Lò phản ứng nước áp lực PWR

Những phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền trong lò tạo ra một năng lượng rất lớn.. Với đề tài “Lò phản ứng nước áp lực PWR”, tác giả giới thiệu về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, phân

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

LỜI CẢM ƠN

Trong những tháng ngày học tập tại trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên Thành Phố Hồ Chí Minh Em đã được sự giảng dạy tận tình của quí thầy cô toàn trường nói chung và Bộ môn Vật lý Hạt nhân nói riêng Thông qua bài khoá luận này, em xin gởi lời cám ơn đến:

Thầy Nguyễn Đình Gẫm, người trực tiếp giảng dạy tận tình cho em những kiến thức bổ ích và thầy Trần Thiện Thanh đã đọc và góp ý tận tình giúp em hoàn thành tốt khoá lụân

Quí Thầy Cô trong Khoa Vật lý, đặc biệt các Thầy Cô trong Bộ môn Vật lý Hạt nhân, truyền đạt cho em những kinh nghiệm quí báu

Tất cả mọi người trong gia đình luôn động viên và ủng hộ, giúp đỡ em trong quá trình học tập cũng như trong thời gian làm khoá luận

Các bạn lớp 04VLHN và 05VLHN đã ủng hộ và luôn giúp đỡ mình trong thời gian học tập tại trường và trong quá trình hoàn thành khoá luận

Cuối cùng, em xin gởi lời tri ân sâu sắc đến Thầy Châu Văn Tạo-Trưởng Khoa Vật lý, là người luôn giảng dạy tận tình về kiến thức học tập, cũng như kinh nghiệm sống của mình đến sinh viên

Bằng tấm lòng biết ơn của mình, em xin chúc sức khoẻ và bình an đến tất

cả mọi người

Cao Thị Ngọc Phượng

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với trình độ phát triển của khoa học kỹ thuật, cuộc sống con người ngày càng văn minh và tân tiến Năng lượng để phục vụ quá trình sản xuất và nhu cầu của con người ngày càng cạn kiệt Đó là một trong những vấn đề đang được quan tâm của xã hội

Vật lý lò phản ứng hạt nhân là một phần rất quan trọng của vật lý hạt nhân, nghiên cứu phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền trong lò phản ứng Các

lò phản ứng rất đa dạng, phụ thuộc vào chức năng của lò như lò phản ứng áp lực hay lò phản ứng năng lượng Những phản ứng phân hạch hạt nhân dây chuyền trong lò tạo ra một năng lượng rất lớn Năng lượng được tạo ra được ứng dụng vào nhu cầu của cuộc sống con người Hiện tại và trong tương lai những năng lượng được tạo ra từ phản ứng hạt nhân sẽ được ứng dụng để tạo ra nguồn điện năng như nhà máy điên hạt nhân nguyên tử

Với đề tài “Lò phản ứng nước áp lực PWR”, tác giả giới thiệu về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, phân loại, công nghệ của lò phản ứng hạt nhân, lò phản ứng nước áp lực PWR và triển vọng các nhà máy điện hạt nhân Việt Nam trong tương lai

Cao Thị Ngọc Phượng

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

PWR Pressurized Water Reactor Lò phản ứng nước áp lực

BWR Boiling Water Reactor Lò phản ứng nước sôi

APWR Advance Pressurized Water Reactor Lò phản ứng nước áp lực cải tiến ABWR Advance Boiling Water Reactor Lò phản ứng nước sôi cải tiến

ALWR Advance Light Water Reactor Lò nước nhẹ cải tiến

TRU Trans Uranium Element Nguyên tố siêu uran

MOX Mixed Oxide Fuel Nhiên liệu hỗn hợp UO2 vàPuO2

SFR Sodium Cooled Fast Reactor Lò phản ứng nước nhanh làm mát

bằng natri MSR Molten Salt Reactor Lò phản ứng muối nóng chảy

SCWR Supercritical Water Cooled Reactor Lò phản ứng nước làm mát bằng

nươc siêu tới hạn VHTR Very High Temperature Reactor Lò phản ứng nhiệt độ rất cao

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ nhân trong phản ứng dây chuyền 12

