Bài nhóm tìm hiểu về nhà máy điện hạt nhân

Khi đốt nóng các chất trong lò, xác suấttránh hấp thụ cộng hởng giảm xuống, do đó độ phản ứng giảm xuống.* Làm thay đổi sự phân bố tốc độ của các nơtron nhiệt.. Sơ đồ nguyên lý của lò ph

L i m đ u ời mở đầu ở đầu ầu

Ngày nay, khi đất nước ngày càng phát triển, nhu cầu song của con người ngay cang cao thì vấn

đề về nương lượng được đặt lên hàng đầu

Khi đát nước đi vào con đường hiện đại hóa, vấn đè về điên năng va truyen tải điện năng là vấn

đề được đặt lên hàng đầu nâng cao kinh tế và nền sản xuất

Sử dụng các dạng năng lượng tự nhiên (nước,gió, mặt trời, than đá, ) không đủ đáp ứng thì khi

đó điện nguyên tử là giải pháp được đặt lên hàng đầu

Được sự hướng dẫn của thầy và sự giúp đỡ của các bạn cùng lớp, nhóm chúng em đã mạnh dạng tìm hiểu về đề tài “ nhà máy điện hạt nhân “

Do kiến thức của chúng em có hạn, trong qua trình làm nhóm chúng em không thể tránh được sai sót, mong thầy và các bạn cùng góp y

Xin cám ơn !

NHÀ MÁY ĐI N H T NHÂN ỆN HẠT NHÂN ẠT NHÂN

I).GI I THI U CHUNG NHÀ MÁY ĐI N H T NHÂN: ỚI THIỆU CHUNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN: ỆU CHUNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN: ỆU CHUNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN: ẠT NHÂN:

Nhà máy điện nguyên tử (hay ngày nay còn hay gọi là nhà máy điện hạt nhân) là một phát minh vĩ đại của loài ngời Nó đã giúp cho con ngời giải quyết được một loạt những vấn đề có tính chất thời đại, đó là vấn đề mâu thuẫn giữa nhu cầu sử dụng năng lợng ngày càng tăng và sự hạn chế của các nguồn năng lợng sơ cấp, đó là vấn đề ô nhiễm môi trờng do tác động của việc đốt nhiên liệu khoáng gây ra Đó là vấn đề thiếu các nguồn nguyên liệu cho công nghiệp do việc dùng chúng làm nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện.v.v

Hiện nay, trên thế giới đang có 439 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động, cung cấp hơn 17% tổng điện năng trên toàn thế giới Có 31 lò phản ứng đang được xây dựng Con số này ngày càng tăng khi các dạng năng lợng truyền thống (thuỷ năng, than, dầu, khí) ngày một cạn kiệt, trong khi đó các yêu cầu về an ninh năng l-ợng và bảo vệ môi trờng ngày càng cao, trình độ công nghệ của điện nguyên tử cũng ngày càng đợc nâng cao, an toàn hơn, tin cậy hơn

ở Nuớc ta, do tiềm năng năng lượng tuy đa dạng nhưng không dồi dào lắm trong khi đó để đáp ứng được nhịp độ phát triển kinh tế ở mức tương đối cao nhằmđưa nước ta trở thành nớc công nghiệp hoá, hiện đại hoá, các yêu cầu về phát triển

và đa dạng hoá nguồn năng lợng nhằm đảm bảo cung cấp năng lượng an toàn và bền vững có tính đến việc bảo tồn phát triển tài nguyên và bảo vệ môi trờng là cực

kỳ quan trọng Chỉ có phát triển năng lượng nguyên tử với trình độ ngày càng hoànthiện mới đảm bảo được các yêu cầu đó

1).KHÁI NI M: ỆU CHUNG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN:

Nhà máy điện nguyên tử là nhà máy nhiệt điện ,trong đó lò đốt than được thay bằng lò phản ứng nguyên tử

Nhà máy điện nguyên tử tiêu thụ nhiên liệu uranium rất ít ,vì năng lượng của1kg uranium tương đương bằng năng lượng 2700 tấn than đá tiêu chuẩn.vì vậy

những vùng núi không tiện cho việc vận chuyển than thì việc xây dựng nhà máy điện nguyên tử có ý nghĩa rất quan trọng.

