Xem mẫu

  1. NHÀ MÁY ĐIỆN NGUYÊN TỬ: Chương 2-Lò phản ứng hạt nhân (phần 1) TS. Huỳnh Châu Duy Bộ môn Hệ Thống Điện Trường ĐH Bách Khoa TP. HCM 01/2011 1 1. LỊCH SỬ LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN SỰ TIẾN HÓA CỦA LÒ PHẢN ỨNG HẠT NHÂN LÒ PHẢN ỨNG LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ IV THẾ HỆ III+ LÒ PHẢN ỨNG LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ III LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ II THẾ HỆ I 1990 - 2010 1970 - 1990 1950 - 1970 2010 - 2030 Lò phản ứng Lò phản ứng Lò nước nhẹ Các thiết kế -Tăng độ an đầu tiên: thương mại: cải tiến: cải tiến về tính toàn kinh tế và độ -Tăng tính -Shippingport -LWR-PWR -ABWR an toàn kinh tế -Dresden -BWR -Giảm chất -Calder Hall -CANDU thải -Magnox -AGR -Hạn chế phổ biến vũ khí.2 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 1
  2. 2. LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ I - Lò phản ứng thế hệ I bao gồm các lò như: Magnox, Shippingport và Dresden. - Các lò phản ứng thế hệ này được xuất hiện vào những năm 1950 và được sử dụng phổ biến cho tàu biển. 3 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân - Hiện nay, phần lớn các lò phản ứng thế hệ này đều đã hoặc đang tháo dỡ do: + lỗi thời, + hiệu quả thấp, + độ an toàn kém. - Công suất thiết kế ban đầu của các lò phản ứng thế hệ này vào khoảng 5 MW. 4 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 2
  3. a. Tính kỹ thuật của lò phản ứng Magnox - Lò phản ứng Magnox là một trong các lò phản ứng đầu tiên được sản xuất vào đầu những năm của thập niên 50, do 3 nhà vật lý người Anh sáng chế. Dr. Magwood Dr. Khalil Dr. Ion 5 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân Ống dẫn khí nóng Ống nạp Thanh điều khiển Hơi nước Lớp bảo vệ bức xạ Bộ trao đổi nhiệt Lò phản ứng Chất làm chậm Bơm tuần hoàn nước Graphite Thanh nhiên liệu Nước Ống dẫn khí lạnh Bơm tuần hoàn khí Lò phản ứng hạt nhân Magnox 6 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 3
  4. - Lò phản ứng Magnox là loại lò áp lực. - Carbon dioxide được sử dụng làm chất tải nhiệt. - Chất làm chậm là Graphite. - Lò Magnox sử dụng nhiên liệu Uranium trong thiên nhiên. Trong đó: chỉ có 0,7% chất đồng vị U235 và 99,3% chất đồng vị U238. 7 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân - Thép Boron được sử dụng cho các thanh điều khiển. - Lớp vỏ lò phản ứng có thể chịu được áp lực làm việc từ 6,9 – 19,35 bar. Hai lớp bê tông cốt thép được thiết kế để có thể chịu được áp lực vận hành từ 24,8 – 27 bar. 8 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 4
  5. • Công suất cực đại của nhà máy thông thường bị giới hạn bởi thời gian tiếp nhiên liệu cho lò phản ứng. Đây là đặc tính quan trọng của lò Magnox, vì nhiên liệu sử dụng là nguồn Uranium tự nhiên (không được làm giàu) nên nó yêu cầu thay thế nhiên liệu nhiều hơn các lò phản ứng sử dụng nhiên liệu đã được làm giàu. 9 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân b. Tính kinh tế của lò phản ứng Magnox * Lò Magnox đầu tiên được thiết kế chủ yếu phục vụ cho việc sản xuất Plutonium (Pu) cho bom hạt nhân. Việc sản xuất Plutonium từ Uranium sẽ sản sinh ra: - một lượng lớn nhiệt năng (thông thường được bỏ đi), - một lượng hơi nước sinh ra từ việc sản xuất này được sử dụng để quay turbine và phát ra điện năng. 10 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 5
  6. * Vào thời điểm này, một số ý kiến cho rằng việc sản xuất điện năng từ năng lượng nguyên tử là tốn kém hơn rất nhiều so với các nguồn năng lượng truyền thống (thủy điện, nhiệt điện than). Nhưng có thể nhận ra rằng đây là phương án thay thế cho các nhà máy nhiệt điện chạy than, giảm sự phụ thuộc vào nguồn cung cấp than. 11 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân • Nhiên liệu sau khi qua sử dụng phải được lưu trữ trong hồ nước để giảm dần: + nhiệt độ, + tính phóng xạ. Việc này đòi hỏi các nhà thiết kế phải tính thêm cả chi phí xử lý vào chi phí của lò Magnox. 12 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 6
