-Vùng hoạt gồm các thanh nhiên liệu (hình 2.6), chất làm chậm và các thanh điều khiển.
.
Hình 2.6 Bó nhiên liệu trong lò phản ứng nươc áp lực PWR
LÒ PHẢN ỨNG NƯỚC ÁP LỰC PWR
Vào năm 1939 sau khi khám phá sự phân hạch, những khái niệm thiết kế ban đầu về nhà máy điện hạt nhân đã được lập ra. Tuy nhiên vào ngày 2 tháng 12 năm 1942, dưới áp lực của chương trình vũ khí hạt nhân trong chiến tranh thế giới thứ 2, phản ứng phân hạch dây chuyền tự duy trì đầu tiên đã được chứng minh ở Đại Học Chicago. Người ta thực sự đã cần thiết xây dựng lò phản ứng lớn hoạt động ở công suất cao để sản xuất Pu239
dùng trong vũ khí hạt nhân. Vào tháng 11 năm 1943 lò phản ứng thí nghiệm có công suất thiết kế ban đầu 1000 kW bắt đầu hoạt động ở Oak Ridge. Trong suốt 10 năm sau đó người ta đã xây dựng ở Hoa Kỳ và các nơi khác một số lò phản ứng có mục đích thí nghiệm. Ý tưởng dùng lò phản ứng tạo ra điện năng là chương trình lò phản ứng trong tàu ngầm. Chương trình triển khai đầu tiên vào năm 1948 trên cơ sở dùng nhiên liệu là Uranium có độ giàu cao và nước áp lực làm chất làm chậm và chất làm nguội. Nhưng lợi ích kinh nghiệm trong chương trình hạt nhân dùng cho tàu ngầm đưa tới sự áp dụng khái niệm nước áp lực vào những nhà máy điện hạt nhân dẫn đến sự ra đời của lò phản ứng nươc áp lực PWR. Vào năm 1957 lò phản ứng nước áp lực PWR dùng nhiên liệu Dioxide Uranium có độ giàu cao đã sử dụng trong khoảng 100 nhà máy điện hạt nhân trên thế giới. Cho đến nay thì lò phản ứng nước áp lực đã được nhiều quốc gia trên thế giới: Nhật, Hoa Kỳ, Canada….xây dựng và ứng dụng trong việc tạo ra năng lượng điện hạt nhân đáp ứng trong quá trình sản xuất, phục vụ nhu cầu sinh hoạt của con người….
2.1Phân loại lò phản ứng áp lực [4]
Giống như mọi nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân dùng nhiệt sinh ra trong lò phản ứng hạt nhân để đun sôi nước, tạo hơi đó rồi tới tua-bin phát điện. Trong lò phản ứng hạt nhân, nhiệt được sinh ra từ phản ứng phân hạch hạt nhân.
Hạt nhân uranium và plutonium trong nhiên liệu bị neutron bắn phá, phân tách thành hai mảnh, đồng thời giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt cùng neutron mới. Những neutron mới này lại gây ra những phân hạch tiếp theo và như vậy tạo ra phản ứng dây chuyền.
Để duy trì được phản ứng dây chuyền, lượng nhiên liệu trong vùng hoạt động của lò phải đủ lớn. Neutron được sinh ra là những neutron nhanh, có năng lượng cao. Những neutron này được làm chậm để duy trì phản ứng phân hạch. Việc làm chậm được thực hiện nhờ chất làm chậm có trong vùng hoạt. Phản ứng dây chuyền được kiểm soát nhờ những thanh điều khiển có tính năng hấp thụ neutron được đưa vào trong vùng hoạt cùa lò phản ứng để giảm tốc độ hoặc dừng phản ứng dây chuyền. Ba loại lò phổ biến nhất hiện nay:
2.1.1 Lò phản ứng nước nặng PHWR
Loại lò này dùng nước nặng D2O để làm chậm neutron. Trong lò nước nặng áp lực, nhiên liệu được bố trí trong các ống chịu áp lực và nhiệt được tải đi ở từng ống riêng rẽ. Những ống áp lực này được đặt trong một thùng lớn chứa nước nặng làm chậm. Trong khi các lò nước nhẹ chỉ sử dụng uranium được làm giàu thì các lò nước nặng áp lực dùng nhiên liệu uranium tự nhiên làm hoặc được làm giàu chút ít.
2.1.2 Lò phản ứng nước sôi BWR
Hình 2.1 Cấu tạo lò phản ứng nước sôi BWR
Lò này chỉ sử dụng một chu trình. Nước được đun sôi trực tiếp rồi làm quay tua-bin phát điện, như vậy tua-bin bị nhiễm xạ nhưng lại có kết cấu nhỏ gọn và giá thành rẽ.
