Tiểu luận - CHUYÊN ĐỀ NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ - đề tài - LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

CHUYÊN ĐỀ NHÀ MÁY

ĐIỆN NGUYÊN TỬ

ĐỀ TÀI: LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

CHUYÊN ĐỀ NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ

Nội dung trình bày:

- Phần 1: Lịch sử về lò phản ứng hạt nhân

- Phần 2: Điều kiện duy chì phản ứng dây chuyền

- Phần 3: Cấu trúc của lò phản ứng hạt nhân

PHẦN 1

LỊCH SỬ VỀ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

•Tuy đạt được nhiều lợi ích song lò phản ứng hạt nhân cũng không được phát triển rộng rãi do sự tiềm ẩn sự hủy diệt khủng khiếp

1.1 Lò phản ứng thế hệ thứ I (các lò phản ứng nguyên mẫu)

• Vận hành vào những năm 1950-1960

• Lò thương mại đầu tiên trên thế giới đưa vào vận hành năm

1954 tại Liên Xô cũ với công suất 5MW

• Tại Anh, lò phản ứng Calder Hall, Magnox được đưa vào vận hành vào năm 1956 với công suất ban đầu là 50 MW

• Nhà máy ĐHN thương mại đầu tiên tại Mỹ là Shippingport vận hành vào năm

1957, với công suất 60 MW…

1.1 Lò phản ứng thế hệ thứ I (tiếp)

Lò phản ứng loại I

thích nơtron do sự phân hạch U-235.

Các nơtron sẽ va chạm nhanh với hạt nhân của U-235

để các phản ứng dây truyền xảy ra

Phản ứng phát nhiệt lớn và nhiệt năng này được đưa đến tuabin hơi nước từ đó sinh ra điện năng

1.2 Lò phản ứng thế hệ thứ II (tiếp)

• Ban đầu, 60% lò hoạt động theo nguyên lý lò nước sôi

áp suất cao (PWR), trong đó nước sôi áp suất cao được

sử dụng vừa làm dung dịch làm nguội vừa làm dung dịch điều hòa phản ứng

Nhiên liệu sử dụng: Hợp chất urani đioxit và hợp kim này được bọc trong các ống cấu tạo bằng KL zirconi

U-235 sẽ được làm giàu từ 0,7% - 3,5%

• Dần thay thế bằng cách áp dụng nguyên lí lò nước sôi (BWR)

Nước được đun sôi rồi mới chuyển qua hệ thống làm tăng áp suất

Rút ngắn được tiến trình tạo nhiệt của hơi nước khi chuyển nhiệt lượng qua các tuabin để biến đổi thành điện năng

1.3 Lò phản ứng thế hệ thứ III (các lò phản ứng tiên tiến)

- Từ cuối thập niên 80, các lò thế hệ thứ III bắt đầu được nghiên cứu với nhiều cải tiến trên cơ sở lò BWR của thế

hệ II

- Đến năm 1996, Nhật đã có loại lò này

- Hoàn thiện công nghệ về nhiên liệu;

- Đưa vào các hệ thống an toàn thụ động;

- Các thiết kế được tiêu chuẩn hóa.

Sơ đồ công nghệ của lò nước nặng PHWR

-  Các lò PWR cải tiến (APWR), do Westinghouse, MHI thiết kế;

-   Các lò WWER-1000: AES-91, AES-92 của Nga thiết kế;

- Các lò có thiết kế thụ động như AP600 của Westinghouse

-  Các lò EPR (Evolutionary Pressurized / European Pressurized Reactor) - là một thiết kế tiến hóa kết hợp giữa các thiết kế và kinh nghiệm vận hành các lò N4 của Framatome và KONVOI của Siemens, Đức

1.3 Lò phản ứng thế hệ thứ III+ (các lò phản ứng tiên tiến)

- Các thiết kế thế hệ III+ nói chung là mở rộng khái niệm thiết kế của thế hệ III trong đó đưa vào các đặc tính an toàn thụ động cải tiến (advanced passive safety)

- Các lò Advanced CANDU Reactor (ACR);

- Lò AP1000 - dựa trên thiết kế AP600 của Westinghouse;

- Lò Economic Simplified Boiling Water Reactor (ESBWR) - dựa trên thiết kế ABWR;

- Lò APR-1400 - Thiết kế PWR cải tiến phát triển từ các lò KNGR (Korean Next Generation Reactor) dựa trên cơ sở thiết kế hệ System 80+ của Mỹ

-  Lò WWER-1200: AES-2006 của Nga thiết kế

Lò phản ứng thế hệ thứ III và III+

Những đặc tính cải tiến của lò thế hệ III và III+ :

- Tiêu chuẩn hoá thiết kế cho mỗi loại để rút ngắn quá trình cấp phép, giảm chi phi phí đầu tư và giảm thời gian xây dựng

- Thiết kế đơn giản hơn và vững chắc hơn làm chúng dễ vận hành

và ổn định trong hệ thống có nhiều dao động, đồng thời việc vận hành và bảo dưỡng cũng đơn giản và an toàn hơn

- Hệ số  sẵn sàng hoạt động cao hơn và tuổi thọ dài hơn mức điển hình là 60 năm

- Xác suất tai nạn nóng chảy vùng hoạt giảm. 

