BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH  Đề Tài: Thành Phố Hồ Chí Minh – Năm 2010 VẬT LÝ NEUTRON ThS. TRẦN THIỆN THANH BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HỒ CHÍ MINH  Đề Tài: GVHD: ThS. Trần Thiện Thanh NSVTH: Lê Huy Ba Duy Nguyễn Văn Quang Nguyễn Thị Kim Xuyến Nguyễn Thị Thanh ĐẠI HỌC SƯ PHẠM TP HCM. KHOA VẬT LÝ. LỚP LÝ 4 CN (K33) NHÓM SUNRISE TRANG 2 VT Lí NEUTRON ThS. TRN THIN THANH LễỉI GIễI THIEU Trờn phm vi ton cu, nng lng nguyờn t l vụ cựng cn thit v mun hay khụng cng phi phỏt trin nng lng nguyờn t (NLNT) vỡ s tn ti v phỏt trin ca nhõn loi. Nh chỳng ta ó bit, dõn s th gii hin nay l hn 6 t ngi v hng nm tng thờm khong 80 triu ngi, tng ng vi dõn s Vit Nam hin nay. Dõn s tng ng nhiờn dn ti tng mc tiờu th nng lng. Hin nay, ngun nng lng phc v cho con ngi ch yu ly t cỏc ngun nng lng hoỏ thch nh than ỏ, du m v khớ thiờn nhiờn. Ngi ta cng ó tranh lun rt nhiu xung quanh vn nguyờn liu hoỏ thch cũn tn ti c bao lõu? Cú mt iu chc chn l ngun nng lng hoỏ thch cng ch cú hn. Theo tớnh toỏn ca cỏc chuyờn gia nng lng quc t thỡ than ỏ, mc dự cú tr lng tng i phong phỳ, nhng cng ch khai thỏc c trong vũng 230 nm l cn kit, cũn du m l 43 nm v khớ thiờn nhiờn l 62 nm. Trong khi ú, nhiờn liu Uran nu tỏi x lý cú th s dng hng ngn nm, cha k Thori cng cú th dựng lm nhiờn liu cho nh mỏy in ht nhõn.Vn s dng cỏc dng nng lng mi nh giú, mt tri, thu triu, in nhit cng ó c nghiờn cu. Tuy nhiờn, cỏc ngun nng lng ny cng ch chim mt t l rt nh. Vỡ vy, tr li cõu hi v gii phỏp ngun nng lng mi. V tỡm hiu xem h ó lm th no dn thay th nng lng húa thch ngy cng cn kit. Hóy cựng nhúm SUNRISE ca chỳng tụi tỡm hiu v nh mỏy in nguyờn t BOILING WATER REACTOR. NHểM SUNRISE TRANG 3 VẬT LÝ NEUTRON ThS. TRẦN THIỆN THANH MỤC LỤC LỜI GIỚI THIỆU 3 MỤC LỤC 4 CHƯƠNG I. SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA LỊ PHẢN ỨNG 5 CHƯƠNG II. CƠNG NGHỆ , NGUN TẮC HOẠT ĐỘNG VÀ CẤU TẠO CỦA LỊ BWR 11 CHƯƠNG III. ƯU ĐIỂM VÀ NHƯỢC ĐIỂM CỦA LỊ BWR 18 TÀI LIỆU THAM KHẢO 20 NHĨM SUNRISE TRANG 4 VẬT LÝ NEUTRON ThS. TRẦN THIỆN THANH CHƯƠNG I. CHƯƠNG I. SỰ HÌNH SỰ HÌNH THÀNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA LÒ VÀ PHÁT TRIỂN CỦA LÒ PHẢN ỨNG PHẢN ỨNG I.1. GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN I.1.a. Thế hệ I (1950 – 1960) 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. 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. Bao gồm những nguyên mẫu ban đầu lò phản ứng hạt nhân từ những năm 1950 và 1960, ví dụ như Shippingport, Dresden-1, Magnox và Calder Hall-1 ở Vương quốc Anh. Một số lò phản ứng điển hình của các lò thế I. Shippingport  Lò phản ứng Shippingport được đưa vào vận hành năm 1957 tại Shippingport, Pennsylvania, Hoa Kỳ và hoạt động tới năm 1982.  Là lò phản ứng nước áp lực.  