Nguyên tắc làm việc của nhà máy điện nguyên tử khơng khác nhiều so với nguyên tắc làm việc của nhà máy nhiệt điện. Lị phản ứng hạt nhân chính là nơi cung cấp nhiệt năng tạo ra hơi nước cho các động cơ hơi nước phát điện .
Hình 3.2: Cấu trúc nhà máy điện nguyên tử
Cấu trúc một nhà máy điện nguyên tử thường gồm 4 phần chính tương ứng như hình 3.2:
Tịa nhà chính (Containment Building - C): gồm lị phản ứng (Reactor Vessel), lị sinh hơi (Steam generator), máy áp lực (Pressurizer), bơm làm mát (Reactor Coolant Pump)
Nhà tuabin (Turbine Building - A): gồm tuabin, máy phát (Generator), bình ngưng tụ (Condenser), máy nén khí (Air Compressor), bơm…
Nhà phụ (Auxiliarry Building - B): cĩ phịng điều khiển (control room), máy phát dự phịng…
Nhà nhiên liệu (Fuel Building - D): dùng để chứa nhiên liệu đã qua sử dụng (spent fuel) và chưa sử dụng (new fuel) cho lị phản ứng
Một nhà máy điện nguyên tử cĩ nhiều bộ phận khác nhau, nhưng quan trọng nhất là lị phản ứng (Reactor Vessel), nơi diễn ra các phản ứng dây chuyền. Năng lượng tỏa ra từ phản ứng dây chuyền được các chất dẫn nhiệt truyền ra ngồi. Để điều khiển các phản ứng dây chuyền, người ta sử dụng hệ thống điều khiển và bảo vệ, hệ thống này được làm từ các vật liệu cĩ khả năng hấp thụ các hạt nơtron cao (Bo, Cd). Thanh điều khiển cĩ thể di chuyển
lên cao hoặc xuống thấp gần các thanh nhiên liệu nhờ các nam châm điện. Trong trường hợp khẩn cấp, người ta ngắt điện cho các chất hấp thụ nơtron rơi vào tâm lị, làm ngừng phản ứng hạt nhân.
Tất cả các lị phản ứng hạt nhân đều hoạt động ở những mức cơng suất cao. Ngồi nhiệt năng, trong lị cịn sản sinh ra một số lượng lớn nơtron, các tia γ và các tia β. Ngay cả khi lị đã bị dập, cường độ phĩng xạ của các tia γ
và β vẫn cịn lớn do cĩ một lượng lớn sản phẩm phĩng xạ trong quá trình phân hạch sinh ra. Chẳng hạn một lị cĩ cơng suất 10MW cĩ thể sản ra 109 curi các sản phẩm phân hạch, đây là một cường độ phĩng xạ gần đúng tương đương với cường độ phĩng xạ của khối 1000 tấn radi. Cho nên phần lớn các lị phản ứng đều bọc kín nhiên liệu trong một “vỏ” vật liệu. Vật liệu thường được dùng làm vỏ là: nhơm, thép khơng gỉ, ziriconi. Thứ nữa, để đảm bảo an tồn cho những người làm việc quanh lị phản ứng, ta phải cĩ thêm những vật chắn để tránh các nơtron nhanh cũng như các tia γ vì chúng cĩ các bức xạ cĩ khả năng xuyên thấu mạnh, cĩ tác dụng phá huỷ mơ tế bào cao.
Như ta đã thấy trên đây, để làm chậm các nơtron nhanh để chúng dễ dàng bị U235 bắt, ta phải dùng loại vật liệu cĩ nguyên tử khối nhỏ. Trong khi đĩ, để chắn cĩ hiệu quả nhất đối với các tia γ lại phải dùng vật liệu cĩ nguyên tử khối lớn. Do đĩ, người ta thường dùng hỗn hợp những chất cĩ nguyên tử khối nhỏ và lớn để làm vật chắn. Trong một số trường hợp, người ta dùng nhiều lớp chì (Pb) và Polyetilen (PE) để làm vật chắn, cịn trong đa số trường hợp người ta dùng bêtơng cho tiết kiệm. Người ta cịn dùng loại bêtơng đặc biệt là bêtơng thơng thường cĩ thêm cốt sắt hoặc pha quặng sắt để tăng tỷ trọng và hiệu quả trong việc chắn tia γ.
III. NHIÊN LIỆU HẠT NHÂN
Nhiên liệu là các chất khi cháy cho nhiệt năng. Nhiên liệu được biết đến như than, gỗ, khí thiên nhiên hay dầu mỏ. Tương tự như vậy uranium dùng trong các nhà máy điện hạt nhân được gọi là điện hạt nhân.
Trong tự nhiên uranium tìm thấy trong lớp vỏ địa cầu là một sự pha trộn phần lớn của 2 chất đồng vị uranium 238 (U238) chiếm 99.3%, uranium 235 (U235) vào khoảng 0.7%. chất đồng vị U235 là quan trọng hơn. Bởi vì trong điều kiện nhất định nĩ cĩ thể bị phân rã và cung cấp nhiều năng lượng. U238
phân rã rất chậm chạp, chu kỳ bán rã bằng tuổi thọ của trái đất. Mặc khác trong lị phản ứng nguyên tử U238 cĩ thể bắt một trong những neutron đang hướng về bên trong lõi lị phản ứng và trở thành Pu239. Pu239 rất giống U235 ở chỗ trong những lị phản ứng phân hạch khi bị va chạm bởi một neutron nĩ giải phĩng ra nhiều năng lượng. Do cĩ rất nhiều U238 trong lõi lị phản ứng (chiếm hầu hết nhiên liệu) nên những phản ứng này xuất hiện thường xuyên và trên thực tế khoảng 1/3 năng lượng của nhiên liệu tạo nên do sự phân rã của Pu239.
