3.2.1 Nhà chứa lị phản ứng
Hình 3.3 Nhà chứa lị phản ứng BWR.
3.2.2 Nồi áp lực lò phản ứng
Nồi áp lực lị phản ứng rất là lớn. Nó là một thùng thép hình trụ thẳng đứng chứa nhiên liệu hạt nhân. Nồi áp lực lò phản ứng được định vị trong một cấu trúc bằng bê tông cốt thép rất vững chắc được gọi là giếng khô (drywell). Bên trong nồi áp lực gồm có các bộ phận quan trọng như:
Máy sấy hơi nhước: làm cho hơi nước khô đi rồi đẩy vào turbin.
Máy tách hơi nước: tách hơi nước với nước ở trong lò để đưa lên bộ phận sấy hơi nước.
Bó nhiên liệu: đây là bộ phận quan trọng nhất của lị phản ứng hạt nhân. Nhờ có một lượng lớn năng lượng thốt ra từ nhiên liệu giúp nước biến thành hơi nước để đưa vào turbin.
Bơm trong lò: là bộ phận giúp lưu lượng nước chảy trong nồi áp lực lị ln ln được kiểm sốt theo ý muốn, nó có tác dụng đẩy lượng nước từ đáy lò phản ứng lên trên vùng chứa nhiên liệu.
Hình 3.4 Cấu tạo nồi áp lực của lò BWR.
Bộ phận thao tác thanh điều khiển: bộ phận này là bộ phận trực tiếp thay đổi cơng suất của lị phản ứng.
3.2.3 Bó nhiên liệu
Nhiên liệu hạt nhân là nguồn của năng lượng phân hạch trong lò phản ứng hạt nhân. Trong BWR, hay những lò phản ứng nước nhẹ khác, nhiên liệu cơ bản vẫn là Urani (U-235) được làm giàu với đồng vị Urani -238.
Một bó nhiên liệu bao gồm 64 thanh nằm ở dạng hình vng 8-8. Trong đó có những loại chỉ có 62 thanh nhiên liệu, còn lại 2 thanh là nước. Mỗi một thanh có đường kính xấp xỉ nửa inch(1inch = 2.54 cm). Nhiên liệu thì ở dạng những viên Oxit Urani được xếp chồng lên nhau tạo thành thanh nhiên liệu.
Như ta đã biết, nguyên tử Urani có khả năng phân hạch hay tách ra (split), khi chúng hấp thụ một neutron. Quá trình phân hạch sẽ được điều khiển bởi số neutron là lí do xảy ra phân hạch trong nhiên liệu.
3.2.4 Thanh điều khiển
Thanh điều khiển được đưa từ dưới lên trên, thao tác thanh điều khiển bằng hai cách (thủy lực và điện lực). Nhờ thủy lực, có thể ngừng khẩn cấp nhà máy nhanh chóng. Tự ngừng khẩn cấp khi bị cúp điện (an tồn tự động). Thanh điều khiển bình thường được thao tác bằng điện. Nhờ động cơ điện có thể điều chỉnh cơng xuất theo ý muốn. Có thể thao tác một lúc nhiều thanh điều khiển.
Thanh điều khiển được sử dụng như là một bộ cơ bản để điều khiển tỉ lệ phân hạch mọi nơi trong nhiên liệu hạt nhân và vì vậy bộ phận này cũng chính là bộ phận điều khiển mức năng suất của lị phản ứng.
Cứ 4 bó nhiên liệu người ta lại gọp thành một ơ(cell), cũng vì vậy mà hình dáng của thanh điều khiển thực tế là nhũng tấm lá được ghép lại thành hình chữ thập, thanh thường dài xấp xỉ 12 feet (1 feet =30.48 cm), và được điều khiển theo dạng di chuyển thẳng đứng, lên và xuống, bộ phận điều khiển các thanh này được đặt dưới đáy của bể lò phản ứng. Những cái ống trong tấm lá của thanh điều khiển nguyên tố Boron (hay Hf), chúng sẽ ngăn chặng phản ứng xảy ra bằng cách hấp thụ nơtron, như vậy cũng là cách ngăn chặng q trình phân hạch xảy ra trong lịng lị phản ứng.
