Nước nhẹ (H₂O) là thành phần không thể thiếu trong phần lớn các nhà máy điện hạt nhân trên thế giới, đóng vai trò từ chất làm mát, che chắn phóng xạ cho đến điều khiển phản ứng. Tuy nhiên, cùng một phân tử H₂O (nước nhẹ), nhưng trong các thiết kế lò phản ứng khác nhau, nó có thể đóng vai trò là chất làm chậm chính hoặc hấp thụ neutron.

Sự khác biệt này được thể hiện rõ nhất khi so sánh hai loại lò phản ứng nổi tiếng: lò nước áp lực VVER của Nga (tương tự lò PWR của phương Tây) và lò RBMK (Chernobyl).

Hai "Bộ Mặt" Của Nước Khi Gặp Neutron

Làm chậm neutron (Moderation): Neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch là neutron tức thời ( chiếm 99%) và neutron trễ. Neutron trễ (Delayed neutrons) có vai trò cực kỳ quan trọng trong việc kiểm soát an toàn và ổn định lò phản ứng hạt nhân, nhờ có neutron trễ, phản ứng phân hạch không diễn ra quá nhanh – giúp các thanh điều khiển (control rods) và hệ thống điều khiển kịp thời can thiệp. Đối với Neutron tức thời (có năng lượng ~ 2 MeV) để có thể gây phân hạch Uranium-235 một cách hiệu quả, chúng cần được làm chậm lại thành neutron nhiệt (năng lượng ~0.025 eV). Cơ chế chính để làm chậm neutron là thông qua tán xạ đàn hồi (elastic scattering) giữa neutron và các hạt nhân nhẹ như hydrogen (trong nước nhẹ). Do có khối lượng gần bằng neutron, nguyên tử Hydro khi va chạm đàn hồi sẽ hấp thụ phần lớn động năng của neutron. [1]

Hấp thụ neutron (Absorption): Nguyên tử Hydro trong nước cũng có thể "bắt giữ" một neutron, tạo thành đồng vị Deuterium và phát ra tia gamma. Phản ứng này được biểu diễn là: 

Phản ứng này loại bỏ neutron ra khỏi chuỗi phản ứng dây chuyền.

Vậy, vai trò nào sẽ chiếm ưu thế sẽ phụ thuộc vào thiết kế lò phản ứng.

Hệ số rỗng (void coefficient) 

Dùng để thiết kế và đánh giá khả năng tự ổn định khi có sự cố hoặc thay đổi nhiệt độ, áp suất…

Void coefficient (α_void): đo mức thay đổi phản ứng (reactivity) khi tỷ lệ rỗng (void fraction) thay đổi, tức là khi nước (lỏng) bốc hơi thành hơi nước trong vùng phản ứng.

Hệ số rỗng (Void Coefficient) và Hệ số nhân hiệu dụng (k_eff) có mối quan hệ 

VVER/PWR

Trong các lò phản ứng nước áp lực như VVER hoặc PWR, nước đóng vai trò làm chậm là chủ yếu.

Thiết kế: Toàn bộ lõi lò phản ứng (gồm các thanh nhiên liệu) được ngâm trong một lượng nước khổng lồ dưới áp suất rất cao. Nước vừa là chất làm mát, vừa là chất làm chậm duy nhất. Tỷ lệ nước/nhiên liệu được tối ưu hóa cho việc làm chậm neutron.

Hệ số rỗng âm (α_void < 0)

Đây là đặc tính an toàn cốt lõi của lò VVER/PWR. "Rỗng" (void) ở đây chỉ các bong bóng hơi nước được tạo ra khi nước sôi.

Bình thường, PWR được thiết kế để tránh sôi, nhưng hiện tượng sôi cục bộ (nucleate boiling) vẫn có thể xảy ra ở bề mặt thanh nhiên liệu nơi nhiệt độ cao nhất.

Hãy tưởng tượng lò phản ứng bắt đầu quá nhiệt, một phần nước sẽ sôi và tạo ra các bong bóng hơi.

1. Nhiệt độ tăng → Nước sôi → Hình thành "rỗng" (hơi nước).
2. Mật độ nước lỏng trong lõi lò giảm xuống.
3. Vì nước là chất làm chậm chính, lượng chất làm chậm giảm → Khả năng làm chậm neutron nhanh thành neutron nhiệt kém đi.
4. Ít neutron nhiệt hơn → Ít phản ứng phân hạch xảy ra hơn.
5. Công suất lò tự động giảm xuống, giúp lò nguội bớt.

Đây là một cơ chế an toàn tự điều chỉnh (fail-safe). Sự gia tăng "rỗng" (hơi nước) dẫn đến giảm công suất lò. Mối quan hệ này được định nghĩa bởi hệ số rỗng của độ phản ứng. [2]

RBMK

Ngược lại hoàn toàn, trong lò RBMK, vai trò hấp thụ neutron của nước lại trở nên nổi bật hơn. 

Thiết kế: Lò RBMK sử dụng các khối graphite (than chì) cực lớn làm chất làm chậm chính. Thanh điều khiển chứa boron hoặc hafnium hấp thụ neutron tự do chính và Nước làm mát hấp thụ một phần neutron, nhưng khi sôi tạo hơi thì hấp thụ giảm

• Hệ số rỗng dương (α_void > 0)

Và đây chính là "điểm yếu thiết kế " của lò RBMK, đặc biệt là khi hoạt động ở công suất thấp.

1. Nhiệt độ tăng → Nước sôi → Hình thành "rỗng" (hơi nước) 
2. Mật độ nước lỏng trong kênh làm mát giảm xuống.
3. Trong khi đó, graphite bên ngoài vẫn làm chậm neutron .
4. Lượng neutron nhiệt không bị nước hấp thụ tăng lên đột ngột, chúng tiếp tục gây ra nhiều phản ứng phân hạch hơn.
5. Công suất lò tăng vọt, tạo ra nhiều nhiệt hơn, làm nước sôi dữ dội hơn, tạo ra nhiều "rỗng" hơn.

Đây là một vòng lặp phản hồi dương (positive feedback loop) cực kỳ nguy hiểm, có thể khiến công suất lò tăng đến mức không thể kiểm soát và gây ra tai nạn như đã xảy ra tại Chernobyl. [4], hiện nay, hệ số rỗng âm là yếu tố thiết kế bắt buộc trong các lò phản ứng hiện đại.

Mặc dù nước nhẹ đóng vai trò là chất làm mát trong hầu hết các lò phản ứng hạt nhân, nhưng chức năng và tầm quan trọng của nó lại hoàn toàn tùy thuộc vào triết lý thiết kế cụ thể của từng loại lò. Điều này đã nhấn mạnh rằng, trong lĩnh vực công nghệ hạt nhân, kỹ thuật và thiết kế chính là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn trong vận hành.

Văn Năm - PECC2

Tài liệu tham khảo:
1. Sách giáo trình Vật lý lò phản ứng hạt nhân-Ngô Quang Huy
2. Hệ số rỗng (https://www.nuclear-power.com/nuclear-power/reactorphysics/nuclear-fission-chain-reaction/reactivity-coefficients-reactivity-feedbacks/void-coefficient/)
3. IAEA Safety Glossary, 2018 Edition (https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/PUB1830_web.pdf)
4. Báo cáo INSAG-7 của IAEA - "The Chernobyl Accident: Updating of INSAG-1". (https://www-pub.iaea.org/MTCD/publications/PDF/Pub913e_web.pdf)