Hình 1.2 Cấu tạo chung của lò phản ứng hạt nhân 16

Hình 1.3 Sơ đồ phân hạch 235U 19

Hình 2.1 Cấu tạo lò phản ứng nươc sôi BWR 24

Hình 2.2 Cấu tạo lò phản ứng nước áp lực PWR 25

Hình 2.3 Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng nước áp lực 26

Hình 2.4 Thùng lò của lò phản ứng áp lực Nhật Bản 29

Hình 2.5 Cấu tạo của thanh điều khiển lò phản ứng nươc áp lực 30

Hình 2.6 Bó nhiên liệu trong lò phản ứng nước áp lực PWR 31

Hình 2.7 Nhà lò của nhà máy loại 2 vòng và 3 vòng 32

Hình 2.8a Nhà lò bê tông dự ứng lực 33

HÌnh 2.8b Nhà lò thép cường độ caohỗn hợp 33

HÌnh 2.9 Sơ đồ lò phản ứng áp lực 35

Hình 2.10 Công trường xây dựng nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản 36

Hình 3.1 Quá trình phát triển lò phản ứng hạt nhân 42

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Năng lượng ngưỡng Eng và năng lượng liên kết B đối với các hạt nhân

phân hạch 18

Bảng 1.2 Phân bố gần đúng năng lượng mỗi phân hạch 21

Bảng 2.1 Các kích thước dùng để bố trí vật liệu trong lò 28

Bảng 2.2 Thông số vận hành lò PWR 39

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Một lò phản ứng hạt nhân có thể định nghĩa như một thiết bị trong đó năng lượng hạt nhân giải phóng ra do phản ứng dây chuyền liên quan tới neutron và nguyên tố khả phân (nguyên tố khả phân là nguyên tố có thể phân hạch bằng neutron chậm Ba đồng vị khả phân là U233

, U235, P239 ) Người ta sẽ dùng năng lượng nhiệt và năng lượng bức xạ trong các phản ứng này Các yếu tố cần khảo sát trong thiết kế là thành phần, cách sắp xếp và phương pháp điều khiển Hoạt động của lò có thể khảo sát bằng lý thuyết động học chất khí cổ điển Tuy nhiên tương tác của các hạt thành phần mô tả bằng khái niệm vật lý hạt nhân

1.1 Phản ứng hạt nhân với neutron [2]

Neutron đóng vai trò trung tâm trong lò phản ứng hạt nhân, vì neutron dùng làm tác nhân để xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân Không mang điện tích, neutron không bị ảnh hưởng bởi sự hiện diện của các vật chất trừ khi neutron tiến tới trong vòng khoảng cách cỡ 10-12

cm của hạt nhân Một khi neutron vào trong khoảng cách này thì neutron tương tác với hạt nhân theo hai quá trình: quá trình tán xạ và quá trình hấp thụ Thông thường ta phân loại phản ứng như sau

1.1.1 Va chạm tán xạ đàn hồi

Va chạm của neutron với hạt nhân là đàn hồi khi mà xung lượng và động năng của các hạt tương tác được bảo toàn Kết quả đơn giản là truyền một phần động năng của neutron cho hạt nhân bia kèm theo sự thay đổi về phương chuyển động của neutron

1.1.2 Va chạm không đàn hồi

Trong va chạm không đàn hồi một phần động năng chuyển thành năng lượng kích thích của hạt nhân sau va chạm Năng lượng kích thích này sau đó được phát ra dưới dạng lượng tử Ví dụ trong nguyên tố nặng như sắt, uranium, một neutron có năng lượng khoảng 1 MeV có thể tạo ra kích thích hạt nhân Như thế neutron có thể mất đi một phần lớn năng lượng ban đầu Hạt nhân trở về trạng thái năng lượng cơ bản bằng cách phát xạ tia gamma

1.1.3 Bắt bức xạ

Sự hấp thu neutron có thể biến đổi hạt nhân thành một đồng vị khác Sự tạo thành Co60 từ Co59 là một điển hình Năng lượng thặng dư từ hấp thu neutron, hạt nhân hầu như giải phóng tức thời dưới hình thức tia gamma bắt; nếu đồng vị sản phẩm là chất phóng xạ, nó sẽ phát xạ hạt beta và thêm tia gamma theo chu kỳ bán

rã

1.1.4 Bắt với sự phát xạ hạt mang điện

Nếu năng lượng neutron khá cao sẽ xảy ra một sự biến đổi kèm theo sự phát xạ một hạt proton hay hạt alpha Ví dụ phản ứng của neutron năng lượng trên

