Sản phẩm phân hạch Yêu cầu về mặt Vật lý • Thông lượng cao • Tiết diện chuyển đổi rộng • Sản phẩm chuyển đổi phải bền hoặc có thời gian sống ngắn • Phản ứng điển hình:... Sự chuyển đổiTi
Trang 1CHU TRÌNH NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NÔI Viện Kỹ thuật hạt nhân – Vật lý môi trường
Thuyết trình
GVHD: ThS Lê Anh Đức
Nhóm trình bày: Nhóm
số 7
Trang 2Chu trình nhiên liệu
Trang 3Chu trình nhiên liệu
Trang 4A Làm giàu Urani
• Nguồn Urani tự nhiên:
• 99,3% U-238 và 0,7% U-235.
• Urani trong nguyên liệu phân rã
• hàm lượng U-235 cao hơn
• độ làm giàu cho lò phản ứng điện: 1-5%
(đối với là phản ứng nghiên cứu từ 10-20%)
• Tính chất hóa học của các đồng vị: giống nhau
• Tách dựa trên tính chất vật lý: khác nhau về khối lượng hoặc tính chất hạt nhân
Trang 5A Làm giàu Urani
Các giai đoạn làm giàu
• Các giai đoạn (bước, cấp)
- kết nối nối tiếp
• Các ô - kết nối song song
Trang 6A Làm giàu Urani
Trang 7
A Làm giàu Urani
Trang 8
A Làm giàu Urani
• Separative Work Unit (SWU)
• SWU là số phân tách thực hiện trong quá trình làm giàu Urani
• Ví dụ: lò nước nhẹ công suất 90MW: 23 tấn Urani làm giàu 3%/1 năm ~ 100.000 kgSWU/1 năm
Trang 9A Làm giàu Urani
Phương pháp thống kê
• Hiệu quả làm giàu trong mỗi giai đoạn phụ thuộc
vào khối lượng khác nhau của hạt nhân
• U234/U235 : tính chọn lọc thấp
• U235/U238 : tính chọn lọc cao
• Các giai đoạn tách cần được kết nối
• Khuếch tán khí, ly tâm khí,…
Trang 10A Làm giàu Urani
Ly tâm khí
• Máy ly tâm tốc độ cao:
• 20 000 - 25 000 vòng/phút
• Vận tốc quay lên tới vài trăm m/s
• Áp suất thấp (chân không)
• Sự rung, rò rỉ, hiệu ứng tên lửa, sự xuống cấp của các bộ phận quay
• giải phóng khí UF6
Trang 11A Làm giàu Urani
Ly tâm khí
Trang 12A Làm giàu Urani
Ly tâm khí
Trang 13A Làm giàu Urani
Khuếch tán khí
Trang 14A Làm giàu Urani
• Ví dụ tổ chức làm giàu Urani
bằng khuếch tán khí ở châu Âu (EURODIF)
• 10.8 triệu SWU/mỗi năm
• Có 70 tổ máy, mỗi tổ 20 giai
Trang 16A Làm giàu Urani
AVLIS (Phân tách đồng vị bằng laser)
• Sự hấp thụ photon của U-235 và U-238 là khác nhau
• Sử dụng bước sóng thích hợp, chọn lọc U-235
• U-235 đã ion hóa được thu góp về các điện cực
• U-238 trung hòa được tích trữ trên đĩa collector
Mô hình AVLIS (tách đồng vị bằng laser)
Trang 17Chu trình nhiên liệu
Trang 18Tiết diện hấp thụ neutron (barn) 0.66 0.0026 0.0045
Trang 19Điện phân
18 ống điện phân ở Vemork, Na Uy
B Sản xuất nước nặng
Trang 21Chu trình nhiên liệu
Trang 22C Chu trình của Thori
Chuỗi phản ứng
của Urani
Chuỗi phản ứng
của Thori
Trang 23• Có thể được sử dụng trong phân rã U-233
• Tiết diện hấp thụ nhiệt của Th-232 lớn hơn 3 lần so với
của U-238: 7,4 barn > 2,7 barn
• Dễ dàng chuyển thành U-233, hơn là U-283 thành Pu-239
C Chu trình của Thori
