Bài giảng Chương 3 Cấu trúc của lò phản ứng hạt nhân PGS.TS Nguyễn Nhị Điền

Cấu trúc của lò phản ứng hạt nhân nội dung nêu rõ các loại máy gia tốc, vũ khí hạt nhân, nhà máy hạt nhân, các loại phản ứng phân hạch,... Mời các bạn thảm để tiện cho việc nghiên cứu và học tập. Cấu trúc của lò phản ứng hạt nhân nội dung nêu rõ các loại máy gia tốc, vũ khí hạt nhân, nhà máy hạt nhân, các loại phản ứng phân hạch,... Mời các bạn thảm để tiện cho việc nghiên cứu và học tập.

I MỘT VÀI THÔNG TIN CHUNG

nguyên tử đầu tiên Ngày 6/8/1945, quả bom “Little Boy” đã thả xuống

Hiroshima và ngày 9/8/1945, quả bom “Fat Man” đã thả xuống Nagasaki.

Nhà máy điện hạt nhân: Ngày 27/6/1954, nhà máy điện hạt nhân đầu tiê ô ất 5 MW t i thà h hố Ob i k hò l ới điệ ố i

2

tiên công suất 5 MWe tại thành phố Obninsk hòa mạng lưới điện quốc gia.

Về mặt thiết bị: Phát triển theo 2 hướng:

Về mặt thiết bị: Phát triển theo 2 hướng:

1 Năng lượng cao (MeV – GeV): g ợ g ( )

Các máy gia tốc: cynclotron, Linac, electron beam, …

- Nghiên cứu khám phá thế giới Vật lý hạt cơ bản

Cá ứ d t ị hữ bệ h à ả ất đồ ị hó

- Các ứng dụng xạ trị chữa bệnh và sản xuất đồng vị phóng

xạ để sử dụng PET trong Y tế, chiếu xạ vật liệu công nghiệp, nông nghiệp, …

2 Năng lượng thấp (MeV – eV):

Các Lò phản ứng: Lò phản ứng nghiên cứu, lò năng lượng (Điện hạt nhân) lò tái sinh (sản xuất nhiên liệu chế tạo vũ khí hạt nhân) :

nhân), lò tái sinh (sản xuất nhiên liệu chế tạo vũ khí hạt nhân), :

- Sử dụng năng lượng (bức xạ và phân hạch) để phục vụ sản xuất và đời sống con người, …

Các nghiên cứu về vật lý hạt nhân cấu trúc hạt nhân

- Các nghiên cứu về vật lý hạt nhân, cấu trúc hạt nhân

- Các nghiên cứu về vật lý và kỹ thuật LPƯ.

Hạt nhân nguyên tử:

ế

+ Vì hạt nhân có năng lượng liên kết nên:

- Muốn tách các nucleon cần một năng lượng lớn hơn năng lượng liên kết  (trung bình 8 MeV) g ợ g ( g )

- Các hạt nhân có Z>83 thì có  <0, do vậy các hạt nhân này đều là hạt nhân phóng xạ phân rã alpha.

Khi h t hâ ặ ỡ thà h 2 h t hâ t bì h

- Khi hạt nhân nặng vỡ ra thành 2 hạt nhân trung bình cũng cần năng lượng vượt năng lượng liên kết 2 hạt nhân Trong quá trình phân rã sinh ra năng lượng dư Mỗi phân rã do neutron tương tác với nhiên liệu hạt nhân (U 235) sinh ra năng lượng

tương tác với nhiên liệu hạt nhân (U-235) sinh ra năng lượng

khoảng 200 MeV.

 Đó là cơ sở cho lò phản ứng hạt nhân, tàu ngầm nguyên tử và bom ng ên tử (bom A)

bom nguyên tử (bom A).