10 MeV với O16 để tạo thành N16

1.1.5 Phân hạch

Neutron có thể gây ra phân hạch Có thể tạo ra phân hạch các đồng vị U233,

U235, Pu239 với các neutron có năng lượng thấp hay cao và xác suất phân hạch đặc biệt cao đối với các neutron chậm trong khi đó U238

chỉ phân hạch với neutron năng lượng trên 1 MeV Điều này dẫn đến sự phát xạ nhiều neutron nhanh có thể dùng để duy trì phản ứng dây chuyền

1.2 Lò phản ứng dây chuyền hạt nhân

Nếu số neutron trong tập hợp vật liệu khả phân có thể duy trì không thay đổi thì tồn tại một phản ứng dây chuyền tự duy trì Điều này chỉ có thể xảy ra khi

có hơn một neutron sinh ra khi mỗi neutron gây nên quá trình phân hạch

(1.1) (1.2)

Sau đây ta xét tương tác và thành phần cơ bản trong một lò phản ứng hạt nhân dây chuyền Lò phản ứng giả sử chứa U235 là nhiên liệu và hoạt động với neutron năng lượng thấp Phân hạch hạt nhân U235

sinh ra trung bình khoảng 2,5 neutron và năng lượng hữu ích 190 MeV Động năng của các mãnh phân hạch là nguồn nhiệt hữu ích tiềm tàng sơ cấp có thể lấy ra bằng chất lỏng giải nhiệt luân chuyển tuần hoàn Trong một lò phản ứng điển hình một chất giảm hoạt chứa một nguyên tố nhẹ như hydrogen hay carbon trộn lẫn với nhiên liệu Va chạm liên tiếp với hạt nhân giảm hoạt giúp làm giảm năng lượng của neutron sinh ra từ phân hạch (trung bình 2 MeV) tới mức neutron cân bằng nhiệt với môi trường xung quanh Trong tiến trình làm chậm, nhiều neutron thoát ra xuyên qua ranh giới của phần trung tâm hay tâm lò gọi là quá trình “rò rĩ” Lớp phản xạ bao quanh có chức năng làm giảm bớt số neutron mất đi do quá trình rò rĩ đóng góp thêm quá trình giảm hoạt Một lượng vừa phải neutron năng lượng cao hơn đã mất đi khởi chu trình do sự hấp thu Lớp cản bức xạ không cần thiết cho phản ứng dây chuyền nhưng cũng phải cung cấp để bảo vệ nhân viên khỏi neutron và tia gamma

Như đã trình bày ở trên, các neutron phân hạch đóng vai trò quan trọng trong phản ứng dây chuyền Trong một phân hạch hạt nhân 235U bởi neutron nhiệt phát ra trung bình í= 2,41 neutron Để đơn giản trong suy luận theo hình 1.1, giả

sử một neutron phân hạch xuất hiện 2 neutron Khi đó một neutron ban đầu gây phân hạch và sinh ra 2 neutron khác, ta gọi đó là thế hệ neutron thứ nhất Hai neutron này gây phân hạch và tạo nên 22 = 4 neutron của thế hệ thứ hai Trong thế

hệ thứ ba có 23

= 8… Như vậy, số neutron tăng rất nhanh theo các thế hệ neutron

Đó là sự phát triển phản ứng dây chuyền

Hình 1.1 Sơ đồ nhân trong phản ứng dây chuyền 1.3 Phân loại lò phản ứng [1]

Việc phân loại lò phản ứng có thể dựa trên các yếu tố: Mục đích sử dụng, đặc trưng vật lý, đặc trưng kỹ thuật

1.3.1 Mục đích sử dụng

- Lò phản ứng năng lượng: Là loại lò được sử dụng trong các nhà máy điện nguyên tử, trong đó dùng nguồn nhiệt biến nước thành hơi nước để quay tua-bin sản xuất điện Người ta còn dùng lò phản ứng năng lượng

