Đề tài An toàn bức xạ trong lò phản ứng hạt nhân

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA VẬT LÝ c&&d Giảng viên hướng dẫn : Thầy Trương Trường Sơn Sinh viên thực hiện: Lại Thị trúc Phương Võ Thị Thanh Uyên Huỳnh Chí Dũng Trần Bá Tín Thành phố Hồ Chí minh Tháng 11 năm 2010 Mục lục Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân Thế hệ lò phản ứng hạt nhân đầu tiên Các lò phản ứng thế hệ thứ nhất được xây dựng vào những năm 1955-1965, tập trung chủ yếu ở Hoa Kỳ, Liên Xô, Nhật Bản, Thụy Điển và Vương quốc Anh bao gồm những nguyên mẫu ban đầu lò phản ứng hạt nhân từ những năm 1950 và 1960, ví dụ như Shippingport của Mỹ; Dresden-1, Calder Hall-1, Magnox của Anh hay UNGG của Pháp. Phần lớn chúng đều đã hoặc đang được tháo dỡ do đã trở nên lỗi thời không còn hiệu quả cao và mức đảm bảo an toàn thấp. Các lò thuộc thế hệ này bắt nguồn từ những mẫu thiết kế ban đầu được phát triển để sử dụng trên tàu biển cuối những năm 1940. Thiết kế ban đầu có công suất khoảng 5.000 KW. Lò hạt nhân thế hệ II Hệ thống lò hạt nhân thế hệ II bắt đầu được vận hành vào những năm 1970. Lò thế hệ II gồm các kiểu lò PWR (Pressurized Water Reactor – lò nước áp lực) và BWR (Boiled Water Reactor – lò nước sôi); VVER và RBMK (lò năng lượng nước của Nga); CANDU nước nặng (của Canada, Ấn Độ); AGR...Đa số được gọi là các lò nước nhẹ (LWR) do nó được sử dụng các phương pháp chủ động truyền thống bao gồm các tác động điện hoặc cơ khí thực hiện theo lệnh. Một số hệ thống còn được thiết kế vận hành theo kiểu thụ động làm việc khi có người điều khiển hoặc mất nguồn điện tự dùng. Đa số nhà máy điện hạt nhân trên thế giới đang vận hành theo công nghệ này và 2/3 số nhà máy đang xây dựng cũng theo mô hình thế hệ thứ II. Hình 1. Nhà máy Điện hạt nhân Tricastin, miền Nam nước Pháp Lò hạt nhân thế hệ III Các lò chuyển tiếp thế hệ III được phát triển trong những năm 1990 với ưu thế đặc thù là khả năng tự động cao hơn thế hệ II, công nghệ nhiên liệu được cải tiến, năng suất nhiệt cao, thiết kế gọn hơn, độ an toàn cao hơn. Nó vận hành mà không cần đòi hỏi sự can thiệp của người vận hành. Thêm vào đó, các thiết kế trọng lực hoặc đối lưu tự nhiên nâng cao khả năng tự bảo vệ của chúng dưới tác động của các sự cố đột ngột xảy ra mà vẫn cho hiệu suất điện cao hơn.Nhà máy điện hạt nhân sử dụng lò phản ứng thế hệ III được xây dựng đầu tiên ở Nhật Bản. Phần Lan là nước duy nhất ở EU đang xây dựng một nhà máy điện hạt nhân thế hệ III EPR, mua của Pháp với giá ban đầu dự toán 2,5 tỷ Euro, sau đó, vì lý do an toàn phải chấp nhận tăng giá lên 4 tỷ Euro và chậm tiến độ 3 năm. Ngoài ra, hiện chỉ có Điện lực Pháp có dự kiến đặt mua một số lò thế hệ III EPR để thay thế các lò hết thời hạn vận hành vào khoảng các năm 2017-2022. Lò hạt nhân thế hệ III+ Là thế hệ lò phản ứng được trang bị những cải tiến về tính kinh tế và mức độ an toàn cao hơn thế hệ III. Ưu điểm của các lò phản ứng hạt nhân thế hệ III so với các thế hệ trước là khả năng xảy ra sự cố ít hơn, khả năng sinh lãi lớn hơn do công suất được tăng lên tới 1600 MW và sử dụng nhiên liệu tiết kiệm hơn. Mỗi lò phản ứng thế hệ III sẽ giúp tiết kiệm 2 tỉ m3 khí đốt mỗi năm và góp phần giảm tới 11 triệu tấn khí thải CO2 so với việc sử dụng nguồn nhiên liệu truyền thống. Ngoài ra giá thành sản xuất điện bằng lò này rẻ hơn 30-50% so với sản xuất điện tại các nhà máy nhiệt điện. Nhưng mặc dù các lò thế hệ III mới ra đời, nó lại được nhiều chuyên gia xem như đã lỗi thời vì cùng một kỹ thuật với các lò PWR. Giá thành xây dựng của các loại lò này thường cao hơn các loại thế hệ II khoảng 1,5 đến 2 lần (đơn giá cho 1 KW công