- Khi 2 hạt nhân nhẹ được tổng hợp nhiệt hạch thành một hạt nhân trung bình cũng tỏa ra năng lượng lớn gấp 6 lần so với năng

ỏ

4lượng tỏa ra do phân hạch

 Đó là cơ sở của bom H.

hạt nhân

l h

U-233, U-235, Pu-239 ph©n r·

nguyên lý của phản ứng phân hạch:

Nơtron nhiệt Nhiệt năng Nơtron nhanh

N N Nơtron nhiệt

N N

Phân hạch Chất lμm chậm

U 235 U 235 N Hấp thụ

N N

6

Sơ đồ đơn giản của nguyên lý phản ứng phân hạch

Ph¶n øng ph©n H¹ch D¢Y CHUYÒN:

Giả sử mỗi phân hạch tạo ra 3 nơtron

0 1

1 3 2

Lò Phản ứng Hạt NHÂN PHÂN HạCH:

các đặc điểm của phản ứng phân chia hạt nhân

+ các đặc điểm của phản ứng phân chia hạt nhân

1 Sinh ra caực bửực xaù ion hoựa: nụtron, gamma, beta, v.v…

2 Giaỷi phoựng ra naờng lửụng raỏt lụựn

2 Giai phong ra nang lửụùng rat lụn.

+ lò phản ứng hạt nhân: Laứ thieỏt bũ duy trỡ Phaỷn ửựng haùt

nhaõn daõy chuyeàn.

+ các loại lò phản ứng hạt nhân cơ bản:

1 Loứ nghieõn cửựu: Sửỷ duùng caực bửực xaù ion hoựa (naờng lửụùng bửực

xa) ủeồ trieồn khai caực ửựng dung cuỷa kyừ thuaọt hat nhaõn vaứo

xaù) ủe trien khai cac ửng duùng cua ky thuaọt haùt nhan vao caực lúnh vửùc kinh teỏ.

2 Loứ naờng lửụùng: Sửỷ duùng nhieọt naờng (tửứ naờng lửụùng phaõn

h h) ủ ồ ỷ ỏ ủi ọ

haùch) ủeồ saỷn xuaỏt ủieọn.

3 Lò tái sinh: n+U-238 P-239, n+Th-232U-233

Ii thông tin về lò phản ứng nghiên cứu

trên thế giới

+ 3:25 phút ngμy 2/12/1942 , phản ứng phân hạch tự duy trì đã

được thực hiện thμnh công trên LPƯ hạt nhân đầu tiên với tên Pil 1 ( ò i lμ lò F i)

Pile-1 (còn gọi lμ lò Fermi)

+ Theo số liệu của IAEA năm 2006, đã có 831 LPƯ nghiên cứu các loại đã được xây dựng

+ Thời điểm có số LPƯ vận hμnh nhiều nhất lμ năm 1975 (390 lò vận hμnh).

+ Hiện nay có 68 nước đã hoặc đang có LPƯ nghiên cứu với:

+ Hiện nay có 68 nước đã hoặc đang có LPƯ nghiên cứu với:

287 lò đang vận hμnh vμ 10 lò đang xây dựng vμ 10 lò đã có kế hoạch xây dựng.

+ Cú 114 lũ đó dừng hoạt động nhưng chưa thỏo dỡ 410 lũ đó

+ Cú 114 lũ đó dừng hoạt động nhưng chưa thỏo dỡ, 410 lũ đó

Developing Industrialized Total

283 306

321

320

306 338

365 382

390 372

320

250 300 350 400 450

86 82

17 39 52

69 76

199 223

252 155

172

50 100 150 200

Phân bố tuổi của LPƯ đang vận hành:

+ khoảng 60% có thời gian vận hành trên 40 năm;

+ khoảng 80% đã vận hành trên 30 năm

+ trong 20 năm tới, số LPƯ đang vận hành sẽ tiếp tục giảm và g , g ậ p ụ g

dự đoán chỉ 1/3 trong số trên sẽ còn hoạt động.

Phân bố tuổi của các LPƯ đang vận hành (số liệu năm 2008)

14 16 18 20 22

6 8 10 12 14

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55

12

Số năm vận hành

Phân bố LPƯ đang vận hành theo công suất lò:

+ Khoảng 24% LPƯ có công suất trên 10 MWt;

+ Đến khoảng năm 2020 chỉ còn khoảng 35 LPƯ có công suất

trên 10 MWt vận hành

+ Trong 20 năm tới, số LPƯ đang vận hành sẽ tiếp tục giảm và

dự đoán chỉ 1/3 trong số trên (khoảng 100 lò) sẽ còn hoạt động.

