NĂNG LƯỢNG hạt NHÂN

1. Khái niệm năng lượng hạt nhân: Năng lượng hạt nhân là một loại công nghệ hạt nhân được thiết kế để tách năng lượng hữu ích từ hạt nhân nguyên tử thông qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát. 2. Các loại phản ứng hạt nhân: 2.1. Phản ứng phân hạch: Là phản ứng phân rã nguyên tử, có tỏa nhiệt. Tổng khối lượng sản phẩm bằng tổng khối lượng ban đầu. Khối lượng bị mất đã chuyển sang dạng nhiệt và bức xạ điện từ, đồng thời giải phóng một năng lượng rất lớn. Khi một Nơtron bắn phá hạt nhân U235, hạt nhân bị tách thành hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn, kèm theo việc giải phóng năng lượng ở dạng động năng, bức xạ gamma và phát ra notron tự do, các notron tự do này tiếp tục bắn phá các hạt nhân khác để tạo ra phản ứng hạt nhân dây chuyền. 2.2 Phản ứng tổng hợp hạt nhân: Là quá trình 2 hạt nhân hợp lại với nhau để tạo nên một nhân mới nặng hơn. Cùng với quá trình này là sự phóng thích năng lượng hay hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng của hạt nhân tham gia. Nhiên liệu thường dùng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân là đồng vị deuterium,tritium của Hydrogen. Các đồng vị này có thể trích lấy dễ dàng từ thành phần nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém từ nguyên tử Hydrogen. Để làm cho các hạt nhân hợp lại với nhau, cần tốn một nguồn năng lượng rất lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như hydro. Điều đó được giải thích là do các quá trình của phản ứng đều khó thực hiện: bước 1 cần phải nguyên tử hóa các phân tử, ion hóa hoàn toàn tất cả các nguyên tử, đồng thời tách loại electron để biến nhiên liệu phản ứng hoàn toàn trở thành hạt nhân không có electron ở thể plasma. Sau đó cần phải cung cấp động năng cực kỳ lớn cho các hạt nhân vượt qua tương

NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN THẾ HỆ THỨ 3 CẢI TIẾN

1 Khái niệm năng lượng hạt nhân: Năng lượng hạt nhân là một loại công nghệ

hạt nhân được thiết kế để tách năng lượng hữu ích từ hạt nhân nguyên tử thông qua các lò phản ứng hạt nhân có kiểm soát

2 Các loại phản ứng hạt nhân:

2.1 Phản ứng phân hạch:

- Là phản ứng phân rã nguyên tử, có tỏa nhiệt

- Tổng khối lượng sản phẩm bằng tổng khối lượng ban đầu

- Khối lượng bị mất đã chuyển sang dạng nhiệt và bức xạ điện từ, đồng thời giải phóng một năng lượng rất lớn

- Khi một Nơtron bắn phá hạt nhân U235, hạt nhân bị tách thành hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn, kèm theo việc giải phóng năng lượng ở dạng động năng, bức xạ gamma và phát ra notron tự do, các notron tự do này tiếp tục bắn phá các hạt nhân khác để tạo ra phản ứng hạt nhân dây chuyền

2.2 Phản ứng tổng hợp hạt nhân:

- Là quá trình 2 hạt nhân hợp lại với nhau để tạo nên một nhân mới nặng hơn Cùng với quá trình này là sự phóng thích năng lượng hay hấp thụ năng lượng tùy vào khối lượng của hạt nhân tham gia

- Nhiên liệu thường dùng trong phản ứng tổng hợp hạt nhân là đồng vị

deuterium,tritium của Hydrogen Các đồng vị này có thể trích lấy dễ dàng từ thành phần nước biển, hoặc tổng hợp không mấy tốn kém từ nguyên tử Hydrogen