suất khoảng 6.000 USD). Và chính điều đó đã thúc đẩy các nhà khoa học tiến tới các chương trình nghiên cứu về thế hệ lò phản ứng mới cho hiệu quả tối ưu hơn. Lò hạt nhân thế hệ IV Lò phản ứng hạt nhân thế hệ IV đang được 10 nước chung sức nghiên cứu trong khuôn khổ Hiệp định Forum International Generation (FIG), do Mỹ đề xướng từ năm 2000 với 6 kiểu lò (3 lò Neutron nhanh, 3 lò Neutron nhiệt) đã được lựa chọn. Các lò tương lai này có khuynh hướng tiến tới chu kỳ kín, nghĩa là các lò phải có khả năng đốt cháy phần lớn chất thải (lò nhanh) để đáp ứng 4 tiêu chuẩn chính là tiết kiệm tài nguyên; tiết kiệm về chu kỳ nhiên liệu; hạn chế chất thải phóng xạ; hạn chế sự lan rộng vũ khí nguyên tử. Vì đang còn trong thời kỳ phôi thai, nên phần lớn các lò này, trên lý thuyết là an toàn hơn, nhưng chưa thể xuất hiện trên thị trường trước những năm 2035-2040, ngoại trừ một phiên bản của lò phản ứng nhiệt độ rất cao (VHTR) và được gọi là Nhà máy hạt nhân thế hệ mới (NGNP) sẽ được hoàn thành trong năm 2021. Các công nghệ lò phản ứng hạt nhân đang được sử dụng phổ biến Nói về công nghệ lò phản ứng thì hiện nay trên thế giới có 3 loại chủ yếu gồm công nghệ lò nước áp lực (PWR) chiếm 59,5%; công nghệ lò nước sôi (BWR) chiếm 20,8% và công nghệ lò nước nặng (PHWR) chiếm 7,7%. Công nghệ lò nước áp lực PWR Phần lớn các nhà máy điện hạt nhân đều sử dụng công nghệ này. Trong lò áp lực PWR, nước làm mát chính được bơm dưới áp lực cao tới lò phản ứng hạt nhân. Sau đó, nước được nhiệt lượng sinh ra làm nóng lên và chuyển tới máy phát điện hơi nước. Nó chủ yếu được thiết kế cho các nhà máy điện hạt nhân trên tàu ngầm và nó được dùng trong thiết kế nhà máy điện thương mại đầu tiên là nhà máy điện hạt nhân tại Shippingport (Mỹ). PWR được dùng chủ yếu trong thế hệ lò phản ứng II. Lò phản ứng nước sôi BWR Đây là loại lò phản ứng hạt nhân tạo ra điện phổ biến thứ hai sau loại lò PWR. BWR được thiết kế bởi Phòng thí nghiệm quốc gia Idaho và Gereral Electric vào giữa thập niên 1950. BWR sử dụng nước khử khoáng như là một chất làm mát và điều tiết nơtron. Nhiệt năng được tạo ra bởi sự phân nhiệt hạt nhân trong lõi lò phản ứng và đun sôi nước để nguội để sản xuất hơi nước. Hơi nước sẽ khởi động tuabin và sau đó lại được làm mát để trở về dạng nước lỏng. Nước này lại được chuyển tới lò phản ứng hạt nhân theo một vòng chu kỳ chuyển đổi liên tục như vậy. Lò phản ứng nước nặng PHWR Các lò phản ứng dạng PHWR sử dụng nước nặng (đơteri oxit D2O) để làm mát và điều phối nhiệt lượng. Nước nặng được giữ dưới áp lực để làm nóng mà không cần đun sôi. Chi phí sản xuất bằng nước nặng cao hơn so với chi phí sản xuất bằng nước nhẹ nhưng nó lại cho phép các lò phản ứng có thể hoạt động mà không có cơ sở làm giàu nhiên liệu (làm giàu uranium). Nó được xem như là phương thức để nâng cao năng lực cho các lò phản ứng khi sử dụng các chu trình nhiên liệu thay thế. Nó được dùng trong các nhà máy điện hạt nhân sản xuất điện hạt nhân từ nhiên liệu hạt nhân. Nhà máy điện hạt nhân nước nặng đầu tiên trên thế giới là nhà máy điện hạt nhân CANDU của Canada được xây dựng bởi AECL. Tương lai và rủi ro cho ngành điện thế giới Theo tính toán của Cơ quan Năng lượng Thế giới, tới năm 2050 nhu cầu sử dụng điện của thế giới sẽ tăng lên gấp 3 lần so với hiện tại. Mức nhu cầu tiêu thụ ghê gớm đó không thể được đáp ứng đủ bằng các nguồn “năng lượng mới” như gió, mặt trời mặc dù các nguồn này có thể đóng vai trò quan trọng ở một số vùng nào đó. Bên cạnh đó, các nguồn nguyên liệu truyền thống để sản xuất điện như than và nước đang ngày càng trở nên cạn dần do sự khai thác quá mức của con người và biến