Bài giảng điện nguyên tử chương 4 lò phản ứng hạt nhân

LỊ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 4.1 Lịch sử lị phản ứng hạt nhân Lò phản ứng hệ I đời đầu thập niên 50, nhiên chúng bị đào thải - Thế hệ thứ II đời vào đầu thập niên 70 - Thế hệ thứ III, vào thập niên 90 - Thế hệ thứ IV chuẩn bị với nhiều hy vọng trở thành cơng nghệ tồn hảo làm giả hiểu tối đa hiệu ứng nhà kính qua việc thải khí CO2, hực an tồn lao động vận hành loại lò 4.1.1 Lò phản ứng hệ I Lò phản ứng có tên Magnox nhà vật lý n Anh sáng chế Ts Ion, Ts Khalit, Ts Magwood Lò Magnox sử dụng nguyên liệu ur rong thiên nhiên có 0,7% chất đồ U-235 99,2% U-238 238 Nguyên tắc vận hành Nguyên tắc vận hành tóm tắt sau: C kim loại urani bao bọc lớp hợp kim g m magiê Một lớp than graphit đặt nằm ống u ợp kim có mục đích làm chậm bớt vận tốc phón h nơtron phân hạch U-235 U Từ nơtron t a chạm mạnh với hạt nhân U-235 U để phản ứ chuyền liên tục xảy Để điều khiển vận tốc phản ứ chuyền chặn đứng phản ứng, lò Magnox sử dụ loại thép đặc biệt Nó có tính chất hấp thụ nơtro ó thể điều khiển phản ứng theo ý muốn Có 26 lị Ma 4.1.2 Lị phản ứng hệ II Loại lò đời vào thập niên 70, chiếm đ c lò hoạt động giới Từ ban đầu, 60% áp dụng nguyên lý lò áp lực PWR, Nhưng d n thay lị nước sơi BWR Nhiên liệu s ng cho lò hợp chất urani đioxit hợp kim nà ợc bọc ống cấu tạo kim loại zirconi ani 235 làm giàu từ 0,7% đến 3,5% Một kh ệt nước đun sôi chuyển qua h ống làm tăng áp suất Như vậy, phương pháp ắn tiến trình tạo nhiệt nước truyền nhiệt 4.1.3 Lò phản ứng hệ III Kể từ cuối thập niên 80, hệ III bắt đầu nghi u với nhiều cải tiến từ lò phản ứng loại BWR II Năm 1996 Nhật có loại lị Hiện y sử dụng nhiều quốc gia giới ời gian xây dựng tương đối ngắn ( xây khoả m) chi phí giảm so với lò thuộc hệ tr ơn nữa, việc vận hành bảo dưỡng loại lò n ơng đối đơn giản an toàn 4.1.4 Lò phản ứng hệ IV ác nhà khoa học tiến dần đến việc xây dựng c nhân hệ IV, hệ thống an tồn sÏ hồn to g, khơng cịn có việc phát thải khí CO2 Thế hệ IV ợc gọi “lị phản ứng cách mạng" Thế hệ dù kiÕ ợc ứng dụng vào năm 2030 thỏa mãn nhữn n sau: + Giá thành cho điện rẻ tại; + Độ an toàn cao nên xem an tồn 100%; 4.2 ĐK trì phản ứng dây chuyền 4.2.1 ĐK tới hạn phản ứng dây chuyền hi ta truyền cho hạt nhân lượng đủ lớn, hạ n vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ N ng cần thiết, nhỏ để làm hạt nhân phân chia đư lượng kích hoạt Năng lượng kích hoạt g cho hai phần: phần truyền cho nuclon riên bên hạt nhân tạo dạng chuyển động nộ phần dùng để kích thích chuyển động tập thể to hạt nhân, gây biến dạng làm hạt nhân vỡ phản ứng hạt nhân nh diễn lị phản ứng chạy bằn on chậm U235 là: 0n1 + 92U235  A + B + n' và: 0n1 + 92U235  92U236 +  g A B hai hạt nhân n nhẹ h U235 gọi mảnh phâ h ể lò đạt trạng tháii tới hạn tức trạng thái th mà phản chuyền tự trì phải có cân c xác số số nơtron tron xuất phân ph hạch ĐK trì