công nghệ lò phản ứng hạt nhân

CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI Để hiểu rõ vấn đề công nghệ lò phản ứng dùng trong nhà máy điện hạt nhân, đầu tiên ta đi vào nghiên cứu tổng quát về loại công nghê này và tình hình phát triể

Giảng viên hướng dẫn: Sinh viên thực hiện:

Ths Lê Văn Nhạn Lê Thị Bé Thơ

Mã số SV: 1110277 Lớp: Sư phạm Vật lý - công nghệ Khóa: 37

Cần Thơ, 2015

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên tôi xin gửi lời cám ơn đến tất cả thầy cô trong khoa Sư Phạm Trường Đại học Cần Thơ đã truyền đạt những kiến thức, kinh nghiệm hết sức qúy báu để tôi cũng như các bạn sinh viên hoàn thành khóa học của mình

Đặc biệt tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Văn Nhạn – cán bộ hướng dẫn đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình nghiên cứu đề tài luận văn này

Xin gửi lời cám ơn đến tất cả các bạn lớp sư phạm Vật Lí – Công Nghệ khóa 37, nhất là các bạn làm luận văn đợt này đã luôn sát cánh bên tôi để cùng nhau vượt qua khó khăn, trở ngại trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu đề tài này

Cuối cùng con xin ghi lòng biết ơn sâu sắc đến cha mẹ, gia đình, những người đã luôn yêu thương và cho con niềm tin, động lực để con vững bước vượt qua mọi khó khăn trong quá trình học tập và đến khi hoàn tất luận văn này

Kính chúc tất cả sức khỏe, thành công và hạnh phúc trong cuộc sống

Cần Thơ, ngày 16 tháng 5 năm 2015 Sinh viên thực hiện

Lê Thị Bé Thơ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do chính tôi thực hiện Các số liệu, kết quả phân tích trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Mọi tham khảo, trích dẫn đều được chỉ rõ nguồn trong danh mục tài liệu tham khảo của luận văn

Cần Thơ, ngày tháng năm 2015 Tác giả

Lê Thị Bé Thơ

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

MỤC LỤC

Trang

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI 1

3 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI 1

4 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI 2

5 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 2

6 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI 3

7 CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI 3

PHẦN NỘI DUNG 4

Chương 1 VAI TRÒ CỦA CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 4

1.1 Nhà máy điện hạt nhân 4

1.1.1 Nguyên tắc thiết kế nhà máy điện hạt nhân 4

1.1.2 Cấu trúc và vận hành nhà máy điện hạt nhân 6

1.1.2.1 Cấu trúc 6

1.1.2.2 Vận hành nhà máy điện hạt nhân 6

1.2 Công nghệ lò phản ứng hạt nhân 6

1.3 Tình hình ứng dụng công nghệ điện hạt nhân trên thế giới 8

Chương 2 NĂNG LƯỢNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN 12

2.1 Các chế độ phát nóng của khí cụ điện 12

2.2 Cơ chế phản ứng phân hạch hạt nhân 12

2.3 Điều kiện phân hạch 13

2.4 Các sản phẩm phân hạch 14

2.5 Các neutron của phản ứng phân hạch 16

2.6 Phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền 17

2.6.1 Phản ứng dây chuyền 17

2.6.2 Phản ứng dây chuyền do neutron gây ra 17

2.6.3 Các neutron chậm 18

2.6.4 Điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền 18

2.6.5 Điều khiển phản ứng dây chuyền 19

Chương 3 CÁC THẾ HỆ LÒ PHẢN ỨNG 21

3.1 Thế hệ I ……… 21

3.2 Thế hệ II………… 22

3.3 Thế hệ III…… 22

3.4 Thế hệ IV 23

3.5 Đặc trưng an toàn qua các thế hệ 23

Chương 4.NHỮNG CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN THÔNG DỤNG 25 4.1 Công nghệ PWR – lò phản ứng nước áp lực (Pressurized Water Reactor) 25

4.1.1 Lịch sử phát triển của PWR 25

4.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 26

4.1.2.1 Cấu tạo 26

4.1.2.2 Nguyên lý hoạt động 29

4.1.3 Ưu và nhược điểm của công nghệ PWR 31

4.1.3.1 Ưu điểm 31

4.1.3.2 Khuyết điểm 31

4.2 Công nghệ BWR – lò phản ứng nước sôi ( Boiling Water Reactor ) 32

4.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 32

4.2.2 Ưu và nhược điểm của công nghệ BWR 36

4.2.2.1 Ưu điểm 36

4.2.2.2 Nhược điểm 37

4.3 Công nghệ lò nước nặng kiểu CANDU 37

4.4 Kết luận……… 39

Chương 5 MỘT SỐ CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN THẾ HỆ MỚI 40

5.1 Lò phản ứng hạt nhân cải tiến công nghệ Hàn Quốc - Apr1400 40

5.1.1 Về kinh tế 40

5.1.2 Hiện trạng công nghệ APR1400 40

5.1.3 Đặc tính an toàn chủ yếu của công nghệ APR1400 40

5.2 Lò phản ứng muối nóng chảy (molten salt reactor - MSR) 42

5.3 Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium-cooled fast reactor – SFR) 43

5.4 Lò phản ứng làm mát bằng nước siêu tới hạn (SCWR) 44

5.5 Lò nước áp lực cải tiến AP600 và AP1000 của Westinghouse 46

5.6 Lò nước áp lực cải tiến tiêu chuẩn châu Âu EPR 47

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn Chương 6 MỘT SỐ TAI NẠN ĐIỆN HẠT NHÂN LIÊN QUAN ĐẾN THIẾT KẾ VỀ

CÔNG NGHỆ 49

6.1 Tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Chernobyl 49

6.2 Tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Mile Island 52

6.3 Tai nạn ở nhà máy điện hạt nhân Fukushima I của Nhật Bản 54

6.3.1 Vụ tai nạn 55

6.3.2 Nguyên nhân của vụ tai nạn 56

Chương 7 CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Ở VIỆT NAM- NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN NINH THUẬN 58

7.1 Dự án nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận 58

7.2 Công nghệ VVER của Nga 59

7.2.1 Các thế hệ lò VVER cũ 59

7.2.2 Các thế hệ VVER cải tiến 59

PHẦN KẾT LUẬN 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 63

DANH MỤC BẢNG VÀ HÌNH

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Một số loại lò phản ứng phổ biến

Bảng 1.2 Thống kê số lò phản ứng hạt nhân theo quốc gia

Bảng 1.3 Thống kê số lò phản ứng hạt nhân theo loại công nghệ

Bảng 2.1 Số trung bình các neutron phân hạch k

Bảng 3.1 Một số yêu cầu về phát triển các thế hệ công nghệ lò

Bảng 4.1 Một số thông số chính của loại lò PWR - 1160 Mwe

Bảng 4.2 Một số thông số chính của loại lò BWR - 1100 MWe

DANH MỤC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ giải phóng năng lượng khi phân hạch hạt nhân