đổi khí hậu làm các nguồn nước trở nên cạn dần. Lượng khí thải lớn của các nhà máy này thải ra hàng ngày phá hoại bầu khí quyển Trái đất cũng đang làm đau đầu các tổ chức môi trường thế giới. Những nhà máy điện hạt nhân sẽ là phiên bản thay thế hiệu quả cho nhu cầu điện của thế giới trong tương lai gần bởi khả năng cung cấp nguồn điện năng dồi dào, không thải khí độc hại vào bầu khí quyển, công nghệ ngày càng phát triển giúp tận dụng tối đa nguồn nguyên liệu sản xuất. Mức độ an toàn ngày càng được nâng cao. Các nhà máy điện hạt nhân sẽ giúp tiết kiệm được 2,5 tỷ tấn CO2 thải vào khí quyển mỗi năm. Lượng chất thải của nó thải ra cũng rất nhỏ chỉ chiếm 1% so với tổng lượng chất thải của ngành công nghiệp sản xuất điện. Mặc dù đem lại những lợi ích vô cùng to lớn như vậy nhưng thế giới vẫn dè dặt trong việc phát triển rộng rãi quy mô của các nhà máy điện hạt nhân ở mọi nước. Bởi nguồn năng lượng lớn của nguyên tử cũng là sự ẩn chứa một sức huỷ diệt khủng khiếp. Chỉ cần một lượng nhỏ chất phóng xạ bị rò rỉ thôi thì hậu quả của nó cũng không thể lường hết được. Cấu tạo lò BWR Hệ thống bình lò phản ứng Hình 2. Hệ thống bình lò phản ứng Hệ thống bình lò phản ứng bao gồm một bình áp suất và các linh kiện bên trong của nó: một lõi lò bao gồm các bó nhiên liệu và các thanh điều khiển, các thiết bị tạo hơi nước: máy tách hơi nước và máy sấy hơi nước ở phần trên của bình, thiết bị điều khiển năng lượng lò phản ứng: ống dẫn thanh điều khiển và bộ phận thao tác thanh điều khiển ở phần thấp hơn của bình. Các bộ phận này bao quanh lõi lò và kết hợp với chất lỏng làm nguội các thiết bị của lõi lò. Hệ thống thanh nhiên liệu Nhiên liệu dùng trong lò phản ứng lò nước sôi BWR là Uranium được làm giàu 3%. Uranium được nén lại từng viên nhỏ Uranium dioxide hình trụ, mỗi viên cao khoảng 0,5 inch (1,27 cm), đường kính 0,487 inch (1,24 cm). Các viên UO2 được xếp chồng lên nhau trong một thanh nhiên liệu được làm bằng một hợp kim đặc biệt của Zirconium được gọi là Zircaloy, hợp kim này rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron. Những thanh nhiên liệu được thiết kế nhằm Hình 3.Hệ thống thanh nhiên liệu ngăn chặn sự rò rỉ các sản phẩm phân hạch và dẫn nhiệt dễ dàng. Các thanh này gộp lại thành một bó nhiên liệu, mỗi bó gồm 49 thanh nhiên liệu và trong lò phản ứng có 368 bó nhiên liệu. Như vậy trong một lò phản ứng có 18032 thanh nhiên liệu chứa 178145 pounds(80975 Kg) UO2. Nhiệt trung bình trên bề mặt một thanh nhiên liệu khi hoạt động là 558oF (292oC).(số liệu của lò BWR Vermont Yankee,năm 1972) Hệ thống thanh điều khiển (thanh kiểm soát) Các thanh điều khiển làm bằng các vật liệu hấp thụ neutron: Bo-cacbua (B4C) bột và các mảnh Hafnium (Hf) hấp thụ neutron. Đối với những thanh điều khiển thao tác thường xuyên được làm bằng chất Hf có tuổi thọ cao. Các thanh này đóng vai trò điều tiết neutron cho phản ứng phân hạch, từ đó kiểm soát năng lượng sinh ra trong lõi lò phản ứng. Các thanh này có dạng hình chữ thập được chèn vào giữa các bó nhiên liệu. Chính nhờ dạng hình chữ thập mà mỗi thanh điều khiển kiểm soát được 4 bó nhiên liệu. Việc định vị (thu hồi hay chèn) các thanh kiểm soát là phương pháp thông thường để kiểm soát năng lượng trong lò phản ứng nước sôi BWR (ngoài ra còn có phương pháp thay đổi lưu lượng nước qua lõi lò). Thanh điều khiển được bộ phận thao tác thanh điều khiển đưa từ dưới lên, vì khi sôi bọt nước sẽ thoát ra ở phần trên lò làm cho mật độ năng lượng trượt về phía dưới. Khi các thanh kiểm soát được thu hồi làm giảm sự hấp thụ neutron trong vật liệu kiểm soát và tăng trong nhiên liệu, tốc độ của phản ứng phân hạch