CHƯƠNG 1: CÁC KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NHÀ MÁY ĐIỆN HẠT NHÂN 1. Nhà máy điện hạt nhân: Nhà máy điện hạt nhân (Nuclear Power Plant) là một nhà máy tạo ra điện năng bằng cách chuyển năng lượng thu nhiệt thu được từ phản ứng phân hủy hạt nhân thành điện năng.1 Cấu tạo của nhà máy điện hạt nhân: Một nhà máy điện hạt nhân gồm 4 bộ phận sau: Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo chung của một nhà máy điện hạt nhân. - Lò phản ứng (Reactor core) là bộ phận giữ vai trò quan trọng nhất. Đồng thời cũng là nơi xảy ra phản ứng phân hạch hạt nhân và tạo ra lượng nhiệt rất lớn.
- Turbine: Nối liền với một máy phát điện. Nước có nhiệt độ và áp xuất cao sẽ được chuyển thành hơi dẫn theo ống để “thổi” turbine làm quay máy phát điện. - Máy phát điện chạy bằng hơi nước: chuyển nhiệt năng thành điện năng. - Bộ phận ngưng tụ: (condencer) làm nguội hơi nước và ngưng tụ hơi nước thành nước ở nhiệt độ thấp.
Nước nguội sẽ được bơm ngược trở lại lò phản ứng để tiếp tục quy trình.1 Lò phản ứng hạt nhân: Một nhà máy điện hạt nhân muốn hoạt đông được cần thiết phải có một lò phản ứng. Như đã nói về cấu tạo chung của nhà máy điện hạt nhân, lò phản ứng giữ vai trò trung tâm không thể thiếu được. Vì vậy phần tiếp sau đây em sẽ trình bày kỹ hơn về cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò phản ứng hạt nhân. Cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân, bao gồm: - Thanh nhiên liệu - Thanh điều khiển - Chất làm chậm - Chất tải nhiệt - Chất phản xạ - Ngoài các bộ phận chính trên thì lò phản ứng còn có thùng lò, tường bảo vệ các vật cấu trúc khác.2 Sơ đồ cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân Bảng 1: Các phần tử chính, vật liệu xây dựng và chức năng của chúng STT Phần tử Vật liệu Chức năng 1 Nhiên liệu , , Chất phân hạch 2 Chất làm chậm , , C, Be Giảm năng lượng của nơtron nhanh thành nơtron nhiệt 3 Chất tải nhiệt , , , He, Na Tải nhiệt làm mát lò 4 Thanh điều khiển Cd, B, Hf Điều khiển mức tăng giảm nơtron 5 Vành phản xạ Như các chất làm chậm Giảm mất mát nơtron 6 Thùng lò Fe & S/S Chịu áp lực và chứa toàn bộ vùng hoạt 7 Tường bảo vệ Bê tông, , Fe, Pb Bảo vệ chống bức xạ 8 Các vật cấu trúc Al, Fe, Zn, S/S Hỗ trợ các cấu trúc trong lò khác 1.2 Nhiên liệu: Nhiên liệu của nhà máy điện hạt nhân có thể là chất Uranium hoặc Plutonium.
Thường là U-230, U-233 hoặc Pu-239. Quy trình chế tạo thanh nhiên liệu như sau: Hình 1.3 Quy trình chế tạo thanh nhiên liệu Ban đầu quặng Uranium được khai thác từ các mỏ quặng trong tự nhiên rồi đem tinh chế và làm giàu để tạo thành U-235 là chất có khả năng phân hạch cho năng lượng tốt nhất và tiếp tục được chuyển hóa thành Ô-xít Urani dưới dạng chất bột màu đen. Chất bột này được ép rồi nung thành những viên dài 1cm, nặng khoảng 7gam. Các viên này được xếp lần lượt vào một ống kim loại, thường là các hộp Zircalloy 4 (Hợp kim của Zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron) dài khoảng 4 mét, bịt kín hai đầu tạo thành một thanh nhiên liệu (fuel rod).
