Xem mẫu
- LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN
4.1. Lịch sử lò phản ứng hạt nhân
Lò phản ứng thế hệ I ra đời đầu thập niên 50, tuy
nhiên chúng đang dần dần bị đào thải.
- Thế hệ thứ II ra đời vào đầu thập niên 70.
- Thế hệ thứ III, vào thập niên 90.
- Thế hệ thứ IV đang được chuẩn bị với rất nhiều hy
vọng trở thành một công nghệ toàn hảo vì sẽ làm giả
hiểu tối đa hiệu ứng nhà kính qua việc thải khí CO2,
hực hiện được an toàn lao động trong vận hành và
nhất là loại lò này sẽ là
- 4.1.1. Lò phản ứng thế hệ I
Lò phản ứng có tên Magnox do 3 nhà vật lý n
Anh sáng chế là Ts. Ion, Ts. Khalit, và Ts.
Magwood. Lò Magnox sử dụng nguyên liệu ur
rong thiên nhiên trong đó chỉ có 0,7% chất đồ
U-235 và 99,2% U-238.
238.
- Nguyên tắc vận hành
Nguyên tắc vận hành có thể được tóm tắt như sau: C
kim loại urani được bao bọc bằng một lớp hợp kim g
m và magiê. Một lớp than graphit đặt nằm giữa ống u
ợp kim trên có mục đích làm chậm bớt vận tốc phón
h nơtron do sự phân hạch U U-235. Từ đó các nơtron t
a chạm mạnh với hạt nhân của U U-235 để các phản ứ
chuyền liên tục xảy ra. Để điều khiển vận tốc phản ứ
chuyền hoặc chặn đứng phản ứng, lò Magnox sử dụ
loại thép đặc biệt. Nó có tính chất hấp thụ các nơtro
ó thể điều khiển phản ứng theo ý muốn. Có 26 lò Ma
- 4.1.2. Lò phản ứng thế hệ II
Loại lò này ra đời vào thập niên 70, hiện chiếm đ
c lò đang hoạt động trên thế giới. Từ ban đầu, 60%
này áp dụng nguyên lý lò áp lực PWR, . Nhưng đã d
n được thay thế bằng lò nước sôi BWR. Nhiên liệu s
ng cho lò này là hợp chất urani đioxit và hợp kim nà
ợc bọc trong các ống cấu tạo bằng kim loại zirconi.
ani 235 sẽ được làm giàu từ 0,7% đến 3,5%. Một kh
ệt cơ bản là nước được đun sôi rồi mới chuyển qua h
ống làm tăng áp suất. Như vậy, phương pháp này sẽ
ắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nước khi truyền nhiệt
- 4.1.3. Lò phản ứng thế hệ III
Kể từ cuối thập niên 80, thế hệ III bắt đầu được nghi
u với nhiều cải tiến từ các lò phản ứng loại BWR của
II. Năm 1996 tại Nhật đã có loại lò này. Hiện tại các
y đang được sử dụng ở nhiều quốc gia trên thế giới
ời gian xây dựng tương đối ngắn ( chỉ xây trong khoả
m) và chi phí cũng giảm so với các lò thuộc thế hệ tr
ơn nữa, việc vận hành cũng như bảo dưỡng loại lò n
ơng đối đơn giản và an toàn hơn.
- 4.1.4. Lò phản ứng thế hệ IV
ác nhà khoa học đang tiến dần đến việc xây dựng c
nhân thế hệ IV, trong đó hệ thống an toàn sÏ hoàn to
g, sẽ không còn có việc phát thải khí CO2. Thế hệ IV
ợc gọi là “lò phản ứng cách mạng". Thế hệ này dù kiÕ
ợc ứng dụng vào năm 2030 và có thể thỏa mãn nhữn
n sau:
+ Giá thành cho điện năng sẽ rẻ hơn hiện tại;
+ Độ an toàn rất cao nên có thể xem như an toàn
100%;
- 4.2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền
4.2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền
hi ta truyền cho hạt nhân một năng lượng đủ lớn, hạ
n có thể vỡ thành hai hay nhiều mảnh nhỏ hơn nó. N
ng cần thiết, nhỏ nhất để làm hạt nhân phân chia đư
là năng lượng kích hoạt. Năng lượng kích hoạt được
g cho hai phần: một phần truyền cho các nuclon riên
bên trong hạt nhân tạo ra các dạng chuyển động nộ
phần dùng để kích thích chuyển động tập thể của to
hạt nhân, do đó gây ra biến dạng và làm hạt nhân vỡ
- phản ứng hạt nhân chính diễn ra trong lò phản ứng chạy bằn
nh
on chậm và U235 là:
0n1 + 92U235 A + B + n'
và: 0n1 + 92U235 92U236 +
g đó A và B là hai hạt nhân nhẹ h U235 gọi là các mảnh phâ
n hơn
h.
ể lò đạt được trạng thái tới hạn tức là trạng th mà ở đó phản
i thái
chuyền tự duy trì phải có một sự c bằng chính xác giữa số
cân
đi và số nơtron xuất hiện trong ph hạch.
tron phân
- 2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền
2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền
rani thiên nhiên có chứa
đồng vị U238 và 0,7% Phản ứng dây chuyền
U235. Hạt nhân của
U238 chỉ bị vỡ khi hấp
on nhanh (có năng
ớn hơn 1 MeV). Khi hấp
chậm U238 sẽ biến
u239. Trái lại, hạt nhân
ẽ bị vỡ khi hấp thụ cả
chậm và nơtron nhanh. Tuy
ác suất hấp thụ nơtron
ủa hạt nhân U235 lớn hơn
- 4.2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền
4.2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền
Quá trình thực nghiệm đã cho kết quả là các hạt nh
5, Pu239 và U233 sẽ bị vỡ ra khi hấp thụ nơtron nhiệ
g lượng nhỏ từ 0,10,001 eV), còn U238 và Th232
0,001
ấp thụ nơtron nhanh (NL lớn hơn 1 MeV).
Khi hấp thụ một nơtron, hạt nhân ZXA biến thành h
+1 ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơ
ản. Năng lượng kích thích bằng tổng động năng và
g liên kết của nơtron trong hạt nhân mới. Nếu năng
thích lớn hơn năng lượng kích hoạt thì quá trình phâ
ảy ra. Nếu ngược lại thì hạt nhân sẽ chỉ chuyển về tr
- 2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền
2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền
phản ứng phân hạch của hạt nhân U235 bằng nơtr
ể viết như sau:
0n1 + 92U235 2 mảnh phân hạch + n'
0n1 + 92U235 2 mảnh phân hạch + các hạt -
0n1 + 92U235 2 mảnh phân hạch + Các lượng tử
suất phân hạch là tỉ số 1/(1+ trong đó là tỉ số gi
1/(1+)
ứng bắt và số phản ứng phân hạch. Như vậy xác su
1+).
nên đứng về mặt xác suất ta có thể viết lại phản ứng
của U235 do nơtron như sau:
- Khi hạt nhân U235 phản ứng với một nơtron thì xác
xảy ra phân hạch là 1/(1+ mà mỗi lần phân hạch c
),
nơtron được tạo thành, cho nên
= (1/(1+))
là số nơtron trung bình được tạo ra khi hạt nhân U
hụ một nơtron.
Nếu lò ở trạng thái tới hạn thì ở thế hệ tiếp theo cũn
có 1 nơtron bị hấp thụ và do đó nơtron mới được tạ
hành. Để đơn giản ta giả định là tất cả các nơtron gâ
phân hạch hạt nhân U235 đều có năng lượng như nh
Trong số nơtron sẽ chỉ có phần lại bị hấp thụ trong
ệu (trong đó fa là tiết diện hấp thụ vĩ mô để phân h
fa
- 2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền
2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền
Nếu lò ở trạng thái tới hạn thì ở thế hệ tiếp theo cũ
hải có 1 nơtron bị hấp thụ. Do hấp thụ nơtron đầu tiê
à nơtron mới được tạo thành. Để đơn giản ta giả đ
t cả các nơtron gây ra phân hạch hạt nhân U235 đề
ăng lượng như nhau. Trong số nơtron sẽ chỉ có
f
a a
hần lại bị hấp thụ trong nhiên liệu
f
trong đó a là tiết diện hấp thụ vĩ mô để phân hạ
ủa nhiên liệu, a là tiết diện hấp thụ toàn phần của tấ
a
ác vật liệu có trong lò kể cả nhiên liệu).