  7. c. Tính an toàn của lò phản ứng Magnox • Đây là thế hệ lò phản ứng đầu tiên nên có nhiều sai phạm về tính an toàn trong thiết kế. • Lò hơi và ống dẫn khí được đặt bên ngoài lớp bảo vệ sinh học bằng bê tông, các thiết bị này phát ra trực tiếp tia gamma và bức xạ neuron mà có thể vượt hơn lượng bức xạ lớn nhất mà con người có thể nhận, gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người. 13 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân d. Nguyên tắc vận hành của lò phản ứng thế hệ I - Các ống kim loại Uranium này được bao bọc bằng một lớp hợp kim gồm Nhôm (Al) và Magie (Mg). 14 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 7
  8. Ống dẫn khí nóng Ống nạp Thanh điều khiển Hơi nước Lớp bảo vệ bức xạ Bộ trao đổi nhiệt Lò phản ứng Chất làm chậm Bơm tuần hoàn nước Graphite Thanh nhiên liệu Nước Ống dẫn khí lạnh Bơm tuần hoàn khí Lò phản ứng hạt nhân Magnox 15 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân - Một lớp than Graphit đặt nằm giữa ống Uranium và hợp kim trên có mục đích làm chậm bớt vận tốc phóng thích nơ tron do sự phân hạch U-235. Từ đó các nơtrôn trên sẽ va chạm mạnh với hạt nhân của U-235 để các phản ứng dây chuyền liên tục xảy ra. - Đây là một phản ứng phát nhiệt rất lớn và nhiệt năng này được đưa đến một tua bin hơi nước để từ đó biến thành điện năng. 16 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 8
  9. • Việc điều khiển vận tốc phản ứng dây chuyền hoặc chặn đứng phản ứng là một công việc quan trọng bậc nhất của một lò phản ứng. • Lò Magnox sử dụng một loại thép đặc biệt (Boron), loại thép này có tính chất hấp thụ các nơ trôn. Do đó, có thể điều khiển phản ứng theo ý muốn. 17 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 3. LÒ PHẢN ỨNG THẾ HỆ II -Loại lò này đã ra đời vào thập niên 70 của thế kỷ 20. -Loại lò này áp dụng nguyên lý lò nước áp suất cao (Pressurized water reactor (PWR)). Trong đó, nước áp suất cao được sử dụng: - vừa làm dung dịch làm nguội, - vừa làm dung dịch điều hòa phản ứng. 18 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 9
  10. - Nhiên liệu được sử dụng cho loại lò này là: + hợp chất uranium dioxit, + hợp kim này được bọc trong các ống cấu tạo bằng kim loại zirconi. - Trong loại lò này, uranium U-235 sẽ được làm giàu từ 0,7% đến 3,5%. 19 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân - Các loại lò này dần dần được thay thế bằng cách áp dụng nguyên lý của lò nước sôi (Boiling water reactor (BWR)). - Điểm khác biệt cơ bản giữa PWR và BWR là: Nước được đun sôi rồi mới chuyển qua hệ thống làm tăng áp suất. Như vậy, BWR sẽ rút ngắn tiến trình tạo nhiệt của hơi nước khi chuyển nhiệt lượng qua các tuabin để biến thành điện năng. 20 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 10
  11. - Lò CANDU (Canada Deuterium Uranium) - Lò AGR (Advanced Gas-Cooled Reactor) - Lò WWER (Water Water Energy Reactor) 21 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 3.1 LÒ PHẢN ỨNG PWR (Pressurized Water Reactor) a. Mô tả chung - Hầu hết, các lò phản ứng đang sử dụng trên thế giới hiện nay đều thuộc kiểu lò PWR - PWR sử dụng nhiên liệu Uranium U235 được làm giàu khoảng 3,2 %. 22 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 11
  12. - Nước áp lực cao trong lò phản ứng: + vừa là chất tải nhiệt + vừa là chất làm chậm - Nước áp lực cao được dẫn qua thiết bị sinh hơi để tạo ra hơi nước, và làm quay turbine của máy phát điện. 23 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân - Một lò phản ứng PWR có: + từ 150–250 khối nhiên liệu, + mỗi khối nhiên liệu có từ 200–300 viên nhiên liệu. Bên trong của lò phản ứng PWR Như vậy, khi vận hành, lò phản ứng có khoảng 80–100 tấn Uranium. 24 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 12
