Tổng quan lò phản ứng nước sôi BWR

High Temperture Graphite Reactor International Atomic Energy Agency Asia Pacific Ecomic Research Center Production d’Electricite d’Origine Nucleaire Energy Information Administration Tổ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ-VẬT LÝ KỸ THUẬT

BỘ MÔN VẬT LÝ HẠT NHÂN -  -

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Đề tài:

TỔNG QUAN LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC SÔI BWR

NGUYỄN TRẦN NAM GIANG

Thành phố Hồ Chí Minh - Năm 2009

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin gửi lời cảm ơn thầy Nguyễn Đình Gẫm, người mà

đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện khóa luận, cũng nhờ thầy mà

em đã có những nguồn tài liệu quí giá Thầy đã động viên em rất nhiều, đặc biệt em rất quí tính cởi mở nhiệt tình của thầy, thầy lúc nào cũng sẵn sàng giúp

đỡ em mọi lúc

Em cũng xin chân thành cảm ơn thầy Châu Văn Tạo, nhờ thầy mà em

đã bổ sung thiếu sót cho đề tài của mình

Và em xin cảm ơn tất cả các thầy cô, những người đã dạy em trong suốt khoảng thời gian học đại học

Cuối cùng em xin cảm ơn những người bạn là những người mà em không thể không nhắc tới, cùng với gia đình đã hỗ trợ em hoàn thành đề tài này

TP.HCM ngày 15 tháng 1 năm 2009 Nguyễn Trần Nam Giang

MỤC LỤC

Đề mục Trang

Lời cảm ơn 1

Mục lục 2

Danh mục các bản biểu 4

Danh mục các hình vẽ 5

Danh mục các chữ viết tắt 6

Lời mở đầu 7

Chương 1 LỊCH SỬ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 8

1.1 Lịch sử hình thành các thế hệ lò phản ứng hạt nhân 8

1.2 Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân 8

1.2.1 Lò phản ứng thế hệ I 8

1.2.2 Lò phản ứng thế hệ II 9

1.2.3 Lò phản ứng thế hệ III 9

1.2.4 Lò phản ứng thế hệ IV 10

1.2.5 Lò phản ứng 2 tỷ năm trước 11

1.3 Phân loại lò phản ứng hạt nhân 13

1.3.1 Lò phản ứng nước - nước 13

1.3.2 Lò phản ứng Graphite 14

1.3.3 Lò phản ứng neutron nhanh 15

1.3.4 Lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng khí HTGR, với graphite làm chất làm chậm 15

Chương 2 LÝ THUYẾT LÒ PHẢN ỨNG VÀ GIẢI PHÓNG NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN 16

2.1 Sự kết hợp các proton neutron bên trong hạt nguyên tử 16

2.2 Quan hệ giữa năng lượng và khối lượng 16

2.3 Tổng hợp và phân hạch hai khả năng thu hồi năng lượng 17

2.3.1 Tổng hợp nhiệt hạch 18

a) Tổng hợp trong tự nhiên 18

b) Tổng hợp nhân tạo 18

2.3.2 Sự phân hạch và phản ứng dây chuyền 19

2.4 Những vấn đề cơ bản xảy ra ở tâm lò phản ứng 20

Chương 3 CẤU TẠO LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN LOẠI BWR 28

3.1 Các thành phần lò phản ứng hạt nhân BWR 28

3.1.1 Nhà chứa lò phản ứng 30

3.1.2 Nồi áp lực lò phản ứng 30

3.1.3 Bó nhiên liệu 32

3.1.4 Thanh điều khiển 33

3.1.5 Hệ thống tái tuần hoàn nước 35

3.1.6 Nhà chứa tuabin 36

3.1.7 Bộ phận ngưng cùa lò phản ứng 37

3.1.8 Hệ thống cấp nước 38

3.2 Nhiên liệu hạt nhân 38

3.2.1 Uranium 38

3.2.2 Đặc tính 39

3.2.3 Dạng xuất hiện 39

3.2.4 Trong nước biển 39

3.2.5 Hành trình 39

Chương 4 KẾT LUẬN 41

KẾT LUẬN 41

4.1 Sự lựa chọn cho tương lai 41

4.2 Việt nam 46

4.2.1 Khả năng sản xuất điện hạt nhân của chúng ta 48

4.2.2 Lượng điện hạt nhân cần sản xuất 51

4.2.3 Chuẩn bị gì cho sản xuất điện hạt nhân 53

KIẾN NGHỊ 54

Tài liệu tham khảo 55

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng Trang Bảng 4.1 Khởi đầu sản xuất điện hạt nhân năm 2015 48 Bảng 4.2 Khởi đầu sản xuất điện năm 2030 53

DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Trang

Hình 1.1 Nhà địa chất đang chỉ chỗ màu hơi vàng là Oxid Urani 12

Hình 1.2 Lò phản ứng nước áp lực 13

Hình 1.3 Lò phản ứng PBMK-1000 14

Hình 2.1 Mô hình hóa phản ứng dây chuyền 19

Hình 2.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến hệ số K 21

Hình 2.3 Cách bố trí thanh nhiên liệu 26

Hình 3.1 Tâm lò phản ứng 28

Hình 3.2 Lò phản ứng nước sôi 29

Hình 3.3 Nhà chứa lò phản ứng BWR 30

Hình 3.4 Cấu tạo Nồi áp lực của lò BWR 31

Hình 3.5 Bó nhiên liệu 32

Hình 3.6 Thanh điều khiển chi tiết và hệ thống ngắt điện khẩn cấp 33

Hình 3.7 Nguyên tố làm thanh điều khiển 35

Hình 3.8 Bơm trong lò phản ứng BWR 36

Hình 3.9 Tua-bin và hệ thống van xả 37

Hình 3.10 Bơm cấp nước lò phản ứng 38

Hình 3.11 Hạt nhiên liệu 38

Hình 3.12 Con đường đi của Urani 40

Hình 4.1 Lò phản ứng hạt nhân ở Catenom-Pháp 42

Hình 4.2 Nhà máy điện hạt nhân ở Belleville 43

Hình 4.3 Biểu đồ sản lượng điện hạt nhân trên thế giới 45

Hình 4.4 Lò phản ứng hạt nhân EBR của Pháp 50

High Temperture Graphite Reactor

International Atomic Energy Agency

Asia Pacific Ecomic Research Center

Production d’Electricite d’Origine Nucleaire

Energy Information Administration

Tổ chức liên hiệp các quốc gia trên thế giới Thế hệ thứ nhất

Lò phản ứng nước áp

lực

Lò phản ứng nước sôi

Lò nhiệt độ cao,với graphite làm chậm

Cơ Quan Năng Lượng Nguyên Tử Quốc Tế

Liên minh Châu Âu

Hiệp Ước chống tăng sinh Vũ khí hạt nhân

Hiệp Hội Công Nghiệp Điện Tử

Trung Tâm Nguyên Cứu Kinh Tế Vùng Châu Á Thái Bình Dương

Tổ Chức Sản Xuất Điện

Từ Nguồn Hạt Nhân

Cơ quan thông tin về năng lượng

LỜI MỞ ĐẦU

Quan niệm đúng đắn về phát triển bền vững cũng như nhu cầu năng lượng cần thiết cho phát triển là hai vấn đề cấp thiết mà nhân loại cần lưu phải tâm trong những năm sắp đến Tiến trình toàn cầu hóa trong phát triển chung khiến cho hầu hết lãnh đạo các quốc gia trên thế giới, đặc biệt là những quốc gia hậu kỹ nghệ cần phải ngồi lại để tìm ra những biện pháp chung để giải quyết vấn đề cốt lõi của con người Đó là năng lượng cần thiết để phát triển

Trước những vấn nạn môi trường và hệ sinh thái bị hủy diệt, nhu cầu điện năng đến từ than đá hay thủy điện dần dần bị thay thế bằng những nguyên liệu “sạch” cho năng lượng Năng lượng từ dầu hỏa có nguy cơ bị cạn kiệt trong những thập niên sắp đến Về năng lượng gió cũng như năng lượng mặt trời chỉ là những bước đầu, chưa đạt quy mô lớn và giá thành tương đối còn cao

Chỉ còn lại năng lượng hạt nhân hiện đang được các quốc gia ráo riết tập trung nghiên cứu để tiến đến một công nghệ năng lượng sạch, an toàn, giá thành rẻ, và mang lại nhiều ứng dụng khác hơn là việc tạo ra điện năng phù hợp với tinh thần phát triển bền vững do LHQ đề ra

Đề tài có mục đích trình bày một số thông tin căn bản về sự lịch sử và

sự hình thành,cấu tạo một lò phản ứng hạt nhân, ở đây là lò phản ứng BWR Cùng những viễn cảnh tiến tới một công nghệ sạch cùng một số an toàn lao động trong vận hành

CHƯƠNG 1 LỊCH SỬ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 1.1 Lịch sử hình thành các thế hệ lò phản ứng hạt nhân

Một trong những nhu cầu cần thiết để phát triển quốc gia là năng lượng

Và năng lượng đến từ các lò phản ứng hạt nhân được các nhà khoa học chú ý đến từ những năm đầu thập niên 50 Từ đó lò phản ứng thuộc thế hệ I ra đời Các lò này hiện tại vẫn còn được sử dụng Tuy nhiên các lò thuộc thế hệ này đang đi dần đến sự đào thải vì thời gian vận hành sắp chấm dứt (tuổi thọ của một lò phản ứng vào khoảng 50 năm) Thế hệ thứ II ra đời vào đầu thập niên

70 Thế hệ thứ III vào thập niên 90 Và sau cùng thế hệ thứ IV đang được chuẩn bị với rất nhiều hy vọng trở thành một công nghệ hoàn hảo vì sẽ làm giảm thiểu tối đa hiệu ứng nhà kính qua việc phóng thích CO2 đối với các lò phản ứng thuộc các thế hệ trước đó, thực hiện được an toàn lao động trong vận hành, và nhất là các lò trên sẽ là “lò phản ứng tự giải quyết” trong trường hợp

có tai nạn xảy ra, kể cả việc bị máy bay đâm vào Nghĩa là không cần thiết đến

sự hiện diện của con người trong trường hợp này

1.2 Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân

1.2.1 Lò phản ứng thế hệ I

Lò phản ứng có tên Magnox là một lò phản ứng đầu tiên được sản xuất

và tung ra thị trường vào những năm đầu thập niên 50 do ba nhà vật lý học người Anh sáng chế có tên: TS Ion, TS Khalit, và TS Magwood Lò Magnox

sử dụng nguyên liệu Uranium 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 được tóm tắt như sau: Các ống kim loại Uranium này được bao bọc bằng một lớp hợp kim gồm nhôm (Al) và Magnesium (Mg) Một lớp than graphite đặt nằm giữa ống Uranium và hợp kim trên có mục đích làm chậm neutron sinh ra do sự phân hạch U-235

Từ đó các neutron trên sẽ va chạm mạnh với hạt nhân của U-235 để các phản ứng dây chuyền liên tục xảy ra làm tăng thêm sự va chạm Đây là một phản ứng phát nhiệt rất lớn và khí CO2 được dùng để chuyển tải nhiệt năng này đến một máy turbine hơi nước để từ đó biến thành điện năng

Việc điều hòa vận tốc phản ứng dây chuyền hoặc chặn đứng phản ứng

là một công đoạn quan trọng bậc nhất của một lò phản ứng Trong công đoạn này lò Magnox sử dụng một loại thép làm từ nguyên tố boron (B), loại thép này có tính chất hấp thụ các neutron, do đó có thể điều khiển phản ứng theo ý muốn Có tất cả 26 lò Magnox đã hoạt động ở Anh Quốc, hiện tại chỉ còn 8 lò còn đang họat động và sẽ bị đào thải vào năm 2010

