Ngành Hạt Nhân Bách Khoa

Hội đồng đánh giá kết quả rèn luyện thông báo kết quả Điểm rèn luyện DỰ KIẾN HK1/2018-2019 của sinh viên hệ chính quy và hướng dẫn tiếp nhận khiếu nại như sau:

III. Các lĩnh vực chính của Kỹ thuật Hạt nhân

Sự phát triển vượt bậc của ngành Kỹ thuật Hạt nhân trong nền công nghiệp hạt nhân chính là sự phát triển nhà máy điện hạt nhân. Tính tới thời điểm hiện tại có khoảng hơn 400 nhà máy điện hạt nhân đang hoạt động phát điện năng trên toàn thế giới, gần ¼ số nhà máy được xây dựng tại Mỹ, phần còn lại chủ yếu phát triển tại một số quốc gia có nền công nghiệp hạt nhân tiên tiến như Pháp, Nhật Bản, Nga, Hàn Quốc, Ấn Độ, Canada, Anh và Trung Quốc. Rõ ràng, năng lượng hạt nhân là lĩnh vực quan trọng của Kỹ thuật Hạt nhân, bao gồm một số các lĩnh vực chuyên sâu được liệt kê dưới đây.

a) Vật lý lò phản ứng & vận chuyển bức xạ

Kỹ sư hạt nhân phân tích các hiện tượng vận chuyển bức xạ và vật lý phức tạp xảy ra bên trong và ngoài lò phản ứng hạt nhân, đồng thời phối hợp công việc với các nhà khoa học và kỹ sư các lĩnh vực khác nhằm mô hình hóa các hiện tượng phức tạp như quá trình trao đổi nhiệt, dự đoán cấu hình dòng chảy chất lưu trong hệ thống, phản ứng hóa học, và các ứng xử của vật liệu. Mô hình hóa và mô phỏng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong lĩnh vực này.

b) Thủy nhiệt lò phản ứng & truyền nhiệt

Năng lượng giải phóng từ phản ứng phân hạch được tải đi khỏi thùng lò phản ứng bởi chất làm mát lò và được sử dụng để tạo ra hơi nước làm quay tua bin và phát điện. Các kỹ sư hạt nhân sẽ phối hợp với kỹ sư cơ khí động học dòng chảy để xác định tốc độ trao đổi nhiệt, tốc độ dòng chất làm mát phù hợp chảy trong hệ thống lò phản ứng bằng cách sử dụng các công cụ tính toán mô phỏng phức tạp có khả năng mô hình hóa kết hợp các hiện tượng hạt nhân và thủy nhiệt.

c) Thiết kế vùng hoạt lò phản ứng

Với mỗi loại công nghệ nhà máy điện hạt nhân, các kỹ sư tham gia thiết kế vùng hoạt lò phản ứng sử dụng các công cụ mô hình hóa và mô phỏng để tìm ra cấu hình thiết kế tối ưu thỏa mãn các yêu cầu thiết kế vận hành chi tiết cũng như thỏa mãn các tiêu chuẩn của cơ quan pháp quy.

Phân tích an toàn nhà máy điện hạt nhân gồm hai phương pháp chính là phân tích an toàn tất định và an toàn xác suất (còn gọi là đánh giá xác suất rủi ro, thuật ngữ viết tắt là PRA). Phương pháp phân tích an toàn tất định sẽ thực hiện đánh giá đáp ứng của nhà máy trong những điều kiện như nhà máy vận hành ổn định, xảy ra các thay đổi chuyển tiếp bất thường, hoặc xảy ra các tình huống sự cố giả định. Việc đánh giá được thực hiện bằng các công cụ tính toán mô phỏng tiên tiến dựa trên phương pháp mô hình hóa các hiện tượng phức tạp gồm vận chuyển nơ tron, thủy nhiệt, truyền nhiệt, phân tích cấu trúc, và ảnh hưởng của bức xạ tới tính chất của vật liệu. Do đó các tính toán mô phỏng này cần được thực hiện trên các hệ thống máy tính có cấu hình mạnh. Phương pháp phân tích an toàn xác suất thực hiện đánh giá rủi ro đối với từng kịch bản thông qua việc tính toán xác suất của mỗi sự kiện khởi phát và tiếp theo là hậu quả có thể nếu xảy ra sự kiện khởi phát đó. Việc này được thực hiện bằng cách xây dựng “cây sự kiện” (event trees) theo tiến trình sự cố từ các sự kiện khởi phát giả định, và “cây lỗi” (fault trees) theo chiều ngược lại từ một sai hỏng giả định của bộ phận hoặc hệ thống nhằm xác định xác suất xảy ra sai hỏng. Kể từ sự cố Fukushima năm 2011, việc đánh giá an toàn nhà là mối quan tâm và ưu tiên xem xét hàng đầu của các quốc gia đã, đang và sẽ vận hành nhà máy điện hạt nhân.

