Lò phản ứng hạt nhân pot

Đây là đặc tính quan trọng của lò Magnox, vì nhiên liệu sử dụng là nguồn Uranium tự nhiên không được làm giàu nên nó yêu cầu thay thế nhiên liệu nhiều hơn các lò phản ứng sử dụng nhiên l

Trang 1

LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ III

LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ III +

LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ IV

-LWR-PWR -BWR -CANDU -AGR

Lò nước nhẹ cải tiến:

-ABWR

Các thiết kế cải tiến về tính kinh tế và độ

an toàn

-Tăng độ an toàn -Tăng tính kinh tế -Giảm chất thải -Hạn chế phổ biến vũ khí

1950 - 1970 1970 - 1990 1990 - 2010 2010 - 2030

Trang 2

2 LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ I

- Lò phản ứng thế hệ I bao gồm các lò như:

Magnox, Shippingport và Dresden

- Các lò phản ứng thế hệ này được xuất hiện vào

những năm 1950 và được sử dụng phổ biến cho

tàu biển

Nhà máy điện nguyên tử - TS Huỳnh Châu Duy

Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân

- Hiện nay, phần lớn các lò phản ứng thế hệ này

đều đã hoặc đang tháo dỡ do:

+ lỗi thời,

+ hiệu quả thấp,

+ độ an toàn kém

- Công suất thiết kế ban đầu của các lò phản ứng

thế hệ này vào khoảng 5 MW

Trang 3

a Tính kỹ thuật của lò phản ứng Magnox

- Lò phản ứng Magnox là một trong các lò phản

ứng đầu tiên được sản xuất vào đầu những năm

của thập niên 50, do 3 nhà vật lý người Anh

sáng chế

Bộ trao đổi nhiệt

Bơm tuần hoàn nước

Nước Ống dẫn khí lạnh

Bơm tuần hoàn khí

Trang 4

Hai lớp bê tông cốt thép được thiết kế để có thể

chịu được áp lực vận hành từ 24,8 – 27 bar

Trang 5

• Công suất cực đại của nhà máy thông thường

bị giới hạn bởi thời gian tiếp nhiên liệu cho lò

phản ứng

Đây là đặc tính quan trọng của lò Magnox, vì

nhiên liệu sử dụng là nguồn Uranium tự nhiên

(không được làm giàu) nên nó yêu cầu thay

thế nhiên liệu nhiều hơn các lò phản ứng sử

dụng nhiên liệu đã được làm giàu

* Lò Magnox đầu tiên được thiết kế chủ yếu phục

vụ cho việc sản xuất Plutonium (Pu) cho bom

- một lượng hơi nước sinh ra từ việc sản xuất

này được sử dụng để quay turbine và phát ra

điện năng

b Tính kinh tế của lò phản ứng Magnox

Trang 6

* Vào thời điểm này, một số ý kiến cho rằng việc

sản xuất điện năng từ năng lượng nguyên tử là

tốn kém hơn rất nhiều so với các nguồn năng

lượng truyền thống (thủy điện, nhiệt điện than)

Nhưng có thể nhận ra rằng đây là phương án

thay thế cho các nhà máy nhiệt điện chạy than,

Ægiảm sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp than

• Nhiên liệu sau khi qua sử dụng phải được lưu

trữ trong hồ nước để giảm dần:

+ nhiệt độ,

+ tính phóng xạ

Việc này đòi hỏi các nhà thiết kế phải tính thêm

cả chi phí xử lý vào chi phí của lò Magnox

Trang 7

• Đây là thế hệ lò phản ứng đầu tiên nên có

nhiều sai phạm về tính an toàn trong thiết kế

• Lò hơi và ống dẫn khí được đặt bên ngoài lớp

bảo vệ sinh học bằng bê tông, các thiết bị này

phát ra trực tiếp tia gamma và bức xạ neuron

mà có thể vượt hơn lượng bức xạ lớn nhất mà

con người có thể nhận, gây ảnh hưởng đến

sức khỏe của con người

c Tính an toàn của lò phản ứng Magnox

d Nguyên tắc vận hành của lò phản ứng

thế hệ I

- Các ống kim loại Uranium này được bao bọc

bằng một lớp hợp kim gồm Nhôm (Al) và

Magie (Mg)

