NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG SỬ DỤNG THORI LÀM NHIÊN LIỆU CHO LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY GIA TỐC
Vật lý nguyên tử và hạt nhân
Luận án tập trung giải quyết các thách thức của ngành năng lượng hạt nhân như chi phí cao, an toàn, cạn kiệt urani và rác thải phóng xạ, bằng cách nghiên cứu hệ thống lò phản ứng hạt nhân dưới tới hạn điều khiển bằng máy gia tốc (ADSR). Đề tài đề xuất một mô hình ADSR mới sử dụng chì lỏng không chỉ làm bia tương tác sinh neutron mà còn làm chất tải nhiệt. Cách tiếp cận này mang lại nhiều ưu điểm như không cần bia riêng biệt, không phải thay thế bia trong quá trình vận hành do chì lỏng đối lưu, và tăng lượng neutron sinh ra nhờ chiều dài tương tác lớn hơn.
Luận án có hai mục tiêu chính: Thứ nhất, xây dựng mô hình lò phản ứng hạt nhân dưới tới hạn dựa trên cấu trúc lò TRIGA Mark II, sử dụng chì lỏng vừa làm bia tương tác vừa làm chất tải nhiệt. Các tính toán đã được thực hiện bằng chương trình MCNPX và thư viện dữ liệu JENDL để đánh giá hiệu suất phát neutron, phân bố năng lượng, phân bố góc, hiệu suất phát neutron theo góc và vi phân bậc hai tiết diện sinh neutron từ phản ứng (p,n) khi dòng proton năng lượng từ 250 MeV đến 3 GeV bắn vào chì lỏng. Kết quả cho thấy mô hình này phù hợp và chì lỏng là giải pháp khả thi.
Thứ hai, đánh giá khả năng sử dụng thori làm nhiên liệu cho ADSR với bia và chất tải nhiệt là chì lỏng. Nghiên cứu phân rã phóng xạ hạt nhân thori (Th-233) trong môi trường chì lỏng bằng GEANT4, xác định phổ năng lượng của các tia alpha, beta, gamma, phản neutrino và năng lượng của các hạt nhân con tạo thành. Hạt alpha có năng lượng trung bình lớn nhất và chiếm tỷ lệ cao nhất về năng lượng phát ra. Các tính toán phân bố thông lượng neutron (theo năng lượng, chiều cao, bán kính) bên trong ADSR với nhiên liệu thori và hỗn hợp thori-urani (Th233UO2, Th235UO2) đã được thực hiện và so sánh với nhiên liệu UO2 truyền thống. Kết quả cho thấy thông lượng neutron đạt cực đại ở trung tâm lò và giảm dần ra ngoài.
Đặc biệt, tính toán hệ số nhân neutron hiệu dụng (keff) cho các hỗn hợp nhiên liệu thori-urani khác nhau. Đối với hỗn hợp Th233UO2 và Th235UO2, keff tăng khi tỷ lệ thori giảm, yêu cầu tỷ lệ thori không quá 40% để đạt keff tối thiểu cho hoạt động của ADSR. Ngược lại, hỗn hợp Th238UO2 không khả thi. Những đóng góp mới của luận án bao gồm việc xây dựng thành công mô hình tương tác (p,n) trên bia chì lỏng cho ADSR và đánh giá toàn diện khả năng sử dụng thori làm nhiên liệu, cùng với việc đề xuất tỷ lệ thori-urani phù hợp. Các kết quả này đã được công bố trên các tạp chí khoa học uy tín, khẳng định độ tin cậy và ý nghĩa khoa học của đề tài trong việc phát triển năng lượng hạt nhân bền vững.