1.2.2 Lò phản ứng thế hệ II

Các lò này đã ra đời vào thập niên 70 và 80, hiện chiếm đa số các lò đang họat động trên thế giới Từ lúc ban đầu, 60% của loại lò này áp dụng nguyên lý lò phản ứng nước áp lực PWR, trong đó nước dưới áp suất cao được

sử dụng vừa làm chất làm nguội, vừa làm chất làm chậm phản ứng Nguyên liệu sử dụng cho lò thuộc thế hệ II này thay vì dùng Uranium thiên nhiên, hợp chất Uranium dioxide được thay thế và hợp kim này được bọc trong các ống cấu tạo bằng kim loại Zirconium Do đó Uranium-235 sẽ được làm giàu từ 0,7% đến 3,0 - 3,5% Nhưng các loại lò này dần dần được thay thế bằng cách

áp dụng nguyên lý của lò phản ứng nước sôi BWR Một khác biệt căn bản là nước được đun sôi rồi mới chuyển qua hệ thống làm tăng áp suất Làm như thế, phương pháp này rút ngắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nước trong khi chuyển nhiệt lượng qua các turbine để biến thành điện năng

1.2.3 Lò phản ứng thế hệ III

Kể từ cuối thập niên 80, thế hệ III bắt đầu được nghiên cứu với nhiều cải tiến từ các lò phản ứng loại BWR của thế hệ II Và lò này được đi vào hoạt động đầu tiên vào năm 1996 tại Nhật Bản Hiện tại các lò này đang được thiết lập ở nhiều quốc gia trên thế giới vì đáp ứng được nhu cầu xây cất tương đối ngắn (khoảng 3 năm), và chi phí cũng giảm so với các lò thuộc thế hệ trước cùng phương cách vận hành cũng như bảo trì tương đối giản dị và an toàn hơn.Thực sự thì nguyên tắc hoạt động cũng dựa trên nền tảng của lò phản ứng thế hệ thứ 2, có khác chỉ là một số cải tiến để nâng cao tính an toàn và công suất cao hơn Đặt điểm rõ nhất có lẽ là đưa bơm từ ngoài lò vào bên trong lò để tránh rò rỉ, cùng với việc thiết kế hợp lý dựa vào trọng lực để lò vận hành mang

tính tự nhiên Cũng chính vì các yếu tố này mà hiệu suất lò tăng lên mà lại tiết kiệm chi phí

1.2.4 Lò phản ứng thế hệ IV

Tuy nhiên trước yêu cầu ngày càng cấp thiết hơn về an toàn lao động và bảo vệ ô nhiễm môi trường nhất là hiệu ứng nhà kính, các nhà khoa học đang tiến dần đến việc xây dựng các lò phản ứng hạt nhân thế hệ IV, trong đó hệ thống an toàn không còn dùng đến con người nữa mà hoàn toàn tự động Thêm nữa sẽ không còn có việc thải hồi khí CO2 vào không khí Một đặc điểm mới của lò phản ứng hạt nhân thế hệ IV này là có thể sản xuất ngoài điện năng, còn cho ra Hydrogen, một nhân tố căn bản cho hầu hết các phương pháp tổng hợp hóa chất cần thiết cho kỹ thuật công nghệ Thế hệ IV còn được gọi là “lò phản ứng cách mạng” Thế hệ này đang được 9 quốc gia phối hợp thử nghiệm từ năm 2000 Các quốc gia này gồm: Argentina, Brasil, Canada, Pháp, Nhật Bản, Nam Phi, Hàn Quốc, Anh và Thụy Sĩ Cộng đồng năng lượng nguyên tử Âu Châu cũng đã xin gia nhập nghiên cứu chung vào năm 2003

Về phần lò phản ứng thế hệ thứ IV này hiện nay thế giới đang nghiên cứu một số loại lò chính:

Đầu tiên là lò phản ứng nhanh, có chu trình nhiên liệu chấp nhận được,trong đó có Plutonium-239 được tạo ra từ phản ứng bắt neutron U-238 và

do đó có thể hoạt động trong nhiều trăm năm với nguồn dự trữ Uranium hiện có.Mẫu lò phản ứng nhanh đó khác nhau chủ yếu ở việc chọn chất làm lạnh :

đó là natri lỏng, chì lỏng và khí heli, một số trong đó là chất dẫn nhiệt tốt, còn một số thì khó giải quyết nếu như chúng rò rỉ

Một mẫu thế hệ thứ IV khác là lò phản ứng nước siêu tới hạn, trong đó nước ở trong pha siêu tới hạn của nó được dùng làm chất làm lạnh Nước ở trạng thái này ( trạng thái không phân biệt giữa thể lỏng và thể khí) có dung lượng nhiệt đặt biệt rất cao, cho hiệu suất nhiệt cao hơn so với các lò LWR hiện có

Còn lò phản ứng nhiệt độ rất cao (VHTR) Các lò này thường sử dụng chất làm chậm graphit và chất khí làm lạnh giữ được khả năng cho hiệu suất cao Hơn nữa, VHTR còn an toàn gần như tuyệt đối,vì thành phần phóng xạ

của nhiên liệu bị chặn lại ngay cả khi lò phản ứng đạt tới quá nhiệt độ 15000C (tức là trên 5000C so với nhiệt độ hoạt động bình thường)

Mẫu tiếp theo còn gọi là lò phản ứng muối nóng chảy- có tính cơ bản nhất Ở đây, nhiên liệu ở dạng muối uranium lưu thông trong chất làm sạch sao cho không có chất làm lạnh nào bị thất thoát làm ngừng trệ phản ứng dây chuyền

Thế hệ này sẽ đi vào ứng dụng vào năm 2030 và có thể thỏa mãn những điều kiện sau ngoài các lợi thế kể trên:

- Giá thành cho điện năng sẽ rẻ hơn hiện tại;

- Hoàn toàn an toàn 100%;

