Tìm hiểu về công nghệ lò phản ứng nghiên cứu

THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
11Số 50 - Tháng 3/2017
Theo số liệu thống kê năm 2016 của Cơ 
quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA), đã 
có 757 LPƯNC được xây dựng (trong đó có 612 
lò tại 28 nước phát triển và 145 lò tại 40 nước 
đang phát triển), bao gồm 246 lò đang vận hành, 
9 lò đang xây dựng, 144 lò đã dừng hoạt động 
nhưng chưa tháo dỡ, và 358 lò đã tháo dỡ. Thời 
điểm có số lượng LPƯNC vận hành nhiều nhất 
là năm 1975 với 373 lò vận hành trong 55 nước. 
Trong số lò phản ứng đang vận hành và xây dựng 
nêu trên, có 159 lò thuộc các nước phát triển và 
96 lò thuộc các nước đang phát triển, cho thấy 
xu hướng số lượng LPƯNC giảm nhanh ở các 
nước phát triển, trong lúc đó các nước đang phát 
TÌM HIỂU VỀ CÔNG NGHỆ
LÒ PHẢN ỨNG NGHIÊN CỨU
(Phần 1: Các thông tin chung)
Năm 1934, Enrico Fermi và các cộng sự của ông đã phát hiện ra hiện tượng khi bắn phá 
nơtrôn nhiệt (năng lượng 0,025 eV) vào urani sẽ tạo ra các nguyên tố siêu urani. Đầu năm 1939, Lise 
Meitner và Otto Frisch đã đi đến kết luận rằng nơtrôn kích thích sự phân chia hạt nhân của urani 
thành từng cặp có khối lượng gần bằng nhau. Những công việc phôi thai này đã tạo nên sự quan tâm 
đặc biệt để nghiên cứu phản ứng hạt nhân dây chuyền tự duy trì có khả năng điều khiển, mà kết quả 
là vào ngày 2/12/1942, tại Trường Đại học Chicago (Hoa Kỳ), đã khởi động thành công thiết bị duy 
trì phản ứng hạt nhân dây chuyền CP-1 dưới sự dẫn dắt của Enrico Fermi, đánh dấu thời điểm Lò 
phản ứng hạt nhân nghiên cứu (LPƯNC) đầu tiên ra đời.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
12 Số 50 - Tháng 3/2017
triển vẫn sử dụng LPƯNC như là thiết bị hạt nhân 
chính để thực hiện các nghiên cứu, ứng dụng và 
đào tạo nguồn nhân lực hạt nhân cho quốc gia. 
Số lượng 246 lò đang vận hành và 9 lò 
đang xây dựng được phân bố theo vùng và khu 
vực như sau: Bắc Mỹ – 49, châu Mỹ Latinh – 19, 
Tây Âu – 40, Đông Âu – 79, châu Phi – 9, Trung 
Đông và Nam Á – 17, Đông Nam Á và Thái Bình 
Dương – 6, vùng viễn Đông – 36. Tính theo quốc 
gia thì Liên bang Nga đang vận hành 63 lò, sau 
đó là Hoa Kỳ – 42, Trung Quốc – 17, Pháp – 10, 
Đức – 8, v.v... Trong vùng Đông Nam Á, quốc 
gia có số lượng LPƯNC nhiều nhất là Indonesia, 
đang vận hành 3 lò phản ứng.
Khác với lò phản ứng năng lượng trong 
các nhà máy điện hạt nhân là sử dụng nhiệt năng 
để tạo ra năng lượng điện, LPƯNC sử dụng các 
bức xạ hạt nhân và các sản phẩm phân hạch để 
tạo ra nhiều sản phẩm thứ cấp nên chúng rất đa 
dạng và có nhiều cách phân loại, ví dụ: 
Theo tiêu chí sử dụng, chất tải nhiệt và cơ 
chế làm mát vùng hoạt, LPƯNC có thể được phân 
thành lò chuyên dụng cho một hoặc chỉ một vài 
mục đích nhất định, lò đa mục tiêu, lò nước nhẹ, 
lò nước nặng, lò dùng cơ chế đối lưu tự nhiên, lò 
đối lưu cưỡng bức, v.v
Theo tiêu chí về công suất làm việc, 
LPƯNC có thể phân ra: lò công suất không (với 
mức công suất < 10 kW nhiệt – sau đây viết là 
kWt), lò công suất thấp (từ 10 kWt - 1 MWt), lò 
công suất trung bình (từ 1 - 5 MWt), lò công suất 
cao (trên 5 MWt), lò làm việc ở chế độ xung có 
công suất đến GWt trong thời gian ngắn, v.v... 
Tuy nhiên, việc phân loại các mức công suất nêu 
trên chỉ là tương đối.