- Tác động tới môi trường ở mức tối thiểu

- Độ sâu cháy cao hơn và từ đó giảm nhiên liệu sử dụng và lượng thải phát sinh

1.4 Lò phản ứng thế hệ thứ IV.

Các lò thế hệ IV là các thiết kế được xác lập bởi GIF (Generation

IV International Forum), theo sáng kiến của DOE và 10 quốc gia thành viên

Tất cả các lò phản ứng thế hệ IV hiện còn đang ở giai đoạn thiết

kế khái niệm hoặc thực nghiệm và hy vọng sẽ được xem xét khai thác vào những năm 2030

Năm 2002, GIF đã đưa ra lịch trình (Roadmap) cho 6 thiết kế thế

hệ IV gồm 3 loại lò nơtrôn nhiệt và 3 loại lò nơtrôn nhanh

Có khả năng sản xuất Hydro, một nhân tố cơ bản cho hầu hết các công nghệ tổng hợp hóa chất hiện nay.

Hệ thống an toàn không còn dùng đến con người nữa mà hoàn toàn

tự động.

1.4 Một số yêu cầu về phát triển các hệ công nghệ lò (tiếp)

Thế hệ dự kiến sẽ được ứng dụng vào năm 2030 và có thể mang lại những ưu điểm lớn:

Giá thành cho điện năng sẽ rẻ hơn hiện tại

Độ an toàn rất cao nên có thể xem như an toàn 100%

Giảm thiểu phát thải đến mức tối đa

PHẦN 2

ĐIỀU KIỆN DUY TRÌ PHẢN ỨNG DÂY TRUYỀN

1 Điều kiện tới hạn của phản ứng dây chuyền

2 Phân bố nơtron trong lò

3 Thời gian tồn tại của nơtron trong lo

PHẦN 3

CẤU TẠO LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

Lớp 4: Thùng lò (pressure vessel) Lớp 5: Vỏ bê tông cốt thép

3.1.1 Sơ lược về lò phản ứng

• Chất làm chậm: Giảm tốc độ của các nowtron

sinh ra từ phản ứng phân hạch để tạo điều kiện cho phản ứng dây chuyền xảy ra

• Bộ phận tải nhiệt: thu nhiệt sinh ra do phản ứng

phân hạch hạt nhân từ lò phản ứng để chuyển ra

bộ phận bên ngoài

• Bộ phận điều khiển : điều chỉnh quá trình phân

hạch

 Các quá trình tiêu phí nơtron vô ích:

Nhiên liệu bắt nơtron mà không phân hạch Các vật liệu khác trong lò bắt nơtron

Các nơtron rò rỏ ra khỏi lò

 Đòi hỏi thiết kế lò phải thiết kế theo kích thước và tham số vật lý sao cho lò tối ưu

3.1.3 Sơ đồ nguyên lý (tiếp)

Để làm nhiên liệu có thể lấy Urani thiên nhiên có chưa 0.73% U235, Urani đã được làm giàu, Plutoni Pu239, Thori Th233

Cấu tạo của thanh nhiên liệu

3.1.3 Sơ đồ nguyên lý (tiếp)

 Một số yếu tố có tính chất kỹ thuật:

Các lò phản ứng hạt nhân hoạt động với công suất cao, tạo ra

1 số lớn nơtron , các tia phóng xạ gây hại

 Để an toàn trong các lò phản ứng phải có các chất làm vật chắn như: bê tông cốt sắt, lớp chì …

3.1.3 Sơ đồ nguyên lý (tiếp)

Để làm vật chắn trong lò phản ứng, người ta thường dùng hợp chất của các chất có nguyên tử số lớn và nhỏ

