Bài giảng Nguyên tử hạt nhân - Chương 3: Cấu trúc của lò phản ứng hạt nhân - Nguyễn Nhị Điền

Chương 3
Ấ Ú ỦC U TR C C A 
LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
PGS TS Nguyễn Nhị Điền
Đà Lạt, 2011
1
I. MỘT VÀI THÔNG TIN CHUNG
Về ặt thiết bị m :
Máy gia tốc Van der Graaff: Năm 1931, máy gia tốc Van der Graaff được 
chế tạo.
Máy gia tốc cynclotron: Năm 1932, E. Lawrence phát minh khả năng 
điều khiển chùm hạt và máy gia tốc cynclotron ra đời.
Máy gia tốc Betatron: Năm 1936, DW. Berst chế tạo thành công máy gia 
tốc betatron.
Lò phản ứng nghiên cứu: Năm 1942, E. Fermi và các cộng sự chế tạo 
thành công thiết bị duy trì phản ứng dây chuyền là LPƯ nghiên cứu tại 
trường ĐH Chicago (Năm 1934, chính Fermi phát hiện ra phản ứng phân 
hạch hạt nhân khi cho nơtron tương tác với uranium).
Vũ khí hạt nhân: Ngày 16/7/1945, Mỹ thử nghiệm thành công quả bom 
ầ ốnguyên tử đ u tiên. Ngày 6/8/1945, quả bom “Little Boy” đã thả xu ng 
Hiroshima và ngày 9/8/1945, quả bom “Fat Man” đã thả xuống Nagasaki.
Nhà máy điện hạt nhân: Ngày 27/6/1954, nhà máy điện hạt nhân đầu 
tiê ô ất 5 MW t i thà h hố Ob i k hò l ới điệ ố i
2
n c ng su e ạ n p n ns a mạng ư n qu c g a.
Về mặt thiết bị: Phát triển theo 2 hướng: 
1. Năng lượng cao (MeV – GeV):
Các máy gia tốc: cynclotron, Linac, electron beam, 
- Nghiên cứu khám phá thế giới Vật lý hạt cơ bản
Cá ứ d t ị hữ bệ h à ả ất đồ ị hó- c ng ụng xạ r c a n v s n xu ng v p ng 
xạ để sử dụng PET trong Y tế, chiếu xạ vật liệu công nghiệp, nông 
nghiệp, 
2. Năng lượng thấp (MeV – eV):
Các Lò phản ứng: Lò phản ứng nghiên cứu, lò năng lượng (Điện hạt 
nhân) lò tái sinh (sản xuất nhiên liệu chế tạo vũ khí hạt nhân) :, , ... 
- Sử dụng năng lượng (bức xạ và phân hạch) để phục vụ 
sản xuất và đời sống con người, 
Các nghiên cứu về vật lý hạt nhân cấu trúc hạt nhân
3
- , 
- Các nghiên cứu về vật lý và kỹ thuật LPƯ.
Hạt nhân nguyên tử:
ế+ Vì hạt nhân có năng lượng liên k t nên: 
- Muốn tách các nucleon cần một năng lượng lớn hơn 
năng lượng liên kết  (trung bình 8 MeV).
- Các hạt nhân có Z>83 thì có  <0, do vậy các hạt nhân 
này đều là hạt nhân phóng xạ phân rã alpha.
Khi h t hâ ặ ỡ thà h 2 h t hâ t bì h- ạ n n n ng v ra n ạ n n rung n 
cũng cần năng lượng vượt năng lượng liên kết 2 hạt nhân. Trong 
quá trình phân rã sinh ra năng lượng dư. Mỗi phân rã do neutron 
tương tác với nhiên liệu hạt nhân (U 235) sinh ra năng lượng - 
khoảng 200 MeV.
 Đó là cơ sở cho lò phản ứng hạt nhân, tàu ngầm nguyên tử và 
bom ng ên tử (bom A) uy .
- Khi 2 hạt nhân nhẹ được tổng hợp nhiệt hạch thành một hạt 
nhân trung bình cũng tỏa ra năng lượng lớn gấp 6 lần so với năng 
ỏ
4
lượng t a ra do phân hạch. 
 Đó là cơ sở của bom H.
Ph¶n øng PH¢N CHIA H¹t NH¢N:
Ph¶n øng ph©n chia h¹t nh©n 
®èi víi U-233, U-235, U-238 
gamma, alpha, ...
A
B
haït nhaânPu-239, Th-232
nôtronnôtron
haït nhaân
l h
U-233, U-235, Pu-239 ph©n r·
d hiÖ (0 025 V) gamma, a p a ...C
haït nhaân
o n n t , e ;
U-238, Th-232 ph©n r·
do n nhanh ( 1 MeV).
5
nguyªn lý cña ph¶n øng ph©n h¹ch:
 N¬tron nhiÖt NhiÖt n¨ng N¬tron nhanh
 N N N¬tron nhiÖt
N 
 Ph©n h¹ch ChÊt lμm chËm
 U 235 U 235 N HÊp
 thô
N 
6
S¬ ®å ®¬n gi¶n cña nguyªn lý ph¶n øng ph©n h¹ch
Ph¶n øng ph©n H¹ch D¢Y CHUYÒN:
Giả sử mỗi phân hạch tạo ra 3 nơtron
Generation
Number of 
neutrons
0 1
1 3
2
3
32 = 9
33 = 27n
350 = 1025n
Số nơtron được tạo ra rất nhanh qua phản 
ứ dâ h ề
7
ng y c uy n
Lß Ph¶n øng H¹t NH¢N PH¢N H¹CH:
c¸c ®Æc ®iÓm cña ph¶n øng ph©n chia h¹t nh©n+ 
1. Sinh ra caùc böùc xaï ion hoùa: nôtron, gamma, beta, v.v
2 Giaûi phoùng ra naêng löông raát lôùn. ï .
+ lß ph¶n øng h¹t nh©n: Laø thieát bò duy trì Phaûn öùng haït 
nhaân daây chuyeàn.
