IV. Lị phản ứng
2. Các thành phần của lị phản ứng
Lị phản ứng hạt nhân là thiết bị cĩ thể điều khiển và kiểm sốt phản ứng phân hạch để thu được năng lượng nhiệt do phản ứng phân hạch tạo ra. Cấu tạo của lị gồm các bộ phận chủ yếu sau:
Hình 3.8: Lị phản ứng
• Nhiên liệu hạt nhân tạo ra sự phân hạch và sinh nhiệt.
• Chất làm chậm với chức năng làm giảm tốc độ của các nơtron sinh ra từ phản ứng phân hạch để tạo đều kiện cho phản ứng dây chyền xảy ra.
• Bộ phận tải nhiệt với chức năng thu nhiệt sinh ra do phản ứng phân hạch hạt nhân từ tâm lị phản ứng để di chuyển ra bộ phận bên ngồi.
• Bộ phận điều khiển để điều chỉnh quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân.
a) Nhiên liệu
Nguyên liệu thường được sử dụng trong các lị phản ứng hạt nhân là U235, U233, hoặc Pu239. Phản ứng dây chuyền xảy ra dưới tác động ban đầu của các hạt nơtron. Các lị phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu U235 nghèo, nơtron kích hoạt là các nơtron năng lượng thấp (nơtron chậm). Các lị phản ứng hạt nhân sử dụng Pu239 hoặc U235 làm giàu, thường sử dụng nơtron kích hoạt cĩ năng lượng lớn (nơtron nhanh).
Hình 3.9: Nhiên liệu lị phản ứng
Các lị phản ứng hạt nhân thơng thường hiện nay sử dụng nguyên liệu Uranium oxide UO2 chứa 5% U235. Thanh nhiên liệu cho các lị phản ứng hạt nhân được làm thành dạng viên hình trụ, hình cầu, tấm… Chúng được xếp vào các hộp zircalloy 4 (hợp kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và khơng hấp thụ nơtron). Phổ biến nhất là dạng hình trụ, tập hợp thành bĩ vuơng gồm khoảng 200 thanh. Người ta cịn chừa một số vị trí trong đĩ để đặt các thanh điều khiển.
Hình 3.10: Thanh nhiên liệu
Urani tự nhiên chỉ chứa 0,7% U235 phân hạch nên chỉ sử dụng làm nhiên liệu cho lị phản ứng hấp thụ nơtron và sử dụng chúng một cách hiệu quả như lị nước nặng hoặc lị phản ứng làm nguội bằng khí và dùng chất làm chậm là than chì.
Nước nhẹ cĩ thể dễ điều chế và rẻ tiền nhưng khả năng hấp thụ nơtron lớn nên khơng thể sử dụng Urani tự nhiên làm nhiên liệu cho lị phản ứng nước nhẹ. Lị phản ứng nước nhẹ sử dụng nhiên liệu Urani được làm giàu trên dưới 4% ở dạng oxit urani. Cịn Pu thì thích hợp làm nhiên liệu cho lị phản ứng tái sinh nhanh.
b) Chất làm chậm
Cĩ nhiệm vụ làm giảm năng lượng của các hạt nơtron sinh ra trong phản ứng dây truyền, tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra dễ dàng. Chất làm chậm cĩ hai tính chất sau:
• Hấp thụ nơtron hiệu quả.
• Giảm tốc độ của nơtron với hiệu suất cao.
Vì vậy, vật liệu thích hợp cho chất làm chậm thường là những nguyên tố cĩ nguyên tử khối nhỏ. Các loại chất làm chậm thơng thường :
• Nước nhẹ H2O: cĩ hiệu suất làm chậm rất tốt, giá thành rẻ nhưng nhược điểm là hấp thụ nơtron một cách lãng phí.
• Nước nặng D2O: cũng cĩ hiệu suất làm chậm tốt, nhưng do khơng hấp thụ nơtron một cách lãng phí nên cĩ thể nĩi đây là chất giảm tốc lý tưởng nhưng giá thành rất cao và khĩ điều chế.
• Than chì (graphite): tuy hiệu suất làm chậm thấp, nhưng lại hấp thụ ít nơtron và giá thành tương đối rẻ.
• Nước nặng cĩ giá thành cao, nên chỉ sử dụng trong các lị phản ứng hạt nhân sử dụng nguyên liệu là Urani tự nhiên chưa qua làm giàu. Thơng thường người ta sử dụng nước làm chất làm chậm. c) Chất tải nhiệt:
Chất thu nhiệt sinh ra trong lị phản ứng và chuyển ra bên ngồi gọi là chất tải nhiệt. Chất tải nhiệt cĩ thể chạy trong các ống áp lực, hoặc chạy trực tiếp qua vùng phản ứng. Chất tải nhiệt thơng thường là nước, khí gas, hoặc kim loại nĩng chảy như Natri.
