Công nghệ lò phản ứng nhanh

Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị được sản xuất với mục tiêu thu được sản phẩm hạt nhân sinh ra trong quá trình phân hạch, đó là năng lượng hạt nhân, năng lượng bức xạ và như là một n

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA VẬT LÝ CHUYÊN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN

-oOoOo - Khoá luận tốt nghiệp

Đề tài:

CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG NHANH

GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm CBPB : Th.S Trịnh Hoa Lăng SVTH : Nguyễn Hữu Nam

Lời cảm ơn

Lời nĩi đầu

Chương I: Lò phản ứng và các công nghệ lò phản ứng 1

I.1 Lý thuyết về lò phản ứng 1

I.1.1 Sơ lược về lò phản ứng 1

I.1.1.1 Định nghĩa lò phản ứng hạt nhân 1

I.1.1.2 Lý thuyết về va chạm của neutron 1

I.1.1.2.1 Tán xạ đàn hồi 1

I.1.1.2.2 Tán xạ không đàn hồi 2

I.1.1.2.3 Sự bắt bức xạ 2

I.1.1.2.4 Sự bắt sinh ra các đồng vị phân hạch 3

I.1.1.3 Sự phân hạch hạt nhân 4

I.1.1.4 Năng lượng hạt nhân được sinh ra như thế nào 4

I.2.1 Hệ số nhân keff và sự tới hạn của lò phản ứng 6

I.2.2 Cấu tạo và quy trình hoạt động chung của lò phản ứng 8 I.1.3.1 Cấu tạo 8

I.1.3.1.1 Tâm lò phản ứng 8

I.1.3.1.2 Nhiên liệu hạt nhân 10

I.1.3.1.3 Chất làm chậm 10

I.1.3.1.4 Chất tải nhiệt 10

I.1.3.1.5 Các thanh điều khiển 10

I.1.3.2 Quy trình hoạt động chung của lò phản ứng 10

I.2 Lịch sử phát triển của lò phản ứng hạt nhân 14

I.2.1 Lịch sử phát triển 14

I.2.2 Phân loại lò phản ứng hạt nhân 17

I.2.2.1 Lò khí 17

I.2.2.2 Lò nước nặng 17

I.2.2.3 Lò nước nhẹ 17

I.2.2.4 Lò phãn ứng nhanh 18

I.2.2.5 Lò sử dụng công nghệ máy gia tốc 18

I.2.3 Chất thải và tương lai của lò phản ứng hạt nhân 19

I.1.3.1 Chất thải hạt nhân 19

Chương II Công nghệ lò phản ứng nhanh 22

II.1 Lịch sử của lò phản ứng nhanh 23

II.2 Phân loại lò phản ứng nhanh 24

II.2.1 Lò Natri lỏng (SFR) 24

II.2.1.1 Nhiên liệu 25

II.2.1.2 Hiệu suất năng lượng 26

II.2.1.3 Thông số lò 27

II.2.1.4 Những ưu điểm của lò phản ứng nhanh dùng Natri 28

II.2.1.4.1 Ưu điểm 28

II.2.1.4.2 Nhược điểm 29

II.2.2 Lò chì lỏng (LCFR) 29

II.2.2.1 Nhiên liệu và chất làm nguội 30

II.2.2.1.1 Nhiên liệu 30

II.2.2.1.2 Chất làm nguội 31

II.2.2.2 Các thông số của lò chì 32

II.2.2.3 Những ưu điểm và nhược điểm của LCFR 35

II.2.2.3.1 Ưu điểm 35

II.2.2.3.2 Nhược điểm 35

II.2.3 Lò Khí (GFR) 36

II.2.3.1 Nhiên liệu 37

II.2.3.2 Thông số lò khí 39

II.2.3.3 Những ưu điểm và nhược điểm của (GFR) 42

II.2.3.2.1 Ưu điểm 42

II.2.3.2.2 Nhược điểm 43

II.2.4 Lò muối nung chảy 44

II.2.4.1 Nhiên liệu 45

II.2.4.2 Các thông số lò 46

II.2.4.3 Những ưu điểm và nhược điểm của (MSFR) 48

II.2.4.3.1 Ưu điểm 48

II.2.4.3.2 Nhược điểm 51

II.2.5 Lò Nước siêu tới hạn 51

II.2.5.1 Trạng thái “ tới hạn” 51

II.2.5.3.1 Ưu điểm 55

II.2.5.3.2 Nhược điểm 56

ChươngIII: Ứng dụng và tương lai của công nghệ lò phản ứng nhanh 57

III.1 Các ứng dụng của lò phản ứng nhanh……… 57

II.1.1 Ứng dụng năng lượng 57

II.1.2 Ứng dụng trong công nghệ sản xuất hidro 58

II.1.3 Ứng dụng trong viẹc tái chế nhiên liệu 59

III.2 Tương lai của lò phản ứng nhanh ……… 62

Mục lục 63

Tài liệu tham khảo 66 Phụ Lục

Chương I: Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng

I.1 Lý thuyết về lò phản ưng

I.1.1 Sơ lược về lò phản ứng

I.1.1.1 Định nghĩa lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị được sản xuất với mục tiêu thu được sản phẩm hạt nhân sinh ra trong quá trình phân hạch, đó là

năng lượng hạt nhân, năng lượng bức xạ và như là một nguồn của

neutron nhanh và neutron nhiệt Việc thiết kế, xây dựng lò phản ứng và

các phương pháp phân tích lò được xem xét đơn thuần như là một vấn đề

công nghiệp Hoạt động của lò phản ứng dựa trên lý thuyết động lực học

cổ điển, các phương pháp cổ điển của sự trao đổi nhiệt, điện và cơ học

Tuy nhiên sự tương tác giữa các vi hạt trong lò phản ứng lại được nghiên

cứu dựa trên những thành tựu về nghiên cứu lý thuyết “Vật lý hạt nhân”