Hình 2.2 Sự phụ thuộc số mảnh vỡ phân hạch trên 1 phân hạch U235 bởi neutron nhiệt Hình 2.3 Phổ neutron tức thời khi phân hạch U235 bởi neutron nhiệt

Hình 2.4 Phản ứng phân hạch dây chuyền của 235U

Hình 3.1 Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân

Hình 4.1 Sơ đồ thùng lò PWR

Hình 4.2 Các bó nhiên liệu của lò PWR theo trường phái Phương Tây và Nga

Hình 4.3 Thiết bị sinh hơi kiểu đứng (phương Tây) và kiểu ngang (Nga)

Hình 4.4 Sơ đồ công nghệ hai vòng tuần hoàn của lò PWR

Hình 4.5 Thùng lò nước sôi – BWR

Hình 4.6 Các bó nhiên liệu và thanh điều khiển của lò BWR

Hình 4.7 Sơ đồ công nghệ một vòng tuần hoàn với lò nước sôi – BWR

Hình 4.8 Bundle (cuộn nhiên liệu)

Hình 6.1 Hiện trường vụ tai nạn tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl năm 1986

Hình 6.2 Chernobyl sau thảm họa

Hình 6.3 Tai nạn nhà máy Three Mile Island

Hình 6.4 Nhà máy điện hạt nhân Fukushima I bốc cháy

Hình 7.1 Thùng lò VVER-1000 loại AES-91

Hình 7.2 Hệ cung cấp hơi của NMĐHN với lò VVER

Hình 7.3 Thanh nhiên liệu của lò VVE

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Phần MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Nhà máy điện hạt nhân (hay còn gọi là nhà máy điện nguyên tử) là một phát minh

vĩ đại của loài người Nó đã góp phần giúp cho con người giải quyết bài toán về nhu cầu năng lượng

Điện lần đầu tiên được sản xuất bằng năng lượng hạt nhân vào ngày 20/12/1951 tại lò thử nghiệm EBR-1 của Mỹ và thắp sáng được bốn bóng đèn Tổ máy điện hạt nhân đầu tiên là lò graphit nước nhẹ 5MW(e) tại Obninsk của Nga, bắt đầu hoạt động năm

1954 và ngừng hoạt động ngày 30/4/2002 Calder Hall tại Anh là nhà máy điện hạt nhân quy mô công nghiệp đầu tiên trên thế giới bắt đầu vận hành năm 1956 và đóng cửa tháng 3/2003 Phát triển điện hạt nhân chủ yếu nhằm mục tiêu phát triển khoa học, công nghệ

và xây dựng tiềm lực hạt nhân bảo đảm an ninh quốc gia

Ngành điện hạt nhân ngày nay phát triển với một tốc độ nhanh chóng Ngày càng

có nhiều công nghệ lò phản ứng hạt nhân ra đời Các cải tiến về công nghệ đã nâng cao hơn độ an toàn của các nhà máy điện hạt nhân và làm tăng niềm tin của dân chúng vào nhà máy điện hạt nhân Nó mang đến cho chúng ta nhiều sự lụa chọn cho chính sách phát triển điện hạt nhân ở mỗi quốc gia

Tháng 11/ 2009, quốc hội nước ta đã biểu quyết thông qua chủ trương đầu tư dự

án xây dựng nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận Đây là nhà máy điện hạt nhân đầu tiên ở Việt Nam Vấn đề được quan tâm nhất hiện nay là an toàn và công nghệ cho nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận

Thông qua bài nghiên cứu này, tôi mong muốn sẽ cung cấp một tài liệu bổ ích có tính khoa học về vấn đề công nghệ lò phản ứng hạt nhân nói chung và công nghệ lò phản ứng sẽ được triển khai ở Việt Nam nói riêng

2 MỤC ĐÍCH CỦA ĐỀ TÀI

- Tìm hiểu các thế hệ lò phản ứng

- Những công nghệ lò phản ứng hạt nhân Ưu và nhược điểm của các lò

- Tình hình công nghệ lò phản ứng hạt nhân ở Việt Nam

3 CÁC GIẢ THUYẾT CỦA ĐỀ TÀI

Để hiểu rõ vấn đề công nghệ lò phản ứng dùng trong nhà máy điện hạt nhân, đầu tiên ta đi vào nghiên cứu tổng quát về loại công nghê này và tình hình phát triển của nó trên thế giới hiện nay

Vậy công nghệ điên hạt nhân này ứng dụng của kiến thức vật lý nào? Điều này sẽ được giới thiệu trong mục “năng lượng phân hạch hạt nhân”

Theo xu thế phát triển điện hạt nhân thì ngày càng có nhiều công nghệ lò phản ứng ra đời nhằm thỏa mãn điều kiện kinh tế, địa lý của từng địa phương Các công nghệ này ra đời ở thời điểm khác nhau và có đặc điểm riêng cho từng giai đoạn Dựa vào những đặc điểm trên người ta phân chia ra thành từng thế hệ lò phản ứng khác nhau

Trên thế giới có nhiều công nghệ lò phản ứng hạt nhân Nhưng nhìn chung, có bốn công nghệ được các quốc gia sử dụng nhiều nhất: Công nghệ lò phản ứng nước áp lực

(PWR),công nghệ lò phản ứng nước sôi (BWR),công nghệ lò nước nặng PHWR, công nghệ lò nước nặng kiểu CANDU Ngoài ra trong phần IV này còn giới thiệu một số công nghệ lò phản ứng hiệu quả khác Bên cạnh đó, các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu và

đề xuất một số công nghệ tiên tiến có thể ứng dụng trong tương lai

Công nghệ điện hạt nhân là một ngành khoa học kỹ thuật tiên tiến Tuy nhiên vẫn không tránh khỏi những tai nạn đáng tiếc do lỗi kỹ thuật trong khâu thiết kế Phần VI sẽ tổng hợp lại một số vụ tai nạn kiểu này

Việt Nam là một trong những nước có tốc độ phát triển kinh tế khá cao Nhu cầu

về năng lương của nước ta ngày một nhiều Dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận gần đây thu hút nhiều sự quan tâm của người dân trong nước cũng như quốc tế Vậy công nghệ nào đã được lựa chọn cho điện hạt nhân ở Việt Nam? Vấn đề này sẽ được nghiên cứu trong phần VII: Công nghệ lò phản ứng hạt nhân ở Việt Nam – Nhà máy điện hạt nhân Ninh Thuận

4 GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI

- Do không có điều kiện tham quan trực tiếp nhà máy điện hạt nhân nên tôi chỉ tìm hiểu nhà máy điện hạt nhân thông qua các tài liệu tham khảo và trên Internet

- Tôi chỉ giới thiệu một số tai nạn hạt nhân liên quan đến khâu thiết kế của nhà máy

5 CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ PHƯƠNG TIỆN THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

5.1 Phương pháp thực hiện đề tài

Để thực hiện đề tài này, tôi đã hoàn thành phần nghiên cứu của mình với phương pháp sau: nghiên cứu lý thuyết, phân tích và tổng hợp các tài liệu

