Công nghệ lò phản ứng nhanh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA VẬT LÝ CHUN NGÀNH VẬT LÝ HẠT NHÂN oOoOo - Khố luận tốt nghiệp Đề tài: CƠNG NGHỆ LỊ PHẢN ỨNG NHANH GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm CBPB : Th.S Trịnh Hoa Lăng SVTH : Nguyễn Hữu Nam Tp Hồ Chí Minh 1/2007 Mục lục -Lời cảm ơn Lời nói đầu Chương I: Lò phản ứng công nghệ lò phản ứng I.1 Lý thuyết lò phản ứng I.1.1 Sơ lược lò phản ứng I.1.1.1 I.1.1.2 I.1.1.2.1 I.1.1.2.2 I.1.1.2.3 I.1.1.2.4 I.1.1.3 I.1.1.4 Đònh nghóa lò phản ứng hạt nhân Lý thuyết va chạm neutron Tán xạ đàn hồi Tán xạ không đàn hồi Sự bắt xạ Sự bắt sinh đồng vò phân hạch Sự phân hạch hạt nhân Năng lượng hạt nhân sinh I.2.1 Hệ số nhân keff tới hạn lò phản ứng I.2.2 Cấu tạo quy trình hoạt động chung lò phản ứng I.1.3.1 Cấu tạo I.1.3.1.1 Tâm lò phản ứng I.1.3.1.2 Nhiên liệu hạt nhân 10 I.1.3.1.3 Chất làm chậm 10 I.1.3.1.4 Chất tải nhiệt 10 I.1.3.1.5 Các điều khiển 10 I.1.3.2 Quy trình hoạt động chung lò phản ứng 10 I.2 Lòch sử phát triển lò phản ứng hạt nhân 14 I.2.1 Lòch sử phát triển 14 I.2.2 Phân loại lò phản ứng hạt nhân 17 I.2.2.1 I.2.2.2 I.2.2.3 I.2.2.4 I.2.2.5 Lò khí 17 Lò nước nặng 17 Lò nước nhẹ 17 Lò phãn ứng nhanh 18 Lò sử dụng công nghệ máy gia tốc 18 I.2.3 Chất thải tương lai lò phản ứng hạt nhân 19 I.1.3.1 Chất thải hạt nhân 19 63 I.1.3.2 Tương lai lượng hạt nhân 20 Chương II Công nghệ lò phản ứng nhanh 22 II.1 Lòch sử lò phản ứng nhanh 23 II.2 Phân loại lò phản ứng nhanh 24 II.2.1 Lò Natri lỏng (SFR) 24 II.2.1.1 Nhiên liệu 25 II.2.1.2 Hiệu suất lượng 26 II.2.1.3 Thông số lò 27 II.2.1.4 Những ưu điểm lò phản ứng nhanh dùng Natri 28 II.2.1.4.1 Ưu điểm 28 II.2.1.4.2 Nhược điểm 29 II.2.2 Lò chì lỏng (LCFR) 29 Nhiên liệu chất làm nguội 30 II.2.2.1.1 Nhiên liệu 30 II.2.2.1.2 Chất làm nguội 31 II.2.2.2 Các thông số lò chì 32 II.2.2.3 Những ưu điểm nhược điểm LCFR 35 II.2.2.3.1 Ưu điểm 35 II.2.2.3.2 Nhược điểm 35 II.2.2.1 II.2.3 Lò Khí (GFR) 36 II.2.3.1 Nhiên liệu 37 II.2.3.2 Thông số lò khí 39 II.2.3.3 Những ưu điểm nhược điểm (GFR) 42 II.2.3.2.1 Ưu điểm 42 II.2.3.2.2 Nhược điểm 43 II.2.4 Lò muối nung chảy 44 II.2.4.1 II.2.4.2 II.2.4.3 Nhiên liệu 45 Các thông số lò 46 Những ưu điểm nhược điểm (MSFR) 48 II.2.4.3.1 Ưu điểm 48 II.2.4.3.2 Nhược điểm 51 II.2.5 Lò Nước siêu tới hạn 51 II.2.5.1 Trạng thái “ tới hạn” 51 II.2.5.2 Cấu tạo hoạt động 54 64 II.2.5.3 Những ưu điểm nhược điểm (SCFR) 55 II.2.5.3.1 Ưu điểm 55 II.2.5.3.2 Nhược điểm 56 ChươngIII: Ứng dụng tương lai công nghệ lò phản ứng nhanh 57 III.1 Các ứng dụng lò phản ứng nhanh………………………………… 57 II.1.1 Ứng dụng lượng 57 II.1.2 Ứng dụng công nghệ sản xuất hidro 58 II.1.3 Ứng dụng viẹc tái chế nhiên liệu 59 III.2 Tương lai lò phản ứng nhanh ……… 62 Mục lục 63 Tài liệu tham khảo 66 Phụ Lục 65 I Lò phản ứng cơng nghệ lò phản ứng Chương I: Lò phản ứng cơng nghệ lò phản ứng I.1 Lý thuyết lò phản ưng I.1.1 Sơ lược lò phản ứng I.1.1.1 Định nghĩa lò phản ứng hạt nhân Lò phản ứng hạt nhân thiết bị sản xuất với mục tiêu thu sản phẩm hạt nhân sinh q trình phân hạch, lượng hạt nhân, lượng xạ nguồn neutron nhanh neutron nhiệt Việc thiết kế, xây dựng lò phản ứng phương pháp phân tích lò xem xét đơn vấn đề cơng nghiệp Hoạt động lò phản ứng dựa lý thuyết động lực học cổ điển, phương pháp cổ điển trao đổi nhiệt, điện học Tuy nhiên tương tác vi hạt lò phản ứng lại nghiên cứu dựa thành tựu nghiên cứu lý thuyết “Vật lý hạt nhân” I.1.1.2 Lý thuyết va chạm neutron Neutron