- Phế thải giảm thiểu tối đa

1.2.5 Lò phản ứng hạt nhân hai tỷ năm trước

Vào thập kỷ 1970, các nhà khoa học đã phát hiện được những dấu tích của một tổ hợp lò phản ứng hạt nhân vĩ đại 2 tỷ năm tuổi tại châu Phi Tấm hình sau đây là hoá thạch của lò số 15, vị trí tại Oklo, nước Cộng hoà Gabon Chất Oxid Uranium còn sót lại có thể nhìn thấy được như những phiến đá màu hơi vàng Hiện nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu các sản phẩm phụ từ Oklo để thăm dò những hằng số vật lý cơ bản qua một chặng thời gian và không gian tầm cỡ thiên văn và để tìm một cách nào đó tốt hơn cho việc xử lý chất thải do công nghiệp hạt nhân nguyên tử mà con người tạo ra

Hình 1.1 Nhà địa chất đang chỉ chỗ màu hơi vàng chủ yếu là Oxid Uranium Trong số 17 lò phản ứng hạt nhân của tổ hợp mà người ta đã biết, thì 9 cái đã được khai quật lên hết Khu vực lò phản ứng số 15 là lò phản ứng duy nhất mà muốn vào thì phải qua một cống ngầm dẫn đến từ một khu mỏ Những

gì còn lại của lò số 15 có thể nhìn thấy rất rõ qua những bức ảnh Trong tấm hình trên, nhà địa chất đang chỉ vào chỗ đá màu hơi vàng với thành phần chủ yếu là Oxid Uranium Những đường sọc màu sáng trong tảng đá ở bên trên lò phản ứng là thạch anh đã được kết tinh khi nước ngầm nóng bỏng luân chuyển vòng quanh trong thời gian và sau khi lò phản ứng hoạt động trong quá khứ Có rất nhiều kẽ nứt nhỏ và đường chỉ lằn chạy ngang dọc qua khối đá Những xác định bằng phương pháp đồng vị đã chỉ ra rằng lò phản ứng này từng hoạt động cách đây 2 tỷ năm Mặc dù có những đặc điểm và và hoàn cảnh địa chất dường như rất không thuận lợi (xét theo quan điểm địa chất học về thâu gom chất thải phóng xạ) thì những lò phản ứng này vẫn tồn trữ trong tổ hợp lò phản ứng một lượng rất lớn các sản phẩm là kết quả của phản ứng hạt nhân Những kẽ nứt nhỏ đóng vai trò quan trọng cho hoạt động của các lò phản ững vì nước luân chuyển xung quanh sẽ giữ mát cho lò phản ứng hoạt động Điều ấy khiến hoạt động của lò có thể ổn định về mặt hóa học và vật lý học

1.3 Phân loại lò phản ứng hạt nhân

Có nhiều cách phân loại lò phản ứng hạt nhân, dưới đây là cách phân loại phổ biến nhất, dựa vào các chất làm chậm và chất truyền nhiệt sử dụng trong lò phản ứng

1.3.1 Lò phản ứng nước – nước

Các thanh nhiên liệu được xếp trong hộp đặt trong vùng hoạt Nước vừa làm chất truyền nhiệt, vừa làm chất làm chậm Nước làm chất truyền nhiệt được đưa vào bên trong lò phản ứng, chạy dọc theo vùng hoạt từ dưới lên trên

Áp suất trong lò phản ứng nước – nước khoảng 1-2MPa

Lò phản ứng nước áp lục PWR tạo hơi gián tiếp: chất làm chậm vòng sơ cấp, được giữ ở trạng thái lỏng dưới áp suất cao, mang nhiệt từ lò hạt nhân tới thiết bị sinh hơi, tại đây diễn ra trao đổi nhiệt với vòng thứ cấp và hơi được tạo

ra rồi dẫn tới turbin

Hình 1.2 Lò phản ứng nước áp lực (PWR)

Lò nước sôi BWR sinh hơi trực tiếp bằng cách làm sôi chất làm chậm trong lò Hơi được tách ra khỏi chất lỏng trong một thiết bị phân tách đặt phía trên vùng hoạt, sau đó được đưa tới turbin

1.3.2 Lò phản ứng graphite

Graphite được sử dụng làm chất làm chậm, chất truyền nhiệt trong lò phản ứng graphite có thể là nước nhẹ, nước nặng, chất khí, hoặc kim loại nóng chảy (như Na)

Các thanh nhiên liệu được xếp trong các ống dẫn cùng các chất truyền nhiệt Bao quanh các ống dẫn là graphite Ở nhiệt độ cao, graphite xảy ra phản ứng với không khí, do đó chất làm chậm graphite được xếp vào trong các hộp kín làm bằng kim loại Lớp bảo vệ sinh học được làm bằng bê tông dầy, khí trơ Helium hoặc CO2 bơm vào bên trong lò phản ứng

6 Ống dẫn nước làm chất truyền nhiệt

7 Lớp bảo vệ sinh học phía trên

8 Hệ thống khởi động lò phản ứng

9 Lớp bảo vệ sinh học phía dưới

1.3.3 Lò phản ứng sử dụng neutron nhanh

Nguyên liệu sử dụng trong lò là hỗn hợp U-235 và Pu-239 được làm giàu (15%) Phản ứng dây truyền xảy ra dưới tác động kích hoạt của các neutron nhanh Bao quanh vùng hoạt là các tấm U-238 hoặc Th-232 có nhiệm

vụ hấp thu toàn bộ các hạt neutron nhanh, còn gọi là vùng tái sinh nguyên liệu Các tấm U-238 và Th-232 khi hấp thụ neutron sẽ trở thành Pu-239, U-233, nó

sẽ tách ra trong quá trình tái chế

Trong lò phản ứng sử dụng neutron nhanh kích hoạt, không cần dùng chất làm chậm neutron Kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt

Lò phản ứng sử dụng neutron nhanh kích hoạt không cần chất làm chậm, sử dụng các thanh nguyên liệu được làm giàu, và sắp xếp gần nhau, nên nhiệt lượng tỏa ra rất lớn (1000 KW/l), do đó công suất của loại lò phản ứng này lớn Chất truyền nhiệt phải có khả năng trao đổi nhiệt nhanh, thường được

sử dụng là kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt Cũng do sử dụng nguyên liệu là các thanh Uran được làm giàu nên mức độ an toàn cũng thấp hơn các loại lò khác

1.3.4 Lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng khí HTGR, với graphite làm chất làm chậm

Loại lò phản ứng này vẫn chưa được vận hành thương mại, là một phương án thay thế cho thiết kế thông thường Nó dùng graphite là chất làm chậm và khí helium là chất tải nhiệt Đặc điểm nổi bật của HTGR là có độ an toàn cao Nhiên liệu của chúng được bọc trong lớp vỏ gốm chịu được nhiệt độ trên 1.6000 C trong khi nhiệt độ làm việc hiệu quả của lò là 950 C Helium được dẫn trực tiếp tới turbin 1’

Ngoài ra, còn có một số lò cải tiến khác với tính năng làm việc, độ an toàn và tuổi thọ được nâng lên đang trong quá trình xin cấp phép ở một số nước và có thể được xây dựng vào năm 2010

CHƯƠNG 2

LÝ THUYẾT LÒ PHẢN ỨNG VÀ GIẢI PHÓNG NĂNG

LƯỢNG HẠT NHÂN

2.1 Sự kết hợp các proton và neutron bên trong hạt nhân nguyên tử

Nguyên tử là thành phần cấu tạo nên vật chất Nguyên tử gồm hạt nhân

và các electron quay xung quanh (riêng nguyên tử hyđrô khi trung hoà chỉ có một electron) Hạt nhân là tập hợp các proton và neutron (riêng hạt nhân nguyên tử hyđrô chỉ có một proton) tập trung trong một thể tích rất nhỏ và chịu tác động của hai loại lực khác nhau: lực hạt nhân và lực tĩnh điện

Ở kích thước hạt nhân (cỡ 10-12 mm), người ta gọi khoảng cách lớn là khoảng cách có kích thước cỡ nguyên tử (10-7 mm), khoảng cách nhỏ là khoảng cách có kích thước cỡ các hạt nhân và các nucleon (tức là neutron hoặc proton)

Lực tĩnh điện chỉ tác động lên các hạt tích điện, các hạt này hút nhau khi khác dấu và đẩy nhau khi cùng dấu Lực này tác động ở khoảng cách lớn và là nguyên nhân giữ các electron tích điện âm xoay quanh hạt nhân tích điện dương

Các neutron không tích điện nên không chịu tác động của lực tĩnh điện, trong khi đó các proton đều tích điện cùng dấu (dương) nên có xu hướng đẩy nhau Thế nhưng ở bên trong hạt nhân, các proton và neutron lại kết hợp chặt chẽ với nhau Điều này cho thấy lực hạt nhân chỉ tác động ở khoảng cách rất nhỏ lên proton và neutron, và mạnh hơn nhiều so với lực tĩnh điện

Tuy nhiên, lực hạt nhân (hút) không thể bù đến vô tận lực tĩnh điện (đẩy) để giữ proton và neutron trong hạt nhân Bắt đầu từ một số lượng nucleon nào đó, các hạt nhân nguyên tử ít gắn bó hơn và trở thành không bền vững

2.2 Quan hệ giữa năng lượng và khối lượng

Bằng những kỹ thuật chính xác, người ta có thể đo khối lượng của một hạt nhân, của một proton hoặc một neutron riêng lẻ Người ta đã chứng minh rằng khối lượng của hạt nhân nhỏ hơn khối lượng tổng của các nucleon Theo định luật bảo toàn khối lượng, đây là vấn đề không thể chấp nhận được Vậy khối lượng thiếu hụt đó đi đâu?

Thực ra khối lượng đó không mất đi, mà tồn tại ở dạng năng lượng Công thức nổi tiếng của Albert Einstein (1879 - 1955) E = mc² cho phép xác định năng lượng này Trong công thức này, E là năng lượng, m là khối lượng,

và c là vận tốc ánh sáng trong chân không (300.000 km/s)

Trong trường hợp thiếu hụt khối lượng nêu trên, năng lượng tương ứng bằng khối lượng thiếu hụt nhân với c² Năng lượng này được gọi là năng lượng liên kết, có giá trị bằng năng lượng cần cung cấp cho hạt nhân để tách nó ra thành các nucleon riêng rẽ

Năng lượng liên kết đối với một nucleon (tương ứng với mức thiếu hụt khối lượng đối với nucleon đó) không có cùng giá trị đối với tất cả các hạt nhân Năng lượng đó nhỏ đối với các hạt nhân nhẹ (ví dụ như natri, nhôm), tăng dần lên cho đến các hạt nhân trung bình vào khoảng 56 (sắt), sau đó giảm dần Sự biến đổi đó của năng lượng liên kết chứng tỏ rằng các nguyên tử liên kết chặt chẽ nhất là các nguyên tử trung bình Mức hụt khối lượng của chúng đối với một nucleon là lớn nhất Do đó, tất cả những biến đổi có xu hướng tạo

ra các hạt nhân trung bình cho phép giải phóng năng lượng hạt nhân Những sự biến đổi ấy gọi là phản ứng hạt nhân

2.3 Tổng hợp và phân hạch : hai khả năng thu hồi năng lƣợng trong hạt nhân

Có hai loại phản ứng hạt nhân giải phóng năng lượng:

 Tổng hợp những hạt nhân rất nhẹ thành một hạt nhân trung bình Từ

30 năm nay, nhiều phòng thí nghiệm trên thế giới đã tiến hành nghiên cứu việc tổng hợp hai hạt nhân nhẹ, ví dụ các hạt nhân của đơteri và triti là hai đồng vị nặng của hyđro Tuy nhiên cho đến nay, vẫn chưa ứng dụng được việc tổng hợp hạt nhân này vào công

nghiệp để sản xuất điện năng

 Phân hạch hay phá vỡ một hạt nhân rất nặng thành hai hạt nhân trung bình Trên trái đất, phản ứng phân hạch dễ thực hiện hơn phản ứng tổng hợp Phản ứng này phá vỡ các hạt nhân nặng như Uranium-235 hoặc Plutoni-239 Năng lượng phân hạch giải phóng ra được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân Hiện nay, các lò phản ứng hạt nhân

sản xuất 1/6 điện năng tiêu thụ trên thế giới, 1/3 điện năng tiêu thụ ở

Châu Âu và 3/4 điện năng tiêu thụ ở Pháp

2.3.1 Tổng hợp nhiệt hạch

Tổng hợp hạt nhân là việc kết hợp các hạt nhân nhẹ để tạo nên các hạt nhân trung bình (giữa hêli, nguyên tử lượng là 4 và sắt, nguyên tử lượng là 56) Phản ứng này kéo theo sự giải phóng năng lượng rất lớn.Phản ứng này rất khó thực hiện bởi vì lực hạt nhân, có tác dụng kéo lại gần nhau và liên kết các nucleon chỉ tác động ở khoảng cách rất ngắn, trong khi đó lực điện tạo nên hàng rào đẩy, ngăn không cho các hạt nhân nguyên tử tích điện dương lại gần nhau Muốn vượt qua được hàng rào này, các hạt nhân phải ở trong trạng thái chuyển động hết sức hỗn loạn Đó là trường hợp khi chúng bị đưa lên nhiệt độ rất cao

a) Tổng hợp trong tự nhiên

Trong tự nhiên, tổng hợp hạt nhân tồn tại trong các môi trường có nhiệt

độ cực cao ở các ngôi sao, ví dụ như mặt trời Bên trong mặt trời, nhiệt độ lên tới hàng chục triệu độ cho phép xảy ra sự tổng hợp các hạt nhân nhẹ như hạt nhân hyđrô thành hạt nhân hêli Những phản ứng tổng hợp nhiệt hạch này giải phóng rất nhiều năng lượng, điều này giải thích vì sao nhiệt độ mặt trời rất cao Một phần nhỏ của năng lượng bức xạ từ mặt trời đi đến trái đất Trên những ngôi sao có khối lượng lớn hơn mặt trời, nhiệt độ còn cao hơn nữa cho phép tổng hợp những hạt nhân nặng hơn hyđrô Những hạt nhân đó tạo nên các hạt nhân của cacbon, oxy và cả của sắt nữa trong lòng các ngôi sao nóng nhất b) Tổng hợp nhân tạo

Con người tìm cách làm chủ các phản ứng tổng hợp trên trái đất nhằm khai thác nguồn năng lượng cực lớn đó Người ta đã làm chủ được những phản ứng này trong bom H (bom hyđrô), nhưng chưa thể chế ngự chúng để sản xuất điện năng Phản ứng được nghiên cứu nhiều nhất cho mục đích dân sự là phản ứng tổng hợp hai hạt nhân đồng vị của hyđro là đơteri và triti kết hợp lại thành một hạt nhân nặng hơn là hạt nhân của nguyên tử hêli Để đạt tới nhiệt độ rất cao và mật độ hạt nhân đủ lớn để nâng xác suất chúng gặp nhau, cần phải giải quyết nhiều vấn đề kỹ thuật hết sức phức tạp

2.3.2 Sự phân hạch và phản ứng dây chuyền

Phân hạch xảy ra khi một hạt nhân nặng (ví dụ hạt nhân nguyên tử 235) bị va đập bởi một neutron thì tách thành hai hạt nhân nhỏ hơn Phản ứng phân hạch kéo theo một năng lượng lớn được giải phóng, đồng thời có hai hoặc

Uran-ba neutron được tạo ra Các neutron này đến lượt chúng lại gây ra sự phân hạch của các hạt nhân khác và quá trình đó cứ thế tiếp diễn Như vậy là xuất phát từ một sự phân hạch trong khối uranium, nếu ta không khống chế các neutron, thì

có thể sinh ra ít nhất là hai sự phân hạch, rồi 4, 8, 16, 32 Những phân hạch thành chuỗi như vậy được gọi là phản ứng dây chuyền

Hai ứng dụng chủ yếu của phản ứng dây chuyền là lò phản ứng hạt nhân

và bom hạt nhân Trong lò phản ứng hạt nhân, phản ứng dây chuyền được giữ

ổn định ở mức đã định, có nghĩa là một phần lớn nơtron bị bắt giữ lại, để không sinh ra phân hạch Mỗi lần phân hạch chỉ cần một neutron gây ra một phân hạch mới để giải phóng năng lượng liên tục Còn đối với bom hạt nhân, phản ứng dây chuyền phải xảy ra một lượng rất lớn trong thời gian ngắn nhất

Hình 2.1 Mô hình hóa phản ứng dây chuyền

2.4 Những vấn đề cơ bản xảy ra ở tâm lò phản ứng

Sau đây liệt kê một số phản ứng xảy ra trong quá trình nơ-tron tương

tácvới nhiên liệu:

nRbCsU

U

n235 23692 *14455 8937  (2.1)

nSrXeU

U

n235 23692 *14054 9438  (2.2)

n Y I U

U

n 235 23692 *13653 9938  (2.3) Khi neutron đi vào hạt nhân U-235 thì sẽ đưa U lên trạng thái kích thích

sau đó từ trạng thái kích thích hạt nhân lớn sẽ tách ra làm hai hạt nhân nhẹ hơn

và phát ra từ 2 đến 3 neutron và giải phóng năng lượng, và chính những

neutron này lại tiếp tục đi vào các hạt nhân khác rồi lại lập lại quá trình đó, cứ

như thế, càng lúc càng có nhiều phản ứng phân hạch xảy ra và cũng kèm theo

sẽ có một năng lượng cực lớn được giải phóng, dạng năng lượng được giải

phóng chính là năng lượng liên kết hạt nhân

Một phản ứng phân hạch tỏa năng lượng trung bình khoảng 200 MeV:

- Động năng của sản phẩm phân hạch 172 MeV

- Tia gamma tức thời 8 MeV

- Sản phẩm phân hạch phân rã 6 MeV

- Sản phẩm phân hạch phát gamma 7 MeV

- Neutron nhanh 7 MeV Bản chất của tất cả các năng lượng này thực sự là sự giải phóng năng

2 tot b b

c

EmAMA

MmcA

E

MeV9MeV1

~

Eb 

)238A(MeV5,7)70A(MeV6,8

~E:70

mn : khối lượng nơ-tron

mp : khối lượng proton

Ebtot : năng lượng liên kết

Eb : năng lượng liên kết riêng

Trong lò phản ứng còn có một hệ số cực kì quan trọng nữa là hệ số K

Hệ số K được hình thành dựa trên tỉ lệ neutron sinh ra và neutron còn lại sau một khoảng thời gian nhất định mà neutron tương tác với nhiên liệu cùng các quá trình khác Trong lò phản ứng hệ số K luôn được quan sát mọi lúc Khi K <

1 thì lò đang trong giai đoạn giảm công suất, nghĩa là lượng neutron sinh ra đang giảm dần theo thời gian, vì bị các thanh điều khiển đưa vào tâm lò hấp thụ dần bớt neutron Khi K = 1 là một trạng thái cực kì lí tưởng, trạng thái tới hạn (critical), là một trạng thái ổn định, lúc này lượng neutron còn lại luôn được cân bằng với lượng neutron ban đầu, đây là một trạng thái cần thiết để duy trì hoạt động sản xuất điện, lúc này các thanh điều khiển được điều chỉnh sao cho cân bằng được tỉ lệ neutron trong lò Khi K > 1, lúc này là lúc số neutron đột ngột tăng vọt và càng lúc lượng neutron càng sản sinh ra nhiều hơn, giai đoạn này người ta gọi là vượt quá giá trị tới hạn, đây có thể coi như là tình trạng tiền

sự cố, vì lúc này chúng ta không thể kiểm soát được số neutron sinh ra như thế

nào, nếu không có biện pháp hiệu quả tức thì thì sẽ đẫn tới sự cố nghiêm trọng

Hình 2.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến hệ số K.[7]

Ở đây  là số neutron trung bình phát ra trong một phản ứng phân

hạch,có thể gọi đây là số neutron ở thế hệ thứ nhất và nếu lượng  này được nhiên liệu hấp thụ hết thì tiếp tục quá trình phân hạch xảy ra và lượng neutron

không còn như ban đầu nữa mà bây giờ là 2 đây được coi như là thế hệ thứ 2 của neutron.Và cứ như thế neutron được sinh ra càng lúc càng nhiều hơn như tới thế hệ thứ 3 là 3

Trong quá trình tồn tại ở tâm lò, không phải lúc nào neutron cũng chỉ xảy ra các phản ứng với nhiên liệu, vì ngoài những phản ứng chính như thế neutron còn bị mất mát cho một số yếu tố khác nữa như hình trên ta thấy các yếu tố ảnh hưởng đến lượng neutron:

 = 1-

1A

1ALnA2

)1A( 2







(2.7)

Ta tính được số lần va chạm của các nguyên tố sau đây: 11H là 17, 21D là

23, 42He là 40, 94Be, 126C là 108,và 142 đối với 168O Ở đây ta nói chất làm chậm

vì thực sự đa phần đây là môi trường chính làm giảm nhiệt lò phản ứng, hấp thụ neutron, giảm tốc neutron, nhưng thực tế thì còn rất nhiều yếu tố ảnh hưởng khá lớn đối với lượng neutron sinh ra, vì vậy chúng ta đi sâu vào quá trình tìm hiểu hệ số nhân neutron K

Khi ta xét lò phản ứng có kích trước lớn đến nỗi không có bất kì một hạt neutron nào rò rỉ ra bên ngoài được thì khi đó hệ số nhân K được gọi là hệ số nhân vô cùng, kí hiệu là K

Được viết : K .f (2.8)

Với  : số neutron trung bình phát ra trên một neutron bị hấp thụ bởi đồng vị phóng xạ và  được tính bởi công thức:

f (2.10)

Trong đó:

f

a: tiết diện vĩ mô hấp thụ của nhiên liệu

a: tiết diện vĩ mô hấp thụ của tất cả các vật liệu,trong đó có nhiên liệu

Vậy nếu lò phản ứng có kích thước giới hạn thì sao, khi đó hệ số nhân K được gọi là hệ số nhân hiệu dụng, được kí hiệu Keff , và lúc công thức được viết lại:

K   (2.12)

p: xác suất tránh rò rỉ, để neutron đi qua vùng cộng hưởng mà không bị bắt lại

: hệ số phân hạch nhanh, là tỉ số giữa neutron phân hạch và số neutron phân hạch bởi neutron nhiệt

Vậy khi chúng ta tính đến sự rò rỉ đối với neutron,khi đó kích thước của

lò phản ứng hữu hạn ta có công thức sáu thừa số :

Keff = ..p.f.Pf.PT (2.13)

f

P : là xác suất tránh rò rỉ đối với neutron nhanh

Như vậy là chúng ta có thể thấy được hệ số nhân neutron và các yếu tố tác động lên nó như thế nào

Quá trình khi neutron được hấp thu vào nhiên liệu rồi sau đó nhiên liệu tỏa ra lượng nhiệt với năng lượng khoảng 200 MeV còn được gọi là quá trình

đốt cháy nhiên liệu Để thiết kế một lò phản ứng theo ý muốn của khách hàng

ta cần chú ý các yếu tố vật lý của nhiên liệu để tính ra được công suất như đã yêu cầu Ví như để tính tốc độ cháy của nhiên liệu ban đầu ta dựa vào công thức [5] :