Trang 8

Bộ trao đổi nhiệt

Bơm tuần hoàn nước

Nước Ống dẫn khí lạnh

Bơm tuần hoàn khí

- Một lớp than Graphit đặt nằm giữa ống Uranium

và hợp kim trên có mục đích làm chậm bớt vận

tốc phóng thích nơ tron do sự phân hạch U-235

Từ đó các nơtrôn trên sẽ va chạm mạnh với hạt

nhân của U-235 để các phản ứng dây chuyền

liên tục xảy ra

- Đây là một phản ứng phát nhiệt rất lớn và nhiệt

năng này được đưa đến một tua bin hơi nước

để từ đó biến thành điện năng

Trang 9

• Việc điều khiển vận tốc phản ứng dây chuyền

hoặc chặn đứng phản ứng là một công việc

quan trọng bậc nhất của một lò phản ứng

• Lò Magnox sử dụng một loại thép đặc biệt

(Boron), loại thép này có tính chất hấp thụ các

nơ trôn

Do đó, có thể điều khiển phản ứng theo ý muốn

3 LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ II

-Loại lò này đã ra đời vào thập niên 70 của thế kỷ

20

-Loại lò này áp dụng nguyên lý lò nước áp suất

cao (Pressurized water reactor (PWR))

Trong đó, nước áp suất cao được sử dụng:

- vừa làm dung dịch làm nguội,

- vừa làm dung dịch điều hòa phản ứng

Trang 10

- Nhiên liệu được sử dụng cho loại lò này là:

+ hợp chất uranium dioxit,

+ hợp kim này được bọc trong các ống cấu

tạo bằng kim loại zirconi

- Trong loại lò này, uranium U-235 sẽ được làm

giàu từ 0,7% đến 3,5%

- Các loại lò này dần dần được thay thế bằng

cách áp dụng nguyên lý của lò nước sôi

(Boiling water reactor (BWR))

- Điểm khác biệt cơ bản giữa PWR và BWR là:

Nước được đun sôi rồi mới chuyển qua hệ

thống làm tăng áp suất

ÆNhư vậy, BWR sẽ rút ngắn tiến trình tạo nhiệt

của hơi nước khi chuyển nhiệt lượng qua các

tuabin để biến thành điện năng

Trang 11

- Lò CANDU (Canada Deuterium Uranium)

- Lò AGR (Advanced Gas-Cooled Reactor)

- Lò WWER (Water Water Energy Reactor)

- Hầu hết, các lò phản ứng đang sử dụng trên thế

giới hiện nay đều thuộc kiểu lò PWR

- PWR sử dụng nhiên liệu Uranium U235 được làm

giàu khoảng 3,2 %

3.1 LÒ PHẢN ỨNG PWR

(Pressurized Water Reactor)

a Mô tả chung

Trang 12

- Nước áp lực cao trong lò phản ứng:

+ vừa là chất tải nhiệt

+ vừa là chất làm chậm

- Nước áp lực cao được dẫn qua thiết bị sinh hơi

để tạo ra hơi nước,

và làm quay turbine của máy phát điện

- Một lò phản ứng PWR

có:

+ từ 150–250

khối nhiên liệu,

+ mỗi khối nhiên liệu có

Trang 13

- Nhiệt độ của nước trong tâm lò phản ứng là

khoảng 3250C

- Áp suất được giữ khoảng 150 lần áp suất khí

quyển để ngăn cản nước sôi Áp lực này được

duy trì bởi hơi trong thiết bị tạo áp lực

- Nước trong vòng thứ cấp sẽ có áp lực thấp hơn

trong vòng sơ cấp

Chu trình của lò PWR (Pressurized Water Reactor)

-Màu cam là chất làm mát sơ cấp

-Màu xanh là chất làm mát thứ cấp

Trang 14

Lò phản ứng và tháp làm mát Rancho Seco ở Herald,

California, USA (tình trạng ngưng hoạt động)

Lò phản ứng và tháp làm mát Rancho Seco ở Herald,

California, USA (tình trạng ngưng hoạt động)