Nhiên liệu Chất làm chậm Chất phản xạ Chất tải nhiệt Vật liệu xây dựng

Urani thiên nhiên

Nước nặng, berili, oxit berili

graphit

Bát kỳ chất làm chậm nào

Không khí, hydro, reli azot, dioxide carbon

Nhôm ziriconi hoặc Magie

Urani làm giàu

Như đối với trường hợp Urani thiên nhiên + H2O

Bất kỳ chất làm chậm nào

Như đối với trường hợp Urani thiên nhiên + Natri, hợp kim Natri+Kali

Nhôm ziriconi và thép không gỉ

Urani 238 Urani 235 Plutoni 239 (độ giàu cao)

Trong các lò chạy bằng nơtron nhanh không có chất làm chậm

Urani 238, Thori 232 hoặc một nguyên tố

nặng

Natri, hợp kim Natri Kali thủy ngân hoặc Bismut

Thép không gỉ

3.1.4 Các vật liệu thường dùng

1 Nhiên liệu U 233 , U 235 , Pu 239 , Pu 241 Chất phân hạch

2 Chất làm chậm H 2 O, D 2 O, C, Be Giảm năng lượng của notron

nhanh thành notron nhiệt

3 Chất tải nhiệt H 2 O, D 2 O, CO 2 , He, Na Tải nhiệt làm mát lò

4 Thanh điều khiển Cd, B, Hf Điều khiển mức tăng giảm

notron

5 Vành phản xạ Như các chất làm chậm Giảm mất mát notron

6 Thùng lò Fe&S/S Chịu áp lực và chứa toàn bộ

vùng hạt

7 Tường bảo vệ Bê tông, H 2 O, Fe, Pb Bảo vệ chống bức xạ

8 Các vật cấu trúc khác Al, Fe, Zn, S/S Hỗ trợ các cấu trúc trong lò

Bảng vật liệu, chức năng các bộ phận chính

PHẦN 4

CÁC LOẠI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN

4 Phân loại lò phản ứng hạt nhân

4 Phân loại lò phản ứng hạt nhân (tiếp)

Có 3 loại được công nhận

là những công nghệ đã được kiểm chứng và phát triển nhiều nhất là:

4.1 Lò khí

 Sử dụng khí làm chất tải nhiệt

 Nguyên liệu sử dụng : Heli

 Mục đích : Sử dụng trong công nghiệp hóa học

4.2.1 Lò nước nhẹ áp lực (PWR) (tiếp)

4.1.1 Lò nước nhẹ áp lực (PWR) (tiếp)

Hệ thống làm mát của lò nước nhẹ

4.2.2 Lò nước sôi (BWR).

4.2.2 Lò nước sôi (BWR).

Mục đích: phát điện

4.3 Lò nước nặng áp lực (PHWR).

4.4 Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh

4.4.1 Nguyên lý của lò tái sinh nhanh

Nhiên liệu: Plutoni

Plutoni khi phân hạch bằng nơtron tốc độ cao  3 nơtron mới

Có khả năng tạo ra lượng Plutoni nhiều gấp 3 lần lượng đốt cháy

4.4 Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh

4.4.2 Ý nghĩa và cơ chế

• Có thể thu được năng lượng gấp 50 lần lò nước nhẹ

• Tiết kiệm được nguồn nguyên liệu:

Số năm khai thác Urani sử dụng cho lò nước nhẹ khoảng 70 năm,nếu sử dụng cho lò tái sinh nhanh thì thời gian sử dụng khoảng 3000 năm

• Sử dụng chất tải nhiệt là Na và không cần chất làm chậm

4.4 Lò phản ứng hạt nhân tái sinh nhanh

4.4.3 Tính kinh tế của lò hạt nhân tái sinh

• Chi phí của lò phản ứng hạt nhân tái sinh cao gấp 1,5 đến 2 lần lò

nước nhẹ

• Trong tương lai,có thể cạnh tranh được với lò nước nhẹ

5.1 Nguyên tắc hoạt động của lò phản ứng hạt nhân.

Dựa trên 4 quá trình:

• Phân hạch

• Phát nhiệt

• Kiểm soát phản ứng

• Sản xuất điện năng

Trong một lò phản ứng hạt nhân, các thanh nhiên liệu (Urani thiên nhiên hay Plutoni) rất mỏng được xếp xen kẽ các lớp khá dày của chất làm chậm mà trong đó xảy ra phản ứng dây chuyền (hình)

5.1.1 Phân hạch

Lò phản ứng hạt nhân hoạt động trên các nguyên tắc của phản ứng phân hạch

5.1.2 Phát nhiệt

Một dòng nước sẽ nhận nhiệt trong buồng trao đổi nhiệt và biến thành hơi Hơi nước sẽ làm quay tuabin máy phát điện rồi chạy qua buồng ngưng hơi rồi về buồng trao đổi nhiệt