Trang 24• Tính chất của thori dioxide (ThO2) có ưu điểm:
• Độ ổn định cao hơn UO2
• Sản phẩm phân hạch ít hơn 10 lần so với UO2
• Trong quá trình đốt nhiên liệu, Pu và kim loại hiếm họ
Actini tạo thành ít hơn nhiều
• Có hoạt độ phóng xạ thấp hơn so với UO2, nên việc lưu trữ tạm thời và lưu trữ lâu dài dễ dàng hơn
• ThO2: có điểm nóng chảy cao hơn (3550 oC)
• Ít tan hơn trong axit nitric
• Chu kỳ bán rã của Pa-233 dài hơn 10 lần (~27 ngày) so
với chu kỳ bán rã của Np-239 (2,35 ngày) Vì vậy, nó cần thời gian làm mát lâu hơn, khoảng 1 năm
C Chu trình của Thori
Trang 25Chu trình nhiên liệu
Trang 30D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
2 Sản phẩm phân hạch
Năng suất tích lũy
Trang 31D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
2 Sản phẩm phân hạch
Trang 33D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
2 Sản phẩm phân hạch
Bảng đồng vị họ actini
Trang 34D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
2 Sản phẩm phân hạch
• 1 GW điện/năm (lò nước nhẹ) tạo ra:
• 130kg sản phẩm phân hạch có thời gian sống trung bình và dài
• 300kg chất phóng xạ họ actini (Pu, Am, Cm,
…)
• 900kg sản phẩm phân hạch có thời gian sống ngắn và bền
Trang 35D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
2 Sản phẩm phân hạch
• 1 tấn nhiên liệu đã qua sử dụng chứa:
• 955kg uranium (bao gồm ~ 8 kg U-235)
Trang 36D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
Trang 38
D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
2 Sản phẩm phân hạch
Rủi ro dài hạn
Trang 39D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
2 Sản phẩm phân hạch
Rủi ro dài hạn
Trang 40D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
2 Sản phẩm phân hạch
Nguyên lý
• Notron nhiệt: phản ứng chủ yếu là (n,y)
• Notron nhanh: (n,y) (n,p) (n,2n) (n,3n) (n,f)
• Điều kiện cho sự chuyển đổi:
Trang 42D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
2 Sản phẩm phân hạch
Yêu cầu về mặt Vật lý
• Thông lượng cao
• Tiết diện chuyển đổi rộng
• Sản phẩm chuyển đổi phải bền
hoặc có thời gian sống ngắn
• Phản ứng điển hình:
Trang 44D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
Trang 46
D Sự chuyển đổi
Tiết diện phân hạch và tương tác của Np-237 Tiết diện phân hạch và tương tác
của Pu-239
Trang 47D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
1 Họ Actini
• Kết luận
• hiệu quả với quang phổ notron nhanh
• năng lượng trung bình của quang phổ là chủ yếu
• trong trường hợp đặc biệt thì 2 bước chuyển đổi
là cần thiết
Trang 50• Chỉ khả thi một phần (với sửa đổi và mở rộng)
• Vẫn đang trong quá trình phát triển
• Các phương pháp đặc thù khác:
• vẫn đang phát triển (không hẳn là trở ngại)
*PUREX: là phương pháp hóa học được dùng để làm tinh nhiên liệu cho lò hoặc vũ khí hạt nhân.
