Công nghệ lò phản ứng hạt nhân

Công nghệ lò phản ứng hạt nhân Ngành điện hạt nhân (ĐHN) cho tới nay đã có lịch sử hơn 50 năm hình thành và phát triển. Tính đến tháng 5/2008, trên thế giới có 439 lò phản ứng hạt nhân năng lượng đang được vận hành tại 31 nước và lãnh thổ, chiếm khoảng 16% sản lượng điện toàn thế giới. Xu hướng phát triển công nghệ ĐHN Sự phát triển các lò năng lượng thương mại ngày nay hướng tới sự hoàn thiện các hệ thống an toàn. Trong những năm vừa qua, sự phát triển cũng hướng tới việc cải tiến công tác bảo trì và tăng độ tin cậy của hệ thống thiết bị bằng việc giảm bớt các thiết bị phức tạp, một trong những hướng đó là áp dụng các hệ thống an toàn thụ động. Một mặt khác, để cải thiện kinh tế thì công suất của một tổ máy ngày càng được tăng lên. Các nước hướng tới phát triển tổ máy với gam công suất lớn hiện nay ở mức 1600 Mwe. Các cách tiếp cận, giải pháp cho phát triển ĐHN hiện nay đều hướng tới việc giảm giá thành đầu tư, tăng tính cạnh tranh và nâng cao độ an toàn, như: Tiêu chuẩn hóa thiết kế cho mỗi loại để rút ngắn quá trình cấp phép, giảm chi phí đầu tư và thời gian xây dựng, thiết kế đơn giản hơn và vững chắc hơn làm chúng dễ vận hành và ổn định trong hệ thống có nhiều dao động… Một trạm điện hạt nhân thường gồm 4 phần chính : - Trung tâm lò phản ứng hạt nhân (reactor core), nơi xảy ra phản ứng phân hạch. - Máy phát điện chạy bằng hơi nước, nơi nhiệt sinh ra từ phân hạch hạt nhân được dùng để tạo hơi. - Turbine, dùng hơi nước làm quay nó để chạy máy phát điện. - Bộ phận ngưng tụ (condenser), làm lạnh hơi nước, chuyển nó trở lại thành pha lỏng. Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, thanh nguyên liệu, chất làm chậm, chất tải nhiệt… lò phản ứng hạt nhân có cấu tạo khác nhau. Ở phần trước, chúng ta đã biết cấu tạo chung của một lò phản ứng hạt nhân. Phần này chúng ta sẽ tìm hiểu cụ thể hơn về cấu tạo của một lò phản ứng hạt nhân. Lò phản ứng hạt nhân-Trái tim của nhà máy điện nguyên tử Một lò phản ứng hạt nhân có nhiều bộ phận khác nhau, nhưng quan trọng nhất là vùng phản ứng (hoạt động), nơi diễn ra các phản ứng dây truyền. Năng lượng tỏa ra từ phản ứng dây truyền được các chất dẫn nhiệt truyền ra ngoài. Để điều khiển các phản ứng dây truyền, người ta sử dụng hệ thống điều khiển và bảo vệ, hệ thống này được làm từ các vật liệu có khả năng hấp thụ các hạt notron cao (Bo, Cd).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 nơtron rơi vào tâm lò, làm ngừng phản ứng hạt nhân). Bao quanh vùng phản ứng là lớp vỏ bê tông dầy, được gọi là lớp vỏ bảo vệ sinh học, có nhiệm vụ làm giảm cường độ các tia phóng xạ đến mức độ cho phép. Giữa lớp vỏ bảo vệ sinh học và lớp vỏ của lò phản ứng hạt nhân, thường có thêm một lớp vỏ bảo vệ “nóng”, có nhiệm vụ giảm bớt cường độ các tia phóng xạ chiếu vào lớp bảo vệ sinh học. Hình 3-1. Cấu tạo lò phản ứng hạt nhân. 1- Lớp vỏ bảo vệ sinh học 2- Ống dẫn chất truyền nhiệt vào 3- Vỏ lò phản ứng hạt nhân 4- Ống dẫn chất truyền nhiệt ra 5 – Nắp lò phản ứng 6.7.8.9 – Hệ thống điều khiển phản ứng dây truyền 10 – Gá đỡ trên 11 – Vùng phản ứng (hoạt động) 12 – Thanh nhiên liệu 13 – Bộ phận làm mát lớp vỏ bảo vệ sinh học 14 – Gá đỡ dưới. Thanh nhiên liệu: Nguyên liệu thường được sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân là Uran-235, Uran-233, hoặc Plutoni-239. Phản ứng dây truyền được xẩy ra dưới tác động ban đầu của các notron. Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu Uran-235 nghèo, notron kích hoạt là các notron năng lượng thấp (notron chậm). Các lò phản ứng hạt nhân sử dụng Pu-239 hoặc Uran-235 giầu, thường sử dụng notron kích hoạt có năng lượng lớn (notron nhanh). Các lò phản ứng hạt nhân thông thường hiện nay, sử dụng nguyên liệu UO2 chứa 5% Uran-235. Thanh nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân được làm thành dạng viên Uranium oxide hình trụ, hình cầu, tấm… Chúng được xếp vào các hộp zircalloy 4 (hợp kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ nơtron). Phổ biến nhất là dạng hình trụ, tập hợp thành bó vuông gồm khoảng 200 thanh. Người ta còn chừa một số vị trí trong đó để đặt các thanh điều khiển. Các dạng thanh nhiên liệu thường sử dụng trong lò phản ứng hạt nhân. Chất làm chậm: Có nhiệm vụ làm giảm năng lượng của các hạt notron hình thành trong phản ứng dây truyền. Chất làm chậm thường sử dụng là nước H2O, nước nặng D2O hoặc graphite (than chì). Nước nặng có giá thành cao, nên chỉ sử dụng trong các lò phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu là Uran tự nhiên chưa qua làm giầu. Thông thường sử dụng nước làm chất làm chậm. Chất phản xạ: Có nhiệm vụ làm tăng số lượng các hạt notron trong vùng phản ứng, không cho các hạt notron bắn ra ngoài, và làm các hạt notron phân bố đều trong vùng phản ứng (hoạt động). Có thể kết hợp chất làm chậm và chất phản xạ (nước, graphite) hoặc có thể dùng Uran tự nhiên. Chất truyền nhiệt: Truyền nhiệt năng từ vùng phản ứng ra 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, khí gas, hoặc kim loại nóng chảy (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 truyền, đi đến bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt năng nó mang theo cho vòng truyền nhiệt thứ hai. Vòng truyền nhiệt thứ cấp: Chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng trao đổi nhiệt với vòng truyền nhiệt thứ nhất, nhận nhiệt năng đem đến bộ phận tạo hơi nước làm quay turbin. 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 sơ cấp là nước, nước nặng, khí gas… kim loại lỏng, tùy thuộc vào cấu tạo lò phản ứng hạt nhân. Chất dẫn nhiệt của vòng thứ cấp thường là nước. Thiết bị của các vòng truyền nhiệt sơ cấp được đặt trong một lớp vỏ bảo vệ sinh học. 2. Phân loại các lò phản ứng hạt nhân: Có nhiều cách phân loại lò phản ứng hạt nhân, dưới đây là cách phân loại phổ biến nhất, dựa vào các chất làm chậm và chất truyền nhiệt sử dụng trong lò phản ứng. Lò phản ứng nước – nước: Các thanh nhiên liệu được xếp trong hộp đặt trong vùng phản ứng. Nước vừa làm chất truyền nhiệt, vừa làm chất làm chậm. Nước làm chất truyền nhiệt được đưa vào bên trong lò phản ứng, chạy dọc theo vùng phản ứng từ dưới lên trên. Áp suất trong lò phản ứng nước – nước khoảng 1-2MPa. Lò nước áp lực tạo hơi gián tiếp: Chất tải nhiệt vòng sơ cấp, được giữ ở trạng thái lỏng dưới áp suất cao, mang nhiệt từ lò hạt nhân