Theo mục đích sử dụng, có thể phân loại 
là lò nghiên cứu, lò thử nghiệm, lò huấn luyện và 
đào tạo, cơ cấu tới hạn, v.v
Theo cấu tạo lò phản ứng, có thể phân loại 
gồm lò loại bể, lò loại thùng, lò TRIGA, lò WWR, 
lò SLOWPOKE, lò HOMOG., lò ARGONAUT, 
v.v
Từ các cách phân loại đa dạng như trên, 
trong số 246 LPƯNC đang vận hành được thống 
kê như sau: 98 lò (chiếm 40%) có nghiên cứu 
và sản xuất đồng vị phóng xạ, 128 lò (chiếm 
52%) có nghiên cứu và dịch vụ phân tích kích 
hoạt nơtrôn, 72 lò (chiếm 29%) có nghiên cứu 
và ứng dụng chụp ảnh nơtrôn, 60 lò (chiếm 24%) 
có nghiên cứu và ứng dụng chiếu xạ thử nghiệm 
vật liệu và nhiên liệu hạt nhân, 50 lò (20%) có 
ứng dụng nghiên cứu vật liệu bằng kỹ thuật tán 
xạ và nhiễu xạ nơtrôn trên các kênh ngang, 42 lò 
(chiếm 17%) có ứng dụng nghiên cứu và đo đạc 
số liệu hạt nhân, 30 lò (chiếm 12%) có nghiên 
cứu và dịch vụ chiếu xạ pha tạp silic đơn tinh 
thể, 21 lò (chiếm 9%) có nghiên cứu và dịch vụ 
chiếu xạ tạo màu đá quý, có 19 lò (chiếm 8%) 
có nghiên cứu và dịch vụ về lĩnh vực xạ trị bằng 
bắt nơtrôn của đồng vị 10B (BNCT), có 176 lò 
(chiếm 71%) thực hiện các khóa đào tạo và huấn 
luyện, v.v... Như vậy, mục đích đào tạo nguồn 
nhân lực hạt nhân chiếm tỷ lệ cao nhất, sau đó là 
tạo ra các sản phẩm và dịch vụ phục vụ phát triển 
kinh tế - xã hội như phân tích nguyên tố, sản xuất 
đồng vị phóng xạ, v.v...
Vì vậy, tùy nhu cầu và mục đích sử dụng, 
tiềm lực tài chính và khả năng về nhân lực mà 
mỗi quốc gia sẽ có định hướng xây dựng các loại 
LPƯNC khác nhau về mức công suất, về chủng 
loại, về công nghệ, về các mục tiêu ứng dụng, 
v.v... hoặc xây dựng nhiều loại LPƯNC để cùng 
vận hành. Tuy nhiên, đối với các nước đang phát 
triển, do khó khăn về kinh phí và nguồn nhân lực 
vận hành, sử dụng nên không thể xây dựng cùng 
lúc nhiều LPƯNC trên lãnh thổ của mình mà 
chọn phương án xây dựng lò đa mục tiêu để đáp 
ứng được nhiều mục đích sử dụng.
Tính đa dạng về loại lò phản ứng cũng 
đồng nghĩa với tính đa dạng và phức tạp trong 
công nghệ và thiết kế. Vì vậy, khi tìm hiểu về 
công nghệ LPƯNC cần nắm được các khái niệm 
chung và các đặc trưng cơ bản của chúng.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
13Số 50 - Tháng 3/2017
1. Các loại lò phản ứng nghiên cứu
Có thể chia LPƯNC thành 2 loại, loại 
thùng lò (tank type) và loại bể lò (pool type). Loại 
bể lò còn được chia ra thành loại lò phản ứng có 
thùng lò với nắp đậy kín bên trên nằm trong bể 
lò (closed-tank in pool) và loại có thùng lò nằm 
bên trong bể nhưng không có nắp đậy (open-tank 
in pool). Các lò phản ứng loại thùng được đặc 
trưng bằng một vùng hoạt chứa nhiên liệu nằm 
bên trong một thùng kín. Các lớp che chắn bê-
tông và kim loại bao quanh phía ngoài thùng lò. 
Việc thao tác trong vùng hoạt chỉ có thể thực hiện 
được khi nâng các nắp che chắn. Ưu điểm của lò 
phản ứng loại thùng là có thể vận hành ở nhiệt độ 
và áp suất cao vì hệ thống truyền nhiệt vòng sơ 
cấp rất kín và cách ly với khí quyển, giống như 
lò năng lượng trong các nhà máy điện hạt nhân. 
Vì vậy, loại lò này thường được thiết kế cho một 
vài mục đích chuyên dụng và hiện nay gần như 
không còn sử dụng.
Các LPƯNC với thùng lò không có nắp 
đậy nằm bên trong bể (open-tank-in-pool) có 
nhiều ưu điểm hơn loại thùng kín do giá thành 
thấp, việc thao tác trong vùng hoạt tương đối dễ 
dàng, có thể nhìn xuyên qua các lớp che chắn ở 
phía trên bể lò và bể lò chứa nước làm mát không 
chịu áp suất lớn. Nước trong bể lò còn là lớp che 
chắn phóng xạ rất cần thiết ở phía trên vùng hoạt, 
loại bỏ yêu cầu phải dùng các lớp che chắn bằng 
kim loại và bê-tông giống như với lò loại thùng, 
thuận lợi cho người vận hành và sử dụng. Do khả 
năng thao tác rất thuận tiện trong vùng hoạt của 
loại lò open-tank-in-pool nên hầu hết các thiết 
kế của những lò phản ứng thế hệ mới sau năm 
2000 đến nay như lò FRM-II công suất 20 MWt 
của Đức, lò OPAL công suất 20 MWt của Úc, 
lò CARR công suất 60 MWt của Trung Quốc, 
lò RA-10 công suất 30 MWt của Argentina, lò 
RMB công suất 30 MWt của Brazil, v.v... đều 
lựa chọn loại này. Tuy nhiên đối với loại lò này 
cần phải quan tâm đến việc làm giảm trường bức 
xạ gamma quanh lò gây ra do đồng vị 16N (chu 
kỳ bán rã 7,1 giây, phân rã gamma năng lượng 
cao 5-7 MeV) và các sản phẩm kích hoạt của các 
đồng vị sống ngắn khác. Nhược điểm này được 
khắc phục bằng việc đưa vào thiết kế một bể làm 
trễ dòng nước từ lối ra vùng hoạt, hay còn gọi là 
bể phân rã (decay tank) vào chu trình mát mát 
vòng sơ cấp của lò phản ứng.