100 MW

>= 100 MW 4%

< 1 kW 18%

>= 20 MW 8%

>= 10 MW 12%

Các LPƯNC có công suất từ 1 MWt

>= 2 MW 23%

>= 1 kW 26%

22

18 17

26 25

30

ph©n bè sè lp− nc cã c«ng suÊt tõ 1 mw trë lªn

>= 500 kW 9%

+ Trong 287 LPƯ nghiên cứu đang vận hành được phân theo loại LPƯ như sau:

+ Lò pool-type, lò loại bể: 68 (23,7%)

+ Lò tank-type, lò loại thùng: 33 (11,5%) + Lò TRIGA-type: Lò TRIGA type: 40 (14,1%) 40 (14,1%)

PHÂN LOẠI LPƯNC THEO MỤC ĐÍCH SỬ DỤNG:

1 Nghiên cứu (đa mục

+ Theo công suất LPƯ nghiên cứu có thể phân ra:

+ Theo công suất, LPƯ nghiên cứu có thể phân ra:

- Lò công suất không (Z) < 10 kWt

- Lò công suất thấp (L): từ 10 kWt - 1 MWt

- Lò công suất trung bình (M): từ 1 - 10 MWt

- Lò công suất cao (H): > 10 MWt

- Lò xung

- Lò nơtron nhanh

- Cơ cấu tới hạn (critical assembly)

+ Nhiên liệu cho LPƯ nghiên cứu:

- độ giàu U-235 cao: 19,75% - 93%

+ Phản xạ vùng hoạt: berylium, graphite, nước nặng.

+ Chỉ tính riêng các nước tham gia hợp tác vùng Châu Á - Thái

+ Chỉ tính riêng các nước tham gia hợp tác vùng Châu Á Thái

Bì nh Dương có bức tranh như sau:

Úc: 1 lò công suất 20 MW mới đưa vào vận hành (8/2006)

- Úc: 1 lò công suất 20 MW mới đưa vào vận hành (8/2006)

- Trung quốc: >10: đang vận hành, 2 xây mới (60 MW và 20 MW)

- Philippines: pp 1: đang chờ tháo dỡ 3 MW g

- Thái Lan: 1: đang vận hành 2 MW, 1: đang xây mới 10 MW

- Việt Nam: 1: đang vận hành tại Đà Lạt 0,5 MW (1963, 1984);

CÁC ĐẶC TRƯNG CHÍNH CỦA LPƯ NGHIÊN CỨU:

1 Loại lò (1):

 Với LPƯ có công suất cao > 10 MWt chủ yếu có 2 loại:

 Với LPƯ có công suất cao > 10 MWt , chủ yếu có 2 loại:

+ Lò dạng bể (pool type)

+ Lò dạng thùng (tank type)

+ Lò dạng bể có 2 loại: thùng hở trong bể (open tank in pool)

+ Lò dạng bể có 2 loại: thùng hở trong bể (open-tank in pool)

thùng kín trong bể (closed-tank in pool)

Loại thùng hở có nhiều ưu điểm:

+ thao tác trong vùng hoạt dễ dàng hơn,

+ uyển chuyển hơn trong quá trình sử dụng về góc độ cải

tạo, lắp đặt thêm thiết bị,

+ giá thành thiết kế và chế tạo thấp hơn, …

 Hầu hết các LPƯNC đa mục tiêu hiện nay đều dùng loại

18

(open-tank in pool), có bể chính và bể phụ.

dưới bể chứa nhiên liệu.

1- vỏ bể lò, 2- vùng hoạt, 3- vành

phản xạ, 4- các kênh của hệ thống

điều khiển và bảo vệ lò (CPS), 5-

van đối lưu tự nhiên, 6- van tràn, 7-

1 Loại lò (5): Lò loại bể bơi cải tiến

CARR 60 MW (China)

+ Nước làm nguội đi Nước làm nguội đi

từ trên xuống dưới, qua bình dẫn hướng (guiding tank), qua

ể

(g g ), q vùng hoạt, đi vào bể phân rã N-16 (decay tank).

