Lò phản ứng nghiên cứu và ứng dụng

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
1Số 50 - Tháng 3/2017
1. Lịch sử phát triển lò phản ứng hạt nhân 
nghiên cứu 
Lịch sử ra đời và phát triển các lò phản 
ứng hạt nhân đầu tiên bắt đầu với lò phản ứng 
Chicago Pile-1 (CP-1) dưới sự lãnh đạo của E. 
Fermi được lắp đặt vào năm 1942, đánh dấu việc 
tạo ra và duy trì phản ứng phân hạch hạt nhân 
dây chuyền đầu tiên trên thế giới. Mục tiêu của 
lò phản ứng này là thực hiện phản ứng phân hạch 
dây chuyền và tạo nguồn nơtron cho mục đích 
sản xuất plutoni.
Tại Nga, dưới sự lãnh đạo của I. 
Kurchatov, lò phản ứng hạt nhân F-1 cũng đã 
được lắp đặt và vận hành vào năm 1946 với mục 
đích sản xuất plutoni. Năm 1947, tại phòng thí 
nghiệm Chalk River, Canada lò phản ứng nghiên 
cứu NRX được xây dựng nhằm mục đích phục 
vụ các nghiên cứu cơ bản và đo đạc thu thập các 
số liệu hạt nhân. Lò này đạt công suất 20 MW 
(nhiệt) vào năm 1949.
LÒ PHẢN ỨNG NGHIÊN CỨU 
VÀ ỨNG DỤNG
Trong hơn 70 năm, các lò phản ứng nghiên cứu đã trở thành trung tâm của sự đổi mới và 
sáng tạo cho ngành khoa học và công nghệ hạt nhân. Nghiên cứu đa ngành với sự hỗ trợ của các lò 
phản ứng nghiên cứu đã đưa đến những phát triển mới trong lĩnh vực điện hạt nhân, sản xuất đồng vị 
phóng xạ và y học hạt nhân, nghiên cứu và ứng dụng chùm nơtron, kiểm tra vật liệu, kiểm chứng các 
chương trình máy tính (mô phỏng các quá trình và thiết bị năng lượng hạt nhân), các phân tích cơ 
bản khác nhau và xây dựng năng lực cho các chương trình khoa học và công nghệ hạt nhân.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
2 Số 50 - Tháng 3/2017
Trong khoảng 20 năm, thiết kế các lò 
phản ứng nghiên cứu đã phát triển đến mức thông 
lượng nơtron trung bình đã tăng gần 9 bậc độ lớn 
(hình 1). Có thể thấy vào giữa những năm 1960, 
thông lượng nơtron nhiệt trong lò phản ứng đã 
đạt khoảng 1015n/cm2.s và không tăng đáng kể 
cho đến nay (Lò phản ứng nghiên cứu Đà Lạt có 
thông lượng cực đại 2.1x1013n/cm2.s). 
Hình 1. Sự phát triển của thông lượng 
nơtron trong lò phản ứng nghiên cứu theo thời 
gian (với một số tên lò phản ứng nghiên cứu điển 
hình)
Trong hơn 70 năm, các lò phản ứng 
nghiên cứu đã trở thành trung tâm của sự đổi mới 
và sáng tạo cho ngành khoa học và công nghệ hạt 
nhân. Nghiên cứu đa ngành với sự hỗ trợ của các 
lò phản ứng nghiên cứu đã đưa đến những phát 
triển mới trong lĩnh vực điện hạt nhân, sản xuất 
đồng vị phóng xạ và y học hạt nhân, nghiên cứu 
và ứng dụng chùm nơtron, kiểm tra vật liệu, kiểm 
chứng các chương trình máy tính (mô phỏng các 
quá trình và thiết bị năng lượng hạt nhân), các 
phân tích cơ bản khác nhau và xây dựng năng lực 
cho các chương trình khoa học và công nghệ hạt 
nhân. Đến nay, đã có 774 lò phản ứng nghiên cứu 
được xây dựng, trong đó có 245 lò phản ứng tại 
55 quốc gia đang hoạt động vào năm 2016. Tuy 
nhiên, một nửa số lò phản ứng nghiên cứu đang 
được vận hành trên thế giới hiện đã trên 40 năm 
tuổi. Nhiều lò trong số đó đang được nâng cấp để 
đáp ứng các tiêu chuẩn công nghệ hiện nay và các 
yêu cầu mới về an toàn.
Hình 2. Phân bố các lò nghiên cứu theo 
số năm vận hành (tuổi) với khoảng 50% số lò 
trên 40 năm
Liên bang Nga có số lò phản ứng nghiên 
cứu hoạt động cao nhất - 65 lò (bao gồm cả các 
cơ cấu tới hạn), tiếp theo là Mỹ (42), Trung 
Quốc (17), Pháp (10), Nhật Bản (8) và Đức (8). 