5.2 Phương tiện thực hiện đề tài

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

- Tài liệu tham khảo: sách, báo, bài giảng, khai thác thông tin trên Internet

- Ý kiến nhận được từ: giáo viên hướng dẫn, các thầy cô và các bạn

6 CÁC BƯỚC THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

- Bước 1: Nhận đề tài, xác định nhiệm vụ cần đạt được của đề tài

- Bước 2: Nghiên cứu các tài liệu liên quan đến đề tài, tham khảo ý kiến của thầy

- Bước 5: Viết luận văn hoàn chỉnh

- Bước 6: Báo cáo luận văn

7 CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT TRONG ĐỀ TÀI

- IAEA ( International Atomic Energy Agency): Cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế

- VAEC (Vietnam Atomic Energy Commission): Viện năng lượng nguyên tử Việt Nam

- EAEC (European Atomic Energy Community): Ủy ban năng lượng nguyên tử Châu Âu

- BWR (Boiling Water Reactor): Lò nước sôi

- PWR (Pressurized Water Reactor): Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt

- PHWR (Pressurized Heavy Water Reactor): Lò phản ứng áp lực, dùng nước nặng làm chất dẫn nhiệt và chất làm chậm

- NMĐHN: nhà máy điện hạt nhân

- ĐHN: Điện hạt nhân

- LPƯ: lò phản ứng

Phần NỘI DUNG

Chương 1 VAI TRÒ CỦA CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG TRONG NHÀ

MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 1.1 Nhà máy điện hạt nhân

1.1.1 Nguyên tắc thiết kế nhà máy điện hạt nhân

Nguyên tắc quan trọng trước hết là không để xảy ra tai nạn Để làm được điều này, điều chủ yếu là phòng chống tới mức tối đa những rủi ro có khả năng gây tai nạn như hỏng hóc hoặc hư hại thiết bị, máy móc

Thiết kế đầy đủ, chính xác, thực hiện công tác quản lý chất lượng nghiêm ngặt và kiểm tra theo dõi thường xuyên để đề phòng phát sinh những bất thường và sai sót, hỏng hóc Ở nhà máy điện hạt nhân, khi vận hành bình thường thì hầu như không cần những thao tác trực tiếp của nhân viên, tình trạng các bộ phận của lò phản ứng được tổng hợp và hiển thị ở phòng điều khiển trung tâm để các nhân viên vận hành có thể thường xuyên đánh giá tình trạng hoạt động của lò một cách chính xác Hơn nữa để tránh những thao tác sai hoặc nhầm lẫn gây ảnh hưởng lớn đến an toàn, lò phản ứng được thiết kế với hệ thống an toàn hai lần , hệ thống khóa liên động

Hệ thống an toàn hai lần là hệ thống được thiết kế dựa trên nguyên tắc nếu một bộ

phận của hệ thống gặp hỏng hóc thì lập tức chuyển sang trạng thái an toàn

Hệ thống khóa liên động là hệ thống được thiết kế để phòng chống trục trặc, sự cố phát sinh do thao tác nhầm lẫn, ví dụ như nhân viên vận hành nhầm lẫn định rút thanh điều khiển ra thì cũng không thể rút được

Điều quan trọng tiếp theo là nếu phát sinh trục trặc bất thường thì cũng không để

sự cố lan rộng Người ta áp dụng những đối sách an toàn sau:

a Phát hiện sớm những bất thường

Ở nhà máy điện hạt nhân để có thể phát hiện và kiểm tra được những bất thường như trường hợp phát sinh rò rỉ từ hệ thống ống dẫn ngay khi mới phát sinh và ở mức độ nhỏ, người ta lắp đặt các thiết bị kiểm tra giám sát tự động và khi cần thiết sẽ áp dụng những biện pháp thích hợp như ngừng lò phản ứng

b Có thể ngừng lò khẩn cấp

Khi phát hiện thấy có bất thường như áp lực trong lò phản ứng đột ngột tăng cao cần áp dụng biện pháp khẩn cấp, người ta lắp đặt các thiết bị phát hiện và thiết bị ngừng

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

lò khẩn cấp để có thể cùng một lúc cho các thanh điều khiển vào lò phản ứng và ngừng tự động lò phản ứng Các thiết bị quan trọng đó có đầy đủ độ tin cậy, nhiều tầng và độc lập Công phu tới mức lắp đặt cả thiết bị mà trong trường hợp hy hữu thanh điều khiển không hoạt động thì ngay lập tức một lượng lớn dung dịch axit boric có khả năng hấp thụ neutron sẽ được rót vào để ngừng lò phản ứng

c Phòng chống rò rỉ chất phóng xạ

- Do có nhiều chất phóng xạ nguy hiểm ở trong lò nên lò phản ứng hạt nhân được thiết kế rất công phu nhằm đảm bảo các chất nguy hiểm đó sẽ bị giữ bên trong thiết bị, bên trong nhà máy và không thoát ra được bên ngoài nếu xảy ra tai nạn

- Để đề phòng khả năng tai nạn như nước tải nhiệt sơ cấp bị tổn thất, mất mát thì người ta lắp đặt hệ thống thiết bị làm lạnh tâm lò phản ứng khẩn cấp (ECCS – Emergency Core Cooling System) và thùng chứa lò phản ứng (Reactor Containment Vessel) Khi sự cố xảy ra, cùng với việc xả nước làm nguội lò phản ứng thì hệ thống phun hơi của thùng chứa lò sẽ làm lạnh và hóa lỏng hơi nước thoát ra thùng chứa lò, làm giảm áp lực trong thùng lò và giảm thiểu nhanh chóng chất phóng xạ ở dạng khí

- Lượng khí còn lại sẽ nhờ hệ thống lọc khẩn cấp làm giảm chất phóng xạ Dù trường hợp thế nào chăng nữa thì về cơ bản, các chất phóng xạ cũng được nhốt chặt bên trong thùng chứa lò phản ứng để không thoát ra bên ngoài

Hạn chế hiện nay trong việc xây dựng nhà máy điện hạt nhân có thể do bốn vấn đề sau đây:

- Chi phí: Nhà máy điện hạt nhân có chi phí lớn trong suốt thời gian hoạt động

- Độ an toàn: Nhà máy điện hạt nhân được cho là không an toàn, ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe của con người, điển hình là vào năm 1979 ở Three Mile Island, năm 1986 ở Chernobyl và năm 2011 ở Fukushima I đã xảy ra sự cố ở lò phản ứng hạt nhân

- Sự phát triển: Công nghệ hạt nhân phát triển làm cho con người có thể sử dụng sức mạnh của nó sai mục đích nhằm đạt được các mục đích kinh tế, thương mại hoặc chế tạo những vũ khí hạt nhân làm ảnh hưởng đến tình hình chính trị và sự an toàn của con người