I.1.1.2 Lý thuyết về va chạm của neutron

Neutron hoạt động trong vùng lõi của lò phản ứng, ở đó neutron tương tác với các nguyên tố, các thành phần cấu tạo của lõi lò, gây ra các

phản ứng hạt nhân vàquan trọng nhất là sự phân hạch, Neutron tương tác

với hạt nhân theo hai quá trình: quá trình hấp thụ và tán xạ Tương tác của

neutron với hạt nhân nguyên tử theo các cách sau

I.1.1.2.1 Tán xạ đàn hồi

Khi neutron bắn vào hạt nhân nguyên tử có thể diễn ra sự

va chạm đàn hồi Quá trình tương tác này tuân theo các định luật bảo toàn năng lượng và moment động lượng Những kết quả của năng lượng, tốc độ và góc tán xạ của neutron được nghiên cứu một cách cụ thể theo lý thuyết động lực học cổ điển

I.1.1.2.2 Tán xạ không đàn hồi

Với bia là các hạt nhân nhân nặng như: sắt, uranium thì khi neutron có năng lượng cở 1MeV bắn vào có thể gây nên sự kích thích hạt nhân bia dưới dạng tán xạ đàn hồi

I.1.1.2.3 Sự bắt bức xạ

Khi hạt nhân hấp thụ neutron sẽ tạo nên 1 đồng vị mới của hạt nhân bia, cũng như năng lượng ban đầu của neutron được chuyển hoàn toàn cho hạt nhân bia Hạt nhân kích thích mới này

8O  n 8O

8O  7N   n  (T1/2 = 7.35 sec)

I.1.1.2.4 Sự bắt neutron sinh ra các đồng vị phân hạch

Khi neutron được bắn vào bia như U 238 hay Th 232, neu tron

bị bắt vào hạt nhân thu được sản phẩm của phản ứng là hạt nhân có khả năng gây ra phản ứng phân hạch

Trong lò phản ứng hạt nhân neutron sinh ra từ các phản ứng phân hạch là các neutron nhanh có thể tạo nên phản ứng tạo ra các đồng vị phân hạch.Tuy nhiên neutron còn sinh ra trong một số phản ứng mà thành phần của các phản ứng này là các mảnh phân hạch, điều này ảnh hưởng đến hệ số nhân neutron của lò phản ứng mà ta sẽ xem xét sau này

I.1.1.3 Sự phân hạch hạt nhân

Phân hạch hạt nhân là một quá trình tương tác và phân rã giữa

neutron và hạt nhân có khả năng phân hạch Như U 235

hoặc Pu 239 Sản phẩm của quá trình phân hạch tạo ra bao gồm 2 hay nhiều mảnh vỡ phân

hạch đây là những hạt nhân nặng có khả năng phóng xạ, và sinh ra 1, 2

hay nhiều neutron mới Kèm theo đó là một lượng năng lượng cực lớn

được sinh ra bởi sự thay đổi khối lượng của các hạt nhân trước và sau

quá trình phân hạch

Sự phân hạch của U 235 diễn ra theo các bước như sau:

- U 235 bắt neutron tạo nên một đồng vị mới của U 235 đó là

U 236

1 235 236

0n 92U 92U

ở trong trạng thái U 236 , có 16% của lượng U 236 sẽ phát gamma

và có chu kỳ bán rã T1/2 = 2.4 x 107 năm, 84% còn lại của U 236

sẽ gây

ra sự phân hạch

- U 236 vở ra và phân chia thành các mảnh nhỏ, và phát neutron

236 139 94

92U  56Ba  36Kr  3n Q

ngoàiBa và Kr sản phẩm của sự phân hạch còn có thể là : I, Ce, Zr,

Sr v.v

I.1.1.4 Năng lượng hạt nhân được sinh ra như thế nào?

Năng lượng lò phản ứng hạt nhân thu được nhờ quá trình phân hạch dây chuyền của nguyên tố phóng xạ Neutron được sinh ra từ phản

ứng phân hạch đầu tiên lại tiếp tục va chạm vào các hạt nhân khác và xảy

ra phản ứng phân hạch, và cứ như thế tiếp tục xảy ra

Hình I.1.1.4:1 Phản ứng phân hạch hạt nhân

Phản ứng phân hạch của U 235 trong lò phản ứng

92

n U   X Y kn QTrong đó:

Q : Là năng lượng của quá trình phân hạch U 235 được tính toán

dựa trên sự thay đổi của tổng khối lượng các hạt nhân trước và sau phản

ứng Q có giá trị cỡ 190 MeV trong đó gồm có

167 MeV dưới dạng nhiệt năng sinh ra

5 MeV năng lượng của neutron nhanh

7 MeV bức xạ gamma tức thời

5 MeV phát xạ beta của sản phẩm sau phân hạch

6 MeV phát xạ gamma

Tổng 190 MeV

Như vậy cứ một phản ứng phân hạch ta thu được 167 MeV năng lượng dưới dạng nhiệt năng Do đó để thu dược 1W năng lượng dưới

dạng năng lượng nhiệt cần phải có 3,3 x 1010

phân rã/giây Điều này

tương đương với việc chỉ cần 1,3 gam U 235nguyên chất cho 1 MWngày

Ta cũng có thể làm tính toán tượng tự với Pu 239 , U 233 và các nguyên tố

phân hạch khác

I.1.2 Hệ số nhân keff và sự tới hạn của lò phản ứng

Trong một phản ứng phân hạch

k eff được gọi là hệ số phân hạch, hay là thừa số nhân của lò phản

ứng k eff được tính bằng số neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch thứ

i+1 và số neutron được sinh ra trong phản ứng phân hạch thứ i

k eff <1:Phản ứng dưới tới hạn, dẫn đến ngưng phản ứng dây

chuyền

1 eff

i

N N





k eff =1 :Phản ứng tới hạn, điều kiện kiểm soát trong lò phản ứng

k eff >1 :Phản ứng trên tới hạn, tình trạng không kiểm soát, trong

bom hạt nhân và các khi xảy ra các tai nạn hạt nhân

Neutron trong lò phản ứng tương tác với hạt nhân có 3 cơ chế quan trọng mà ta cần xét đến, đó là: gây ra phân hạch, bắt neutron và truyền

qua Chúng ta giả sử rằng nguyên liệu cho lò phản ứng là U 235

hoặc Pu 239

tinh khiết Khi đó điều quan tâm của chúng ta là tìm được số neutron

tương tác bị hấp thụ và gây ra phản ứng phân hạch từ số neutron được tạo

ra từ phản ứng phân hạch trước đó Ta định nghĩa  là hệ số phát neutron,

là số neutron trung bình được phát ra sau mỗi lần phân hạch  là hệ số

hấp thụ neutron, là số neutro nhanh và chậm bị bắt và gây ra phản ứng

trong đó: a tiết diện hấp thụ toàn phần

f Tiết diện hấp thụ phân hạch

Bảng I.1.2:1 Thông số  và  của một số nguyên tố phân hạch

Ta thấy trong điều kiện tinh khiết của U 235 thì ta có chỉ số =2,08

Thực tế trong tự nhiên U 235

có hàm lượng rất nhỏ, chỉ chiếm 0,72% còn lại 99,28% U 238 do vậy chỉ số  lúc này là 1,34

Như đã nói, ngoài việc hấp thụ neutron gây ra phân hạch hay phản ứng bắt neutron sinh bức xạ, thì vẫn còn một lượng neutron sau rất nhiều

lần va chạm vẫn có thể thoát ra ngoài Hệ số £ là hệ số thoát neutron của

lò phản ứng hạt nhân, là tỉ số giữa số neutron bị thoát ra ngoài và số

Trong điều kiện không tinh khiết của khối nhiên liệu, neutron còn

bị bắt và hấp thụ bởi các nguyên tố khác nằm trong thanh nhiên liệu (tạp

chất), và cả sản phẩm phân hạch được tạo ra Hệ số f được tính bằng tỉ số

giữa neutron bị hấp thụ bởi U 235 và tổng số neutron được hấp thụ bỡi

nhiên liệu lò phản ứng

Như vậy hệ số nhân neutron sẽ được tính như sau

k eff = £f Điều kiện cần của lò phản ứng là k eff =1, tức lò đạt tới trạng tới hạn Điều chúng ta cần làm là tính toán các chỉ số của thừa số nhân k eff để

lò đạt tới trạng thái tới hạn mong muốn

Một ví dụ với nguồn U 233

khi đó theo bảng 2.1 ta có =2,31 1

neutron trong số này cần dùng để duy trì phản ứng dây chuyền tron lò

phản ứng, và 1 neutron nữa cho việc hấp thụ của Th 232

với mục tiêu tái tạo lại lượng nhiên liệu U 233 phân hạch Như vậy theo lý thuyết đối với lò

tái sinh thì số neutron còn dư lại không cần thiết cho lò phản ứng là 2,31

-1-1 = 0,31 một cách khác, đối với các nhiên liệu khác nhau thì “Số

neutron tích luỷ” này được tính bằng -2

Với nguồn nhiên liêu là Uranium trong tự nhiên hoặc Uranium

được làm giàu thấp thì hệ số nhân neutron còn bị thay đổi trong việc tính

toán sự tới hạn của lò phản ứng, bởi vì một ảnh hưởng của sự “Bắt cộng

hưỡng “ của U 238 Khi này hệ số nhân neutron được thêm vào hệ số p như

sau:

k eff = p£ f với p: hệ số bắt cộng hưởng

Như vậy “Hệ số nhân neutron” trong lò phản ứng phụ thuộc rất

lớn vào từng thông số của lò phản ứng : Thiết kế thanh nhiên liệu, Thiết

kế lò phản ứng v.v

I.1.3 Cấu tạo và quy trình hoạt động chung của lò phản ứng

I.1.3.1 Cấu tạo

Cấu tạo chung của lò phản ứng bao gồm có các bộ phận cơ bản như sau:

