Vat li nguyen tu hat nhan

Lò phản ứng hạt nhân thường được sử dụng để tạo ra điện và cung cấp năng lượng bằng cách sử dụng nhiệt từ phản ứng hạt nhân để quay tuốc bin hơi nước.. • Lò phản ứng năng lượng: - Được s

CHỦ ĐỀ THẢO LUẬN

LÒ PHẢN ỨNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN HẠT NHÂN VÀ LÒ

PHẢN ỨNG NHIỆT HẠT NHÂN

I Cơ sở phân loại

II Lò phản phân hạch hạt nhân III Lò phản ứng nhiệt hạch hạt nhân

- Con người hầu như sử dụng năng lượng do nguyên liệu hóa thạch tạo ra để phục vụ tất cả các nhu cầu đời sống – sản xuất Nguyên liệu hóa thạch không thể tái sử dụng, theo khảo sát thì năm 2030-

2040 nguyên liệu hóa thạch sẽ cạn kiệt

- Từ những nhu cầu cấp thiết về năng lượng con người đã nghiên cứu và phát triển năng lượng hạt nhân

- Năng lượng hạt nhân tạo ra năng lượng rất lớn, chỉ cần

1g Uranium Thùng dầu 1 Tấn than 17000 Feet khối

- Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị để khởi động, kiểm

soát, và duy trì một chuỗi phản ứng hạt nhân Lò phản ứng hạt nhân thường được sử dụng để tạo ra điện và cung cấp năng lượng bằng cách sử dụng nhiệt từ phản ứng hạt nhân để quay tuốc bin hơi nước

Lò phản ứng hạt nhân ở Đà Lạt

Lò phản ứng hạt nhân ở mỹ

Cơ sở phân loại lò phản ứng hạt nhân

- Có rất nhiều cách phân loại lò phản ứng hạt nhân Sau đây là

một số cách phân loại thông thường.

1 Phân loại các lò phản ứng theo mục đích sử dụng: gồm 2 nhóm

- Lò năng lượng chủ yếu sử dụng nhiệt năng

- Lò nghiên cứu sử dụng các bức xạ hạt nhân và các sản phẩm

phân hạch

• Lò phản ứng năng lượng:

- Được sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân, dùng nguồn

nhiệt biến nước thành hơi nước để quay tuabin sản xuất điện

- Cung cấp nhiệt cho các nhu cầu công nghiệp và đời sống (các lò kích thước bé được thiết kế cho các phương tiện vận tải như tàu thủy, máy bay, tên lửa, các tàu hạm đội, tàu phá băng…)

- Sản xuất nhiên liệu hạt nhân (các lò phản ứng chế tạo 239Pu từ 238U , hay 233U từ 232Th)

• Lò phản ứng sử dụng các bức xạ hạt nhân và các sản phẩm phân hạch: 3 nhóm

- Các lò phản ứng nghiên cứu: Sử dụng các bức xạ neutron và γ

trong các nghiên cứu khoa học và kỹ thuật để chiếu xạ các vật liệu hạt nhân Đặc điểm: có nhiều kênh Dùng để nghiên cứu các quá

trình xảy ra trong lò phản ứng, các tính chất của vật liệu, tác dụng sinh học và chế tạo các đồng vị phóng xạ các loại

Ví dụ: lò TRIGA Mark II

- Lò phản ứng sản xuất: dùng để sản xuất một lượng lớn nhiên liệu 239Pu (lò phản ứng công nghiệp) hay để sản xuất các chất đồng vị phóng xạ (lò phản ứng đồng vị)

- Các lò phản ứng chiếu xạ: gồm lò phản ứng xử lý vật liệu bằng các bức xạ neutron hay γ với mục đích nâng cao các tính chất của chúng;

lò phản ứng hóa hạt nhân sử dụng các bức xạ hạt nhân; lò phản ứng nguồn neutron dùng để phân tích kích hoạt các thành phần vật liệu;

lò phản ứng để chiếu xạ sinh học, chiếu xạ thực phẩm…

2 Phân loại các loại lò phản ứng theo đặc trưng vật lý

- Theo năng lượng neutron: lò phản ứng neutron nhiệt, lò

phản ứng neutron trung gian như lò phản ứng trong tàu vũ trụ; lò phản ứng neutron nhanh như các lò BN350, BN600, Super Fenix, Naval