+ c¸c lo¹i lß ph¶n øng h¹t nh©n c¬ b¶n:
1. Loø nghieân cöùu: Söû duïng caùc böùc xaï ion hoùa (naêng löôïng böùc 
xa) ñeå trieån khai caùc öùng dung cuûa kyõ thuaät hat nhaân vaøoï ï ï 
caùc lónh vöïc kinh teá.
2. Loø naêng löôïng: Söû duïng nhieät naêng (töø naêng löôïng phaân 
h h) ñ å û á ñi äaïc e san xuat en.
3. Lß t¸i sinh: n+U-238 P-239, n+Th-232 U-233
 Lß ph¶n øng h¹t nh©n §μ L¹t thuéc lo¹i thø 1 !
8
 Lß nhiÖt h¹ch: do ph¶n øng nhiÖt h¹ch: D+T He+n
s¬ ®å nguyªn lý cña lß ph¶n øng:
 Thanh ®iÒu khiÓn
 Vμnh ph¶n x¹ Nhiªn liÖu h¹t nh©n
 Thïng lß ChÊt lμm chËm
 ChÊt t¶i nhiÖt
9
S¬ ®å cÊu tróc c¬ b¶n cña LP¦HN
Ii. th«ng tin vÒ lß ph¶n øng nghiªn cøu 
trªn thÕ giíi 
+ 3:25 phót ngμy 2/12/1942, ph¶n øng ph©n h¹ch tù duy tr× ®· 
®−îc thùc hiÖn thμnh c«ng trªn LP¦ h¹t nh©n ®Çu tiªn víi tªn 
Pil 1 ( ß i lμ lß F i)e- c n gä erm . 
+ Theo sè liÖu cña IAEA năm 2006, ®· cã 831 LP¦ nghiªn cøu 
c¸c lo¹i ®· ®−îc x©y dùng. 
+ Thêi ®iÓm cã sè LP¦ vËn hμnh nhiÒu nhÊt lμ n¨m 1975 (390 lß 
vËn hμnh).
+ HiÖn nay cã 68 n−íc ®· hoÆc ®ang cã LP¦ nghiªn cøu víi: 
287 lß ®ang vËn hμnh vμ 10 lß ®ang x©y dùng vμ 10 lß ®· cã kÕ 
ho¹ch x©y dùng.
+ Có 114 lò đã dừng hoạt động nhưng chưa tháo dỡ 410 lò đã , 
và đang tháo bỏ. 
+ Có 40 quốc gia thuộc các nước đang phát triển có LPƯNC với 
84 lò đ ậ hà h à 7 lò đ â d
10
 ang v n n v ang x y ựng.
+ Ph©n bè sè LP¦ ®ang vËn hμnh theo vïng:
- B¾c Mü: 63
- T©y ©u: 60
- §«ng ©u: 73
- Ch©y Mü la tinh: 20
- Ch©u phi/ trung cËn ®«ng: 15 
- Ch©u ¸: 56 
sè l−îng lp− nc ®ang vËn hμnh theo c¸c n¨m
450
Developing
Industrialized
Total
283306
321320
281
284
306
338
365382390372
320
250
300
350
400
L
P
¦
N
C
- Sè LP¦ trong c¸c 
n−íc ®ang ph¸t 
Ó ®
37
85838682
17
39 52
69 76
199223
252
155
172
50
100
150
200
S
è
l
−
î
n
g
L
tri n ang t¨ng.
- Sè LP¦ trong c¸c 
n−íc ph¸t triÓn 
®ang gi¶m
11
0
1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 2000
 .
Phân bố tuổi của LPƯ đang vận hành:
+ kh ả 60% ó thời i ậ hà h t ê 40 ă o ng c g an v n n r n n m;
+ khoảng 80% đã vận hành trên 30 năm. 
+ trong 20 năm tới, số LPƯ đang vận hành sẽ tiếp tục giảm và 
dự đoán chỉ 1/3 trong số trên sẽ còn hoạt động.
Phân bố tuổi của các LPƯ đang vận hành (số liệu năm 2008)
14
16
18
20
22
Ư
6
8
10
12
S
ố
l
ư
ợ
n
g
L
P
Ư
0
2
4
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
12
Số năm vận hành
Phân bố LPƯ đang vận hành theo công suất lò:
+ Kh ả 24% LPƯ ó ô ất t ê 10 MWt o ng c c ng su r n ;
+ Đến khoảng năm 2020 chỉ còn khoảng 35 LPƯ có công suất 
trên 10 MWt vận hành. 
+ Trong 20 năm tới, số LPƯ đang vận hành sẽ tiếp tục giảm và 
dự đoán chỉ 1/3 trong số trên (khoảng 100 lò) sẽ còn hoạt động.
100 MW>= 
4%
 < 1 kW
18%
>= 20 MW
8%
>= 10 MW
12%Các LPƯNC có công suất từ 1 MWt
>= 2 MW
23%
>= 1 kW
26%
22
18 17
26
25
30
N
C
ph©n bè sè lp− nc cã c«ng suÊt tõ 1 mw trë lªn 
>= 500 kW
9%
8
4
6
10
1
0
5
10
15
20
S
è
l
−
î
n
g
L
P
¦
N
Phân bố công suất của các
13
1
.
0
-
1
.
5
2
.
0
-
4
.
0
5
.
0
-
9
.
0
1
0
.
