nhà máy điện hạt nhân

 Năng l ợng nhiệt hạch Năng lựơng nhiệt hạch đ ợc tạo ra từ những phản ứng hạt nhân đ ợc thực hiện giữa những nguyên tố nhẹ dùng l m nguyên liệu nh các àm nguyên liệu như các đồng v

Trường Đại học Điện lực – Cơ Sở Đào Tạo Phía Nam

Khoa: Hệ thống Điện

Lớp: D3H10B

Trường Đại học Điện lực – Cơ Sở Đào Tạo Phía Nam

Nhà máy điện nguyên tử

Tổng Quan về Nhà Mỏy điện Nguyờn Tử

• Nhà máy điện nguyên tử (hay ngày nay còn hay gọi là nhà máy điện hạt nhân) là một phát minh vĩ đại của loài ng ời.

• Nó đã giúp cho con ng ời giải quyết đ ợc một loạt những vấn đề có tính chất thời đại:

 ó là vấn đề mâu thuẫn giữa nhu cầu sử dụng năng l ợng ngày càng tăng và sự hạn chế của các nguồn năng l ợng sơ cấp.

 đó là vấn đề ô nhiễm môi tr ờng do tác động của việc đốt nhiên liệu khoáng gây ra.

 Đó là vấn đề thiếu các nguồn nguyên liệu cho công nghiệp do việc dùng chúng làm nhiên liệu cho các nhà máy nhiệt điện.v.v

1913 nhµ VL §an M¹ch Niels Bohr ® a ra lý thuyÕt l îng tö vÒ c¸c qu¸ tr×nh x¶y ra trong

1 Điện tử trong nguyên tử chỉ có thể ở trong một số quĩ đạo dừng xác định và ổn định,

và ở đó điện tử không bức xạ.

2 Điện tử chỉ bức xạ hay hấp thụ khi chuyển từ quĩ đạo dừng này sang quĩ đạo dừng khác.

3 Trong tất cả các quĩ đạo khả dĩ của điện

tử quanh hạt nhân, chỉ tồn tại những quĩ đạo nào

mà momen động l ợng của điện tử bằng một số nguyên lần +n.

Cùng với cơ học l ợng tử, thuyết t ơng

đối do nhà bác học vĩ đại ng ời Đức Albert Einstein (1879 - 1955) đ a ra từ năm 1905

đến năm 1916 là cơ sở để xây dựng vật lý hạt nhân hiện đại và lý thuyết các hạt cơ bản Với công thức :

Ngày 27-6-1954, khánh thành nhà máy

điện nguyên tử đầu tiên trên thế giới, công

suất 5MW ở Obninsk (Liên xô cũ) mở đầu

thời kì sử dụng năng l ợng nguyên tử cho mục

đích hoà bình.

đích hoà bình

 Năng l ợng nhiệt hạch

Năng lựơng nhiệt hạch đ ợc tạo

ra từ những phản ứng hạt nhân đ ợc thực hiện giữa

những nguyên tố nhẹ dùng l m nguyên liệu nh các àm nguyên liệu như các

đồng vị của hydro, heli, liti, bo, v.v Nếu kết hợp

các đồng vị của hydro để tạo th nh hạt nhân heli thì àm nguyên liệu như các các phản ứng đó sẽ tỏa năng l ợng

Các phản ứng trên l phản ứng nhiệt hạch àm nguyên liệu như các Năng l ợng nhiệt hạch lớn hơn năng l ợng phân hạch nhiều Thí dụ: 1 kg hỗn hợp ồng v hydro nặng toả đồng vị hydro nặng toả ị hydro nặng toả

ra năng l ợng 9,20.107 kWh gấp 4 lần năng l ợng do 1

kg U235 toả ra (2,3.107 kWh)

Hiện nay, việc sử dụng hai đồng vị phóng xạ của hydro l đơteri (D) v triti (T) để tạo ra phản àm nguyên liệu như các àm nguyên liệu như các