- Theo dạng chu trình nhiên liệu: lò phản ứng làm việc trong chu trình nhiên liệu uranium, plutonium, thorium

- Theo hệ số tái sinh nhiên liệu: lò phản ứng đốt nhiên liệu (hệ số tái sinh bé hơn một), lò phản ứng nhân nhiên liệu (hệ

số tái sinh lớn hơn một)

- Theo loại nhiên liệu:

• Lò phản ứng sử dụng nhiên liệu UOR 2R (3-4%) (ví dụ: lò LWR)

• Lò phản ứng sử dụng thanh nhiên liệu uranium thiên nhiên (ví dụ:

lò CANDU)

• Lò phản ứng sử dụng nhiên liệu UOR 2R, cacbon, silicon có dạng hình cầu (ví dụ: lò HTGR)

• Lò phản ứng sử dụng hợp kim U-Pu-Zr, lớp phản xạ bằng thép (ví dụ: lò LMR)

• Lò phản ứng sử dụng hợp kim U-Al, lớp phản xạ bằng Al-Si (ví dụ: lò TRIGA)

- Theo chất làm lạnh:

• Chất làm lạnh là nước nhẹ HR 2RO (ví dụ: lò LWR)

• Chất làm lạnh là nước nặng DR 2RO (ví dụ: lò CANDU)

• Chất làm lạnh là khí như: không khí, khí COR 2 R, Helium (ví dụ: lò HTRR)

• Chất làm lạnh là kim loại lỏng như Na, Na-K, Pb-Bi (ví dụ: lò LMR) - Theo chất làm chậm:

• Chất làm chậm bằng nước nhẹ HR 2R0 (ví dụ: lò LWR)

• Chất làm chậm bằng nước nặng DR 2R 0 (ví dụ: lò CANDU)

• Chất làm chậm bằng graphic (ví dụ: lò LGR, GCR, HTGR)

3 Phân loại lò theo đặc trưng kỹ thuật

- Theo các yếu tố tạo ra áp lực lên chất tải nhiệt: lò phản ứng vỏ chịu lực (vỏ lò giữ áp lực chất tải nhiệt), lò phản ứng kênh chịu lực (từng kênh nhiên liệu giữ áp lực chất tải nhiệt), lò phản ứng vỏ và kênh

chịu lực (lò kết hợp cả vỏ và kênh giữ áp lực chất tải nhiệt)

- Theo dạng chất tải nhiệt và chất làm chậm: lò nước - nước (dùng

nước làm chất tải nhiệt và chất làm chậm), lò nhiệt (chất tải nhiệt là nước nặng DR 2RO hay graphit), lò nhanh (chất tải nhiệt là natri hay helium),…

- Theo trạng thái của nước tải nhiệt: lò nước sôi (BWR), lò nước áp lực (PWR)

- Theo số vòng tuần hoàn của hệ thống tải nhiệt: lò phản ứng một vòng tuần hoàn.

- lò phản ứng với chu trình sinh hơi trực tiếp (ví dụ: lò BWR),

lò phản ứng hai vòng tuần hoàn (ví dụ: lò PWR), lò phản ứng

ba vòng tuần hoàn (ví dụ: lò LMR)

- Theo cấu trúc và dạng của vùng hoạt: lò phản ứng đồng nhất

và không đồng nhất với vùng hoạt dạng hình trụ, hình hộp và hình cầu

- Theo khả năng di chuyển: lò phản ứng tĩnh, lò phản ứng di động

- Theo thời gian hoạt động: lò phản ứng hoạt động liên tục, lò phản ứng hoạt động gián đoạn

Cấu tạo chung

- Vùng hoạt: nơi xảy ra phản ứng dây chuyền và

số neutron được nhân lên Vùng hoạt được phân thành hai loại: đồng nhất và không đồng nhất

Trong vùng hoạt đồng nhất, nhiên liệu phân hạch

và chất làm chậm được trộn đều với nhau Vùng hoạt không đồng nhất được cấu tạo từ các thanh nhiên liệu và chất làm chậm riêng biệt nhau,

thường được đặt xen kẽ nhau

Ngoài ra, vùng hoạt còn chứa các thanh điều khiển, thanh bảo hiểm Trong vùng hoạt của lò phản ứng neutron nhiệt, neutron nhiệt bị hạt nhân nhiên liệu hấp thụ, gây nên phản ứng phân hạch tạo ra

neutron nhanh

- Chất làm chậm: có tác dụng làm giảm vận

tốc của neutron nhanh (biến neutron nhanh

thành neutron nhiệt) để làm tăng xác suất phân hạch trong lò Chất làm chậm có thể là: graphit, nước thường, nước nặng, khí…