Các thanh nhiên liệu lại được bó thành bó nhiên liệu (fuel assemply), rồi các bó nhiên liệu được đưa vào tâm lò phản ứng (reactor). Giữa các bó nhiên liệu có chừa khoảng trống để đặt các thanh điều khiển (control red). Các thanh nhiên liệu phải nằm trong lò từ 3-4 năm để thực hiện sự phân hạch cung cấp một lượng nhiệt năng đủ làm sôi một lượng nước rất lớn. Nguồn nước bốc hơi tại đây sẽ tạo ra một nguồn năng lượng rất lớn làm quay hệ thống turbine để phát điện.4 Các dạng thanh nhiên liệu thường được sử dụng 1.3 Thanh điều khiển: Những thanh này thường được làm từ chất Bo hoặc Cadimi có tính chất: có thể “bắt” được các neutron là tác nhân gây ra phản ứng hạt nhân dây chuyền (chain reactor).
Dùng thanh này người ta có thể kiểm soát được mức độ phản ứng cũng như có thể dừng hoàn toàn phản ứng trong lò. Thanh điều khiển có thể di chuyển lên cao hoặc xuống thấp gần các thanh nhiên liệu nhờ các nam châm điện (trong trường hợp khẩn cấp, người ta ngắt điện và các chất hấp thụ neutron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân).5 Các thanh điều khiển trong lò phản ứng hạt nhân 1.4 Chất làm chậm: Với chức năng làm giảm tốc độ các neutron sinh ra từ phản ứng phân hạch để dễ dàng tạo ra sự phân hạch tiếp theo. Các chất làm giảm tốc độ neutron được gọi là chất làm chậm. Các chất làm chậm phải có các tính chất sau: - Hấp thu neutron hiệu quả.
- Giảm tốc độ của neutron với hiệu suất cao. Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường là những nguyên tố có số nguyên tử nhỏ. Các loại chất làm chậm thông thường: - Nước nhẹ (nước thông thường) có hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng có nhược điểm là hấp thụ neutron một cách lãng phí. - Nước nặng ( ) cũng có hiệu suất làm chậm rất tốt do không hấp thụ neutron một cách lãng phí nên đây có thể nói đây là chất giảm tốc lý tưởng nhưng giá thành rất cao và khó điều chế.
- Than chì (Graphite) tuy hiệu suất làm chậm thấp nhưng lại ít hấp thụ neutron và giá tương đối rẻ. Thế nhưng hiện nay chất làm chậm phổ biến nhất vẫn là nước nhẹ 1.5 Chất phản xạ: Chất này hấp thụ nhiệt năng từ vùng phản ứng và truyền ra bên ngoài. Chất truyền nhiệt có thể chạy trong các ống áp lực, hoặc trực tiếp chạy qua vùng phản ứng. Chất truyền nhiệt thông thường được sử dụng là nước.
Tùy vào loại lò mà chất tải nhiệt có thể là nước nhẹ, nước nặng hoặc khí. Lò phản ứng nước nhẹ dùng chất tải nhiệt là nước nhẹ, lò nước nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng, còn lò khí thì dùng chất tải nhiệt là khí hoặc Heli và lò tái sinh nhanh thì dùng chất tải nhiệt là Natri. Thông thường để đảm bảo an toàn, trong nhà máy điện hạt nhân sử dụng 2 đến 3 vòng truyền nhiệt để truyền nhiệt năng từ tâm lò phản ứng đến bộ phận tạo hơi. Vòng truyền nhiệt sơ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng phản ứng, nhận năng lượng sinh ra từ phản ứng dây chuyền, đi đến bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt năng nó mang theo cho vòng truyền nhiệt thứ hai.
Chất dẫn nhiệt của vòng sơ cấp là nước, nước nặng, khí gas hoặc kim loại lỏng tùy thuộc vào cấu tạo lò phản ứng hạt nhân. Vòng truyền nhiệt thứ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng trao đổi nhiệt với vòng truyền nhiệt thứ nhất, nhận nhiệt năng sau đó đem lượng nhiệt ấy đến bộ phận tạo hơi nước làm quay turbine. Trong một số lò phản ứng hạt nhân, để đảm bảo an toàn, có thể có hai vòng thứ cấp. Chất dẫn nhiệt của vòng thứ cấp thường là nước.6 Thùng lò: Thường làm bằng Fe và S.
