-KN và IRT-4M) và nhiên liệu dạng tấm MTR, hiện đang được dùng tại hầu hết các lò phản ứng nghiên cứu đa mục tiêu đương đại trên thế giới. Từ đó chọn ra 3 loại nhiên liệu để tính toán thiết kế các cấu hình vùng hoạt là IRT-4M, VVR-KN và MTR-M. Trong đó, các tính toán với nhiên liệu MTR-M chỉ dùng cho mục đích tham khảo vì Liên bang Nga không sản xuất loại nhiên liệu này; Khảo sát các loại vật liệu vành phản xạ (berylli, graphite và nước nặng) nhằm lựa chọn loại vật liệu để thiết kế với các loại nhiên liệu nêu trên. Tuy nhiên, do Liên bang Nga không xuất khẩu lò phản ứng nghiên cứu với vành phản xạ nước nặng nên các tính toán thiết kế chỉ dùng để tham khảo; Bốn cấu hình tới hạn với lượng nhiên liệu tối thiểu đã được tính toán, khảo sát gồm: nhiên liệu IRT-4M với vành phản xạ berylli, nhiên liệu VVR-KN với vành phản xạ berylli, nhiên liệu MTRM với vành phản xạ berylli và nhiên liệu MTR-M với vành phản xạ nước nặng.

Tính toán các cấu hình vùng hoạt và phân tích đánh giá nhằm đưa ra cấu hình vùng hoạt và các kênh thực nghiệm phù hợp với nhu cầu ứng dụng và phát triển năng lượng nguyên tử của Việt Nam trong tương lai: Tính toán, khảo sát cấu hình vùng hoạt nhỏ gọn để có thông lượng nơtron cực đại cho các kênh chiếu xạ đứng trong vùng vành phản xạ, có kênh chiếu xạ để thử nghiệm vật liệu tại tâm vùng hoạt, và có thông lượng tối ưu tại các kênh chiếu xạ nằm ngang đối với 4 cấu hình nêu trên. Từ các kết quả tính toán thu được, đã phân tích, đánh giá nhằm đưa ra 2 cấu hình vùng hoạt và các kênh chiếu xạ phù hợp, đáp ứng nhu cầu ứng dụng của Việt Nam trong tương lai là vùng hoạt sử dụng nhiên liệu IRT-4M với vành phản xạ berylli, và nhiên liệu VVRKN với vành phản xạ berylli, trong đó, cấu hình thứ nhất được ưu tiên lựa chọn từ quan điểm cần có vùng hoạt nhỏ gọn, tính phổ biến và kiểm chứng về nhiên liệu cũng như tính thuận lợi khi có nhu cầu thay thế bằng nhiên liệu MTR trong tương lai.

Có thể tìm đọc báo cáo kết quả nghiên cứu (mã số 17517/2020) tại Cục Thông tin khoa học và công nghệ quốc gia.

Đ.T.V (NASATI)