2).C U T O: ẤU TẠO: ẠT NHÂN:

Một trạm điện hạt nhân thường gồm 4 phần chính :

- Trung tâm lò phản ứng hạt nhân (reactor core), nơi xảy ra phản ứng phân hạch

- Máy phát điện chạy bằng hơi nước, nơi nhiệt sinh ra từ phân hạch hạt nhân được dùng để tạo hơi

- Turbine, dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện

- Bộ phận ngưng tụ (condenser), làm lạnh hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng

3).NGUYÊN LÝ HO T Đ NG: ẠT NHÂN: ỘNG:

Sau vùng hoạt là nơi diễn ra các phản ứng hạt nhân và sản ra nhiệt năng, là thiết bị trao đổi nhiệt để sinh hơi đa vào tua bin để sản ra điện năng Qua thiết bị trao đổi nhiệt giữa chất tải nhiệt từ tõm lũ phản ứng và hệ thống nước tuần hoàn ở vũng 2, nước ở đây nhận được nhiệt độ do nước (hay chất làm chậm) ở vũng 1

truyền cho biến thành hơi nước có áp lực cao được đưa vào tua bin làm quay tua bin của mỏy phát điện Sau khi qua tua bin hơi nước được đa qua bình ngưng để trở thành nớc và lại được đa trở lại bình trao đổi nhiệt để duy trì quá trình trao đổi nhiệt cho liên tục.

Để phục vụ cho sự tuần hoàn nước, người ta phải dựng một hệ thống bơm cưỡng bức Ngoài ra cũn phải có một hệ thống điện tự dùng cho nhà máy điện hạt nhân Mọi thông số vật lý và kỹ thuật trong hoạt động của lò đều được thụông báo

và hiện số lên các đồng hồ đo Nhà máy điện hạt nhân cũng phải có các hệ thống thiết bị an toàn mới đảm bảo cho nhà mỏy hoạt động an toàn và co hiệu quả Ngoài

ra cũng phải có cac thiết bị kiểm soát độ nhiễm xạ thoát ra môi trường ngoài để cóbiện phap xử lý và ngăn chặn Sau một thời gian hoạt động, nhiền liệu bị chảy dần nêm cũng phải nghiên cứu việc thay thanh nhiên liệu sao cho tối u

Nhà máy hoạt động theo hai đường vòng:

Thông thường để đảm bảo an toàn, trong nhà máy điện hạt nhân sử dụng 2 đến 3 vòng truyền nhiệt để truyền nhiệt năng từ tâm lò phản ứng đến bộ phận tạo hơi

Vòng truyền nhiệt sơ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng phản ứng, nhận nănglượng sinh ra từ phản ứng dây truyền, đi đến bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt năng nó mang theo cho vòng truyền nhiệt thứ hai

Vòng truyền nhiệt thứ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng trao đổi nhiệt với vòng truyền nhiệt thứ nhất, nhận nhiệt năng đem đến bộ phận tạo hơi nước làm quay turbin Trong một số lò phản ứng hạt nhân, để đảm bảo an toàn có thể có hai vòng thứ cấp

Chất dẫn nhiệt của vòng sơ cấp là nước, nước nặng, khí gas… kim loại lỏng, tùy thuộc vào cấu tạo lò phản ứng hạt nhân Chất dẫn nhiệt của vòng thứ cấp thường lànước

II) LÒ PH N NG H T NHÂN: ẢN ỨNG HẠT NHÂN: ỨNG HẠT NHÂN: ẠT NHÂN:

1).L CH S LÒ H T NHÂN: ỊCH SỬ LÒ HẠT NHÂN: Ử LÒ HẠT NHÂN: ẠT NHÂN:

a).Lò ph n ng th h I: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ế hệ I: ệ I:

Lò PƯ có tên Magnox do 3 nhà vật lý ngời Anh sáng chế là Ts Ion, Ts Khalit,

và Ts Magwood Lò Magnox sử dụng nguyên liệu urani trong thiên nhiên trong

đó chỉ có 0,7% chất đồng vị U-235 và 99,2% U-238

Nguyên tắc vận hành có thể đợc tóm tắt nh sau: Các ống kim loại urani đợc bao bọc bằng một lớp hợp kim gồm nhôm và magiê Một lớp than graphit đặtnằm giữa ống urani và hợp kim trên có mục đích làm chậm bớt vận tốc phóng thích nơtron do sự phân hạch U-235 Từ đó các nơtron trên sẽ va chạm mạnh với hạt nhân của U-235 để các phản ứng dây chuyền liên tục xảy ra Để điều khiển vận tốc phản ứng dây chuyền hoặc chặn đứng phản ứng, lò Magnox sử dụng một loại thép đặc biệt Nó có tính chất hấp thụ các nơtron, do đó có thể điều khiển phản ứng theo ý muốn Có 26 lò Magnox đã hoạt động ở nước Anh, hiện chỉ còn 8 lò đang hoạt động

b) Lò ph n ng th h II: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ế hệ I: ệ I:

Loại lò này ra đời vào thập niên 70, hiện chiếm đa số các lò đang hoạt động trên thế giới Từ ban đầu, 60% loại lò này áp dụng nguyên lý lò áp lực PWR, Nhng đã dần dần đợc thay thế bằng lò nớc sôi BWR Nhiên liệu sử dụng cho lò này là hợp chất urani đioxit và hợp kim này đợc bọc trong các ống cấu tạo bằng kim loại zirconi Urani 235 sẽ đợc làm giàu từ 0,7% đến 3,5% Một khác biệt cơ bản là nớc đợc đun sôi rồi mới chuyển qua hệ thống làm tăng áp suất Nh vậy, phơng pháp này sẽ rút ngắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nớc khi truyền nhiệt qua tuabin để biến thành điện năng

c) Lò ph n ng th h III: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ế hệ I: ệ I:

Các lò thế hệ thứ III là các thiết kế cải tiến (advanced-design), bao gồm:

-Các lò nước sôi cải tiến (ABWR) do GE thiết kế và được xây dựng tại Nhật Bản

- Các lò cải tiến hệ System 80+ do CE (Combustion Engineering) nay

thuộc Westinghouse thiết kế;

- Các lò PWR cải tiến (APWR), do Westinghouse, MHI thiết kế;

- Các lò WWER-1000: AES-91, AES-92 của Nga thiết kế;

- Các lò có thiết kế thụ động như AP600 của Westinghouse.

- Các lò EPR (Evolutionary Pressurized / European Pressurized Reactor)

– là một thiết kế tiến hóa kết hợp giữa các thiết kế và kinh nghiệm vận

hành các lò N4 của Framatome và KONVOI của Siemens, Đức

Một số thiết kế đã được phát triển ở Mỹ và được Cơ quan pháp quy Hoa

Kỳ (US-NRC) cấp phép vào những năm 1990 Các lò ABWR và APWR đã/đangđược xây dựng và vận hành ở nhiều nước khác nhau Một số thiết kế khác cũngđang trong giai đoạn xin cấp chứng nhận thiết kế của NRC như US EPR

Các cải tiến quan trọng so với thế hệ II bao gồm:

- Hoàn thiện công nghệ về nhiên liệu;

- Đưa vào các hệ thống an toàn thụ động;

- Các thiết kế được tiêu chuẩn hóa

d) Lò ph n ng th h III +: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ế hệ I: ệ I:

Các thiết kế thế hệ III+ nói chung là mở rộng khái niệm thiết kế của thế hệIII trong đó đưa vào các đặc tính an toàn thụ động cải tiến (advanced passivesafety) Các thiết kế này có thể duy trì trạng thái an toàn mà không cần sử dụngcác thành phần điều khiển chủ động nào Chúng có thể đã được phát triển ởnhững giai đoạn khác nhau vào những năm 1990 và hiện tại bắt đầu được cấpphép xây dựng Các lò phản ứng có thể được vận hành vào những năm 2010 Cácthiết kế thế hệ III+ bao gồm:

- Các lò Advanced CANDU Reactor (ACR);

- Lò AP1000 – dựa trên thiết kế AP600 của Westinghouse;

- Lò Economic Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR) – dựa

trên thiết kế ABWR;

- Lò APR-1400 – Thiết kế PWR cải tiến phát triển từ các lò KNGR

(Korean Next Generation Reactor) dựa trên cơ sở thiết kế hệ

System 80+ của Mỹ

- Lò WWER-1200: AES-2006 của Nga thiết kế

e)Lò ph n ng th h IV: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ế hệ I: ệ I:

Các lò thế hệ IV là các thiết kế được xác lập bởi GIF (Generation IV

International Forum), theo sáng kiến của DOE và 10 quốc gia thành viên khác.Tất cả các lò phản ứng thế hệ IV hiện còn đang ở giai đoạn thiết kế khái niệmhoặc thực nghiệm và hy vọng sẽ được xem xét khai thác vào những năm 2030.Năm 2002, GIF đã đưa ra lịch trình (Roadmap) cho 6 thiết kế thế hệ IV gồm 3loại lò nơtrôn nhiệt và 3 loại lò nơtrôn nhanh