Làm chậm và làm lạnh bằng nước nhẹ H 2 O.  Nhiên liêu: hợp kim Uranium UO 2 làm giàu cao.  Công suất 60 MW. NHÓM SUNRISE TRANG 5 VẬT LÝ NEUTRON ThS. TRẦN THIỆN THANH Dresden-1  Lò phản ứng nước sôi thương mại đầu tiên.  Bắt đầu xây dựng vào năm 1956 và được nối với mạng diện vào năm 1960.  Ngưng hoạt động ngày 31/10/1978.  Làm chậm và làm lạnh bằng nước nhẹ H 2 O.  Nhiên liêu: hợp kim Uranium UO 2 làm giàu cao.  Công suất tổng: 207 MW. I.1.b. Thế hệ II Bắt đầu vận hành vào những năm 1970 và bao gồm phần lớn trong số trên 400 lò phản ứng vận hành thương mại kiểu nước dưới áp lực (PWR) và kiểu nước sôi (BWR). Các lò phản ứng này, thường được gọi là lò phản ứng nước nhẹ (LWR), sử dụng các phương pháp an toàn “chủ động” truyền thống bao gồm các tác động điện hoặc cơ khí thực hiện theo lệnh. Một số hệ thống theo thiết kế còn vận hành kiểu thụ động (VD: sử dụng van giảm áp) và làm việc không cần đến người điều khiển hoặc mất nguồn điện tự dùng. Gồm các kiểu lò PWR (Pressurized Water Reactor – lò phản ứng áp lực) và BWR (Boiled Water Reactor – lò phản ứng nước sôi) của châu Âu, Hoa Kỳ, Nhật; WER và RBMK (của Nga); Candu nước nặng (của Canada, Ấn Độ), HTGR (High Temperature Helium Gas), LMFR (Liquid metal cooled reactor). • Lò nước sôi: Chỉ duy trì có một hệ thống nước. Nước vừa hấp thụ nhiệt từ các phản ứng hạt nhân trong lò để biến nước thành hơi nước và hơi nước với áp suất được dẫn thẳng đến tuabin để quay máy phát điện. Trong loại lò phản ứng này, nước được truyền qua lõi lò phản ứng, hoạt động như những dung dịch trung hòa và môi NHÓM SUNRISE TRANG 6 VẬT LÝ NEUTRON ThS. TRẦN THIỆN THANH trường làm nguội, là nguồn hơi nước để làm quay tuabin. Lò BWR hoạt động ở điều kiện áp suất 70 atm, ở đó, nhiệt độ sôi của nước là 285 o C. Môi trường nhiệt độ này làm cho hiệu suất Carnot chỉ đạt được 42%, thực tế nguồn điện năng sinh ra chỉ có khoảng 32%, thấp hơn so với loại lò nước dưới áp suất (PWR). • Lò nước áp suất: Gồm hai hệ thống nước tách biệt và nước không pha trộn vào nhau. Hệ thống chính có nhiệm vụ hấp thụ nhiệt từ các phản ứng trong lò dưới áp suất rất cao và dòng nước nóng này được chảy qua hệ thống ống trong bình giải nhiệt. Tại đây, nhiệt được hệ thống nước thứ hai nhận và biến nước thành hơi nước. Dưới áp suất cao, dòng hơi nước này được dẫn vào tuabin để chạy máy phát điện. Lợi thế của loại lò này là sự rò rỉ nhiên liên sẽ không xảy ra ở hệ thống chứa chạy vào tuabin và máy nén. I.1.c. Lò thế hệ III và 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. NHÓM SUNRISE TRANG 7 VẬT LÝ NEUTRON ThS. TRẦN THIỆN THANH Một số kiểu lò điển hình: • Ap600 AP600 là một mô hình tương đối nhỏ, nhà máy điện hạt nhân công suất 600 MWe được thiết kế bởi Công ty Westinghouse Electric. AP600 này có các tính năng an toàn thụ động đặc trưng như các