Khi khởi động lị phản ứng, thì khi đó thanh điều khiển sẽ được từ từ rút ra lòng lò phản ứng và khi đó q trình phân hạch bắt đầu tăng lên và theo đó thì cơng suất của lị phản ứng cũng tăng lên như vậy. Khi những thanh điều khiển được đưa vào hết trong lịng lị phản ứng thì khi đó số neutron sẽ bị hấp thu để ngăn chặn việc sản sinh năng lượng.
Hình 3.7 Nguyên tố làm thanh điều khiển.
3.2.5 Hệ thống tái tuần hoàn nƣớc
Hệ thống tái tuần hồn nước được gắn trực tiếp trong bể lị phản ứng, nó làm cho lượng nước trong bể lị phản ứng được luân chuyển xoay quanh các bó nhiên liệu hạt nhân. Nước theo đó sẽ được làm nóng lên bởi lượng nhiệt được sinh ra trong quá trình phân hạch sinh ra trong nhiên liệu. Quá trình này cung cấp hơi lạnh cho nhiên liệu và kết quả chuyển nước thành hơi.
Bơm tái tuần hồn là bơm li tâm tốc độ có thể thay đổi, được gắn với bể lò phản ứng và định vị bên trong giếng khô. Tốc độ quay của trục bơm cho ta biết được lưu lượng nước hiện tại của lị vì thế chúng ta biết được tình trạng nước trong lịng lị phản ứng mọi lúc.
Hình 3.8 Bơm trong lị phản ứng BWR.
3.2.6 Nhà chứa turbin
Nhà chứa turbin là bộ phận được gắn liền với nhà máy phát điện, nó được hoạt động nhờ lực đẩy của hơi nước từ lòng lò phản ứng, hơi nước sẽ làm các cánh quạt của turbin quay. Nhưng khơng phải nói như thế nghĩa là hơi từ lị tới turbin là khơng có cách nào thốt ra ngồi được, để làm giảm áp lực trong những lúc cần thiết như hạ cơng suất,giảm áp lực cho bể lị phản ứng v.v… người ta đã làm thêm hệ thống van xả, hệ thống này gồm rất nhiều van nằm xuyên suốt trong đường ống dẫn hơi từ lò tới tua-bin. Hệ thống van này được xem như là hệ thống an tồn trong những điều kiện khẩn cấp của lị phản ứng.
Hình 3.9 Turbin và hệ thống van xả.
3.2.7 Bộ phận ngƣng của lò phản ứng
Hơi nước sau khi đi qua turbin sẽ đi vào bộ phận ngưng của lò phản ứng, ở đây hơi sẽ chuyển thành nước. Bộ phận ngưng này sẽ nhận hơi trực tiếp từ bộ phận ống dẫn hơi đi xuyên qua turbin bằng van xả.
Hơi khi vào trong bộ phận ngưng sẽ trực tiếp đi qua vô số những cái ống được đặt bên trong bộ phận ngưng. Những ống này bên trong mang nước để làm giảm nhiệt lượng hơi nước vừa vào bộ phận ngưng cho đến khi lượng hơi trở lại thành nước. Nước được sinh ra và bắt đầu trở lại bể chứa lò phản ứng thơng qua hệ thống cấp nước cho lị.
Nước chảy trong các ống để làm lạnh lượng hơi đi ra từ turbin thường được lấy ở sơng hay biển gần đó, nên ta thường thấy nhà máy điện hạt nhân thường nằn bên biển.
3.2.8 Hệ thống cấp nƣớc
Hình 3.10 Bơm cấp nước của lị phản ứng.