I.1.3.1.1 Tâm lò phản ứng

Tâm lò là trái tim của lò phản ứng, là nơi xãy ra các quá trình phân hạch và phản ứng dây chuyền của hạt nhân Nhiệt lượng từ các phản ứng

phân hạch của hạt nhân sẽ được chuyển qua chất tải nhiệt và dẫn tới

turbin máy phát điện

Hình I.1.3.1:2 Cấu tạo chung của một lò phản ứng

- Bộ phận phát điện: bao gồm turbin là nơi chuyển đổi nhiệt năng thành điện năng dùng trong tiêu thụ

- Bộ phận làm lạnh: nhằm thu nhận tiếp một phần lượng nhiệt còn

dư, làm lạnh chất tải nhiệt trở lại tâm lò phản ứng

Đây là cấu tạo chung của lò phản ứng sử dụng một chu trình nhiệt khép kín của chất tải nhiệt hay còn gọi là chu trình trực tiếp Chất tải

nhiệt được sử dụng trực tiếp vào các nhiệm vụ phát điện, làm lạnh

Ngoài ra để tránh rò rỉ phóng xạ và nhiễm xạ các cơ cấu khác của lò phản

ứng người ta còn dùng chu trình gián tiếp của chất tải nhiệt

Hình I.1.3.1:3 lò phản ứng sử dụng chu trình gián tiếp của chất tải nhiệt

I.1.3.1.2 Nhiên liệu hạt nhân

Đó là các nguyên tố phóng xạ có khả năng phân hạch như:

I.1.3.1.4 Chất tải nhiệt,

Có nhiệm vụ tải nhiệt lượng sinh ra từ phản ứng phân hạch trong

tâm lò phản ứng ra bên ngoài ví dụ: nước nhẹ,nước nặng, CO2, Na v.v

I.1.3.1.5 Các thanh điều khiển

Có nhiệm vụ kiểm soát k eff=1 và dừng lò khi cần thiết Thanh điều khiển được cấu tạo từ các nguyên tố có khả năng hấp thụ neutron rất

cao ví dụ : Boron, Cadimi v.v

I.1.3.2 Quy trình hoạt động của một lò phản ứng

Quy trình hoạt động của một lò phản ứng được diễn ra như sau:

Chất tải nhiệt sau khi được làm nóng nhờ hấp thụ năng lượng phân hạch trong tâm lò phản ứng được dẫn truyền qua hệ thống ống dẫn tới các

Turbin của máy phát điện Tại đây nhiệt lượng của chất tải nhiệt được

chuyển thành điện năng, tiếp đó chẩt tải nhiệt được tiếp tục dẫn tới hệ

thống trao đổi nhiệt, và tiếp tục được dẫn qua các quá trình làm lạnh

Hình I.1.3.2:4 Chu trình hoạt động của lò phản ứng với Helium

Sau quá trình làm lạnh chất tải nhiệt được dẫn truyền trở lại tâm lò

Lò phản ứng hoạt động theo một chu trình nhiệt động lực học dựa trên các

nghiên cứu chính về chu trình Carnot và các ứng dụng của nó Chu trình

nhiệt trong lò phản ứng được áp dụng cho chất tải nhiệt, không phải là khí

lý tưởng do đó có những cải tiến đáng kể được gọi là chu trình Brayton

Hình I.1.3.2:5 Chu trình Brayton cơ bản và cải tiến

Hiệu suất của chu trình Brayton cổ điển ứng dụng lý thuyết từ chu

trình Carnot là rất thấp

I.1.3.2:2 Hiệu suất giữa chu trình braton cổ điển và nâng cao

Như vậy: nhằm nâng cao hiệu suất nhiệt cùa các quá trình trao đổi nhiệt, và của lò phản ứng người ta thiết kế nâng cao chu trình nhằm nâng

cao tối đa hiệu suất nhiệt của lò phản ứng

Hình I.1.3.2:6 Chu trình Brayton cổ điển và nâng cao

Hiệu suất của chu trình Brayton theo lý thuyết:

1 1 1

( )

k k p

r

Hình I.1.3.2:7 Giản đồ áp suất – thể tích

với:

Nhiệt độ cao nhất tại tâm lò 1000°C 1000°C

Nhiệt độ thực khi tới turbin 659.7°C 659.7°C

Nhiệt độ thực sau các quá trinh làm lạnh

134.5°C 134.5°C

2

1

p

P r P



k : hệ số botzman

Như vậy nói cách khác hiệu suất của chu trình Brayton chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ vào và ra của 2 trạng thái đầu và cuối

Bên cạnh việc thiết kế công nghệ nhằm tối ưu hiệu ứng nhiệt tron

lò phản ứng, người ta còn liên kết các lò phản ứng lại với nhau hình thành

nên một tổ hợp nhằm tố ưu hoá hiệu ứng nhiệt

Hình I.1.3.2:8 Một tổ hợp các lò phản ứng

I.2 Lịch sử phát triển của lò phản ứng hạt nhân

I.2.1 Lịch sử phát triển

Mặc dù cộng nghệ hạt nhân và lò phản ứng hạt nhân mới được loài người nghiên cứu và phát triển trong thời gian gần đây, nhưng thực ra

trong tự nhiên đã xuất hiện 1 lò phản ứng từ rất lâu, mới năm 1972 mới

được khám phá ra lần đầu tiên tại Oklo (Gabon) bởi Francis Perrin Theo

nghiên cứu sơ bộ thì lò phản ứng tự nhiên tại Oklo này có độ tuổi vào

khoãng 150 triệu năm Và có công suất trung bình 100 kW trong suốt thời

gian nó tồn tại

Ngày 2/12/1942 Enrico Fermi và Leo Szilard đã đánh dấu lần đầu tiên trong việc chứng minh rằng phản ứng dây chuyền có thể điều khiển