Nhiều nước đang phát triển cũng có các lò phản 
ứng nghiên cứu, bao gồm Algeria, Bangladesh, 
Colombia, Ghana, Jamaica, Libya, Ma-rốc, 
Nigeria, Thái Lan và Việt Nam. Một số quốc gia 
khác đang xây dựng hoặc lên kế hoạch xây dựng 
các lò phản ứng nghiên cứu đầu tiên trong tương 
lai gần, cụ thể là Jordan, Azerbaijan, Sudan, 
Bolivia, Tanzania và Ả-rập Xê-út.
2. Các đặc trưng của nơtron
Lò phản ứng nghiên cứu chủ yếu được sử 
dụng để cung cấp các nơtron. Tuy nhiên, hầu hết 
mọi người không thấy rõ những thành tựu của 
nghiên cứu nơtron đã ảnh hưởng đến cuộc sống 
hàng ngày như thế nào. Nghiên cứu phát hiện 
nơtron của nhà vật lý người Anh J. Chadwick vào 
năm 1932 đã nhận giả thưởng Nobel năm 1935. 
Nhiều nghiên cứu áp dụng các kỹ thuật tán xạ 
nơtron cũng đã bắt đầu phát triển mạnh vào giữa 
những năm 1950. Các nơtron, cùng với proton, 
là thành phần cấu thành của hạt nhân nguyên tử, 
nhưng cũng có thể tồn tại độc lập. Để hiểu tại sao 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
3Số 50 - Tháng 3/2017
các nhà vật lý, các nhà nghiên cứu hóa học, các 
bác sĩ, nhà sinh vật học và các nhà địa chất học 
lại quan tâm tới việc sử dụng nơtron trong nghiên 
cứu và phát triển cũng như trong nhiều ứng dụng 
công nghiệp, cần phải biết bản chất đặc biệt của 
nơtron và cách chúng tương tác với vật chất:
• Nơtron trung hòa về điện. Chúng có thể 
thâm nhập và có thể kiểm tra vật liệu (kiểm tra 
không phá hủy). Ví dụ, nơtron hỗ trợ xây dựng và 
kiểm soát chất lượng của các bộ phận trong công 
nghiệp chế tạo ô tô hoặc máy bay.
• Nơtron rất nhạy với các hạt nhân nhẹ. Vì 
vật liệu sống chủ yếu gồm có hydro, yếu tố nhẹ 
nhất trong vũ trụ, nên các nơtron rất lý tưởng cho 
việc nghiên cứu vật chất sinh học hoặc các thiết 
bị khác có chứa hyđrô như vật liệu composite.
• Nơtron có thể gây ra phản ứng hạt nhân 
và do đó dẫn đến việc chuyển đổi và kích hoạt 
các mẫu chiếu xạ. Các quá trình này cung cấp pha 
tạp silic cho ngành công nghiệp bán dẫn hoặc cho 
biết tuổi của các mẫu đá. Một trong những ứng 
dụng quan trọng của chuyển đổi trong các lò phản 
ứng nghiên cứu là sản xuất các đồng vị phóng 
xạ, được sử dụng trong chẩn đoán y tế và điều trị 
ung thư. Kích hoạt nơtron giúp cải thiện chất dẻo, 
chẩn đoán bệnh tật, hoặc điều tra ô nhiễm bằng 
cách phân tích hàm lượng các chất trong mẫu.
• Các nơtron có momen từ do spin của 
chúng. Các cấu trúc từ có thể được nghiên cứu 
bằng nơtron và chúng giúp phát triển các thiết bị 
lưu trữ từ tính mới. Spin giúp cho các phép đo các 
tính chất vật liệu chính xác hơn.
• Các nơtron có bước sóng từ 10-15 m 
đến 10-5 m. Thông tin cấu trúc từ mức nguyên tử 
đến mức vi mô có thể được nghiên cứu sử dụng 
nơtron, với các ứng dụng phổ biến nhất là từ 10-11 
m và 10-5 m.
• Các nơtron có các năng lượng tương tự 
như các kích thích cơ bản trong chất rắn. Do đó 
có thể sử dụng chúng trong nghiên cứu động học 
của các phân tử và mạng phân tử.
Các tính chất độc đáo của nơtron làm 
cho chúng trở thành một công cụ có giá trị trong 
nghiên cứu khoa học và phát triển công nghệ.
3. Các kiểu lò phản ứng nghiên cứu
Các lò phản ứng nghiên cứu bao gồm 
nhiều loại lò phản ứng khác nhau không sử dụng 
để phát điện. Đầu tiên việc sử dụng các lò phản 
ứng nghiên cứu là cung cấp nguồn nơtron cho 
nghiên cứu và các ứng dụng khác nhau, kể cả 
giáo dục và đào tạo. Các lò phản ứng nghiên cứu 
nhỏ so với các lò phản ứng công suất trong các 
nhà máy điện nguyên tử. Công suất các lò phản 
ứng nghiên cứu được thiết kế có thể dao động từ 
không (chẳng hạn như các cơ cấu tới hạn) lên đến 
200 MW (nhiệt). Phân bố các lò nghiên cứu theo 
công suất được nêu trong hình 3.