+ Bể lò chứa 700 m3

nước, trong bể lò đặt bình dẫn hướng, vỏ g chứa vùng hoạt

(core-housing vessel)

và bể phân rã N-16.

22

+ Khi sử dụng nước nặng để làm mát, cần phải có một hệ

thống làm nguội vòng sơ cấp khá phức tạp để ngăn chặn

tritium (sinh ra do ( n tương tác với nước g nặng) giải phóng vào ặ g) g p g môi trường

+ Vì việc thao tác thường xuyên trên vùng hoạt của LPƯ để

thay đổi nhiên liệu và các thí nghiệm chiếu xạ nên việc giữ sự

thay đổi nhiên liệu và các thí nghiệm chiếu xạ nên việc giữ sự tinh khiết của nước nặng luôn là vấn đề cần quan tâm.

 Hầu hết các thiết kế cho LPƯNC loại bể (không có áp lực)

đều chọn nước nhẹ làm chất làm mát cho hệ thống tải nhiệt

vòng sơ cấp.

3 Phương pháp làm mát (1):

+ Có 2 phương pháp: dòng chảy làm nguội hướng lên trên

vùng hoạt và dòng chảy làm nguội hướng xuống dưới vùng hoạt

hoạt.

+ Ưu điểm của hệ thống làm nguội cưỡng bức với dòng chảy

hướng lên trên:

- Việc thay đổi từ đối lưu cưỡng bức sang đối lưu tự nhiên

là hoàn toàn tự nhiên vì dòng chảy cùng hướng lên trên vùng hoạt Ngược lại, do có sự thay đổi hướng chảy xuống trong đối lưu g ợ ạ , ự y g y g g

cưỡng bức sang hướng chảy lên do đối lưu tự nhiên, hệ thống

chảy xuống cần phải được thiết kế thận trọng nhằm tránh sự đình trệ của dòng chảy trong quá trình thay đổi hướng chảy

- Việc lắp đặt và bảo dưỡng các thiết bị đo lưu lượng và nhiệt độ ở lối ra vùng hoạt ở từng vị trí có đặt nhiên liệu hoàn toàn

dễ dàng.

24

- Giảm khả năng tắc nghẽn kênh làm nguội mà có thể dẫn đến làm sôi chất làm nguội trong vùng hoạt.

3 Phương pháp làm mát (2):

+ Tuy nhiên, dòng chảy hướng lên cũng có nhược điểm là có thể gây ra sự rung động của các thanh nhiên liệu và một số

cấu trúc khác đặt trên giá đỡ khi lưu lượng dòng chảy lên trở nên rất lớn.

+ Khi thiết kế dòng chảy hướng lên cần quan tâm:

- Bơm có bánh đà để dần dần dừng lại sau khi ngắt điện, đưa sự chuyển tiếp nhẹ nhàng từ cơ chế đối lưu cưỡng bức sang đối lưu tự nhiên

đối lưu tự nhiên,

- Van nắp, tự động mở do chênh áp , đưa nước bể lò đi qua vùng hoạt để đối lưu tự nhiên.

+ Khi thiết kế dòng chảy hướng xuống cần quan tâm:

- Có hệ điện nuôi liên tục (diezel, UPS) để nuôi một số

bơm để đề phòng mất điện lưới.

3 Phương pháp làm mát (3):

+ Gồm 2 mạch làm

mát song song, với

bơm và bình trao đổi

bơm và bình trao đổi

nhiệt riêng biệt.

+ Mỗi mạch có khả

năng tải 50% công

suất nhiệt của lò.

đi vào khoang chứa

dưới vùng hoạt Hệ thống làm nguội hướng chảy lên dùng van

nắp (lò HANARO 30 MW, Hàn Quốc) + Khi mất điện lưới, các bơm sẽ dừng, việc làm nguội vùng hoạt sẽ bằng cơ chế đối l t nhiên bằng cách an nắp (flap al e) mở ra dưới vùng hoạt.

