Xem mẫu
- 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. 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
- 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
- - 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
- • 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
- * 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
- 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
- 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
- • 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
- - 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
- - 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
- - 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
- - 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- 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
- - 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
- - 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