Hình 1a. Hình chiếu đứng của cấu trúc lò 
phản ứng loại bể hở (open pool)
1- hàng rào bảo vệ; 2- kênh chiếu xạ kích 
thước lớn; 3- tấm đậy bảo vệ; 4- bức vách ngăn; 
5- tấm phủ không thấm nước; 6- bình làm mát 
khẩn cấp; 7- kênh dẫn của đầu dò nơtrôn; 8- cửa 
của kênh thí nghiệm nằm ngang; 9- thùng lò phản 
ứng; 10- các động cơ thanh điều khiển; 11- hot-
cell đặt trên bể lò; 12- đường vận chuyển các bia 
đồng vị phóng xạ đã chiếu vào hot-cell.
Các Hình 1a và 1b trình bày hình chiếu 
đứng và ngang tương ứng của loại lò open-tank-
in-pool. Vách ngăn (4) chia bể lò thành 2 phần, 
phần bên trái là bể chính, nơi chứa vùng hoạt 
(17), các buồng ion hóa đo nơtrôn (13) và các cấu 
trúc liên quan được bao bởi thùng lò (9); phần 
bên phải là bể phụ, nơi lưu giữ tạm thời các bó 
nhiên liệu khi chuyển tải (19) và các bó nhiên 
liệu đã chiếu xạ (20), các vật liệu và bia sản xuất 
đồng vị sau khi chiếu xạ (22, 23) và bể nước làm 
mát khẩn cấp (6). Bể chính và bể phụ được nối 
với nhau qua cửa trung chuyển và hành lang vận 
chuyển dưới nước (18, 21) để đảm bảo an toàn 
và dễ dàng vận chuyển trong khi thao tác trong 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
14 Số 50 - Tháng 3/2017
bể lò. Với mục đích bảo vệ sinh học, bể lò được 
bao bằng kết cấu bê-tông nặng với độ dày từ 2-3 
m tùy vị trí. Ngoài ra, bể lò còn có chức năng 
giam giữ các sản phẩm phân hạch trong trường 
hợp xảy ra sự cố. Các dòng nơtrôn từ lò phản ứng 
được dẫn ra ngoài qua các ống kênh nằm ngang 
(14) để thực hiện các nghiên cứu cơ bản, nghiên 
cứu ứng dụng và đào tạo nhân lực.
Hình 1b. Hình chiếu ngang của cấu trúc 
lò phản ứng loại bể hở (open pool)
13- buồng ion hóa; 14- kênh ngang dẫn 
dòng nơtrôn từ lò ra ngoài; 15- tường bê-tông 
bảo vệ sinh học; 16- lối ra đường ống; 17- vùng 
hoạt lò phản ứng; 18- cánh cửa của lối vận 
chuyển giữa bể chính (bể lò) và bể phụ (bể dịch 
vụ); 19- nơi lưu giữ tạm thời các bó nhiên liệu; 
20- nơi lưu giữ các bó nhiên liệu đã qua sử dụng; 
21- hành lang vận chuyển; 22- nơi làm nguội các 
vật liệu sau chiếu xạ (thỏi silic, ...); 23- nơi làm 
nguội các bia sản xuất đồng vị sau chiếu xạ.
Hình 1c trình bày mặt cắt ngang của bể lò 
TRIGA loại mở, còn gọi là lò bể bơi (swimming 
pool), gồm 2 vùng hoạt cùng chung trong 1 bể, 
còn gọi là “TRIGA dual core”, gồm lò có công 
suất ổn định 14 MWt và lò xung công suất đến 
2000 MWt được xây dựng tại Viện Nghiên cứu 
hạt nhân Pitesti của Rumani. Công suất 14 MWt 
là mức cao nhất của loại lò TRIGA do Công ty 
General Atomics của Hoa Kỳ thiết kế và xây 
dựng. Thể tích nước trong bể lò phải đủ lớn để 
làm mát đồng thời cả 2 vùng hoạt.
Hình 1c. Mặt cắt ngang của lò TRIGA bể 
hở với 2 vùng hoạt độc lập
14-MW steady state reactor- lò công suất 
14 MWt; Annular core pulsing reactor- lò xung 
công suất đến 2000 MWt.
2. Vùng hoạt và vành phản xạ
Vùng hoạt (Hình 2a) là nơi tạo ra phản 
ứng hạt nhân dây chuyền được duy trì, là nơi lắp 
đặt các bó nhiên liệu, các thanh điều khiển, các 
hốc chiếu cần thông lượng nơtrôn cao. Bao quanh 
vùng hoạt là miền phản xạ nơtrôn (hay còn gọi 
là vành phản xạ) để hạn chế thất thoát nơtrôn ra 
khỏi vùng hoạt. Kích thước chiều rộng của vùng 
hoạt phụ thuộc vào công suất lò và các yêu cầu về 
ứng dụng, Xu hướng hiện nay là thiết kế sao cho 
kích thước vùng hoạt nhỏ (compact core) để có 
mật độ thông lượng nơtrôn cao. Kích thước chiều 
cao của vùng hoạt phụ thuộc vào chiều dài của 
bó nhiên liệu sử dụng, phổ biến đối với những 
LPƯNC đa chức năng hiện nay trong khoảng 
60-70 cm. Sử dụng các bó nhiên liệu có tiết diện 
hình lục giác loại VVR-M2 hoặc VVR-KN với 
độ giàu 19,75% U-235 do Liên bang Nga chế tạo. 
