Tổng quan về Hệ thống Công nghệ Nhà máy Điện Hạt nhân: Lò Nước Sôi BWR

Lò nước sôi BWR - Boiling Water Reactor

Về mức độ phổ biến cũng như các hãng cung cấp, các nước sử dụng. Nguyên lý thiết kế và hoạt động căn bản của các lò nước sôi là sử dụng chu trình trực tiếp. Nước trong vùng hoạt lò phản ứng được làm sôi nhờ phản ứng phân hạch và sinh ra hơi nước trực tiếp chạy tuôc bin máy phát.

Tuy nhiên, khác với lò PWR, trong lò BWR có sự sôi thể tích ngay trong lò. Thùng lò BWR có hình thức gần giống như lò PWR nhưng có các thông số khác hơn. So với lò PWR cùng công suất, kích thước vùng hoạt của lò BWR lớn hơn.

Chiều dài thanh nhiên liệu 3,71 m Tổng chiều dài bó nhiên liệu 4,46 m Vật liệu ống thanh nhiên liệu Zircaloy-2 Trọng lượng nhiên liệu 142 t. Các thanh nhiên liệu của lò BWR về hình thức cũng giống như các thanh nhiên liệu của lò PWR, chỉ khác là chúng có đường kính to hơn và vỏ bọc dày hơn. Các bó nhiên liệu của lò BWR được bọc trong hộp kín hoàn toàn, không đục lỗ để loại trừ các dòng chảy ngang.

Do đặc thù của sơ đồ công nghệ khác với lò PWR, các hệ thống điều khiển. Động cơ của các thanh điều khiển và bảo vệ nằm ngoài vỏ thùng lò và luôn có năng lượng dự trữ để thắng lực trọng trường và đưa các thanh này vào vùng hoạt khi bị mất điện cấp. Ưu điểm cơ bản của nhà máy ĐHN với lò BWR là có sơ đồ công nghệ một vòng, nhờ vậy cấu trúc đơn giản và tính kinh tế cao vì các thông số của hơi nước trước khi vào tuốc bin và ở trong lò gần như bằng nhau (chỉ hơn kém nhau ở phần tiêu hao trên đường ống).

Nhược điểm cơ bản của nhà máy với lò BWR là tất cả thiết bị phải làm việc trong điều kiện có phóng xạ, do vậy, việc vận hành phức tạp hơn và lượng chất thải phóng xạ cũng nhiều hơn.

Lò nước nặng PHWR

Ống trong gọi là ống chịu áp, chứa 12 bó nhiên liệu và nước nặng tải nhiệt, ống này làm bằng hợp kim zirconi-niobi. Chất tải nhiệt là nước nặng chảy trong kênh nhiên liệu (kênh chịu áp) tải nhiệt sinh ra từ phản ứng hạt nhân về máy sinh hơi. Nước nặng trong bể calandria được sử dụng để làm chậm nơtron nhanh sinh ra từ phản ứng phân hạch.

Chất làm chậm là nước nặng tuần hoàn liên tục qua bể calandria và máy trao đổi nhiệt để giải phóng nhiệt sinh ra trong chất làm chậm khi lò làm việc. Các cơ cấu trên đầu vào và đầu ra bảo đảm cho việc phân bố nhiệt độ của chất tải nhiệt trong bể calandria được đồng đều, áp suất trên bề mặt của nước nặng lớn hơn áp suất khí quyển một ít. Hệ thống chất làm chậm nơtron độc lập hoàn toàn với hệ thống tải nhiệt lò phản ứng.

Bể chứa nước nặng giúp cho chất làm chậm duy trì ở mức cần thiết, bù cho sự co dãn do giao động nhiệt gây ra và bù rò thoát trong quá trình làm việc. Nước nặng trong bể calandria còn có chức năng như một bể làm mát trong trường hợp sự cố mất chất tải nhiệt mà hệ thống làm mát vùng hoạt bị hỏng. Những vật liệu trong bể calandria và hệ thống làm chậm nơtron có tiếp xúc với nước nặng là thép không gỉ hay các hợp kim zirconi.

Trong lò PHWR việc dàn đều công suất đạt được bằng cách cho nhiên liệu cháy khác nhau theo từng vùng, kết hợp với sử dụng các thanh điều chỉnh. Mỗi bó nhiên liệu là tập hợp của 37 thanh nhiên liệu có vỏ bọc làm bằng hợp kim zircaloy, bên trong chứa các viên UO2 thiên nhiên. Vật liệu vùng hoạt và chất làm chậm nơtron là nước nặng đã làm cho lò PHWR tiết kiệm nơtron tối đa và sử dụng triệt để nhiên liệu.

Khi nhiên liệu cháy và hàm lượng U-235 giảm, plutoni sinh ra sẽ cung cấp một lượng độ phản ứng bổ sung và góp khoảng một nửa sản lượng nhiệt. Đặc điểm thay nhiên liệu khi lò làm việc đã loại bỏ nhu cầu phải có độ phản ứng dư lớn, tức là số thanh bù của hệ thống điều khiển giảm.

Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng thương mại đầu tiên trên thế giới với công suất 5 MW được đưa vào vận hành năm 1954 tại Liên Xô cũ. Nhiều lò phản ứng thế hệ I chỉ là đơn chiếc, như lò Fermi I ở Mỹ, chứ không đại diện cho một kiểu thiết kế nào cả. Trong khi với thế hệ II các lò có khuynh hướng xây dựng hàng loạt, mặc dù được thiết kế riêng biệt nhưng áp dụng cùng một nguyên lý thiết kế.

Đã có nhiều thay đổi đáng kể trong thiết kế và kể cả có một số kiểu hoàn toàn mới so với thế hệ trước. Các lò phản ứng được xây dựng vào đầu những năm 1970 và 1980 và hiện tại vẫn đang được vận hành thương mại. - Các lò EPR (Evolutionary Pressurized / European Pressurized Reactor) – là một thiết kế tiến hóa kết hợp giữa các thiết kế và kinh nghiệm vận hành các lò N4 của Framatome và KONVOI của Siemens, Đức.

Một số thiết kế đã được phát triển ở Mỹ và được Cơ quan pháp quy Hoa Kỳ (US-NRC) cấp phép vào những năm 1990. Các thiết kế thế hệ III+ nói chung là mở rộng khái niệm thiết kế của thế hệ III trong đó đưa vào các đặc tính an toàn thụ động cải tiến (advanced passive safety). Các thiết kế này có thể duy trì trạng thái an toàn mà không cần sử dụng các thành phần điều khiển chủ động nào.

Chúng có thể đã được phát triển ở những giai đoạn khác nhau vào những năm 1990 và hiện tại bắt đầu được cấp phép xây dựng. - Lò APR-1400 – Thiết kế PWR cải tiến phát triển từ các lò KNGR (Korean Next Generation Reactor) dựa trên cơ sở thiết kế hệ System 80+ của Mỹ. Các lò thế hệ IV là các thiết kế được xác lập bởi GIF (Generation IV International Forum), theo sáng kiến của DOE và 10 quốc gia thành viên khác.

Tất cả các lò phản ứng thế hệ IV hiện còn đang ở giai đoạn thiết kế khái niệm hoặc thực nghiệm và hy vọng sẽ được xem xét khai thác vào những năm 2030. Khác biệt lớn nhất so với các thiết kế hiện thời là nhiều nhà máy hạt nhân thế hệ mới tích hợp được đặc điểm an toàn thụ động hoặc nội tại, không đòi hỏi sự kiểm soát chủ động của con người hay sự can thiệp của nhân viên vận hành để tránh tai nạn khi có trục trặc.

Một số thiết kế lò phản ứng cải tiến (advanced)

Các loại lò VVER của Nga

213 cũng có công suất là 444 MW như 230, loại này được phát triển vào những năm 1970-1976, hệ thống an toàn có độ dư gấp ba và được thiết kế để

Các thế hệ VVER cải tiến

VVER-88 là dự án được bắt đầu sau tai nạn Tréc-nô-bưn để nâng cấp các nhà máy sắp xây và các nhà máy mới khởi công. Đồng thời việc nâng cấp cũng được tiến hành cho các tổ lò đang hoạt động. VVER-91 công suất 1000 MWe là loại lò thế hệ thứ 3, dựa trên cơ sở thiết kế của VVER-88, kết hợp các hệ thống an toàn chủ động và thụ động, sử dụng các thiết bị điều khiển của phương Tây.

VVER-92 công suất 1000 MWe là loại lò thế hệ thứ 3+, là thế hệ VVER mới hoàn toàn, được triển khai vào cuối những năm 1990 với mục tiêu nâng cao tính kinh tế và hoàn thiện triệt để an toàn. Đặt bẫy corium nhằm giảm thiểu hậu quả khi có sự cố nóng chảy vùng hoạt. Công nghệ đ iện hạt nhân của Nga sử dụng lò hơi nằm ngang (thiết bị màu trắng trong hình 18).

Các thanh nhiên liệu của lò VVER của Nga có thiết kế hình lục giác (của phương tây thiết kế hình vuông). - Hệ thống hầm chứa sản phẩm nóng chảy khi có sự cố nóng chảy vùng hoạt. Các thông số thiết kế cơ bản của loại VVER-1000 Đặc tính chung của lò.

Hiệu nhiệt độ của chất tải nhiệt giữa đầu ra và đầu vào vùng hoạt. Dạng bình sinh hơi Dạng đứng Nhiệt độ chất tải nhiệt đầu ra bình sinh hơi 296 0C.