Hình 3. Phân bố theo công suất các lò 
nghiên cứu (tính từ 1942, theo IAEA RRDB)
Các lò phản ứng nghiên cứu cũng đơn 
giản hơn các lò phản ứng công suất và hoạt động 
ở nhiệt độ thấp hơn. Chúng cần ít nhiên liệu 
hơn, và tích lũy các sản phẩm phân hạch cũng 
ít hơn. Mặt khác, nhiên liệu của lò nghiên cứu 
lại cần urani làm giàu cao hơn, thường lên đến 
20% U-235, so với lò phản ứng công suất (3-5%). 
Một số lò phản ứng nghiên cứu không chuyển 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
4 Số 50 - Tháng 3/2017
đổi vẫn sử dụng nhiên liệu urani làm giàu (HEU) 
có hàm lượng U-235 lên đến 90%. Các lò phản 
ứng nghiên cứu cũng có mật độ công suất rất cao 
trong vùng hoạt, đòi hỏi các tính năng thiết kế 
đặc biệt. Giống như lò phản ứng công suất, vùng 
hoạt đòi hỏi phải được làm mát, và thường cần có 
chất làm chậm để làm chậm nơtron giúp duy trì 
phản ứng phân hạch. Nhiều lò phản ứng nghiên 
cứu cũng sử dụng lớp phản xạ để giảm rò thoát 
nơtron ra ngoài.
Lò phản ứng nghiên cứu của các nước 
phương Tây chủ yếu là thiết kế TRIGA (Training, 
Research, Isotope of General Atomic). TRIGA là 
một trong những thiết kế lò nghiên cứu phổ biến 
nhất do General Atomic thiết kế với 66 lò tại 24 
nước. Bó nhiên liệu dạng lục giác là một trong 
những thiết kế đặc trưng của lò VVER, kể cả các 
lò nghiên cứu do Nga thiết kế, chế tạo.
Hình 4. Lò phản ứng nghiên cứu TRIGA 
tại Đại học Tổng hợp Mainz, CHLB Đức
Về mặt thiết kế, các thành phần chính của 
lò nghiên cứu bao gồm: 
• Nhiên liệu: Urani tự nhiên hoặc làm 
giàu (hỗn hợp dạng rắn hoặc lỏng).
• Dạng: Kim loại, hợp kim, oxit, silic.
• Vỏ bọc nhiên liệu: Nhôm, zirconi, thép 
không gỉ.
• Chất làm chậm: nước thường, nước 
nặng, graphit, berili.
• Vật liệu hấp thụ (điều khiển): Boron, 
cadmi, nickel.
• Chất làm mát: Nước nhẹ, khí, sodium, 
PbBi.
• Thùng lò phản ứng: Chứa các thành 
phần cấu trúc kể cả vùng hoạt của lò phản ứng.
Hình 5. Thùng lò phản ứng LR-0 (Viện 
Vật lý hạt nhân, CH Sec) với các bó nhiên liệu 
dạng lục giác, một trong những đặc trưng thiết kế 
nhiên liệu hạt nhân của Nga
Có nhiều kiểu thiết kế lò phản ứng nghiên 
cứu so với các lò phản ứng công suất trong các 
nhà máy điện hạt nhân và chúng cũng có các chế 
độ hoạt động khác nhau, có thể ổn định hoặc vận 
hành ở chế độ xung. Các thiết kế thông dụng là 
dạng bể bơi (pool-type), thùng chứa (tank-type) 
và thùng chứa trong bể (tank-in-pool). Trong lò 
phản ứng kiểu bể bơi, vùng hoạt được đặt trong 
một bể nước lớn dạng hở. Trong lò phản ứng kiểu 
thùng chứa, vùng hoạt được chứa trong thùng, 
giống như trong các nhà máy điện hạt nhân. 
Trong các lò phản ứng dạng thùng chứa trong 
bể, vùng hoạt nằm trong bể, nhưng được bao bọc 
trong thùng chứa với chất làm mát được bơm 
qua thùng. Thùng chứa chất làm chậm / phản xạ, 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
5Số 50 - Tháng 3/2017
thường khác với chất làm mát. Giữa các phần 
tử nhiên liệu là các thanh điều khiển và không 
gian trống (kênh) cho các thí nghiệm. Trong một 
thiết kế đặc biệt, Lò thử nghiệm vật liệu, phần 
tử nhiên liệu bao gồm một số tấm nhiên liệu phủ 
nhôm trong một hộp đứng. Nước được dùng làm 
chất làm chậm và làm mát lò phản ứng, trong 
khi graphit hoặc berili thường được sử dụng làm 
chất phản xạ, hoặc các vật liệu khác cũng có thể 
được sử dụng. Các ống chùm tia dạng tròn hoặc 
ellipsoit xuyên qua lớp cản xạ, thùng lò phản ứng 
để tiếp cận các chùm nơtron và gamma trong 
vùng hoạt để tiến hành thực nghiệm trong phòng 
lò phản ứng. Lò phản ứng TRIGA là một thiết kế 
phổ biến khác. Loại lò phản ứng này rất linh hoạt: 
vì nhiên liệu ở dạng U-ZrH, nó có thể hoạt động 
ở trạng thái ổn định hoặc được tạo xung một cách 
an toàn đến mức công suất rất cao ở mức vài phần 
giây (cỡ GW). Các loại vùng hoạt khác được làm 
mát và làm chậm bằng nước nặng. Những loại 
ít phổ biến hơn là các lò phản ứng sử dụng các 
nơtron nhanh không yêu cầu chất làm chậm và 
sử dụng HEU hoặc hỗn hợp urani và plutoni làm 
nhiên liệu. Các lò phản ứng kiểu đồng nhất có 
vùng hoạt ở dạng bể chứa dung dịch urani lỏng.