Ngoài nhiên liệu và các thanh điều khiển, trong 
vùng hoạt còn lắp đặt các kênh chiếu xạ với thông 
lượng nơtrôn cao để thử vật liệu và sản xuất đồng 
vị phóng xạ. Các kênh kích thước lớn để chiếu 
xạ pha tạp đơn tinh thể silic và các kênh chiếu 
để phân tích kích hoạt, sản xuất đồng vị phóng 
xạ với yêu cầu thông lượng nơtrôn thấp được đặt 
trong vùng phản xạ.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
15Số 50 - Tháng 3/2017
Hình 2a. Hình chiếu 3D của vùng hoạt 
với vành phản xạ bằng berili
1- kênh thí nghiệm nằm ngang; 2- thân 
của vùng hoạt; 3- các kênh vận chuyển bằng ống; 
4- các khối bằng vật liệu chì; 5- khối phản xạ 
berili có thể thay thế được; 6- bó nhiên liệu; 7, 
11- các kênh chiếu xạ trong vùng hoạt; 8- thanh 
điều khiển; 9- khối berili chứa khoang nước; 10- 
khối phản xạ nơtrôn cố định; 12- kênh chiếu xạ 
kích thước lớn trong vành phản xạ.
Hình 2b. Hình chiếu 3D của vùng hoạt 
với vành phản xạ bằng nước nặng
Reactor core- vùng hoạt; Silicon 
irradiation facilities- các hốc chiếu xạ pha tạp 
đơn tinh thể silic; Heavy water tank- thùng phản 
xạ bằng nước nặng; Cold neutron source- nguồn 
nơtrôn lạnh; Hot neuron source-nguồn nơtrôn 
nóng; Thermal neutron beam port- ống dẫn dòng 
nơtrôn nhiệt.
Vùng hoạt của lò OPAL (Hình 2b) rất nhỏ 
gọn, với kích thước 35 cm x 35 cm x 61,5 cm 
được làm nguội và làm chậm bằng nước nhẹ, bao 
quanh vùng hoạt là vành phản xạ bằng nước nặng 
theo chiều bán kính và bằng nước nhẹ theo chiều 
cao (ở trên và dưới vùng hoạt). Trong vùng hoạt 
chỉ lắp đặt 16 bó nhiên liệu loại MTR (Material 
Testing Reactor) có tiết diện vuông xấp xỉ 8 cm 
x 8 cm và 5 thanh hấp thụ nơtrôn dạng tấm, có 
dáng hình chữ thập đặt xen kẽ tại điểm góc của 4 
bó nhiên liệu, được dùng để điều khiển độ phản 
ứng và dập lò. Tất cả các thiết bị chiếu xạ (để sản 
xuất đồng vị phóng xạ, chiếu xạ vật liệu có thể 
tích lớn, các thiết bị chiếu xạ kênh khí nén, v.v...) 
đều được đặt trong vành phản xạ.
Hình 2c. Mặt cắt ngang của vùng hoạt với 
vành phản xạ bằng nước nặng
1- các kênh chiếu đứng trong vùng hoạt: 
CT, IR1, IR2- các hốc chiếu xạ thử nhiên liệu và 
vật liệu hạt nhân; 2- các kênh chiếu đứng trong 
vành phản xạ: NTD1, NDT2- các hốc chiếu xạ 
pha tạp đơn tinh thể silic; CNS- nguồn nơtrôn 
lạnh; HTS- hệ chuyển mẫu bằng thủy lực để sản 
xuất đồng vị phóng xạ; PTS- hệ chuyển mẫu bằng 
khí nén để chiếu mẫu phân tích kích hoạt bằng 
nơtrôn; LH- kênh chiếu xạ thử nghiệm nhiên liệu; 
3- các kênh dẫn dòng nơtrôn nằm ngang: ST1, 
ST2, ST3, ST4- lắp đặt các hệ phổ kế tán xạ và 
nhiễu xạ nơtrôn; NR- chụp ảnh nơtrôn, IR- lắp 
đặt hệ BNCT; CN- dòng nơtrôn lạnh.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
16 Số 50 - Tháng 3/2017
Vùng hoạt của lò HANARO (Hình 2c) 
bao gồm vùng hoạt bên trong (inner core) và 
vùng hoạt bên ngoài (outer core). Vùng hoạt bên 
trong được bao quanh bởi vòng nếp gấp và các 
ống đặt song song nằm phía trong của lớp vỏ bên 
trong của vành phản xạ. Có 8 vị trí của vùng hoạt 
bên trong (màu vàng) được dùng để đặt 4 thanh 
điều khiển và 4 thanh dừng lò mà phía bên trong 
của các thanh điều khiển và dừng lò này chứa các 
bó nhiên liệu loại 18 thanh. Có 20 ống hình lục 
giác (màu xanh) để chứa các bó nhiên liệu loại 36 
thanh. Còn lại 3 vị trí trống dọc tâm (màu trắng) 
được dành để lắp đặt các thiết bị chiếu xạ thử 
nghiệm nhiên liệu và vật liệu hạt nhân. Vùng hoạt 
bên ngoài gồm 8 ống thẳng đứng hình tròn nằm 
trong vành phản xạ nước nặng mà có thể nạp các 
bó nhiên liệu loại 18 thanh vào những ống này. 
Việc thiết kế vùng hoạt bên ngoài nhằm cung cấp 
môi trường tốt hơn cho mục đích chiếu xạ với 
dòng nơtrôn trên nhiệt cao. 