0
-
2
0
2
3
-
3
5
4
0
-
4
5
5
0
-
7
0
1
0
0
-
4
0
0
5
0
0
-
5
6
3
C«ng suÊt nhiÖt, MW
LPƯNC đang vận hành 
+ Trong 287 LPƯ nghiên cứu đang vận hành được phân theo 
loại LPƯ như sau:
+ Lò pool-type, lò loại bể: 68 (23,7%)
+ Lò tank-type, lò loại thùng: 33 (11,5%)
+ Lò TRIGA-type: 40 (14,1%)
+ Lò nước nặng: 12 (4,2%)
+ Cơ cấu tới hạn: 60 (21,1%)
+ SLOWPOKE: 6 (2 1%),
+ HOMOG.: 19 (6,7%)
+ ARGONAUT: 7 (2,5%)
+ Cá l i khá 42 (14 6%)c oạ c: ,
(zero power, fast sodium, sodium cooled, LMFBR, )
14
PHÂN LOẠI LPƯNC THEO MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG: 
1 Nghiên cứu (đa mục 164 57 1% 
tiêu - multipurpose)
,
2 Thử nghiệm vật liệu 23 8,1%
3 Phục vụ đào tạo 37 13,0%
4 Cơ cấu tới hạn (dùng 
hiê ứ đà t )
60 21,1%
ng n c u, o ạo
5 Thử nghiệm thiết kế 2 0,7%
6 Thử nghiệm sản xuất 1 0 3% 
điện
,
287
15
+ Theo công suất LPƯ nghiên cứu có thể phân ra: , 
- Lò công suất không (Z) < 10 kWt 
- Lò công suất thấp (L): từ 10 kWt - 1 MWt 
ấ ( )- Lò công su t trung bình M : từ 1 - 10 MWt 
- Lò công suất cao (H): > 10 MWt 
- Lò xung
- Lò nơtron nhanh
- Cơ cấu tới hạn (critical assembly) 
+ Nhiên liệu cho LPƯ nghiên cứu:
- độ giàu U-235 cao: 19,75% - 93%
- Hình dạng: dạng thanh dạng ống tròn dạng ống vuông , , , 
dạng ống lục giác, dạng tấm. 
+ Cơ chế làm nguội vùng hoạt: tự nhiên cưỡng bức
16
 , .
+ Phản xạ vùng hoạt: berylium, graphite, nước nặng.
+ Chỉ tính riêng các nước tham gia hợp tác vùng Châu Á - Thái 
Bình Dương có bức tranh như sau: 
Úc: 1 lò công suất 20 MWmới đưa vào vận hành (8/2006)- 
- Bangladesh: 1 lò công suất 3 MW đang vận hành (từ 1983)
- Trung quốc: >10: đang vận hành, 2 xây mới (60 MW và 20 MW) 
Ấ độ 4 đ ậ hà h 1 MW 100 MW 40 MW 1 ắ â- n : : ang v n n , , , s p x y
- Indonesia: 3: đang vận hành 100 kW, 2 MW, 30 MW 
- Hàn quốc: 1: đang vận hành 30 MW (từ 1995)
- Malaysia: 1: đang vận hành 1 MW (từ 1987)
- Pakistan: 2: đang vận hành 10 MW và 30 kW
- Philippines: 1: đang chờ tháo dỡ 3 MW
- Thái Lan: 1: đang vận hành 2 MW, 1: đang xây mới 10 MW
- Việt Nam: 1: đang vận hành tại Đà Lạt 0,5 MW (1963, 1984); 
đang thuyết minh dự án xây dựng lò 15 MWt. 
17
CÁC ĐẶC TRƯNG CHÍNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU:
1. Loại lò (1):
 Với LPƯ có công suất cao > 10 MWt chủ yếu có 2 loại: , 
+ Lò dạng bể (pool type)
+ Lò dạng thùng (tank type)
+ Lò dạng bể có 2 loại: thùng hở trong bể (open tank in pool) - 
thùng kín trong bể (closed-tank in pool)
ề ểLoại thùng hở có nhi u ưu đi m: 
+ thao tác trong vùng hoạt dễ dàng hơn, 
+ uyển chuyển hơn trong quá trình sử dụng về góc độ cải 
ắ ếtạo, l p đặt thêm thi t bị, 
+ giá thành thiết kế và chế tạo thấp hơn, 
 Hầu hết các LPƯNC đa mục tiêu hiện nay đều dùng loại 
ể ể
18
(open-tank in pool), có b chính và b phụ.
1. Loại lò (2):
Loại thùng không có 
nắp đậy trong bể lò 
(lò FRM-II, 20 MW của 
Đức).
Lò công suất cao cần 
có bể phân rã 16N 
(decay tank) sinh ra do 
phản ứng 16O(n, p)16N. 
Đây là phản ứng có 
ỡ 10 2 M V 16Nngư ng . e . 
phân rã thành 16O trong 
thời gian 7.14 s và phát 
ti ứ ă
19
ra a γ c ng n ng 
lượng 6.13 MeV.
1. Loại lò (3):
Lò loại bể bơi không có 
nắp đậy (lò WWR, 10 
MW của Nga). 
Bể lò có 3 ngăn: bể lò, bể 
chứa thanh nhiên liệu đã 
1- vỏ bể lò 2- vùng hoạt 3- vành
cháy và bể phân rã N-16 phía 
dưới bể chứa nhiên liệu.
 , , 
phản xạ, 4- các kênh của hệ thống 
điều khiển và bảo vệ lò (CPS), 5- 
van đối lưu tự nhiên, 6- van tràn, 7- 
tấ ă 8 òi h 9 ắ ó thểm ng n, - v p un, - n p c 
di chuyển, 10 - đèn, 11- cơ chế vận 
chuyển các côngtainơ đồng vị, 12- 
động cơ của CPS, 13- phòng đặt 
ề ể
20
động cơ của các thanh đi u khi n và 
bảo vệ lò, 14- tấm cản xạ, 15- các 
kênh cho detector nơtron.
1. Loại lò (4):
Lò loại bể bơi TRIGA 14 MW 
của Rumani. 