khiển được Cũng từ lúc này thế giới đã bắt đầu bắt tay vào việc tìm ra

quy chế, cách điều khiển phản ứng hạt nhân dây chuyền và thiết kế các lò

phản ưng sơ khai, với mục đính chính là để nghiên cứu Mỹ là nước tiên

phong trong công nghệ này với việc thiết kế ra các loại lò mini đầu tiên

ứng dụng trong quân sự: các máy bay quân sự, các hạm đội ở biển

Tiếp đó vào giữa 1950 Liên X6 và các nước phương tây cũng chính thức

bắt tay vào nghiên cứu lò phản ứng dùng cho mục đích phi quân sự Tuy

nhiên tất cả việc nghiên cứu này diễn ra cực kỳ bí mật do lợi ích của từng

quốc gia, giữa họ không có sự giao lưu về nghiên cứu trong lĩnh vực này,

đây củng là một hạn chế của thời kỳ đầu công nghệ hạt nhân

20/12/1951 lần đầu tiên điện năng được tạo ra từ năng lượng hạt

nhân thông qua dự án mang tên: Experimental Breeder Reactors ( EBR-1

) được xây dựng tại Arco (Idaho, US)

27/6/1954 (5.30 pm) Nhà máy điện hạt nhân đầu tiên dược xây dựng

và đi vào hoạt động, tại Obninsk

(Moskva.Liên Xô) , nó đi vào hoạt

động với công suất 5MW cung cấp đủ cho 2000 hộ dân khi đó

Hình I.2.1:9 Thung lũng Calder

Lò phản ứng hạt nhân dùng cho mục đích thương mại lần đầu tiên được xây dựng tại thung lũng Calder, và chính thức đi vào hoạt động

ngày 17/10/1956

Cùng với sự phát triển của Vật lý hạt nhân, Vât lý lò phản ứng và các nghiên cứu sâu rộng về lò phản ứng của nhiều quốc gia trên khắp thế

giới, hiện nay công nghệ lò phản ứng đã được ứng dụng và phát triển ở rất

nhiều các quốc gia trên thế giới Tổng cộng có 441 nhà máy điện trên thế

giới hiện nay hoạt động trên 30 nươc, với tổng cộng suất 359 triệu kW

chiếm 17% toàn bộ sản lượng diện trên toàn thế giới

Với nhu cầu ngày càng lớn của toàn cầu về năng lượng, sự suy cạn

về những tài nguyên thiên nhiên như: khí, dầu, than thúc đẩy sự phát

triển của công nghiệp năng lượng cần phải tìm ra những nguồn năng

lượng mới cho con người, nhằm đa dạng hoá phân bố năng lượng chứ

không chỉ phụ thuôc quá nhiều vào một vài nguồn tài nguyên như trước

Bảng I.2.1:3 Điện hạt nhân tại một số quốc gia trên thế giới (2003-IAEA)

Phát triển của công nghiệp năng lượng bao gồm tìm hiểu, ứng dụng, và khai thác các nguồn năng lượng mới như: Năng lượng gió, năng

lượng thuỷ triều, năng lượng địa nhiệt trong số đó “Năng lương hạt

nhân” là một hướng đi gần như tối ưu

và quan trọng nhất, bỡi sự dồi dào về

mặt nhiên liệu và một nguồn năng

lượng vô kể từ các phản ứng hạt nhân

thu được

Bảng I.2.1:4 Tỉ lệ năng

lượn

g hạt nhân của một số quốc gia (Thống kê năm 2003)

I.2.2 Phân loại lò phản ứng hạt nhân

3.Slovakia 65.41 4.Belgium 57.32 5.Bungari 47.30 6.Thuỵ điển

7

45.75 7.Ukraina

Korea

45.66 8.Slovenia 40.74

10.Hungary 36.14

Lò phản ứng hạt nhân được phân chia theo các đặc điểm: Nhiên liệu, chất làm chậm, chất tải nhiệt v.v

Dưới đây là một số thế hệ lò đang được sử dụng trên thế giới hiện nay

Lò Khí, lò Nước nặng, lò Nước nhẹ, lò phản ứng nhanh (hay còn gọi

I.2.2.3 Lò Nước nhẹ

Lò sử dụng nước nhẹ làm chất làm chậm và chất tải nhiệt, có

2 loại lò nước nhe: PWR (lò áp suất cao) & BWR (lò nước đun sôi)

PWR: sử dụng 2 chu trình, chu trình 1 nhận nhiệt từ lò phản ứng, không làm sôi nước mà trao đổi nhiệt cho nước trong chu trình thứ 2, chu trình 2 làm sôi nước quay turbin vì vậy turbin không bị nhiễm xạ Sử dụng cho mục đích quân sự (trong công nghệ tàu ngầm .)