Lị phản ứng nước nhẹ dùng chất tải nhiệt là nước nhẹ; Lị phản ứng nước nặng dùng chất tải nhiệt là nước nặng; Lị khí thì sử dụng chất tải nhiệt là khí Carbon Dioxit CO2 hoặc Heli và lị phản ứng tái sinh nhanh thì sử dụng chất tải nhiệt là Natri.
Thơng thường để đảm bảo an tồn, trong nhà máy điện hạt nhân sử dụng 2 đến 3 vịng truyền nhiệt để truyền nhiệt năng từ tâm lị phản ứng đến bộ phận tạo hơi.
• Vịng truyền nhiệt sơ cấp: chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng phản ứng, nhận năng lượng sinh ra từ phản ứng dây truyền, đi đến bộ phận trao đổi nhiệt, truyền nhiệt năng nĩ mang theo cho vịng truyền nhiệt thứ hai.
• Vịng truyền nhiệt thứ cấp: chất dẫn nhiệt được bơm vào vùng trao đổi nhiệt với vịng truyền nhiệt sơ cấp, nhận nhiệt năng và chuyển đến bộ phận tạo hơi nước làm quay tua bin. Trong một số lị phản ứng hạt nhân, để đảm bảo an tồn cĩ thể cĩ đến 2 vịng thứ cấp. Thiết bị của các vịng truyền nhiệt sơ cấp được đặt trong một lớp vỏ bảo vệ sinh học.
Các thanh điểu khiển dùng để điều khiển tốc độ của các phản ứng hạt nhân xảy ra trong lị phản ứng. Chúng được làm từ những vật liệu cĩ tính hấp thụ nơtron cao (Cd, Bo)
Khi nhà máy hoạt động, nhiệt độ ở tâm lị được theo dõi một cách chặt chẽ. Khi nhiệt độ giảm xuống quá thấp, các thanh điều khiển được nâng lên và do đĩ, ít nơtron sinh ra trong phản ứng dây chuyền bị hấp thụ hơn. Các nơtron khơng bị hấp thụ sẽ tham gia vào phản ứng dây chuyền, sinh ra nhiều năng lượng hơn. Cịn khi nhiệt độ tâm lị phản ứng quá cao, các thanh điều khiển được đưa xuống thấp để hấp thụ bớt nơtron, làm giảm tốc độ phản ứng dây chuyền.
Hình 3.11: Nguyên lý hoạt động của thanh điều khiển
Trong trường hợp khẩn cấp, các thanh điều khiển sẽ tự động được đưa sâu vào trong tâm lị phản ứng, hấp thụ tồn bộ nơtron sinh ra, dừng hẳn phản
ứng dây chuyền, nhà máy ngừng hoạt động. 3. Các thế hệ lị phản ứng
Từ khi xuất hiện đến nay, nhà máy điện hạt nhân đã được thiết kế và cải tiến đảng kể. Những cải tiến ở thế hệ sau so với thế hệ trước là:
• Cải thiện hiệu quả phản ứng để tiêu tốn nhiên liệu ít hơn, tăng lượng năng lượng sinh ra
• Cải thiện độ an tồn
• Cải tiến nhiên liệu để cĩ nguồn nguyên liệu giá rẻ hơn .
Các nhà sản xuất đã chia các lị phản ứng thảnh 4 thế hệ, gồm các lị trong quá khứ, hiện tại và các lị đang được nghiên cứu để triển khai trong tương lai
Hình 3.12: Các thế hệ lị phản ứng
a) Thế hệ I
Lị phản ứng cĩ tên Magnox là một lị phản ứng đầu tiên được sản xuất và tung ra thị trường những năm đầu thập niên 50 do ba nhà vât lý người Anh sáng chế là: Ts.Ion, Ts.Khalit, và Ts.Magwood. Lị Magnox sử dụng nguyên liệu Urani thiên nhiên, trong đĩ chỉ cĩ 0,7% chất đồng vị U235 và 99,2% U238. Nguyên tắc vận hành cĩ thể được tĩm tắt như sau: các ống kim loại Urani này được bao bọc bằng một lớp hợp kim nhơm (Al) và magie (Mg). Một lớp than graphit đặt nằm giữa ống Urani và hợp kim trên cĩ mục đích làm chậm bớt vận tốc phĩng thích nơtron do sự phân hạch U235. Từ đĩ các nơtron trên sẽ va chạm mạnh với hạt nhân của U235 để các phản ứng dây chuyền liên tục xảy ra. Đây là một phản ứng phát nhiệt rất lớn và nhiệt năng này được đưa đến một tuabin hơi nước để từ đĩ biến thành điện năng.