Trong lò phản ứng nhanh, phân hạch xảy ra do

sự bắt neutron nhanh (neutron có năng lượng

cao) được sinh ra từ phân hạch trước Như vậy, không có sự làm chậm neutron và không có chất làm chậm

- Lớp phản xạ: bao quanh vùng hoạt, làm từ chất

liệu có tiết diện hấp thụ neutron nhỏ, tiết diện

phản xạ neutron lớn, có tác dụng làm giảm bớt số neutron thoát ra ngoài Việc sử dụng lớp phản xạ cũng có tác dụng làm giảm khối lượng tới hạn của hạt nhân nhiên liệu Vật liệu dùng làm chất làm

chậm cũng được dùng làm chất phản xạ Hiệu quả của một vật liệu dùng làm chất phản xạ được đo bằng hệ số phản xạ

- Thanh điều khiển: điều khiển phản ứng dây

chuyền bằng cách đưa vào vật liệu hấp thụ

neutron để duy trì phản ứng dây chuyền tại mức

độ thích hợp; thường có dạng ống trụ hoặc dạng tấm, dạng lá hoặc hình chữ thập; làm từ vật liệu

có khả năng hấp thụ neutron cao như cacbon,

cadmium hay thép không gỉ

- Thanh bảo hiểm: (là thanh điều khiển đặc biệt) dùng

để dừng lò khi có sự cố, dập tắt phản ứng dây chuyền Các thanh điều khiển được chế tạo từ các chất liệu có

tiết diện hấp thụ neutron lớn Khi có tín hiệu dập tắt lò thì thanh bảo hiểm được đưa vào vùng hoạt nhằm hấp thụ các neutron phân hạch

- Hệ thống tải nhiệt (chất làm nguội) :Để nhiên liệu

khỏi bị nóng chảy và dẫn nhiệt ra ngoài, người ta sử

dụng hệ thống tải nhiệt Trong nhiều lò phản ứng, chất làm chậm và chất làm nguội là cùng một chất Ví dụ: lò phản ứng trong tàu ngầm được làm chậm và làm nguội bằng nước thường hoặc nước nặng Trong những lò phản ứng khác, chúng là những chất khác nhau như chất rắn, lỏng, khí Chất tải nhiệt chảy ngang qua vùng hoạt lò, tải nhiệt từ vùng hoạt lò tới máy tạo hơi nước dùng để làm quay các tua - bin sản xuất điện năng

Nhiệt độ cao của hơi nước hay những chất lỏng tải nhiệt khác làm gia tăng hiệu suất biến đổi nhiệt năng thành

điện năng Do đó trong lò phản ứng tạo ra điện năng,

người ta mong muốn hoạt động ở nhiệt độ thực tế cao

nhất

- Kênh thí nghiệm (có trong lò phản ứng nghiên

cứu): là vùng trong lò được dùng làm chỗ chiếu xạ

neutron lên các mẫu vật nghiên cứu, hoặc là đường dẫn neutron ra ngoài dùng cho các thí nghiệm

- Lớp vỏ bảo vệ: ngăn những tia bức xạ nguy hiểm

như tia αβγ , , cũng như neutron phát ra từ các phản ứng phân hạch Lớp vỏ thường được làm bằng

nhôm, thép không gỉ, zinicori

- Nhà lò: xây bằng bê tông đặc biệt.

Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng phân hạch

• Khi nguyên tử urani hoặc plutoni hấp thụ một neutron, nó có

thể trải qua phản ứng phân hạch hạt nhân để tách thành nhiều hạt nhỏ hơn Phản ứng phân hạch sản sinh một lượng nhiệt lớn cùng neutron mới Những neutron mới tiếp tục bắn phá nguyên tử urani hoặc plutoni để tạo nên phản ứng dây chuyền.

 Toàn bộ quá trình phân hạch xảy ra trong trong lõi bằng thép của lò phản ứng Nhiệt mà phản ứng tạo khiến nước sôi và bốc hơi Luồng hơi nóng của nước làm quay các turbin và tạo ra điện.