thế hệ lò phản ứng III. • ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) Là lò phản ứng thế hệ thứ ba dựa trên lò phản ứng nước sôi, khởi đầu do General Electric (GE) thiết kế. Thiết kế chuẩn của nhà máy sử dụng lò ABWR có công suất khoảng 1.350 MW điện.Các bơm tuần hoàn bên trong bể áp suất lò phản ứng (RPV) là một cải tiến quan trọng so với các thiết kế nhà máy lò phản ứng GE trước đó, thay thế toàn bộ hệ thống bơm phun nằm ngoài có khả năng rò rỉ.Các lò phản ứng đầu tiên ứng dụng công nghệ bơm tuần hoàn trong do ASEA-Atom thiết kế (giờ đây do Toshiba sở hữu) và xây dựng ở Thuỵ Điển. Nhờ loại bỏ hệ thống bơm ngoài, nhà máy đạt hiệu suất cao hơn, tiết giảm chi phí và an toàn hơn. I.1.d. Lò thế hệ IV Về ý tưởng thiết kế, lò phản ứng thế hệ IV có mọi đặc điểm của các lò thế hệ III+, cộng thêm khả năng hỗ trợ sản xuất hyđro, thu hồi nhiệt, và thậm chí cả việc khử muối mặn trong nước. 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. Ngoài ra, các thiết kế này còn bao gồm việc quản lý các nguyên tố actinit. Actinit là các nguyên tố hoá học có số thứ tự NHÓM SUNRISE TRANG 8 VẬT LÝ NEUTRON ThS. TRẦN THIỆN THANH nguyên tử từ 89 (Actini) tới 103 (Lôrenxi); thuật ngữ này thường áp dụng cho các nguyên tố nặng hơn Uran, còn được gọi là các chất siêu Uran. Các nguyên tố actinit đều là chất phóng xạ, thường có chu kỳ bán rã dài, và chiếm tỉ lệ đáng kể trong nhiên liệu thải từ các lò LWR. Nhìn chung, các hệ thống thế hệ IV bao gồm việc tái chế hoàn toàn các nguyên tố Actinit và các công trình chu kỳ nhiên liệu tại chỗ, dựa trên các phương án xử lý tiên tiến dùng nước (Aqueous), nhiệt luyện kim (pyrometallurgical) hoặc phương pháp khô khác. Tái xử lý tại chỗ cho phép giảm vận chuyển vật liệu hạt nhân, một vấn đề làm tăng rủi ro phổ biến hạt nhân. I.2. PHÂN LOẠI CÁC LOẠI LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN Có nhiều cách phân loại lò phản ứng hạt nhân, dưới đây là cách phân loại phổ biến nhất, dựa vào các chất làm chậm và chất truyền nhiệt sử dụng trong lò phản ứng. I.2.a. Lò phản ứng nước – nước: Các thanh nhiên liệu được xếp trong hộp đặt trong vùng phản ứng. Nước vừa làm chất truyền nhiệt, vừa làm chất làm chậm. Nước làm chất truyền nhiệt được đưa vào bên trong lò phản ứng, chạy dọc theo vùng phản ứng từ dưới lên trên. Áp suất trong lò phản ứng nước – nước khoảng 1-2MPa. Lò nước áp lực tạo hơi gián tiếp: Chất tải nhiệt vòng sơ cấp, được giữ ở trạng thái lỏng dưới áp suất cao, mang nhiệt từ lò hạt nhân tới thiết bị sinh hơi, tại đây diễn ra trao đổi nhiệt với vòng thứ cấp và hơi được tạo ra rồi dẫn tới tuabin. Lò nước sôi sinh hơi trực tiếp bằng cách làm sôi chất tải nhiệt trong lò. Hơi được tách ra khỏi chất lỏng trong một thiết bị phân tách đặt phía trên vùng hoạt động, sau đó được đưa tới