BWR: chỉ sử dụng 1 chu trình nước được đun sôi trực tiếp

và làm quay tua bin phát điện, Turbin bị nhiểm xạ nhưng kết cấu của lò nhỏ gọn đơn giản và giá thành rẻ

Vì nước nhẹ có khả năng hấp thụ neutron cao vì vậy nhiên liệu của loại lò này phải là Oxid của Uranium làm giàu cở 4%

I.2.2.4 Lò phản ứng nhanh

Là thế hệ thứ IV của công nghệ lò phản ứng, lò không sử dụng chất làm chậm để làm chậm neutron, mà trực tiếp dùng chất tải nhiệt làm chất làm chậm, neutron nhanh được sử dụng với mục đích tái sinh nhiên liệu phản ứng cho lò thông qua các phản ứng:

Th 232 (n,e) U 233 , U 238 (n,e) Pu 239

I.2.2.5 Lò sử dụng công nghệ máy gia tốc

Lò ứng dụng công nghệ máy gia tốc, neutron được tạo thành

và gia tốc trong các máy gia tốc, sau đó được bắn vào các bia hạt nhân có khả năng phân hạch, ở các bia này luôn có hệ số nhân

neutron k eff <1 tức luôn ở tình trạng dưới tới hạn, muốn lò hoạt

động ta chỉ cần hoạt động máy gia tốc gây ra phản ứng phân hạch tại bia bắn Muốn dừng lò, đơn giản chỉ cần dừng hoạt động của máy gia tốc, bỡi tại bia bắn sự phân hạch luôn ở trạng thái dưới tới hạn

Bảng I.2.2.5:5 Một vài loại thông số lò hạt nhân hiện nay

2.3 Chất thải và tương lai của lò phản ứng hạt nhân

I.2.3.1 Chất thải hạt nhân

Liên quan đến vấn đề hạt nhân thì yêu cầu về an toàn trong hoạt động xây dựng cũng như xử lý chất thải là vấn đề cực kỳ quan trọng

được đặt lên hàng đầu trong việc thiết kế và xây dựng lò phản ứng

Sản phẩm của quá trình phân hạch U 235 , Pu 239 hay U 233 thường là những chất có khả năng phóng xạ lớn Có thời gian bán rã lâu dài (có thể

lên tới hàng triệu năm) do vậy yêu cầu bảo đảm an toàn là tối cần thiết,

bảo vệ sức khoẻ cho sự an tòan của chính chúng ta

Theo tính toán: Nếu chúng ta có một nhà máy điện hạt nhân kiểu lò nước áp suất cao (PWR) có công suất 1000MW Như vậy trung bình một

năm lò nay sản sinh ra 21 tấn chất thải, trong đó bao gồm

 20 tấn nhiên liệu chứa Uranium với hàm lượng là 0.9 %

 200 kg Plutonium

 21 kg các nguyên tố họ actini: Neptuni, Americi, Curi

 760 kg các sản phâm phân hạch có khả năng phóng xạ

- 9kg Cesi(135) T1/2 =2.3 x106 năm

- 18 kg Tecnixi(99) T1/2 =2.14x 106 năm

- 16 kg Zirconi(93) T1/2 =1.5 x106 năm

- 5.5 kg Paladi(107) T1/2 =6.5x 106 năm

- 3 kg Iot(128) T1/2 =1.5x 106 năm

Lượng chất thải này được qua một tiến trình tái chế và tái sử dụng

trở lại lò phản ứng Tuy vậy trong quá trình tái chế lượng Pu 239

cần được

sự giám sát chặt chẻ bỡi chỉ cần với 9kg ta có thể tạo ra một quả bom hạt

nhân

I.2.3.2 Tương lai của năng lượng hạt nhân

Nhu cầu về năng lượng, giá thành sản xuất, sự cạn kiệt của tài nguyên thiên nhiên, nguồn nhiên liệu dồi dào và vô tận của năng lượng

hạt nhân tất cả hợp thành những yếu tố tất yếu cho việc phát triển điện

gia tốc cực kỳ an toàn đã mở ra một kỷ nguyên mới của lò phản ứng, an

toàn, kinh tế và chiến lược Lò phản ứng gần như đã là một phần không

thể thiếu trong chính sách năng lượng cơ cấu kinh tế của một quốc gia

Có thể nói ngắn gọn về tương lai của công nghệ lò phản ứng đó là:

Tính tất yếu bảo đãm sự vững bền và phát triển trong tương lai

Chương II Công nghệ lò phản ứng nhanh

Lò phản ứng nhanh được phát triển như là thế hệ thứ IV của công nghệ lò phản ứng hạt nhân hiện nay Lò sử dụng nhiệt lượng trực tiếp neutron nhanh được tạo ra trong quá trình phân hạch, lò sử dụng neutron nhanh tái sinh nhiên liệu nhằm duy trì hoạt động, công suất lò và tối ưu hoá thời gian làm việc lâu dài, nhưng vẫn duy trì được độ ổn định của lò

Về cơ bản nguyên tắc tái sinh của lò phản ứng nhanh dựa trên phản ứng bắt

neutron sinh ra đồng vị phân hạch, neu tron nhanh sinh ra từ các phản ứng phân hạch tương tác với bia nhiên liệu và tạo nên những đồng vị phân hạc mới, các phản ứng

II.1 Lịch sử của lò phản ứng nhanh

Lò phản ứng nhanh đầu tiên có tên là Clementime, được xây dựng tại Los Alamos (USA) vào năm 1946 với công suất 150 kW Năm 1951, dự án EFR