- Để làm cho các hạt nhân hợp lại với nhau, cần tốn một nguồn năng lượng rất lớn, ngay cả với các nguyên tử nhẹ nhất như hydro Điều đó được giải thích là do các quá trình của phản ứng đều khó thực hiện: bước 1 cần phải nguyên tử hóa các phân

tử, ion hóa hoàn toàn tất cả các nguyên tử, đồng thời tách loại electron để biến nhiên liệu phản ứng hoàn toàn trở thành hạt nhân không có electron ở thể plasma Sau đó cần phải cung cấp động năng cực kỳ lớn cho các hạt nhân vượt qua tương

tác đẩy Coulomb giữa chúng mà va vào nhau Nhiệt độ cần thiết có thể lên đến hàng triệu độ C.Nhưng sự kết hợp của các nguyên tử nhẹ, để tạo ra các nhân nặng hơn và giải phóng 1 neutron tự do, sẽ phóng thích nhiều năng lượng hơn năng lượng nạp vào lúc đầu khi hợp nhất hạt nhân

2.3 Phân rã phóng xạ:

- Phóng xạ là hiện tượng một số hạt nhân nguyên tử không bền tự biến đổi và phát

ra các bức xạ hạt nhân (thường được gọi là các tia phóng xạ) Các nguyên tử có tính phóng xạ gọi là các đồng vị phóng xạ, còn các nguyên tử không phóng xạ gọi

là các đồng vị bền Các nguyên tố hóa học chỉ gồm các đồng vị phóng xạ (không

có đồng vị bền) gọi là nguyên tố phóng xạ.các tia phóng xạ có từ tự nhiên có thể bị chặn bởi các tầng khí quyển của Trái Đất

- Tia phóng xạ có thể là chùm các hạt mang điện dương như hạt anpha, hạt proton; mang điện âm như chùm electron (phóng xạ beta); không mang điện như hạt

nơtron, tia gamma (có bản chất giống như ánh sáng nhưng năng lượng lớn hơn nhiều) Sự tự biến đổi như vậy của hạt nhân nguyên tử, thường được gọi là sự phân

rã phóng xạ hay phân rã hạt nhân

- Tự phân hạch là quá trình hạt nhân của các nguyên tử phóng xạ có số khối lớn Ví

dụ uranium tự vỡ ra thành các mảnh hạt nhân kèm theo sự thoát ra nơtron và một

số hạt cơ bản khác, cũng là một dạng của sự phân rã hạt nhân

- Trong tự phân hạch và phân rã hạt nhân đều có sự hụt khối lượng, tức là tổng khối lượng của các hạt tạo thành nhỏ hơn khối lượng hạt nhân ban đầu Khối lượng

bị hao hụt này chuyển hóa thành năng lượng khổng lồ được tính theo công thức nổi

tiếng của Albert Einstein E=mc² trong đó E là năng lượng thoát ra khi phân rã hạt nhân, m là độ hụt khối và c=298 000 000 m/s là vận tốc ánh sáng trong chân

không

3 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của một nhà máy điện hạt nhân:

3.1 Cấu tạo: Một nhà máy điện hạt nhân thường gồm 4 phần chính:

- Lò phản ứng hạt nhân, nơi xảy ra phản ứng phân hạch

- Máy phát điện chạy bằng hơi nước

- Tuabin, dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện.

- Bộ phận ngưng tụ: làm lạnh hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng

3.2 Nguyên lý hoạt động:

- Trong lò phản ứng, lõi của các thanh nhiên liệu uranium tác động lẫn nhau để tạo

ra nhiệt độ 2.200 độ C Quy trình nãy bắt đầu bằng nhiệt lượng đun sôi nước, nươc biến đổi thành hơi, và hơi được sử dụng để quay một tuabin nối liền với một máy phát điện Sau khi đi qua tuabin, hơi nước được làm nguội và ngưng tụ thành nước nhiệt độ thấp Nước nguội sẽ được đưa trở lại lò phản ứng và quy trình được lặp lại