Trang 51D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
4 Phương pháp và chiến lược
Thách thức trong sử dụng nhiên liệu
• Ngày nay:
• 99% lò năng lượng là lò nhiệt,
• sử dụng nhiên liệu có nồng độ urani rất thấp (0.3%),
• nguồn U tự nhiên có sẵn 2.5 triệu tấn ~ 1.5x104 GW/y
• cung cấp: 370 GW đủ cho 50 năm (giới hạn thời gian)
• Nếu như không tăng hệ số sử dụng nhiên liệu thì không thể chuyển đổi (giới hạn công nghệ)
• Hai thách thức này phải đối mặt và xử lý đồng thời
• Hệ thống phân tích
Trang 52• Bao gồm lò nhiệt và lò phản ứng nhanh
• Sinh ra số lượng Pu cần thiết cho lò phản ứng
• Tối ưu hóa sử dụng nhiên liệu
Trang 53D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
4 Phương pháp và chiến lược
Hệ thống hạt nhân đóng kín (doubly closed)
• Hệ thống hạt nhân cộng sinh + chuyển đổi
• Cả hai phương pháp yêu cầu phát triển của công nghệ năng lượng hạt nhân
• Phụ thuộc lẫn nhau vì vậy, gắn kết 2 hệ thống là cần thiết
• “tái chế” nhiên liệu đã sử dụng
Trang 54D Transmutation
(Sự chuyển đổi)
4 Phương pháp và chiến lược
Hệ thống hạt nhân đóng kín (doubly closed)
• Nghiên cứu và phát triển:
• Hệ thống phân tích
• Thư viện dữ liệu, phát triển thuật toán
• Thiết kế hệ chuyển đổi
• Phân vùng công nghệ, hóa học
• Tác động môi trường, phân tích nguy cơ
• Cần thiết hợp tác trong các lĩnh vực nghiên cứu khác nhau
Trang 55
E Lò phản ứng
muối nóng chảy
Thí nghiệm về lò phản ứng muối nóng chảy ORNL
• Thí nghiệm trên phi cơ (1950-1956)
• Từ 1960, giảng dạy và nghiên cứu lý thuyết
• Thí nghiệm về lò phản ứng muối nóng chảy (6/1965
-12/1969)
• MSBR (molten salt breeder reactor): 1970-1976
• Kết thúc chương trình, LMFBR (Liquid Mental Fast
Breeder Beactor)
• Chuỗi thí nghiệm tại Nga , cộng hòa Séc
Trang 56E Lò phản ứng
muối nóng chảy
Thí nghiệm về lò phản ứng muối nóng chảy ORNL
• Nhiên liệu: muối BeF2,LiF,NaF nóng chảy
• Loại lò:
• Nhiệt: cấu hình graphite, không đồng
• Nhanh: không có cấu hình, đồng nhất thuần nhất
Trang 57E Lò phản ứng
muối nóng chảy
Thí nghiệm lò phản ứng muối nóng chảy (1965-1969)
• Công suất nhiệt 10MWth
Trang 58E Lò phản ứng muối nóng chảy
Molten Salt Breeder Reactor
• Công suất nhiệt 2250 MW, công suất sinh điện 1000 MW
Trang 59E Lò phản ứng muối nóng chảyMolten Salt Breeder Reactor
Trang 61E Lò phản ứng
muối nóng chảy
Lò muối nóng chảy đơn vùng
• Ưu điểm:
• Phù hợp với các phương pháp khoanh vùng
• Sản phẩm phân hạch có thể được loại bỏ liên tục
• Hệ số sinh nhiệt cao
• Chu kì nhiên liệu linh hoạt
Trang 62E Lò phản ứng
muối nóng chảy
Lò muối nóng chảy đa vùng
• Là mô hình ý tưởng mới
• Được tính toán, thiết kế lại phân bố không gian của
thông lượng và năng lượng neutron được tối ưu hóa
• Lịch trình chuyển đổi đa bước theo thời gian
• Hệ số chuyển đổi cao hơn
Trang 63E Lò phản ứng muối nóng chảy
Lò muối nóng chảy đa vùng
Trang 64Giải đáp – Đóng góp – Giải lao