 Trong lõi của lò phản ứng, nguyên tố urani hoặc plutoni được nạp vào các thanh nhiên liệu (màu đỏ) chìm trong nước Các thanh điều khiển (màu đen) để làm nhanh hoặc chậm quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân được đặt bên dưới các thanh nhiên liệu.

 Khi sự cố bất ngờ, như động đất, xảy ra thì các thanh điều khiển tự động kích hoạt và trồi lên, nằm xen kẽ với các thanh nhiên liệu nhằm hấp thụ neutron từ các thanh nhiên liệu Do bị hấp thụ, các hạt neutron không thể bắn phá nguyên tử urani hoặc plutoni nên phản ứng phân hạch chấm dứt và lò phản ứng ngừng hoạt động.

 Trong kiểu lò nước áp lực, nước được bơm vào lõi để hấp thu nhiệt từ các thanh nhiên liệu Sau đó nó chảy qua một hệ thống kín để sôi Hơi nước được dẫn sang buồng chứa turbin để làm quay turbin Chuyển động quay của turbin được truyền sang máy phát điện

 Trong lò nước sôi, nước sôi ngay sau khi hấp thu nhiệt từ các thanh nhiên liệu và hơi được dẫn sang buồng chứa turbin Ra khỏi turbin, nước được làm nguội tại một tháp để quay trở lại dạng lỏng Sau đó nước tiếp tục chảy tới buồng tạo hơi.

 Lò phản ứng được đặt trong một bể chứa bằng sắt không rỉ Bên ngoài bể chứa được gia cố bằng lớp tường xi măng có độ dày hàng mét để ngăn chặn chất phóng

xạ rò rỉ ra ngoài trong trường hợp sự cố xảy ra

 Theo thời gian, nhiên liệu hạt nhân biến thành nguyên tố nhẹ hơn và không thể gây nên phản ứng phân hạch Nếu không được tái chế hoặc làm giàu, chúng sẽ trở thành chất thải hạt nhân.

Một bể chứa chất thải hạt nhân

CẤU TẠO LÒ PHẢN ỨNG NHIỆT HẠCH TOKAMAK

Bộ phận tạo từ trường

 Bao gồm hai hệ thống từ trường:

1 Hệ thống tạo từ trường Toroidal

có kích thước rất lớn gồm 18 thanh nam châm siêu dẫn, với chức năng chính là giam giữ các điện tích của plasma.

2 Hệ thống từ trường Poloidal

bao gồm 6 cuộn dây độc lập đặt bên ngoài của cấu trúc Toroidal với chức năng gom plasma cách xa bức tường và góp vào dòng plasma ổn định.

Buồng phản ứng

 Gồm 440 mảnh (1m x 1,5m) ghép với nhau, khối lượng tổng cộng là 4,5 tấn

 Buồng phản ứng có tác dụng tránh sự

va đập của các nơtron năng lượng cao trong phản ứng nhiệt hạch

 Bộ phận này được đặt dọc theo đáy buồng chân không có chức năng khép kín các đường cảm ứng từ.

 Đồng thời divertor cũng có chức năng trích lọc nhiệt năng và Heli từ phản ứng nhiệt hạch

 Divertor làm từ vật liệu chịu nhiệt: hợp chất Tungsten và sợi cacbon.

Buồng chân không

 Bộ phận này có chức năng tạo môi trường chân không cao với áp suất nhỏ hơn 1 triệu lần áp suất khí quyển, tạo môi trường sạch để có thể duy trì được dòng plasma trong thời gian dài

Buồng lạnh

 Bao quanh buồng chân không và nam châm siêu dẫn Kích thước: cao 31m, rộng 37m Tạo ra nhiệt độ cực thấp và mội trường chân không Hệ thống này bao gồm hai vách đặt đồng tâm với rất nhiều ô đường kính 4m, hai vách này được kết nối với nhau bằng những thanh ngang và đứng Vùng không gian giữa hai vách chứa khí Heli

Hệ thống điều khiển và đo đạc

 Gồm 50 hệ đo lường giúp điều khiển, đo đạc, đánh giá sự

hoạt động của plasma (Laser, tia X, camera quan sát nơtron, thiết bị đo mức độ tạp chất, phổ kế hạt, đo bức xạ