Việc điều khiển vận tốc phản ứng dây chuyền hoặc chặn đứng phản ứng là một cơng việc quan trọng bậc nhất của một lị phản ứng. Trong cơng đoạn này lị Magnox sử dụng một loại thép đặc biệt, loại thép này cĩ tính chất hấp
thụ các nơtron, do đĩ cĩ thể điều khiển phản ứng theo ý muốn. Cĩ tất cả 26 lị phản ứng Magnox đã hoạt động ở nước Anh, hiện tại chỉ cịn 8 lị cịn đang hoạt động và sẽ bị đào thải vào năm 2010.
Hình 3.13: Lị phản ứng Magnox
b) Thế hệ II
Gồm có: LWR, BWR, PWR, CANDU hay Pressurized Heavy Water Reactor – PHWR. (CANDU - Canadian Deuterium Uranium). Loại lò này đã ra đời vào thập niên 70, hiện chiếm đa số các lò đang hoạt động trên thế giới. Từ lúc ban đầu, 60% loại lò này áp dụng nguyên lý lò nước sôi áp suất cao (Pressurized Water Reactor - PWR), trong đó nước sôi áp suất cao được sử dụng vừa làm dung dịch làm nguội, vừa làm dung dịch điều hoà phản ứng. Nhiên liệu sử dụng cho lò thế hệ II này là hợp chất Urani điôxit U2O và hợp kim này được bọc trong các ống cấu tạo bằng kim loại zirconi. Trong loại lò này, U235 sẽ được làm giàu từ 0.7% đến 3.5%.
Nước làm mát trong PWR luôn được duy trì ở một áp suất lớn hơn áp suất hơi bão hoà của nước tương ứng với nhiệt độ tối đa mà nó có thể đạt được để tránh toàn khối nước bị sôi lên. Bởi vì nuớc là chất lưu không bị nén, sự thay đổi về thể tích, do nhiệt độ tỏa ra từ phản ứng, sẽ gây ra những thay đổi nghiêm trọng về áp suất. Điều này rất nguy hiểm. Để tránh hiện tượng này, người ta thiết kế một buổng triệt áp nhằm tạo một chỗ trống để nước có thể thay đổi thể tích mà không ảnh hưởng gì đến áp suất.
Giới hạn quan trọng nhất trong lò PWR là nhiệt độ của nước 374oC. Trong thực tế, các lò thường có nhiệt độ là 300oC vì lý do an toàn. Áp suất của nước phải lớn hơn áp suất hơi bão hoà của nước ở nhiệt độ 300oC là 85.93 bar để tránh không cho khối nước này bị sôi lên. Thông thường áp suất được duy trì ở mức 155 bar. Các ống dẫn trong PWR làm bằng thép, dày từ 20 - 25 cm. Một PWR tiêu biểu chứa khoảng 200 bó nhiên liệu (fuel assembly). Mỗi ống có 264 thanh nhiên liệu và 24 ống chứa thanh điều khiển.
Nhưng các loại lò này dần dần được thay thế bằng các áp dụng nguyên lý của lò nước sôi (Boiling Water Reactor-BWR). Một khác biệt cơ bản là nước được đun sôi rồi mới chuyển qua hệ thống làm tăng áp suất. Như vậy, phương pháp này sẽ rút ngắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nước khi chuyển nhiệt lượng qua các tuabin để biến thành điện năng.
BWR khác so với PWR ở chỗ hơi nước làm quay turbine được tạo trực tiếp ở lòng lò. Hơi nước được tách ra và làm khô bởi thiết bị cơ khí được đặt ở phần trên của các ống áp lực. Hơi nước khô được đưa trực tiếp tới turbine áp lực cao, do đó ta không cần có máy sinh hơi nước. Trong trường hợp này, chất làm mát còn đóng vai trò moderator và lưu chất làm việc. Vì chất làm mát sôi trong lòng lò, áp suất của nó thấp hơn áp suất trong PWR, nó được duy trì ở 70 bar, nhiệt độ 285oC. Tuy nhiên, tăng mức sôi sẽ làm mất nước trong lòng lò, giảm khả năng làm chậm neutron (moderator), giảm khả năng của lò phản ứng.
• Lò phản ứng CANDU hay PHWR: Đây là mẫu lò phản ứng do Canada
thiết kế, sử dụng nước nặng ở áp suất cao. Nước nặng ở đây là Deuterium Oxit D2O, làm dung dịch trung hoà cũng chính là nguồn lạnh, và nhiên liệu sử dụng là Uranium thiên nhiên.
Ưu điểm nội trội của lò này thể hiện ở nhiên liệu sử dụng, môi trường trung hoà cũng như cấu trúc của lõi lò. Lò phản ứng này 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.