Bên cạnh quá trình phát nhiệt là làm mát, chất tản nhiệt chạy theo chu trình từ lò phản ứng → buồng trao đổi nhiệt → lò, nhờ hệ thống bơm đặc biệt

5.1.2 Phát nhiệt (tiếp)

Nguyên lý hoạt động của lò nước nhẹ PWR

5.1.2 Phát nhiệt (tiếp)

Nguyên lý hoạt động của lò nước sôi BWR

4.1.2 Phát nhiệt (tiếp)

Nguyên lý hoạt động của lò nước nặng PHWR

5.1.3 Điều khiển

• Hệ thống điều khiển dùng để khởi động, làm dừng hoặc

thay đổi công suất lò phản ứng

• Ngoài ra còn có hệ thống bảo vệ để đảm bảo an toàn

phóng xạ

5.1.4 Sản xuất điện năng

Hơi nước làm quay tuabin hơi, sản xuất điện năng tương tự nhà máy nhiệt điện

5.2 Nguyên lý điều khiển của lò phản ứng hạt nhân

5.2 Nguyên lý điều khiển của lò phản ứng hạt nhân (tiếp)

Các thanh điều khiển được sắp xếp xen kẽ với các thanh nhiên liệu

5.2 Nguyên lý điều khiển của lò phản ứng hạt nhân (tiếp)

PHẦN 6

TỔNG KẾT

6 Tổng kết (tiếp)

• Một số thiết kế lò phản ứng cải tiến

6 Tổng kết (tiếp)

Lò nước sôi cải tiến – Advanced Boiling Water Reactor (ABWR)

6 Tổng kết (tiếp)

Lò nước sôi cải tiến – Advanced Boiling Water Reactor (ABWR)

Các đặc trưng thiết kế:

- Thiết kế 1 vòng, đối lưu cưỡng bức với công suất 1.300Mwe

- Thiết kế kết hợp các đặc tính thiết kế của lò BWR ở châu

Âu, Nhật Bản và Mỹ

- Sử dụng các bơm tái tuần hoàn trong lò

- Các hệ thống an toàn số hóa, các hệ thống logic và điều khiển số hóa dựa trên các bộ vi xử lý

- Thiết kế cũng bao gồm các nâng cao về an toàn như bảo vệ chống lại sự quá áp của vỏ nhà lò phản ứng(RCV), hệ thống tích nước độc lập và thụ động…

6 Tổng kết (tiếp)

Lò nước sôi cải tiến – Advanced Boiling Water Reactor (ABWR)

Thùng lò nước sôi cải tiến:

- Các hệ thống thụ động sử dụng cơ chế đối lưu tự nhiên trong các tình huống sự cố

mà không cần các bơm, không cần các động

cơ diesel hay các hệ thống hỗ trợ khác

-Các hệ thống an toàn thụ động của AP1000 được đơn giản hóa thiết kế sơ với các lò công suất khác, nó sử dụng ít hơn khoảng 50% các van, 35% ít hơn các bơm, 70% ít hơn các cáp truyền dẫn, làm giảm thời gian xây dựng và lắp đặt

4 Tổng kết (tiếp)

Lò nước áp lực cải tiến AP600 và AP1000 của Westinghouse

Thiết kế nhà lò AP1000

4 Tổng kết (tiếp)

Lò nước áp lực cải tiến tiêu chuẩn châu Âu EPR

Có tên gọi tại châu Âu là European Pressurized Water Reactor

và xin cấp phép ở Mĩ với tên gọi Evolutionary Power Reactor với công suất 1.600MW và thiết kế cải tiến Các đặc tính thiết kế bao gồm 4

hệ thống an toàn kỹ thuật với năng lực 100% mỗi hệ

Vỏ nhà lò sử dụng tường kép, và bẫy vùng hoạt để giam giữ và làm nguội các vật liệu vùng hoạt trong tình huống tai nạn gây hỏng thùng lò phản ứng

4 Tổng kết (tiếp)

Lò nước áp lực cải tiến tiêu chuẩn châu Âu EPR

Bố trí nhà máy điện hạt nhân dùng lò EPR

4 Tổng kết (tiếp)

Kết luận

• Với các thiết kế lò cải tiến trên thì vấn đề an toàn và hiệu

quả được nâng cao rõ rệt

• Tin tưởng trong tương lai không xa con người sẽ làm chủ

hoàn toàn công nghệ hạt nhân

• Nhà máy điện nguyên tử sẽ là nguồn năng lượng chủ yếu

và đáp ứng được nhu cầu của con người

XIN CHÂN THÀNH CẢM ƠN!