1. Quá trình chuẩn bị nhiên liệu
Tách uranium ra từ quặng: uranium khơng được khai thác trực tiếp dưới dạng tinh khiết vì ở trạng thái thiên nhiên nĩ nằm trong đá kết hợp với các nguyên tố hĩa học khác. Những loại đá giàu uranium nhất là quặng uranium (U) chẳn hạn như têchblen.
Tuyển quặng và tinh chế U: khi tách đá ra khỏi quặng được đem đi nghiền nát và U được chiết xuất ra bằng các phương pháp hĩa học. Tinh quặng chế tạo ra cĩ dạng bột nhão màu vàng gọi là “bánh vàng” chứa khoảng 75% oxit U. “Bánh vàng này phải được loại hết mọi tạp chất qua nhiều giai đoạn là tinh khiết. Sau khi đạt độ tinh khiết cao thì được chuyển hĩa thành tetraflorua (UF4). Trước khi được làm giàu, UF4 được qua một cơng đoạn tinh chế thành UF6 cĩ đặc tính là ở thể khí và bắt đầu từ 560C.
Hình 3.3: Bánh vàng
Làm giàu U: trong tự nhiên U235 chiếm tỷ lệ nhỏ 0.7%. việc làm tăng tỷ lệ U235 trong tự nhiên được gọi là việc làm giàu. Trong tất cả các phương pháp làm giàu được nghiên cứu cho đến nay cĩ 2 phương pháp đã được phát triển đến qui mơ cơng nghiệp: khuyếch tán chất khí và siêu ly tâm.
2. Chu trình nhiên liệu:là quá trình khai thác, sử dụng, tái chế nhiên liệu. Cĩ
hai loại chu trình: chu trình kín, chu trình hở.
• Chu trình hở: là chu trình khai thác sử dụng và đào thải nhiên liệu hạt nhân. Nhiên liệu sau khi dùng xong được cất giữ lâu dài mà khơng tái xử lý.
• Chu trình kín: là chu trình khai thác sử dụng và tái chế nhiên liệu hạt nhân sau khi sử dụng. chu trình kín cho phép lấy lại U và Pu.
Hình 3.5: Chu trình kín
IV. LỊ PHẢN ỨNG
1. Nguyên tắc hoạt động
Khi hạt nhân vỡ ra thì trung bình cĩ 2,5 nơtron bắn ra. Nếu dùng chất làm chậm để năng lượng nơtron giảm đến mức trở thành nơtron nhiệt (0,1- 0,01eV) thì cĩ thể dùng Urani thiên nhiên làm giàu U235 để thực hiện phản ứng dây chuyền. Tính chất này được dùng trong lị phản ứng hạt nhân chạy bằng nhiên liệu phân hạch với nơtron chậm (U235, Pu239, U233).
Trong một lị phản ứng hạt nhân, các thanh Urani thiên nhiên hay Plutoni rất mỏng xếp xen kẽ các lớp khá dày của chất làm chậm tạo thành vùng hoạt động mà trong đĩ xảy ra phản ứng dây chuyền.
Hình 3.6: Nguyên lý lị phản ứng hạt nhân
Như vậy, nơtron nhanh sinh ra do phản ứng phân hạch, sẽ bị giảm tốc đến vận tốc nhiệt trong chất làm chậm. Muốn điều chỉnh hoạt động của lị mạnh lên hay yếu đi thì dùng các thanh Cadimi cĩ đặc tính hấp thụ mạnh nơtron nhiệt. Muốn lị chạy yếu đi thì cho dồn những thanh Cadimi vào lị, muốn lị chạy mạnh lên thì rút dần ra, để đảm bảo hệ số nhân nơtron luơn luơn bằng đơn vị (k=1).
Một dịng nước thường sẽ nhận nhiệt nĩng trong buồng trao đổi nhiệt và biến thành hơi. Hơi nước sẽ kéo tuabin của máy phát điện rồi về buồng ngưng hơi và trở về buồng trao đổi nhiệt. Chất tải nhiệt chạy theo chu trình từ lị đến buồng trao đổi nhiệt rồi trở về lị nhờ vào một hệ thống bơm đặc biệt. Ngồi ra lị phản ứng cịn cĩ hệ thống điều khiển và bảo vệ. Hệ điều khiển dùng để khởi động, làm dừng hoặc thay đổi cơng suất lị phản ứng. Hệ bảo vệ đảm bảo sự an tồn phĩng xạ.
Hình 3.7: Sơ đồ nguyên lý nhà máy điện nguyên tử và lị hơi
Hiện nay, người ta làm nhiều loại lị phản ứng khác nhau với nhiên liệu, chất tải nhiệt, chất làm chậm khác nhau tuỳ theo mục đích sử dụng: nghiên cứu khoa học, cung cấp năng lượng nguyên tử hay sản xuất nhiên liệu hạt nhân.
Tuỳ theo năng lượng nơtron gây ra phản ứng phân hạch người ta phân loại: lị phản ứng nơtron nhiệt, lị nơtron trung gian và lị nơtron nhanh. Nơtron nhiệt cĩ năng lượng ở lân cận 0,025eV. Nơtron trung gian cĩ năng lượng trong khoảng 1keV-100keV. Nơtron nhanh cĩ năng lượng lớn hơn 100kev.
Nhiên liệu sử dụng cho lị phản ứng nơtron chậm là Urani giàu U235, Pu239, U233, cịn đối với lị phản ứng nơtron nhanh là U233, Th232. Chất làm chậm thường dùng là graphit, nước nặng. Chất tải nhiệt cĩ thể là nước nặng, kim loại lỏng Natri, Kali, bismuth, chì, thuỷ ngân…
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