Phản ứng hạt nhân & lò PUHN

Phản ứng hạt nhân
&
Lò phản ứng hạt nhân
Phản ứng phân hạch hạt nhân
Khi nguyên tử urani hoặc plutoni hấp thụ một neutron, nó có thể trải qua phản ứng phân hạch hạt nhân để tách thành nhiều hạt nhỏ hơn.
Phản ứng phân hạch sản sinh một lượng nhiệt lớn cùng neutron mới. Những neutron mới tiếp tục bắn phá nguyên tử urani hoặc plutoni để tạo nên phản ứng dây chuyền
Hoạt động của lò
phản ứng hạt nhân
Mặc dù lò phản ứng hạt nhân đã được cải tiến rất nhiều, cấu tạo cơ bản của chúng hầu như không thay đổi kể từ khi chúng ra đời cách đây gần 50 năm.
Sau đây là nguyên lý hoạt động cơ bản của các loại lò phản ứng hạt nhân được đăng trên trang MSNBC.
Toàn bộ quá trình phân hạch xảy ra trong trong lõi bằng thép của lò phản ứng.
Nhiệt mà phản ứng tạo khiến nước sôi và bốc hơi.
Luồng hơi nóng của nước làm quay các turbin và tạo ra điện.
Trong lõi của lò phản ứng, nguyên tố urani hoặc plutoni được nạp vào các thanh nhiên liệu (màu đỏ) chìm trong nước.
Các thanh điều khiển (màu đen) để làm nhanh hoặc chậm quá trình phân hạch của nhiên liệu hạt nhân được đặt bên dưới các thanh nhiên liệu
Khi sự cố bất ngờ, như động đất, xảy ra thì các thanh điều khiển tự động kích hoạt và trồi lên, nằm xen kẽ với các thanh nhiên liệu nhằm hấp thụ neutron từ các thanh nhiên liệu.
Do bị hấp thụ, các hạt neutron không thể bắn phá nguyên tử urani hoặc plutoni nên phản ứng phân hạch chấm dứt và lò phản ứng ngừng hoạt động.
Trong kiểu lò nước áp lực, nước được bơm vào lõi để hấp thu nhiệt từ các thanh nhiên liệu. Sau đó nó chảy qua một hệ thống kín để sôi. Hơi nước được dẫn sang buồng chứa turbin để làm quay turbin. Chuyển động quay của turbin được truyền sang máy phát điện
Trong lò nước sôi, nước sôi ngay sau khi hấp thu nhiệt từ các thanh nhiên liệu và hơi được dẫn sang buồng chứa turbin.
Ra khỏi turbin, nước được làm nguội tại một tháp để quay trở lại dạng lỏng.
Sau đó nước tiếp tục chảy tới buồng tạo hơi
Lò phản ứng được đặt trong một bể chứa bằng sắt không rỉ. Bên ngoài bể chứa được gia cố bằng lớp tường xi măng có độ dày hàng mét để ngăn chặn chất phóng xạ rò rỉ ra ngoài trong trường hợp sự cố xảy ra
Một bể chứa lò phản ứng trong quá trình xây dựng.
Chất thải hạt nhân
Theo thời gian, nhiên liệu hạt nhân biến thành nguyên tố nhẹ hơn và không thể gây nên phản ứng phân hạch.
Nếu không được tái chế hoặc làm giàu, chúng sẽ trở thành chất thải hạt nhân.
Một bể chứa chất thải hạt nhân
Bốn thế hệ
lò
phản ứng
hạt nhân
Nguồn năng lượng lớn
Hiện thế giới đang nghiên cứu phát triển lò hạt nhân thế hệ IV với ưu thế tiết kiệm, hạn chế tối đa sự cố.
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
Thế hệ đầu tiên
Thế hệ lò phản ứng hạt nhân thứ nhất gồm có những lò 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 PUHN của Pháp
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.
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.
Ưu điểm của Thế hệ III (tiếp)
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.
Hạn chế của Thế hệ III
Nhưng mặc dù các lò thế hệ III mới ra đời, nó lại đã 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
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 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.
Thế hệ còn trong tương lai
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.
Lò phản ứng hạt nhân là thiết bị có thể điều khiển và kiểm soát phản ứng phân hạch để thu nhiệt do phản ứng đó tạo ra
Sơ đồ nguyên lý lò phản ứng hạt nhân
Lời kết
Nhân dịp kỷ niệm 25 năm thảm hoạ do nhà máy điện hạt nhân Trecnobưn, Bài này NST coi như lòng thành tưởng niệm
Thông tin và các lý thuyết về năng lượng hạt nhân rất phức tạp nếu muốn hiểu sâu; với kiến thức phổ thông diễn đạt không thể chính xác hết. Mong được thông cảm.



NST Phạm Huy Hoạt 27/4/2011