2.1.3 Lò phản ứng nước áp lực PWR
Lò này sừ dụng hai chu trình
- Chu trình thứ nhất nhận nhiệt từ lò phản ứng không làm sôi nước mà trao đổi nhiệt cho chu trình thứ hai.
-Chu trình thứ hai làm sôi nước do đó làm quay tua-bin, nên tua-bin không bị nhiễm xạ. Loại lò này được sử dụng cho mục đích quân sự, như công nghệ tàu ngầm
Lò phản ứng nước áp lực PWR là một trong những lò phản ứng hạt nhân dùng nước nhẹ làm chậm và chất tải nhiệt.
2.2.1 Cấu tạo
Lò phản ứng nước áp lực PWR có thể chia thành các vùng khác nhau, mỗi vùng sẽ có nhiệm vụ khác nhau trong từng bộ phận bên trong lò và gồm các bộ phận như hình 2.2
Hình 2.2 Cấu tạo lò phản ứng nươc áp lực PWR
Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng nước áp lực PWR bao gồm: Thùng lò, bình sinh hơi, bơm nước tải nhiệt, bình điều áp, ống tải nhiệt chính xem hình 2.3
Hình 2.3 Hệ thống tải nhiệt lò phản ứng áp lực PWR
-Thùng lò : Chứa nhiên liệu và các bộ phận bên trong lò, nó được thiết kế và chế tạo theo các tiêu chuẩn cao nhất, có thể chịu được áp suất và nhiệt độ tăng cao.
-Bình sinh hơi: Hơi được tạo ra ở vòng II trong bình sinh hơi, sau đó được dẫn đến làm quay tuốc-bin để phát điện, bình sinh hơi còn dùng để phân tán nhiệt dư sau khi lò phản ứng ngừng hoạt động. Ngoài ra bình sinh hơi là khâu kết nối giữa hệ thống lò phản ứng và hệ thống tua-bin.
-Bơm nước tải nhiệt : Các bơm này làm lưu thông chất tải nhiệt vòng I để tải nhiệt từ vùng hoạt của lò ra bình sinh hơi. Bơm tài nhiệt là loại bơm hút một tầng, trục thẳng đứng, có hiệu quả thuỷ lực rất cao.
-Bình điều áp: Bình điều áp được nối với một trong các vòng tuần hoàn sơ cấp, có nhiệm vụ điều khiển áp suất trong hệ thống bằng bộ đốt nóng điện và bộ phun nước.
-Ống tải nhiệt chính: Các ống tải nhiệt chính nối các bộ phận tuần hoàn với nhau, tạo nên vòng sơ cấp để tái tuần hoàn dòng chất tải nhiệt.
2.2.3 Thùng lò phản ứng
Thùng lò được thiết kế để tạo ra khu vực chứa năng lượng do các phản ứng dây chuyền sinh ra (hình2.4). Thùng lò phải chịu được áp suất cao, nhiệt độ tăng cao và ứng suất lớn, sự ăn mòn và tác dụng của bức xạ. Do đó, khi thiết kế thùng lò, phải tiến hành phân tích một cách chi tiết các ứng suất để kiểm tra xem thùng lò có chịu được mọi tác động hay không. Các chỉ số kỹ thuật được xác định rất kỹ lưỡng dựa trên vô số các phép thử. Việc chế tạo nhiều bộ phận của thùng lò bằng loại thép ít tạp chất đã qua rèn, sẽ làm giảm số mối hàn vốn đòi hỏi kiểm tra định kỳ. Khi thiết kế thùng lò ta cần chú ý:
-Bố trí vật liệu vùng lò: Để giảm bớt số lần kiểm tra và phơi nhiễm bức xạ, các phần vỏ lò vành khăn được chế tạo bằng cách rèn để giảm bớt số mối hàn bằng cách ghép nối các vành khuyên đó, các mối hàn đã được loại bỏ hoàn toàn khỏi đường vành đai của thùng lò.
Bảng 2.1 Các kích thước dùng để bố trí vật liệu vùng lò. 2- vòng 3- vòng 4- vòng Chiều cao
(m)
Độ dày (mm) 168 187 216 Đường kính trong (m) 3.4 4.0 4.4 Trọng lượng (tấn) 230 330 390
-Thiết kế cấu trúc thùng lò: Ngoài việc sử dụng máy tính lớn và thiết bị đồ hoạ đã làm đơn giản công việc phân tích chi tiết các ứng suất để thiết kế cấu trúc. Tuy nhiên, khi thiết kế một dạng phức tạp, ngưới ta sử dụng chương trình phân tích 3 chiều.
-Lựa chọn vật liệu chế tạo thùng lò: Bởi vì độ bền, khả năng chống rạn nứt là các tiêu chuẩn hết sức quan trọng khi chọn vật liệu chế tạo thùng lò.
