Trong kỹ thuật hạt nhân, **hệ số rỗng** (hay còn gọi đúng hơn là **hệ số phản ứng khoảng trống**) là một con số có thể được sử dụng để ước tính mức độ phản ứng của lò phản ứng hạt nhân thay đổi như thế nào khi các khoảng trống (thường là bong bóng hơi) hình thành trong bộ điều tiết hoặc chất làm mát của lò phản ứng. Khả năng phản ứng thực trong lò phản ứng là tổng của nhiều thành phần đóng góp, trong đó hệ số rỗng chỉ là 1. Các lò phản ứng trong đó chất điều tiết hoặc chất làm mát là chất lỏng thường sẽ có giá trị hệ số rỗng là âm (nếu lò phản ứng được điều tiết dưới mức) hoặc dương (nếu lò phản ứng được điều tiết quá mức). Các lò phản ứng trong đó cả chất điều tiết và chất làm mát đều không phải là chất lỏng (ví dụ: lò phản ứng làm mát bằng khí, được điều tiết bằng than chì) sẽ có giá trị hệ số rỗng bằng 0. Không rõ định nghĩa về hệ số "khoảng trống" áp dụng như thế nào cho các lò phản ứng trong đó chất điều tiết/chất làm mát không phải là chất lỏng hay chất khí (lò phản ứng nước siêu tới hạn).

Giá trị âm của hệ số phản ứng (**hệ số rỗng**) của không gian hơi là một trong những đặc điểm cho thấy sự an toàn thụ động của kết cấu lò phản ứng hạt nhân trong quá trình tăng nhiệt độ hoặc giảm áp suất, theo nguyên tắc an toàn sự cố .

Giải thích
----------

Lò phản ứng phân hạch hạt nhân chạy theo phản ứng dây chuyền hạt nhân, trong đó mỗi hạt nhân trải qua quá trình phân hạch sẽ giải phóng nhiệt và neutron. Mỗi neutron có thể tác động vào một hạt nhân khác và khiến nó phân hạch. Tốc độ của neutron này ảnh hưởng đến khả năng gây ra phản ứng phân hạch bổ sung, cũng như sự hiện diện của vật liệu hấp thụ neutron. Một mặt, neutron nhiệt dễ bị hạt nhân phân hạch hấp thụ hơn neutron nhanh, do đó, chất điều tiết neutron làm chậm neutron sẽ làm tăng khả năng phản ứng của lò phản ứng hạt nhân. Mặt khác, chất hấp thụ neutron sẽ làm giảm khả năng phản ứng của lò phản ứng hạt nhân. Hai cơ chế này được sử dụng để kiểm soát công suất nhiệt của lò phản ứng hạt nhân.

Để khai thác năng lượng hữu ích từ lò phản ứng hạt nhân và (đối với hầu hết các thiết kế lò phản ứng) để giữ cho nó nguyên vẹn và hoạt động, hệ thống làm mát phải được sử dụng. Một số lò phản ứng tuần hoàn nước có áp suất; một số sử dụng kim loại lỏng, chẳng hạn như natri, NaK, chì hoặc thủy ngân; một số khác sử dụng khí (xem lò phản ứng làm mát bằng khí tiên tiến). Nếu chất làm mát là chất lỏng, nó có thể sôi nếu nhiệt độ bên trong lò phản ứng tăng lên. Sự sôi này dẫn đến các khoảng trống bên trong lò phản ứng. Các lỗ rỗng cũng có thể hình thành nếu chất làm mát bị mất khỏi lò phản ứng trong một số loại tai nạn (gọi là tai nạn mất chất làm mát, gây ra những nguy hiểm khác). Một số lò phản ứng hoạt động với chất làm mát ở trạng thái sôi liên tục, sử dụng hơi được tạo ra để quay tua-bin.

Chất lỏng làm mát có thể hoạt động như một chất hấp thụ neutron, như một chất điều tiết neutron, thường là cả hai nhưng với vai trò này hoặc vai trò khác là có ảnh hưởng lớn nhất. Trong cả hai trường hợp, lượng khoảng trống bên trong lò phản ứng có thể ảnh hưởng đến khả năng phản ứng của lò phản ứng. Sự thay đổi độ phản ứng gây ra bởi sự thay đổi độ rỗng bên trong lò phản ứng tỷ lệ thuận với hệ số độ rỗng.

