công nghệ lò phản ứng

công nghệ lò phản ứng

Nhóm 2: CÔNG NGHỆ LÒ PHẢN ỨNG

Mở đầu

Theo số liệu mới nhất tháng 1/2011 của cơ quan năng lượng nguyên tử quốc tế, hiện nay trên toàn thế giới có 442 tổ máy điện hạt nhân đang vận hành, lượng điện phát điện hạt nhân chiếm 16% sản lượng điện toàn cầu

Do nhu cầu năng lượng đang là một vấn đề sống còn của

mỗi nước ,nhiên liệu hóa thạch đang dần cạn kiệt, lên công nghệ hạt nhân là một sự lựa chọn quan trong của thế kỷ 21

dù đang phải đối mặt với nhiệt thách thức

Dưới đây chúng tôi sẽ trình bày các công nghệ lò hạt nhân mới của một số nước trên thế giới có tính kinh tế, độ an

toàn cao hơn và giải quyết được vấn đề bã thải hoạt độ

cao sống dài ngày

Nội dung trình bày

 Giới thiệu về phản ứng hạt nhân

 Cấu tạo chung của một lò hạt nhân

 Phân loại các loại nhà máy điện

1 Lò áp lực PWR (Pressurized Water Reactor)

2 Lò nước sôi BWR (Boilling Water Reactor)

3 Lò nước nặng Pressurised Heavy Water Reactor

'CANDU' (PHWR)

4 Lò nước nhẹ LWR (Light Water Reactor)

5 Gas-cooled Reactor (AGR & Magnox)

6 Lò phản ứng tái sinh nhanh Fast Neutron Breeder

Reactor (FBR)

Giới thiệu về phản ứng hạt nhân

• Lò phản ứng hạt nhân hoạt động dựa trên nguyên lý phản ứng phân hạch dây chuyền

Nơtrơn nhiệt

U235

Chất làm chậm

Hấp thụ

N

U235

N

Tuy nhiên trong nhà máy nhiêt điện ta cần có chất hấp

thụ và chất làm chậm nhằm giữ cho chuỗi phản ứng luôn

được duy trì đồng thời khống chế tốc độ phản ứng dây

chuyền

N N

Cấu trúc cơ bản của lò và

các vật liệu sử dụng

Cấu trúc cơ bản của lò phản ứng hạt nhân bao gồm :

Nhiên liệu hạt nhân

Các phần tử chính, vật liệu sử dụng và các chức năng của chúng

1 Nhiên liệu U 233 ,U 235 ,U 239

,Pu 241

Chất phân hạch

2 Chất làm chậm H2O, D2O, CO, Be Giảm năng lượng của nơtrơn

nhanh thành nơtrơn nhiệt

Nguyên lý hoạt động của một nhà máy điện hạt nhân nói chung

Phân loại các loại lò phản ứng trong

nhà máy nhiệt điện

Phân loại theo nguyên lý cấu tạo và hoạt động ta

chia thành 6 loại lò phản ứng sau:

1.Lò áp lực PWR (Pressurized Water Reactor)

2.Lò nước sôi BWR (Boilling Water Reactor)

3.Lò nước nặng Pressurised Heavy Water

Reactor 'CANDU' (PHWR)

4.Lò nước nhẹ LWGR (Light Water Graphite

Reactor)

5.Gas-cooled Reactor (AGR & Magnox)

6.Lò phản ứng tái sinh nhanh Fast Neutron

Breeder Reactor (FBR)

Các nhà máy điện hạt nhân trong hoạt động thương mại

Reactor type Main Countries Number GWe Fuel Coolant Moderator

Pressurised Water

Reactor (PWR)

US, France, Japan, Russia, China 271 270.4 enriched UO2 water water

Boiling Water Reactor

(BWR) US, Japan, Sweden 84 81.2 enriched UO2 water waterPressurised Heavy

Light Water Graphite

Reactor (RBMK &

EGP)

Russia 11 + 4 10.4 enriched UO2 water graphite

Fast Neutron Reactor

(FBR) Russia 1 0.6 PuO2 and UO2 liquid sodium none

Source: Nuclear Engineering International Handbook 2011, updated to 1/1/12

hệ thống năng lượng của tàu ngầm hạt nhân.