Nước ở dạng ngưng từ hơi trong bộ phận ngưng được trở lại bể lò, xuyên qua bộ phận làm tăng nhiệt (feedwater heater), bằng hệ thống cấp nước cho bể lò. Nước được bơm xuyên qua bộ phận khử, ở đây nước sẽ được làm sạch. Những cái bơm cấp nước sẽ tăng áp suất để đẩy nước vào bể lò phản ứng. Những bơm cấp nước này được điều khiển bởi turbin hơi sử dụng hơi từ hệ thống dẫn hơi. Cịn hệ thống làm tăng nhiệt thì sử dụng lượng hơi được trích ra từ turbin được làm nóng lại cung cấp cho bể lị phản ứng. Việc tăng áp suất ở bộ phận cấp nước cũng tác động đến việc tăng nhiệt ở nhiên liệu hạt nhân để chuyển nước thành hơi trở lại.
3.2 Nhiên liệu hạt nhân3.2.1 Uranium 3.2.1 Uranium
Hình 3.11 hạt nhiên liệu
Uranium là ngun tố kim loại phóng xạ, kí hiệu U-92, thuộc họ actini. Số thứ tự 92, nhiệt độ nóng chảy 11320 C, nhiệt độ sôi 38180 C, khối lượng riêng 19,05 g/cm3 ở 250 C.
Uranium được phát hiện vào năm 1789 bởi nhà hóa học người Đức Martin Heinrich Klaproth. Tên sau này được lấy là Uranus, tên của một hành tinh. Lần đầu tiên được tách ở trạng thái kim loại vào năm 1841. Đặc tính phóng xạ được chứng minh lần đầu tiên vào năm 1896 bởi nhà bác học Henri Becquerel.
3.2.2 Đặc tính
Có 3 dạng tinh thể, khi ở 7700 C thì có thể giác mỏng và kéo sợi. Hòa tan được với axid clohydric và axid nitric, khơng hịa tan với kiềm. Thay thế Hidro từ axid vô cơ và từ dung dịch muối của các kim loại như Hg, Ag, Cu, Pt và Au. Cháy trong khơng khí ở 1500 C -1750 C. Ở 10000 C kết hợp với Ni-tơ. Trạng thái oxy hóa 4,5 và 6 như Urani trioxid UO3, và Urani clohidric UO2Cl2, tetra clohidric UCl4, và uranium dioxid, UO2. Muối urani có thể sẽ bị phân tách trong ánh sáng mạnh và chất hữu cơ.
3.2.3 Dạng xuất hiện
Uranium không bao giờ xuất hiện trong tự nhiên ở dạng tự nguyên chất, chúng ta chỉ tìm thấy ở dạng oxid hoặc dạng muối trong mỏ. Mật độ trung bình trong vỏ trái đất 2.7 ppm. Mật độ trung bình ở trong mỏ dao động ở khoảng từ 0.03% đến cao nhất 10% nhưng hầu hết nhỏ hơn 1%. Được xếp thứ 48 về độ nhiều trong lớp đất đá. Urani nguyên chất chứa 99.3% là đồng vị 238
U,0.7% là đồng vị 235U,còn 234U ở dạng phóng xạ phân rã của 238U. Khoản đồng vị có khối lượng từ 222 đến 242 như đã biết. Urani nhiều nhất ở mỏ pichblence, và được tìm thấy chủ yếu ở Cộng hịa Czech, Canada, Congo (Zaire), và Mĩ.
3.2.4 Trong nƣớc biển
Urani trong nước biển được xem như là một nguồn tài nguyên tiềm năng, nhưng vì giá thành quá cao nên đáng phải cân nhắc. Thể tích nước biển trong đại dương 1.4x1021 lít, với một mật độ trung bình 3.2 phần tỉ. Tương đương với 4 tỷ tấn 238U. Nói một cách khác,lượng Urani ở trong đó rất ít, cho nên cần một lượng rất lớn nước được xử lí ra Urani. Giá của việc phân tách nước biển làm ra 1kg Urani vào năm 1964 khoảng 800$.