Quản lý nhiên liệu là công việc thực hiện các nhiệm vụ cơ bản như phân loại, cung ứng, và quản lý nhiên liệu cho nhà máy trong suốt thời gian vận hành cũng như sau vận hành. Một nhiệm vụ quan trọng nữa trong giai đoạn dừng lò chính là thay đảo nhiên liệu (đưa một số bó nhiên liệu mới vào thay cho những bó có độ làm giàu thấp và đảo vị trí) nhằm tối ưu hóa hiệu năng của vùng hoạt lò phản ứng.

f) Hải quân (vận hành tầu ngầm hoặc tầu sân bay hạt nhân)

Thiết kế lò phản ứng sử dụng cho tầu ngầm và tầu hạt nhân về cơ bản tương tự như các lò phản ứng thương mại công nghệ nước áp lực, ngoại trừ việc chúng có kích thước nhỏ hơn nhiều và khả năng vận hành trong điều kiện chiến trường khắc nghiệt như chịu được ngư lôi tấn công, vũ khí tiêu diệt tầu ngầm (depth charge) sử dụng shock thủy lực hoặc điều kiện trọng tải lớn, chịu nhiều lực đẩy như trường hợp tầu sân bay (carrier deck). Như vậy rất nhiều công việc và nhiệm vụ yêu cầu thực hiện bởi các kỹ sư hạt nhân trên tầu chạy bằng năng lượng hạt nhân giống như trong các nhà máy điện hạt nhân. Thực tế cho thấy các kỹ sư đã làm việc tại các đơn vị hải quân có sử dụng tầu hạt nhân, sau khi xuất ngũ thường tìm được việc làm trong các nhà máy điện hạt nhân thương mại.

Năng lượng nhiệt hạch là nguồn năng lượng tiềm tàng với phạm vi ứng dụng rộng trong thực tế. Trái ngược với quá trình phân hạch, quá trình nhiệt hạch kết hợp hai hạt nhân nhẹ ở trạng thái khí ion hình thành lên hạt nhân nặng hơn nhưng có khối lượng nhỏ hơn tổng khối lượng của hai hạt nhân con ban đầu do giải phóng năng lượng (= độ hụt khối). Năng lượng nhiệt hạch là nguồn năng lượng thắp sáng vũ trụ, tồn tại trong mặt trời và các vì sao. Năng lượng giải phóng từ phản ứng nhiệt hạch có thể tồn tại dưới nhiều dạng, bao gồm các hạt mang điện, bức xạ điện từ và hạt nơ tron, tuy nhiên thách thức thực sự với các kỹ sư hạt nhân và nhà vật lý plasma chính là việc làm sao kiểm soát được phản ứng nhiệt hạch, giống như kiểm soát được phản ứng phân hạch  trong lò phản ứng hạt nhân. Lò phản ứng nhiệt hạch nếu được phát triển thành công sẽ sử dụng nước làm nhiên liệu và như vậy sẽ cung cấp một nguồn năng lượng vô tận cho cuộc sống. Để hiện thực hoá nguồn năng lượng có tiềm năng lớn này, một số quốc gia đã phối hợp hình thành lên dự án đa quốc gia ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) nhằm mục đích xây dựng nhà máy điện nhiệt hạch trong thực tế. Trong lĩnh vực này, các kỹ sư hạt nhân sẽ cộng tác cùng các nhà vật lý plasma để thiết kế và phân tích hoạt động nhà máy điện nhiệt hạch cũng như nắm vững được bản chất vật lý của plasma và các ứng dụng của plasma.