Hình 7. Phân loại các lò nghiên cứu đang 
vận hành (Nguồn: IAEA RRDB)
4. Các ứng dụng của lò nghiên cứu
Các lò phản ứng nghiên cứu cung cấp các 
ứng dụng đa dạng, như chùm nơtron cho nghiên 
cứu vật liệu và kiểm tra không phá hủy, phân tích 
kích hoạt nơtron, sản xuất đồng vị phóng xạ dùng 
cho y tế và công nghiệp, chiếu xạ nơtron để kiểm 
tra vật liệu cho các lò phản ứng phân hạch và 
nhiệt hạch, pha tạp silic, đổi màu đá quý, v.v 
Một lĩnh vực quan trọng khác nữa mà các lò phản 
ứng nghiên cứu có đóng góp rất lớn là giáo dục 
và đào tạo trong các lĩnh vực công nghệ hạt nhân 
cho các nhân viên bảo trì và vận hành các cơ sở 
hạt nhân, nhân viên an toàn bức xạ, sinh viên và 
cán bộ nghiên cứu.
Bảng 1. Ứng dụng lò phản ứng trong một 
số lĩnh vực
Ứng dụng Số lò phản ứng Tỷ lệ % 
Giáo dục và đào tạo 176 71 
Phân tích kích hoạt nơtron 128 52 
Sản xuất đồng vị phóng xạ 98 40 
Chụp ảnh nơtron 72 29 
Chiếu xạ / kiểm tra nhiên liệu / vật liệu 60 24 
Tán xạ nơtron 50 20 
Đo số liệu hạt nhân 42 17 
Pha tạp silic 30 12 
Địa động học (geochronology) 26 11 
Đổi màu đá quý 21 9 
Trị liệu nơtron (nơtron therapy) 19 8 
Khác 140 56 
4.1. Giáo dục và đào tạo
Các lò phản ứng nghiên cứu có tiềm năng 
tạo ra nhận thức về những ưu điểm của công nghệ 
hạt nhân đối với phát triển xã hội, bao gồm nhiều 
ứng dụng y tế. Thông tin và đào tạo về việc sử 
dụng lò phản ứng nghiên cứu có thể được cung 
cấp cho sinh viên cũng như công chúng quan tâm. 
Nhiều lò phản ứng nghiên cứu được xây dựng tại 
các trường đại học, viện nghiên cứu đóng vai trò 
như công cụ chính trong giáo dục và đào tạo ngay 
tại các thành phố lớn. Các đóng góp cho quá trình 
đào tạo bao gồm:
• Đào tạo thực hành trong lĩnh vực khoa 
học hạt nhân, bảo vệ chống bức xạ, thiết bị hạt 
nhân và vật lý lò phản ứng.
• Đảm bảo sự hiểu biết rộng rãi về việc sử 
dụng các lò phản ứng nghiên cứu thông qua các 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
6 Số 50 - Tháng 3/2017
nghiên cứu khoa học và các thực nghiệm trình 
diễn.
• Phát triển, xây dựng các kiến thức nền 
tảng và bí quyết cơ bản (know-how) cho hoạt 
động của nhà máy điện hạt nhân thông qua việc 
huấn luyện nhân viên vận hành và nhân viên pháp 
quy.
4.2. Nghiên cứu vật liệu 
Nơtron tạo điều kiện thuận lợi cho việc 
nghiên cứu các tính chất vật liệu, ví dụ: Kính, 
chất dẻo, kim loại, protein, axit amin, hoặc vật 
liệu từ tính. Các nhà khoa học và kỹ sư nhận được 
thông tin về cấu trúc bên trong, sự sắp xếp và sự 
năng động của các nguyên tử cũng như cách hoạt 
động của chúng.