- 2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền
2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền
ế cho nên đối với lò có kích thước lớn đến mức không có một
on nào có thể rò ra khỏi lò ta nói đó là một lò vô hạn. Khi đó hệ
hân sẽ có dạng: f
a
k f
f
a
a
g đó f = là hệ số sử dụng nơtron nhiệt.
a
lò có kích thước hữu hạn thì:
k = .f.Pt (đối với trường hợp 1 nhóm).
.f.Pt
g đó Pt là xác suất để nơtron nhiệt không thoát ra khỏi lò.
- 2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền
2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền
Tỷ số giữa số nơtron được làm chậm xuống d
ợc dưới
gưỡng phân hạch của U238 chia cho số n
n nơtron xuất
an đầu trong hệ được ký hiệu là và được gọi là hệ
ợc
hân bằng các nơtron nhanh. Giả sử c m nơtron bị là
tron có
hậm qua vùng cộng hưởng th trong đó chỉ có n nơtro
ởng thì
ánh được sự hấp thụ cộng h
ợc hưởng để xuống được vù
hiệt. Như vậy p=m/n gọi là x suất tránh hấp thụ cộ
xác
ưởng. Từ đó ta có công thức bốn thừa số như sau:
ng
k = ..p.f
.p.f
- 2. ĐK duy trì phản ứng dây chuyền
2.1. ĐK tới hạn của phản ứng dây chuyền
ong đó:
là số nơtron trung bình tạo thành khi hạt nhân
U235 hấp thụ 1 nơtron
là hệ số nhân bằng các nơtron nhanh
p là xác suất tránh hấp thụ cộng hưởng
f là hệ số sử dụng nơtron nhiệt
k = 1 là điều kiện tới hạn của lò.
ếu lò là hữu hạn hoặc có kể đến hiện tượng rò của c
ơtron ra khỏi lò thì công thức bốn thừa số biến thành
- 4.2.2. Phân bố nơtron trong lò
ười ta hay dùng một phương trình gần đúng gọi là p
uếch tán xem các nơtron như là khuếch tán trong mô
nhân nhiên liệu.
ụ đối với lò hình cầu ta có:
2
1 2
S D r 2 a
v t r y
D là hệ số khuếch tán, là thông lượng nơtron tron
ạo ra nơtron trong 1cm3 sau 1 giây.
- .2.3. Thời gian tồn tại của nơtron trong lò
ể đơn giản, ta giả thiết rằng l là đồng nhất, không c
n lò
ất phản xạ nơtron, chưa kể đ các hiệu ứng nhiệt đ
a đến
a môi trường v.v...
ếu gọi là thời gian sống trung bbình của nơtron tron
hĩa là khoảng thời gian từ l nơtron được sinh ra d
lúc
ân hạch và thời điểm nó mất đi do bị hấp thụ hoặc b
ngoài lò. Có thời gian bao hàm cả thời gian sinh, th
an làm chậm và thời gian khuếch t của các nơtron
tán
iệt. Tuy nhiên có thể coi của một thế hệ nơtron gần
ng bằng thời gian khuyếch t của nơtron nhiệt.
ếch tán
- .2.3. Thời gian tồn tại của nơtron trong lò
- Các lò có chất làm chậm là graphít hay nước nặng thì
10-3 giây,
- Đối với lò chạy bằng nước thường 10- 4 giây.
- Các lò chạy bằng nơtron nhanh thời gian sống trung bình củ
nơtron đạt tới 10-7 - 10-8 giây.
Mật độ nơtron trong lò ở thời điểm t có thể tính được theo côn
k . t
hức:
n( t ) n0e L
[1/cm3]
- Nếu hệ số nhân hiệu dụng lớn hơn 1, số nơtron trong 1cm3 s
theo hàm mũ. Bây giờ giả định rằng ở trạng thái hiện tại của lò
k = 1,001 đó là một trạng thái không khác lắm với trạng thái tớ
Do đó k = k - 1 = 1,001 - 1 = 0,001. Đối với các lò chạy bằng n
nhiệt
= 10-3 giây = 0,001 giây.
3
Do đó:
0, 001. t
0, 001 t
n( t ) n0 e n0 e
nghĩa là thông lượng nơtron và do đó công suất của lò tăng e
mỗi giây. Nếu lò chạy bằng urani có hàm lượng cao( ~ 10-5 g
cao(
đối với lò chạy bằng nơtron nhanh( ~ 10-7 - 10-8 giây) thì tốc
nhanh(
công suất còn cao hơn nữa.
nguon tai.lieu . vn