- Chất thải phóng xạ: Nhà máy điện hạt nhân cần được quản lý một cách chặt chẽ

về chất thải phóng xạ trong một thời gian dài, bảo quản tối đa trong khu vực nhà máy để

có thể bảo quản một cách an toàn do đó cần phải tính toán tỉ mỉ lượng chất thải phóng xạ sinh ra trong thời gian vận hành để lựa chọn địa điểm đủ rộng cho cất giữ phóng xạ

1.1.2 Cấu trúc và vận hành nhà máy điện hạt nhân

1.1.2.1 Cấu trúc

Nhà máy điện hạt nhân bao gồm 4 phần chính:

- Trung tâm lò phản ứng hạt nhân, nơi xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân

- Máy phát điện chạy bằng hơi nước

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

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

1.1.2.2 Vận hành nhà máy điện hạt nhân

Thiết bị quan trọng nhất là trung tâm lò phản ứng hạt nhân Sau vùng hoạt - nơi diễn

ra các phản ứng hạt nhân và tạo ra nhiệt năng, đóng vai trò quan trọng tiếp theo là thiết bị trao đổi nhiệt để sinh hơi đưa vào tuabin để tạo ra điện năng Qua thiết bị trao đổi nhiệt giữa chất tải nhiệt từ tâm lò phản ứng và hệ thống nước tuần hoàn ở vòng ngoài (còn được gọi là nước tuần hoàn vòng hai), nước ở đây nhận được nhiệt do nước (hay chất làm chậm) ở vòng 1 truyền cho biến thành hơi nước có áp lực cao được đưa vào tuabin làm quay tuabin của máy phát điện Sau khi qua tuabin hơi nước được ngưng tụ được đưa 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 ở vòng 1 và vòng 2 người ta phải dùng một hệ thống bơm cưỡng bức Ngoài ra còn phải thiết kế một hệ thống điện cho nhà máy điện hạt nhân phục vụ cho việc vận hành lò phản ứng: chạy hệ thống bơm, các hệ thống điều khiển lò Mọi thông số vật

lý và kỹ thuật trong hoạt động của lò đều được thông báo và hiện số lên các đồng hồ đo

để người điều khiển lò (điều khiển nhà máy điện hạt nhân) biết được tình trạng làm việc của nhà máy Nhà máy điện hạt nhân còn phải có các hệ thống thiết bị an toàn (an toàn lò phản ứng, an toàn nhà máy điện hạt nhân) mới đảm bảo cho nhà máy hoạt động an toàn

và có hiệu quả Còn phải có các thiết bị kiểm soát độ nhiễm xạ thoát ra trong môi trường ngoài để có các biện pháp xử lý và ngăn chặn Sau một thời gian hoạt động, nhiên liệu bị cháy dần nên còn phải nghiên cứu việc thay thanh nhiên liệu sao cho tối ưu về mặt sản xuất năng lượng Trong quá trình phát triển điện hạt nhân, vấn đề an toàn và công nghệ luôn đóng một vai trò hết sức quan trọng, mang tính quyết định đối với sự thành công của chương trình điện hạt nhân

1.2 Công nghệ lò phản ứng hạt nhân

Công nghệ lò phản ứng là yếu tố đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao công suất và đảm bảo an toàn cho việc vận hành nhà máy điện hạt nhân

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Hiện nay, công nghệ lò phát triển rất phong phú và đa dạng Hiện có trên 10 loại

lò đang được sử dụng và nghiên cứu phát triển Rất khó có thể đánh giá ưu thế tuyệt đối của loại lò này so với loại lò khác Việc mỗi quốc gia sử dụng và phát triển loại lò nào phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết là ý đồ chiến lược của mỗi quốc gia, sau đó là trình

độ khoa học – công nghệ và khả năng tham gia của công nghiệp nội địa Mặc dù số loại

lò nhiều như vậy nhưng đa số hoặc đã bị loại bỏ khỏi xu hướng phát triển hoặc đang ở trạng thái thử nghiệm

Bảng 1.1 Một số loại lò phản ứng phổ biến

Cho đến nay, thực chất chỉ mới có ba loại được công nhận là những công nghệ đã được kiểm chứng và được phát triển nhiều nhất, đó là PWR, BWR và PHWR Tỷ phần số lượng lò của các loại công nghệ như sau: Lò phản ứng nước áp lực: 60% (Pressurired Water Reactor – PWR+VVER), kế theo đó là Lò phản ứng nước sôi: 21% (Boiling Water Reactor – BWR), và cuối cùng là Lò nước năng kiểu CANDU: 7% (Pressurired Heavy Water Reactor – PHWR), phần còn lại là các loại lò khác Các lò đang vận hành trên thế giới chủ yếu thuộc loại thế hệ thứ II Một số nước đã xây dựng hoặc đang có kế hoạch thay thế các lò hết hạn sử dụng bằng loại lò thế hệ thứ III (độ an toàn được nâng cao, thiết

kế gọn hơn, công nghệ xử lý tín hiệu số được đưa vào hệ điều khiển) và đang tập trung nghiên cứu để cho ra đời loại lò thế hệ thứ IV với nhiều ưu việt (an toàn hơn, lượng chất thải phóng xạ ít hơn, kinh tế hơn, giảm thiểu nguy cơ phổ biến vũ khí hạt nhân) Việc

nghiên cứu phát triển công nghệ NMĐHN được tập trung theo 4 hướng sau với đầu tư nghiên cứu trung bình toàn thế giới khoảng 2 tỷ USD /năm:

- Hoàn thiện công nghệ các NMĐHN hiện hành Các lò nước nhẹ công suất lớn đang được thiết kế nâng cấp thành các lò cải tiến với công suất lớn hơn và từng bước áp dụng nguyên lý an toàn thụ động

- Nghiên cứu phát triển các lò có công suất nhỏ và trung bình

- Phát triển các thiết kế mới kiểu ghép nối các mô - đun độc lập theo hướng sử dụng chất tải nhiệt là khí nhiệt độ cao và dùng hơi quá nhiệt để quay tuốc - bin, áp dụng triệt để nguyên lý an toàn thụ động

- Phát triển những loại lò thế hệ mới có nhiều ưu điểm vượt trội để đáp ứng các mục tiêu: an toàn hơn, kinh tế hơn, ít chất thải phóng xạ hơn và giảm nguy cơ phổ biến

vũ khí hạt nhân

Mặc dù có nhiều công nghệ lò phản ứng dùng trong nhà máy điện hạt nhân nhưng chúng hoạt động đều dựa trên nguyên tắc vật lý là phản ứng phân hạch hạt nhân

1.3 Tình hình ứng dụng công nghệ điện hạt nhân trên thế giới

Theo Cơ quan năng lượng nguyên tử thế giới IAEA, tính đến ngày 26/02/2012, trên thế giới có 437 lò phản ứng hạt nhân đang hoạt động (bao gồm cả 6 lò phản ứng của Đài Loan - Trung Quốc)

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn Theo quốc gia:

Quốc gia Số lượng Tổng công suất thuần

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Chương 2 NĂNG LƯỢNG PHÂN HẠCH HẠT NHÂN 2.1 Khái niệm phản ứng phân hạch