Đặc biệt:
+ Trong cùng một bể 
lò ó 2 LPƯ lò TRIGA c : 
làm việc ở chế độ 
công suất ổn định 14 
MW và một lò làm việc 
ở chế độ xung công 
suất đến 2000 MW nên 
còn gọi là lò TRIGA 
Dual Core .
+ 14 MW là lò có công 
suất lớn nhất trong số 
các lò TRIGA hiện có 
21
trên thế giới.
1. Loại lò (5): Lò loại bể bơi cải tiến
CARR 60 MW (China). 
+ Nước làm nguội đi 
từ trên xuống dưới, 
qua bình dẫn hướng 
(guiding tank), qua 
ểvùng hoạt, đi vào b 
phân rã N-16 (decay 
tank).
+ Bể lò chứa 700 m3
nước, trong bể lò đặt 
bình dẫn hướng, vỏ 
chứa vùng hoạt 
(core-housing vessel) 
và bể phân rã N-16.
22
2. Chất làm mát (1):
+ Nước nhẹ và nước nặng là sự lựa chọn chung nhất cho chất 
làm mát của LPƯ nghiên cứu. 
+ Nước nặng có ưu điểm là sẽ tiết kiệm nơtron hơn nước nhẹ, 
tuy nhiên lại có những nhược điểm đáng kể vì giá thành đắt và 
hệ thống phức tạp.
+ Khi sử dụng nước nặng để làm mát, cần phải có một hệ 
thống làm nguội vòng sơ cấp khá phức tạp để ngăn chặn 
tritium (sinh ra do n tương tác với nước nặng) giải phóng vào 
môi trường. 
+ Vì việc thao tác thường xuyên trên vùng hoạt của LPƯ để 
thay đổi nhiên liệu và các thí nghiệm chiếu xạ nên việc giữ sự 
tinh khiết của nước nặng luôn là vấn đề cần quan tâm.
 Hầu hết các thiết kế cho LPƯNC loại bể (không có áp lực) 
đề h ớ h là hất là át h hệ thố tải hiệt
23
u c ọn nư c n ẹ m c m m c o ng n 
vòng sơ cấp.
3. Phương pháp làm mát (1):
+ Có 2 phương pháp: dòng chảy làm nguội hướng lên trên 
vùng hoạt và dòng chảy làm nguội hướng xuống dưới vùng 
hoạt.
+ Ưu điểm của hệ thống làm nguội cưỡng bức với dòng chảy 
hướng lên trên: 
- Việc thay đổi từ đối lưu cưỡng bức sang đối lưu tự nhiên 
là hoàn toàn tự nhiên vì dòng chảy cùng hướng lên trên vùng hoạt. 
Ngược lại, do có sự thay đổi hướng chảy xuống trong đối lưu 
cưỡng bức sang hướng chảy lên do đối lưu tự nhiên, hệ thống 
chảy xuống cần phải được thiết kế thận trọng nhằm tránh sự đình 
trệ của dòng chảy trong quá trình thay đổi hướng chảy. 
- Việc lắp đặt và bảo dưỡng các thiết bị đo lưu lượng và 
nhiệt độ ở lối ra vùng hoạt ở từng vị trí có đặt nhiên liệu hoàn toàn 
dễ dàng.
24
- Giảm khả năng tắc nghẽn kênh làm nguội mà có thể dẫn 
đến làm sôi chất làm nguội trong vùng hoạt.
3. Phương pháp làm mát (2):
+ Tuy nhiên, dòng chảy hướng lên cũng có nhược điểm là có 
thể gây ra sự rung động của các thanh nhiên liệu và một số 
ấ t ú khá đặt t ê iá đỡ khi l l dò hả lê t ởc u r c c r n g ưu ượng ng c y n r 
nên rất lớn.
+ Khi thiết kế dòng chảy hướng lên cần quan tâm: 
- Bơm có bánh đà để dần dần dừng lại sau khi ngắt điện, 
đưa sự chuyển tiếp nhẹ nhàng từ cơ chế đối lưu cưỡng bức sang 
đối lưu tự nhiên ,
- Van nắp, tự động mở do chênh áp, đưa nước bể lò đi 
qua vùng hoạt để đối lưu tự nhiên.
+ Khi thiết kế dòng chảy hướng xuống cần quan tâm:
- Có hệ điện nuôi liên tục (diezel, UPS) để nuôi một số 
b để đề hò ất điệ l ới
25
ơm p ng m n ư .
3. Phương pháp làm mát (3):
+ Gồm 2 mạch làm 
mát song song, với 
bơm và bình trao đổi 
nhiệt riêng biệt.
+ Mỗi mạch có khả 
năng tải 50% công 
suất nhiệt của lò.
+ Lưu lượng là 2530 
m3/h. Khoảng 10% 
ổ
Hệ thố là ội h ớ hả lê dù
được trích ra và đ 
vào đáy bể lò thay vì 
đi vào khoang chứa 
dưới vùng hoạt ng m ngu ư ng c y n ng van 
nắp (lò HANARO 30 MW, Hàn Quốc)
+ Khi mất điện lưới, các bơm sẽ dừng, việc làm nguội vùng hoạt sẽ 
bằng cơ chế đối l t nhiên bằng cách an nắp (flap al e) mở ra
 .
26
 ưu ự : v v v 
do trọng lực khi không có dòng chảy cưỡng bức, tạo ra dòng chảy 
đối lưu giữa vùng hoạt với nước bể lò. 