để cung cấp nhiệt cho các nhu cầu công nghiệp và đời sống

- Lò phản ứng sử dụng các bức xạ hạt nhân: gồm có các lò phản ứng nghiên cứu, lò phản ứng sản xuất, các lò phản ứng chiếu xạ Việc phân loại các lò phản ứng theo các chức năng của chúng, tức là theo các hiệu ứng của các phản ứng phân hạch hạt nhân, là cơ bản Mỗi lò phản ứng với chức năng cho trước có thể xây dựng bằng nhiều cách khác nhau bởi việc lựa chọn dạng và thông số tải nhiệt, loại vỏ chứa chịu áp suất của chất tải nhiệt, cấu trúc và các thành phần vật liệu vùng hoạt, phương pháp điều khiển lò phản ứng…Như vậy, các lò phản ứng cũng được

phân loại theo các đặc điểm về vật lý, về kỹ thuật và các phương pháp khai thác

1.3.3 Các đặc trƣng kỹ thuật

Các lò phản ứng được phân loại theo các đặc trưng kỹ thuật bao gồm:

- Theo các yếu tố giữ áp lực chất thải, có lò phản ứng vỏ chịu lực nếu vỏ

lò giữ áp lực chất tải nhiệt, lò phản ứng kênh chịu lực nếu từng kênh nhiên liệu giữ áp lực chất tải nhiệt, lò phản ứng vỏ và kênh chịu lực là lò kết hợp cả vỏ và các kênh giữ áp lực chất tải nhiệt

- Theo dạng chất tải nhiệt và chất làm chậm Có lò nước nếu dùng nước làm chất tải nhiệt và chất làm chậm, lò nhiệt với chất làm chậm là nước nặng hay graphit, lò nhanh với chất tải nhiệt là natri hay hêli

- Theo trạng thái của nước tải nhiệt, có lò nước sôi và lò dưới áp suất

- Theo số vòng tuần hoàn của hệ tải nhiệt, có lò phản ứng một vòng tuần hoàn hay lò phản ứng với chu trình sinh hơi trực tiếp, lò phản ứng hai vòng tuần hoàn và lò phản ứng ba vòng tuần hoàn

- Theo cấu trúc và dạng của vùng hoạt, có các lò phản ứng đồng nhất và không đồng nhất với vùng hoạt có dạng hình trụ, hình hộp và hình cầu

- Theo khả năng di chuyển, có lò phản ứng tĩnh, lò phản ứng di động và

lò phản ứng có thể di động được

- Theo thời gian hoạt động, có lò phản ứng hoạt động liên tục, lò phản ứng hoạt động xung và lò phản ứng hoạt động gián đoạn

1.4 Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân [4]

Các loại lò phản ứng khác nhau có chung nhiều tính chất Như chỉ ra trong hình 1.2 một lò phản ứng gồm: thanh điều khiển, thanh nhiên liệu, vỏ lò, chất làm nguội, chất làm chậm, hệ thống tải nhiệt

-Thanh điều khiển: thường là cần hình dạng ống xylanh, làm từ vật liệu có khả năng hấp thụ neutron cao như boron, cadmium hay thép không gỉ Thanh điều khiển dùng để điều khiển phản ứng dây chuyền, làm thay đổi việc sử dụng nhiệt

-Thanh nhiên liệu: trong đó nhiệt lượng phóng thích từ phản ứng phân hạch -Vỏ lò: thường được thiết kế bằng những vật liệu an toàn, tránh sự phóng xạ gây thiệt hại

-Chất làm nguội: chảy ngang qua lõi lò có thể truyền nhiệt tới máy tạo hơi nước để từ đó hơi nước có thể dùng trong một máy phát tua-bin để sản xuất điện năng Trong hầu hết các lò phản ứng chất làm nguội là nước thường, một vài thiết kế chất làm nguội là khí hêli có áp suất cao hay natri Lò phản ứng làm nguội bằng nước có thể dùng nước lỏng có áp suất cao hoặc dùng nước đun sôi trực tiếp trong lõi lò, trong trường hợp này thì không cần đến thành phần máy tạo hơi nước

-Chất làm chậm: Trong lò phản ứng nhiệt, hầu hết phản ứng phân hạch đều do

sự hấp thu neutron chậm cũng có một chất làm chậm bên trong lõi Chức năng

của chất làm chậm xuống neutron năng lượng cao phóng thích trong phản ứng phân hạch theo cơ chế chính là tán xạ đàn hồi Chất làm chậm tốt nhất là vật liệu chứa đồng vị có số khối lượng thấp có xu hướng bắt neutron như nước thường, nước nặng