tới thiết bị sinh hơi, tại đây diễn ra trao đổi nhiệt với vòng thứ cấp và hơi được tạo ra rồi dẫn tới turbin. Lò nước sôi sinh hơi trực tiếp bằng cách làm sôi chất tải nhiệt trong lò. Hơi được tách ra khỏi chất lỏng trong một thiết bị phân tách đặt phía trên vùng hoạt động, sau đó được đưa tới turbin. Lò phản ứng graphite: Graphite được sử dụng làm chất làm chậm, chất truyền nhiệt trong lò phản ứng graphite có thể là nước nhẹ, nước nặng, gas, hoặc kim loại nóng chẩy. Các thanh nhiên liệu được xếp trong các ống dẫn cùng các chất truyền nhiệt. Bao quanh các ống dẫn là graphite. Ở nhiệt độ cao, graphite xẩy ra phản ứng với không khí, do đó chất làm chậm graphite được xếp vào trong các hộp kín làm bằng kim loại. Lớp bảo vệ sinh học được làm bằng bê tông dầy, khí trơ Heli hoặc CO2 bơm vào bên trong lò phản ứng. Cấu tạo lò phản ứng graphite – РБМК -1000 1. Vùng phản ứng (hoạt động). 2. Ống dẫn hơi nước. 3. Bộ phân tách hơi nước. 4. Bơm chính. 5. Cổ góp điện. 6. Ống dẫn nước làm chất truyền nhiệt. 7. Lớp bảo vệ sinh học phía trên. 8. Hệ thống khởi động lò. 9. Lớp bảo vệ sinh học phía dưới Lò phản ứng sử dụng notron kích hoạt năng lượng lớn (notron nhanh): Nguyên liệu sử dụng trong lò là hỗn hợp U235 và Pu239 được làm giầu (15%). Phản ứng dây truyền xẩy ra dưới tác động kích hoạt của các notron nhanh. Bao quanh vùng phản ứng là các tấm U238 hoặc Th232 có nhiệm vụ hấp thu toàn bộ các hạt notron nhanh, còn gọi là vùng tái sinh nguyên liệu. Các tấm U238 và Th232 khi hấp thụ notron sẽ trở thành Pu239, U233, nó sẽ tách ra trong quá trình tái chế. Trong lò phản ứng sử dụng notron nhanh kích hoạt, không cần dùng chất làm chậm notron. kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt. Lò phản ứng sử dụng notron nhanh kích hoạt không cần chất làm chậm, sử dụng các thanh nguyên liệu được làm giầu, và sắp xếp gần nhau, nên nhiệt lượng tỏa ra rất lớn (1000 kW/l), do đó công suất của loại lò phản ứng này lớn. Chất truyền nhiệt phải có khả năng trao đổi nhiệt nhanh, thường được sử dụng là kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt. Cũng do sử dụng nguyên liệu là các thanh Uran được làm giầu nên mức độ an toàn cũng thấp hơn các loại lò khác. Cấu tạo lò phản ứng dùng notron nhanh kích hoạt 1.Vỏ bảo vệ sinh học 2.Vò lò phản ứng 3.Bơm của vòng tải nhiệt thứ nhất 4.Động cơ bơm 5.Nút xoay 7.Thùng trao đổi nhiệt cho vòng tải nhiệt thứ hai. 8.Hệ thống điều khiển phản ứng dây truyền 9.Vùng phản ứng (hoạt động) Lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng tải nhiệt bằng khí gas, với graphite làm chất làm chậm. Loại lò này vẫn chưa được vận hành thương mại, là một phương án thay thế cho thiết kế thông thường. Nó dùng graphite là chất làm chậm và khí helium là chất tải nhiệt. Đặc điểm nổi bật của HTGR là có độ an toàn cao. Nhiên liệu của chúng được bọc trong lớp vỏ gốm chịu được nhiệt độ trên 1.600oC trong khi nhiệt độ làm việc hiệu quả của lò là 95 độ C. Helium được dẫn trực tiếp tới turbin. Ngoài ra, còn có một số lò cải tiến khác với tính năng làm việc, độ an toàn và tuổi thọ được nâng lên đang trong quá trình xin cấp phép ở một số nước và có thể được xây dựng vào năm 2010. Các