3. Phương pháp làm mát (4):
+ Gồm bể phân rã N-
16 và 3 mạch làm 
mát (3 bơm làm mát 
loại bánh đà và 3 
bình trao đổi nhiệt) 
+ 2 mạch làm việc và 
1 h d hò mạc ự p ng, 
mỗi mạch có khả 
năng tải 50% công 
suất lò Tổng lưu
Hệ thống làm nguội hướng chảy lên sử dụng
 . 
lượng là 1900 m3/h.
bơm bánh đà và van nắp (lò OPAL, 20 MW, Úc)
+ Khi các bơm dừng, 2 van nắp lắp đặt lệch nhau về chiều cao trên mỗi 
đường ống quay trở lại bể lò, nằm cao hơn giếng hút. Nếu nước bể lò giảm
27
xuống (sự cố mất nước bể lò), van ở vị trí cao sẽ tác động như cái ngắt 
siphông và ngăn ngừa sự giảm mực nước lò xuống thấp hơn phần trên của 
giếng hút. Van ở vị trí thấp sẽ mở và tạo ra dòng chảy đối lưu tự nhiên.
3. Phương pháp làm mát (5):
+ Gồm 2 mạch, mỗi 
mạch có khả năng 
tải 50% công suất 
nhiệt của lò. 
+ Có 1 bơm dự 
phòng cho mỗi 
hmạc . 
+ Khoảng 10% lưu 
lượng tổng sẽ chảy 
từ trên đỉnh giếng
Hệ thống làm nguội hướng chảy lên của lò 
hút xuống các đầu 
hút để ngăn ngừa 
các sản phẩm kích
CRCN/RPM-1 20 MW, Brazil
+ Khi các bơm dừng, vi ... HANARO).
các BNL loại 36 thanh, và 3 kênh 
đứng để lắp đặt thiết bị chiếu xạ.
+ Vùng hoạt bên ngoài gồm 8 ống thẳng đứng hình 
ằ
49
tròn n m trong vành phản xạ nước nặng. Các BNL 
loại 18 thanh có thể nạp vào những ống này.
5. Vùng hoạt (2):
+ Vùng hoạt gồm 26 bó nhiên liệu 
chuẩn, 6 thanh điều khiển và 5 
kênh dành cho việc chiếu xạ.
+ Mỗi thanh điều khiển bao gồm 
chất hấp thụ hafnium dạng hộp và 
thanh nhiên liệu đi kèm . 
+ Vành phản xạ berili được đặt 
giữa vùng chứa nhiên liệu và 
ể
Vùng hoạt với bó nhiên 
ấ
tường trong của b phản xạ nước 
nặng. Bể phản xạ bằng nước nặng 
cao 1,6 m và có đường kính ngoài 
liệu dạng t m (lò JRR-3M).2 m.
+ Có 9 kênh chiếu xạ đứng trong vùng hoạt (5 hốc trong vùng 
nhiên liệu và 4 hốc trong các khối berili) 1 thiết bị nguồn nơtron
50
 , 
lạnh được bố trí trong bể nước nặng. Có 9 kênh ngang.
5. Vùng hoạt (3):
+ Sử dụng berilium làm chất 
phản xạ vùng hoạt. 
+ Có 7 kênh chiếu mẫu đứng 
t ù h t để hiế árong v ng oạ c u xạ c c 
bia đồng vị cũng như thử 
nghiệm vật liệu (có thể đặt 2 
kê h thử hiệ ật liệ tn ng m v u rong 
vùng hoạt);
Vùng hoạt với bó nhiên 
liệu WWR-M2.
+ Có 16 kênh đứng trong vành 
phản xạ berili và 5 kênh ngang.
51
5. Vùng hoạt (4):
+ Vùng hoạt có 30 BNL dạng tấm 
(loại MTR), được chia ra thành 
hai nửa và ghép với bể nước 
nặng dày 40 cm, và được bao 
quanh bởi các thanh berili.
+ Mỗi một nửa vùng hoạt sẽ ở 
dưới tới hạn nhưng khi được 
ghép lại, hệ thống (gồm hai nửa 
vùng hoạt cộng với bể nước 
nặng) sẽ có độ phản ứng dự trữ 
đủ cho một chu trình vận hành 
25 ngày.
Vùng hoạt gồm 2 nửa với 
bó nhiên liệu dạng tấm (lò 
CRCN/RPM-1).
+ Các hốc chiếu xạ cho các vật liệu 
khác nhau được đặt bên trong vùng 
hoạt trong bể nước nặng và trong
52
, 
vùng các thanh phản xạ berili.
6. Hệ điều khiển và bảo vệ (loại vật liệu):
+ Ba loại vật liệu hấp thụ nơtron được sử dụng rộng rãi 
trong hệ thống điều khiển và bảo vệ LPƯ nghiên cứu: 
hafnium như lò HANARO JRR 3M FRM II ; Ag In Cd , - , - ,  - - 
(silver-indium-cadmium) như lò OPAL, ETRR-2, CRCN/RPM-
1, và B4C như lò của Nga.
+ Hafnium có nhiều ưu điểm hơn B4C. Hafnium là vật liệu 
tương đối mềm nhưng có thể làm cứng hơn bằng việc kẹp 
chúng giữa các đĩa thép không gỉ .
+ B4C phải bọc trong một vỏ kín nước để ngăn ngừa sự giải 
phóng tritium đến nước lò và ngăn ngừa sự hòa tan của B4C 
vào chất làm nguội. Nếu như vỏ bọc B4C bị rò sẽ dẫn đến sự 
nhiễm bẩn nước lò và gây ra sự chiếu xạ cao cho nhân viên 
vận hành
53
 .
6. Hệ điều khiển và bảo vệ (thanh ĐK đi kèm):
+ Các thanh điều khiển kèm theo nhiên liệu (lò JRR-3M) gây 
ra một số hạn chế trong việc vận hành LPƯ như sự phức tạp 
trong thuật toán điều khiển và có thể xảy ra hư hỏng phần 
nhiên liệu khi cho thanh điều khiển rơi.
+ Các thanh điều khiển gồm phần hấp thụ theo sau bởi phần 
rỗng hấp thụ thấp (hollow low-absorption) (lò TRIGA). Khi 
chất hấp thụ được rút ra, phần rỗng sẽ đi vào vùng hoạt. 