-Hệ thống tải nhiệt: Có nhiệm vụ tải nhiệt lượng ra khởi vùng hoạt Người ta

có thể dùng chất tải nhiệt là nước thường, nước nặng, natri lỏng hay chì lỏng…

Hình 1.2 Cấu tạo chung của lò phản ứng hạt nhân 1.5 Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng [1]

Dù có nhiều thế hệ lò ra đời nhưng chúng có chung một nguyên tắc hoạt động, đó là lò hoạt động nhờ vào phản ứng dây chuyền Cơ chế phân hạch diễn

ra trình bày sau đây

1.5.1 Cơ chế phân hạch hạt nhân

Cơ chế phản ứng phân hạch được miêu tả bằng 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 Điều kiện phân hạch là năng lượng kích thích E* vượt quá năng lượng ngưỡng Eng, đó là độ cao bờ thế năng phân chia Bờ thế năng này xuất hiện

do sự tăng thế năng trong pha đầu biến dạng, khi đó điện tích 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

Quá trình phân hạch về năng lượng có thể xảy ra đối với các hạt nhân với

số khối lớn hơn 80 Tuy nhiên, trong lò phản ứng chỉ xảy ra sự phân hạch của các hạt nặng từ 23290Th đến 24294Pu Động năng neutron, năng lượng liên kết của nó và độ cao bờ thế năng phân hạch xác định khả năng phân hạch của các hạt nhân cụ thể Các hạt nhân 232Th , 233U ,235U, 238U và 239Pu thường được sử dụng trong lò phản ứng Khi hấp thụ neutron các hạt nhân này tạo thành các hạt nhân hợp phần 233

Th ,234U ,236U, 239U , 240Pu với năng lượng kích thích tối thiểu bằng năng lượng liên kết B của nơtrôn 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 Nếu năng lượng liên kết B nhỏ hơn năng lượng ngưỡng Eng thì quá trình phân hạch chỉ xảy ra khi động năng nơtrôn đủ lớn để cho năng lượng kích thích vượt quá Eng

-Các neutron của phản ứng phân hạch đóng vai trò quan trọng trong phản ứng dây chuyền Các neutron phân hạch gồm 2 loại: neutron tức thời, sinh ra tại thời điểm phân hạch và neutron trễ, sinh ra muộn hơn so với thời điểm phân hạch -Các neutron tức thời chiếm cỡ 99% trong số các neutron phân hạch Các neutron này được sinh ra từ các hạt nhân kích thích do trong quá trình trao đổi năng nượng với các nucleon khác, chúng có năng lượng vượt quá mức năng lượng liên kết trong hạt nhân

- 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 quá trình phản ứng dây chuyền

Bảng 1.1 Năng lượng ngưỡng Eng và năng lượng liên kết B đối với các hạt nhân

phân hạch

Hạt nhân Năng lượng ngưỡng Eng

(MeV)

Hạt nhân hợp phần

Năng lượng liên kết B

233

U, 235U, 239Pu có khả năng phân hạch bằng neutron với mọi năng lượng, từ giá trị nhiệt cho tới hàng MeV Trong số những hạt nhân này thì 235U là đồng vị duy nhất còn tồn tại trong tự nhiên, còn hai đồng vị kia phải được tạo ra bằng phương pháp nhân tạo lần lượt từ 232

Th và 238U theo cách mô tả ở trên bằng cách bắt neutron kèm theo hai quá trình phóng xạ bêta Còn nhiều loại đồng vị khác cũng

có khả năng phân hạch bằng neutron với mọi năng lượng nhưng chúng có độ

phóng xạ rất cao và phân rã rất nhanh nên không có giá trị thực tế để phóng thích năng lượng hạt nhân

Ngoài ba loại hạt nhân có khả năng phân hạch nằng neutron với mọi năng lượng kể trên cũng có vài loại hạt nhân có khả năng phân hạch bằng neutron nhanh, trong số đó đáng kể ra là 232

Th và 238U Khi neutron năng lượng dưới 1 MeV, không kể tán xạ thì chỉ có phản ứng bắt – bức xạ nhưng trên giá trị ngưỡng này thì phân hạch cũng có thể xảy ra