tăng dẫn đến tăng năng lượng lò phản ứng. Khi các thanh điều khiển được chèn vào làm tăng sự hấp thụ neutron trong vật liệu kiểm soát và giảm trong nhiên liệu dẫn đến giảm tốc độ phản ứng phân hạch do đó năng lượng sinh ra trong lò phản ứng giảm. Trong trường hợp có sự cố xảy ra, các thanh điều khiển được đóng lại hoàn toàn để chấm dứt nhanh chóng quá trình phân hạch diễn ra trong lò. Một số lò phản ứng nước sôi BWR đầu tiên và những đề xuất cho lò ESBWR thiết kế chỉ sử dụng những lưu thông tự nhiên với thanh điều khiển được định vị để kiểm soát năng lượng lò phản ứng từ 0% tới 100% vì chúng không có những hệ thống tuần hoàn lò phản ứng. Trong quá trình hoạt động, các thanh điều khiển bị ăn mòn nên cần được thay thế, vì chính sự hấp thụ neutron đã làm thay đổi cấu tạo hóa học của thanh. Ví dụ: thanh điều khiển sử dụng vật liệu Boron-10 sẽ bị biến đổi khi nó hấp thụ một neutron theo phản ứng Nồi áp lực lò phản ứng(RPV) Bình áp suất được cấu tạo gồm 3 bộ phận: Một ống hình trụ lớn, nắp bình và đáy bình áp suất. Vỏ bình được cấu tạo bởi các lớp thép làm bằng những hợp kim khác nhau. Đường kính bên trong của ống hình trụ là 17,1 feet (5,21m) và chiều cao của bình áp suất là 63,1 feet (19,2 m), ống hình trụ bao gồm các lớp lót dầy khoảng 5 inch (13cm) được ghép với nhau; ống hình trụ, phần đỉnh và phần đáy nặng 757,17 Pound (344,168 kg). Bình lò áp suất được bọc trong một tòa nhà bảo vệ được thiết kế để vẫn còn nguyên vẹn cho dù bình lò phản ứng bị vỡ hoặc ống dẫn hơi nước bị vỡ và nó đủ chắc chắn để giữ nước đầy bên trong cho tới khi nước tràn lên tới các ống bọt nước đặt phía trên lõi lò phản ứng. Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng Hình 4. Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng Hệ thống làm sạch nước lò phản ứng gồm các ống dẫn và các bơm tuần hoàn, có vai trò loại bỏ các sản phẩm phân hạch, các sản phẩm ăn mòn và những tạp chất ra khỏi nước trước khi cho nước này quay trở lại lõi lò phản ứng. Bơm làm sạch nước lấy nước từ hệ thống tuần hoàn nước dự trữ trong lõi lò và nước ở phần đáy bình lò đưa qua bộ phận chuyển nhiệt để làm nguội dòng. Sau đó, nước được chuyển tới bộ phận lọc để làm sạch. Sau khi được làm sạch, nước được đưa quay trở lại bình lò phản ứng thông qua hệ thống ống dẫn nước cung cấp. Hệ thống ống dẫn tuần hoàn Nó gồm có các ống dẫn và những cái bơm tuần hoàn. Nước sẽ được bơm từ ngoài vào một bình chứa. Sau đó nhờ nhừng chiếc bơm tuần hoàn nước sẽ được dẫn tới lõi lò phản ứng. Một phần nước sẽ được chuyển vào hệ thống chứa nước dự trữ tuần hoàn, một phần sẽ được phun vào lõi lò nhờ những chiếc bơm cao phía trên lõi, nước sẽ được dẫn qua các bó nhiên liệu. Tại đây, nước đóng vai trò là chất lỏng làm chậm neutron, cung cấp neutron chậm cho phản ứng phân hạch, đồng thời nó cũng đóng vai trò lấy nhiệt của các thanh nhiên liệu. Nhờ nhiệt tỏa ra trên bề mặt các thanh nhiên liệu do phản ứng phân hạch gây ra nước được đun sôi. Dưới áp lực của lò, hơi nước sẽ được chuyển tới máy tách hơi nước nằm phía trên lõi, sau đó đi qua máy làm khô hơi nước. Hơi nước này sẽ được dẫn qua một hệ thống ống dẫn tới tuabin và làm quay tuabin. Sau khi qua tuabin nước được làm sạch và bơm trở lại lõi lò phản ứng. Phần nước còn lại trong lõi lò có nhiễm các sản phẩm phân hạch sẽ được lấy ra từ đáy lò bởi các bơm làm sạch và chuyển đến bình lọc. Ở đây nước được làm nguội và sau đó được chuyển lại lò. Ngoài ra còn có một hệ thống ống dẫn nước làm nguội tuần hoàn. Hệ thống các bơm tuần hoàn Hệ thống các bơm tuần hoàn bao gồm các bơm tuần hoàn gắn trên hệ thống ống dẫn để bơm nước từ ngoài vào và các bơm