Có nhiệm vụ chịu áp lực, chứa toàn bộ vùng phản ứng và làm giảm cường độ các tia phóng xạ đến mức cho phép.7 Tường bảo vệ và các vật cấu trúc khác: Thường là những lớp bê tông rất dày để ngăn cho phóng xạ không rò rỉ ra bên ngoài và bảo vệ các cấu trúc bên trong lò phản ứng. Lò phản ứng được phân loại theo nhiên liệu hạt nhân, chất làm chậm và chất tải nhiệt. Hiện nay công nghệ lò phát triển rất phong phú và đa dạng. Thực chất chỉ có ba loại là được công nhận là những công nghệ đã được kiểm chứng và được phát triển nhiều nhất đó là: - Lò nước nhẹ áp lực PWR - Lò nước sôi BWR - Lò nước nặng PHWR Bắt đầu từ năm 2000 trở lại đây, các nhà máy điện hạt nhân còn được phân chia theo các hệ sau: Thế hệ I: Các lò phản ứng nguyên mẫu Thế hệ II: Các nhà máy điện hạt nhân đã được xây dựng và đang vận hành Thế hệ III và : Các lò phản ứng tiên tiến Thế hệ IV: Thế hệ lò phản ứng tiếp theo Theo một bài báo về “Nhà máy điện hạt nhân” trên trang wed phanminhchanh.info đăng ngày 04/01/2011 đưa tin: “Một số nhà khoa học Mỹ cho biết, các lò phản ứng thế hệ IV của Mỹ sẽ được đưa ra thị trường vào khoảng năm 2030”.
Phản ứng phân hạch hạt nhân: 2.1 Khái niệm: Là một quá trình trong đó một hạt nhân của nguyên tố nặng phân chia thành hai hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn (gọi là mảnh vỡ) đồng thời phát ra 2-3 hạt neutron. Quá trình này xảy ra tự phát hoặc do tác động của một hạt neutron tự do.2 Nguyên lý phản ứng phân hạch: Khi một neutron bắn phá hạt nhân U-235, hạt nhân bị tách thành 2 hay nhiều hạt nhân nhẹ hơn kèm theo việc giải gióng năng lượng ở dạng động năng của các hạt, bức xạ gamma và phát ra 2 hoặc 3 neutron tự do. Các neutron tự do này sẽ tiếp tục bắn phá các hạt nhân ở gần đó, cứ thế sự phân hạch sẽ tạo thành một dây chuyền. Phần lớn các sản phẩm phân hạch đều có tính phóng xạ.1 Sơ đồ nguyên lý phản ứng phân hạch “Trên thực tế không phải mọi neutron sinh ra đều có thể gây ra sự phân hạch, bởi vì có nhiều neutron bị mất mát đi do nhiều nguyên nhân khác nhau: Do hấp thụ bởi các tạp chất trong nhên liệu hạt nhân (Trong khối Urani hoặc Plutoni…), hoặc bị hấp thụ mà không xảy ra phân hạch hoặc bay ra ngoài thể tích khối Urani hoặc (Plutoni)… Do vậy, nếu có phản ứng dây chuyền ta phải xét tới số neutron trung bình k còn lại sau mỗi phân hạch (còn gọi là hệ số nhân neutron).
- Nếu k< 1: dưới mức tới hạn, phản ứng dây chuyền không xảy ra. - Nếu k = 1: trạng thái tới hạn, phản ứng dây chuyền xảy ra với mật độ neutron không đổi. Đó là phản ứng dây chuyền điều khiển được xảy ra trong các lò phản ứng hạt nhân. - Nếu k > 1: vượt mức tới hạn, dòng neutron tăng liên tục theo thời gian, dẫn tới vụ nổ nguyên tử.
Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được.” Dựa vào nguyên lý trên, các chuyên gia trong lĩnh vực hạt nhân đã thiết kế hệ thống lò phản ứng sao cho có thể điều khiển được phản ứng dây chuyền.