Trong chương trình năng lượng phục vụ quân sự của Mỹ (ANPP) đã đưa vào vận hành những lò phản ứng nước chịu áp lực từ năm 1954 đến năm 1974

Các nghiên cứu tiếp theo được tiến hành ở Phòng thí

nghiệm chuyên về năng lượng nguyên tử

Westinghouse Bettis Và nhà máy điện hạt nhân

thương mại đầu tiên ở trạm năng lượng nguyên tử

Shippingport (1965) với thiết kế nguyên thủy là một

lò phản ứng nước chịu áp lực

• Ở Nga

Với loại lò VVER (tên gọi khác của PWR), các thế hệ đầu tiên của loại lò này được xây dựng trước năm 1970, với lịch sử phát triển các thế hệ lò là:

o VVER 210 - 365(trong phóng thí nghiệm) ở Novovoroneg NPP

o VVER 440 / 187 : Thế hệ dự bị

o VVER 440 / 230 : Thế hệ đầu tiên của PWR

o VVER 440 / 213: Thế hệ thứ 2 của PWR

o VVER 1000: Thế hệ thứ 3 của PWR ( ngày nay)

o VVER 1200…(ngày nay)

Vào thời kỳ Xô Viết, hầu hết các quốc gia đông âu đều xây

dựng VVER 440 (Bulgaria, Hungary, Czech Republic,

Slovak Republic, Finland, East Germany, Ukraine,

Armenia, Cuba)

Nguyên lý cơ bản của lò phản ứng hạt nhân là: Năng lượng hạt nhân được sử dụng để sinh hơi, hơi đó làm quay tua bin, dẫn đến quay máy phát điện để tạo ra điện.

Trong lò áp lực, nước trong thùng lò là nước có áp suất cao

và chưa sôi, mặc dầu nó có thể đạt tới 300atm Nước này mang theo nhiệt hấp thụ được trong lò phản ứng từ năng

lượng hạt nhân được dẫn tới bình sinh hơi và đi qua hàng ngàn ống nhỏ

II Nguyên lý hoạt động

Lượng nhiệt này qua quá trình trao đổi nhiệt sẽ làm cho nước trong bình sinh hơi biến thành hơi, hơi này sau đó làm quay tua bin Tua bin làm quay máy phát điện để phát

ra điện Nước lò được bơm quay trở lại lò phản ứng để lấy nhiệt, kết thúc chu trình nước sơ cấp Hơi sau khi ra khỏi tua bin được ngưng tụ trong bình ngưng hơi rồi được đưa quay trở lại bình sinh hơi để mang nhiệt tiếp, kết thúc chu trình nước thứ cấp

Các nguyên tử uranium được phân rã bên trong lò phản ứng để cung cấp nhiệt cho nước Tuy nhiên do áp suất cao

đã giữ cho nước khỏi sôi mặc dầu nhiệt độ của nước gần 300atm

Bình áp lực được sử dụng để điều khiển áp suất bên trong

lò phản ứng Nhiệt được sử dụng để nâng áp suất, và nước lạnh để giảm áp suất

Bình sinh hơi hoạt động với vai trò như thiết bị trao đổi

nhiệt, nước nhiệt độ cao trao đổi nhiệt với nước nhiệt độ

thấp ở trong bình sinh hơi làm nước trong bình sinh hơi sôi

và biến thành hơi

Hơi được đưa vào tua bin làm quay các cánh tua bin với tốc

độ 3000 vòng phút.Tua bin quay làm máy phát quay để sinh ra điện.

Trong bình ngưng, nước biển lạnh được đưa qua một mạng lưới các ống để biến hơi thành nước Lượng nước này sau

đó được bơm quay trở lại bình sinh hơi

Hình ảnh thùng lò nước sôi

BWR sử dụng nước khử khoáng như là một chất làm mát và

lõi lò phản ứng, và điều này làm cho nước lạnh đun sôi, sản xuất hơi nước.hơi nước được trực tiếp sử dụng để quay tua bin , sau

đó nó được làm nguội trong một bình ngưng và chuyển đổi trở lại

để nước lỏng.nước này sau đó được trả lại cho lõi lò phản ứng, hoàn thành vòng lặpCác nước làm mát được duy trì ở mức

khoảng 75 atm (7,6 MPa, 1000-1100 psi) để nó sôi trong lõi

khoảng 285°C(550 ° F)

II Nguyên lý hoạt động

Lò nước nặng Pressurised Heavy Water

Reactor 'CANDU' (PHWR)

Là tên viết tắn của CANada Deuterium Uranium, đây là mẫu lò phản ứng do Canada thiết kế, sử dụng Nước Nặng ở Áp Suất

Cao Lò phản ứng CANDU do Công Ty Năng Lượng Nguyên

Tử Canada thiết kế (Atomic Energy of Canada Limited), đây là một tập đoàn liên bang, có vai trò thiết kế, mở rộng thị trường,

và xây dựng các dự án Có tới trên 150 công ty con khác của

Canada tham gia thiết kế các thành phần cho hệ thống của

CANDU AECL có vai trò hợp nhất, trong khi đa số các lợi

nhuận lại thuộc về các công ty tư nhân

I Lịch sử phát triển của CANDU

II Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động hoàn toàn giống với loại lò áp lực chỉ khác ở vài điểm sau

Nước nặng ở đây là deuterium oxit, làm dung dịch trung

hòa cũng chính là nguồn lạnh, và nhiên liệu sử dụng là

uranium tự nhiên Đặc điểm nổi trội của CANDU thể hiện ở nhiên liệu sử dụng, môi trường trung hòa cũng như cấu trúc của lõi lò CANDU có hiệu suất hoạt động cao nhất trong các lò phản ứng hiện tại sử dụng uranium, nó dùng ít hơn khoảng 15% uranium so với loại lò nước dưới áp suất cho mỗi MW điện tạo ra

Sơ đồ nhà máy

Một điểm nổi trội nữa của CANDU đó chính là thiết kế của lõi lò Lõi lò chứa rất nhiều các ống nhiên liệu nhỏ, chứ không phải là một bình áp suất lớn Nó cho phép nạp nhiên liệu ngay cả khi máy đang hoạt động với hiệu suất cao Khả năng di chuyển được của các thanh nhiên liệu trong các ống áp suất cho phép khả năng đốt cháy đạt

hiệu quả tối ưu trong lò phản ứng Và điều quan trọng nữa thời gian sống của lò có thể được kéo dài, vì các thành phần chính trong lõi lò

có thể được thay thấy mỗi khi cần thiết

Hình 1 Bundle (cuộn nhiên liệu)

Hệ thống cấp nhiên liệu

Hệ thống lưu trữ và điều khiển nhiên liệu

Thuộc thế hệ lò phản ứng hạt nhân thứ I phần lớn chúng đều đã hoặc đang tháo dỡ do không còn hiệu quả cao và độ an toàn

thấp.Công suất cực đại của nhà máy bị giới hạn bởi thời gian tiếp nhiên liệu cho lò phản ứng, nhiên liệu sử dụng là nguồn Uranium tự nhiên nên yêu cầu thay thế nhiên liệu nhiều hơn lò phản ứng sử dụng nhiên liệu đã được làm giàu.Lò hơi và ống dẫn gas được đặt bên ngoài lớp bảo vệ sinh học bằng bê tông, các thiết bị này phát ra trực tiếp tia gamma và bức xạ neutron

II Advanced Gas-cooled Reactor

Lò nước nhẹ Graphit RBMK

I Lịch sử

RBMK là sự thành công của chương trình năng lượng hạt nhân

Xô viết để sản xuất lò phản ứng làm mát bằng nước dựa trên nguyên tắc lò sản xuất plutonium làm chậm bằng than chì dung trong quân đội Đầu tiên trong số đó, AM-1 đã sản xuất được 5MW điện (30MW nhiệt) và cung cấp điện cho Obninsk từ 1954 đến 1959

Bằng thiết kế yêu cầu tối thiểu dùng nước thường để làm mát

và dùng than chì làm chậm, nó có thể sử dụng uranium tự nhiên làm nhiên liệu (thay vì dùng uranium được làm giàu

sẽ tốn đáng kể chi phí) Điều này đã làm nên một lò phản ứng lớn và có sức mạnh lớn nhưng chi phí đủ để xây với

số lượng lớn và dễ dàng bảo trì và hoạt động Lấy ví dụ, lò phản ứng RBMK ở nhà máy điện hạt nhân Ignalina ở Lít-

va có công suất 1500MW mỗi lò, lớn nhất từ trước đến

nay

Lò phản ứng tái sinh nhanh Fast Neutron Breeder Reactor (FBR)

1 Nguyên lý của lò phản ứng tái sinh nhanh

Lò phản ứng tái sinh nhanh sử dụng nhiên liệu Plutonium

Plutonium khi phân hạch bằng nơtron tốc độ cao sẽ có khoảng

3 nơtron mới được sinh ra Số lượng nơtron sinh ra do 1 lần phân hạch ở đây là nhiều nhất Nếu sử dụng khéo 3 nơtron thì

có thể tạo ra lượng Plutonium nhiều hơn so với lượng

Plutonium đã đốt cháy

Phân rã hạt nhân plutonium-239 có thể được sản xuất từ không phân rã hạt nhân uranium-238 bằng phản ứng minh họa.

Sự bắn phá của uranium-238 với các neutron gây nên hai phân rã beta kế tiếp với việc sản xuất plutonium Số lượng plutonium sản xuất phụ thuộc vào tỷ lệ tái sinh

II Cơ chế của lò phản ứng tái sinh nhanh

Vì lò tái sinh nhanh sử dụng nơtron nhanh nên không cần chất làm chậm Chất tải nhiệt là Natri Điểm nóng chảy của Na là 98oC và điểm sôi là 881oC nên có thể sử dụng dưới dạng dịch lỏng ở nhiệt

độ cao.Vì Na có phản ứng khi tiếp xúc với không khí nên bề mặt của Na cần được phủ bằng khí trơ (Argon) Có 3 hệ thống là hệ thống Na thứ nhất, hệ thống Na thứ hai và hệ thống hơi nước thứ ba

III Lịch sử

Công nghệ lò phản ứng nhanh đã được phát triển những năm 1960 với các lò phản ứng trình diễn và nguyên mẫu đang hoạt động ở một số quốc gia, bao gồm Trung Quốc, Pháp, Đức, Ấn Độ, Nhật Bản, Liên bang Nga, Vương quốc Anh và Hoa Kỳ Có 12 lò phản ứng nhanh thí nghiệm và 6 lò phản ứng nguyên mẫu dùng cho

thương mại với công suất từ 250 - 1200 MW đã được xây dựng hoặc đang hoạt động

III.Ý nghĩa của việc phát triển lò phản ứng tái

sinh nhanh

So với trường hợp chỉ sử dụng một lần nhiên liệu Uranium ở lò nước nhẹ, khi sử dụng nhiều lần ở lò tái sinh nhanh có thể thu được năng lượng lớn hơn 50 lần Số năm có thể khai thác

Uranium sử dụng ở lò nước nhẹ vào khoảng 70 năm, nếu có thể

sử dụng được chúng bằng lò tái sinh nhanh thì nhân loại có thể

sử dụng năng lượng nguyên tử trong thời gian khoảng 3000

năm

IV Phân loại một số lò phản ứng nhanh

•Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (sodium-cooled fast reactor – SFR)

•Lò phản ứng nhanh làm mát bằng chì (lead-cooled fast

reactor - LFR)

•Lò phản ứng nhanh làm mát bằng khí (gas-cooled fast

reactor - GFR)

1.Lò phản ứng nhanh làm mát bằng natri (SFR)

Chất tải nhiệt trong lò SFR

Trong loại lò phản ứng nhanh này thì kim loại lỏng là chất tải nhiệt lý tưởng Không giống nước kim loại lỏng không có khả năng làm chậm và hấp thụ

neutron nhanh Trong loại lò SFR này chất tải nhiệt được chọn là Natri với một

số tính chất nhiệt vượt trội sau:

− Điểm nóng chảy thấp ở 97,8°C

− Có khoảng rộng nhiệt độ ở pha lỏng (97,8°C – 881,5°C)

− Khối lượng riêng thấp và độ nhớt thấp

− Khả năng dẫn nhiệt, dẫn điện rất tốt

Cấu tạo lò phản ứng

Có hai loại lò hay được sử dụng là:

a) Hệ thống trao đổi nhiệt kiểu bể (Pool type)

Kiểu lò này phổ biến nhất hiện nay ở châu Âu Ví dụ với loại lò Superphénix 1200MWe

Ưu điểm:

Na được giữ bên trong bình (an toàn)

Quán tính nhiệt của hệ thống chính cao

Vòng làm mát thủy lực luôn luôn duy trì

Thuận lợi cho lưu thông tự nhiên

Thuận lợi để bảo vệ phóng xạ

b) Hệ thống trao đổi nhiệt kiểu ống (loop type)

Ưu điểm

•Kích thước lò giảm đi nhiều

•Có thể chế tạo từng bộ phận rồi mang đến lắp đặt

•Hệ thống đường ống có thể dài hơn, phức tạp hơn

nhưng lại dễ dàng kiểm tra

•Loại lò này không phổ biến ở châu Âu (chỉ loại

nguyên mẫu Rapsodie là chế tạo theo kiểu này) nhưng lại có nhiều ở Nhật do kích thước nhỏ gọn hơn và khả năng chống chịu địa chấn tốt

2.Lò phản ứng nhanh làm mát bằng chì (LFR)

Chất tải nhiệt trong lò LFR

Trong loại lò SFR này chất tải nhiệt được chọn là Chì Pb hoặc kim loại Pb Bi Eutecti với một số tính chất sau:

− Không phản ứng hóa học với nước và không khí

− Khối lượng riêng lớn giúp cho việc phân tán nhiên liệu

− Chì là một chất hấp thụ mạnh, và do đó một lá chắn tốt , chống lại các tia gamma

Cấu tạo lòLFR được làm mát

vật liệu tiên tiến

nhiệt độ cao hơn

cho phép sản xuất

hydro từ quá trình

nhiệt hóa

Lò GFR được thiết kế chủ yếu để sản xuất điện và quản lý các chất actinit, nhưng nó cũng có khả năng hỗ trợ sản xuất hyđro Đặc điểm của hệ thống chuẩn GFR: phổ nơtron nhanh, lò phản ứng chu trình Brayton làm mát bằng hêli, chu trình nhiên liệu kín để tái chế các actinit, và nhà máy hiệu suất 48%

3 Lò phản ứng nhanh làm mát bằng khí (GFR)

Cấu tạo

Thank you for your attention