4 NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN THẾ HỆ THỨ 3 CẢI TIẾN (3+):

4.1 Tổng quan về sự ra đời:

- Sau thảm họa hạt nhân tại nhà máy điện hạt nhân Chernobyl cùng với một số các

tai nạn nghiêm trọng do rò rỉ phóng xạ khác như vụ Three Mile Island (TMI) tại

Mỹ vào năm 1979, Tokaimura tại Nhật , dư luận thế giới hoài nghi về tính an toàn của nhà máy điện hạt nhân Trong suốt một thời gian dài từ cuối những năm 1980, những dự án xây dựng nhà máy điện hạt nhân hiện có bị đình lại, và không có thêm

dự án mới nào được thông qua.Bước sang thế kỷ 21, sự phát triển lớn mạnh của các nền kinh tế đẩy nhu cầu năng lượng thế giới cũng tăng vọt Các hiện tượng bất thường của khí hậu đã lên tiếng nhắc nhở các quốc gia cần giảm thiểu tới loại trừ nguồn năng luợng có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa thạch Cùng thời gian đó, chiến tranh lạnh kết thúc, kho vũ khí hạt nhân được giải trừ, "thải" ra luợng lớn nhiên liệu hạt nhân chưa biết "dùng vào việc gì".Những biến đổi lớn lao của thời đại, thúc đẩy các quốc gia quay lại với năng lượng hạt nhân, nhưng theo những lộ trình

thận trọng hơn.Chính vì vậy, các thiết kế xây dựng nhà máy điện thế hệ thứ 3 được nâng cấp dần dần Kết quả, một thế hệ chuyển tiếp, thường được biết đến với tên “thế hệ 3+” ra đời.

4.2 Một số đặc điểm:

- Tiêu chuẩn hóa thiết kế cho mỗi loại để rút ngắn quá trình cấp phép, giảm chi phí đầu tư và giảm thời gian xây dựng

- Thiết kế đơn giản hơn và vững chắc hơn, dễ vận hành và ổn định trong hệ thống

có nhiều dao động

- Hệ số sẵn sang hoạt động cao hơn và tuổi thọ dài hơn-mức điển hình là 60 năm

- Xác suất tai nạn nóng chảy vùng hoạt giảm

- Tác động tới môi trường ở mức tối thiểu

- Độ sâu cháy cao hơn và từ đó giảm nhiên liệu sử dụng và lượng thải phát sinh

- Sử dụng chất hấp thụ có thể cháy được nhằm tăng thời gian sử dụng nhiên liệu

- Các lò phản ứng thế hệ 3+ có nhiều cải tiến giúp tăng công suất, độ an toàn

- Hệ thống an toàn được bổ sung thêm các máy phát diesel, dùng để vận hành trong các trường hợp sự cố mất điện nguồn

- Có sẵn các bể nước dự trữ được đặt ở vị trí cao có khả năng tự xối nước làm mát xuống trong trường hợp hệ thống làm mát gặp sự cố

Khác biệt lớn nhất so với các thiết kế hiện thời là nhiều nhà máy hạt nhân thế hệ mới tích hợp được đặc điểm an toàn thụ động hoặc nội tại, không đòi hỏi sự kiểm soát chủ động của con người hay sự can thiệp của nhân viên vận hành để tránh tai nạn khi có trục trặc

4.3 Phân loại: Gồm hai nhóm chính

công tức nước nặng là D2O, tiếng Anh là deuterium D là đồng vị có khối lượng 2 của hydro nên còn được viết là 2H

dụng rộng rãi hơn lò phản ứng nước nặng cải tiến, gồm hai nhóm: lò nước sôi cải

tiến và lò phản ứng nước áp lực cải tiến.

a Lò phản ứng nước sôi cải tiến:

- Lò phản ứng nước sôi cải tiến thỏa mãn những yêu cầu của một loại lò thế hệ 3+,

gồm có hai thiết kế: ESBWR và EU-ABWR Dựa vào thiết kế lò SBWR thế hệ 3,

có công suất 670 MW, công ty General Electric (Canada) thêm vào hệ thống bảo

vệ an toàn bị động, cho ra loại lò ESBWR (Economic Simplified BWR)

* Đặc điểm:

+ Lò ESBWR:

- Có công suất tiêu chuẩn là 1.560 MW.

