English
Thùng lò phản ứng hạt nhân được bao bọc bởi tường chắn sinh học bê tông (concrete biological shield) với hai chức năng chính là nâng đỡ thùng lò và che chắn phóng xạ neutron từ lò phản ứng hạt nhân. Thông thường bê tông sử dụng cho tường chắn sinh học có chất tượng tốt và đến thời điểm hiện tại một số lò đã gần với 40 năm tuổi thọ nhưng chưa có báo cáo liên quan đến sự thoái hóa ở kết cấu này. Do nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng trong khi chi phí xây mới một nhà máy điện rất lớn nên các nước phát triển như Nhật Bản và Mỹ đang xem xét khả năng gia hạn thời gian vận hành đến 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 sự chuyển pha từ tinh thể (crystalline) sang vô định hình (amorphization) ở cốt liệu đá trong bê tông có thể xảy ra bởi vì đá được hình thành từ các tinh thể tự nhiên như thạch anh (SiO2), albite (NaAlSi3O8), etc. Sự vô định hình gây ra sự 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, để nghiên cứu cơ chế suy thoái do bức xạ ở bê tông, 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, được nghiên cứu chi tiết.
Máy gia tốc hạt (Particle Accelerator) với năng lượng từ vài trăm keV đến vài MeV được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu hư hỏng do bức xạ neutron trong vật liệu dựa trên sự tương tác va chạm (collision interaction) giữa neutron-atom và hạt ion-atom là tương tự nhau. Trong nghiên cứu này, 2MeV He2+ ion và 3MeV Si2+ ion được gia tốc trên máy gia tốc hạt Tandem và chiếu vào các mẫu thạch anh đơn tinh thể ở các nhiệt độ khác nhau 44oC, 92oC và 142 oC với thông lượng cao nhất 2 x 1016 (ions/cm2). Chiều sâu xuyên thấu của 2MeV He2+ ion và 3MeV Si2+ ion trong thạch anh lần lược là khoảng 6 micrômét và 2 micrômét, được mô phỏng bằng phần mềm SRIM2013. 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 sự thay đổi thể tích 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. Kết quả nghiên cứu cho thấy, 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). Kết quả đóng góp quan trọng trong trong việc xác định giá trị tham chiếu (reference level)* cho tường chắn sinh học bê tông, bởi vì giá trị hiện tại dựa trên sự vô định hình ở thạch anh tuy nhiên kết quả nghiên cứu cho thấy ngay cả sau khi đã chuyển pha hoàn toàn, sự thay đổi thể tích vẫn có thể tiếp diễn.
Nghiên cứu này được tiến hành tại Trường Đại học Công nghệ Nagaoka, Nhật Bản
Chi tiết được đăng tại:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0022311519316514?via%3Dihub
Ghi chú:
* Giá trị tham chiếu có nghĩa là nếu thông lượng neutron trong bê tông vượt quá giá trị này, các tính chất và cơ tính bê tông bắt đầu thay đổi.
Lưu Vũ Nhựt – Trung tâm NDE