  13. - Nhiệt độ của nước trong tâm lò phản ứng là khoảng 3250C. - Áp suất được giữ khoảng 150 lần áp suất khí quyển để ngăn cản nước sôi. Áp lực này được duy trì bởi hơi trong thiết bị tạo áp lực. - Nước trong vòng thứ cấp sẽ có áp lực thấp hơn trong vòng sơ cấp 25 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân Chu trình của lò PWR (Pressurized Water Reactor) -Màu cam là chất làm mát sơ cấp. -Màu xanh là chất làm mát thứ cấp. 26 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 13
  14. Lò phản ứng và tháp làm mát Rancho Seco ở Herald, California, USA (tình trạng ngưng hoạt động) 27 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân Lò phản ứng và tháp làm mát Rancho Seco ở Herald, California, USA (tình trạng ngưng hoạt động) 28 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 14
  15. Bó thanh nhiên liệu PWR 29 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân Nắp trên Thanh Ống lót nhiên định liệu hướng Ống lót thanh điều định hướng Lưới Bộ lọc Nắp dưới khiển thiết bị đo đạc Bó thanh nhiên liệu của lò phản ứng 30 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 15
  16. 3.1 LÒ PHẢN ỨNG PWR (Pressurized Water Reactor) b. Điều khiển - Công suất trong lò phản ứng sẽ được điều chỉnh qua phản hồi từ sự thay đổi nhiệt độ của hơi nước. - Boron làm các thanh điều khiển được sử dụng để duy trì nhiệt độ của hệ thống sơ cấp tại giá trị mong muốn. 31 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân - Việc điều chỉnh mức độ phản ứng là nhằm duy trì công suất đạt 100% khi mà nhiên liệu được đốt cháy một cách kinh tế nhất. Điều này đạt được nhờ vào việc: Thay đổi nồng độ Axit Boric (Boric hấp thụ Nơtron một cách dễ dàng) được hòa tan trong chất tải nhiệt của vòng sơ cấp. 32 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 16
  17. Một hệ thống điều khiển bao gồm cả bơm áp lực cao sẽ có nhiệm vụ: + lấy nước từ vòng sơ cấp + bơm trở lại đó với nồng độ Axit Boric khác nhau. 33 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân - Các thanh điều khiển được đặt phía trên lò phản ứng và chèn trực tiếp vào các khối nhiên liệu, chúng sẽ được hoạt động cho các quá trình: + Khởi động lò phản ứng. + Tắt lò phản ứng. + Điều tiết trong khoảng thời gian ngắn như việc thay đổi tải của turbine. 34 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 17
  18. 3.1 LÒ PHẢN ỨNG PWR (Pressurized Water Reactor) c. Ưu điểm - Lò phản ứng PWR khá ổn định do nó có khuynh hướng giảm công suất khi nhiệt độ của lò phản ứng tăng lên. - Do trong hệ thống có thêm vòng tuần hoàn thứ cấp nên hơi nước làm quay turbine sẽ không bị nhiễm xạ. 35 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 3.1 LÒ PHẢN ỨNG PWR (Pressurized Water Reactor) d. Nhược điểm - Chất tải nhiệt phải chịu áp lực cao để duy trì trạng thái chất lỏng ở nhiệt độ cao. Điều này đòi hỏi các đường ống phải có độ bền cao và lớp vỏ áp lực phải cứng hơn. Điều này có nghĩa là giá thành xây dựng sẽ tăng lên. 36 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 18
  19. - Lớp vỏ áp lực của lò phản ứng được làm từ thép dẻo nhưng khi lò được vận hành thì các luồng nơtron từ tâm lò sẽ làm cho thép mất đi tính mềm dẻo của nó. Khi tính mềm dẻo đã giảm đến giới hạn cho phép thì cần phải sửa chữa hoặc thay thế. Điều này không có ích về mặt kinh tế. 37 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân - Lò phản ứng PWR không thể nạp nhiên liệu trong khi vận hành, nó phải có một khoảng thời gian ngừng khá lâu (khoảng 14 ngày). 38 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 19
  20. - Chất tải nhiệt có hòa tan Axit Boric khi ở nhiệt độ cao sẽ phá hủy dần các thiết bị thép Carbon trong vòng sơ cấp. Điều này không chỉ giới hạn vòng đời của nhà máy mà còn đòi hỏi phải lọc sạch các sản phẩm ăn mòn. 39 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân - Nhiên liệu sử dụng là U235 được làm giàu. Do đó, giá thành nhiên liệu sẽ bị tăng lên. Nếu sử dụng nước nặng thì có thể chạy bằng Uranium tự nhiên nhưng việc sản xuất ra nước nặng đòi hỏi một lượng năng lượng lớn và cũng rất tốn kém. 40 Nhà máy điện nguyên tử - TS. Huỳnh Châu Duy Chương 2 - Lò phản ứng hạt nhân 20
nguon tai.lieu . vn