(Experiment Breeder Reactors)”Lò phản ứng tái sinh thử nghiệm” là lò phản ứng nhanh tái sinh đầu tiên được đưa vào hoạt động và phát điện Tiếp theo đó trong

thập kỷ 60 liên tiếp 4 lò phản ứng hoạt động ở mức tới hạn được xây dựng và thử nghiệm Năm 1964 lò phản ứng có tên là “US Enrico Fermi” được đưa vào sử dụng

và phát điện với công suất 66 MWe, tuy nhiên lò chỉ hoạt động được 8 năm, do bắt đầu từ năm thứ 3 hoạt động lò chịu một sự tan chảy của nhiên liệu bởi sức nóng mà

lò phải chịu đựng Dự án BN-350 và PFR là ba dự án thành công và đưa vào hoạt động trong khoảng thập niên 70, tuy nhiên 1990 và 1994 lần lượt lò BN-350 và PFR ngừng hoạt động, nguyên nhân việc dừng hoạt động là do nồi hơi của lò phản ứng, nồi hơi được thiết kế chưa đáp ứng được nhiệt độ và áp suất rất cao của lò phản ứng, 1985 Dự án lò phản ứng nhanh SNR-300 với sự hợp tác giữa Đức, Bỉ, Hà lan,

đã được xây dựng và hoàn thành tại Đức, tuy nhiên vẫn chưa được vận hành do luật pháp của chính phủ Ở Nhật bản tháng 4.1994 Dự án Monju hoàn thành và đưa vào hoạt động tuy vậy tháng 9.1995 lò ngừng hoạt động do Natri dò rỉ ra tại chu trình thứ cấp của lò phản ứng

Tuy nhiên những lợi ích của lò phản ứng nhanh đem lại trong việc tái sinh nhiên liệu, thời gian hoạt động dài sau một chu ky thay thế nhiên liệu, do vậy các quốc gia như Mỹ, Nga, Anh, Nhật đang tiếp tục phát triển, ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực cả trong quân sự, công nghiệp năng lượng và nhiều ứng dụng khác

II.2 Phân loại lò phản ứng nhanh

Sự phân loại lò phản ứng nhanh dựa trên sự khác nhau giữa các chất tải nhiệt

trong lò phản ứng thì ta có các loại như sau: lò khí, lò chì, lò natri, lò nước siêu tới hạn và lò muối nung chảy

II.2.1 Lò Natri lỏng (SFR).

Lò sử dụng natri làm chất tải nhiệt trong lò phản ứng, sử dụng chu trình Brayton gián tiếp của chất tải nhiệt.Về nguyên tắc kết cấu và hoạt dộng của lò

được thể hiện trong hình vẽ II.2.1:10

Hình II.2.1:10 Cấu tạo và hoạt động của Lò Natri

Natri nhận nhiệt trong tâm lò phản ứng sau khi được bơm bởi 1 máy bơm Natri nóng được tiếp tục dẫn truyền qua tháp trao đổi nhiệt Tại đây nhiệt lượng được trao đổi cho hơi nước trong 1 chu trình khép kín khác, lượng nhiệt này sẽ làm quay máy phát điện sản sinh điện năng

Lò Natri sử dụng 2 chu trình trao đổi nhiệt vì vậy turbin máy phát điên không bị nhiễm xạ, với nhiệt độ rất cao tại tâm lò vì vậy lò có khả năng ứng dụng trong các quá trình “Hỏa Luyện Kim”, quá trình này dược ứng dụng trong công nghệ luyện kim

Với yêu cầu nhằm bảo đảm tuyệt đối tính an toàn trong việc nhiễm xạ các cơ cấu, họat động trong thời gian dài, độ bền của các chi tiết trong thành phần cấu tạo của lò phản ứng Lò còn được thiết kế thêm một chu trình gián tiếp

Hình II.2.1:11 Cấu tạo và hoạt động của Lò Natri

Chu trình sơ cấp (I) sử dụng Natri lõng làm chất tải nhiệt trong tâm lò,

nhiệt lượng này được chuyển qua chất tải nhiệt thứ cấp thứ (II) và (III) qua các tháp trao đổi nhiệt, ở chu trình thứ (III) chất tải nhiệt ở đây có thể là hơi nước

II.2.1.1 Nhiên liệu

Đối với lò có công suất nhỏ cở 150-600 MWe lò sử dụng nhiên liệu là một hợp kim của uranium, plutonium, zirconium và các chất phụ gia đồng vị họ actini, nhiên liệu này có độ làm giàu thấp Nhiên liệu này được tạo thành bằng quá trình “Hoả luyện kim”, tức hổn hợp kim loại hình thành nên nhờ một quá trình luyện kim nhiệt Tiến trình hoả luyện kim sử dụng những đồng vị họ actini được tạo ra từ phản ưng phân hạch tạo nên chất phụ gia cho hợp kim nhiên liệu tái sinh, với yếu tố thuận lợi là tới 99.9% lượng đồng vị họ actini được phục hồi

và tách lại, tiến trình này được tích hợp với chính lò phản ứng, sử dụng ngay chính nhiệt lượng lớn mà nó tạo ra Ngoài ra tiến trình “Hoả luyện kim” còn được ứng dụng trong việc xử lý dòng chất thải, tái chế và đặc biệt còn dùng để thuỷ tinh hoá chất thải phóng xạ

Đối với các lò sử dụng với mục đích kinh tế và công nghiệp có công

và Plutonium và nhiên liệu này được tạo này nhờ tiến trình “Thuỷ luyện cao cấp“ Nhiên liệu mới này được tạo thành ngay trong tâm lò phản ứng trong các thanh nhiên liệu