Chất phản xạ cần chọn là vật liệu có mật 
độ cao và hấp thụ nơtrôn thấp. Berili có mật độ 
tương đối cao (1,85 g/cm3) và là ch ...  khó đáp ứng được yêu cầu về độ đồng đều 
tốt của thông lượng nơtrôn do thông lượng thay 
đổi nhanh theo không gian của vành phản xạ. Vì 
vậy, vùng hoạt với vành phản xạ berili sẽ gặp khó 
khăn trong việc đáp ứng chiếu xạ pha tạp đơn tinh 
thể silic làm dịch vụ. Trong trường hợp đó, khả 
năng bổ sung graphite vào một số vùng của vành 
phản xạ cần được xem xét. Ngoài ra, với thời gian 
vận hành liên tục, dài ngày, vành phản xạ berili 
sẽ gây ra hiệu ứng nhiễm độc làm giảm độ phản 
ứng dự trữ và biến dạng trường nơtrôn, tính chất 
cơ học của berili cũng dễ dàng thay đổi theo quá 
trình vận hành lò. Việc bố trí các kênh ngang dẫn 
dòng nơtrôn khi dùng vành phản xạ berili là khá 
phức tạp và khó khăn, lại không đảm bảo được 
thông lượng yêu cầu cũng như ảnh hưởng giữa 
các kênh là rất đáng kể vì kích thước vành phản 
xạ không đủ rộng. 
3. Chất làm mát và làm chậm nơtron trong 
vùng hoạt
Nước nhẹ (H
2
O) và nước nặng (D
2
O) 
thường là sự lựa chọn chung nhất cho chất làm 
mát vòng sơ cấp của LPƯNC. Nước nặng (σ
a
= 0,0006 barn) có ưu điểm là ít hấp thụ nơtrôn 
nên sẽ tiết kiệm nơtrôn hơn nước nhẹ (σ
a
 = 0,333 
barn). Tuy nhiên, nước nặng cũng có nhược điểm 
là giá thành cao và cần trang bị một hệ thống làm 
nguội sơ cấp khá phức tạp để tránh sự giảm chất 
lượng của nước nặng và để ngăn chặn đồng vị 
phóng xạ triti (3H) sinh ra do phản ứng của nơtrôn 
với nước nặng sẽ giải phóng vào môi trường. Vì 
việc thao tác diễn ra thường xuyên trên vùng hoạt 
của LPƯ để thay đổi nhiên liệu và tiến hành các 
thí nghiệm chiếu xạ nên việc giữ sự tinh khiết 
của nước nặng trong hệ thống làm mát luôn là 
mối quan tâm lớn nhất. Với những vấn đề công 
nghệ và an toàn bức xạ nêu trên, hầu như tất cả 
các thiết kế cho LPƯNC loại bể mở (không có 
áp lực) hiện nay đều chọn nước nhẹ làm chất làm 
mát cho hệ thống tải nhiệt vòng sơ cấp. 
Nước nặng hoặc nước nhẹ có thể được 
dùng phổ biến như là chất làm chậm trong các 
LPƯNC. Nước nhẹ có khả năng làm chậm nơtrôn 
cao nhất (giá trị khả năng làm chậm ξΣ
s
 lớn, 1,35 
cm-1) nhưng ngược lại thì hấp thụ nơtron cũng 
nhiều (hệ số làm chậm ξΣ
s
/Σ
a
thấp, 71). Nước 
nặng sẽ tiết kiệm nơtrôn nhiều nhất vì ít hấp thụ 
nơtrôn nhất (σ
a
 = 0,0006 barn) nhưng khả năng 
làm chậm nơtrôn thấp hơn (ξΣ
s
 = 0,176 cm-1), với 
ξ là độ lợi lethargy, đặc trưng cho độ mất năng 
lượng logarit trung bình của nơtrôn do va chạm, 
Σ
s
 = Nσ
s
 và Σ
a
 =Nσ
a
 là tiết diện vĩ mô tán xạ và 
hấp thụ nơtrôn và N là mật độ các hạt nhân của 
chất làm chậm.
Các vùng hoạt được làm chậm bằng nước 
nhẹ có thể tích tương đối nhỏ trong khi vùng hoạt 
được làm chậm bằng nước nặng chiếm nhiều 
không gian hơn vì cần nhiều va chạm để nhiệt 
hóa nơtrôn. Thể tích nhỏ của vùng hoạt được làm 
chậm bằng nước nhẹ cho thông lượng nơtrôn cao 
hơn trên một đơn vị công suất, nhưng loại vùng 
hoạt này có thể trở thành nhược điểm nếu cần 
phải duy trì phản ứng trong một thể tích khá lớn 
để dành chỗ cho nhiều thiết bị thí nghiệm. Do 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
18 Số 50 - Tháng 3/2017
vậy, các thiết bị thí nghiệm trong vùng hoạt được 
làm mát bằng nước nhẹ thường được bố trí trong 
khu vực vành phản xạ bao quanh vùng hoạt. Hầu 
hết các LPƯNC đa chức năng hiện nay đều dùng 
chất làm chậm bằng nước nhẹ.
4. Nhiên liệu dùng cho lò phản ứng nghiên cứu
Trước những năm 1990, nhiên liệu dùng 
cho LPƯNC phổ biến là vật liệu urani được làm 
giàu cao (HEU – Highly Enriched Uranium) với 
nồng độ của U-235 từ 36% đến 93%. Nhiêu liệu 
HEU cho tính năng tốt hơn nếu xét về khía cạnh 
cung cấp thông lượng nơtron cao trên đơn vị thể 
tích. Tuy nhiên, nhằm ngăn chặn phổ biến vũ 
khí hạt nhân bằng cách giảm thiểu, tiến tới loại 
bỏ việc sử dụng urani có độ giàu cao trong các 
ứng dụng hạt nhân dân sự trên toàn thế giới, năm 
1978, Hoa Kỳ đã khởi xướng chương trình giảm 
độ giàu nhiên liệu cho LPƯNC và lò thử nghiệm 
với tên gọi là RERTR (Reduced Enrichment 
for Research and Test Reactors). Mục đích của 
chương trình này là để thay thế nhiên liệu HEU 
sang nhiên liệu có độ làm giàu thấp (LEU – Low 
Enriched Uranium), có độ giàu của U-235 nhỏ 
hơn 20% trong các LPƯNC và lò thử nghiệm đã 
xây dựng trên thế giới. 