3.2.5 Hành trình
Để tạo được Urani trong lị phản ứng là cả một q trình, và qua rất nhiều khâu xử lí, bản thân Urani khơng có dạng ngun chất nên các cơng đoạn
tạo ra nhiên liệu cần thiết rất phức tạp. Urani từ mỏ được đem đi xử lí các tạp chất khơng cần thiết hoặc tách chúng ra với các chất khác. Sau đó chúng sẽ được đưa vào nhà máy để gia tăng hàm lượng 235U đến mức độ cần thiết . Dạng hợp chất mà chúng ta thường làm giàu là UF6. Sau khi có được 235
U làm giàu, chúng sẽ tiếp tục được gia cơng tạo hình thù đặc trưng khác nhau, tùy vào mục đích khác nhau, nhưng phổ biến nhất vẫn là hình trụ trịn. Và cuối cùng là lượng nhiên liệu này được đưa vào nhà máy điện hạt nhân để sử dụng. Khi lượng nhiên liệu đã sử dụng xong sẽ được xử lý rất cẩn thận để bảo vệ môi trường.
CHƢƠNG 4
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
KẾT LUẬN
Lị phản ứng nước sơi tơi trình bày ở trên là lị phản ứng của nghiệp đồn Toshiba. Với ưu thế về kinh nghiệm trong cơng nghệ xuất khẩu lị phản ứng hạt nhân, Toshiba luôn đưa ra những cải tiến tối ưu nhất cho lị phản ứng nước sơi mà mình sản xuất để làm vừa lòng khách hàng trên khắp thế giới. Lị phản ứng nước sơi của Toshiba có độ an tồn cao bởi bể chứa lị phản ứng nhỏ, kiểu bể triệt áp. Tiêu được nhiều nhiệt và hấp thụ được các sản phẩm phân hạch khi khẩn cấp. Dễ bơm khí nitơ vào lị, điều chỉnh được lượng khí hydro. Khi sự cố có xảy ra cũng dễ xử lí vì lượng nước tuần hồn tự nhiên lớn, dễ hạ áp lực của nồi áp lực lò phản ứng, lòng lò được tưới và tái cấp nước bằng hệ thống phun tưới. Cịn về thanh nhiên liệu thì xác suất bị bể rất thấp do thanh nhiên liệu có vỏ dầy với kênh chứa bên ngồi.[2]
Nhược điểm của lị phản ứng nước sôi loại này là hệ thống điều khiển thanh điều khiển được thiết kế ở dưới.
4.1 Sự lựa chọn cho tƣơng lai
Trong vòng 1/4 thập kỷ qua, do mức độ tăng vọt của các hình thức thương mại hóa hạt nhân ngun tử nên không làm giảm được nỗi lo lắng của người dân về năng lượng hạt nhân. Năm 1979 đã xảy ra sự cố nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island tại Pennsylvania (Mỹ), 7 năm sau đó, thảm hoạ Chernobyl đã khiến cộng đồng EC phản đối năng lượng hạt nhân. Kết quả là tốc độ tăng trưởng điện năng tạo ra từ năng lượng hạt nhân đã giảm mạnh trên quy mơ tồn cầu.
Tuy nhiên, trong bối cảnh thiếu năng lượng điện hiện nay, nhất là ở các nước đang phát triển, thì năng lượng hạt nhân vẫn cịn là một lựa chọn chính. Thậm chí, nhiều chun gia cịn cho rằng khơng thể tìm ra một giải pháp nào nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng trên toàn cầu đang gia tăng hiện nay mà khơng sử dụng năng lượng hạt nhân.