Vũ khí phân hạch (bom nguyên tử), vũ khí nhiệt hạch (bom H) và vũ khí kết hợp phản ứng phân hạch-nhiệt hạch tạo nên kho vũ khí hạt nhân của thế giới. Kỹ sư hạt nhân tham gia chương trình phát triển vũ khí hạt nhân thực hiện rất nhiều mảng công việc khác nhau như nghiên cứu, phát triển, thiết kế, chế tạo, sản xuất, thử nghiệm, bảo dưỡng, giám sát hệ thống vũ khí hạt nhân. Do vũ khí hạt nhân là một hệ thống kỹ thuật phức tạp, quá trình sản xuất cần phải có sự phối hợp của các nhà khoa học và kỹ sư từ rất nhiều lĩnh vực. Có thể thấy các khoá học huấn luyện và đào tạo về vũ khí hạt nhân thường không có trong cấu trúc chương trình đào tạo ngành Kỹ thuật Hạt nhân thông thường do lĩnh vực này được xếp vào loại tuyệt mật và tuân theo quy định nghiêm ngặt về an ninh quốc gia.

Có khoảng hơn 2000 đồng vị phóng xạ được sinh ra từ hoạt động của lò phản ứng, và các kỹ sư hạt nhân sẽ tham gia trực tiếp vào các công việc liên quan đến cả quá trình sản xuất cũng như sử dụng chúng vào các ứng dụng phục vụ kinh tế và đời sống xã hội. Cụ thể chúng được sử dụng trong các ứng dụng như trung tâm điều nhịp tim (heart pacemaker), nghiên cứu y khoa (medical research), tiệt trùng dụng cụ y tế (sterilization of medical instruments), chất đánh dấu sử dụng trong công nghiệp (industrial tracers), thiết bị tia X, tăng cường khả năng liên kết của nhựa plastic (curing of plastics), bảo quản thực phẩm (preservation of food) cũng như máy phát điện sử dụng nhiệt năng từ đồng vị phóng xạ (radioisotope electric generator). Có lẽ ứng dụng quan trọng nhất của đồng vị phóng xạ là ứng dụng trong lĩnh vực y tế. Ví dụ rõ nhất là đồng vị molybdenum-99 được sử dụng trong rất nhiều ứng dụng chụp ảnh y tế, vốn là sản phẩm phân hạch trong lò phản ứng nhân và phân rã thành hạt nhân con là đồng vị sống ngắn technetium-99m phát xạ gamma.

Rác thải hạt nhân có thể được phân loại thành hai nhóm, rác thải hoạt độ thấp và hoạt độ cao. Rác thải hoạt độ thấp thường sinh ra từ các cơ sở liên quan đến năng lượng hạt nhân, bệnh viện, viện nghiên cứu và tồn tại dưới dạng các các vật dụng nhiễm xạ như quần áo, khăn lau, dụng cụ, ống thử, kim tiêm và các vật liệu nghiên cứu y khoa. Rác thải hoạt độ thấp được xử lý đóng gói trong các thùng chống rò rỉ, đặt trong hầm bao phủ bởi lớp đất nông tại các cơ sở chôn cất chất thải phóng xạ hoạt độ thấp. Rác thải hoạt độ cao là các bó nhiên liệu đã qua sử dụng và chất thải hình thành từ chương trình sản xuất vũ khí hạt nhân. Về lý thuyết, rác thải hoạt độ cao có thể được chôn cất vĩnh viễn trong các khu vực ở dưới sâu lòng đất, nhưng thực tế chưa có quốc gia nào có các chương trình hạt nhân dân sự cũng như chương trình vũ khí hạt nhân làm như vậy. Chẳng hạn tại Mỹ, rác thải hoạt độ cao hình thành từ các chương trình vũ phí hạt nhân được lưu trữ từ năm 1999 tại nhà máy WIPP (Waste Isolation Pilot Plant) ở bang New Mexico trong khi địa điểm đề xuất làm nơi chôn cất vĩnh viễn rác thải hạt nhân ở dưới ngọn núi Yucca bang Nevada dù đã được khởi công nhưng sau đó bị dừng lại.  Kỹ sư hạt nhân sẽ tham gia vào việc thiết kế các cơ sở lưu giữ và chôn cất, bao gồm việc phân tích hiệu ứng bức xạ và nhiệt phân rã trong các thùng chứa và các lớp kết cấu địa chất.

