TiaSang
Thứ 4, Ngày 27 tháng 1 năm 2021
Tin tức sự kiện

Cơ chế suy thoái do bức xạ ở tường chắn sinh học bê tông trong lò phản ứng nước nhẹ

28/12/2020 07:05 -

Công bố mới xuất bản trên tạp chí Journal of Nuclear Materials “Swelling of alpha-quartz induced by MeV ions irradiation: Critical dose and swelling mechanism” của nghiên cứu sinh Lưu Vũ Nhựt (Trung tâm Đánh giá không phá hủy, Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam) và các đồng nghiệp ở Đại học Công nghệ Nagaoka, Nhật Bản đã tập trung vào giải quyết vấn đề cơ chế suy thoái do bức xạ ở tường chắn sinh học bê tông trong các lò phản ứng nước nhẹ.


Nguy cơ nứt ở tường bê tông gây ra do sự vô định hình làm giãn nở ở một số tinh thể chứa trong đá khi bị chiếu xạ neutron trong thời gian dài.

Nghiên cứu được tiến hành tại trường Đại học Công nghệ Nagaoka, Nhật Bản.

Trong các lò phản ứng hạt nhân, thùng lò được bao bọc bằng tường chắn sinh học bê tông (concrete biological shield), vốn có hai chức năng chính là nâng đỡ thùng lò và che chắn phóng xạ neutron từ lò phản ứng. Thông thường, bê tông được chọn để xây dựng tường chắn sinh học có chất tượng tốt, ví dụ đến thời điểm hiện tại thì một số lò phản ứng đã gần đạt mức 40 năm tuổi nhưng chưa xảy ra bất kỳ sự thoái hóa nào trog kết cấu. Do nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng trong khi chi phí xây mới một nhà máy điện rất lớn nên ở các nước phát triển như Nhật Bản và Mỹ, người ta đang xem xét khả năng gia hạn thời gian vận hành lò phản ứng từ 60 đến 80 năm. 

Tuy nhiên, với thời gian vận hành dài như vậy, tính chất của bê tông có thể thay đổi do bị chiếu một liều neutron cao gần với 1020 (n/cm2). Với mức liều chiếu này, có thể xảy ra sự chuyển pha từ tinh thể (crystalline) sang vô định hình (amorphization) ở cốt liệu đá trong bê tông bởi vì đá được hình thành từ các tinh thể tự nhiên như thạch anh (SiO2), albite (NaAlSi3O8)... Sự vô định hình gây ra giãn nở thể tích, lớn nhất khoảng 18% ở thạch anh, do đó có thể gây nứt trong bê tông (như hình 1). Do đó, cơ chế suy thoái do bức xạ ở bê tông sẽ liên quan trực tiếp đến các yếu tố ảnh hưởng và kiểm soát sự vô định hình ở thạch anh như liều chiếu xạ (irradiation dose), mật độ (flux) và nhiệt độ.

Để nghiên cứu hư hỏng do bức xạ neutron trong vật liệu dựa trên sự tương tự trong tương tác va chạm (collision interaction) giữa neutron-atom và hạt ion-atom, người ta thường sử dụng máy gia tốc hạt (Particle Accelerator) với năng lượng từ vài trăm keV đến vài MeV. Trong nghiên cứu này, máy gia tốc hạt Tandem đã gia tốc ion 2MeV He2+ và ion 3MeV Si2+ và chiếu vào các mẫu thạch anh đơn tinh thể ở các nhiệt độ khác nhau là 44oC, 92oC và 142oC với thông lượng cao nhất 2 x 1016 (ions/cm2). Nhóm nghiên cứu đã dùng phần mềm SRIM2013 mô phỏng chiều sâu xuyên thấu của 2MeV He2+ và ion 3MeV Si2+ trong thạch anh lần lượt là khoảng 6 micrômét và 2 micrômét. Sau khi chiếu xạ, sự thay đổi thể tích được đo đạc bằng kính hiển vi laser và sự vô định hình được kiểm tra bằng kính hiển vi điện tử truyền qua (Transmission Electron Microscopy).

Kết quả cho thấy, thể tích thay đổi rõ rệt trước và sau khi chiếu xạ. Dựa trên kết quả phân tích bằng kính hiển vi điện tử truyền qua, sau khi thạch anh chuyển pha hoàn toàn sang vô định hình, quá trình giãn nỡ thể tích vẫn tiếp diễn. Chiếu xạ ở các nhiệt độ khác nhau làm tăng tốc độ giãn nở. Do đó, cơ chế giãn nở phụ thuộc vào ba yếu tố chính là liều chiếu xạ, nhiệt độ và sự ràng buộc vật lý (physical constraint). Ngay cả sau khi đã chuyển pha hoàn toàn, sự thay đổi thể tích vẫn có thể tiếp diễn.
Kết quả nghiên cứu đã đóng góp quan trọng vào việc xác định giá trị tham chiếu cho tường chắn sinh học bê tông bởi nếu thông lượng neutron trong bê tông vượt quá giá trị này, các tính chất và cơ tính của bê tông bắt đầu thay đổi. Hiện tại, người ta vẫn phải tính toán dựa trên sự vô định hình ở thạch anh. Công trình nghiên cứu giúp loại bỏ điều đó. □
 
Lưu Vũ Nhựt

Tags: