tiểu luận môn học nhà máy điện nguyên tử đề tài tìm hiểu các thành phần chính nhà máy điện nguyên tử

Như vậy khi Lò phản ứng đang vận hành thì trong tâm lòphản ứng thường có từ 80 – 100 tấn Uranium.Thanh nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân được làm thành dạng viên Uraniumoxide hình

KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ



BÁO CÁO TIỂU LUẬN

MÔN HỌC: NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ

ĐỀ TÀI : TÌM HIỂU CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH

NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ

GVHD : Huỳnh Châu Duy HVTH : Nguyễn Văn Khôi MSHV : 7140415

MỤC LỤC

I: TỔNG QUAN 2

II: CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ 5

2 1 Hệ thống phản ứng hạt nhân………6

2 2 Hệ thống tạo hơi làm mát………12

2 3 Hệ thống tuabin và máy phát điện ………13

2 4 Kho chứa nhiên liệu ………13

2 5 Nhà máy làm giàu nhiên liệu ………13

2 6 Hệ thống điện ……….………15

2 7 Hệ thống an toàn ………15

2 8 Hệ thống xử lý chất thải hạt nhân ………16

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Được ra đời và phát từ những năm 1950 đến nay trên toàn cầu có 645 lò phản ứng hạt nhân đang vận hành, lượng điện phát điện hạt nhân chiếm 17% sản lượng điện toàn cầu; có khoảng 65 tổ máy điện hạt nhân đang tiến hành xây dựng và tiếp tục gia tăng do sự cạn kiệt của các dạng năng lượng truyền thống (thủy năng than, dầu khí…) đặc biệt là ở các nước đang phát triển với tốc độ bình quân khoarg 4,7% trong suốt thời kỳ dự báo

Các quốc gia có nhiều tổ máy điện hạt nhân nhất: Mỹ 131 tổ máy, Pháp 71, Nhật Bản 62, Nga 48, Trung Quốc 46, Anh 45, Đức 36, Hàn Quốc 27, Ấn Độ

27, Canada 25, Ukraine 21 Châu Á đang là khu vực có nhịp độ phát triển điện hạt nhân cao nhất

Để đáp ứng nhu cầu của thế kỷ 21, hiện nay nhiều loại lò đang được nghiên cứu thiết kế với mục tiêu tăng tính kinh tế, nâng cao độ an toàn và giải quyết vấn đề bãi thải hoạt độ cao sống dài ngày

Cho đến nay, thực chất chỉ mới có ba loại được công nhận là những công nghệ đã được kiểm chứng và được phát triển nhiều nhất, đó là PWR, BWR và PHWR Tỷ phần số lượng lò của các loại công nghệ như sau: Lò phản ứng nước

áp lực: 60% (Pressurired Water Reactor - PWR+VVER), kế theo đó là Lò phản ứng nước sôi: 21% (Boiling Water Reactor - BWR), và cuối cùng là Lò nước năng kiểu CANDU: 7% (Pressurired Heavy Water Reactor - PHWR), phần còn lại là các loại lò khác

Các khoa học gia quốc tế đã khẳng định: ”dù đang phải đối mặt với nhiều thách thức, nhưng công nghệ điện hạt nhân vẫn là một lựa chọn quan trọng của thế kỷ 21” Sở dĩ như vậy là vì năng lượng nó tạo ra là rất lớn và thân thiện với môi trường: 8g Urani phân hạch tương đương năng lượng với 900m3 khí tự nhiên, 700 lít dầu và 4 tấn than đá

II CÁC THÀNH PHẦN CHÍNH NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ

Mỗi loại lò phản ứng khác nhau có đặc điểm thiết kế, vận hành, và điều khiển tương đối khác nhau Nhưng về tổng quan, các thành phần chính của các nhà máy điện nguyên tử bao gồm như sau:

1 Hệ thống phản ứng hạt nhân

- Tâm lò phản ứng

- Nhiên liệu

- Hệ thống tải nhiệt

- Hệ thống trao đổi nhiệt sơ cấp

- Vỏ bảo vệ

2 Hệ thống tạo hơi, làm mát

- Hệ thống trao đổi nhiệt thứ cấp

- Tháp giải nhiệt

3 Hệ thống tuabin và máy phát điện

4 Kho chứa nhiên liệu

5 Nhà máy làm giàu nhiên liệu

6 Hệ thống điện

7 Hệ thống an toàn

8 Hệ thống xử lý chất thải hạt nhân

Hình 2: Sơ đồ cấu tạo nhà máy điện hạt nhân công nghệ lò phản ứng áp suất cao

PWR (Pressurized water reactor)

1 Thùng lò phản ứng 2 Bộ phận chứa nhiên liệu 3 Thanh điều khiển

4 Lái thanh điều khiển 5 Bình tạo áp 6.Bộ phận sinh hơi

7 Bơm tuần hoàn chính 8 Hơi nước tinh khiết 9 Nước cấp

10.Tuabin cao áp 11 Tuabin thấp áp 12 Máy phát

13 Kích từ 14 Bình ngưng 15 Nước làm mát

16 Bơm nước cấp 17 Hâm nước cấp 18 Thành chắn

bêtông

Hình 3: Sơ đồ cấu tạo nhà máy điện hạt nhân công nghệ lò phản ứng nước sôi

(Boiling Water Reactor – BWR)

Hình 4: Sơ đồ cấu tạo lò phản ứng (CANDU) nước nặng áp suất cao

(Pressurized Heavy Water Reactor – PHWR)

Hệ thống phản ứng hạt nhân

a Nhiên liệu hạt nhân:

- Lò PWR: Sử dụng nhiên liệu Uranium U235 được làm giàu khoảng 3.2% Một Lò

phản ứng PWR có từ 150 – 250 Khối nhiên liệu, mỗi Khối nhiên liệu có từ 200 – 300 viên nhiên liệu trong nó Như vậy khi Lò phản ứng đang vận hành thì trong tâm lò phản ứng thường có từ 80 – 100 tấn Uranium

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)

Hình 5: Bó thanh nhiên liệu lò phản ứng PWR

- Lò BWR:

Lò BWR sử dụng nhiên liệu là U2O được làm giàu 2.0 đến 2.7%

Hình 6: Bó thanh nhiên liệu lò phản ứng BWR

- Một bó nhiên liệu của một lò BWR bao gồm 74 đến 100 thanh nhiên liệu.

- Tâm lò chứa khoảng 800 bó nhiên liệu chứa khoảng 140 tấn Uranium được làm giàu (Số lượng bó nhiên liệu trong tâm lò phụ thuộc vào công suất ngõ ra thiết

kế, kích thước lò phản ứng, mật độ công suất lò)

- Chu kỳ nạp nhiên liệu từ 18 đến 24 tháng với khoảng 1/3 bó nhiên liệu được thay thế trong quá trình nạp nhiên liệu Các thanh nhiên liệu còn lại được sắp xếp ngẫu nhiên ở vị trí mới trong tâm lò để tối ưu hóa hiệu suất và công suất tạo

ra trong chu trình thay nhiên liệu kế tiếp

- Lò CANDU:

Hình 7: Bột Uranium dioxit

Hình 8: Bó thanh nhiên liệu lò phản ứng Candu

b Chất làm chậm:

- Lò PWR: Axit boric hòa tan trong nước nhẹ.

- Lò BWR: Axit boric hòa tan trong nước nhẹ.

- Lò CANDU:

Hình 9: Nước nặng D2O

c Chất tải nhiệt:

Chất thu nhiệt sinh ra trong lò phản ứng và chuyển ra bên ngoài gọi là chất tải nhiệt

Lò phản ứng nước nhẹ dùng chất tải nhiệt là nước nhẹ; Lò phản ứng nước nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng; còn lò khí thì sử dụng chất tải nhiệt là khí CO2 hoặc heli và

lò tái sinh nhanh thì sử dụng chất tải nhiệt là natri

- Lò PWR: Nước nhẹ.

- Lò BWR: Nước nhẹ.

- Lò CANDU: Nước nhẹ

d Chất điều khiển lò phản ứng:

Chất điều khiển có tác dụng điều chỉnh công suất của lò phản ứng (tốc độ phản ứng phân hạch) và có khả năng hấp thụ nơtron

Muốn giảm tốc độ phản ứng thì đưa sâu chất điều khiển vào trong tâm lò và ng-ược lại muốn tăng tốc độ phản ứng thì đa chất điều khiển ra xa

Chất điều khiển đợc sử dụng phổ biến là boron hoặc cadimi

e Thùng lò (vỏ lò) - Toàn nhà lò (contaiment building):

- Vỏ lò và nắp lò trong khi lò làm việc chịu tác dụng của các ứng suất cơ học do

áp suất thừa trong lò, do tải lượng nhiệt trong các chế độ nhiệt dừng và không dừng, lại còn luôn luôn bị sự chiếu xạ nơtron nên phải có tính bền cao đối với độ đàn hồi lớn Chịu sự chiếu xạ nơtron trong toàn bộ thời gian lò hoạt động (tới 30 năm) không được gây ra một sự gẫy nứt nào, do đó phải rất bền đối với phóng xạ, không bị rỉ, vì chỉ cần một chỗ bị rỉ là có thể làm xuất hiện nơi tập trung các ứng suất

Thông thường được chế tạo bằng Fe&S/S

Thùng lò (hay còn gọi là vỏ lò) là bộ phận cốt lõi của lò phản ứng, là một kết cấu có thể chịu được áp lực, chứa vùng phản ứng và chất tải nhiệt Trong các loại lò chủ yếu, PWR là lò duy nhất có thùng lò chịu được sự chiếu xạ của nơtron một cách đáng kể

Do đó thùng lò trong hệ thống PWR có thể trở nên dễ vỡ sau một thời gian vận hành

Vì vậy, mặc dù loại thùng lò này có chi phí chế tạo cao hơn do kích thước lớn nhưng

nó có ưu điểm là không cần xử lý nhiệt để kéo dài tuổi thọ Thùng lò (H.9) gồm hai bộ phận chính: thân thùng và đầu thùng Thân thùng lò là bộ phận lớn nhất được thiết kế

để chứa chất tải nhiệt và bộ lắp ráp thanh nhiên liệu Thân thùng lò thường có hình dạng là hình trụ hoặc hình quả bầu lớn, được mở phía trên đỉnh để cho phép nạp thanh

Hình 9: Dạng thùng lò phản ứng PWR Thùng lò phản ứng được xây dựng từ thép mangan, và tất cả các bề mặt tiếp xúc với nước làm mát lò phản ứng được mạ thép không gỉ để tăng sức đề kháng ăn mòn

Về phía dưới cùng của thùng lõi, có một tấm hỗ trợ cốt lõi thấp hơn mà các bó thanh nhiên liệu ngồi Ở bên ngoài của thùng lõi sẽ được lắp các mẫu chiếu xạ, trong đó các mẫu vật liệu sử dụng để sản xuất các thùng sẽ được đặt vào Ứng với khoảng thời gian định kỳ, một số mẫu sẽ được gỡ bỏ và thử nghiệm để xem bức xạ từ nhiên liệu đã ảnh hưởng đến sức mạnh của vật liệu như thế nào

Ngoài các bộ phận chính của thùng/vỏ lò chịu áp nêu trên, các phần khác được lắp đặt trong thùng lò là bộ lắp ráp thanh nhiên liệu và vành phản xạ Mục đích của vành phản

xạ là bảo vệ cho thùng lò không bị phá hủy do nơtron nhanh gây ra

Thùng lò được thiết kế để làm việc trong một thời gian dài từ 40 đến 60 năm

- Toàn nhà lò (contaiment building):