Phần rỗng theo sau tượng trưng một thể tích không có 
nhiên liệu tương đối lớn trong vùng hoạt mà có thể gây ra 
một đỉnh thông lượng nơtron địa phương.
ể ố+ Đ tránh đỉnh thông lượng nơtron địa phương, một s 
LPƯ (lò HANARO, CRCN/RPM-1, OPAL) đã di chuyển các 
phần hấp thụ vào trong khe nước giữa các BNL hoặc sử 
ề ể
54
dụng thanh đi u khi n đi kèm thanh nhôm (lò Nga).
6. Hệ điều khiển và bảo vệ (cơ cấu dẫn động thanh ĐK):
+ Các động cơ thanh điều khiển hoặc được đặt ở phía trên 
hoặc phía dưới vùng hoạt.
+ Việc đặt động cơ phía dưới vùng hoạt cho sự thao tác ở 
vùng hoạt thuận tiện hơn so với việc đặt động cơ ở phía 
trên vùng hoạt. Tuy nhiên, việc thao tác dễ dàng trong vùng 
hoạt sẽ được đổi lại bằng việc gia tăng khả năng sự cố mất 
nước bể lò do các thanh điều khiển xuyên qua phần dưới bể 
lò thấp hơn độ cao của vùng hoạt.
+ Mặt khác cũng nên chú ý rằng mối hàn giữa chất hấp thụ 
và thanh nối cần được theo dõi thường xuyên do có thể hư 
hỏng bởi chiếu xạ, vì khi thanh điều khiển đi lên trên vùng 
hoạt thì phần nối đi vào vùng bị chiếu xạ cao.
55
6. Hệ điều khiển và bảo vệ (cơ cấu dẫn động thanh ĐK):
+ 6 thanh ĐK dạng tấm làm bằng 
hợp kim Ag-In-Cd. Mỗi thanh được 
gắn với hệ thống truyền động nhờ 
nam châm điện đặt trong phòng 
dưới bể lò. Các TĐK được giữ 
nằm ở phía trên vùng hoạt khi rút 
thanh; trọng lực sẽ đóng vai trò 
làm thanh rơi vào vùng hoạt. Các 
thanh di chuyển nhờ vào môtơ 
bước.
+ Hệ thống dừng lò thứ hai là 
đổ d dị h hấ th t ung c p ụ nơ ron 
(gadolinium nitrate) vào 4 
buồng được đặt giữa các BNL 
và vành phản xạ bao quanh
Cơ cấu dẫn động thanh điều khiển 
nằm dưới vùng hoạt (lò ETRR-2)
56
vùng hoạt.
6. Hệ điều khiển và bảo vệ (cơ cấu dẫn động thanh ĐK):
+ 5 thanh ĐK dạng tấm làm bằng 
hợp kim Ag-In-Cd. Mỗi thanh được 
gắn với hệ thống truyền động nhờ 
nam châm điện đặt trong phòng 
dưới bể lò. Cho phép:
- Đưa thanh nhanh vào vùng hoạt;
- Cách ly với nhà lò; 
- Có chức năng khóa liên động 
vùng khởi động.
Cơ cấu dẫn động thanh điều khiển 
ằ
57
n m dưới vùng hoạt (lò OPAL) 
6. Hệ điều khiển và bảo vệ 
 1 2 3 4
(cơ cấu dẫn động thanh ĐK):
+5.0
5
6
7
8
9
10
H3, H8 - 135 cm
H7 - 115 cm
H4, H5, H6 - 95 cm-1.7
Cơ cấu dẫn động thanh điều 
khiển nằm trên mặt lò (lò
11 12 13 14
58
MARIA, 30 MW, Balan)
1. control rod drive mechanism
2. mounting plate
3. ionization chamber channel
4. ionization chamber drive mechanism
5. fuel and loop channels support plate
6. plate support console 
7. horizontal beam tube shutter drive mechanism
8. beam tube shutter
 9. fuel channel
10. ionization chambers shield
11. core and support structure
12. core and reflector support plate
13. reflector blocks
14. beam tube compensator joint
6. Hệ điều khiển và bảo vệ (các chức năng chính):
+ Hệ an toàn hay hệ bảo vệ sự cố
+ Hệ điều khiển 
+ Hệ các khóa liên động
+ Hệ giao diện với máy tính
+ Hệ giám sát
+ Hệ hiển thị thông tin. 
Phân thành 3 mức có tính thứ bậc như sau:
+ Giám sát (các bảng và bàn điều khiển, các màn hình theo 
dõi, đèn báo, )
+ Điều khiển (hệ máy tính hoặc PLC với các giao diện thích 
hợp hệ bảo vệ sự cố), 
+ Thực thi tại hiện trường (các hệ đo thông số công nghệ, 
các thiết bị xử lý thông thường hoặc thông minh, các hệ thừa 
ề ể
59
hành, các đi u khi n động cơ, môtơ bước, ). 
6. Hệ điều khiển và bảo vệ (nguyên lý):
Operation
RPS C l RodMovement
Supervision
Level
Stations
Network
 onso e 
Console
Panel
Instruments
Printer
Control
Reactor Protection System
Protection
Signals
Level
(Fully Hardwired)
Monitoring
& Control
Trip Action Field Bus Compatibility
Field
Level
Signals
Triple
Redundant
Stepper
Motors
Motors
Drivers(To electro -
magnetic
Control Rod Drives
Nucleonic and Processes signals 
for Reactor Protection System
Position
Sensors
clutches)
Process Signals & Actuactors
60
Sơ đồ nguyên lý của một hệ điều khiển và bảo vệ điển hình
6. Hệ điều khiển và bảo vệ (nguyên lý):
61Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển và bảo vệ lò VR-1
6. Hệ điều khiển và bảo vệ (nguyên lý):
power
trend
recorder
Amplifier,
NM-1000
fission
chamber
linear power
Counters /
Transmitter
Display
Microprocessor
Keypad
ion
chamber NP-1000
period
log
% power
FT #1
FT #2
direct wired
indicator
bar graph
Thermocouple
amplifier # 1
Power Safety
Channel
Data Acquisition
 And
C t l U it
Informaion
proses
t
fuel
temp. # 1
fuel
t # 2
rod
control
power monitor channel
% power
% power
Color
Thermocouple
amplifier # 2
RTD
amplifier # 1
RTD
Thermocouple
amplifier # 3
on ro n
(DAC)
compu er
high
resolution
color
monitor
emp. 