loại lò phản ứng hạt nhân được dùng phổ biến trên thế giới Ngày nay, công nghệ lò phản ứng hạt nhân phát triển rất phong phú và đa dạng. Hiện có trên 10 loại lò đang được sử dụng, nghiên cứu phát triển. Lò nước nhe: (bao gồm cả lò nước sôi - BWR và lò nước áp lực - PWR): Đóng vai trò chủ đạo, chiếm tỷ trọng lớn tại nhiều nước có ĐHN. Đây là công nghệ không những đã được phát triển, hoàn thiện và thương mại hóa rộng rãi trên thế giới mà còn là công nghệ tiềm năng cho những cải tiến mạnh mẽ trong tương lai gần. Các lò nước nhẹ công suất lớn đang được nâng cấp thành các lò cải tiến với công suất lớn hơn. Lò nước nặng: Bắt đầu phát triển từ Canada, cho đến nay công nghệ lò này cũng được áp dụng tại nhiều nước, đặc biệt một số nước bắt đầu phát triển công nghệ hạt nhân từ kiểu nước nặng như Trung Quốc, Ấn Độ chú trọng phát triển lò nước nặng và đã tự chủ trong công nghệ này. Gần đây nhất, Rumani đã nhập công nghệ này và xây dựng hai tổ máy. Lò nước nặng có chu trình nhiên liệu linh hoạt, có thể sử dụng urani tự nhiên, urani có độ giàu thấp hoàn nguyên từ tái chế nhiên liệu đã cháy của PWR, nhiên liệu oxide hỗn hợp, thorium. Lò khí nhiệt độ cao: Được phát triển ở Mỹ, Anh và Tây Đức, lò này sử dụng Graphit làm chậm nơtron, heli làm chất tải nhiệt và nhiên liệu là viên urani-thorium có độ giàu cao được bao bọc bởi graphit. Tuy nhiên, công nghệ lò khí hiện nay dường như chững lại. Các hướng nghiên cứu phát triển tập trung vào lò khí nhiệt độ cao, lò tầng cuội kiểu nhiên liệu viên tròn với vỏ bọc Graphite. Một khả năng lớn cho việc ứng dụng lò khí là dùng để sản xuất Hydro cho pin nhiên liệu. Lò nơron nhanh: Sử dụng urani hoặc plutoni có độ giàu cao làm nhiên liệu, vùng hoạt được bao bọc xung quanh bởi urani tự nhiên và kim loại lỏng được dùng làm chất tải nhiệt. Tổ máy dùng lò nơtron nhanh có 3 vòng tuần hoàn, vòng 1 qua vùng hoạt, vòng 2 qua trung gian và vòng 3 là vòng của chất sinh công, qua tuốc bin. Hệ lò dùng máy gia tốc: Một phát triển gần đây là kết hợp công nghệ lò phân hạch và máy gia tốc để phát điện và chuyển hóa các đồng vị sống lâu trong chất thải phóng xạ. Chùm proton năng lượng cao đập vào bia kim loại nặng làm sản sinh nơtron. Tên và kí hiệu các loại lò phản ứng thông dụng trên thế giới ABWR - Lò nước sôi cải tiến AGR - Lò cải tiến, dùng graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt. BWR - Lò nước sôi FBR - Lò phản ứng sử dụng notron kích họat năng lượng lớn (notron nhanh) GCR - Lò phản ứng dùng graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt. HTGR - Lò nhiệt độ cao, tải nhiệt bằng khí gas, với graphite làm chất làm chậm. HWGCR - Lò phản ứng dùng nước nặng làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt. HWLWR - Lò phản ứng dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt, nước nặng làm chất làm chậm. РБМК - Lò phản ứng dùng graphite làm chất làm chậm, nước nhẹ làm chất dẫn nhiệt. PHWR - Lò phản ứng áp lực, dùng nước nặng làm chất dẫn nhiệt và làm chậm PWR - Lò phản ứng áp lực, dùng nước nhẹ làm chất truyền nhiệt. SGHWR - Lò phản dùng nước nặng làm chất truyền nhiệt ВВЭР - Lò phản ứng nước-nước (kiểu Nga, tương đương lò PWR)