Bolomet, phân tích áp suất, khí, sợi quang học, …)

Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng nhiệt hạch:

Vấn đề cơ bản của việc điều khiển phản ứng nhiệt hạch hạt nhân là thực hiện được nhiệt độ cao hàng trăm triệu độ trong cùng một thể tích giới hạn chứa đầy

deuterium bay hay hỗn hợp deuterium và tritium Môi trường như vậy gọi là

plasma dạng thứ tư của vật chất Để tạo và duy trì được trạng thái plasma phải giải quyết ba vấn đề chính là: tạo nên môi trường plasma ở nhiệt độ hàng trăm triệu

độ, nhốt plasma trong một thể tích hữu hạn, duy trì trạng thái plasma trog thời

gian đủ dài

 Nhốt môi trường plasma nhờ từ trường

Muốn giữ plasma ở nhiệt độ cao hàng grăm triệu độ không thể có một cái vỏ vật liệu bình thường nào chịu đựng được lâ Hơn nữa cần phải giữ không cho plasma tiếp xúc với thành bình để tránh traoo đổi nhiệt Để đáp ứng được các yêu cầu này người ta nhốt plasma bằng hiệu ứng nén do tương tác của dòng điện với từtrường

do chính nó tạo ra.Giả sử có một chùm hạt điện tích chạy theo một chiều nào đó, chùm hạt tích điện sẽ gây xung quanh nó mọt từ trường Từ trường này sẽ tác dụng lên chính chùm hạt một lực vuông góc hướng vào rong

Hạt chuyển động bị nén lại và không tiếp xúc với thành bình Như vậy từ trường quanh cột plasma

có tác dụng nhốt và làm cách nhiệt plasma Tuy nhiên cột plasma bị thắt hay uốn cong ở một chỗ nào đó thì nó sẽ tiếp tục thắt lại hay uốn cong cho tới khi bị đứt khúc tại đó Để khắc phục hiện

tượng này người ta phải gây một từ trường bổ xung dọc theo cột plasma

Một phương pháp nhốt khác dựa trên quán tính của các hạt ion dưới tác dụng của tia lasẻ hay

chùm tia ion nặng Người ta tạo nên các viên rất nhỏ chứa hỗn hợp deutium và tritium ròi bắn từng viên vào buồng chân không Khi viên đạt tới tâm bình chân không, chiếu chùm lasẻ hay chùm ion nặng vào đó, thời gian cỡ s tới s khi đó hỗn hợp deutim-trinium nhận được năng lượng với mật

độ tăng lên cỡ 1000 lần và nóng đến nhiệt độ cao để phản ứng tổng hợp xảy ra trước khi các ion khịp chuyển động dịch ra xa do quán tính

Hai phương pháp nhốt plasma trên đều được nghiên cứu nhưng phương pháp bình chứa từ trường được sử dụng rộng rãi hơn trong hai thiết bị gọi là máy Tokamark của Liên Xô trước đây và máy Stellarator của Mĩ Và trong hai loại máy thì Tokamark được nghiên cứu phổ biến hơn và được lấy làm cơ sở để xây dựng lò phản ứng nhiệt hạch trog tương lai

 Tạo ra môi trường plasma với nhiệt độ hàng trăm triệu độ

- Đưa một lượng kí deuterium với nồng độ không lớn vòa trong máy Tokamark Do sự tương tác của các tia vũ trụ một số nguyên tử deuterium bị ion hóa Dòng cảm ứng của nam châm hình xuyến tác dụng lên các ion này làm nó chuyển động va chạm và ion hóa các nguyên tử khác Quá trình ion hóa này tạo nên plasma Plasma được giữ trong chân không nhờ bản thân từ

trường của dòng plasma

- Để nâng nhiệt độ plasma lên hàng trăm triệu độ người ta sử dụng tiếp phương pháp bắn chùm hạt trung hòa có năng lượng lớn vào plasma, gọi là phương pháp NBI Khi vào trong từ trường chùm hạt này bị ion hóa, chuyển động trong từ trường và va chạm với các hạt plasma, truyền năng lượng cho các hạt plasma Phương pháp thứ hai để nâng cao nhiệt độ là bắn sóng điện từ vào plasma Các sóng này được hấp thụ cộng hưởng và được gia tốc lên, hay nóng lên