Hình 2.4 Thùng lò phản ứng nước áp lực PWR Nhật Bản
2.2.3 Thanh điều khiển
Thanh điều khiển là một thiết bị cơ điện hoạt động theo nguyên lý chốt bằng từ, cơ cấu dịch chuyển thanh điều khiển dùng để di chuyển các thanh điều khiển hấp thụ neutron trong vùng hoạt. Trong trường hợp dừng lò khẩn cấp, khi dòng điện bị ngắt, các thanh điều khiển được đưa vào vùng hoạt nhờ trọng lực xem hình 2.5
2.2.4 Vùng hoạt và thanh nhiên liệu
-Vùng hoạt gồm các thanh nhiên liệu (hình 2.6), chất làm chậm và các thanh điều khiển.
.
2.2.5 Nhà lò [3]
Nhà lò chứa hệ thống tải nhiệt lò phản ứng, gồm thùng lò và các thiết bị sinh hơi. Nhà lò có tác dụng ngăn cản việc thoát các vật liệu phóng xạ ra môi trường. Nó là rào chắn cuối cùng khi có sự cố nghiêm trọng xảy ra.
-Nhà lò của loại nhà máy PWR có 2 vòng và 3 vòng (hình 2.7). Kiểu nhà lò hình trụ làm bằng bê tông cốt thép được dùng cho các nhà máy 2 vòng, 3 vòng.
Hình 2.7 Nhà lò của loại nhà máy 2 vòng và 3 vòng
-Nhà lò của loại nhà máy 4 vòng. Có 2 giải pháp đối với nhà lò của nhà máy 4 vòng. Một là nhà lò bê tông dự ứng lực có khả năng chịu động đất cao và được đánh giá có khả năng hoạt động tốt trong những lần kiểm tra hàng năm. Hai là nhà lò thép cường độ cao hỗn hợp, có thời gian xây dựng ngắn hơn mà vẫn chịu được động đất tốt như lò bê tông dự ứng lực (hình 2.8)
Hình 2.8a Hình 2.8b Hình 2.8 Nhà lò của loại nhà máy 4 vòng
2.2.6 Hệ thống tua-bin và máy phát điện
Hệ thống tua-bin và máy phát điện sử dụng trong các nhà máy PWR có những đặc điểm sau đây:
- Độ tin cậy cao: Rô-to hạ áp có độ bền cao chống lại sự ăn mòn ứng suất, các cánh rô-to chịu lực và các đường soi lắp cánh với độ bền cao chống lại sự ăn mòn, các vật liệu và cấu trúc chống lại sự ăn mòn do hơi ẩm.
- Hiệu quả cao: Sử dụng các cánh phản lực mang lại hiệu năng cao, đặc biệt thích hợp với tua-bin hạt nhân
- Các đặc điểm vận hành: Hệ thống trục tua-bin – máy phát thực hiện vận hành theo kiểu tái đóng-mở, ba pha, tốc độ cao. Các cánh tua-bin tạo ra vận hành chu kỳ thấp.
2.2.7 Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng nươc áp lực PWR [8]
Lò phản ứng nước áp lực PWR sử dụng hai chu trình hoạt động: chu trình một nhiệt từ lò phản ứng không làm sôi nước mà trao đổi nhiệt cho chu trình thứ hai. Đầu tiên chất tải nhiệt (nước thường hay nước nặng) được bơm vào lòng lò,
dưới tác dụng của nhiệt độ, nước trên bề mặt bị hoá hơi, làm chạy tua-bin phát điện. Trong chu trình khép kín thứ hai, máy hút hơi nước và khí từ tua-bin vào bộ phận ngưng tụ và được làm lạnh qua hệ thống trao đổi nhiệt thứ hai trước khi nó đến máy phát hơi nước. Nồi áp lực và máy phát hơi nước được chứa trong bể lò phản ứng thường được làm bằng bê tông, có nơi được làm bằng thép, nhằm mục đích không cho hoạt độ phóng xạ thoát ra ngoài môi trường và bảo vệ lò tranh khỏi tác động từ bên ngoài.
Sơ đồ mô tả một hệ thống cung cấp hơi nước dùnglò phản ứng nước áp lực PWR chỉ ra trong hình 2.9. Một hệ thống lớn tiêu biểu cung cấp 1300 MW điện năng có lõi lò hình trụ chiều cao 4,2m và đường kính mặt đáy 3,4m. Lõi lò chứa khoảng 200 bó nhiên liệu, mỗi bó nhiên liệu có khoảng 200 thanh nhiên liệu thẳng đứng sắp xếp thành hình vuông. Trong một số bó thanh nhiên liệu người ta chừa lại một số khoảng trống làm ống dẫn để chèn vào đó những thanh điều khiển. Bên ngoài lõi lò và bên trong thùng lò là một hình trụ bằng thép dùng cho chất làm nguội chảy. Hệ thống hoạt động ở áp suất khoảng 15,5Mpa với nhiệt độ làm nguội khi chảy ra khỏi lõi lò khoảng 3300C. Năng lượng trong nước làm nguội chảy ra thì chuyển thành nước sôi chảy vào máy tạo hơi nước hoạt động ở một áp suất thấp hơn khoảng 7,6Mpa.