Hầu hết mọi người đều biết rằng kính hiển 
vi và tia X có thể được dùng để nghiên cứu chi 
tiết các vật thể. Tuy nhiên, những phương pháp 
này không phải lúc nào cũng thích hợp và đầy 
đủ. Phương pháp kính hiển vi tiêu chuẩn sử dụng 
nơtron là chụp ảnh nơtron. Trong nhiều trường 
hợp, các ứng dụng hạt nhân phát triển toàn bộ 
tiềm năng nếu chúng được áp dụng theo cách bổ 
sung cho nhau, ví dụ, kết hợp chụp X quang và 
nơtron. Ưu điểm của nơtron là chúng nhạy với 
các nguyên tố nhẹ, ví dụ như nước, trong khi tia 
X nhạy hơn với các nguyên tố nặng, ví dụ như 
các thành phần của thép. Do đó, kỹ thuật này có 
thể được sử dụng trong công nghiệp nhằm kiểm 
soát chất lượng. Sử dụng nơtron, có thể phát hiện 
được lớp keo dán epoxy trong tấm kim loại của 
một chiếc xe hơi hoặc máy bay.
Chụp ảnh bằng tia X có từ lâu và là công 
cụ chủ yếu trong y tế và kiểm tra không phá mẫu. 
Khi xuyên qua vật chất tia X tương tác với các 
đám mây electron của nguyên tử. Vì vậy độ suy 
giảm của tia X phụ thuộc vào mật độ diện tích 
của đám mây các electron và độ suy giảm tăng 
theo số nguyên tử của vật chất. Không giống 
như các tia X, các nơtron chỉ tương tác với hạt 
nhân. Khi các nơtron xuyên qua lớp vỏ kim loại 
của máy ảnh một cách dễ dàng, các thành phần 
plastic (chứa hydro) bên trong máy ảnh trở nên 
có thể nhìn thấy được (Hình 8. ảnh dưới), trong 
lúc ảnh thu được bằng tia X chủ yếu là phần kim 
loại của máy ảnh (Hình 8. ảnh trên).
Hình 8. Chụp ảnh bằng tia X (ảnh trên) 
và nơtron (ảnh dưới)
Chụp ảnh bằng bức xạ (radiography) 
chuyển động cũng có khả năng cung cấp hình ảnh 
trong thời gian thực, cũng như chụp cắt lớp có 
thể thu thập thông tin ba chiều. Ngay cả trong các 
vấn đề di sản văn hoá, chẳng hạn như nghệ thuật 
và khảo cổ học, nơtron rất quan trọng bởi vì các 
thành phần và sự thay đổi đặc tính của lớp sơn 
phủ trên bề mặt hiện vật đôi khi chỉ được phân 
tích bởi chiếu xạ nơtron, vì chúng có thể phân 
biệt giữa các loại sơn khác nhau.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
7Số 50 - Tháng 3/2017
Phân tích kích hoạt nơtron là một kỹ 
thuật quan trọng để phân tích các nguyên tố trong 
nước, không khí, đất đá, thiên thạch, và ngay cả 
các sản phẩm nông nghiệp và thực vật. Các mẫu 
được chiếu xạ trong lò phản ứng và sau đó bức xạ 
gamma đặc trưng phát ra từ hạt nhân kích hoạt có 
thể xác định được các nguyên tố vi lượng trong 
phạm vi một phần tỷ (ppb). Kỹ thuật này có thể 
được sử dụng trong phân tích môi trường để mô 
tả đặc tính ô nhiễm, trong khảo cổ học để tái tạo 
lại hình dáng của tổ tiên, và trong y sinh học để 
thực hiện một số chẩn đoán hoocmon và phát 
hiện bệnh.
Nhờ các nơtron trong địa động học, có thể 
lùi xa hơn về thời gian và xác định tuổi của đá 
bằng năm Trái Đất (4,6 tỷ năm).
Nơtron giúp kiểm tra, đánh giá và tạo ra 
các vật liệu mới cho nghiên cứu và công nghiệp.
Tùy thuộc vào thành phần và đặc tính của 
các vật liệu, chúng trở nên dễ vỡ, đàn hồi hoặc 
cứng, và có thể phồng rộp, thay đổi thành phần, 
giải phóng khí,... Mỗi hợp kim, gốm và nhựa có 
đặc tính riêng của nó và có thể kiểm chứng bằng 
các thực nghiệm chiếu xạ. Hầu hết các lò phản 
ứng trong các nhà máy điện hạt nhân ban đầu 
được xây dựng với tuổi thọ 30-40 năm, nhưng 
xu hướng hiện nay là kéo dài đến 50-60 năm. Sự 
kéo dài thời gian vận hành của các nhà máy điện 
hạt nhân dựa trên các kiểm tra về đáp ứng của vật 
liệu được thực hiện tại các lò phản ứng nghiên 
cứu. Ngoài ra, các lò phản ứng nghiên cứu cũng 
được sử dụng để phát triển, thử nghiệm, hiệu 
chuẩn và đánh giá các detector và các thiết bị đo 
đạc khác. Mặc dù chi phí trong nghiên cứu, phát 
triển và sản xuất vật liệu có chi phí đầu tư tương 
đối thấp, nhưng chúng cho đóng góp lớn, không 
thể thiếu đối với các doanh nghiệp, xã hội và nền 
kinh tế, chẳng hạn như trong công nghệ thông tin 
và nghiên cứu năng lượng.