Đối với một lò áp lực, tòa nhà lò là một khốí thống nhất bao bọc các bộ sinh hơi

và bình điều áp Hình dạng điển hình của tòa nhà lò trong PWR là hình trụ hoặc hình vòm Kích cỡ của tòa nhà lò trong PWR thường lớn hơn so với BWR (lớn gấp 10 lần) với mục đích là để đảm bảo chứa một khối hỗn hợp hơi-khí xuất phát từ sự cố mất chất tải nhiệt và hạn chế áp suất cuối cùng đạt được trong tòa nhà lò

PWR thế hệ trước hầu hết có hình dạng tòa nhà lò giống hình trụ (H.6) với vật liệu là

bê tông cốt thép Thiết kế hợp lý nhất để chứa một áp suất lớn là tòa nhà hình cầu Các thiết kế tòa nhà lò của PWR nhiều nhất hiện nay là kết hợp hai hình dạng (H.7): phần dưới là hình trụ, phần trên là nửa hình cầu Các thiết kế hiện đại cũng có xu hướng sử

này dựa trên mục đích là lớp bê tông ngoài sẽ ngăn cản các vật từ trong lò phản ứng không phóng được ra ngoài, còn lớp thép trong có khả năng giữ áp suất

H 10: Tòa nhà lò của lò phản ứng hạt nhân

Hệ thống tạo hơi, làm mát

Là một thành phần cần thiết, quan trọng và thiết yếu trong nhà máy điện hạt nhân với

lò PWR Nhiên liệu hạt nhân trong tâm lò phản ứng tham gia vào một phản ứng phân hạch dây chuyền, trong đó sản xuất nhiệt, làm nóng nước trong các vòng nước làm mát chính (sơ cấp) Nước này được bơm vào bộ trao đổi nhiệt còn được gọi là thiết bị sinh hơi

Cấu trúc thiết bị sinh hơi này gồm hàng trăm hoặc hàng ngàn ống (thường có đường kính 1,9 cm) Nhiệt được chuyển qua các thành của những ống nước làm mát áp lực thấp hơn (phía thứ cấp) Việc trao đổi nhiệt được thực hiện mà không cần pha trộn hai chất lỏng, do đó cách ly sự lan truyền chất phóng xạ từ vòng sơ cấp sang vòng thứ cấp Tại đây nước thứ cấp nhận nhiệt sẽ bay hơi

Tại bộ phận sinh hơi này còn có bộ lọc và sấy khô hơi nước để dẫn lượng hơi nước này qua tuabin làm quay tuabin chạy máy phát điện

Tuy nhiên do có rất nhiều ống trao đổi nhiệt nên thiết bị sinh hơi cũng thường hay gặp

Hình 11: Thiết bị sinh hơi kiểu đứng (phương Tây) và kiểu ngang (Nga)

Hệ thống tuabin và máy phát điện

Kho chứa nhiên liệu

Nhà máy làm giàu nhiên liệu

Uranium trong tự nhiên chứa 99,3% U238 và 0,7% U235 Làm giàu Uranium tức là làm tăng tỷ lệ % U235 trong thành phần Uranium

- Hàm lượng U235 từ 0,2% - 2% được dùng cho lò nước nặng

- Hàm lượng U235 dưới 20% (khoảng 3-5% được dùng chủ yếu cho nhà máy điện hạt nhân)

- Hàm lượng U235 >20% được dùng cho vũ khí hạt nhân

Làm giầu Uranium có nhiều cách khác nhau như:

+ Phương pháp khuếch tán nhiệt

+ Phương pháp tách đồng vị điện từ

+ Phương pháp khuếch tán khí

+ phương pháp ly tâm khí

+ Phương pháp khí động học

+ Phương pháp trao đổi hóa học

Hình 12: Nhà máy làm giàu Uranium

Hình 13: Bên trong nhà máy làm giàu Uranium

Hình 14: Các dãy máy Li tâm khí được dùng để làm giàu Urani

Hệ thống điện

- Các thiết bị điện

- Hệ thống động lực

- Hệ thống điều khiển

- Máy phát điện

Hệ thống an toàn

Để tránh những thao tác sai hoặc nhầm lẫn gây ảnh hưởng lớn đến an toàn, lò phản ứng được thiết kế với hệ thống an toàn 2 lần, hệ thống khoá liên động

- Hệ thống an toàn hai lần là hệ thống được thiết kế dựa trên nguyên tắc nếu một

bộ phận của hệ thống gặp hỏng hóc thì lập tức chuyển sang trạng thái an toàn

- Hệ thống khoá liên động là hệ thống được thiết kế để phòng chống trục trặc, sự

cố phát sinh do thao tác nhầm lẫn, ví dụ như nhân viên vận hành nhầm lẫn định rút thanh điều khiển ra thì cũng không thể rút được

Ngoài ra người ta áp dụng những đối sách an toàn sau:

1 Phát hiện sớm những bất thường

ở nhà máy điện hạt nhân để có thể phát hiện và kiểm tra đợc những bất thường người

ta lắp đặt các thiết bị kiểm tra giám sát tự động và khi cần thiết sẽ áp dụng những biện pháp thích hợp như ngừng lò phản ứng

Ngờ ta lắp đặt các thiết bị phát hiện và thiết bị ngừng lò khẩn cấp để có thể cùng một lúc cho các thanh điều khiển vào lò phản ứng và ngừng tự động lò phản ứng Chúng có đầy đủ độ tin cậy, nhiều tầng và độc lập Nếu thanh điều khiển không hoạt động thì ngay lập tức một lượng lớn dung dịch axit boric sẽ được rót vào để ngừng lò

3 Phòng chống rò rỉ chất phóng xạ

Do có nhiều chất phóng xạ nguy hiểm ở trong lò nên lò phản ứng hạt nhân được thiết

kế rất công phu nhằm đảm bảo các chất nguy hiểm đó sẽ bị giữ bên trong thiết bị, bên trong nhà máy và không thoát ra được bên ngoài nếu xảy ra tai nạn

Để đề phòng khả năng tai nạn như không đủ nước tải nhiệt, ngời ta lắp hệ thống thiết

bị làm lạnh tâm lò khẩn cấp và thùng chứa lò phản ứng, các chất phóng xạ cũng đư ợc nhốt chặt bên trong thùng chứa lò phản ứng

Hệ thống xử lý chất thải hạt nhân

Chất thải hạt nhân là chất thải sinh trong quá trình hoạt động của lò phản ứng bao gồm:

+ Chất thải là các thanh nhiên liệu (chất thải phóng xạ cao)

+ Vật liệu xung quanh lò (phóng xạ thấp)

+ Quần áo, dụng cụ cầm tay, nước làm sạch, máy lọc nước, các vật liệu xây lò phản ứng

Hệ thống xử lý chất thải hạt nhân là hệ thống bao gồm: kho chứa chất thải, thiết bị vận chuyển chất thải, hệ thống xử lý chất thải khí, hệ thống xử lý chất thải rắn Đối với chất thải rắn có một số biện pháp xử lý như: đưa vào không gian, chôn sâu dưới lòng đất, chôn lấp dưới biển, chôn lấp ở vùng hút chìm, chôn dưới sông băng, cất giữ trong

đá nhân tạo, rút ngắn chu kỳ phân rã, tái chế chất thải hạt nhân

PHỤ LỤC : CÁC TÀI LIỆU THAM KHẢO

- Nhà máy điện nguyên tử - TS Huỳnh Châu Duy

- Nhà máy điện nguyên tử - Nguyễn Lân Tráng

- Nguồn Wikipedia, internet