- Là phản ứng trong đó một hạt nhân nặng hấp thụ một neutron chậm thành hai hạt nhân trung bình đồng thời phóng ra một số neutron và tỏa ra năng lượng rất lớn ( khoảng 200MeV)

- Phần lớn năng lượng tỏa ra dưới dạng động năng của các hạt

2.2 Cơ chế phản ứng phân hạch hạt nhân

Cơ chế phản ứng phân hạch được mô tả bởi mẫu giọt, trong đó hạt nhân được xem như là một giọt chất lỏng mang điện tích dương Giọt chất lỏng này tồn tại do cân bằng lực giữa lực đẩy Coulomb của các proton với lực hút hạt nhân và sức căng bề mặt Khi neutron tương tác với hạt nhân, trong hạt nhân xuất hiện sự biến dạng dao động từ dạng hình cầu sang dạng có hai phần dạng quả lê nối với nhau Quá trình dao động kết thúc bằng sự phân hạch hạt nhân, tức là chỗ nối bị đứt Điều kiện phân hạch là năng lượng kích thích E* vượt quá năng lượng ngưỡng Eng, tức là độ cao bờ thế năng phân hạch Bờ thế năng này xuất hiện do sự tăng thế năng trong pha đầu biến dạng, khi đó bề mặt tăng

và sức căng bề mặt tăng Sức căng này có xu hướng bảo toàn dạng hình cầu của hạt nhân,

là dạng có thế năng cực tiểu

Hình 2.1 Sơ đồ giải phóng năng lượng khi phân hạch hạt nhân

Quá trình phân hạch về mặt năng lượng có thể xảy ra đối với các hạt nhân có số khối lớn hơn 80 Tuy nhiên trong lò phản ứng chỉ xảy ra sự phân hạch của các hạt nhân

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

nặng từ 90Th232 đến 94Pu242 Động năng neutron, năng lượng liên kết của hạt nhân và độ

cao bờ thế năng phân hạch xác định khả năng phân hạch của các hạt nhân cụ thể Các hạt

nhân Th232, U233, U235, U238, và Pu239 thường được sử dụng trong lò phản ứng Khi hấp

thụ neutron, các hạt nhân này tạo thành các hạt nhân hợp phần Th233, U234, U236, U239 và

Pu240 với năng lượng kích thích tối thiểu bằng năng lượng liên kết của neutron trong các

hạt nhân đó Nếu năng lượng kích thích này lớn hơn năng lượng ngưỡng Eng thì hạt nhân

xuất phát có thể bị phân hạch khi hấp thụ neutron với năng lượng bất kỳ Còn nếu năng

lượng kích thích nhỏ hơn năng lượng ngưỡng Eng thì quá trình phân hạch chỉ xảy ra khi

động năng neutron phải đủ lớn để cho năng lượng kích thích vượt quá Eng

2.3 Điều kiện phân hạch

Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành hai

hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó 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 các neutron riêng biệt bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động

nội tại, một phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân, do đó gây

lớn (vẫn thỏa mãn 5,2 > 0,117(Z2/A)) thì năng lượng kích hoạt rất nhỏ Do đó các hạt

nhân nặng có thể phân hạch không những do hấp thụ năng lượng của neutron mà còn có

thể phân rã một cách tự phát

Thực nghiệm cho thấy, các hạt nhân 235U, 239Pu có thể vỡ khi hấp thụ neutron có

năng lượng nhỏ (0,001 đến 0,1 eV) Còn các hạt nhân 238U và 232Th bị vỡ khi khi hấp thụ

neutron có năng lượng lớn hơn 1,0 MeV

Giải thích hiện tượng: Khi hấp thụ neutron, hạt nhân biến thành hạt nhân mới ở

trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn mức năng lượng cơ bản Năng lượng

kích thích bằng tổng động năng và năng lượng liên kết của neutron trong hạt nhân mới

Nếu năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt thì phản ứng phân hạch diễn ra,

còn nếu năng lượng kích thích nhỏ hơn năng lượng kích hoạt thì hạt nhân trở lại trạng

thái ban đầu và phát ra các tia γ

Với 238U năng lượng kích hoạt W = 7 MeV, nhưng năng lượng kích thích sau khi

hấp thụ neutron được tính bằng:

E = Δmc2 = (M238 + n – M238) c2 ≈ 6 Mev (2)

Nghĩa là năng lượng kích thích nhỏ hơn năng lượng kích hoạt Vì vậy hạt nhân chỉ bị vỡ khi hạt neutron có động năng lớn hơn 1MeV

Đối với 235U, năng lượng kích hoạt W = 6,6 MeV, nhưng năng lượng kích thích sau khi hấp thụ neutron:

E = Δmc2 = (M235 + n – M236) c2 ≈ 6,8 MeV (3)

Như vậy năng lượng kích thích lớn hơn năng lượng kích hoạt, vì vậy neutron có năng lượng nhỏ 0,001 – 0,1 eV cũng đủ khả năng làm phá vỡ hạt nhân 235U

Năng lượng khi vỡ hạt nhân: Khi hạt nhân vỡ thì khối lượng tổng cộng các mảnh

vỡ ra bao giờ cũng nhỏ hơn khối lượng hạt nhân nặng Năng lượng tỏa ra tương ứng với

độ hụt khối và được gọi là năng lượng vỡ hạt nhân hay năng lượng phân hạch

23592U +01n Z A1X

1

2 +k 01n +E ( k= 2 – 3) (4) Hai mảnh X, Y là những hạt nhân khác nhau tùy theo điều kiện của phản ứng, xác suất xuất hiện hai hạt nhân X, Y phụ thuộc vào số khối A của chúng, thường là các hạt nhân có số khối trung bình trong bảng tuần hoàn Mendeleev

E ≈ 200 MeV được gọi là năng lượng phân hạch hạt nhân urani Điều này có nghĩa là 1 kg 235U khi xảy ra phản ứng phân hạch, tỏa ra một năng lượng tương đương với 2000 tấn xăng, hoặc khoảng 26000 tấn than đá

2.4 Các sản phẩm phân hạch

Xét quá trình phân hạch U235 do các neutron nhiệt Quá trình này không xảy ra theo một sơ đồ cố định nào mà có nhiều kênh phản ứng, mỗi kênh được đặc trưng bởi các mảnh vỡ phân hạch Trên hình 2 trình bày số mảnh vỡ sinh ra, gọi là suất ra, đối với mỗi phân hạch phụ thuộc vào số khối lượng các mảnh vỡ phân hạch đó Các mảnh vỡ phân hạch có số khối A= 72161, trong đó có hai nhóm số khối cỡ 80110 và 125155 có suất ra lớn nhất, chiếm cỡ 90% Các hạt nhân có số khối 110125 chỉ chiếm cỡ 1% Như vậy hạt nhân U235 bị phân hạch cho hai mảnh vỡ với khối lượng không bằng nhau, suất ra lớn nhất đối với hai mảnh vỡ A= 95 và A= 139 Sự phân hạch không đối xứng này mâu thuẫn với tiên đoán của mẫu giọt vì một chất lỏng thông thường được chia thành hai phần bằng nhau Tính chất không đối xứng trong phân hạch hạt nhân được giải thích trong khuôn khổ mẫu vỏ do sự ưu tiên hình thành các hạt nhân với vỏ choán đầy chứa 50 và 82 neutron