Để chuyển sang sử dụng nhiên liệu LEU, 
loại nhiên liệu có urani mật độ cao khuếch tán 
vào nền nhôm hiện đang được sử dụng rộng rãi 
trong các LPƯNC, bao gồm U
3
Si
2
+Al (mật độ 4,8 
g/cm3), U
3
Si+Al (mật độ 3,15 g/cm3), U
3
O
8
+Al 
(mật độ 1,3 g/cm3), UZrH
x
-Er (mật độ 0,16 g/
cm3), và UO
2
+Al Er (mật độ 3,0 g/cm3). Vật liệu 
U
3
Si
2
+Al (mật độ 4,8 g/cm3) đang được xem là 
nhiên liệu chuẩn trong các LPƯNC thế hệ mới 
hiện nay. Tuy nhiên, một số chương trình nghiên 
cứu và phát triển ở các nước như Hoa Kỳ, Châu 
Âu, Liên bang Nga, Nhật bản và Hàn quốc đang 
quan tâm đến việc phát triển loại nhiên liệu LEU 
có mật độ urani đến 8 g/cm3 để đạt được thông 
lượng nơtrôn cao, tương tự như trong nhiên liệu 
HEU trước đây. Các loại nhiên liệu đang được 
khảo sát để cải tiến hoặc sẽ thay thế cho loại nhiên 
liệu cũ hiện nay có thể kể đến như: UAl
x
+Al (mật 
độ 2,3 g/cm3), UZrH
x
 (mật độ 3,7 g/cm3), U
3
O
8
+Al (mật độ 3,2 g/cm3), UO
2
+Al (mật độ 5,0 g/
cm3), U
3
Si
2
+Al (mật độ 6,0 g/cm3), UN+Al (mật 
độ 7,0 g/cm3) và Al+U- Các hợp kim của Mo 
(mật độ 8,0 g/cm3). 
Vỏ bọc cho thanh nhiên liệu phổ biến là 
vật liệu nhôm, ngoại trừ nhiên liệu của lò TRIGA 
dùng vỏ bọc hợp kim 800H hoặc thép không rỉ. 
Vì LPƯ cần được thiết kế sao cho đạt được mật 
độ công suất cao nên kỹ thuật khuếch tán các hạt 
nhiên liệu lên nền nhôm đang được sử dụng rộng 
rãi. Loại nhiên liệu khuếch tán này cùng với việc 
không có khe hở giữa lõi và vỏ bọc thanh nhiên 
liệu cho phép ngăn chặn rất tốt sự giải phóng 
sản phẩm phân hạch ra bên ngoài và cho các đặc 
trưng nhiệt rất tốt.
Ba dạng nhiên liệu được dùng phổ biến 
trong thiết kế các LPƯNC là dạng tấm phẳng 
(plate), dạng thanh hay ống nhỏ (rod, pin) và 
dạng ống (tube) được uốn từ tấm phẳng. Cấu trúc 
nhiên liệu loại tấm phẳng hoặc ống (tube) cho sự 
truyền nhiệt tốt hơn so với nhiên liệu loại thanh 
do có tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn. Với 
nhiên liệu loại thanh, việc sử dụng lớp vỏ bọc 
dày bằng nhôm và vận hành ở nhiệt độ thấp trong 
các LPƯNC, sự phồng rộp của thanh nhiên liệu 
đã được ngăn chặn bằng cách hạn chế sự gia tăng 
của các khí phân hạch ở độ cháy thích hợp. Tuy 
nhiên, để phát triển kỹ năng phục vụ cho chương 
trình điện hạt nhân thì việc huấn luyện trên các 
LPƯNC dùng nhiên liệu loại thanh có thể đem lại 
nhiều lợi ích hơn dùng nhiên liệu loại tấm. Lý do 
là nhiên liệu loại thanh gần giống bó nhiên liệu 
(BNL) dùng trong các nhà máy điện hạt nhân do 
đó các chương trình tính toán vật lý lò được xây 
dựng cho một loại BNL có thể được sử dụng với 
một vài sửa đổi để đánh giá tính chất của BNL 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
19Số 50 - Tháng 3/2017
loại khác trong nhà máy điện hạt nhân.
Hình 3a. Bó nhiên liệu loại MTR của lò 
phản ứng JRR-3M
Hình chiếu đứng của BNL (trên) và Mặt 
cắt ngang của BNL (dưới).
Bó nhiên liệu dạng tấm phẳng phổ biến 
hiện nay được gọi là nhiên liệu MTR (Material 
Testing Reactor), mang tên loại lò thử vật liệu 
nhưng dùng phù hợp cho các LPƯNC đa mục tiêu 
như lò JRR-3M công suất 20 MWt của Nhật Bản, 
lò OPAL công suất 20 MWt của Úc, lò CARR 
công suất 60 MWt của Trung Quốc, lò ETRR-2 
công suất 22 MWt của Hy lạp, v.v...; cũng như 
lò RA-10 công suất 30 MWt của Argentina và 
lò RMB công suất 30 MWt của Brazil đang xây 
dựng. 