Chiếu xạ pha tạp silic (silicon doping) 
cũng có thể thực hiện trên các thiết bị chiếu xạ 
nơtron. Một số nguyên tử silic được chuyển thành 
phốt pho trong một thỏi silic, thay đổi độ dẫn của 
nó theo yêu cầu cho sự phát triển ngành công 
nghiệp bán dẫn. Các lò phản ứng nghiên cứu có 
thể thiết kế để chiếu xạ các thỏi lớn, và các kỹ 
thuật đã cải thiện để đáp ứng nhu cầu ngày càng 
tăng của ngành công nghiệp điện tử.
4.3. Khám phá cấu trúc vật chất
Các kỹ thuật tán xạ nơtron là những 
phương pháp mạnh để phân tích chất rắn và chất 
lỏng đông đặc. Nói chung các nơtron đơn năng 
được sử dụng cho các thí nghiệm tán xạ. Các 
nơtron tới tán xạ mà không thay đổi năng lượng 
(tán xạ đàn hồi), cung cấp thông tin về sự sắp xếp 
các nguyên tử trong vật liệu. Khi nơtron trải qua 
sự thay đổi năng lượng trong quá trình tán xạ (tán 
xạ không đàn hồi), điều này có thể mang lại thông 
tin về sự chuyển động của các nguyên tử trong 
chất lỏng, tức là sự năng động của nguyên tử.
Tại sao hiểu biết về cơ cấu nội tại của vật 
chất rất quan trọng? Bởi vì cấu trúc ở mức độ vi 
lượng và nguyên tử quyết định các tính chất vĩ 
mô của vật liệu, bao gồm phản ứng của chúng 
như thế nào: kim cương và graphite trong bút chì 
đều chỉ gồm các nguyên tử cacbon, nhưng một 
cái là trong suốt và cái kia là màu đen, một cái 
thì cứng và một cái thì giòn, do cấu trúc hoàn 
toàn khác nhau của chúng. Hình dạng bông tuyết 
tương ứng với các cấu trúc tinh thể khác nhau, và 
một số kim loại trở nên cứng hơn khi chúng bị 
chiếu xạ vì những thay đổi cấu trúc. Các nơtron, 
do các đặc tính độc đáo của chúng, góp phần vào 
sự khám phá và hiểu biết về các thông tin chi tiết 
liên quan đến cấu trúc của vật chất.
Bằng việc tiến hành tán xạ nơtron, các 
nhà sinh học học hiểu xương bị khoáng hoá trong 
quá trình phát triển, hoặc cách chúng tự sửa chữa 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
8 Số 50 - Tháng 3/2017
và phân rã trong suốt quá trình loãng xương. Các 
nhà hóa học cải thiện pin và pin nhiên liệu, trong 
khi các nhà vật lý tạo ra các nam châm mạnh hơn 
có thể được sử dụng trong tương lai. Các chuyên 
gia về nơtron nghiên cứu các protein cần thiết 
cho các chức năng phức tạp của não. Cấu trúc là 
chìa khóa của nhiều đột phá trong khoa học. Một 
cộng đồng hàng ngàn nhà nghiên cứu đang sử 
dụng lò phản ứng nghiên cứu. Khi việc sử dụng 
tán xạ nơtron được sử dụng ở các khu vực khác 
nhau, những ý tưởng mới đòi hỏi sự hợp tác mới 
và nghiên cứu phối hợp mới kết hợp các ngành 
khoa học khác nhau.
4.4. Sản xuất đồng vị phóng xạ và ứng dụng y 
học
Các đồng vị phóng xạ được sản xuất trong 
các lò phản ứng nghiên cứu giúp chẩn đoán và 
điều trị nhiều bệnh thông thường kể cả ung thư.
Theo Tổ chức Y tế thế giới, ung thư là 
nguyên nhân hàng đầu gây tử vong trên toàn thế 
giới. Tế bào ung thư rất nhạy với tổn thương chiếu 
xạ, và đó là lý do tại sao các liệu pháp thường sử 
dụng đồng vị phóng xạ. Đồng vị phóng xạ cũng 
rất hữu ích để chẩn đoán nhiều căn bệnh. Các con 
số thống kê sau cho thấy ứng dụng của các đồng 
vị phóng xạ trong y học:
• 10.000 bệnh viện sử dụng đồng vị phóng 
xạ.
• 90% thủ tục y học hạt nhân là chụp hình 
chẩn đoán, trong đó 80% sử dụng Tc-99m, tức là 
80.000 thủ thuật mỗi ngày.
• Hiện có hơn 200 đồng vị phóng xạ đang 
được sử dụng.