2).ĐI U KHI N ( ĐK ) DUY TRÌ PH N NG DÂY CHUY N: ỀU KHIỂN ( ĐK ) DUY TRÌ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN: ỂN ( ĐK ) DUY TRÌ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN: ẢN ỨNG HẠT NHÂN: ỨNG HẠT NHÂN: ỀU KHIỂN ( ĐK ) DUY TRÌ PHẢN ỨNG DÂY CHUYỀN:

a ĐK t i h n c a ph n ng dây chuy n: ới hạn của phản ứng dây chuyền: ạn của phản ứng dây chuyền: ủa phản ứng dây chuyền: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ền:

Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nửa Năng lượng cần thiết, nhỏ nhất để làm hạt nhân phân chia được gọi là năng lượng kích hoạt Năng lượng kích hoạt được sử dụng cho hai phần: một phần truyền cho cỏc nuclon riờng biệt bờn trong hạt nhõn tạo ra cỏc dạng chuyển động nội tại, một phần dựng để kớch thớch chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhõn, do đó gãy ra biến dạng và làm hạt nhân vỡ ra

Hai phản ứng hạt nhân chính diễn ra trong lò phản ứng chạy bằng nơtron chậm và

U235 Hạt nhân của đồng vị U238 chỉ bị vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh (có năng lợng lớn hơn 1 MeV)

Quá trình thực nghiệm đã cho kết quả là các hạt nhân U235, Pu239 và U233 sẽ

bị vỡ ra khi hấp thụ nơtron nhiệt (có năng lợng nhỏ từ 0,10,001 eV), còn U238 và

Th232 sẽ vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh (NL lớn hơn 1 MeV)

Khi hấp thụ một nơtron, hạt nhân ZXA biến thành hạt nhân ZXA+1 ở trạng thái kích thích có mức năng lợng cao hơn mức cơ bản Năng lợng kích thích bằng tổng động năng và năng lợng liên kết của nơtron trong hạt nhân mới Nếu năng lợng kích thích lớn hơn năng lợng kích hoạt thì quá trình phân hạch sẽ xảy ra Nếu ngợc lại thì hạt nhân sẽ chỉ chuyển về trạng thái cơ bản và phát ra bức xạ 

Các phản ứng phân hạch của hạt nhân U235 bằng nơtron nhiệt có thể viết nh sau:

0n1 + 92U235  2 mảnh phân hạch + n'

0n1 + 92U235  2 mảnh phân hạch + các hạt 

Xác suất phân hạch là tỉ số 1/(1+) trong đó  là tỉ số giữa số phản ứng bắt

và số phản ứng phân hạch Nh vậy xác suất bắt sẽ là /(1+)

Cho nên đứng về mặt xác suất ta có thể viết lại phản ứng phân hạch của U235

là số nơtron trung bình đợc tạo ra khi hạt nhân U235 hấp thụ một nơtron

Nếu lò ở trạng thái tới hạn thì ở thế hệ tiếp theo cũng phải có 1 nơtron bị hấpthụ và do đó  nơtron mới đợc tạo thành Để đơn giản ta giả định là tất cả các nơtron gây ra phân hạch hạt nhân U235 đều có năng lợng nh nhau Trong số 

nơtron sẽ chỉ có phần lại bị hấp thụ trong nhiên liệu (trong đó f

a là tiết diện hấp thụ vĩ mô để phân hạch của nhiên liệu, a là tiết diện hấp thụ toàn phần của tất cả các vật liệu có trong lò kể cả nhiên liệu)

Vì thế cho nên đối với lò có kích thớc lớn đến mức không có một nơtron nào

có thể rò ra khỏi lò ta nói đó là một lò vô hạn Khi đó hệ số nhân sẽ có dạng:

f k

trong đó Pt là xác suất để nơtron nhiệt không thoát ra khỏi lò

Tỷ số giữa số nơtron đợc làm chậm xuống dới ngỡng phân hạch của U238

chia cho số nơtron xuất hiện ban đầu trong hệ đợc ký hiệu là  và đợc gọi là hệ số nhân bằng các nơtron nhanh Giả sử có m nơtron bị làm chậm qua vùng cộng hởng thì trong đó chỉ có n nơtron tránh đợc sự hấp thụ cộng hởng để xuống đợc vùng

nhiệt Nh vậy p=m/n gọi là xác suất tránh hấp thụ cộng hởng Từ đó ta có công

thức bốn thừa số nh sau:

k = ..p.f (đối với lò chạy bằng nơtron nhiệt)