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Hình 2.2 Sự phụ thuộc của số mảnh vỡ phân hạch trên một phân hạch U235 bởi neutron

nhiệt

Các mảnh vỡ phân hạch thường có đặc tính β- vì chúng thừa neutron

Thành phần các sản phẩm phân hạch theo các nguyên tố hóa học thay đổi do phân

rã β Chẳng hạn, một dãy các phân rã liên tiếp nhau như:

140 2

, 40 140 8

, 12 140 sec

66 140 sec

16 140

Ce La

Ba Co

Xe      d  h

(bền) Nếu quá trình phân hạch kéo dài đủ lâu với tốc độ không đổi thì trong phần lớn các dãy phân rã tạo nên sự cân bằng và thành phần hóa học của các sản phẩm phân hạch cuối cùng sẽ không đổi Trong trạng thái cân bằng, một phần tư các sản phẩm là các nguyên tố đất hiếm Trong các nguyên tố khác thì zirconium chiếm 15%, molybdenum chiếm 12%, cesium chiếm 6,5 % Các khí xenon và krypton chiếm 16% Thể tích các khí này khi phân hạch 1kg uranium trong khoảng thời gian dài (cỡ 4 năm) đạt tới hơn 25m3 ở điều kiện bình thường

Ngoài các mảnh vỡ phân hạch, khi phân hạch hạt nhân còn có các lượng tử γ tức thời, các hạt β do phân rã, các lượng tử γ do phân rã, các neutrino và neutron

Đặc điểm của phản ứng phân hạch U235 là giải phóng ra năng lượng Er= 200 MeV trên một phân hạch (hình 1) Năng lượng này phân bố theo các sản phẩm phân hạch như sau:

Động năng các mảnh vỡ phân hạch: 169MeV

Năng lượng: Các γ tức thời 5MeV

Các neutron phân hạch 5MeV

2.5 Các neutron của phản ứng phân hạch

Một đặc điểm khác của phản ứng phân hạch hạt nhân U235 là trong số các sản phẩm phân hạch có các neutron Các neutron sinh ra do phân hạch là đối tượng đáng chú

ý nhất vì chúng đóng vai trò quan trọng trong phản ứng dây chuyền Trong mỗi phân hạch trung bình xuất hiện k neutron (k là số trung bình các neutron phân hạch) Đại lượng này khác nhau đối với các hạt nhân khác nhau và tăng khi tăng năng lượng neutron vào:

2,71 2,74 2,70 3,21 Bảng 2.1 Số trung bình các neutron phân hạch k Các neutron phân hạch gồm hai loại: neutron tức thời (khoảng 99%) sinh ra tại thời điểm phân hạch và neutron trễ (khoảng 1%) sinh ra muộn hơn so với thời điểm phân hạch

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Hình 2.3 Phổ neutron tức thời khi phân hạch U235 bởi neutron nhiệt

Các neutron trễ chỉ chiếm không quá 1% trong số các neutron phân hạch nhưng đóng vai trò rất quan trọng trong việc điều khiển phản ứng dây chuyền

2.6 Phản ứng dây chuyền và điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền

2.6.1 Phản ứng dây chuyền

Phản ứng dây chuyền là phản ứng xảy ra trong một hệ mà trong đó các hạt sau khi gây ra phản ứng lại xuất hiện trong kết quả của phản ứng, do đó hạt mới vừa xuất hiện sau một thời gian nào đó lại có thể gây ra phản ứng khác giống như phản ứng trước và vì vậy phản ứng do các hạt ban đầu gây ra sẽ được tiếp diễn mãi

Ta chỉ quan tâm tới các phản ứng dây chuyền sinh nhiệt

2.6.2 Phản ứng dây chuyền do neutron gây ra

Sự phân hạch có thể xảy ra tự phát hoặc dưới tác dụng của neutron Hiện tượng phân hạch tự phát rất hiếm khi xảy ra Thông thường, người ta quan sát thấy hiện tượng phân hạch dưới tác dụng của neutron

Khi phân hạch, khối lượng của các mảnh vỡ rất ít khi bằng nhau Thí dụ khi bắn neutron chậm vào hạt nhân, thì nó thì nó sẽ vỡ thành hai mảnh M và N có khối lượng khác nhau và giải phóng từ hai đến ba neutron

Phản ứng phân hạch luôn đi kèm một lượng lớn năng lượng tỏa ra Ngay sau khi phân hạch, phần năng lượng tỏa ra được phân bố giữa động năng và năng lượng kích thích của các mảnh phân hạch, còn năng lượng kích thích lại phân bố giữa các neutron có năng lượng cao, các neutron này lại có khả năng gây ra các phân hạch mới và làm cho phản ứng có tính dây chuyền

Tuy nhiên để có được nơtron ban đầu để gây phản ứng dây chuyền trên 235U người ta phải dùng một phản ứng mồi để phát ra neutron hay người ta thường gọi là hiện tượng quang phân rã hạt nhân

2.6.3 Các neutron chậm

Trong tổng số các neutron được tạo thành do phân hạch, có một phần nhỏ (cỡ 0,75%) xuất hiện đưới dạng neutron “ chậm”, nghĩa là xuất hiện sau một khoảng thời gian lớn đáng kể sau khi sự phân hạch thực tế xảy ra Chính sự có mặt của các neutron này đã tạo ra chế độ mới trong hoạt động của lò

Các neutron chậm có một ý nghĩa thứ yếu đối với quá trình phân hạch nhưng lại

có vai trò cơ bản trong quá trình điều khiển lò phản ứng Chúng làm cho lò phản ứng phản ứng chậm hơn nhiều đối với các thay đổi về độ phản ứng

Hình 2.4 Phản ứng phân hạch dây chuyền của 235U

2.6.4 Điều kiện duy trì phản ứng dây chuyền

Ở trên, ta đã trình bày phản ứng dây chuyền một cách đơn giản nhưng trong thực

tế thực hiện khó khăn, phức tạp hơn vì các lý do sau:

Không phải mọi neutron đi vào hạt nhân đều gây ra phân hạch, một số chỉ làm cho hạt nhân phát xạ tia gamma mà không phát xạ neutron Do đó phản ứng dây chuyền không phải phụ thuộc vào số neutron sinh ra trong phản ứng phân hạch mà phụ thuộc vào

“ hệ số tái sản xuất” neutron n, tức là tỷ số giữa neutron sinh ra do phân hạch và số neutron chậm bị bắt