fuel
temp. # 3
water
temp. # 1
water
switches
reactor
mode
switches
reactor
high speed
transmitter
display
DAC IPC
amplifier # 2
printer
RTD
amplifier # 3
temp. # 2
water
temp. # 3
status
display
monitor
computer
keyboard
cooling system
analog inputs
digital inputs
computer
computer computer
Pulse
Channel
Rod
Drives (5)
ion
chamber NPP-1000
% power
keyboard
rod control
& logic
62Sơ đồ nguyên lý của hệ điều khiển và bảo vệ lò Bandung, 2 MW
6. Hệ điều khiển và bảo vệ (các nguyên tắc):
Cá ê tắ bả ầ đá ứ khi thiết kế hệ điềc nguy n c cơ n c n p ng u 
khiển và bảo vệ:
+ Sai hỏng đơn (single fail principle)
S ỏ à (f f )+ ai h ng an to n ail sa e principle
+ Tính dư thừa (redundancy) và 
+ Tính đa dạng (diversity)
Một số nguyên lý trong thiết kế cần được xem xét và đảm bảo 
đối với các hệ điều khiển và bảo vệ là:
+ Nguyên lý chọn 2 trên 3 nghĩa là chỉ khi 2 trong 3 kênh đo độc , 
lập cùng có tín hiệu thì mới có tín hiệu thừa hành lối ra.
+ Tính độc lập giữa hệ điều khiển và hệ bảo vệ sự cố. 
+ Có tối thiểu một kênh bảo vệ sự cố độc lập không có yếu tố 
chương trình phầm mềm mà chỉ có mạch phần cứng (fully 
hardwired).
+ Cách ly về điện giữa phần tín hiệu tương tự và tín hiệu số xử
63
lý logic để tránh tạp nhiễu ảnh hưởng đến phần xử lý tín hiệu 
logic.
6. Hệ điều khiển và bảo vệ (bố trí)
Phòng điều khiển chính của LPƯ là nơi lắp đặt hệ thống điều 
khiển và giám sát LPƯ. Việc theo dõi công suất, điều khiển các 
thanh an toàn - bù trừ, điều chỉnh tự động công suất và dừng 
ố ề ểlò khi có sự c được thực hiện từ phòng đi u khi n chính.
Phòng kiểm soát sự cố, đặt cách xa khỏi phòng điều khiển 
ể ể ố ồchính. Các chức năng có th có tại phòng ki m soát sự c g m:
+ Một hoặc hai kênh đo độc lập để theo dõi công suất của lò 
phản ứng.
+ Dập lò khẩn cấp bằng tay cho mỗi hệ thống dập lò thứ nhất và 
hệ thống dập lò thứ hai khi có tình huống bất thường.
+ Theo dõi tình trạng phóng xạ cao trong nhà lò và phòng điều 
khiển chính; điều khiển bằng tay hệ thống giam giữ/giam cầm 
phóng xạ để thực hiện sự cách ly tòa nhà lò nếu được yêu cầu.
+ Hiển thị các thông số quan trọng đối với sự an toàn của LPƯ
64
như công suất lò, mức nước bể lò, nhiệt độ nước làm mát, ...
7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (1):
Chia thành 3 loại: các thiết bị đặt trong vùng hoạt, các thiết 
bị đặt trong vành phản xạ và các kênh thực nghiệm nằm 
ngang, bao gồm:
+ Các kênh chiếu xạ đứng (trong vùng hoạt hay vành phản xạ), để 
sản xuất đồng vị phóng xạ, thử nghiệm vật liệu, 
+ Các kênh chuyển mẫu khí nén (PTS) hay thủy lực (HTS), để 
phân tích kích hoạt nơtron hay sản xuất đồng vị phóng xạ;
+ Các kênh chiếu xạ thể tích lớn, dùng để chiếu xạ mẫu và pha 
tạp tinh thể đơn Si;
+ Các kênh vòng dùng để thử nghiệm vật liệu và nhiên liệu nhân;
+ Các hốc để đặt thiết bị cho nguồn nơtron lạnh; 
+ Các kênh thí nghiệm nằm ngang (tiếp tuyến hay hướng tâm), 
dùng cho nghiên cứu, chụp ảnh nơtron, phân tích kích hoạt 
tứ thời BNCT
65
gamma c , , v.v...
+ Cột nhiệt.
7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (2):
+ Có 3 bẫy nơtron ở vùng hoạt bên 
trong và 4 vị trí chiếu xạ ở vùng 
hoạt bên ngoài (nơi có thông lượng 
nơtron nhanh và nơtron trên nhiệt 
cao) dùng để chiếu xạ thử nghiệm 
nhiên liệu và vật liệu, sản xuất 
ĐVPX.
+ Có 25 kênh chiếu xạ đứng nằm 
trong vành phản xạ nước nặng để 
chiếu xạ sản xuất ĐVPX, phân tích 
kích hoạt nơtron, pha tạp silicon 
(NTD1 và NTD2) và lắp đặt nguồn 
nơtron lạnh (CNS). Lò HANARO, 30 MW 
+ Có 7 kênh tiếp tuyến nằm ngang được thiết kế cho từng mục 
đí h thí hiệ h tá t (ST1 ST4) hiễ t
66
c ng m n ư n xạ nơ ron - , n u xạ nơ ron 
(ND1-ND3), chụp ảnh nơtron (NR), nơtron lạnh (CNS), kênh phân 
tích (PGNAA), chiếu xạ bằng bắt nơtron của Bo (BNCT), ...