tuần hoàn đặt trong lò phản ứng. các bơm tuần hoàn điều khiển lưu lượng nước đi vào lõi lò phản ứng từ đó điều chỉnh công suất của lò phản ứng. đây là phương pháp thông thường và thuận tiện cho việc kiểm soát năng lượng lò phản ứng. Khi rút hoàn toàn các thanh nhiên liệu ra khỏi các bó nhiên liệu, việc thay đổi lưu lượng nước qua hệ thống tuần hoàn lò phản ứng bằng việc thay đổi tốc độ của các bơm tuần hoàn có thể làm thay đổi năng lượng lò phản ứng từ 30-100%. Khi dòng chảy qua lõi lò tăng lên, hơi nước thoát ra khỏi lò nhanh hơn, lượng nước lỏng trong lõi tăng. Sự điều tiết neutron tăng, các thanh nhiên liệu càng hấp thụ được nhiều neutron chậm, dẫn đến năng lượng lò phản ứng tăng. Khi dòng nước chảy qua lõi lò giảm, trong lõi vẫn còn một lượng hơi nước, lượng nước lỏng trong lõi giảm, sự điều tiết neutron trong lõi giảm, nhiên liệu hấp thụ được ít neutron chậm dẫn đến năng lượng lò phản ứng giảm. như vậy tỉ số giữa nước và hơi nước tăng sẽ làm tăng sự điều tiết neutron làm tăng năng lượng sinh ra trong lõi lò. Tuabin hơi nước Hơi nước được tạo ra trong lõi lò phản ứng truyền qua máy tách hơi nước và những thanh sấy khô đặt phía trên lõi và sau đó đi thẳng tới tuabin, là một bộ phận trong hệ thống lò phản ứng. Dưới sức ép nước sẽ được bơm tới tuabin, hơi nước truyền qua van và chỉa vào các cánh quạt của tuabin làm quay tuabin. Tuabin được gắn với động cơ máy phát điện, khi tuabin quay đồng thời làm quay động cơ máy phát điện. Sau khi đi qua tuabin hơi nước sẽ được ngưng tụ và bơm trở lại bình áp suất. Và chu trình lại tiếp tục. Vì hơi nước sau khi thoát ra khỏi lõi lò thường nhiễm nuclit phóng xạ nên tuabin phải được bảo vệ trong suốt quá trình hoạt động. Phần lớn những tia phóng xạ trong nước chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn (chủ yếu là N-16 có chu kỳ bán rã là 7 giây), nên thành tuabin phải được bảo trì ngay sau khi lò phản ứng ngưng hoạt động. Hệ thống an toàn lò phản ứng Cũng giống như lò phản ứng nước áp lực, lõi lò phản ứng BWR tiếp tục sản xuất nhiệt từ việc phân rã phóng xạ sau khi phản ứng phân hạch đã ngừng, có thể gây ra một sự cố làm hư hỏng lõi. Trong trường hợp tất cả các hệ thống an toàn đều thất bại và lõi lò phản ứng không nhận được nước làm nguội. Cũng giống như lò nước áp lực, lò nước sôi có một hệ số chân không âm, do đó lượng neutron (và nhiệt) thoát ra khỏi lò phản ứng giảm khi tỉ lệ hơi nước và nước bên trong lò phản ứng tăng. Tuy nhiên không giống như lò PWR, không chứa hơi nước trong lõi lò phản ứng sự tăng đột ngột áp suất hơi trong lò BWR (ví dụ như gây ra bởi việc khởi động van đường ống cô lập hơi nước với lò phản ứng (MSIV)) gây ra sự giảm đột ngột tỉ lệ hơi nước với nước ở thể lỏng bên trong lò phản ứng. Điều đó dẫn đến sự tăng neutron điều tiết, từ đó làm tăng sản lượng điện của lò phản ứng. Điều này được gọi là “áp suất tức thời”. Do đó lò BWR được thiết kế đặc biệt để chống lại áp suất tức thời đó, có một “áp lực đàn áp” loại thiết kế có lỗ thông hơi áp lực quá cao sử dụng van áp suất làm chốt an toàn được đặt bên dưới bề mặt của bình chứa chất lỏng được phân làm nhiều ngăn, gọi là “wetwell” hoặc “hình xuyến”. Có 11 cái van áp suất trong mô hình lò BWR/1- BWR/6 và có 18 cái van áp suất trong mô hình lò ABWR, chỉ có một số trong đó có chức năng ngăn chặn sự gia tăng áp lực tức thời. Ngoài ra các lò phản ứng cũng có hệ thống nhanh chóng đóng lại trước khi một tác nhân nào đó tác động đến RPV. Mỗi lò phản ứng sẽ được bao bọc bởi một tòa nhà chứa bằng thép gia cố dày 1.2 đến 2.4 m để phòng khả năng có một sự cố bất ngờ làm vô hiệu hóa tất cả hệ thống chốt an toàn. Bên