26

bằng cơ chế đối lưu tự nhiên bằng cách: van nắp (flap valve) mở ra

do trọng lực khi không có dòng chảy cưỡng bức, tạo ra dòng chảy đối lưu giữa vùng hoạt với nước bể lò

+ Khi các bơm dừng, 2 van nắp lắp đặt lệch nhau về chiều cao trên mỗi

đường ống quay trở lại bể lò, nằm cao hơn giếng hút Nếu nước bể lò giảm

3 Phương pháp làm mát (6):

+ Gồm 2 mạch nằm

ngoài bể lò, mỗi mạch

có 1 bình trao đổi nhiệt

và 2 bơm nối song song

3 Phương pháp làm mát (7):

của dòng chảy trong

quá trình thay đổi chiều:

thường nhưng 2 bơm

phụ được cấp điện liên

Hệ thống làm nguội hướng chảy xuống của lò

lưới, 2 bơm phụ sẽ tiếp

tục làm việc để lấy nhiệt

dư sinh ra trong vùng

hoạt

30

bình thường là 2400 m /h và nhiệt độ của nước ở lối vào và ra vùng hoạt tương ứng là 35 o C và 42 o C

hoạt.

3 Phương pháp làm mát (8):

nhiệt phân rã khi có sự cố:

+ Bể Bể làm mát khẩn cấp được nối với làm mát khẩn cấp được nối với

bể phân rã ở phần đáy và phần trên

để hở đến không khí trên mặt lò

+ Trong khi vận hành bình thường

+ Trong khi vận hành bình thường,

bể làm mát khẩn cấp luôn trống và

sẵn sàng tiếp nhận nước khi bơm

vòng sơ cấp ngưng hoạt động

Hệ thống làm mát hướng chảy xuống của lò WWR 10 MW, Nga

vòng sơ cấp ngưng hoạt động.

Hệ thống làm mát hướng chảy xuống của lò WWR 10 MW, Nga

1- bể lò, 2- các bơm tuần hoàn vòng sơ cấp, 3- bình trao đổi nhiệt giữa vòng sơ cấp và thứ cấp, 4- bể làm nguội khẩn cấp, 5- hệ lọc nước (water purification system), 6- tháp làm mát, 7- các bơm tuần hoàn vòng thứ

cấp 8- bể cấp bù, 9- hố thu nước rỏ rỉ, 10 – bơm nước từ hố thu, 11- đầu phun mưa, 12- các điểm thu gom, 13- van tràn, 14- van đối lưu tự nhiên.

nước rò vòng 1 bơm vào lò

Khi mất điện cấp cho bơm vòng 1,

trong 1 phút đầu dòng chảy của

trong 1 phút đầu, dòng chảy của

nước sẽ đi từ bể lò qua vùng hoạt,

Khi dòng chảy cưỡng bức này kết thúc, van đối lưu tự nhiên

sẽ mở để đối lưu tự nhiên của nước trong bể lò Trường hợp mất nước bể lò do hỏng một trong các kênh thí nghiệm, các

32

bơm của hố thu nước sẽ cấp nước trở lại cho lò nhờ các

nhánh đường ống phun mưa.

Trao đổi nhiệt chỉ xẩy

ra phía dưới lớp nước

ra phía dưới lớp nước

4 Nhiên liệu (1):

+ Độ giàu nhiên liệu:

HEU (độ giàu cao): > 20% U-235 (36%, 90%, 93%, …) LEU (độ giàu thấp): < 20% U-235 (19,75%, 8,5%, …)

+ Thành phần nhiên liệu:

UAlx+Al (mật đô uranium đến 2,5 g/cm3)

UAlx Al (mật độ uranium đến 2,5 g/cm )

U3Si2+Al (mật độ uranium đến 4,8 g/cm3)

U3Si+Al (mật độ uranium đến 3,5 g/cm3)

U O +Al (mật đô uranium đến 3 0 g/cm3)

U3O8+Al (mật độ uranium đến 3,0 g/cm3)

UO2+Al (mật độ uranium đến 3,0 g/cm3) UZrHx (nhiên liệu TRIGA, mật độ uranium 3,7 g/cm3)

 Công nghệ khuếch tán UO vào nền nhôm.