Hình 3b. Bó nhiên liệu chuẩn và bó nhiên 
liệu đi kèm của lò phản ứng JRR-3M
Hình 3a là bó nhiên liệu dạng MTR của 
lò JRR-3M, sử dụng nhiên liệu U
3
Si
2
-Al có mật 
độ cao 4,8 g/cm3. Có hai loại BNL được sử dụng 
trong lò, gồm BNL chuẩn và BNL đi kèm thanh 
điều khiển (follower fuel). Mỗi BNL nhiên liệu 
chuẩn có tiết diện vuông 7,62 cm x 7,62 cm và 
có chiều cao toàn bộ 115 cm. BNL đi kèm thanh 
điều khiển có kích thước 6,4 cm x 6,4 cm x 88 
cm, nhỏ hơn so với BNL chuẩn (Hình 3b). Số 
tấm nhiên liệu có trong BNL chuẩn và BNL đi 
kèm thanh điều khiển tương ứng là 21 và 17 tấm. 
Trong từng tấm nhiên liệu, bề dày của phần lõi 
nhiên liệu là 0,51 mm và độ dày của vỏ bọc là 
0,38 mm. Do có 6 BNL đi kèm 6 thanh điều khiển 
hấp thụ nơtrôn nên khi lò vận hành, thanh điều 
khiển được đẩy lên phía trên vùng hoạt, 6 BNL đi 
kèm sẽ chiếm chỗ của phần thanh hấp thụ nơtrôn 
làm độ phản ứng dự trữ tăng, kéo dài chu trình 
vận hành lò. Mỗi tấm nhiên liệu được gắn thêm 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
20 Số 50 - Tháng 3/2017
dây cadmi có khả năng tự cháy khi lò vận hành để 
giảm độ phản ứng dự trữ ở đầu chu trình nạp tải.
Loại bó nhiên liệu được lắp ráp từ nhiều 
thanh nhiên liệu dạng ống tròn nhỏ (dạng pin) 
đang sản xuất cho lò HANARO công suất 30 
MWt của Hàn Quốc, một số LPƯNC của Liên 
bang Nga và Canada.
Bó nhiên liệu của lò HANARO được ghép 
từ nhiều ống nhỏ làm từ U
3
Si+Al mật độ 3,15 g/
cm3. Ống thanh nhiên liệu có đường kính 6,35 
mm, dài 700 mm và được bọc bằng vỏ nhôm dày 
0,76 mm. Trên vỏ bọc có 8 cánh tỏa nhiệt bằng 
nhôm để tăng tiết diện tỏa nhiệt của BNL. Có 2 
loại BNL, 36 ống và 18 ống nhiên liệu (Hình 4a). 
Cả hai loại BNL đều có cùng thiết kế, ngoại trừ 
các thanh nhiên liệu ở vòng ngoài BNL có độ dày 
5,5 mm để làm giảm hệ số bất đồng đều.
Hình 4a. Hai loại bó nhiên liệu dạng 
thanh của lò HANARO
Loại bó nhiên liệu được lắp ráp từ nhiều 
thanh nhiên liệu dạng ống tròn nhỏ (dạng pin) 
đang sản xuất cho lò HANARO công suất 30 
MWt của Hàn Quốc, một số LPƯNC của Liên 
bang Nga và Canada.
Bó nhiên liệu của lò HANARO được ghép 
từ nhiều ống nhỏ làm từ U
3
Si+Al mật độ 3,15 g/
cm3. Ống thanh nhiên liệu có đường kính 6,35 
mm, dài 700 mm và được bọc bằng vỏ nhôm dày 
0,76 mm. Trên vỏ bọc có 8 cánh tỏa nhiệt bằng 
nhôm để tăng tiết diện tỏa nhiệt của BNL. Có 2 
loại BNL, 36 ống và 18 ống nhiên liệu (Hình 4a). 
Cả hai loại BNL đều có cùng thiết kế, ngoại trừ 
các thanh nhiên liệu ở vòng ngoài BNL có độ dày 
5,5 mm để làm giảm hệ số bất đồng đều.
Tuy không phổ biến, nhưng Công ty 
TVEL của Liên bang Nga cũng sản xuất nhiên 
liệu dạng ống (pin), được sử dụng khá hạn chế 
trong một số LPƯNC dùng trong nội địa (Hình 
4b).
Hình 4b. Bó nhiên liệu dạng thanh (pin) 
do Liên bang Nga chế tạo
Nhiên liệu dạng tấm ép thành ống của 
Liên bang Nga sản xuất gồm 2 loại là VVR và 
IRT với các phương án cải tiến khác nhau như 
VVR-M2, VVR-M5, VVR-TS, VVR-KN, v.v... 
và IRT-2M, IRT-3M, IRT-4M, v.v... Bảng 1 là 
các thông số kỹ thuật và các Hình 5a và Hình 5b 
là hình dạng của các BNL phổ biến dùng cho các 
LPƯNC do Liên bang Nga thiết kế và xây dựng.
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
21Số 50 - Tháng 3/2017
Bảng 1. Các thông số kỹ thuật của BNL 
loại VVR và IRT của Liên bang Nga.
Loại bó 
nhiên 
liệu 
(BNL) 
Số 
thanh 
trong 
BNL 
Khối 
lượng 
235U 
trong 
BNL (g) 
Độ giàu 
235U (%) 
Độ dài 
của phần 
nhiên 
liệu 
(mm) 
Độ dày 
thành 
của 
thanh 
NL 
(mm) 
Khối 
lượng 
(kg) 
Mật độ 
urani 
(g/cm3) 
Thành 
phần 
nhiên liệu 
VVR-
M2 
3 
50 19,75 600 
2,5 
(0,80/0,9
/0,80) 
2,5 UO2 +Al 
45 
36 
600 2,5 
(0,75/1,0
/0,75) 
0,9 
1,4 U-Al alloy 38 500 
VVR-
M5 
5 65 36 600 1,3 (0,35/0,6
/0,35) 
0,9 U-Al 
alloy 54 500 6 66 90 500 
VVR-
TS 
5 109 
36 600 
2,3 
(0,85/0,6
/0,85) 
3,9 U-Al 
alloy 3 83 2,9 
VVR-
KN 
8 245 
19,75 600 
1,6 
(0,45/0,7
/0,45) 
3,0 UO2 +Al 5 198 
IRT-2M 
4 230 
36 600 
2 
(0,65/0,7
/0,65) 
3,3 U-Al 
alloy 3 198 2,6 
IRT-3M 
8 352 
36 
600 
1,4 
(0,45/0,5
/0,45) 
3,7 
U-Al 
alloy 
6 309 3,3 
4 235 2,9 
8 300 
90 
6 264 
4 201 
IRT-4M 
8 300 
19,75 600 
1,6 
(0,45/0,7
/0,45) 
 3,0 UO2 +Al 
6 263,8 
.