II.2.1.2 Hiệu suất năng lượng

Hệ thống SFR sử dụng 2 hay nhiều chu trình của chất tải nhiệt tuỳ theo công suất và mức độ an toàn cần có của lò phản ứng Trong hình 1.2 trình chính thứ I sử dụng Natri, chu trình gián tiếp thứ II sử dụng chất tải nhiệt có thể là

CO2 Natri có nhiệt độ nóng chảy và nhiệt độ sôi lần lượt là 98-880 o C Hoạt động theo chu trình nhiệt động học Brayton có hiệu suất 38-42%.CO2 hoạt động

ở trạng thái tới hạn theo chu trình Carnot của khí gần lý tưởng có hiệu suất nhiệt 77-81%

Như vậy bằng việc sử dụng hai chu trình khép kín của chất tải nhiệt tăng cao mức độ an toàn về yêu cầu an toàn phóng xạ, tuy nhiên củng bởi lý do sử dụng 2 hay 3 chu trình gián tiếp nhiệt động học do vậy hiệu suất của lò phản ứng giảm đi đáng kể

Hiệu suất của lò sử dụng hai chu trình:

Công suất lò (MW e) 150-1500

kim Urani

Nhiệt đốt cháy trung bình (MWd/KgHMN) 70-200

Mật độ năng lượng trung bình (MW th /m 3 ) 350

Bảng II.2.1.3:6 Thông số lò phản ứng nhanh dùng Natri

Viện nghiên cứu và phát triển công nghệ hạt nhân Nhật Bản nghiên cứu

về SFR (JSFR) và Viện công nghệ hạt nhân Hàn Quốc (KALIMER) đã nghiên cứu phát triển về lò phản ứng nhanh nhằm phát triển ứng dụng hơn nữa công suất, độ an toàn của SFR

Nhiệt độ ra của dòng chất tải ( o

Bảng II.2.1.3:7 Thông số lò phản ứng nhanh dùng Natri

II.2.1.4 Những ưu điểm của lò phản ứng nhanh dùng Natri

II.2.1.4.1 Ưu điểm

Natri được chấp nhận như một chất tải nhiệt cho lò phản ứng vì nó rất phù hợp cho ưu cầu tải nhiệt và truyền nhiệt, và ít có khả năng tương tác

với cấu trúc vật chất của các thành phần cấu tạo lò ở nhiệt độ cao và có giá thành thấp

Nhiệt độ sôi của natri ở mức cao so với nước do vậy để tránh hiện tượng sôi trong lò phản ứng không đòi hỏi cần phải có áp suất cao trong cơ cấu lò phản ứng

Việc sử dụng chu trình Brayton gián tiếp đảm bão mức độ an toàn của lò phản ứng tránh nhiễm xạ các cơ cấu lo, thuận lợi cho việc hoạt động, duy trì và xử lý lò

II.2.1.4.2 Nhược điểm

Tuy nhiên việc sử dụng natri làm chất tải nhiệt cũng gây ra những khó khăn cần đương đầu

- Tính háo nước của natri, natri có tính háo nước rất cao dể gây ra những nguy cơ dò rĩ và tăng áp đột biến ảnh hưởng đến tuổi thọ và hoạt động của lò phản ứng

- Natri dể dàng bắt neutron tạo thành đồng vị phóng xạ mới nguy

- Việc khắc phục được tương tác giữa Na và nước trong sự dò rĩ tất

yếu và đồng vĩ phóng xạ có chu kỳ dài, nguy hiểm như Na 24 đã dẫn đến việc phải tìm ra cho công nghệ lò phản ứng nhanh một chất tải nhiệt mới an toàn và kinh tế hơn so với Natri

II.2.2 Lò chì lỏng (LCFR).

Lò chì sử dụng chì làm chất tải nhiệt thông qua chu trình Brayton khép kín Và sử dụng sự đối lưu của chì lỏng trong tâm lò phản ứng, Chì sau khi được

làm nóng tại tâm lò, do sự đối lưu chì di chuyển lên và được dẫn truyền qua turbin của máy phát điện sau đó được làm lạnh trở lại và được dẫn truyền vào tâm lò phản ứng

Hình II.2.2:12 Cấu tạo và hoạt động của Lò Chì

Lò có kết cấu nhỏ công suất lớn, 1 tổ hợp cùa lò phản ứng có công suất

cỡ 1200MWe, lò hoạt động nhờ sự đối lưu của chì trong tâm lò nhiệt độ vào và

ra của chỉ ở mức 500-800oC Lò cũng có khả năng tái chế nhiên liệu và sản sinh

ra những đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã ngắn, cũng như việc sản xuất hidro

và nước tinh khiết có thể uống Lò chì là một ứng cử viên sáng giá cho nhu cầu dài hạn của điện năng tiêu thụ, với thời gian hoạt động trung bình 15-20 năm có thể thay thế và tách rời từng modul khi cần thiết Với kết cấu nhỏ gọn thuận lợi cho việc lắp ráp trên những vùng xa xôi hẻo lánh

II.2.2.1 Nhiên liệu và Chất làm nguội

II.2.2.1.1 Nhiên liệu

Lò chì lỏng hoạt động với công suất nhiệt và mức thông số nhiệt độ gần

là như lò natri Với yêu cầu tái sinh nhiên liệu như lò phản ứng dùng natri do vậy nhiên liệu mà lò chì sử dụng giống như của lò natri