Việc sản xuất lượng đồng vị phóng xạ 
nhằm sử dụng thương mại đòi hỏi phải có một lò 
phản ứng nghiên cứu đặc biệt thích ứng với thông 
lượng nơtron cao và các hot cell. Đồng vị phóng 
xạ quan trọng nhất và được sử dụng rộng rãi là 
technetium-99m (Tc-99m). Tc-99m thu được 
từ đồng vị molybden-99 (Mo-99), một đồng vị 
thường được tạo ra thông qua phân hạch urani 
trong các lò phản ứng nghiên cứu. Thời gian bán 
hủy ngắn của Tc-99m (6 giờ) và bức xạ năng 
lượng thấp sẽ làm giảm liều chiếu xạ của bệnh 
nhân trong khi chẩn đoán. Nó có các ứng dụng 
trong việc đánh giá các tình trạng bệnh lý của tim, 
thận, phổi, gan, lá lách và xương, và cũng được 
sử dụng cho các nghiên cứu về máu. Tuy nhiên, 
thời gian sống ngắn của Mo-99 (66 giờ) làm cho 
việc phân phối khó khăn và không thể lưu giữ 
trong kho. Ngoài ra, hiện nay phần lớn nguồn 
cung cấp Mo-99 toàn cầu do 5 nhà sản xuất công 
nghiệp sản xuất sử dụng tám lò nghiên cứu cho 
chiếu xạ. Kể từ năm 2008, đã có sự thiếu hụt trên 
diện rộng của Mo-99. 
Hình 9. Hoạt độ tổng cộng của các đồng 
vị phóng xạ (ảnh trên) và các chế phẩm của lò 
phản ứng hạt nhân Đà Lạt sử dụng trong y tế 
(ảnh dưới)
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
9Số 50 - Tháng 3/2017
Liệu pháp điều trị ung thư bằng tương 
tác nơtron - boron (BNCT) là một phương pháp 
điều trị ung thư thử nghiệm ở các vùng rất cụ thể 
của cơ thể người, chẳng hạn như não và miệng. 
Kỹ thuật này, mặc dù vẫn đang trong giai đoạn 
thử nghiệm, đang được nghiên cứu tại một vài 
lò phản ứng nghiên cứu trên thế giới và bao gồm 
việc nạp bo vào khối u, và sau đó chiếu xạ nó với 
nơtron. Các hạt alpha ion hóa mạnh được tạo ra 
bởi sự tương tác giữa các nơtron và boron. Các 
hạt có khoảng rất ngắn trong mô của con người, 
và do đó năng lượng cao cục bộ làm cho BNCT 
hiệu quả trong việc giết chết các tế bào khối u chỉ 
trong một vài lần chiếu.
4.5. Nghiên cứu nhiên liệu hạt nhân
Không giống như nhiên liệu sử dụng trong 
lò phản ứng hạt nhân công suất (3-5% U-235 làm 
giàu), nhiều lò phản ứng hạt nhân nghiên cứu 
dân sự đã vận hành bằng cách sử dụng nhiên liệu 
uranium làm giàu cao (HEU, trên 20% U-235). 
Làm giàu cao hơn có thể cho phép vùng hoạt nhỏ 
hơn với thông lượng nơtron cao hơn, thời gian 
sử dụng nhiên liệu lâu hơn và khả năng sử dụng 
đa dạng hơn. Tuy nhiên, hầu hết các lò phản ứng 
nghiên cứu hiện đang vận hành sử dụng nhiên 
liệu urani làm giàu thấp (LEU) hoặc có thể 
chuyển sang sử dụng nhiên liệu LEU trong khi 
vẫn duy trì các đặc tính hoạt động mong muốn. 
Do những lo ngại về an ninh xung quanh việc sử 
dụng HEU, vào năm 1980, Liên hợp quốc đã tài 
trợ cho chương trình Đánh giá chu trình nhiên 
liệu hạt nhân quốc tế và đi đến kết luận rằng việc 
làm giàu uranium U-235 trong nhiên liệu lò phản 
ứng nghiên cứu nên giảm xuống dưới 20% để 
chống lại sự gia tăng vũ khí hạt nhân. Kết luận 
này được đưa ra sau khi có chương trình giảm 
độ giàu của các lò nghiên cứu và thử nghiệm của 
Hoa Kỳ năm 1978.
Đến năm 2015, có 93 trong số khoảng 
150 lò phản ứng nghiên cứu, vận hành sử dụng 
nhiên liệu HEU, và các cơ sở liên quan đã được 
chuyển thành nhiên liệu LEU. Đối với những lò 
phản ứng không thể chuyển đổi sử dụng các nhiên 
liệu LEU hiện có, các nỗ lực quốc tế đang được 
tiến hành để phát triển một loại nhiên liệu LEU 
thế hệ mới dựa trên hợp kim uranium molybden. 
Nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt cũng 
đã chuyển đổi thành công từ HEU (36%) sang sử 
dụng nhiên liệu LEU (dưới 20%).
5. An toàn các lò nghiên cứu và vai trò của 
IAEA
Như với tất cả các ứng dụng của công 
nghệ hạt nhân, an toàn là điều tối quan trọng. 