Hệ số rỗng dương có nghĩa là khả năng phản ứng tăng khi hàm lượng rỗng bên trong lò phản ứng tăng do độ sôi tăng hoặc mất chất làm mát; ví dụ, nếu chất làm mát chủ yếu đóng vai trò là chất hấp thụ neutron. Hệ số rỗng dương này gây ra một vòng phản hồi dương, bắt đầu từ sự xuất hiện đầu tiên của bọt hơi. Điều này có thể nhanh chóng làm sôi tất cả chất làm mát trong lò phản ứng, nếu không được cơ chế điều khiển (tự động) phản đối hoặc nếu thời gian phản hồi của cơ chế nói trên quá chậm. Điều này đã xảy ra trong lò phản ứng RBMK-1000 đã bị phá hủy trong thảm họa Chernobyl do cơ chế điều khiển tự động gần như bị vô hiệu hóa (và những người vận hành đang cố gắng hơi liều lĩnh để nhanh chóng khôi phục mức công suất cao. Do thiết kế thanh điều khiển kém, những người vận hành đã không biết rằng có là mức độ ngộ độc neutron tối đa trong lõi).

Hệ số rỗng âm có nghĩa là khả năng phản ứng giảm khi hàm lượng khoảng trống bên trong lò phản ứng tăng lên nhưng điều đó cũng có nghĩa là khả năng phản ứng tăng nếu hàm lượng khoảng trống bên trong lò phản ứng giảm. Trong các lò phản ứng nước sôi có hệ số rỗng âm lớn, áp suất tăng đột ngột (ví dụ do đóng van dòng ngoài ý muốn) sẽ dẫn đến hàm lượng rỗng giảm đột ngột: áp suất tăng sẽ khiến một số bọt hơi xuất hiện ngưng tụ ("sụp đổ") và công suất nhiệt có thể sẽ tăng cho đến khi nó bị ngắt bởi các hệ thống an toàn, do sự hình thành khoảng trống tăng lên do công suất cao hơn, hoặc có thể do lỗi hệ thống hoặc bộ phận làm giảm áp suất, khiến hàm lượng khoảng trống tăng lên và công suất giảm. Tất cả các lò phản ứng nước sôi đều được thiết kế (và bắt buộc) để xử lý loại tạm thời này. Mặt khác, nếu một lò phản ứng được thiết kế để vận hành hoàn toàn không có khoảng trống thì hệ số khoảng trống âm lớn có thể đóng vai trò là một hệ thống an toàn. Việc mất chất làm mát trong lò phản ứng như vậy sẽ làm giảm sản lượng nhiệt, nhưng tất nhiên nhiệt sinh ra không còn bị loại bỏ nữa, do đó nhiệt độ có thể tăng lên (nếu tất cả các hệ thống an toàn khác đồng thời bị hỏng).

Các thiết kế lò phản ứng
------------------------

### PWR

Sự hình thành các khoảng trống trong lõi lò phản ứng có tác dụng tương tự như làm tăng nhiệt độ của lõi lò phản ứng hạt nhân, bằng cách giảm mật độ của chất điều tiết neutron (là nước trong các lò phản ứng nước nhẹ ). Do đó, khả năng của chất điều tiết neutron làm dịu các neutron do phản ứng phân hạch hạt nhân giảm đi, do đó khả năng xảy ra phân hạch hạt nhân do các neutron này giảm, đồng nghĩa với việc năng lượng hạt nhân giảm. Nếu chất điều tiết chứa nồng độ axit boric (nồng độ axit này thấp được sử dụng để hấp thụ neutron từ lõi lò phản ứng và do đó làm giảm năng lượng hạt nhân), tác động của các khoảng trống sẽ làm tăng khả năng phản ứng, vì tốc độ hấp thụ của neutron bị giảm do mật độ của chất điều tiết giảm khi có các lỗ trống. Nói chung, sự hình thành các khoảng trống có thể có tác động tích cực hoặc tiêu cực đến khả năng phản ứng (và do đó đến khả năng phản ứng hạt nhân) tùy thuộc vào nồng độ axit boric và mức độ khác biệt so với tỷ lệ tối ưu giữa mật độ nguyên tử nhiên liệu (UO 2 ) và mật độ của các nguyên tử điều tiết (tỷ lệ nhiên liệu trên chất điều tiết tối ưu). Tỷ lệ phần trăm khoảng trống trong lõi của lò phản ứng nước áp lực là khoảng một nửa phần trăm trong điều kiện vận hành bình thường. Giá trị của hệ số khe hở nằm trong khoảng -30 ( PCM /%) khi bắt đầu tuổi thọ của nhiên liệu (BOL Begin Of Life), nghĩa là trước khi chiếu xạ nhiên liệu và lên tới giá trị -250 (PCM /%) khi hết tuổi thọ của nhiên liệu (EOL End Of Life) do sự hình thành các đồng vị plutonium.