Nhìn lại lịch sử của điện hạt nhân chúng ta sẽ thấy những thăng trầm của nguồn năng lượng này. Giai đoạn những năm 1950-1960 là giai đoạn khởi đầu,
khi công nghệ chưa được thương mại hoá. Điện lần đầu tiên được sản xuất bằng năng lượng hạt nhân vào ngày 20/12/1951 tại Lò thử nghiệm EBR-1 của Mỹ và thắp sáng được bốn bóng đèn. Tổ máy điện hạt nhân đầu tiên là lò graphit nước nhẹ 5MW tại Obninsk của Nga, bắt đầu hoạt động năm 1954 và ngừng hoạt động ngày 30/4/2002. Calder Hall tại Anh là nhà máy điện hạt nhân quy mô công nghiệp đầu tiên trên thế giới bắt đầu vận hành năm 1956 và đóng cửa tháng 3/2003. Phát triển điện hạt nhân chủ yếu nhằm mục tiêu phát triển khoa học công nghệ và xây dựng tiềm lực hạt nhân bảo đảm an ninh quốc gia. Giai đoạn 1970-1980, nhiều quốc gia đẩy nhanh tốc độ phát triển điện hạt nhân khi công nghệ đã được thương mại hoá cao và do khủng hoảng dầu mỏ. Tỷ trọng điện hạt nhân toàn cầu tăng gần hai lần, từ 9% lên 17%.
Hình 4.1 Lị phản ứng hạt nhân ở Catenom – Pháp.
Lò Unterweser 1.350 MW ở Đức bắt đầu sản xuất điện từ năm 1978 và đến nay tổng sản lượng điện là 221,7 tỷ kWh, nhiều hơn so với bất kỳ lò nào khác. Bước vào thập niên 80 và 90, sau sự cố Chernobyl, sự phản đối của cơng chúng, các yếu tố chính trị và sự cạnh tranh yếu về kinh tế do việc tăng cao các
yêu cầu về an toàn đã làm cho tốc độ xây dựng điện hạt nhân giảm mạnh, một số nước có chủ trương loại bỏ điện hạt nhân như Đức và Thuỵ Điển.
Giai đoạn từ đầu thế kỷ XXI, khi an ninh năng lượng có ý nghĩa quyết định và cơng nghệ điện hạt nhân ngày càng được nâng nên xu hướng phát triển điện hạt nhân đã có những thay đổi tích cực. Hiện tại trên thế giới có hơn 440 lị phản ứng hạt nhân đang vận hành, cung cấp khoảng 16% (2.574 tỷ kWh) sản lượng điện và khoảng 30 lò phản ứng đang được xây dựng.
Pháp, một quốc gia khơng có khu dự trữ dầu lửa lớn nào, đã trở thành nước sản xuất năng lượng hạt nhân lớn nhất thế giới. Năm 1974, để đối phó với cuộc khủng hoảng dầu lửa, Chính phủ Pháp đã kết luận rằng, giới chuyên gia khoa học Pháp cần phải sử dụng năng lượng hạt nhân làm nguồn cung cấp năng lượng chính. Hiện nay tại Pháp 75% mức năng lượng là từ năng lượng hạt nhân, lớn hơn rất nhiều so với các nước khác trong EU.
Hình 4.2 Nhà máy điện hạt nhân ở Belleville.
Những người ủng hộ năng lượng hạt nhân cho rằng Pháp, nước xuất khẩu điện lớn nhất thế giới, cũng là một nước có giá bán lẻ điện rẻ nhất Tây Âu. Tuy nhiên, những người phản đối vẫn kiên quyết rằng những hiểm hoạ liên
quan đến uranium được làm giàu và sản phẩm phụ của nó (plutonium) lớn hơn rất nhiều so với các lợi ích kinh tế.
Mặc dù xu hướng chung là tăng sử dụng điện hạt nhân trên thế giới, nhưng ở một số nước phát triển thì xu hướng lại giảm điện hạt nhân. Một số quốc gia như Italia tự gọi mình là đất nước khơng có hạt nhân. Áo và Đan Mạch thậm chí đã cam kết khơng sử dụng nguồn năng lượng này dưới bất kỳ