ứng nhiệt hạch đòi hỏi những điều kiện m con ng ời àm nguyên liệu như các

có khả năng thực hiện đ ợc Nhiên liệu đ ợc nung

nóng ở nhiệt độ rất cao (20 triệu độ C) sẽ bốc hơi tạo nên một trạng thái ion hóa cực mạnh (plasma) để

xảy ra phản ứng nhiệt hạch

1.5.2 Phản ứng nhiệt hạch khụng điều khiển

Muốn cho phản ứng nhiệt hạch xảy ra, cần có nhiệt

độ cao h ng chục triệu độ Có thể dùng bom àm nguyên liệu như các

nguyên

urani

liti+đơteri+hydro

đơteri+triti chất nổ

tử để tạo ra nhiệt độ đú, nhưng

ngàn tấn thuốc nổ TNT thì 1 quả bom KK t ơng đ ơng với 1020 triệu tấn thuốc nổ TNT

Việc khai thác v sử dụng nguồn năng l ợng n y àm nguyên liệu như các àm nguyên liệu như các rất khó khăn vì một vấn đề đ ợc đặt ra l l m sao àm nguyên liệu như các àm nguyên liệu như các

khống chế đ ợc nguồn năng l ợng khổng lồ tạo ra đ ợc trong lò phản ứng nhiệt hạch để nguồn năng l ợng này phát ra từ từ v điều khiển đ ợc nó để sử dụng àm nguyên liệu như các trong việc chuyển hoá thành điện năng.

QUÁ TRÌNH PHẢN ỨNG HẠT NHÂN.

Nhà máy điện hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân

Khi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạt nhân có thể vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó Năng lượng cần thiết, nhỏ nhất để làm hạt nhân phân chia được gọi là năng lượng kích hoạt Năng

lượng kích hoạt được sử dụng cho hai phần: một phần truyền cho các nuclon riêng biệt bên trong hạt nhân tạo

ra các dạng chuyển động nội tại, một phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của toàn bộ hạt nhân, do đó gây ra biến dạng và làm hạt nhân vỡ ra

§K duy tr× ph¶n øng d©y chuyÒn

1 §K tíi h¹n cña ph¶n øng d©y chuyÒn

Hai ph¶n øng h¹t nh©n chÝnh diÔn ra trong lß ph¶n øng ch¹y b»ng n¬tron chËm v Uàm nguyªn liÖu nh­ c¸c 235 lµ:

h¹ch

Urani thiên nhiên có chứa 99,6% đồng v Uị hydro nặng toả 238 v 0,7% àm nguyên liệu như các

đồng v Uị hydro nặng toả 235 Hạt nhân của đồng vị U238 chỉ bị vỡ khi hấp thụ nơtron nhanh (có năng l ợng lớn hơn 1 MeV) Khi hấp thụ

nơtron chậm U238 sẽ biến

th nh Puàm nguyên liệu như các 239 Trái lại, hạt nhân

U235 sẽ bị vỡ khi hấp thụ cả

nơtron chậm v nơtronàm nguyên liệu như các nhanh

Tuy nhiên xác suất hấp thụ

nơtron chậm của hạt nhân U235

lớn hơn nhiều so với xác suất

hấp thụ nơtron nhanh

2 ĐK duy trì phản ứng dây chuyền

2.1 ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền

Quá trình thực nghiệm đã cho kết quả l các hạt nhân àm nguyên liệu như các

U235, Pu239 v Uàm nguyên liệu như các 233 sẽ bị vỡ ra khi hấp thụ nơtron nhiệt (có năng

l ợng nhỏ từ 0,10,001 eV), còn U238 v Thàm nguyên liệu như các 232 sẽ vỡ khi hấp

thụ nơtron nhanh (NL lớn hơn 1 MeV)