Phản ứng dây chuyền duy trì được nếu một neutron nào đó trong số í neutron phát ra trong một phản ứng phân hạch được hấp thụ bởi hạt nhân khác của đồng vị phân hạch lại gây ra phản ứng phân hạch và cứ như vậy tiếp diễn Ta có thể xét sơ đồ phân hạch của hạt nhân 235U như sau:

Hình 1.3 Sơ đồ phân hạch của 235U Hầu hết các mãnh vỡ phân hạch có tỉ số neutron – proton rất cao và

có tính phóng xạ bêta âm Trung bình các mãnh vỡ phân hạch có liên kết khoảng 4 lần phân rã trước khi trở thành hạt nhân bền Từ ngữ sản phẩm phân hạch áp dụng cho hỗn hợp các hạt nhân có độ phóng xạ cao, phức tạp bao gồm các mãnh vỡ phân hạch và các sản phẩm phân rã của chúng

1.5.3 Năng lượng phân hạch

Năng lượng phóng thích trong phản ứng phân hạch tính được từ độ hụt khối và hệ thức khối lượng – năng lượng Einstein Đơn giản hơn ta có thể tính được năng lượng phân hạch từ năng lượng liên kết mỗi nucleon Trong 235U năng lượng liên kết mỗi nucleon khoảng 7,6 MeV trong khi các sản phẩm phân hạch có 95 < A <140 ( A: số khối của hạt nhân) năng lượng liên kết mỗi nucleon khoảng 8,5 MeV

Phân hạch một hạt nhân 235U kèm theo sự phóng thích năng lượng trên 200 MeV Phần lớn khoảng 80% năng lượng phân hạch là động năng của các mãnh vỡ phân hạch thể hiện dưới dạng nhiệt Phần còn lại 20% hay

ít hơn một chút phát ra dưới dạng tia gamma tức thời do các mãnh vỡ phân hạch bị kích thích và động năng của neutron phân hạch, gần như tất cả năng lượng này đều biến đổi thành nhiệt năng trong lò phản ứng hạt nhân Phần năng lượng còn lại do hạt bêta , neutrino và tia gamma phát ra từ các sản phẩm phân hạch có tính phóng xạ khi chúng phân rã Năng lượng của hạt bêta và tia gamma cũng biến thành nhiệt khi những bức xạ này tương tác và hấp thu trong vật chất Phân bố năng lượng phân hạch uranium cũng có thể

áp dụng cho các hạt nhân phân hạch khác trình bày trong bảng 1.2 sau đây

Bảng 1.2 Phân bố gần đúng năng lượng mỗi phân hạch

Năng lượng ( MeV ) Động năng của mãnh vỡ phân hạch 168

Năng lượng tia gamma tức thời 7 Động năng của neutron phân hạch 5 Hạt bêta từ sản phẩm phân hạch 7 Tia gamma từ sản phẩm phân hạch 6

Năng lượng phân hạch tổng cộng 203

CHƯƠNG 2

LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC ÁP LỰC PWR

Vào năm 1939 sau khi khám phá sự phân hạch, những khái niệm thiết

kế ban đầu về nhà máy điện hạt nhân đã được lập ra Tuy nhiên vào ngày 2 tháng

12 năm 1942, dưới áp lực của chương trình vũ khí hạt nhân trong chiến tranh thế giới thứ 2, phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì đầu tiên đã được chứng minh

ở Đại Học Chicago Người ta thực sự đã cần thiết xây dựng lò phản ứng lớn hoạt động ở công suất cao để sản xuất Pu239

dùng trong vũ khí hạt nhân Vào tháng 11 năm 1943 lò phản ứng thí nghiệm có công suất thiết kế ban đầu 1000 kW bắt đầu hoạt động ở Oak Ridge Trong suốt 10 năm sau đó người ta đã xây dựng ở Hoa Kỳ

và các nơi khác một số lò phản ứng có mục đích thí nghiệm Ý tưởng dùng lò phản ứng tạo ra điện năng là chương trình lò phản ứng trong tàu ngầm Chương trình triển khai đầu tiên vào năm 1948 trên cơ sở dùng nhiên liệu là Uranium có độ giàu cao và nước áp lực làm chất làm chậm và chất làm nguội Nhưng lợi ích kinh nghiệm trong chương trình hạt nhân dùng cho tàu ngầm đưa tới sự áp dụng khái niệm nước áp lực vào những nhà máy điện hạt nhân dẫn đến sự ra đời của lò phản ứng nươc áp lực PWR Vào năm 1957 lò phản ứng nước áp lực PWR dùng nhiên liệu Dioxide Uranium có độ giàu cao đã sử dụng trong khoảng 100 nhà máy điện hạt nhân trên thế giới Cho đến nay thì lò phản ứng nước áp lực đã được nhiều quốc gia trên thế giới: Nhật, Hoa Kỳ, Canada….xây dựng và ứng dụng trong việc tạo ra năng lượng điện hạt nhân đáp ứng trong quá trình sản xuất, phục vụ nhu cầu sinh hoạt của con người…