Hình 2.9 Sơ đồ lò phản ứng nước áp lực PWR
2.3 Xây dựng nhà máy điện hạt nhân PWR [3]
Nhà máy điện hạt nhân là hệ thống rất phức tạp. Do đó, cần phải xây dựng một lịch trình bao quát về tiến hành kiểm tra chất lượng suốt từ giai đoạn lập kế hoạch và thiết kế cho đến khi chạy thử. Hiện nay, do nhu cầu sử dụng năng lượng điện phục vụ sản xuất, nhiều quốc gia đã và đang tiến hành xây dựng những nhà máy điện hạt nhân PWR như hình 2.10 công ty Mitsubishi Nhật Bản xây dựng nhà máy điện hạt nhân PWR trong thời gian rất ngắn với cách áp dụng nhiều phương pháp tiên tiến như phương pháp chế tạo các đơn nguyên và phương pháp bê tông cốt thép ghép tấm. Công tác kiểm tra chất lượng được tiến hành ở trình độ cao kể cả việc sử dụng hệ thống kiểm soát lịch trình dự án tổng hợp.
Hình 2.10 Công trường xây dựng nhà máy điện hạt nhân ở Nhật Bản
2.4 Chất thải của lò phản ứng nước áp lực PWR [7],[8]
Trong quá trình lò hoạt động, nhiên liệu bị đốt cháy sinh ra các sản phẩm phân hạch, các sản phẩm này gọi là xỉ lò phản ứng như: Plutonium, Uranium, Xenon,…các xỉ này nhìn chung đều là các nguyên tố có khả năng phóng xạ, trong đó có những đồng vị phóng xạ có chu kỳ bán rã rất lâu. Những chất thải này ảnh hưởng xấu đến môi trường xung quanh, gây nguy hiểm đến cuộc sống con người.
Trong chất thải hạt nhân nhiều đồng vị sinh ra một số lượng lớn, như các đồng vị Plutonium mỗi năm có khoảng 50 tấn nằm trong nhiên liệu đã được đốt cháy. Hiện nay trên thế giới lượng Plutonium tồn động khoảng 1000 tấn từ việc tách ra ở các thanh nhiên liệu đã cháy cộng với việc giải trừ vũ khí hạt nhân của Mỹ và Nga.
Đối với lò phản ứng nước áp lực PWR Actinide có thể là chất thải, nhưng lại phân hạch trong lò phản ứng nhanh. Theo tính toán, nếu xây dựng một nhà máy điện hạt nhân kiểu lò nước áp suất cao có công suất 1000 MW. Như vậy, trung bình một năm lò này sinh ra 21 tấn chất thải bao gồm:[1]
20 tấn nhiên liệu chứa Uranium với hàm lượng 0.9%.
200 Kg Pu
21 Kg các nguyên tố họ Actinide: Neptunium, Americium, Curium,… 760 Kg các sản phẩm phân hạch có khả năng phóng xạ. 9 Kg Cs, T1/2 =2.3 x 106 năm. 18 Kg Te, T1/2 =2.14 x 106 năm. 16 Kg Zirconi, T1/2 = 1.5 x 106 năm. 5.5 Kg Paladi, T1/2 = 6.5 x 106 năm. 3 Kg Iot, T1/2 = 1.5 x 106 năm.
Những chất thải này sẽ qua một quá trình tái chế hoặc tái sử dụng lại cho lò phản ứng. Cần phải được giám sát chặt chẽ vì chỉ cần 9 Kg 239Pu người ta có thể tạo ra một quả bom nguyên tử. Vì vậy, vịêc quản lí chất thải lò phản ứng rất quan trọng. Ngoài việc xử lý tách hoá, tái sinh nhiên liệu, công vịêc này rất khó và tốn kém, nên đa phần người ta xử lý bằng cách này cũng không an toàn tuyệt đối khi thời gian chôn cất kéo dài hàng chục năm.
Mặc khác nếu đem chôn cất thì lãng phí do Uranium không còn đủ dùng trong tương lai, và 239Pu là vật liệu tạo nên bom nguyên tử, nếu bị chôn cất quá nhiều sẽ gây ảnh hương nghiêm trọng đến môi trường sống của chúng ta. Để bảo