Khi hấp thụ một nơtron, hạt nhân ZXA biến thành hạt

nhân ZXA+1 ở trạng thái kích thích có mức năng l ợng cao hơn mức cơ bản Năng l ợng kích thích bằng tổng động năng và

năng l ợng liên kết của nơtron trong hạt nhân mới Nếu năng l ợng kích thích lớn hơn năng l ợng kích hoạt thì quá trình phân hạch sẽ xảy ra Nếu ng ợc lại thì hạt nhân sẽ chỉ chuyển về

trạng thái cơ bản và phát ra bức xạ 

Tỷ số giữa số nơtron đ ợc làm chậm xuống d ới ng ỡng phân hạch của U238 chia cho số nơtron xuất hiện ban đầu trong hệ đ ợc ký hiệu là  và đ ợc gọi là hệ số nhân bằng các nơtron nhanh Giả sử có m nơtron bị làm chậm qua vùng cộng h ởng thì trong đó chỉ có n nơtron tránh đ ợc sự hấp

thụ cộng h ởng để xuống đ ợc vùng nhiệt Nh vậy p=m/n gọi

là xác suất tránh hấp thụ cộng h ởng Từ đó ta có công thức

bốn thừa số nh sau:

k = ..p.f (đối với lò chạy bằng nơtron nhiệt)

Khi hạt nhân U235 phản ứng với một nơtron thì xác suất xảy ra phân hạch là 1/(1+), mà mỗi lần phân hạch có 

nơtron đ ợc tạo thành, cho nên  = (1/(1+)) là số nơtron

trung bình đ ợc tạo ra khi hạt nhân U235 hấp thụ một nơtron

Nếu lò ở trạng thái tới hạn thì ở thế hệ tiếp theo cũng phải có 1 nơtron bị hấp thụ và do đó  nơtron mới đ ợc tạo

thành Để đơn giản ta giả định là tất cả các nơtron gây ra phân hạch hạt nhân U235 đều có năng l ợng nh nhau Trong số 

nơtron sẽ chỉ có phần lại bị hấp thụ trong nhiên liệu (trong đó

fa là tiết diện hấp thụ vĩ mô để phân hạch của nhiên liệu, a là tiết diện hấp thụ toàn phần của tất cả các vật liệu có trong lò kể cả nhiên liệu)

4.3 Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng

Khi hạt nhân vỡ ra thì trung bình có 2,5 nơtron nhanh bắn ra

Nếu dùng chất làm chậm nơtron để năng l ợng nơtron giảm đến mức trở thành nơtron nhiệt (0,1 - 0,01eV) thì có thể dùng urani thiên nhiên làm giàu U 235 để thực hiện phản ứng dây chuyền

Tính chất này đ ợc dùng trong lò phản ứng hạt nhân chạy bằng nhiên liệu phân hạch với nơtron chậm (U 235 , Pu 239 , U 233 ) Trong

lò phản ứng hạt nhân, các thanh urani thiên nhiên hay plutoni rất mỏng xếp xen kẽ các lớp khá d y của chất l m chậm tạo àm nguyên liệu như các àm nguyên liệu như các

th nh vùng hoạt động mà trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền àm nguyên liệu như các

Sơ đồ nguyên lý của lò phản ứng hạt nhân

4.3 Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng

Muốn điều chỉnh hoạt động của lò mạnh lên hay yếu đi th

dùng các thanh cadimi có đặc tính hấp thụ mạnh nơtron nhiệt: muốn lò chạy yếu đi th cho dồn nh ng thanh cadimi v o lò, ững thanh cadimi vào lò, àm nguyên liệu như các muốn lò chạy mạnh lên th rút dần ra, để bảo đảm hệ số nhân nơtron luôn luôn bằng đơn v (k = 1) ị hydro nặng toả

Ng ời ta cho chất l m lạnh chảy theo nh ng đ ờng ống v o àm nguyên liệu như các ững thanh cadimi vào lò, àm nguyên liệu như các trong lò để bảo đảm gi m nhiệt độ lò không cao quá mức nguy ảm nhiệt độ lò không cao quá mức nguy hiểm Nếu lò dùng để cung cấp n ng l ợng thì chất l m lạnh ăng lượng thì chất làm lạnh àm nguyên liệu như các