ngoài lò phản ứng còn được thiết kế với một hệ thống bảo vệ tiền bê tông ngăn sự ảnh hưởng của lò với môi trường và của môi trường tới lò phản ứng. Cấu tạo lò PWR Thùng lò Hình 5. Cấu trúc thùng lò Thùng lò có nhiệm vụ bảo vệ tâm lò, các cấu trúc bên trong lò và các cơ cấu điều khiển. Thùng lò đóng vai trò của rào bảo vệ thứ hai: Rào thứ nhất là vỏ bọc nhiên liệu còn rào thứ ba là tường kín của tòa nhà lò.Hình 5 cho chúng ta thấy cấu trúc thùng lò của một lò PWR công suất 1,100 MW. Trong thùng lò có một lõi lò phản ứng chứa các bó nhiên liệu và thanh điều khiển nằm ở trung tâm. Hệ thống truyền động các thanh điều khiển đặt ở phía trên lõi lò phản ứng. Hình 5. Cấu trúc thùng lò Nước đi vào thùng lò ở nhiệt độ 2900C hoặc 5540F nó chảy xuống dưới xung quanh lõi lò ở đó nó hoạt động như vành phản xạ (Có nhiệm vụ làm tăng số lượng các hạt neutron trong vùng phản ứng, không cho các hạt neutron bắn ra ngoài, và làm các hạt neutron phân bố đều trong vùng phản ứng ) và tiếp tục chảy ngược lên phía trên đi qua lõi lò phản ứng để hấp thu nhiệt tỏa ra từ lõi lò và nước đi ra khỏi thùng lò có nhiệt độ vào khoảng 3250C hoặc 617 0F. Nước trong lò PWR được giữ ở một áp suất cao vào khoảng xấp xỉ 15 Mpa. Ở áp suất này thì nước không thể sôi được. Bộ phận sinh hơi Do nước không sôi được trong lò phản ứng, nên hơi nước dùng để quay tuabin phải được tạo ra ở bên ngoài lò và được thực hiện ở bộ phận sinh hơi do sự trao đổi nhiệt với nước nóng áp suất cao. Hình 6 cho thấy mô hình của một bộ phận sinh hơi tiêu biểu. Ở áp suất cao nước làm mát được nung nóng từ lò phản ứng vào bộ phận sinh hơi từ phía dưới và di chuyển lên xuống trong hàng ngàn những ống có dạng hình chữ U ngược. Bề mặt của những ống này tiếp xúc với nước có áp suất thấp được cung cấp từ bộ phận ngưng tụ nước của tuabin. Sự truyền nhiệt từ nước nóng trong những ống này sẽ làm cho nước cung cấp sôi lên và tạo thành hơi nước, khu vực phía dưới trong bộ phận sinh hơi mà ở đó hơi nước xuất hiện được gọi là khu vực hóa hơi. Hơi nước ẩm ướt sinh ra từ đây bay lên phía trên của bộ phân sinh hơi gọi là khu vực trụ hơi. Ở đây hơi nước sẽ được làm khô trong những thiết bị tách hơi ẩm khác nhau trước khi quay tuabin. Trong những hệ thống lò PWR lớn thì sử dụng tới bốn bộ phận sinh hơi để cung cấp hơi nước ở 2930C hoặc 5600 F và 5Mpa. Hình 6. Bộ phận sinh hơi Nhiên liệu hạt nhân Hình vẽ cấu trúc của các thanh nhiên liệu được cho trong hình . Một bó nhiên liệu thì bao gồm 264 thanh nhiên liệu được sắp xếp thành một bó vuông 17 x 17, trong đó người ta chừa một số vị trí để chứa 24 thanh điều khiển. Thanh nhiên liệu cấu tạo gồm một cái ống dài 4m làm bằng hợp kim Zircaloy-4 ( hợp kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron) bên trong có chứa những viên uranium đã được làm giàu ở mức thấp. những viên UO2 này có dạng là những viên nhỏ hình trụ có đường kính 1 cm và dài khoảng 2 cm. Ngoài ra những cái ống nhiên liệu làm bằng hợp kim Zircaloy-4 có thể giúp ngăn chặn sự rò rĩ các sản phẩm phân hạch. Hình 7. Thanh nhiên liệu Bộ điều áp ( Presurizer) Bởi vì nước về cơ bản là một chất không chịu nén được nên chỉ cần thể tích nước tải nhiệt có sự thay đổi nhỏ có thể dẫn đến sự thay đổi lớn về áp suất, và có thể gây hại đến hệ thống. Một ví dụ nếu vì một lý do nào đó thể tích nước tải nhiệt bị giảm thì sau đó dẫn đến sự giảm áp suất và kết quả là sự bốc hơi của nước trong lò phản ứng. Điều này xảy ra sẽ dẫn đến việc các thanh nhiên liệu nóng chảy. Để tránh điều đó xảy ra chu trình nước tải nhiệt của lò PWR được trang bị một bình ngăn sự tăng áp suất gọi là bộ điều áp. Hình 8.Bộ điều áp