Trong đó: là số nơtron trung bình tạo thành khi hạt nhân U235 hấp thụ 1 nơtron

 là hệ số nhân bằng các nơtron nhanh

p là xác suất tránh hấp thụ cộng hởng

f là hệ số sử dụng nơtron nhiệt

k = 1 là điều kiện tới hạn của lò

Nếu lò là hữu hạn hoặc có kể đến hiện tợng rò của các nơtron ra khỏi lò thì công thức bốn thừa số biến thành:

k = ..p.f.Pt.Pf

b).Phân b n tron trong lò: ố nơtron trong lò: ơtron trong lò:

Ngời ta hay dùng một phơng trình gần đúng gọi là phơng trình khuếch tán xem các nơtron nh là khuếch tán trong môi trờng các hạt nhân nhiên liệu

Ví dụ đối với lò hình cầu ta có:

r

2 r

D S t v

1

2 2

trong đó D là hệ số khuếch tán,  là thông lợng nơtron trong lò, S là tốc độ tạo ra nơtron trong 1cm 3 sau 1 giây.

Giải phơng trình khuếch tán ta sẽ biết được phân bố thông lượng nơtron  trong lò.

c).Th i gian t n t i c a n tron trong lò: ời gian tồn tại của nơtron trong lò: ồn tại của nơtron trong lò: ạn của phản ứng dây chuyền: ủa phản ứng dây chuyền: ơtron trong lò:

Để đơn giản, ta giả thiết rằng lò là đồng nhất, không có chất phản xạ nơtron, chưa kể đến các hiệu ứng nhiệt độ của môi trờng v.v

Nếu gọi  là thời gian sống trung bình của nơtron trong lò, nghĩa là khoảng thời gian từ lúc nơtron đợc sinh ra do phân hạch và thời điểm nó mất đi do bị hấp thụ hoặc bị rò ra ngoài lò Có thể hiểu  bao hàm cả thời gian sinh, thời gian làm chậm và thời gian khuếch tán của các nơtron nhiệt Tuy nhiên có thể coi  của một thế hệ nơtron gần đúng bằng thời gian khuếch tán của nơtron nhiệt

Các lò có chất làm chậm là graphít hay nớc nặng thì  10-3 giây, đối với lò chạy bằng nớc thờng  10- 4 giây Các lò chạy bằng nơtron nhanh thời gian sống trung bình của nơtron đạt tới 10-7 - 10-8 giây

Mật độ nơtron trong lò ở thời điểm t có thể tính đợc theo công thức:

L

t k

0e n )

t ( n



Trong đó n0 là mật độ nơtron ở thời điểm đầu Do đó nếu hệ số nhân hiệu dụng lớn hơn 1, số nơtron trong 1cm3 sẽ tăng theo hàm mũ

Nếu hệ số nhân hiệu dụng lớn hơn 1, số nơtron trong 1cm3 sẽ tăng theo hàm

mũ Bây giờ giả định rằng ở trạng thái hiện tại của lò k = 1,001 đó là một trạng tháikhông khác lắm với trạng thái tới hạn, do đó k = k - 1 = 1,001 - 1 = 0,001 Đối với các lò chạy bằng nơtron nhiệt  = 10-3 giây = 0,001 giây

t 0

001 , 0

t 001 , 0

n ) t (

nghĩa là thông lượng nơtron và do đó công suất của lò tăng e lần sau mỗi giây Nếu lò chạy bằng urani có hàm lợng cao( ~ 10-5 giây), hoặc đối với lò chạy bằng nơtron nhanh( ~ 10-7 - 10-8 giây) thì tốc độ tăng công suất còn cao hơn nữa

d).Các n tron tr : ơtron trong lò: ễ:

Thực tế là trong tổng số các nơtron đợc tạo thành do phân hạch, có một phần nhỏ (cỡ 0,75 %) xuất hiện dới dạng nơtron "trễ" nghĩa là xuất hiện sau từ một phần giây đến vài giây Chính sự có mặt của các nơtron này đã làm cho mật độ nơtron thay đổi chậm hơn nhiều so với tốc độ đã tính đợc trên đây Do đó mà vấn đề điều khiển lò trở nên đơn giản hơn Do chúng làm cho thời gian sống trung bình của nơtron kéo dài ra, trở nên lớn hơn nhiều so với thời gian khuếch tán của các nơtronnhiệt (~10-3 giây) Điều đó làm cho thời gian để công suất lò tăng lên e lần tăng lênnhiều