phản ứng dây chuyền 2.1 ĐK tới hạn phản ứng dây chuyền rani thiên nhiên có chứa đồng vị U238 0,7% U235 Hạt nhân U238 bị vỡ hấp on nhanh (có ớn MeV) Khi hấp chậm U238 biến u239 Trái lại, hạt nhân ẽ bị vỡ hấp thụ chậm nơtron nhanh Tuy ác suất hấp thụ nơtron hạt nhân U235 lớn Phản ứng dây chuyền 4.2 ĐK trì phản ứng dây chuyền 4.2.1 ĐK tới hạn phản ứng dây chuyền Quá trình thực nghiệm cho kết hạt nh 5, Pu239 U233 bị vỡ hấp thụ nơtron nhiệ g lượng nhỏ từ 0,10,001 0,001 eV), U238 Th232 ấp thụ nơtron nhanh (NL lớn MeV) Khi hấp thụ nơtron, hạt nhân ZXA biến thành h +1 trạng thái kích thích có mức lượng cao hơ ản Năng lượng kích thích tổng động g liên kết nơtron hạt nhân Nếu thích lớn lượng kích hoạt q trình phâ ảy Nếu ngược lại hạt nhân chuyển tr 250oC Trao đổi nhiệt 17,7Mpa 530oC, Tua bin,máy phát Nước 35oC ~25o bơm Quạt thổi Bình ngưng b 4.6.2 Lị nước nặng Lò nước nặng lò phản ứng sử dụng nước nặng chất làm chậm Loại lò chủ yếu phát triển Cana So với nước nhẹ, nước nặng hấp thụ nơtron n sử dụng urani tự nhiên làm nhiên liệu Tuy nhiên giá thành nước nặng cao, khó chế Lị phản ứng 4.6.3 Lò nước nhẹ PWR Lò nước nhẹ lò phản ứng sử dụng nước nhẹ làm m chậm chất tải nhiệt Có hai loại lị nước nhẹ Pressurized Water Reactor - Lò nước áp lực) BWR Boiling Water Reactor - Lị nước sơi ) PWR phát triển cho mục đích quân sự, ví dụ : tạo sức đẩy cho tàu thuyền đặc biệt l ụng cho tàu ngầm Hệ thống thứ lị phản ứn ược thiết kế khơng làm sôi nước mà truyền nhiệt san ống thứ để tạo nước, nước làm qua 4.6.3 Lò nước nhẹ BWR BWR từ đầu phát triển cho mục đích ình phát điện Nước làm sơi hệ thống hất lị phản ứng dùng nước làm quay uabin, tuabin bị nhiễm xạ vận hành Nhưn o khơng có hệ thống thứ nên cấu tạo lị đơn giản Urani tự nhiên sử dụng làm nhiên liệu ch ước nhẹ Nhiên liệu sử dụng dạng oxit urani làm g 4.6.4 Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh uyên lý lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh sử dụng nhiên liệu plutoni P phân hạch nơtron tốc độ cao có khoảng nơtron mớ h Số lượng nơtron sinh lần phân hạch nhiề u sử dụng khéo nơtron tạo lượng plutoni nhiều lượng plutoni đốt cháy ghĩa việc phát triển lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh với trường hợp sử dụng lần nhiên liệu urani lò nước dụng nhiều lần lò tái sinh nhanh thu lượn n 50 lần Số năm khai thác urani sử dụng lò nước nhẹ .6.4 Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh c Cơ chế hoạt động lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh Vì lị hạt nhân tái sinh nhanh sử dụng notron nhanh nên khô cần chất làm chậm Chất tải nhiệt natri Vì Na có phản ứng tiếp xúc với khơng khí nên bề mặt Na cần phủ bằn trừ khí argon Tính kinh tế lị hạt nhân tái sinh Chi phí lị hạt nhân tái sinh nhanh gấp từ 1,5 đến lần s lò nước nhẹ Hiện kinh tế chưa thể cạnh tranh với lị nước nhẹ tương lai, nguồn tài nguyên urani dần, giá urani tăng lên, có lẽ lị tái sinh nhanh c Đánh giá mức độ nguy hiểm chất thải rong thực tế chất thải số dạng phát điện dùn ệt phát tán thẳng vào môi trường nên đáng sợ với chất thải nhà máy phát điện hạt nhân, chấ a nhà máy phát điện hạt nhân có số lượng nhỏ, lại q ợc Thí dụ so sánh: Một nhà máy nhiệt điện chạy than có cơng suất W, năm thải 320.000 tro bụi, có m loại nặng, hít vào người nguy hại Xỉ than n y có lượng phóng xạ cao nhiều so với mứ Đánh giá mức độ nguy hiểm chất thải máy điện hạt nhân có hai dạng chất thải Dạng thải phóng xạ thấp (phát sinh từ phin lọc lò phản ác dụng cụ thay ), có thời gian bán rã ngắn, dài 30 nă ý, người ta bê tơng hóa chúng, đóng vào container nhỏ n xuống đất Sau thời gian, chúng trở lại trạng thái an t lò 1.000 MW năm thải khoảng 800 chất thải loại lại khoảng 10 mét khối Nhiên liệu cháy loại chất thải đáng lo ngại nhất Một lò khoảng 30 năm Chúng có cường độ phóng xạ cao gian bán rã lâu Song, từ nhiên liệu thải cho đ xử lý phải 40-50 50 năm Như vậy, Việt Nam vận hành n n hạt nhân vào năm 2020, phải đến năm 2070, mớ đến việc Đến lúc chắn cơng nghệ xử lý chất thải Lò phản ứng hạt nhân Việt Nam ệt Nam có Viện Năng lượng nguyên tử Đ ây lò phản ứng hạt nhân ta có ại lị nghiên cứu, chạy urani - 235 làm giầu, chấ ậm nước thường, tải nhiệt trình đối lưu iên, có ba chức a Đào tạo cán cho ngành hạt nhân b Nghiên cứu phản ứng hạt nhân, nghiên c ng ngành khoa học, kỹ thuật y tế, côn hiệp, nông nghiệp, sinh học v.v c Sản xuất số đồng vị pháng xạ cung cấp cho u nước để chẩn đóan điều trị ngành y hu cầu điện tương lai Việt Nam Nghiên cứu Viện lượng nguyên tử ho thấy, nhu cầu điện nước ta tăng 7% năm (trong năm gần đây) Cứ đà nà iệt Nam nhanh chóng bị thiếu điện, đến ăm 2017-2020 2020 cần có nhà máy điện hạt nh ể đáp ứng nhu cầu Hiện nước Đôn am Á, có Indonesia Việt Nam thú ẩy phát triển điện hạt nhân Nhu cầu điện Việt Nam Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam cho biết áo khoảng 10 năm nữa, Việt Nam thiếu lượng s dầu ) Việt Nam từ nước xuất dầu trở thành nướ hẩu mặt hàng này, cộng với việc tăng nhu cầu sử dụng điện s ếu điện nghiêm trọng tính đến năm 2020, dù có áp dụng biện pháp tiết kiệm, nh Việt Nam lên đến 200-230 230 tỷ KW/h, lượng điện nguồn lượng sơ cấp đáp ứng khoảng 165 tỷ K ng điện thiếu hụt cần phải bổ sung cách nhập ớc láng giềng với lượng không đáng kể sử dụng điện n nh vậy, việc đời nhà máy điện hạt nhân vào năm 2020 Chương trình xây dựng nhà máy điện hạt nhân Việt N kinh nghiệm nhiều nước có nhà máy điện hạt nhân, q t cơng trình tương tự khoảng 13-15 13 năm nh Hải, huyện Ninh Hải, tỉnh Ninh Thuận chọn ện nguyên tử nước ta Dự kiến nhà máy bắt đầu đư năm 2012, để đến năm 2020 hịa điện lưới quốc gia ứng có công suất tổng cộng 2.000 MW c mắt, nhà máy điện hạt nhân có tổ máy (mỗi lò MW), với vốn đầu tư khoảng tỷ USD, sau bổ sung ị cho nhà máy nhập Các lò phản ứng nội địa hóa, mà nhiên liệu