### RBMK

Vật liệu làm chậm neutron trong lò phản ứng RBMK là than chì. Điều này có nghĩa là việc thay đổi nước lỏng thành hơi nước, hoặc thậm chí chỉ làm nóng nó, sẽ làm tăng số lượng neutron tới chất điều tiết, vì mật độ hơi nước thấp hơn làm giảm sự hấp thụ neutron. Than chì vẫn điều tiết neutron, làm chậm chúng nhiều hơn, nhưng neutron chậm hơn có nghĩa là phản ứng dây chuyền nhanh hơn (phản ứng dương) và tăng công suất lò phản ứng.

Hơn nữa, khi đốt cháy nhiên liệu ở mức cao, khi plutonium đã có sẵn trong nhiên liệu , tốc độ của neutron tăng lên, do chúng không hãm được các phân tử nước, khiến số lượng neutron lớn hơn có đủ năng lượng để phân hạch plutonium.. Một đóng góp khác vào việc tăng cường độ phản ứng của không gian hơi của lò phản ứng RBMK là thực tế rằng quá trình phân hạch plutonium cũng tạo ra nhiều neutron hơn so với quá trình phân hạch hạt nhân uranium. Điều này có thể dẫn đến sự gia tăng hơn nữa khả năng phản ứng gây ra sự gia tăng năng lượng và sự bốc hơi nước, điều này làm tăng thêm khả năng phản ứng do hệ số phản ứng dương của không gian hơi. Kịch bản này góp phần gây ra thảm họa ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986.

Trước vụ tai nạn Chernobyl, các lò phản ứng này có hệ số rỗng dương là 4,7 beta. sau tai nạn hệ số này được hạ xuống 0,7 beta để chúng có thể tiếp tục hoạt động một cách an toàn.

### CANDU

Các lò phản ứng nước nặng của Canada cũng có hệ số phản ứng trong không gian hơi dương. Do đó, họ có hai hệ thống tắt khẩn cấp lò phản ứng thụ động độc lập. Việc kích hoạt chúng khiến cho mặc dù công suất lò phản ứng tăng gấp 3,5 lần trong giây đầu tiên của sự cố, các phản ứng hạt nhân vẫn dừng ở giây thứ hai của sự cố và công suất lò phản ứng giảm xuống mức sau khi tắt máy .

Trong các lò phản ứng CANDU-6 mới hơn, mức tăng công suất trong giây đầu tiên xảy ra sự cố nhỏ hơn gấp đôi.

Chú thích
---------

1. ↑  Prelas, Mark A.; Peck, Michael S. (12 tháng 1 năm 2005). *Nonproliferation Issues For Weapons of Mass Destruction* (bằng tiếng Anh). CRC Press. ISBN 978-1-4200-2865-2.
2. 1 2  "The Canadian Nuclear FAQ - Section D: Safety and Liability". *www.nuclearfaq.ca*. Truy cập ngày 3 tháng 3 năm 2024.

Liên kết ngoài
--------------

* Vật lý hạt nhân
* Phản xạ neutron
* Vùng hoạt
* MKER

Tài liệu tham khảo
------------------

* Chernobyl - A Canadian Perspective - A brochure describing nuclear reactors in general and the RBMK design in particular, focusing on the safety differences between them and CANDU reactors. Published by Atomic Energy of Canada Ltd. (AECL), designer of the CANDU reactor.
* J.J. Whitlock, Why do CANDU reactors have a "positive void coefficient"? - An explanation published on **The Canadian Nuclear FAQ**, a website of "frequently-asked questions" and answers about Canadian nuclear technology.
* J.J. Whitlock, How do CANDU reactors meet high safety standards, despite having a "positive void coefficient"? - An explanation published on **The Canadian Nuclear FAQ**, a website of "frequently-asked questions" and answers about Canadian nuclear technology.