Vật liệu sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân trong điều kiện khắc nghiệt như nhiệt độ cao cộng với tương tác bức xạ có khả năng bị thoái hoá tính chất cơ nhiệt. Kỹ sư hạt nhân sẽ nghiên cứu các hiệu ứng của bức xạ với vật liệu để phát triển các vật liệu mới có khả năng chịu được tương tác bức xạ mà không làm thay đổi tính chất hoặc xác định mức độ hư hỏng của vật liệu để có biện pháp thay thế kịp thời. Các vật liệu trong lò phản ứng chịu tác động của bức xạ gồm các thanh nhiên liệu, các cấu trúc bên trong lò phản ứng, thùng chứa lưu giữ rác thải hoạt độ cao, và bản thân vật liệu chất thải phóng xạ. Từ việc nghiên cứu và hiểu biết các thay đổi cơ bản xảy ra trong vật liệu khi có tương tác bức xạ, các kỹ sư có thể phát triển các loại vật liệu mới hữu dụng hơn mà không thể thu được thông qua các phương pháp thông thường.

Kỹ sư hạt nhân làm việc trong lĩnh vực đo đạc bức xạ sẽ phát triển các hệ thống ghi nhận và đo đạc bức xạ tiên tiến, ứng dụng các hệ thống này để cải thiện và nâng cao công nghệ chụp ảnh bức xạ. Các công việc đảm nhiệm gồm thiết kế đầu dò, chế tạo đầu dò mới và phân tích hiệu năng của chúng, thực hiện đo đạc các nguyên tố cơ bản và các hiện tượng hạt nhân cần thiết cho quá trình phân tích lò phản ứng hạt nhân, phát triển các phương pháp và thuật toán mới cho hệ thống đầu dò, thực hiện phân tích kích hoạt nơ tron, thực hiện kiểm tra không phá huỷ mẫu các mẫu vật liệu và đánh giá các bộ phận cấu trúc trong hệ thống sử dụng phương pháp bức xạ truyền qua. Các kỹ sư hạt nhân cũng tham gia phát triển và ứng dụng các công nghệ ghi nhận bức xạ tiên tiến trong các chương trình chống phổ biến vũ khí hạt nhân và ngăn ngừa các tổ chức khủng bố sử dụng vật liệu hạt nhân với mục đích xấu, ví dụ như phát triển hệ thống có khả năng phát hiện các vật liệu hạt nhân trên các container vận chuyển.

Các kỹ sư y vật lý (medical physicists) và kỹ sư xạ trị (radiation oncologists) có thể thực hiện các công việc ứng dụng bức xạ trong chẩn đoán và điều trị bệnh, trong khi các kỹ sư lĩnh vực khoa học sức khoẻ (health physicists) nghiên cứu các hiệu ứng ảnh hưởng của bức xạ ion hoá tới cơ thể, ví dụ trong trường hợp chịu chiếu xạ nghề nghiệp. Trong mọi trường hợp, các kỹ sư hạt nhân có thể thực hiện công việc phân tích quá trình vận chuyển bức xạ trong cơ thể sống và khảo sát các hiệu ứng sinh học của bức xạ đối với sức khoẻ cũng như các mô, tế bào mắc bệnh.

Biên dịch và hiệu chỉnh: TS. Nguyễn Văn Thái Nguồn: britanica.com