2.1 Phân loại lò phản ứng áp lực [4]

Giống như mọi nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân dùng nhiệt sinh

ra trong lò phản ứng hạt nhân để đun sôi nước, tạo hơi đó rồi tới tua-bin phát điện

Trong lò phản ứng hạt nhân, nhiệt được sinh ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân Hạt nhân uranium và plutonium trong nhiên liệu bị neutron bắn phá, phân tách thành hai mảnh, đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt cùng neutron mới Những neutron mới này lại gây ra những phân hạch tiếp theo và như vậy tạo

ra phản ứng dây chuyền

Để duy trì được phản ứng dây chuyền, lượng nhiên liệu trong vùng hoạt động của lò phải đủ lớn Neutron được sinh ra là những neutron nhanh, có năng lượng cao Những neutron này được làm chậm để duy trì phản ứng phân hạch Việc làm chậm được thực hiện nhờ chất làm chậm có trong vùng hoạt Phản ứng dây chuyền được kiểm soát nhờ những thanh điều khiển có tính năng hấp thụ neutron được đưa vào trong vùng hoạt cùa lò phản ứng để giảm tốc độ hoặc dừng phản ứng dây chuyền Ba loại lò phổ biến nhất hiện nay:

2.1.1 Lò phản ứng nước nặng PHWR

Loại lò này dùng nước nặng D2O để làm chậm neutron Trong lò nước nặng

áp lực, nhiên liệu được bố trí trong các ống chịu áp lực và nhiệt được tải đi ở từng ống riêng rẽ Những ống áp lực này được đặt trong một thùng lớn chứa nước nặng làm chậm Trong khi các lò nước nhẹ chỉ sử dụng uranium được làm giàu thì các

lò nước nặng áp lực dùng nhiên liệu uranium tự nhiên làm hoặc được làm giàu chút ít

2.1.2 Lò phản ứng nước sôi BWR

Hình 2.1 Cấu tạo lò phản ứng nước sôi BWR

Lò này chỉ sử dụng một chu trình Nước được đun sôi trực tiếp rồi làm quay tua-bin phát điện, như vậy tua-bin bị nhiễm xạ nhưng lại có kết cấu nhỏ gọn và giá thành rẽ

2.1.3 Lò phản ứng nước áp lực PWR

Lò này sừ dụng hai chu trình

- Chu trình thứ nhất nhận nhiệt từ lò phản ứng không làm sôi nước mà trao đổi nhiệt cho chu trình thứ hai

-Chu trình thứ hai làm sôi nước do đó làm quay tua-bin, nên tua-bin không

bị nhiễm xạ Loại lò này được sử dụng cho mục đích quân sự, như công nghệ tàu ngầm

2.2 Đặc điểm của lò phản ứng nước áp lực PWR [3]

Lò phản ứng nước áp lực PWR là một trong những lò phản ứng hạt nhân dùng nước nhẹ làm chậm và chất tải nhiệt

2.2.1 Cấu tạo

Lò phản ứng nước áp lực PWR có thể chia thành các vùng khác nhau, mỗi vùng sẽ có nhiệm vụ khác nhau trong từng bộ phận bên trong lò và gồm các bộ phận như hình 2.2

Hình 2.2 Cấu tạo lò phản ứng nươc áp lực PWR

2.2.2 Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng nước áp lực PWR

Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng nước áp lực PWR bao gồm: Thùng lò, bình sinh hơi, bơm nước tải nhiệt, bình điều áp, ống tải nhiệt chính xem hình 2.3

Hình 2.3 Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng áp lực PWR

-Thùng lò : Chứa nhiên liệu và các bộ phận bên trong lò, nó được thiết kế

và chế tạo theo các tiêu chuẩn cao nhất, có thể chịu được áp suất và nhiệt độ tăng cao