Hình 3.16: CANDU hay PHWR
Vì sử dụng nước nặng, nên nhiên liệu không cần phải qua quá trình làm giàu. Các lò CANDU có thể được cấp nhiên liệu thông qua hệ thống bình nhiên liệuphóng xạ thấp, bao gồm các ống đã qua sử dụng ở lò phản ứng nước nhẹ. Điều này hạn chế sự phụ thuộc của nguồn uranium nếu xảy ra quá trình khan hiếm hay giá cả leo thang. Nước nặng Deuterium oxide D2O có hiệu suất lớn bởi vì khả năng hấp thụ netron chậm cao và thích hợp với tất cả các hệ thống lò thương mại đượng thời.
Bằng việc duy trì phản ứng dây truyền sử dụng nguyên liệu uranium tự nhiên. Nước nặng có thời gian hoạt động được cao hơn và cả thời gian sống của dự án và có thể tái sử dụng.
Một điểm nội trội nữa của loại lò này đó chính là thiết kế của lõi lò. Lõi lò chứa rất nhiều các ống nhiên liệu nhỏ, chứ không phải 1 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.
• Lò phản ứng HTGR (High Temperature Gas-cooled Reactor):
Đây là lò phản ứng gas làm mát thế hệ thứ hai của Anh, sử dụng than chì điều tiết và Cacbon Dioxide (CO2) là chất làm nguội. Nhiên liệu là các viên uranium oxitde để nâng cao chất lượng từ 2.5-3.5%. Cacbon dioxide tuần hoàn xuyên qua lõi ở nhiệt độ 6500C, và qua máy phát tua bin hơi ra ngoài lõi, nhưng vẫn bên trong khối bê tông và ống thép áp lực.
Loại lò phản ứng này được phát triển từ lò phản ứng Magnox, cũng dùng than chì làm chất điều thiết và CO2 là chất làm mát. Một số lò vẫn còn hoạt động ở UK. Các lò này sử dụng nhiên liệu Uranium thiên nhiên dạng kim loại.
Hình 3.17: High Temperature Gas-cooled Reactor - HTGR
• Lò phản ứng LMFBR (Liquid Metal Fast Breeder Reactor)
Chẳng bao lâu sau sự ra đời của nhà máy hạt nhân đầu tiên, các nhà khoa học và kỹ sư bắt đầu lo lắng về khả năng thiếu hụt nhiên liệu hạt nhân vì nguồn cung cấp uranium chỉ tập trung ở một vài nơi thuộc châu Phi và Tây Âu. Tình hình thật sự nghiêm trọng khi nhà máy năng lượng đầu tiên lấy U235 làm nhiên liệu và đồng vị phóng xạ này chỉ chiếm 0.7% lượng uranium tự nhiên. Việc thiếu hụt uranium đã trở thành động cơ để tìm kiếm một giải pháp nhằm làm tăng nguồn nhiên liệu bằng cách phát triển các lò phản ứng có thể sử dụng tốt hơn các tài nguyên sẵn có. Các nhà thiết kế bắt đầu nghĩ đến việc sử dụng U238, chiếm 99,3% lượng uraium tự nhiên, làm nhiên liệu sản xuất điện năng. Vào những năm 1950, các nhà khoa học đã phát minh ra một lò phản ứng mới, gây nên một cụôc cách mạng trên thế giới. Nó được đặt tên là Fast Breeder.
Trong dạng loại lò này, phản ứng phóng xạ vừa tạo ra nhiệt để làm hơi nước, chạy tua bin, vừa tạo nguyên liệu phóng xạ từ những đồng vị phóng xạ khác. Plutonium, Pu239, là nhiên liệu thường được dùng trong loại lò này. Hệ thống làm lạnh và truyền nhiệt sử dụng các kim loại lỏng như Kali, Liti. Kali là nguồn phong phú và thường được sử dụng nhất.
Hình 3.18: Liquid Metal Fast Breeder Reactor - LMFBR
Mô hình lò phát sinh này đòi hỏi phải trải qua quá trình làm giàu nhiên liệu U235, thường lên tới 15-30% so với lò phản ứng nước nhẹ. Nhiên liệu được bao quanh bởi một cái “chăn” tạo bởi Uranium không phóng xạ U238. Không có dung dịch trung hoà được sử dụng do neutron nhanh có hiệu quả cao trong quá trình biến đổi U238 sang Pu239.
Sử dụng nước làm nguồn nguội có thể làm chậm nơtron nhưng do sử dụng dung dịch kali đã phá vỡ quá trình trung hoà và tạo ra hiệu suất truyền nhiệt rất cao.
c) Thế hệ III và III+
Kể từ cuối thập niên 80, thế hệ III bắt đầu được nghiên cứu với nhiều cải tiến từ các lò phản ứng loại BWR của thế hệ II. Năm 1996, tại Nhật đã có lọai này. Hiện tại các lò này đang được sử dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới vì thời gian xây dựng tương đối ngắn (chỉ xây khoảng 3