Theo hình 8 thì bộ điều áp là bình chứa lần lượt hơi nước ở trên và nước ở phía dưới với một vòi phun ở trên và một thiết bị đun nước ở phía dưới để điều áp. Thiết bị này hoạt động như sau, giả sử công suất đầu ra của tuabin bị hạn chế do sự tải điện giảm trong nhà máy điện. Điều này dẫn đến sự tăng nhiệt độ của nước tải nhiệt trong lò và tương ứng là sự tăng thể tích nước tải nhiệt. Sự giãn nở của nước sẽ khiến cho mực nước trong bộ điều áp tăng lên và tăng áp suất của hơi nước và đẩy van vòi phun. Nước từ hệ thống tải nhiệt sẽ được phun vào ở trên đỉnh của bộ điều áp và ngưng tụ hơi nước. Chính cơ chế này sẽ làm giảm bớt áp suất và hạn chế được sự tăng áp suất. Ngược lại khi sự tải điện tăng lên sẽ dẫn đến thể tích nước tải nhiệt giảm, làm cho mực nước giảm theo và gây sự tụt áp suất trong bộ điều áp. Khi đó một lượng nước sẽ được chuyển thành hơi nước bởi thiết bị đun nước và lần nữa hạn chế sự thay đổi áp suất. Tuyếc bin và máy phát điện Hình 9. Tuyếc bin và máy phát điện Hệ này bao gồm một tuyếc bin áp lực cao, tiếp theo là 3 tuyếc bin áp lực thấp và sau cùng là máy phát điện. Sau khi đi qua hệ tuyếc bin, hơi được dẫn qua hệ ngưng tụ để trở thành nước và được dẫn trở lại hệ sinh hơi. Toàn bộ hệ tuyếc bin và máy phát điện nằm trải dài hơn 70m. Đường kính của tuyếc bin có chỗ lớn nhất tới hơn 5m Cấu tạo của lò CANDU Thùng lò Thùng lò có nhiệm vụ bảo vệ tâm lò, các cấu trúc bên trong lò và các cơ cấu điều khiển. Thùng lò đóng vai trò của rào bảo vệ thứ hai: Rào thứ nhất là vỏ bọc nhiên liệu còn rào thứ ba là tường kín của tòa nhà lò với độ dày là 1,8 mét. Thùng lò được làm bằng bê tông thép chứa đầy nước. Hình 10. Lò CANDU Khác với những loại lò phản ứng như BWR hay PWR, thì lò phản ứng CANDU lại có dạng hình trụ nằm ngang chứa nhiều thanh nhiên liệu nhỏ chứ không phải là một bình áp suất lớn như BWR và được làm bằng thép không rỉ, gọi là calandria. Nó có chiều dài khoảng 5,98 m, đường kính bên trong là 8,458 m với lớp vỏ dày 3,17 cm và có thể chứa tới 312 m3 nước nặng tinh khiết 99,95%. Ở mỗi đầu của thùng lò là một lớp chắn ngoài có tác dụng che chắn phóng xạ và đồng thời nâng đỡ các thanh nhiên liệu được đặt trong lõi lò. Hệ thống truyền động của các thanh điều khiển được đặt ở phía trên lõi lò. Hình 10. Thùng lò Nước nặng đi vào trong lò phản ứng với nhiệt độ là 266oC để hấp thu nhiệt tỏa ra từ phản ứng trong lõi lò sau đó nước nặng đi ra khỏi thùng lò có nhiệt độ vào khoảng 310oC và được giữ ở một áp suất khoảng 10 MPa mà không cần phải đun sôi. Mặc dù phần lớn nhiệt lượng tỏa ra từ lõi lò đã được chuyển đến bộ phận khác bởi chất truyền nhiệt D2O, thế nhưng vẫn còn lại một số ít phần năng lượng đã bị lắng lại trong phần nước nặng làm chậm trong lõi lò. Cấu tạo của lõi lò gồm nhiều thanh nhiên liệu nhỏ nên nó cho phép nạp nhiên liệu ngay cả khi máy đang hoạt động với hiệu suất cao mà không cần phải dập lò, chính vì thế thời gian sống của lò có thể được kéo dài. Kênh nhiên liệu Hình 11. Kênh nhiên liệu Mỗi bó nhiên liệu gồm có 37 thanh. Mỗi thanh chứa 30 viên hình trụ dioxyt Uranium UO2, vỏ là hợp kim Zircalloy 4 (hợp kim của zirconium, rất bền, chịu được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron, đồng thời giúp ngăn chặn sự rò rĩ các sản phẩm phân hạch). Những viên UO2 này có dạng là những viên hình trụ nhỏ có đường kính 8,2 cm và dài khoảng 2 cm. Mỗi bó dài gần 50 cm, đường kính hơn 10 cm, chứa gần 20kg UO2. Như vậy mỗi kênh nhiên liệu dài 6m được nạp 12 bó nhiên liệu và các bó nhiên liệu được sắp xếp như hình vẽ. Mỗi lò chứa khoảng 380 kênh nhiên liệu với khoảng 108.000 kg nhiên liệu. Hình 12. Thanh