Các nơtron trễ có hai loại: một loại do các sản phẩm phân hạch sinh ra, loại thứ hai là kết quả của phản ứng Một số sản phẩm phân hạch chứa số nơtron nhiều hơn số cần thiết cho hạt nhân ở trạng thái bền vững, do đó nó tự phân rã Hạt nhân của các sản phẩm phân hạch có thể ở trạng thái kích thích mạnh, có một dự trữ năng lợng lớn để trong những điều kiện nhất định phát ra các nơtron

Thí dụ, một trong những sản phẩm phân hạch của U235 là Br87, chu kì bán rã của

nó là 55,6 giây, phân rã nh sau:

Br87  Kr87+ -  Kr86 + n Cho nên lúc đó sự thay đổi của thông lợng nơtron khi có kể đến ảnh hởng của các nơtron trễ (ví dụ khi k = 1,001 chẳng hạn) là:

100 0 1 , 0 001 , 0 0

0

0

) (

t t

L t k L

t k

e n e

n e

n e

n t

e).Các hi u ng nhi t đ : ệ I: ứng thế hệ I: ệ I: ộ:

Phản ứng của lò có thể thay đổi phụ thuộc vào những dao động về nhiệt của môi trờng lò Tốc độ tơng đối giữa hạt nhân và các nơtron thay đổi theo t0 do hai nguyên nhân:

* Làm thay đổi tốc độ tuyệt đối của các hạt nhân: Sự thay đổi nhiệt độlàm xuất hiện hiệu ứng Dopple làm thay đổi bề rộng của mức cộng hởng do đó làm

thay đổi hệ số p trong công thức 4 thừa số Khi đốt nóng các chất trong lò, xác suấttránh hấp thụ cộng hởng giảm xuống, do đó độ phản ứng giảm xuống.

* Làm thay đổi sự phân bố tốc độ của các nơtron nhiệt

f)S nhi m đ c lò b ng các s n ph m phân h ch: ự nhiễm độc lò bằng các sản phẩm phân hạch: ễ: ộ: ằng các sản phẩm phân hạch: ản ứng thế hệ I: ẩm phân hạch: ạn của phản ứng dây chuyền:

Sau mỗi hiện tợng phân hạch, trong môi trờng của lò xuất hiện hai mảnh phân hạch với số khối lợng thờng nằm giữa 95 và 140 Các mảnh này đến lợt mình lại phân rã để tạo thành một số lớn hạt nhân - gọi chung là các sản phẩm phân hạch Tất cả các hạt nhân - sản phẩm phân hạch này có các tiết diện hấp thụ

nơtron, song tiết diện phân hạch của các hạt nhân này đối với các hạt nơtron có năng lợng thấp hơn 10MeV bằng không Do đó, do phân hạch, chẳng những đã mấtbớt các hạt nhân nhiên liệu (U235) mà còn làm xuất hiện các hạt nhân mới chỉ có khả năng hấp thụ mất nơtron mà không có khả năng phân hạch

g)Nguyên t c ho t đ ng c a lò ph n ng: ắc hoạt động của lò phản ứng: ạn của phản ứng dây chuyền: ộ: ủa phản ứng dây chuyền: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I:

Khi hạt nhân vỡ ra thì trung bình có 2,5 nơtron nhanh bắn ra Nếu dùng chất làm chậm nơtron để năng lợng nơtron giảm đến mức trở thành nơtron nhiệt (0,1 - 0,01eV) thì có thể dùng urani thiên nhiên làm giàu U235 để thực hiện phản ứng dây chuyền Tính chất này đợc dùng trong lò phản ứng hạt nhân chạy bằng nhiên liệu phân hạch với nơtron chậm (U235, Pu239, U233) Trong lò phản ứng hạt nhân, các thanh urani thiên nhiên hay plutoni rất mỏng xếp xen kẽ các lớp khá dày của chất làm chậm tạo thành vùng hoạt động mà trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền

Sơ đồ nguyên lý của lò phản ứng hạt nhânMuốn điều chỉnh hoạt động của lò mạnh lên hay yếu đi thì dùng các thanh cadimi

có đặc tính hấp thụ mạnh nơtron nhiệt: muốn lò chạy yếu đi thì cho dồn những thanh cadimi vào lò, muốn lò chạy mạnh lên thì rút dần ra, để bảo đảm hệ số nhân nơtron luôn luôn bằng đơn vị (k = 1)