hoạt động vùng lõi lò phản ứng, neutron tương tác với ngun tố, thành phần cấu tạo lõi lò, gây phản ứng hạt nhân vàquan trọng phân hạch, Neutron tương tác với hạt nhân theo hai q trình: q trình hấp thụ tán xạ Tương tác neutron với hạt nhân ngun tử theo cách sau I.1.1.2.1 Tán xạ đàn hồi Khi neutron bắn vào hạt nhân ngun tử diễn va chạm đàn hồi Q trình tương tác tn theo định luật bảo tồn lượng moment động lượng Những kết lượng, tốc độ góc tán xạ neutron nghiên cứu cách cụ thể theo lý thuyết động lực học cổ điển I.1.1.2.2 Tán xạ khơng đàn hồi GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang I Lò phản ứng cơng nghệ lò phản ứng Với bia hạt nhân nhân nặng như: sắt, uranium neutron có lượng cở 1MeV bắn vào gây nên kích thích hạt nhân bia dạng tán xạ đàn hồi I.1.1.2.3 Sự bắt xạ Khi hạt nhân hấp thụ neutron tạo nên đồng vị hạt nhân bia, lượng ban đầu neutron chuyển hồn tồn cho hạt nhân bia Hạt nhân kích thích phát xạ trở trạng thái vững bền Ví dụ: 27 Co59  n  27 Co60 27 27 Co60  27 Co60   (T1/2 = 10.5 min) Co60  28 Ni 60     (T1/2 = 5.27 years) Sự bắt xạ ứng dụng việc tạo đồng vị phóng xạ, đồng vị phóng xạ khơng có tự nhiên, ứng dụng ngành cơng nghiệp lẫn y khoa Ví dụ: C13  n  C14 C14  N 14     ( T1/2 = 5730 years) Hay : 8 O16  n  O17 O17  N 16  n      (T1/2 = 7.35 sec) I.1.1.2.4 Sự bắt neutron sinh đồng vị phân hạch Khi neutron bắn vào bia U238 hay Th232, neu tron bị bắt vào hạt nhân thu sản phẩm phản ứng hạt nhân có khả gây phản ứng phân hạch GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang I Lò phản ứng cơng nghệ lò phản ứng 92 U 238  n  92U 239 92 U 239  93 Np 239    93 Np 239  94 Pu 239    (T1/2 =2.3 day) (T1/2 = 23.5 min) và: Th232  n  90Th233 90 Th233  91 Pa 233    (T1/2 =23.3 min) 90 91 Pa 233  92U 233    (T1/2 =27.4 day) Các phản ứng ứng dụng cơng nghệ lò biến đổi lò tái sinh Trong lò phản ứng hạt nhân neutron sinh từ phản ứng phân hạch neutron nhanh tạo nên phản ứng tạo đồng vị phân hạch.Tuy nhiên neutron sinh số phản ứng mà thành phần phản ứng mảnh phân hạch, điều ảnh hưởng đến hệ số nhân neutron lò phản ứng mà ta xem xét sau Ví dụ:   1H  1H1  n He4  Be9  C12  n I.1.1.3 Sự phân hạch hạt nhân Phân hạch hạt nhân q trình tương tác phân rã neutron hạt nhân có khả phân hạch Như U235 Pu239 Sản phẩm q trình phân hạch tạo bao gồm hay nhiều mảnh vỡ phân hạch hạt nhân nặng có khả phóng xạ, sinh 1, hay nhiều neutron Kèm theo lượng lượng cực lớn sinh thay đổi khối lượng hạt nhân trước sau q trình phân hạch GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang I Lò phản ứng cơng nghệ lò phản ứng Sự phân hạch U235 diễn theo bước sau: - U235 bắt neutron tạo nên đồng vị U235 U236 n1  92U 235  92U 236 trạng thái U236, có 16% lượng U236 phát gamma có chu kỳ bán rã T1/2 = 2.4 x 107 năm, 84% lại U236 gây phân hạch - U236 phân chia thành mảnh nhỏ, phát neutron 92 U 236  56 Ba139  36 Kr 94  3n  Q ngồiBa Kr sản phẩm phân hạch : I, Ce, Zr, Sr v.v I.1.1.4 Năng lượng hạt nhân sinh nào? Năng lượng lò phản ứng hạt nhân thu nhờ q trình phân hạch dây chuyền ngun tố phóng xạ Neutron sinh từ phản ứng phân hạch lại tiếp tục va chạm vào hạt nhân khác xảy phản ứng phân hạch, tiếp tục xảy Hình I.1.1.4:1 Phản ứng phân hạch hạt nhân GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang I Lò phản ứng cơng nghệ lò phản ứng Phản ứng phân hạch U235 lò phản ứng n  92U 235  X  Y  kn  Q Trong đó: 235 Q : Là lượng q trình phân hạch U tính tốn dựa thay đổi tổng khối lượng hạt nhân