Theo định nghĩa trong Các nguyên tắc an toàn 
của IAEA (IAEA Safety Fundamentals No. SF-
1), mục tiêu an toàn chính trong các cơ sở hạt 
nhân là bảo vệ con người và môi trường khỏi tác 
hại của bức xạ ion hoá bằng cách thiết lập và duy 
trì biện pháp bảo vệ hiệu quả chống lại các nguy 
cơ về phóng xạ. Mục tiêu an toàn này đòi hỏi các 
thiết bị hạt nhân được thiết kế và vận hành sao 
cho tất cả các nguồn bức xạ được kiểm soát về 
mặt kỹ thuật và quản lý nghiêm ngặt.
Tương lai của lò phản ứng nghiên cứu 
đang thay đổi trong thị trường có tính cạnh tranh 
về kinh tế và đòi hỏi an toàn cao hơn. Để tồn tại 
trong môi trường khó khăn ngày nay, các lò phản 
ứng nghiên cứu phải được quản lý, lên kế hoạch, 
nghiên cứu, tài trợ và tiếp thị. IAEA đang giúp 
các quốc gia thành viên theo đuổi chiến lược sử 
dụng hợp lý các lò nghiên cứu. IAEA cũng hỗ trợ 
các nước phát triển các kế hoạch chiến lược cho 
sự bền vững lâu dài của lò phản ứng nghiên cứu.
Nhiệm vụ Đánh giá An toàn Tích hợp Lò 
phản ứng nghiên cứu (INSARR) là một dịch vụ 
an toàn của IAEA được cung cấp theo yêu cầu 
cho tất cả các quốc gia thành viên. Trong hoạt 
động này, sự an toàn của lò phản ứng được xem 
xét, đánh giá lại dựa trên các tiêu chuẩn an toàn 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
10 Số 50 - Tháng 3/2017
của IAEA. Các khu vực đánh giá chính bao gồm 
thiết kế, phân tích an toàn, giám sát pháp quy, vận 
hành và bảo dưỡng lò phản ứng, bố trí và thực 
hiện thực nghiệm và sửa đổi, an toàn bức xạ và 
quản lý chất thải phóng xạ.
IAEA cũng tiếp tục hỗ trợ một số sáng 
kiến nhằm hỗ trợ các quốc gia thành viên trong 
các dự án chuyển đổi cơ bản và hồi hương nhiên 
liệu, khuyến khích hợp tác thông qua các dự án 
nghiên cứu phối hợp cũng như hỗ trợ việc sử 
dụng an toàn lò phản ứng nghiên cứu thông qua 
các dự án hợp tác kỹ thuật quốc gia và khu vực. 
Ngoài ra, IAEA tiếp tục khuyến khích áp dụng 
Quy tắc ứng xử (Code of Conduct) về an toàn của 
lò phản ứng nghiên cứu và các tiêu chuẩn an toàn 
liên quan.Thông qua kế hoạch chiến lược, IAEA 
hỗ trợ các quốc gia thành viên trở thành một phần 
của các liên minh và mạng lưới lò nghiên cứu để 
cải thiện việc sử dụng, hiện đại hóa và tính bền 
vững của các lò nghiên cứu hiện tại. Các quốc gia 
không có lò nghiên cứu được khuyến khích tham 
gia vào các liên minh này như là bước đầu tiên 
trong việc phát triển năng lực quốc gia của họ, 
như là một đối tác hoặc là người dùng cuối của 
các sản phẩm và dịch vụ lò nghiên cứu. Các lò 
phản ứng nghiên cứu là công cụ đào tạo, nghiên 
cứu và công nghệ rất có giá trị mang lại lợi ích 
kinh tế - xã hội và góp phần quan trọng vào việc 
xây dựng, duy trì và phát triển tiềm lực khoa học 
công nghệ của quốc gia.
Các lò phản ứng nghiên cứu đã và sẽ tiếp 
tục đóng một vai trò rất quan trọng trong những 
thập kỷ tới. Hiện tại, 6 lò phản ứng nghiên cứu 
mới đang được xây dựng, 11 lò đã được xây dựng 
trong 10 năm qua và 19 lò đã hoàn thành trong 
giai đoạn 2005 - 2014. Một số lò phản ứng mới 
này được thiết kế để cung cấp thông lượng nơtron 
cao và sẽ là lò phản ứng đa mục tiêu hoặc dành 
riêng cho những nhu cầu cụ thể cho thế hệ kế tiếp 
của các lò phản ứng hạt nhân phân hạch và tổng 
hợp nhiệt hạch trong tương lai.
Lê Đại Diễn
Trung tâm Đào tạo hạt nhân
______________________
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Research Reactors: Purpose and Future. 
IAEA, 2016.
2. Pablo Adelfang. Main Challenges 
Facing Research Reactors. October 23-24, 2014 
The National Academy of Sciences, Washington, 
DC.
3. Nguyen Nhi Dien et al. Utilisation 
of the Dalat Research Reactor After Its Core 
Conversion. Joint IGORR 2014/ IAEATechnical 
Meeting, 17–21 November 2014,Bariloche, 
Argentina.
4. Danas Ridikas. Introduction to 
Research Reactors. IAEA, Vienna, Austria.