Người ta cho chất làm lạnh chảy theo những đờng ống vào trong lò để bảo đảm giữ nhiệt độ lò không cao quá mức nguy hiểm Nếu lò dùng để cung cấp năng lợng thì chất làm lạnh đồng thời là chất tải nhiệt, chất này phải ít hấp thụ nơtron

h)Nguyên lý đi u khi n lò ph n ng h t nhân: ền: ển lò phản ứng hạt nhân: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ạn của phản ứng dây chuyền:

Chúng ta mới chỉ nghiên cứu lò ở trạng thái tới hạn tức là trạng thái ở đó thông ợng nơtron trong lò không đổi theo thời gian Để sử dụng một cách bình thờng lò phản ứng ta phải biết cách điều khiển nó theo ý muốn.Để đặc trng cho mức độ lò rakhỏi trạng thái tới hạn ngời ta đa vào một đại lợng đợc gọi là độ phản ứng của lò:

l-k

sk k

1 k

Có thể thay đổi thông lợng nơtron trong lò bằng hai cách:

* Đưa vào hoặc rút bớt ra khỏi vùng hoạt động của lò các chất hấp thụ mạnh nơtron, nh chất bo chẳng hạn

* Đưa lại gần vùng hoạt hay đa ra xa vùng hoạt một chất phản xạ nơtron nào đó

3).C U TRÚC LÒ PH N NG H T NHÂN: ẤU TẠO: ẢN ỨNG HẠT NHÂN: ỨNG HẠT NHÂN: ẠT NHÂN:

Cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân (LPƯHN) bao gồm: nhiên liệuhạt nhân, chất làm chậm, chất tải nhiệt, thanh điều khiển, vành phản xạ, thùng lò,tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác Sơ đồ cấu trúc cơ bản của LPƯHN nêu

trong hình 2

a).S đ nguyên lý c a lò ph n ng h t nhân ơtron trong lò: ồn tại của nơtron trong lò: ủa phản ứng dây chuyền: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ạn của phản ứng dây chuyền:

Nguyên tắc thiết kế lò là phải làm giảm các quá trình tiêu phí các nơtron không phân hạch sao cho điều kiện nêu trên đây có thể đợc thoả mãn Các quá trình bắt nơtron một cách vô ích có ba loại nh sau:

 Nhiên liệu bắt nơtron mà không phân hạch (nh n, )

 Các vật liệu khác trong lò bắt nơtron

 Các nơtron rò ra khỏi hệ lò, không gây đợc một hiệu ứng nào cả

ảnh hưởng của ba quá trình này tới sự hoạt động của lò có thể thay đổi đáng kể

do thiết kế

Nhiên liệu dùng trong lò phản ứng có thể là urani thiên nhiên trong đó có chứa 0,73% U235, urani đã đợc làm giàu, plutoni Pu239, thori Th233 Chất làm chậm (trong các lò phản ứng chạy bằng nơtron chậm hay trung gian (các nơtron đã đợc làm chậm một phần trớc khi bị hấp thụ để phân hạch tiếp), có thể là graphit, nớc nặng D2O, nớc thờng H2O, berili và berili oxit BeO, các chất hữu cơ Chất tải nhiệt

có thể là chất khí, nớc thờng, nớc nặng D2O, chất lỏng hữu cơ, kim loại lỏng v.v Chất phản xạ là bất kỳ chất làm chậm nào nh graphit, berili v.v

Tất cả các lò phản ứng hạt nhân hoạt động ở những mức công suất cao, ngoài nhiệt năng, trong lò còn sản ra một số lớn nơtron, các tia  các tia  Ngay cảkhi lò đã bị dập, cờng độ phóng xạ của các tia  và  vẫn còn lớn do có một lợng lớn sản phẩm phóng xạ trong quá trình phân hạch sinh ra Chẳng hạn một lò có công suất 10 MW có thể sản ra 109 curi các sản phẩm phân hạch, đây là một cờng

độ phóng xạ gần đúng tơng đơng với cờng độ phóng xạ của khối 1000 tấn radi Cho nên phần lớn các lò phản ứng đều bọc kín nhiên liệu trong một "vỏ" vật liệu