Bu1 = 64,6 13,4 - 240,4 (2.14) Với  là độ làm giàu nhiên liệu được tính bởi công thức:

)UU(N

)U(N(%) 235 238

235





 (2.15) Theo các số liệu, độ làm giàu Uranium cũng khá cao từ 2% đến 20%, đây có thể được xem như là độ là giàu trung bình, nếu như độ làm giàu lớn hơn 20% thì Urani này được xem như có độ làm giàu rất cao Như đã biết  là tỉ lệ U-235 với U-238 cộng với U-235, trên thực tế thì trong thiên nhiên hàm lượng U-235 chiếm 0.7%,còn U-238 chiếm 99.3%

Trong suốt một thời gian dài vận hành lò phản ứng, chúng ta cần phải nạp thêm nhiên liệu cho lò hoạt động, vì vậy ta có thể xem chu trình đốt nhiên liệu là khoảng thời gian bắt đầu đốt cho đến khi nhiên liệu cạn kiệt, vậy công thức tốc độ đốt nhiên liệu trong một chu trình:

Bud =

1n

n

 Bu1 (2.16) Với n là số lần nạp nhiên liệu Đơn vị của tốc độ đốt cháy nhiên liệu là )

kg

M wd (

HM

Những năm gần đây người ta đã cải thiện tốc độ cháy nhiên liệu lên rất nhiều

và hiện nay chúng ta đã đạt được trên dưới 50 )

tHM

Gwd( , trong tương lai con

Để duy trì lượng nhiên liệu cần thiết cho lòng lò phản ứng người ta phải thay mới nhiên liệu Ta gọi thời gian sống của nhiên liệu trong vùng hoạt Tres :

Tres = nTc (2.17)

Với Tc là thời gian thực hiện một chu trình đốt cháy nhiên liệu Ta có

mối liên hệ giữa Tres và Bud bằng công thức:

L: năng suất của nhà máy

0.365: hệ số biến đổi từ thời gian Tres ra ngày (từ năm), ta lấy công thức (2.17)

thế vào công thức (2.18) ta có mối liên hệ giữa thời gian đốt cháy nhiên liệu và

tốc độ đốt cháy nhiên liệu trong một chu trình:

Bud = 0.365 qsp L n Tc (2.19) Thường thì một chu trình nhiên liệu lò là 18 tháng, khoảng thời gian

thay nhiên liệu là 20 ngày

Người ta lại định nghĩa năng suất nhà máy hoạt động trong một thời

gian của chu trình đốt nhiên liệu (tính theo năm) thì gọi là thời gian công suất

hiệu dụng toàn phần trong chu trình vận hành lò phản ứng, kí hiệu là EFPYc

(tính theo năm):

L Tc = EFPYc (2.19) Vậy :

TFO: thời gian máy ngưng hoạt động do thiếu nhiên liệu đột xuất không

biết trước

TRO: thời gian nhà máy tiếp nhiên liệu và bảo trì

TI: thời gian nhà máy hoạt động kém hiệu quả

Gọi TA: thời gian nhà máy hoạt động thực sự, đạt năng suất tối ưu, ta có:

TA = Tc – TI (2.22) Như vậy năng suất tối ưu trong một chu trình vận hành:

T

L (2.24) Theo như công thức này cho ta thấy muốn tăng công suất lò phản ứng thì ta giảm TC, nghĩa là giảm các thời gian như bảo trì, tiếp nhiên liệu, máy hoạt động kém hiệu quả, nhưng thực sự các thông số thời gian này gần như khó có thể thay đổi được, vả lại khi giả các thông số này giảm thì lượng nhiên liệu chưa sử dụng hết sẽ còn nhiều, như vậy thì cực kì lãng phí

Sau đây ta tiếp tục khảo sát một quá trình khác xảy ra bên trong lò phản ứng, đó là hiệu suất nhiệt lò phản ứng, kí hiêu là h Hiệu suất nhiệt lò phản ứng

T2 nhiệt độ nước làm lạnh lò phản ứng ở bộ phận ngưng

Như vậy theo như công thức (2.25) để hiệu suất được cao thì nhiệt độ T2 phải thấp, như vậy điều này chứng tỏ khả năng làm lạnh của lò rất quan trọng,

nó quyết định hiệu suất nhiệt của lò phản ứng

Ta lại khảo sát công suất lò phản ứng:

Hình 2.3 Cách bố trí thanh nhiên liệu

Để tính công suất lò phản ứng: ta cần dựa vào cách bố trí hình học của thanh nhiên liệu, từ đó chúng ta mới xác định được khả năng phát năng lượng của mỗi dạng hình học, để biết được ưu thế về cách bố trí thanh nhiên liệu như thế nào cho hợp lí để tiết kiệm được nhiên liệu và đạt hiệu quả tốt nhất

2

pellet 2

square PD

P

''q4

R4q

Như công thức (2.26) cho phép chúng ta tính được mật độ công suất của các thanh nhiên liệu ở dạng mạng vuông

Đặt: q'R2pelletq '' (2.27) Khi đó: PD square 2

P

'q

q   (2.28) Trong đó:

q: công suất tuyến tính, đơn vị [

Rpellet: bán kính viên nhiên liệu [mm]

Mật độ công suất tính theo mạng tam giác:

2

pellet 2

tri PD

P23

'q

P2

32P

''q6

R3

V

Mq

q  (2.30)

f HM SP

PD q v

q   (2.31)

: mật độ hạt nhân nặng trong nhiên liệu

Công suất tuyến tính: công suất tuyến tính đặc trưng cho tốc độ sinh năng lượng trên đơn vị chiều dài thanh nhiên liệu

4

Dq

'

2 HM SP





 (2.32) Thông lượng nhiệt: là năng lượng nhiệt phát ra từ bề mặt ngoài thanh nhiên liệu (q)

D

'q)10(D4

Dq

''

pellet 2

HM SP

] (2.33)