4. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc của lò phản ứng hạt nhân 1 Cấu tạo của lò phản ứng hạt nhân.
4.2Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng hạt nhân.
Khi nguyên tử urani hoặc plutoni hấp thụ một neutron, nó có thể trải qua phản ứng phân hạch hạt nhân để tách thành nhiều hạt nhỏ hơn. Phản ứng phân hạch sản sinh một lượng nhiệt lớn cùng neutron mới. Những neutron mới tiếp tục bắn phá nguyên tử urani hoặc plutoni để tạo nên phản ứng dây chuyền. Toàn bộ quá trình phân hạch xảy ra trong trong lõi bằng thép của lò phản ứng. Nhiệt mà phản ứng tạo khiến nước sôi và bốc hơi. Luồng hơi nóng của nước làm quay các turbin và tạo ra điện. Trong lõi của lò phản ứng, nguyên tố urani hoặc plutoni được nạp vào các thanh nhiên liệu (màu đỏ) chìm trong nước. Các thanh điều khiển (màu đen) để làm nhanh hoặc chậm quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân được đặt bên dưới các thanh nhiên liệu. Khi sự cố bất ngờ, như động đất, xảy ra thì các thanh điều khiển tự động kích hoạt và trồi lên, nằm xen kẽ với các thanh nhiên liệu nhằm hấp thụ neutron từ các thanh nhiên liệu. Do bị hấp thụ, các hạt neutron không thể bắn phá nguyên tử urani hoặc plutoni nên phản ứng phân hạch chấm dứt và lò phản ứng ngừng hoạt động. Trong kiểu lò nước áp lực, nước được bơm vào lõi để hấp thu nhiệt từ các thanh nhiên liệu. Sau đó nó chảy qua một hệ thống kín để sôi. Hơi nước được dẫn sang buồng chứa turbin để làm quay turbin. Chuyển động quay của turbin được truyền sang máy phát điện. Trong lò nước sôi, nước sôi ngay sau khi hấp thu nhiệt từ các thanh nhiên liệu và hơi được dẫn sang buồng chứa turbin. Ra khỏi turbin, nước được làm nguội tại một tháp để quay trở lại dạng lỏng. Sau đó nước tiếp tục chảy tới buồng tạo hơi. Lò phản ứng được đặt trong một bể chứa bằng sắt không rỉ.
Bên ngoài bể chứa được gia cố bằng lớp tường xi măng có độ dày hàng mét để ngăn chặn chất phóng xạ rò rỉ ra ngoài trong trường hợp sự cố xảy ra Theo thời gian, nhiên liệu hạt nhân biến thành nguyên tố nhẹ hơn và không thể gây nên phản ứng phân hạch. Nếu không được tái chế hoặc làm giàu, chúng sẽ trở thành chất thải hạt nhân. Cũng như các nhà máy điện thông thường tạo ra điện bằng cách khai thác năng lượng nhiệt từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, các lò phản ứng hạt nhân biến đổi năng lượng nhiệt phát ra từ phân hạch hạt nhân.
Sự phân hạch
Khi một hạt nhân nguyên tử phân hạch lớn như Urani 235 hoặc Plutoni 239 hấp thụ một neutron, nó có thể trải qua phân hạch hạt nhân. Các hạt nhân nặng chia tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn, giải phóng năng lượng, bức xạ gamma và nơtron tự do; được gọi chung là sản phẩm phân hạch. Các nơtron sinh ra sau mỗi phân hạch lại có thể bị hấp thụ bởi các hạt nhân ở gần đó, làm xảy ra phân hạch tiếp theo và cứ thế, sự phân hạch diễn ra thành một dây chuyền. Số phân hạch tăng lên rất nhanh trong một thời gian rất ngắn tạo thành một chuỗi phản ứng hạt nhân. Các nguyên liệu hấp thụ nơtron thường được sử dụng như nước nhẹ (75% các lò phản ứng trên thế giới) than chì rắn (20%) và nước nặng (5%). Berili cũng đã từng được sử dụng trong một số kiểu thí nghiệm, và hydrocarbon đã từng được đề xuất sử dụng.
Phát nhiệt
• Động năng của sản phẩm từ phản ứng phân hạch được chuyển đổi thành nhiệt năng khi những hạt nhân đó va chạm vào những nguyên tử gần đó.
• Một số tia gamma tạo ra từ phản ứng phân hạch được lò phản ứng hấp thụ, và năng lượng đó được biến đổi thành nhiệt.
• Nhiệt năng tạo ra từ sự phân rã phóng xạ của sản phẩm và nguyên liệu cho phản ứng nhiệt hạch đó được kích hoạt bởi sự hấp thụ nơ-tron. nguồn nhiệt phóng xạ đó sẽ còn dư cho trường hợp lò phản ứng tạm ngưng hoạt động.
1 kilogram đồng vị urani-235 (U-235) chuyển đổi qua quá trình phản ứng hạt nhân giải phóng ra xấp xỉ 3 triệu lần lượng năng lượng mà 1 kilogram than đá được đốt cháy một cách thông thường (7.2 × 1013 jun/kilogram của uranium-235 so với 2.4 × 107 jun/kilogram của than đá).
Làm mát
Kiểm soát phản ứng Điện năng
Năng lượng giải phóng trong quá trình phân hạch tạo ra nhiệt, một phần trong đó có thể được chuyển đổi thành năng lượng sử dụng được. Một phương pháp phổ biến nhằm khai thác năng lượng nhiệt này là sử dụng nó đun sôi nước, tạo ra hơi nước áp suất cao mà sau đó sẽ quay một tua bin hơi nước và tạo ra điện.