Để làm chậm các nơtron nhanh để chúng dễ dàng bị U235 bắt, ta phải dùng loại vật liệu có nguyên tử nhỏ, trong khi đó để chắn có hiệu quả nhất đối với các tia

 lại phải có vật liệu với Z lớn Do đó ngời ta thờng dùng một hỗn hợp chất có Z nhỏ và chất có Z lớn làm vật chắn Trong một số trờng hợp ngời ta dùng nhiều lớp chì (Pb) và polyetilen để làm vật chắn, còn trong đa số trờng hợp ngời ta dùng bêtông cho tiết kiệm Ngời ta còn dùng loại bê tông đặc biệt là bêtông thông thờng

có thêm cốt sắt hoặc pha quặng sắt để tăng tỷ trọng và hiệu quả trong việc chắn cáctia  (với bề dày trên dới 1m)

b).Nhiên li u c a lò ph n ng h t nhân ệ I: ủa phản ứng dây chuyền: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ạn của phản ứng dây chuyền:

Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân có thể sử dụng các chất có khả năng phân hạch như: urani hoặc plutoni

Urani tự nhiên chỉ chứa 0,7% U235 phân hạch nên chỉ sử dụng làm nhiên liệu cho lò phản ứng hấp thu nơtron và sử dụng chúng một cách hiệu quả nh lò nớc nặng hoặc lò phản ứng làm nguội bằng khí và dùng chất làm chậm là than chì

Nước nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền nhng khả năng hấp thụ nơtron lớn nên không thể sử dụng urani tự nhiên làm nhiên liệu cho lò phản ứng nớc nhẹ ở đóngời ta sử dụng nhiên liêu urani đợc làm giàu trên dới 4% ở dạng ôxit urani

c).Ch t làm ch m c a lò ph n ng h t nhân ất làm chậm của lò phản ứng hạt nhân ậm của lò phản ứng hạt nhân ủa phản ứng dây chuyền: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ạn của phản ứng dây chuyền:

Để dễ dàng tạo ra phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền, cần phải hãm bớt nơtron tốc độ cao thành nơtron nhiệt Nh vậy, vật liêụ làm chậm nơtron đợc gọi

là chất làm chậm

Chất làm chậm có hai tính chất sau:

 Hấp thụ nơtron hiệu quả

 Giảm tốc độ của nơtron với hiệu suất cao

Vì vậy vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thờng là những nguyên tố có số nguyên tử nhỏ

Các loại chất làm chậm thông thường:

 Nớc nhẹ (nớc thông thờng) có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhng

có nhợc điểm là hấp thụ nơtron một cách lãng phí

lãng phí nên có thể nói đây là chất giảm tốc lý tởng nhng giá thành rất cao

và khó điều chế

 Than chì tuy hiệu suất làm chậm thấp, nhng lại hấp thụ ít nơtron và giá tơng đối rẻ

d).Ch t t i nhi t c a lò ph n ng h t nhân ất làm chậm của lò phản ứng hạt nhân ản ứng thế hệ I: ệ I: ủa phản ứng dây chuyền: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ạn của phản ứng dây chuyền:

Chất thu nhiệt sinh ra trong lò phản ứng và chuyển ra bên ngoài gọi là chất tải nhiệt

Lò phản ứng nớc nhẹ dùng chất tải nhiệt là nớc nhẹ; Lò phản ứng nước nặngdùng chất tải nhiệt là nớc nặng; còn lò khí thì sử dụng chất tải nhiệt là khí CO2

hoặc heli và lò tái sinh nhanh thì sử dụng chất tải nhiệt là natri

e).Ch t đi u khi n c a lò ph n ng h t nhân ất làm chậm của lò phản ứng hạt nhân ền: ển lò phản ứng hạt nhân: ủa phản ứng dây chuyền: ản ứng thế hệ I: ứng thế hệ I: ạn của phản ứng dây chuyền:

Chất điều khiển có tác dụng điều chỉnh công suất của lò phản ứng (tốc độ phản ứng phân hạch) và có khả năng hấp thụ nơtron

Muốn giảm tốc độ phản ứng thì đa sâu chất điều khiển vào trong tâm lò và ngợc lại muốn tăng tốc độ phản ứng thì đa chất điều khiển ra xa

Chất điều khiển được sử dụng phổ biến là boron hoặc cadimi

f).tóm t t: ắc hoạt động của lò phản ứng:

4).PHÂN LO I CÁC LO I LÒ PH N NG H T NHÂN: ẠT NHÂN: ẠT NHÂN: ẢN ỨNG HẠT NHÂN: ỨNG HẠT NHÂN: ẠT NHÂN:

Tuỳ thuộc vào việc sử dụng các chất tải nhiệt, chất làm chậm và cấu trúccủa lò, người ta phân ra các loại lò như nêu trong bảng 2

Bảng 2 Phân loại các loại lò