4 Nhiên liệu (2):

+ Loại cấu trúc nhiên liệu:

Dạng tấm (plate), nhiên liệu MTR, WWR, IRT

D th h ( d) hiê liệ TRIGA

Dạng thanh (rod), nhiên liệu TRIGA Dạng ống nhỏ (tube), nhiên liệu lò HANARO, của các lò của Nga

+ Nhiên liệu dạng tấm (plate) có các loại:

- các tấm phẳng ghép lại (nhiên liệu MTR) p g g p ạ ( ệ )

- các tấm uốn thành hình ống lục giác hoặc hình ống

tròn nhiều lớp (nhiên liệu WWR)

- các tấm uốn thành hình ống vuông (nhiên liệu IRT)

+ Nhiên liệu dạng tấm (plate) cho sự truyền nhiệt tốt hơn

so với nhiên liệu dạng thanh (rod) và dạng ống nhỏ (tube)

do có tỉ số diện tích bề mặt trên thể tích lớn hơn

38

do có ti sô diện tích bê mặt trên thê tích lớn hơn.

4 Nhiên liệu (3):

+ BNL gồm các ống nhỏ được

làm từ U3Si+Al, mật độ của

uran trong nhiên liệu là 3,15

uran trong nhiên liệu là 3,15

g/cm3, vỏ bọc bằng nhôm, độ

giàu 19,75% U-235

Mỗi ố hiê liệ ó đ ờ

+ Mỗi ống nhiên liệu có đường

kính 6,35 mm, dài 700 mm và

được bọc bằng vỏ nhôm dày

0,76 mm

+ Các ống nhiên liệu được

ghép lại với nhau thành BNL.

Bó nhiên liệu gồm nhiều ống nhỏ chứa

ghép lại với nhau thành BNL

Có 2 loại BNL: BNL loại 36 ống

và BNL loại 18 ống nhiên liệu.

Bó nhiên liệu gồm nhiều ống nhỏ chứa nhiên liệu (lò HANARO, Hàn Quốc)

4 Nhiên liệu (4):

+ Vật liệu làm nhiên liệu là

loại U 3 Si+Al, mật độ của

uran trong nhiên liệu là 4,8 g ệ ,

g/cm 3 , có vỏ bọc bằng nhôm

và độ làm giàu 20% U-235

theo khối lượng ợ g

+ Mỗi BNL có 19 tấm với

chiều cao của phần chứa

nhiên liệu uran trong mỗi

tấm là 70 cm và chiều ngang

là 8 cm.

Bó nhiên liệu chuẩn dạng tấm loại

+ Bề dày của phần lõi nhiên

liệu là 0,7 mm, độ dày của vỏ

4 Nhiên liệu (5):

+ Nhiên loại U 3 Si 2 +Al có mật

độ 4,8 g/cm 3 Có hai loại BNL:

loại chuẩn và BNL đi kèm ạ

thanh điều khiển (TĐK)

+ Mỗi BNL chuẩn có tiết diện

+ Mỗi thanh nhiên liệu có 3 lớp

Phần nhiên liệu dày khoảng 0 7

Phần nhiên liệu dày khoảng 0,7

mm (loại HEU và 0,94 loại LEU)

được làm bằng UO 2 -Al (uranium

dioxide khuếch tán lên nền

nhôm) với độ giàu 19,7% hoặc

36% U-235 theo khối lượng.

bằng nhôm dày khoảng 0,6 mm

Độ dài phần nhiên liệu khoảng ộ p ệ g 5

100 cm

+ Là loại nhiên liệu UO 2 -Al với

đô giàu 36% U-235 theo khối

Bó nhiên liệu WWR-M5 của Nga

liệu như lò MIR, công suất

100 MW ở Dimitrovgrad, Nga.