Xem mẫu
- TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA VẬT LÝ
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
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
Mục lục
I. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân......................................2
II. Cấu tạo lò BWR...................................................................7
III. Cấu tạo lò PWR................................................................12
IV. Cấu tạo của lò CANDU...................................................18
Tài liệu tham khảo..................................................................24
I. Các thế hệ lò phản ứng hạt nhân
Các
I.1. 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.
I.2. 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
Trang2
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
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
I.3. 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 hơn.
cao
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.
Trang3
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
I.4. 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 s ản 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 đ ến 2 l ần
(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.
I.5. 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.
Trang4
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
I.6. 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%.
I.6.1. 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.
I.6.2. 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.
I.6.3. Lò phản ứng nước nặng PHWR
Các lò phản ứng dạng PHWR sử dụng nước nặng (đơteri oxit D 2O) 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
Trang5
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
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.
Trang6
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
II. Cấu tạo lò BWR
II.1. 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
Hình 2. Hệ thống bình
chất lỏng làm nguội các thiết bị của lõi lò. lò phản ứng
II.2. 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 Hình 3.Hệ thống thanh nhiên liệu
Zircaloy, hợp kim này rất bền, chịu
được nhiệt độ cao và không hấp thụ neutron. Những thanh nhiên liệu được
thiết kế nhằm 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) UO 2.
Trang7
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
Nhiệt trung bình trên bề mặt một thanh nhiên liệu khi hoạt động là 558 oF
(292oC).(số liệu của lò BWR Vermont Yankee,năm 1972)
II.3. 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 đ ược 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
Trang8
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
B+ n Li + 24 He
10 7
5 3
II.4. 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 đ ặt
phía trên lõi lò phản ứng.
II.5. 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
Trang9
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
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.
II.6. Hệ thống ống dẫn tuần hoàn
Nó gồm có các ống dẫn và những cái bơm tuần hoàn. Nước sẽ đ ược
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 c ủa
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.
II.7. 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.
Trang 0
1
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
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.
II.8. 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.
II.9. 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
Trang 1
1
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
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 l ệ
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 đ ược 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.
III. Cấu tạo lò PWR
III.1. Thùng lò
Thùng lò có nhiệm vụ bảo vệ tâm lò, các cấu trúc bên trong lò và các cơ c ấu
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
Trang 2
1
Hình 5. Cấu trúc thùng lò
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
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 290 0C 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
Trang 3
1
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
tỏa ra từ lõi lò và nước đi ra khỏi thùng lò có nhiệt độ vào khoảng 325 0C 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.
III.2. 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 293 0C
hoặc 5600 F và 5Mpa.
Trang 4
1
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
Hình 6. Bộ phận sinh hơi
Trang 5
1
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
III.3. 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
Trang 6
1
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
III.4. 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 đ ến vi ệc
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.
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
Hình 8.Bộ điều áp
Trang 7
1
- Lớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
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 t ừ 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.
III.5. 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 hHình 9. Tuyếc bin và máy phát điện
ơn 5m
IV. Cấu tạo của lò CANDU
IV.1. 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.
Trang 8
1
- L ớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
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 m 3 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. Lò CANDU
Hình 10. Thùng lò
Nước nặng đi vào trong lò phản ứng với nhiệt độ là 266 oC 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.
Trang19
- L ớp Lý 4 CN-Nhóm 6 Vấn Đề An Toàn Bức Xạ Trong Lò Phản Ứng Hạt
Nhân
IV.2. 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
Hình 11. Kênh nhiên liệu
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.
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
Hình 12. Thanh nhiên liệu
Trang20
nguon tai.lieu . vn