Hình 5a-1. Bó nhiên liệu dạng ống cuốn 
loại VVR do Liên bang Nga chế tạo
 Từ trái sang: VVR-M2 (3 ống); VVR-M5 
(5 ống) và VVR-TS (5 ống).
Hình 5a-2. Bó nhiên liệu dạng ống cuốn 
loại VVR-KN (8 và 5 ống)
Hình 5b. Bó nhiên liệu dạng ống cuốn 
loại IRT do Liên bang Nga chế tạo
Nhiên liệu cho lò TRIGA được sản xuất 
theo công nghệ Delta phase Uranium-Zirconium 
Hydride U-ZrH1,6 với tỷ lệ H/Zr là 1,6 với độ 
THÔNG TIN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ HẠT NHÂN
22 Số 50 - Tháng 3/2017
giàu thấp 19,7% U-235, gồm các loại có hàm 
lượng urani theo khối lượng là 8,5% wt, 12% wt, 
20% wt, 30% wt và 45% wt; đường kính phần 
nhiên liệu khoảng 3,6 cm và độ dài khoảng 38 
cm. Hai đầu nhiên liệu là 2 khối phản xạ berili 
với cùng đường kính 3,6 cm và độ dài khoảng 8,7 
cm mỗi khối (Hình 6). Vỏ bọc thanh nhiên liệu 
có thể chịu được nhiệt độ cao đến 1150 oC, được 
làm bằng thép không rỉ 304 hoặc hợp kim incoloy 
800, với bề dày khoảng 0,5 mm và chiều dài 56 
cm chưa kể phần đầu và phần đuôi của BNL. Như 
vậy, bó nhiên liệu hoàn chỉnh sẽ có đường kính 
ngoài là 3,73 cm, dài 72,06 cm và trọng lượng 
3,18 kg. Bó nhiên liệu của lò TRIGA có dạng 
thanh (rod) và chỉ do hãng General Atomics của 
Hoa Kỳ sản xuất và cung cấp.
Hình 6. Bó nhiên liệu của lò TRIGA của 
hãng General Atomics
Nhiên liệu TRIGA có những đặc trưng 
quan trọng, hoàn toàn khác với nhiên liệu của các 
hãng khác sản xuất, đó là:
- Hệ số nhiệt độ âm tức thời, tạo ra khả 
năng an toàn nội tại cao, cho phép lò hoạt động 
an toàn ở chế độ xung với công suất lên tới 2000 
MWt (2,2% ΔK/K). Thiết kế lò phản ứng cho 
phép quá trình chính của làm chậm nơtron xẩy 
ra ngay trong thanh nhiên liệu do có thành phần 
hydro trong đó. Khi nhiệt độ nhiên liệu tăng, dao 
động của H trong ma trận ZR-H tăng nên làm 
giảm khả năng làm chậm của nhiên liệu. Tương 
tác của neutron với nguyên tử hydro trong nhiên 
liệu U-ZrH với nhiệt độ cao có thể làm tăng năng 
lượng của nơtrôn chậm lên trên năng lượng nhiệt 
(0,025 eV), là vùng tiết diện vi mô phân hạch của 
nơtrôn với U-235 là cao nhất. Hiệu ứng này là tức 
thời và sẽ tăng lên khi nhiệt độ nhiên liệu tăng, 
kết quả là đưa vào độ phản ứng âm mà phải được 
bù trừ nó hoặc công suất lò phản ứng sẽ giảm.
- Sự giãn nở thể tích thấp với sự thay đổi 
nhiệt độ nhiên liệu. Kết quả là khả năng nứt, gãy 
vỏ bọc thấp gây bởi các ứng suất tác động lên vỏ 
bọc do thay đổi kích thước vì nhiệt của phần thịt 
nhiên liệu.
- Phản ứng hóa học tối thiểu với nước 
hoặc không khí. Kết quả là giải phóng tối thiểu 
các sản phẩm phân hạch ra ngoài trong trường 
hợp vỏ bọc thanh nhiên liệu bị nứt, gãy.
- Áp lực của khí hydro được hạn chế tối 
thiểu do việc tăng áp lực khi nhiệt độ tăng sẽ làm 
tăng ứng suất lên lớp vỏ nhiên liệu.
Để kiểm soát độ phản ứng dự trữ rất lớn 
trong nhiên liệu có mật độ urani cao, ngoài việc 
sử dụng thanh điều khiển, ở các BNL thường 
được gắn thêm chất nhiễm độc có thể cháy như 
cadmi, được sử dụng để tạo sự cân bằng độ phản 
ứng hợp lý trong suốt thời gian sống của vùng 
hoạt và để giảm sự chênh lệch độ phản ứng đến 
mức chấp nhận được. Việc dùng các BNL với mật 
độ uran khác nhau cũng là cách giảm bớt độ phản 
ứng dự trữ ở đầu chu trình vận hành.
Nguyễn Nhị Điền
Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam
________________
Đón xem số tới: Phần 2 - Các hệ công nghệ của 
lò phản ứng.