7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (3):
+ Không có thiết bị chiếu xạ 
đứng nằm trong vùng hoạt của 
LPƯ, chúng chỉ được đặt trong 
vành phản xa (không chiếu xạ ̣ 
để thử nhiên liệu).
+ Các thiết bị chiếu xạ trong 
ồ ếvành phản xạ g m: thi t bị 
chiếu xạ cho sản xuất đồng vị 
phóng xạ, các thiết bị chiếu xạ 
kê h khí é à á thiết bịn n n v c c 
dùng để chiếu xạ vật liệu có 
thể tích lớn.
Lò OPAL, 20 MW + Ba trong 5 kênh thí nghiệm tiếp 
tuyến nằm ngang được thiết kế cho 
mục đích sử dụng nguồn nơtron lạnh
67
và nguồn nơtron nóng.
7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (4):
+ Thiết kế ưu tiên cho các thí 
nghiệm sử dụng chùm nơtron 
từ các kênh ngang. 
+ Một nguồn nơtron lạnh chứa 
chất lỏng D2, được đặt ở vị trí 
có thông l ợng nhiệt cao ư 
nhất, cung cấp nơtron lạnh 
cho 3 kênh ngang.
+ Một nguồn nơtron nóng graphite 
được đặt trong vùng cực đại của thông 
lượng nhiệt và dịch chuyển phổ nơtron 
Lò FRM-II, 20 MW đến độ dài sóng ngắn nhất.
+ Một kênh xuyên suốt hai mặt của tường 
bảo vệ sinh học sẽ được dùng để đặt mẫu
68
chiếu U-235 (khoảng 1g) để sinh ra các sản 
phẩm phân hạch.
7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (5):
Gồ 29 BNL l i th h TRIGA+ m oạ an 
chuẩn, một thiết bị chiếu xạ 
nơtron nhanh, 4 thanh điều khiển 
à ột thiết bị ả ất I 192v m s n xu r- 
trong vùng hoạt.
+ Phần chứa nhiên liệu của vùng 
hoạt được phản xạ hai mặt bởi 
berili và hai mặt còn lại bởi nước 
nặng.
Lò ONRC, 10 MW 
+ 23 khối berili có hốc ở giữa để làm chỗ cho 
các thí nghiệm chiếu xạ hay cho phép các 
ấdòng chảy của ch t làm nguội đi ngang qua.
+ Có 3 kênh chuyển mẫu khí nén để chiếu các ĐVPX sống rất ngắn. 4 
vị trí chiếu xạ trong vành phản xạ nước nặng để chiếu xạ chuyển đổi 
69
silicon. 6 kênh ngang dùng cho nhiễu xạ kế dạng bột có độ phân giải 
cao, chụp ảnh nơtron, PGNAA, BNCT ...
7. Bố trí các thiết bị thí nghiệm (6):
Vertical channels
CNS: Cold neutron source 
HNS: Hot neutron source 
CI NI: isotope hole, 
MT: Material irradiation 
monitoring hole 
NTD: NTD silicon hole 
AT: NAA hole 
SRDM: Safety rod drive 
mechanism
Horizontal beam tubes 
HT1: Cold neutron source beam 
tube
HT2: Multi-filtration neutron 
b t beam u e
HT3, HT4, HT6, HT8, HT9:
Thermal neutron beam tube
HT5: Long tangential beam tube
Lò CARR, 60 MW.
70
HT7: Hot neutron source beam 
tube
8. Các thiết bị khác (1):
+ Bể dịch vụ để chứa các bó nhiên liệu đã cháy và các mẫu sau 
khi chiếu xạ và một kênh trung chuyển. Bể dịch vụ được nối với 
bể lò qua kênh trung chuyển .
+ Hệ thống làm nguội khẩn cấp vùng hoạt có chức năng giữ cho 
nhiệt độ trong vùng hoạt nằm trong giới hạn an toàn. 
Các phương án:
- Hệ thống thụ động (nước được phun vào vùng hoạt nhờ 
trọng lực) như ở lò CRCN/RPM-1 và OPAL. 
- Sử dụng bơm được nuôi bằng nguồn điện acqui để bơm 
nước từ bể phân rã vào bể lò (như ở lò ONRC). 
- Trong thiết kế của Nga, nhờ vào sự trợ giúp của bể làm 
nguội khẩn cấp và hệ thống thu thập nước rò để bơm nước 
trở lại vào bể lò
71
 .
8. Các thiết bị khác (2):
+ Hệ thống tạo ra lớp nước nóng trên bề mặt bể lò để bảo vệ 
nhân viên làm việc không bị chiếu xạ gây ra bởi các sản phẩm 
phóng xạ trong nước lò Hệ thống này còn có chức năng làm . 
sạch liên tục nước ở bề mặt và kiểm soát mức nước bể lò .
+ Hệ phát hiện hư hỏng nhiên liệu đang sử dụng trong LPƯ nhằm 
theo dõi liên tục các sản phẩm phân hạch trong hệ nước vòng sơ 
cấp hoặc hệ thống theo dõi hoạt độ phóng xạ trong hệ thống 
thông gió của lò phản ứng .
+ Một vài hotcell được đặt trong gian nhà lò, phía sau bể 
dị h h bể lò để là th ậ tiệ h iệ th tác vụ ay sau , m u n n c o v c ao c 
với các mẫu sau chiếu xạ.
72
8. Các thiết bị khác (3):
Hệ phát hiện hư hỏng bó nhiên liệu của lò Dhruva India , 
73