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Không phải mọi neutron thứ cấp sinh ra đều được sử dụng, nghĩa là các hạt nhân uranium khác bắt vào để phân hạch Vì khối lượng uranium có thể tích nhất định nên một

số neutron đi ra ngoài khối uranium mà không bị bắt Mặt khác, các neutron thứ cấp thường có năng lượng lớn, muốn phân hạch xảy ra dễ dàng phải làm chậm neutron trước khi cho nó gặp hạt nhân uranium Quá trình làm chậm này kèm theo sự mất một số neutron

Trong urani ngoài 235U còn có 238U Đồng vị thứ hai này bắt neutron nhưng không phân hạch, nghĩa là không cho neutron thứ cấp Mặt khác, trong urani cũng như chất làm chậm cũng có tạp chất, các tạp chất này hấp thu mất một số neutron

Đó là những lý do để chúng ta hiểu rằng tuy phân hạch sinh ra nhiều neutron nhưng phản ứng dây chuyền cũng xảy ra với một điều kiện nhất định

Bây giờ ta xét điều kiện để duy trì phản ứng dây chuyền

Hệ số tái sản xuất n là số trung bình neutron thứ cấp sinh ra khi một neutron chậm

bị hạt nhân 235U hấp thụ Trong quá trình làm chậm một số neutron thứ cấp bị mất đi do

bị hấp thu bởi 238U, bởi tạp chất hoặc đi ra ngoài Chỉ có p phần biến thành neutron chậm, nghĩa là ta chỉ có np neutron chậm

Trong số neutron đã được làm chậm np này thì một phần lại bị hấp thụ bởi 238U, bởi tạp chất, bởi hạt nhân của chất làm chậm Do đó chỉ còn lại k phần, tức là còn npk đã được làm chậm bị 235U bắt để phân hạch Hệ số k gọi là hệ số sử dụng neutron chậm Như vậy là một neutron, sau một “ mắt” của dây chuyền trở thành npk neutron

Ở trên ta chỉ mới xét sự phân hạch được gây ra bởi neutron chậm, nhưng trước khi làm chậm thì đã có một số rất nhỏ neutron nhanh cũng gây ra phân hạch, cho nên tích

số npk phải nhân với một hệ số : f= npk  =1

Nếu npk  >1 thì neutron làm hạt nhân bị phân hạch tăng lên, do đó tích số npk 

còn gọi là “ hệ số nhân” neutron

Vậy : điều kiện để cho phản ứng dây chuyền được duy trì là hệ số nhân ít nhất phải bằng một (f= npk  )

2.6.5 Điều khiển phản ứng dây chuyền

Ta đã biết hệ số nhân neutron là f= npk 

Nếu f = 1 thì phản ứng dây chuyền được duy trì

Nếu f > 1 rất nhiều thì phản ứng dây chuyền xảy ra với tốc độ rất nhanh, một năng lượng rất lớn tỏa ra trong một thời gian rất ngắn, như thế sẽ tạo nên một vụ nổ mạnh với

áp suất lên đến hàng triệu atmôtphe và nhiệt độ lên đến hàng triệu độ Người ta dựa vào điều này để chế tạo ra bom nguyên tử

Nếu f < 1 rất ít thì phản ứng dây chuyền xảy ra với tốc độ chậm và năng lượng phân hạch tỏa ra từ từ, nghĩa là phản ứng dây chuyền có thể điều khiển được Ứng dụng kiến thức này con người đã chế tạo lò phản ứng hạt nhân

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Chương 3 CÁC THẾ HỆ LÒ PHẢN ỨNG

Bắt đầu từ những năm 2000 trở lại đây, các NMĐHN được phân loại thành các thế

hệ :

- Thế hệ I: Các lò phản ứng nguyên mẫu (prototypes),

- Thế hệ II: Các NMĐHN đã xây dựng và đang vận hành,

- Thế hệ III và III+ : Các lò phản ứng tiên tiến,

Các lò phản ứng thương mại nguyên mẫu (prototype) vận hành vào những năm

1950 - 1960 Lò phản ứng thương mại đầu tiên trên thế giới với công suất 5 MW được đưa vào vận hành năm 1954 tại Liên Xô cũ Sau đó, tại Anh, lò phản ứng Calder Hall được đưa vào vận hành vào năm 1956 với công suất ban đầu là 50 MW Nhà máy ĐHN thương mại đầu tiên tại Mỹ là Shippingport vận hành vào năm 1957, với công suất 60

MW Nhiều lò phản ứng thế hệ I chỉ là đơn chiếc, như lò Fermi I ở Mỹ, chứ không đại diện cho một kiểu thiết kế nào cả Trong khi với thế hệ II các lò có khuynh hướng xây dựng hàng loạt, mặc dù được thiết kế riêng biệt nhưng áp dụng cùng một nguyên lý thiết

kế

3.2 Thế hệ II

Các lò thế hệ II là một số thiết kế được phát triển từ các lò phản ứng thế hệ I Đã

có nhiều thay đổi đáng kể trong thiết kế và kể cả có một số kiểu hoàn toàn mới so với thế

hệ trước Các lò phản ứng được xây dựng vào đầu những năm 1970 và 1980 và hiện tại vẫn đang được vận hành thương mại Các lò phản ứng nước nhẹ ở Mỹ, Pháp, các lò CANDU ở Canada là những ví dụ về các lò thế hệ II

3.3 Thế hệ III

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 NRC) cấp phép vào những năm 1990 Các lò ABWR và APWR đã/đang được xây dựng

(US-và vận hành ở nhiều nước khác nhau Một số thiết kế khác cũng đang 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

Thế hệ III+

Các thiết kế thế hệ III+ nói chung là mở rộng khái niệm thiết kế của thế hệ III trong đó đưa vào các đặc tính an toàn thụ động cải tiến (advanced passive safety) Các

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn thiết kế này có thể duy trì trạng thái an toàn mà không cần sử dụng các thành phần điều khiển chủ động nào Chúng có thể đã được phát triển ở những giai đoạn khác nhau vào những năm 1990 và hiện tại bắt đầu được cấp phép xây dựng Các lò phản ứng có thể được vận hành vào những năm 2010 Các thiết 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

Những lò thế hệ III và III+ có các đặc tính sau:

- Tiêu chuẩn hoá thiết kế cho mỗi loại để rút ngắn quá trình cấp phép, giảm chi phi phí đầu tư và giảm thời gian xây dựng

- Thiết kế đơn giản hơn và vững chắc hơn làm chúng dễ vận hành và ổn định trong

hệ thống có nhiều dao động

- Hệ số sẵn sàng hoạt động cao hơn và tuổi thọ dài hơn - mức điển hình là 60 năm

- Xác suất tai nạn nóng chảy vùng hoạt giảm

- Tác động tới môi trường ở mức tối thiểu

- Độ sâu cháy cao hơn và từ đó giảm nhiên liệu sử dụng và lượng thải phát sinh

- Sử dụng chất hấp thụ có thể cháy được nhằm tăng thời gian sử dụng nhiên liệu

3.4 Thế hệ IV

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 niệm hoặc 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 3 loại lò nơtrôn nhiệt và 3 loại lò neutrôn nhanh