- Thời gian xây dựng là 45 tháng, vòng đời sử dụng 60 năm

- Giá thành xây dựng từ 1,16 - 1,25 tỷ USD cho 1.000 MW

+ Lò EU-ABWR:

- Thiết kế dựa trên loại lò ABWR thế hệ thứ 3

- Nâng công suất đến 1.600 MW và đảm bảo được các quy định và tiêu chuẩn an toàn của châu âu như hệ thống chống lại các lỗi thường gặp (CCF- Common cause failure), có cơ cấu bảo vệ chống máy bay đâm vào (Protection against Airplane Crash - APC), các thiết bị chống hư hại, rung động và cách nhiệt vòng ngoài

b Lò phản ứng nước áp lực cải tiến:

- Có ưu điểm hơn hệ thống lò nước sôi ở chỗ sử dụng hai vòng nước làm mát riêng

biệt Nước làm mát ở vòng hai nhận nhiệt gián tiếp từ hơi nước nên hoàn toàn không có khả năng bị nhiễm xạ Do đó, dù có xảy ra sự cố rò rỉ nước làm mát, khả năng lan truyền phóng xạ của các loại lò nước áp lực là rất thấp so với những loại

lò còn lại

- Một số loại lò kiểu này có thể kể ra là AP-1000, APR-1400, EPR, AP-1000: Là

thiết kế của công ty Westinghouse - MỹThiết kế này có độ an toàn rất cao Giả sử một tai nạn xảy ra khi vận hành (như vỡ ống dẫn nước làm mát), lò có thể tự tắt mà không cần bất cứ tác động (của người vận hành, nguồn điện ngoài hay bơm) nhờ một cơ cấu hoạt động dựa trên nguyên tắc trọng lực: Nước từ các bể chứa trên cao

sẽ đóng vai trò động lực trong quá trình này

+ Lò AP-1000:

- Được thiết kế có vòng đời hoạt động 60 năm.

- Nhiên liệu được thay với chu kỳ 18 tháng một lần và chỉ chiếm 25% chi phí duy trì lò

+ Lò APR-1400: Được KHNP được Hàn Quốc phát triển dựa trên loại lò nước áp

lực PWR với thiết kế đảm bảo tính an toàn của lò thế hệ 3+ cũng như gia tăng công suất

+ Lò EPR: Là thiết kế cải tiến của công ty Siemen từ thiết bị lò PWR đời cũ với

công suất lên tới 1.650 MW Lò phản ứng EPR có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu, từ Uranium làm giầu 5% đến nhiên liệu oxit hỗn hợp (MOX)

- Hệ thống an toàn của lò cũng được nâng cấp tối đa với bốn hệ thống làm mát khẩn cấp, mỗi hệ thống đủ sức làm mát cho toàn bộ lò sau khi tắt Thậm chí, ngay

cả trường hợp vùng hoạt lò bị nóng chảy (như trong trường hợp như tai nạn

Chernobyl), một lớp bảo vệ thêm và vùng làm mát cũng sẽ ngăn chặn không cho chất phóng xạ phát tán ra ngoài Lớp tường lò được làm bằng bê tông hai lớp dày đến 2,6 mét cũng sẽ ngăn chặn được mọi tác động từ bên ngoài, kể cả bị tấn công bằng vũ khí thông thường

- Lò EPR là loại lò phản ứng hạt nhân thế hệ 3+ đầu tiên được xây dựng trên thế giới Hai lò loại này được xây dựng tại Phần Lan và Pháp Tuy nhiên chúng chưa hoàn thành do vấn đề giá thành đội lên quá cao và khủng hoảng kinh tế

+ Lò US-APWR:

- Được thiết kế bằng cách nâng cấp và sửa đổi một số thiết kế của nhà máy loại APWR gồm việc sử dụng lớp lót lõi lò bằng một loại thép phản xạ neutron có hiệu suất cao, giúp tăng khả năng phản ứng và giảm lượng Uranium làm giàu cần thiết

đi 0,1%

- Hệ thống sinh hơi cũng được cải tiến để tăng năng suất phát điện thêm 10%

- Ngoài ra, loại lò này cải tiến lại hệ thống an toàn tự động có khả năng hoạt động tốt hơn loại trước