trước sau phản ứng Q có giá trị cỡ 190 MeV gồm có 167 MeV dạng nhiệt sinh MeV lượng neutron nhanh MeV xạ gamma tức thời MeV phát xạ beta sản phẩm sau phân hạch MeV phát xạ gamma Tổng 190 MeV Như phản ứng phân hạch ta thu 167 MeV lượng dạng nhiệt Do để thu dược 1W lượng dạng lượng nhiệt cần phải có 3,3 x 1010 phân rã/giây Điều tương đương với việc cần 1,3 gam U235ngun chất cho MWngày Ta làm tính tốn tượng tự với Pu239, U233 ngun tố phân hạch khác I.1.2 Hệ số nhân keff tới hạn lò phản ứng Trong phản ứng phân hạch keff gọi hệ số phân hạch, thừa số nhân lò phản ứng keff tính số neutron sinh từ phản ứng phân hạch thứ i+1 số neutron sinh k eff  N i 1 Ni phản ứng phân hạch thứ i keff 1 :Phản ứng tới hạn, tình trạng khơng kiểm sốt, bom hạt nhân xảy tai nạn hạt nhân Neutron lò phản ứng tương tác với hạt nhân có chế quan trọng mà ta cần xét đến, là: gây phân hạch, bắt neutron truyền qua Chúng ta giả sử ngun liệu cho lò phản ứng U235 Pu239 tinh khiết Khi điều quan tâm tìm số neutron tương tác bị hấp thụ gây phản ứng phân hạch từ số neutron tạo từ phản ứng phân hạch trước Ta định nghĩa  hệ số phát neutron, số neutron trung bình phát sau lần phân hạch  hệ số hấp thụ neutron, số neutro nhanh chậm bị bắt gây phản ứng phân hạch  Được tính sau f , a đó:  a tiết diện hấp thụ tồn phần  f Tiết diện hấp thụ phân hạch  U235  slow  fast 2.46 2.08 2.33 Pu239 2.88 2.03 2.70 233 2.54 2.31 U Bảng I.1.2:1 Thơng số   số ngun tố phân hạch Ta thấy điều kiện tinh khiết U235 ta có số  =2,08 Thực tế tự nhiên U235 có hàm lượng nhỏ, chiếm 0,72% lại 99,28% U238 số  lúc 1,34 Như nói, ngồi việc hấp thụ neutron gây phân hạch hay phản ứng bắt neutron sinh xạ, lượng neutron sau nhiều lần va chạm ngồi Hệ số £ hệ số neutron lò phản ứng hạt nhân, tỉ số số neutron bị ngồi số neutron tạo thành GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang II Cơng nghệ lò phản ứng nhanh Cơng suất điện 1000 MW Bảng II.2.4.2:12 Thơng số lò muối nung chảy Phát triển tổ hợp lò muối nung chảy có cơng suất nhiệt 2400 MWt thiết kế gồm cấu chuyển đổi nhiệt phức tạp nhằm đáp ứng u cầu cao nhiệt độ lò , hiệu suất cao tồn cấu lò phản ứng Hình II.2.4.2:23 sơ đồ chung thiết kế loại GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 46 II Cơng nghệ lò phản ứng nhanh Hình II.2.4.2:23 Sơ đồ khối cấu chuyển đổi nhiệt lò muối nung chảy Thiết kế thõa mãn u cầu tối ưu hiệu ứng chuyển đổi nhiệt, với thiết kế sử dụng kết hợp chu trình Brayton kép kín Bộ chuyển đổi nhiệt chất khí Kết việc sử dụng mức hiệu suất tổ hợp chuyển đổi nhiệt khoảng 54%, lượng nguồn đạt mức 1300 MWe Đây điểm khó đạt tới hệ lò phản ứng khác, với thiết kế loại lò cũ mức lượng nguồn khó đạt tới mức 1000 MWe II.2.4.3 Những ưu điểm nhược điểm (MSFR) II.2.4.3.1 Ưu điểm - Ưu điểm phải kể đến lò phản ứng muối nung chảy ưu điểm nhiệt độ Nhiệt độ nóng chảy cao chất tải nhiệt giúp việc cao cơng suất lò phản ứng, bao gồm việc tăng suất điện việc tối ưu hóa q trình tái sinh hạt nhân phân hạch Ngồi việc dẫn đến khơng có u cầu hay đòi hỏi q cao áp suất lò phản ứng, việc giúp đơn giản hóa thiết kế, hoạt động, bảo dưỡng đề phòng rủi ro tai nạn lò phản ứng Bên GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 47 II Cơng nghệ lò phản ứng nhanh cạnh nhiệt độ điểm sơi muối Fluorid cao điều bảo đãm an tồn đáng kể việc vận hành, tai nạn lò khó xảy cố bùn, dòng chảy lò phản ứng - Cũng lò phản ứng sử dụng chì làm chất tải nhiệt lò, nhằm nâng cao mức độ an tồn việc chuyển đổi nhiệt tái chế lò phản ứng sử dụng chu trình Brayton khép kín việc trao đổi nhiệt, thiết kế cao tính an tồn tránh nhiễm xạ cấu lò turbin khơng cần thiết - Hổn hợp muối Fluorid có hệ số bắt neutron thấp, mặt khác hệ số thay đổi dễ dàng thơng qua việc thay đổi lại hàm lượng thành phần muối tải nhiệt, việc thay đổi thực tương đối dể Điều nhằm đáp ứng nhu cầu trực tiếp mục đích sử dụng, cho mục đích tái sinh, hay mục đích lượng, Sau vài hệ số bắt neutron hổn hợp muối thường dùng làm chất tải nhiệt II.2.4.3.2 Nhược điểm - Ưu điểm lò phản ứng muối nung chảy nhiệt đo, nhiên nhược điểm Nhiệt độ nóng chảy cao muối tải nhiệt đòi hỏi việc phải ln trì nhiệt độ cần thiết nhằm trì tan chảy muối tải nhiệt hoạt động lò phản ứng, khơng đáp ứng u cầu xuất hiện tượng dòng chảy có nguy xảy cố bùn cao Do tồn cấu lò phản ứng ln phải đạt trạng thái nhiệt cao, điều ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ lò phản ứng, u cầu bảo trì bảo dưỡng ln phải đạt mức độ cao Điều gây tốn mặt kinh tế - Ln hoạt động nhiệt độ điểm nóng chảy cao chất tải nhiệt điều gây nên an mòn đáng kể muối tải nhiệt cấu lò phản ứng, việc bào mòn gây nhiều nguy hiểm việc GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 48 II Cơng nghệ lò phản ứng nhanh rò rĩ phóng xạ tượng dòng chảy Và chi phí kinh tế lớn cho việc thay chi tiết Trong có máy bơm, đòi hỏi đạt với máy bơm cao khơng kém, u cầu cơng suất, hoạt động cố xãy u cầu đặc biệt an tồn, khơng gây rò rĩ phóng xạ II.2.5 Lò Nước Siêu tới hạn (SWFR) II.2.5.1 Trạng thái “tới hạn” Trong lý thuyết nhiệt động lực học khí lý tưởng, trạng thái vật lý vật chất phụ thuộc vào thơng số nhiệt độ (T), thể tính (V) áp suất (P) Ứng với trạng thái (T,V,P) ta có trạng thái khí Tồn tự nhiên vật chất xác định trạng thái rắn, lỏng khí Một nghiên cứu biến đỗi trạng thái khí lý tưởng khí thực lý thuyết vủa Vandervan đề Theo biến đổi vật lý tốn học Vanderval đưa phương trình Vanderval sau  M a  M p  V  2   V     M b  RT   : p , V , T áp suất , thể tích , nhiệt độ khối khí : a hệ số tỷ lệ (phù thuộc vào loại khí ) : b xố hạng hiệu thể tích , hay gọi cộng tích khối khí 1  b  N   d  6  Khi xét mol khí ta có  a    p   V  b   RT V   Như ta phương trình trạng thái khối khí xét, với nhiệt độ xác định ta vẽ đồ thị phụ thuộc áp suất thể tích hình vẽ: GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 49 II Cơng nghệ lò phản ứng nhanh Hình II.2.5.1:24 HọĐường đẵng nhiệt VanderVal Trên hình vẽ khác đường đẳng nhiệt lý thuyết thực nghiệm đoạn MN Trong thực nghiệm MN đường thẳng, điều giải thích là: Khi nén thể tích khối khí đến thể tích V0 trạng thái khối khí đạt tới trạng thái bão hòa Nếu tiếp tục nén khí chuyển sang lỏng áp suất sẻ khơng tăng lên bao nhiêu, ta thu đoạn MN, đoạn MN xãy đồng thời ngưng tụ bay Khi nhiệt độ đủ lớn Tk , điểm M N trùng K gọi điểm tới hạn Như ứng với điểm trạng thái K ta có trạng thái vừa bay vừa ngưng tụ “ Nhiệt hóa hơi” “Sức căng mặt ngồi “ Trạng thái gọi trạng thái tới hạn II.5.2.2 Cấu tạo hoạt động cùa lò nước siêu tới hạn (SWFR) GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 50 II Cơng nghệ lò phản ứng nhanh Hình II.2.5.2:25 Cấu tạo hoạt động lò nước siêu tới hạn (SWFR) Lò phản ứng tái sinh sử dụng nước siêu tới hạn có cấu tạo lò nước sơi hay lò áp suất thiết kế đưa vào ứng dụng hệ thứ II cơng nghệ lò phản ứng Điểm khác SWFR chúng là lò phản ứng thiết kế với mục đích tái sinh nhiên liệu, cấu tạo nhiên liệu hổn hợp MOX thiết kế lò phản ứng đáp ứng nhu cầu tái chế nhiên liệu cần có, bên cạnh việc sử dụng nước siêu tới hạn giúp việt thiết kế thu hiệu ứng nhiệt cao hiệu suất lớn việc chuyển tải lượng Thiết kế tâm lò việc xếp nhiên liệu tron tâm lò phản ứng đáp ứng u cầu nhiệt độ áp suất thể tích trạng thái tới hạn nước Khi đó:  Nhiệt độ lớn nhiên liệu phải chịu đựng 450o C cho vỏ thép bao nhiên liệu 620o C cho lớp bọc hợp kim nikel quanh nhiên liệu  Mật độ lượng lớn 39 kW/m GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 51 II Cơng nghệ lò phản ứng nhanh  Nhiệt độ 647oC áp suất 22.12Mpa ln trì nhằm dáp ứng u cầu tới hạn nước II.2.5.3 Ưu điểm nhược điểm SWFR II.2.5.3.1 Ưu điểm - Ưu điểm SWFR việc sử dụng chất tải nhiệt nước siêu tới hạn, điều đem lại hiệu ứng cao việc truyền nhiệt dộ từ phản ứng phân hạch vào chất tải nhiệt, đem lại hiệu suất cao nhu cầu tải nhiệt chuyển hóa điện Cụ thể việc 45% so với 33% lò phản ứng nước nhẹ hay lò phản ứng nước đun sơi thơng thường, điều giúp cho việc dễ dàng thiết kế lò phản ứng có cơng suất lớn phực vụ cho nhu cầu điện cần thiết - Cũng tính chất đặc biệt nước tới hạn sức căng mặt ngồi nhiệt hóa 0, thơng lượng dòng chảy chất tải nhiệt cho thiết kế cơng suất lưu lượng dòng chảy lò nước siêu tới thấp hơn, điều giảm nhẹ tối thiểu độ rung, độ ổn cấu độ mài mòn cấu kiện lò Cũng giảm thiểu nguy rò rĩ phóng xạ tượng dòng chảy thơng thường II.2.5.3.2 Nhược điểm - Nhiệt độ tới hạn nước 627oC nhiệt độ tối da mà lò phản ứng có nguồn khơng thể dùng nhu cầu sản xuất hidro mà nhu cầu việc mức 950oC - Do thiết kế đòi hỏi cần đáp ứng điều kiện tới hạn nước việc đạt đến trì điều đòi hỏi cấu phức tạp thiết kế Ap suất trì mức 22.23 Mpa áp suất nguy hiểm có nguy tiềm tàng việc nổ thiết kế gây nạn lò, củng tượng sơi lò nguy việc GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 52 III Ứng dụng tương lai lò phản ứng nhanh Chương III: Ứng dụng tương lai cơng nghệ lò phản ứng nhanh III.1 Các ứng dụng lò phản nhanh III.1.1 Ứng dụng lượng Ứng dụng lò phản ứng hạt nhân nói chung cơng nghệ lò phản ứng nhanh nói riêng phát xuất từ nhu cầu thiết giới lượng, phát triển quốc gia đến tồn giơí đòi hỏi nguồn lượng lớn vơ tận Thế nguồn lượng sử dụng phổ biến nay: than, dầu nguồn tài ngun khơng thể phục hồi Do việc cần tìm nguồn lượng u cầu tất yếu lồi người nguồn nhiên liệu vơ tận phực hồi Điện hạt hạt hướng Điện hạt nhân cơng nghệ lòphản ứng có lịch sử phát triển tương đối ngắn, đẽ thu kết đáng kể, đóng gó ngày tăng điện hạt nhân vào cấu lượng quốc gia nhu cầu lượng tồn cầu Cơng nghệ lò phản ứng nhanh thuộc hệ thứ IV cơng nghệ lò phản ứng nghiên cứu phát triển thời gian gần khơng ngồi nhu cầu thiết yếu lượng Bên cạnh việc tự tái chế nhiên liệu lò phãn ứng nhanh kéo dái thêm tuổi thọ lò phản ứng, đáp ứng nhu cầu lượng thời gian tương đối dài sau lần thay nhiên liệu Ứng dụng cơng nghệ lò phãn ứng nhanh ứng dụng lĩnh vực qn cường quốc qn sự: Mỹ, Nga ứng dụng chiến hạm, tàu ngầm qn với mực đích tạo nguồn lượng cần đủ cho việc di chuyển nhiệm vụ này, có bao gồm nhu cầu tái tạo hidro sản xuất nước tinh khiết phục vụ cho nhiệm vụ thời gian dài khơng cần tiếp tế GVHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH Nguyễn Hữu Nam Trang 57 III Ứng dụng tương lai lò phản ứng nhanh III.1.2 Ứng dụng cơng nghệ sản xuất hidro Bên cạnh ứng dụng lượng lò phản ứng nhanh, việc dùng nguồn nhiệt lớn lò phản ứng cho việc sản xuất hidro đặt biêt quan tâm lưu ý lẽ hidro ngun tố quan trọng việc sản xuất nước tinh khiết, tạo nguồn nhiên liệu động tên lửa Quy trình tái chế hidro dựa nguồn nhiệt lớn từ lò phản ứng, nguồn nhiệt 1000o C từ nguồn lò phản ứng đáp ứng việc Dựa phản ứng hóa hóc: 800 C 1000 C H SO4   H 2O  SO2  O2 0 (*) Oxi khí Sunfur tách ta thu Oxi tinh khiết Tiếp khí sunfur dẫn lại mơi trường nước xúc tác Iot SO2  H 2O  I  2HI  H SO4 (**) sau axit Iotic axit sunfurric tách ra, axit sunfurric đưa trở lại (*), Axit Iotic sinh bị tách ra, axit yếu nên 2HI  H  I (***) Iot sinh từ phản ứng đưa trở lại (**) Như sau phản ứng ta bảo tồn lượng a xit sunfuric, Axit Iotic Ta thu oxi hidro ngun chất từ việc tách nước đưa vào Ta mơ hình hóa hình vẽ GVHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH Nguyễn Hữu Nam Trang 58 III Ứng dụng tương lai lò phản ứng nhanh Hình III.1.2:26 Mơ hình tái chế Hidro Hidro dùng cho nhiều mục đích qn lẫn dân sự, nhiều mục đích lượng khác việc tạo nước tinh khiết từ nguồn nước biển III.1.3 Ứng dụng việc tái chế nhiên liệu Như biết đồng vị uranium tự nhiên thành phần U235 chiếm 0.7% quặng Urabium khai thác Thành phần lại chiếm 99.2 % đồng vị U238 việc sử dụng nguồn đồng vị câu hỏi đặt thực tiễn Nguồn nhiên liệu sử dụng dạng hợp kim, hổn hợp Uranium làm giàu nhiên lượng Uranium 235 làm giàu đáp ứng thời gian định cần làm giàu sau thời gian ngắn sử dụng Cơng nghệ lò phản ứng nhanh nghiên cứu phát triển có ưu điểm tuyệt đối việc ứng dụng dòng neutron trực tiếp từ phản ứng phân hạch uranium, khơng tốn việc thiết kế chất làm chậm việc ứng dụng phản ứng bắt neutron U238 GVHD: Nguyễn Đình Gẫm 92 U 238  n  92U 239 92 U 239  93 Np 239    SVTH Nguyễn Hữu Nam Trang 59 III Ứng dụng tương lai lò phản ứng nhanh 93 Np 239  94 Pu 239    Thorillium Th232  n  90Th233 90 Th233  91 Pa 233    90 91 Pa 233  92U 233    Những phản ứng xãy tác dụng dòng neutron nhanh tạo phân hạch Tạo nguồn nhiên liệu trì hoạt động lò phản ứng Hình III.1.3:27 Mặt cắt lò phản ứng Một tiêu biểu việc thiết kế lõi lò phản ứng MSFR chia thành phần, phần nơi xãy phản ứng phân hạch chính, tạo nguồn neutron nhanh va chạm vùng (Vùng tái sinh) Ứng dụng tiêu biểu việc tái sinh nhiên liệu phân hạch thể cụ thể lĩnh vực qn sự, lượng plutonium tạo thành phần cơng nghệ chế tạo bom ngun tử dạng bom bẩn khác, plutonium cốt lõi q trình chế tạo bom cường quốc giới Ngồi cơng nghệ lò phản ứng nhanh ứng dụng nhiều cơng nghệ hỏa luyện kim học, ứng dụng nhiệt độ cao (mức 1000oC) GVHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH Nguyễn Hữu Nam Trang 60 III Ứng dụng tương lai lò phản ứng nhanh mà lò phản ứng đạt tới Cơng nghệ xử lý cấht thải, việc sử dụng dòng neutron cho mục đích khác: nghiên cứu, y học, cơng nghiệp III.2 Nhận xét tương lai lò phản ứng nhanh Cơng nghệ điện hạt nhân nghiên cứu phát triễn năm 40 kỷ trước, song lần xem xét lại cơng nghệ hạt nhân đạt được: Đó 441 nhà máy điện hạt nhân, đóng góp 357 tỉ W điện hoạt dộng, bên cạnh có 29 tổ hợp khác q trình xây dựng Trong năm 2001 điện hạt nhân sản xuất 2543,68 Tỉ W điện đáp ứng 16% nhu cầu lượng tồn cầu Sở dĩ vài thập kỷ mà điện hạt nhân có chuyển biến phát triển nhờ có ưu điểm tuyệt đối lượng hạt nhân mà GVHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH Nguyễn Hữu Nam Trang 61 III Ứng dụng tương lai lò phản ứng nhanh nguồn ngun liệu từ xa xưa như: than , dầu khơng có Đó ưu nguồn ngun liệu dồi lượng cực lớn cung cấp cho hàng thiên niên kỷ lồi người khác hẳn so với nguồn tài ngun khơng thể phục hồi khác Trong bùng nổ kinh tế, dân số tồn cầu với nhu cầu tăng nhanh lượng, điện hạt nhân gần lựa chọn ưu cho quốc gia Những ưu điểm cơng nghệ lò phản ứng nhanh xem xét ưu lớn việc lựa chọn thiết kế lò hạt nhân tương lai Có thể nói: Một tương lai rộng xa chờ đợi cơng nghệ lò phản ứng nhanh, nghiên cứu tiếp tục mở rộng nghiên cứu quyền lợi trách nhiệm chúng ta, nhằm phát huy hết lợi ích cơng nghệ hạt nhân nói chung lò phản ứng nói riêng đem lại GVHD: Nguyễn Đình Gẫm SVTH Nguyễn Hữu Nam Trang 62 Phụ lục FR Fast Reactors EBR Experimential Breeder Reactors LWR Light Water Reactors LBE Lead Bitmuths Eutecti EFR Experimential Fast Reactors LLFR Long-lived Fission Production MA Minor Actinides FBR Fast Breeder Reactors PWR Pressure Water Reactors BWR Boiler Water Reactors TRU Transuran GFR Gas Fast Reactors SFR Sodium – coolant Fast Reactors LCFR Lead – coolant Fast Reactors MSFR Moltel Salt Fast Reactors SWFR Superciritical Water Fast Raactors MWe Mega Woat Electric MWt Mega Woat Thermal GWd/t Giga Woat day per ton MOX Mix Oxid h.a heat average Kg/s Kilogram per second Tài liệu tham khảo [1] Nguyễn Đình Gẫm, Vật lý lò phản ứng hạt nhân đại cương, Đại học khoa học tự nhiên, Tp Hồ Chí Minh, 2000 [2] Nguyễn Đình Gẫm, Từ Thanh Danh, Vật lý lò phản ứng, nxb văn hóa thơng tin Hà Nội, 2004 [3] Raymond.L.Murray, Nuclear Reactor Physics, Prentice-Hall, Inc 1985 [4] Kevan.D.Weaver Interim Status Report on the Design of the Gas-Cooled Fast reactors US System intergration manager 1984 [5] Kamil Tukex, Johan Calsson, Hartmut Wider.Comparision of Sodium and Lead-cooled Fast Reactors Regarding Severe Safely and Economical Issues Nertherland.1985 [6] Charles W Forsberg, Per.F.Peterson, HaiHua Zhao An Advandce Molten Salt Reactor Using High Temporature Reactors Technology 1980 [7] Ayelet Walter, Alexander Schulz, Gunter Lohnert Comparition of two models for a Pebble Bed Modular Reactors Core Coupled to a Brayton Cycle Germany 1986 [8] Yoshiaki OKA, Seiichi KOZHIZUKA Supercritical-pressure, One Through Cycle Light Water Cooled Reactors Concept 1982 [9] Fast Breeder Reactors Retrieved from http://en.wikipedia.org/wiki/Fast_breeder_reactor [...]... trong lò phản ứng phụ thuộc rất lớn vào từng thông số của lò phản ứng : Thiết kế thanh nhiên liệu, Thiết kế lò phản ứng v.v I.1.3 Cấu tạo và quy trình hoạt động chung của lò phản ứng I.1.3.1 Cấu tạo GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 7 I Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng Cấu tạo chung của lò phản ứng bao gồm có các bộ phận cơ bản như sau: I.1.3.1.1 Tâm lò phản ứng Tâm lò là trái... loại lò phản ứng hạt nhân GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 15 I Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng Lò phản ứng hạt nhân được phân chia theo các đặc điểm: Nhiên liệu, chất làm chậm, chất tải nhiệt v.v Dưới đây là một số thế hệ lò đang được sử dụng trên thế giới hiện nay Lò Khí, lò Nước nặng, lò Nước nhẹ, lò phản ứng nhanh (hay còn gọi là lò tái sinh) I.2.2.1 Lò Khí Là lò phản ứng. .. thiết kế công nghệ nhằm tối ưu hiệu ứng nhiệt tron lò phản ứng, người ta còn liên kết các lò phản ứng lại với nhau hình thành nên một tổ hợp nhằm tố ưu hoá hiệu ứng nhiệt Hình I.1.3.2:8 Một tổ hợp các lò phản ứng I.2 Lịch sử phát triển của lò phản ứng hạt nhân GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 12 I Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng I.2.1 Lịch sử phát triển Mặc dù cộng nghệ hạt... II.2 Phân loại lò phản ứng nhanh Sự phân loại lò phản ứng nhanh dựa trên sự khác nhau giữa các chất tải nhiệt trong lò phản ứng thì ta có các loại như sau: lò khí, lò chì, lò natri, lò nước siêu tới hạn và lò muối nung chảy II.2.1 Lò Natri lỏng (SFR) GVHD : Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 23 II Cơng nghệ lị phản ứng nhanh Lò sử dụng natri làm chất tải nhiệt trong lò phản ứng, sử dụng... và công nghệ lò phản ứng Lò Phản Ứng Nhiên liệu Chất Tải nhiệt Chất làm chậm Là thế hệ thứ IV của công nghệ lò phản ứng, lò không sử dụng chất làm chậm để làm chậm neutron, mà trực tiếp dùng chất tải nhiệt làm chất làm chậm, neutron nhanh được sử dụng với mục đích tái sinh nhiên liệu phản ứng cho lò thông qua các phản ứng: Th232 (n,e) U233, U238 (n,e) Pu239 I.2.2.5 Lò sử dụng công nghệ máy gia tốc Lò. .. khai thác được Vì vậy công nghệ lò phản ứng nhanh hứa hẹn một tương lai năng lượng với một nguồn nhiên liệu tái sinh là rất lớn II.1 Lịch sử của lò phản ứng nhanh Lò phản ứng nhanh đầu tiên có tên là Clementime, được xây dựng tại Los Alamos (USA) vào năm 1946 với công suất 150 kW Năm 1951, dự án EFR (Experiment Breeder Reactors) Lò phản ứng tái sinh thử nghiệm” là lò phản ứng nhanh tái sinh đầu tiên... phát triển điện hạt nhân và công nghệ lò phản ứng 5/2001: tổng thống Mỹ đã phát biểu trong chiến lược năng lượng quốc gia:”Việc mở rộng ứng dụng điện nguyên tử đã trở thành một yếu tố quan trọng và cần thiết” qua đây đã chứng tỏ nhu cầu tất yếu của điện hạt nhân Và với việc thế hệ thứ IV của công nghệ lò phản ứng: lò phản ứng nhanh và tái sinh cộng với công nghệ lò phản ứng dưới tới hạn bằng máy gia... lò phản ứng, an toàn, kinh tế và chiến lược Lò phản ứng gần như đã là một phần không thể thiếu trong chính sách năng lượng cơ cấu kinh tế của một quốc gia Có thể nói ngắn gọn về tương lai của công nghệ lò phản ứng đó là: Tính tất yếu bảo đãm sự vững bền và phát triển trong tương lai GVHD: Th.S Nguyễn Đình Gẫm SVTH: Nguyễn Hữu Nam Trang 19 II Cơng nghệ lị phản ứng nhanh Chương II Công nghệ lò phản ứng. .. ứng nhanh Lò phản ứng nhanh được phát triển như là thế hệ thứ IV của công nghệ lò phản ứng hạt nhân hiện nay Lò sử dụng nhiệt lượng trực tiếp neutron nhanh được tạo ra trong quá trình phân hạch, lò sử dụng neutron nhanh tái sinh nhiên liệu nhằm duy trì hoạt động, công suất lò và tối ưu hoá thời gian làm việc lâu dài, nhưng vẫn duy trì được độ ổn định của lò Về cơ bản nguyên tắc tái sinh của lò phản ứng. .. Nam Trang 13 I Lò phản ứng và công nghệ lò phản ứng động với công suất 5MW cung cấp đủ cho 2000 hộ dân khi đó Hình I.2.1:9 Thung lũng Calder Lò phản ứng hạt nhân dùng cho mục đích thương mại lần đầu tiên được xây dựng tại thung lũng Calder, và chính thức đi vào hoạt động ngày 17/10/1956 Cùng với sự phát triển của Vật lý hạt nhân, Vât lý lò phản ứng và các nghiên cứu sâu rộng về lò phản ứng của nhiều ... cơng nghệ lò phản ứng Chương I: Lò phản ứng cơng nghệ lò phản ứng I.1 Lý thuyết lò phản ưng I.1.1 Sơ lược lò phản ứng I.1.1.1 Định nghĩa lò phản ứng hạt nhân Lò phản ứng hạt nhân thiết bị sản xuất... hệ thứ IV cơng nghệ lò phản ứng: lò phản ứng nhanh tái sinh cộng với cơng nghệ lò phản ứng tới hạn máy gia tốc an tồn mở kỷ ngun lò phản ứng, an tồn, kinh tế chiến lược Lò phản ứng gần phần khơng... Trang I Lò phản ứng cơng nghệ lò phản ứng Cấu tạo chung lò phản ứng bao gồm có phận sau: I.1.3.1.1 Tâm lò phản ứng Tâm lò trái tim lò phản ứng, nơi xãy q trình phân hạch phản ứng dây chuyền hạt