3.5 Đặc trưng an toàn qua các thế hệ

Một số đặc trưng về an toàn của các thế hệ công nghệ lò nêu trong bảng 5

Bảng 3.1 Một số yêu cầu về phát triển các thế hệ công nghệ lò

Một nét đặc trưng khác nữa của nhiều lò phản ứng thế hệ IV là khả năng sản xuất hyđro ở dạng sản phẩm phụ Khai thác được tiềm năng này sẽ khiến cho việc sử dụng pin nhiên liệu trong giao thông và phát điện trở nên kinh tế hơn và thân thiện hơn với môi trường

Trong giờ thấp điểm, có thể sản xuất ra lượng hyđro đủ để sử dụng trong thương mại, nhờ đó nâng cao tính kinh tế trong vận hành các nhà máy điện hạt nhân chạy ở chế

độ phụ tải nền Mục tiêu dài hạn sẽ là các nhà máy điện hạt nhân thế hệ IV vận hành ở nhiệt độ cao hơn, chuyên sản xuất hyđro với năng suất ổn định để tích trữ và sau đó sử dụng trong các bộ pin nhiên liệu cực lớn (công suất trên 1.000 MW), giúp đáp ứng nhu cầu phụ tải đỉnh trong ngày

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn

Chương 4 NHỮNG CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

THÔNG DỤNG 4.1 Công nghệ PWR – lò phản ứng nước áp lực (Pressurized Water Reactor)

Đây là kiểu lò phổ biến nhất với trên 230 lò hiện đang vận hành trên khắp thế giới Thiết kế cơ bản của loại lò này có nguồn gốc từ các lò phản ứng hạt nhân sử dụng trong các tầu ngầm hạt nhân Chúng sử dụng nước thường làm chất tải nhiệt và làm chậm Thiết kế khác biệt mang tính điển hình của loại lò này là dùng nước trong chu trình làm nguội vòng một đi qua tâm lò với áp suất rất cao và chu trình thứ hai được sử dụng là hơi được sinh ra để chạy tuôc bin

Trong chương trình năng lượng phục vụ quân sự của Mỹ (ANPP) đã đưa vào vận hành những lò phản ứng nước chịu áp lực từ năm 1954 đến năm 1974

Nhà máy điện hạt nhân đảo Three Mile, được thiết kế bởi Babcock & Wilcox (Nơi xảy ra vụ rò rỉ phóng xạ cách đây 30 năm) ban đầu vận hành hai nhà máy điện sử dụng công nghệ lò PWR là TMI-1 (1974) và TMI-2(1978) Và sau vụ rò rỉ xảy ra ở TMI-2 thì về cơ bản đã kết thúc sự phát triển của việc xây dựng thêm các nhà máy hạt nhân mới loại này ở Mỹ

* Ở Nga, với loại lò VVER (tên gọi khác của PWR), các thế hệ đầu tiên của loại lò này

được xây dựng trước năm 1970, với lịch sử phát triển các thế hệ lò là:

- VVER 210 - 365(trong phóng thí nghiệm) ở Novovoroneg NPP

- VVER 440 / 187 : Thế hệ dự bị

- VVER 440 / 230 : Thế hệ đầu tiên của PWR

- VVER 440 / 213: Thế hệ thứ 2 của PWR

- VVER 1000: Thế hệ thứ 3 của PWR ( ngày nay)

- VVER 1200…(ngày nay)

Vào thời kỳ Xô Viết, hầu hết các quốc gia Đông Âu đều xây dựng VVER 440 (Bulgaria, Hungary, Czech Republic, Slovak Republic, Finland, East Germany, Ukraine, Armenia, Cuba)

4.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

4.1.2.1 Cấu tạo

PWR là một loại lò nước nhẹ với nước nhẹ vừa là chất tải nhiệt vừa là chất làm chậm nơtron và có thùng lò chịu áp lực Thùng lò cấu tạo từ một phần hình trụ với các ống vào/ra của chất tải nhiệt và đáy hình elíp Bên trong thùng lò có giếng lò hình trụ dùng để bố trí vùng hoạt và tổ chức dòng chuyển động của chất tải nhiệt Thùng lò chịu

áp suất lớn và chịu bức xạ cao được chế tạo rất phức tạp Mặt trong vỏ lò tiếp xúc với nước được phủ một lớp thép không gỉ để chống ăn mòn và giảm quá trình giòn vỏ lò do tương tác của dòng neutrôn cao, chiếu xạ mạnh Để bảo đảm độ bền, thùng lò được làm với số mối hàn ít nhất Thùng lò được thiết kế để làm việc trong một thời gian dài từ 40 đến 60 năm

Hình 4.1 Sơ đồ thùng lò PWR

Luận văn tốt nghiệp GVHD: Ths Lê Văn Nhạn Các thông số của lò PWR công suất 1160 MWe được trình bày trong bảng 6

Bảng 4.1 Một số thông số chính của loại lò PWR - 1160 MWe

Ở lò PWR, khối các ống bảo vệ và hệ thống điều khiển được bố trí ở phía trên vùng hoạt Điều này cho phép các thanh điều khiển có thể tự rơi vào vùng hoạt để dập lò khi cần thiết

Các lò PWR có các bó nhiên liệu với số lượng thanh nhiên liệu trong mỗi bó từ 200-300 tuỳ thuộc cấu hình của bó nhiên liệu (15 x 15, 16 x 16, 17 x 17, v.v.), các bó

nhiên liệu được sắp trong thùng lò chịu áp lực theo chiều thẳng đứng Tổng số bó nhiên liệu vào khoảng 150-250 và tổng trọng lương khoảng 80-100 tấn uranium

Các bó nhiên liệu của lò PWR cũng như của lò BWR trong trường phái thiết kế của các nước phương Tây có dạng hình hộp vuông, còn trong các lò do Nga thiết kế có dạng hình hộp lục giác đều, trong đó bố trí ô mạng vuông hay tam giác Các thanh nhiên liệu có dạng hình ống bên trong xếp các viên nhiên liệu UO2 có đường kính 8 mm và chiều cao 10 mm Giữa vỏ bọc và viên nhiên liệu là rãnh khí He, phía trên có lò xo nén giữ và khoảng trống chứa khí phóng xạ thoát ra trong phản ứng hạt nhân Các thanh nhiên liệu hợp lại thành các bó nhiên liệu Các bó nhiên liệu nạp vào lò có thể có hoặc không có vỏ hộp bọc ngoài tùy từng lò Các hộp này được đục lỗ để tạo dòng chảy ngang

có tác dụng dàn đều trường nhiệt độ vùng hoạt

Hình 4.2 Các bó nhiên liệu của lò PWR theo trường phái Phương Tây và Nga Nhà máy ĐHN với lò PWR có sơ đồ công nghệ hai vòng Trong sơ đồ công nghệ này nhất thiết phải có thiết bị sinh hơi là thành phần phân chia hai vòng Có thể nói thiết

bị sinh hơi thuộc vòng một hay thuộc vòng hai đều đúng