-Bình sinh hơi: Hơi được tạo ra ở vòng II trong bình sinh hơi, sau đó được dẫn đến làm quay tuốc-bin để phát điện, bình sinh hơi còn dùng để phân tán nhiệt

dư sau khi lò phản ứng ngừng hoạt động Ngoài ra bình sinh hơi là khâu kết nối giữa hệ thống lò phản ứng và hệ thống tua-bin

-Bơm nước tải nhiệt : Các bơm này làm lưu thông chất tải nhiệt vòng I để tải nhiệt từ vùng hoạt của lò ra bình sinh hơi Bơm tài nhiệt là loại bơm hút một tầng, trục thẳng đứng, có hiệu quả thuỷ lực rất cao

-Bình điều áp: Bình điều áp được nối với một trong các vòng tuần hoàn sơ cấp, có nhiệm vụ điều khiển áp suất trong hệ thống bằng bộ đốt nóng điện và bộ phun nước

-Ống tải nhiệt chính: Các ống tải nhiệt chính nối các bộ phận tuần hoàn với nhau, tạo nên vòng sơ cấp để tái tuần hoàn dòng chất tải nhiệt

2.2.3 Thùng lò phản ứng

Thùng lò được thiết kế để tạo ra khu vực chứa năng lượng do các phản ứng dây chuyền sinh ra (hình2.4) Thùng lò phải chịu được áp suất cao, nhiệt độ tăng cao và ứng suất lớn, sự ăn mòn và tác dụng của bức xạ Do đó, khi thiết kế thùng

lò, phải tiến hành phân tích một cách chi tiết các ứng suất để kiểm tra xem thùng

lò có chịu được mọi tác động hay không Các chỉ số kỹ thuật được xác định rất kỹ lưỡng dựa trên vô số các phép thử Việc chế tạo nhiều bộ phận của thùng lò bằng loại thép ít tạp chất đã qua rèn, sẽ làm giảm số mối hàn vốn đòi hỏi kiểm tra định

kỳ Khi thiết kế thùng lò ta cần chú ý:

-Bố trí vật liệu vùng lò: Để giảm bớt số lần kiểm tra và phơi nhiễm bức xạ, các phần vỏ lò vành khăn được chế tạo bằng cách rèn để giảm bớt số mối hàn bằng cách ghép nối các vành khuyên đó, các mối hàn đã được loại bỏ hoàn toàn khỏi đường vành đai của thùng lò

Bảng 2.1 Các kích thước dùng để bố trí vật liệu vùng lò

2- vòng 3- vòng 4- vòng Chiều cao

(m)

Độ dày (mm)

Đường kính trong (m)

Trọng lượng (tấn)

-Thiết kế cấu trúc thùng lò: Ngoài việc sử dụng máy tính lớn và thiết bị đồ hoạ đã làm đơn giản công việc phân tích chi tiết các ứng suất để thiết kế cấu trúc Tuy nhiên, khi thiết kế một dạng phức tạp, ngưới ta sử dụng chương trình phân tích 3 chiều

-Lựa chọn vật liệu chế tạo thùng lò: Bởi vì độ bền, khả năng chống rạn nứt

là các tiêu chuẩn hết sức quan trọng khi chọn vật liệu chế tạo thùng lò

Hình 2.4 Thùng lò phản ứng nước áp lực PWR Nhật Bản

2.2.3 Thanh điều khiển

Thanh điều khiển là một thiết bị cơ điện hoạt động theo nguyên lý chốt bằng từ, cơ cấu dịch chuyển thanh điều khiển dùng để di chuyển các thanh điều khiển hấp thụ neutron trong vùng hoạt Trong trường hợp dừng lò khẩn cấp, khi dòng điện bị ngắt, các thanh điều khiển được đưa vào vùng hoạt nhờ trọng lực xem hình 2.5

Hình 2.5 Cấu tạo thanh điều khiển lò phản ứng nước áp lực PWR

2.2.4 Vùng hoạt và thanh nhiên liệu

-Vùng hoạt gồm các thanh nhiên liệu (hình 2.6), chất làm chậm và các thanh điều khiển

Hình 2.6 Bó nhiên liệu trong lò phản ứng nươc áp lực PWR

CHƯƠNG 2