tuabin. I.2.b. Lò phản ứng graphite: Graphite được sử dụng làm chất làm chậm, chất truyền nhiệt trong lò phản ứng Graphite có thể là nước nhẹ, nước nặng, gas, hoặc kim loại nóng chảy. Các thanh nhiên liệu được xếp trong các ống dẫn cùng các chất truyền nhiệt. Bao quanh các ống dẫn là Graphite. Ở nhiệt độ cao, Graphite xảy ra phản ứng với không NHÓM SUNRISE TRANG 9 VẬT LÝ NEUTRON ThS. TRẦN THIỆN THANH khí, do đó chất làm chậm Graphite được xếp vào trong các hộp kín làm bằng kim loại. Lớp bảo vệ sinh học được làm bằng bê tông dầy, khí trơ Heli hoặc CO 2 bơm vào bên trong lò phản ứng. I.2.c. Lò phản ứng sử dụng neutron kích hoạt năng lượng lớn (neutron nhanh): Nguyên liệu sử dụng trong lò là hỗn hợp U-235 và Pu-239 được làm giàu (15%). Phản ứng dây truyền xảy ra dưới tác động kích hoạt của các neutron nhanh. Bao quanh vùng phản ứng là các tấm U-238 hoặc Th-232 có nhiệm vụ hấp thu toàn bộ các hạt neutron nhanh, còn gọi là vùng tái sinh nguyên liệu. Các tấm U-238 và Th-232 khi hấp thụ neutron sẽ trở thành Pu-239, U-233, nó sẽ tách ra trong quá trình tái chế. Trong lò phản ứng sử dụng neutron nhanh kích hoạt, không cần dùng chất làm chậm neutron. kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt. Lò phản ứng sử dụng neutron nhanh kích hoạt không cần chất làm chậm, sử dụng các thanh nguyên liệu được làm giàu, và sắp xếp gần nhau, nên nhiệt lượng tỏa ra rất lớn (1000 kW/l), do đó công suất của loại lò phản ứng này lớn. Chất truyền nhiệt phải có khả năng trao đổi nhiệt nhanh, thường được sử dụng là kim loại lỏng (Na, K, hoặc hỗn hợp Na – K) được sử dụng làm chất truyền nhiệt. Cũng do sử dụng nguyên liệu là các thanh Uran được làm giàu nên mức độ an toàn cũng thấp hơn các loại lò khác. I.2.d. Lò nhiệt độ cao tải nhiệt bằng tải nhiệt bằng khí gas, với graphite làm chất làm chậm. Loại lò này vẫn chưa được vận hành thương mại, là một phương án thay thế cho thiết kế thông thường. Nó dùng Graphite là chất làm chậm và khí Helium là chất tải nhiệt. Đặc điểm nổi bật của HTGR là có độ an toàn cao. Nhiên liệu của chúng được bọc trong lớp vỏ gốm chịu được nhiệt độ trên 1.600 o C trong khi nhiệt độ làm việc hiệu quả của lò là 95 o C. Helium được dẫn trực tiếp tới tuabin. Tên và kí hiệu các loại lò phản ứng thông dụng trên thế giới ABWR - Lò nước sôi cải tiến AGR - Lò cải tiến, dùng Graphite làm chất làm chậm, gas làm chất truyền nhiệt. NHÓM SUNRISE TRANG 10 . 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. III. • ABWR (Advanced Boiling Water Reactor) Là lò phản ứng thế hệ thứ ba dựa trên lò phản ứng nước sôi, khởi đầu do General Electric (GE) thiết kế. Thiết kế chuẩn của nhà máy sử dụng lò ABWR có công. 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. Ngoài ra, các thiết kế này còn bao gồm việc quản lý các nguyên tố actinit.