Trang 15

Bó thanh nhiên liệu PWR

Nắp trên

Thanh nhiên liệu

Ống lót định hướng thanh điều khiển

Ống lót định hướng thiết bị đo đạc Lưới Bộ lọc Nắp dưới

Bó thanh nhiên liệu của lò phản ứng

Trang 16

- Công suất trong lò phản ứng sẽ được điều chỉnh

qua phản hồi từ sự thay đổi nhiệt độ của hơi

nước

- Boron làm các thanh điều khiển được sử dụng

để duy trì nhiệt độ của hệ thống sơ cấp tại giá trị

- Việc điều chỉnh mức độ phản ứng là nhằm duy

trì công suất đạt 100% khi mà nhiên liệu được

đốt cháy một cách kinh tế nhất

Æ Điều này đạt được nhờ vào việc:

Thay đổi nồng độ Axit Boric (Boric hấp thụ

Nơtron một cách dễ dàng) được hòa tan trong

chất tải nhiệt của vòng sơ cấp

Trang 17

Một hệ thống điều khiển bao gồm cả bơm áp lực

cao sẽ có nhiệm vụ:

+ lấy nước từ vòng sơ cấp

+ bơm trở lại đó với nồng độ Axit Boric khác

nhau

- Các thanh điều khiển được đặt phía trên lò phản

ứng và chèn trực tiếp vào các khối nhiên liệu,

chúng sẽ được hoạt động cho các quá trình:

+ Khởi động lò phản ứng

+ Tắt lò phản ứng

+ Điều tiết trong khoảng thời gian ngắn như

việc thay đổi tải của turbine

Trang 18

- Lò phản ứng PWR khá ổn định do nó có khuynh

hướng giảm công suất khi nhiệt độ của lò phản

ứng tăng lên

- Do trong hệ thống có thêm vòng tuần hoàn thứ

cấp nên hơi nước làm quay turbine sẽ không bị

- Chất tải nhiệt phải chịu áp lực cao để duy trì trạng

thái chất lỏng ở nhiệt độ cao

Æ Điều này đòi hỏi các đường ống phải có độ

bền cao và lớp vỏ áp lực phải cứng hơn

ÆĐiều này có nghĩa là giá thành xây dựng sẽ

3.1 LÒ PHẢN ỨNG PWR

(Pressurized Water Reactor)

d Nhược điểm

Trang 19

- Lớp vỏ áp lực của lò phản ứng được làm từ thép

dẻo nhưng khi lò được vận hành thì các luồng

nơtron từ tâm lò sẽ làm cho thép mất đi tính mềm

dẻo của nó

Khi tính mềm dẻo đã giảm đến giới hạn cho phép

thì cần phải sửa chữa hoặc thay thế

Æ Điều này không có ích về mặt kinh tế

- Lò phản ứng PWR không thể nạp nhiên liệu trong

khi vận hành, nó phải có một khoảng thời gian

ngừng khá lâu (khoảng 14 ngày)

Trang 20

- Chất tải nhiệt có hòa tan Axit Boric khi ở nhiệt độ

cao sẽ phá hủy dần các thiết bị thép Carbon trong

vòng sơ cấp

Æ Điều này không chỉ giới hạn vòng đời của nhà

máy mà còn đòi hỏi phải lọc sạch các sản phẩm

ăn mòn

- Nhiên liệu sử dụng là U235 được làm giàu

ÆDo đó, giá thành nhiên liệu sẽ bị tăng lên

Nếu sử dụng nước nặng thì có thể chạy bằng

Uranium tự nhiên nhưng việc sản xuất ra nước

nặng đòi hỏi một lượng năng lượng lớn và cũng

rất tốn kém

Trang 21

- Lò nước sôi sử dụng nước khử khoáng (nước

nhẹ - light water) làm chất tải nhiệt và chất làm

chậm nơtrôn

Nhiệt sinh ra tại tâm lò phản ứng sẽ làm cho

nước bay hơi, hơi nước sinh ra được chuyển trực

tiếp đến turbine và làm quay máy phát điện

- Sau đó, nó sẽ được ngưng tụ thành chất lỏng

(dạng nước ) và chuyển trở lại tâm lò phản ứng

Nước tải nhiệt được duy trì ở 75 atm

Nước sôi ở tâm lò phản ứng có nhiệt độ khoảng

2850C

Trang 22

Chu trình của lò BWR

Có 3 yếu tố được yêu cầu để đảm bảo tính an

toàn cho lò BWR trong mọi tình huống:

-Việc điều khiển lò phản ứng và công suất phát ra

của nó

-Làm mát nhiên liệu ngay cả khi lò được tắt

-Phân tích ảnh hưởng đến môi trường

3.2 LÒ PHẢN ỨNG BWR

(Boiling Water Reactor)

b Tính an toàn

Trang 23

được vận hành ở áp lực thấp hơn (khoảng 75

lần so với áp suất khí quyển) so với lò PWR

(khoảng 158 lần so với áp suất khí quyển)

- Không có thiết bị sinh hơi

- Nhiên liệu vận hành ở nhiệt độ thấp hơn

Trang 24

- Rủi ro gẫy nứt do thiếu hụt chất tải nhiệt ít hơn so

với PWR

- Lò có thể được vận hành với mật độ công suất

thấp hơn ở tâm lò nhờ sử dụng hệ thống tuần

hoàn tự nhiên

ÆRủi ro hư hỏng tâm lò ít hơn

- Lò BWR có thể được thiết kế vận hành mà chỉ sử

dụng hệ thống tuần hoàn tự nhiên

Vì vậy, các bơm tuần hoàn kín được loại bỏ hoàn

toàn

- Lò BWR không sử dụng Axit Boric để điều khiển

phản ứng phân hạch

Do đó, nó sẽ làm giảm khả năng ăn mòn bên

trong lò phản ứng và trong các đường ống

Trang 25

3.2 LÒ PHẢN ỨNG BWR

(Boiling Water Reactor)

d Nhược điểm

- Các tính toán phức tạp về quản lý tiêu thụ nhiên

liệu hạt nhân trong suốt quá trình vận hành cả

giai đoạn hơi và nước tại phần trên của tâm lò

Do nó đòi hỏi nhiều thiết bị đo đạc hơn trong tâm

lò phản ứng

- Cùng một công suất thiết kế nhưng lò phản ứng

BWR đòi hỏi lớp vỏ áp lực lớn hơn nhiều so

với lò phản ứng PWR

Tuy nhiên, giá thành tổng lại giảm do lò BWR

không có hệ thống sinh hơi và các đường

ống liên kết.

- Do không có vòng thứ hai nên turbine sẽ bị

nhiễm xạ trong thời gian vận hành

Trang 26

+Hai là từ chính nguồn áp lực của lò phản ứng

Cả 2 nguồn này đều có khả năng điều khiển từng

trục một

Tuy nhiên, hiện nay các lò thường được thiết kế

với trục điều khiển nằm bên trên

Khi có tình huống khẩn cấp thì chính trọng lực

của nó sẽ chèn nó vào tâm lò phản ứng

Trang 27

- Chất tải nhiệt được giữ dưới áp lực cao để tránh

việc sinh ra hơi nước trong tâm lò

Trang 28

- Các thiết kế ban đầu của CANDU sử dụng

nhiên liệu U235 tự nhiên làm nhiên liệu

- Lò CANDU sử dụng nhiên liệu thấp hơn từ 30

– 40% so với các lò phản ứng nước nhẹ khác

trên mỗi đơn vị điện năng được sản xuất ra

- Lò CANDU sử dụng nước nhẹ như chất làm

chậm sẽ hấp thụ nhiều nơtron

Nước nặng hấp thụ ít nơtron hơn nước nhẹ,

cho phép phản ứng xảy ra ngay cả khi sử

dụng nhiên liệu được làm giàu

- Các lò nước nhẹ truyền thống khi muốn thay

nhiên liệu thì nó phải được tắt, giảm áp, rút

chất lỏng ra, chờ một khoảng thời gian Sau

đó mới thực hiện việc tiếp nhiên liệu

Trong khi đó, thiết kế của lò CANDU cho

phép:

+Thực hiện việc tiếp nhiên liệu ngay cả khi

lò đang hoạt động

+Cải thiện chu trình hoạt động và hệ số

công suất của lò

Trang 29

+Có một cặp máy thay thế nhiên liệu được

đặt tại đầu và cuối của mỗi dãy nhiên liệu

riêng lẻ

Một máy thực hiện việc chèn khối nhiên

liệu mới vào, trong khi đó một máy khác

thực hiện việc nhận nhiên liệu cũ được

đẩy ra

-Điều kiện để duy trì phản ứng hạt nhân bên trong lò

phản ứng hạt nhân là sử dụng các nơtrôn được

phóng thích trong suốt phản ứng phân hạch để kích

thích các hạt nhân nguyên tử khác

-Khi sử dụng nước nhẹ là chất làm chậm thì nó đòi

hỏi nhiên liệu phải được làm giàu (từ 3% - 5% U235),

chất thải từ quá trình này được xem như Uranium

“nghèo”, chủ yếu chứa U238

Trang 30

-Một giải pháp được đưa ra là sử dụng chất làm

chậm khác, chất này phải không hấp thụ nơtrôn dễ

dàng như nước nhẹ, tất cả các nơtrôn sinh ra đều

sẽ được làm chậm và tham gia vào phản ứng phân

hạch

-Nước nặng hay Deutorium oxide chính là giải pháp

trong trường hợp này cho lò phản ứng CANDU

-Màu vàng và cam là chu trình sơ cấp

-Màu xanh và đỏ là chu trình thứ cấp

-Nước nặng mát có màu hồng ở tâm lò phản ứng cùng với các

1-Bó nhiên liệu 2-Tâm lò phản ứng 3-Các thanh điều chỉnh 4-Bình áp lực nước nặng 5-Bình tạo hơi nước 6-Bơm tuần hoàn nước nhẹ 7-Bơm tuần hoàn nước nặng 8-Thiết bị cung cấp nhiên liệu 9-Thiết bị điều tiết nước nặng 10-Ống áp lực

11-Hơi nước đi đến turbine hơi 12-Nước lạnh trả về từ turbine 13-Lò phản ứng với bê tông được gia cố

Chu trình của lò phản ứng CANDU

Trang 31

Hai bó thanh nhiên liệu của lò phản ứng CANDU

-Mỗi bó có chiều dài 50 cm và đường kính 10 cm.

-Mỗi bó có khả năng tạo ra 1 GWh điện.

-So với lò nước nhẹ thì thiết kế của lò nước nặng có

nhiều nơtrôn

Điều này làm cho lò phản ứng CANDU có thể đốt

cháy được nhiều nhiên liệu khác nhau, bao gồm cả

nhiên liệu đã qua sử dụng của lò phản ứng nước

nhẹ

Trang 32

Các chu trình nhiên liệu khả thi trong lò phản ứng CANDU:

Lò phản ứng CANDU có thể chấp nhận nhiều loại nhiên liệu khác nhau,

bao gồm: nhiên liệu đã được sử dụng từ các lò phản ứng nước nhẹ.

Nhiên liệu

tự nhiên

Nhiên liệu Uranium được làm giàu thấp (0,9%-1,2%)

Nhiên liệu Uranium

được làm giàu

Sử dụng trực tiếp nhiên liệu

đã được sử dụng

Tái chế Plutonium

Uranium được tái chế Đốt cháy Actinite

Lò phản ứng Qinshan, tổ máy số 1 và 2, giai đoạn 3, ở

Zhejing, Trung Quốc được thiết kế bởi Atomic Energy

Canada Limited (AECL), được sở hữu và vận hành bởi

Qinshan Nuclear Power Company Limited III

Tiêu đề	Lò phản ứng hạt nhân pot
Tác giả	TS. Huỳnh Châu Duy
Trường học	Đại học Bách Khoa TP. HCM
Chuyên ngành	Kỹ thuật Hạt nhân
Thể loại	Chương
Năm xuất bản	2011
Thành phố	TP. HCM

Định dạng
Số trang	50
Dung lượng	1,77 MB

Lò phản ứng hạt nhân pot

(Boiling Water Reactor) d Nhượcđiểm