đồng thời l chất tải nhiệt, chất n y phải ít hấp thụ nơtron àm nguyên liệu như các àm nguyên liệu như các

4.3 Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng

4.4 Nguyên lý điều khiển

lò phản ứng hạt nhân

Chúng ta mới chỉ nghiên cứu lò ở trạng thái tới hạn tức là trạng thái ở đó thông l ợng nơtron trong lò không đổi theo thời gian ể sử dụng một cách bình th ờng lò phản ứng ta phải biết cách điều khiển

nó theo ý muốn Để đặc tr ng cho mức độ lò ra khỏi trạng thái tới hạn ng ời ta đ a vào một đại l ợng đ

ợc gọi là độ phản ứng của lò:

Khi lò ở trạng thái tới hạn k = 1 do đó  = 0, khi k > 1,  > 0 lò ở

trạng thái trên tới hạn, còn khi k < 1,  < 0 lò ở trạng thái d ới tới hạn k

sk k

Việc điều khiển lò đ ợc thực hiện bằng cách thay đổi giá trị của thông l ợng nơtron trong lò Nếu thông l ợng nơtron trong

lò không thay đổi, lò phản ứng ở trạng thái tới hạn, hệ số

nhân nơtron k trong lò bằng 1

Có thể thay đổi thông l ợng nơtron trong lò bằng hai cách:

chất hấp thụ mạnh nơtron, nh chất bo chẳng hạn

phản xạ nơtron nào đó

4.4 Nguyên lý điều khiển

lò phản ứng hạt nhân

Nhiên liệu dùng trong lò phản ứng có thể là urani thiên nhiên trong đó có chứa 0,73% U 235 , urani đã đ ợc làm giàu, plutoni

Pu 239 , thori Th 233 Chất làm chậm (trong các lò phản ứng chạy bằng nơtron chậm hay trung gian (các nơtron đã đ ợc làm

chậm một phần tr ớc khi bị hấp thụ để phân hạch tiếp), có thể

là graphit, n ớc nặng D 2 O, n ớc th ờng H 2 O, berili và berili oxit BeO, các chất hữu cơ Chất tải nhiệt có thể là chất khí, n ớc th ờng, n ớc nặng D 2 O, chất lỏng hữu cơ, kim loại lỏng v.v Chất phản xạ là bất kỳ chất làm chậm nào nh graphit, berili v.v

4.5.2 Sơ đồ nguyên lý của lò phản ứng

hạt nhân

4.5.3 Nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân

Nhiên liệu cho lò phản ứng hạt nhân có thể sử dụng các chất có khả năng phân hạch nh urani hoặc plutoni

Urani tự nhiên chỉ chứa 0,7% U 235 phân hạch nên chỉ sử dụng làm

nhiên liệu cho lò phản ứng hấp thu nơtron và sử dụng chúng một cách hiệu quả nh lò n ớc nặng hoặc lò phản ứng làm nguội bằng khí và

dùng chất làm chậm là than chì.

N ớc nhẹ có thể dễ điều chế và rẻ tiền nh ng khả năng hấp thụ nơtron lớn nên không thể sử dụng urani tự nhiên làm nhiên liệu cho lò phản ứng n ớc nhẹ ở đó ng ời ta sử dụng nhiên liêu urani đ ợc làm giàu trên

d ới 4% ở dạng ôxit urani

4.6 C¸c lo¹i lß ph¶n øng h¹t nh©n

4.6.1 Lß khÝ

tuabin m¸yphat

N íc nÆng N íc ¸p lùc

N íc lµm m¸t

N íc b¬m

Lß n íc nÆng

Lß n íc nhÑ PWR

Lß n íc nhÑ BWR

Nhà máy điện hạt nhân

Chân thành cám ơn sự theo dõi của thầy và các bạn.