nhiên liệu Mỗi kênh nhiên liệu được bao bọc bởi một ống áp lực được làm bằng hợp kim zirconium-niobium, ở giữa ống áp lực và lớp vỏ của kênh nhiên liệu hình thành vành đai khí CO2 có tác dụng phát hiện ra sự rò rỉ của các kênh nhiên liệu. Mỗi đầu kênh được làm bằng thép không rỉ và được lắp các bộ phận kết nối mà nước nặng có thể vào hoặc ra để lấy nhiệt lượng từ phản ứng trong lõi thanh nhiên liệu. Bộ phận tiếp nhiên liệu Điểm khác biệt giữa các lò khác và CANDU chính là bộ phận tiếp nhiên liệu trực tiếp trong khi lò đang hoạt động ở công suất cao mà không cần phải dập lò như các kiểu lò khác. Hoạt động thay đổi nhiên liệu dựa trên việc sử dụng kết hợp hai máy tiếp nhiên liệu điều khiển từ xa. Máy tiếp nhiên liệu thứ nhất sẽ đưa bó nhiên liệu mới vào kênh nhiên liệu cùng hướng với dòng nước truyền nhiệt và các bó nhiên liệu cần thay thế sẽ được nhận vào máy tiếp nhiên liệu thứ hai ở đầu kia của kênh nhiên liệu. Thông thường có 4 hoặc 8 bó trong 12 bó nhiên liệu trong một kênh nhiên liệu sẽ được thay thế. Đối với một lò phản ứng CANDU 6, mỗi tuần lễ thì có khoảng 10 kênh nhiên liệu được thay. Hình 13. Bộ phận tiếp nhiên liệu Bộ phận sinh hơi Hình 14. Bộ phận sinh hơi Do nước không thể sôi được trong lò phản ứng nên hơi nước tạo ra để quay tuabin phải được tạo ra ở bên ngoài lò và được thực hiện ở bộ phận sinh hơi do sự trao đổi nhiệt với nước nóng áp suất cao. Phần chính của bộ phận sinh hơi bao gồm vài nghìn ống có đường kính nhỏ Incolloy-800 được uốn cong thành hình chữ U ngược. Nước nặng sau khi lấy nhiệt lượng từ phản ứng trong tâm lò sẽ đi vào hệ này và chuyển động theo các ống có hình chữ U ngược, nước từ hệ thứ cấp được cung cấp từ bộ phận ngưng tụ nước của tuabin sẽ đi vào tiếp xúc với các ống này. Sự truyền nhiệt từ nước nặng trong các ống chữ U ngược sẽ làm cho nước được cung cấp sôi lên và tạo thành hơi nước. Hơi nước được tạo ra sẽ bay lên phía trên của bộ phận sinh hơi và tại đây hơi nước sẽ được tách ẩm trước khi làm quay tuabin. Lò CANDU có 4 bộ sinh hơi liên kết với nhau với nhiệt độ đi vào của nước nặng truyền nhiệt là 309o và đi ra là 266o với áp suất 4,7 MPa. Mỗi bộ có kích thước cao đến hơn 20m, đường kính từ 3 tới 4m, nặng hơn 300 tấn, đi liền với mỗi bộ sinh hơi là các hệ bơm. Bộ điều áp Cũng giống như lò PWR, lò CANDU cũng có bộ phận điều áp. Bộ điều áp là một bình chứa hơi nước ở trên và nước ở phía dưới với một vòi phun ở trên và một thiết bị đun nước ở phía dưới để điều áp. Đây là bộ phận dùng để duy trì áp suất của nước nặng tải nhiệt trong chu trình sơ cấp. Nguyên lý hoạt động của bộ điều áp của lò CANDU giống với cách hoạt động của bộ điều áp của lò PWR. Đặt trường hợp công suất đầu ra của tuabin bị hạn chế do sự tải điện giảm trong nhà máy điện. Khả năng này có thể dẫn đến sự tăng nhiệt độ của nước nặng truyền nhiệt trong lò phản ứng, đồng thời làm tăng thể tích nước nặng. Điều đó dẫn đến mực nước trong bộ điều áp tăng lên đồng thời áp suất của hơi nước cũng tăng lên, vì thế van vòi phun sẽ bị đẩy lên. Nước nặng từ hệ thống tải nhiệt sẽ được phun vào ở trên đỉnh của bộ điều áp và ngưng tụ thành hơi nước. Chính cơ chế này sẽ làm giảm bớt áp suất và hạn chế sự tăng áp suất. Ngược lại, khi sự tải điện tăng lên, thể tích nước tải nhiệt giảm sẽ làm cho mực nước giảm theo, gây ra sự tụt áp suất trong bộ điều áp. Khi đó một lượng nước sẽ được chuyển thành hơi nước bởi thiết bị đun nước để hạn chế sự thay đổi áp suất. Hình 15. Bộ điều áp Tài liệu tham khảo Ngô Quang Huy, Sách “Cơ sở vật lý hạt nhân”, NXB Khoa học và Kỹ thuật (2006) John R. Lamarsh, Anthony J. Baratta-Introduction to Nuclear Engineering