Lò phản ứng hạt nhân

Lò phản ứng hạt nhân là một thiết bị để khởi động, kiểm soát, và duy trì một chuỗi phản ứng hạt nhân. Lò phản ứng hạt nhân thường được sử dụng để tạo ra điện và cung cấp năng lượng cho một số tàu ngầm. Điều này thường thực hiện bằng cách sử dụng nhiệt từ phản ứng hạt nhân để quay tuốc bin hơi nước.

Nguyên tắc hoạt động

Cũng như các nhà máy điện thông thường tạo ra điện bằng cách khai thác năng lượng nhiệt từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch, các lò phản ứng hạt nhân biến đổi năng lượng nhiệt phát ra từ phân hạch hạt nhân.

Sự phân hạch

Khi một hạt nhân nguyên tử phân hạch lớn như Urani 235 hoặc Plutoni 239 hấp thụ một neutron, nó có thể trải qua phân hạch hạt nhân. Các hạt nhân nặng chia tách thành hai hoặc nhiều hạt nhân nhẹ hơn, giải phóng năng lượng, bức xạ gamma và nơtron tự do; được gọi chung là sản phẩm phân hạch. Các nơtron sinh ra sau mỗi phân hạch lại có thể bị hấp thụ bởi các hạt nhân ở gần đó, làm xảy ra phân hạch tiếp theo và cứ thế, sự phân hạch diễn ra thành một dây chuyền. Số phân hạch tăng lên rất nhanh trong một thời gian rất ngắn tạo thành một chuỗi phản ứng hạt nhân.

Các nguyên liệu hấp thụ nơtron thường được sử dụng như nước nhẹ (75% các lò phản ứng trên thế giới) than chì rắn (20%) và nước nặng (5%). Berili cũng đã từng được sử dụng trong một số kiểu thí nghiệm, và hydrocarbon đã từng được đề xuất sử dụng.

Phát nhiệt

Lõi lò phản ứng tạo ra nhiệt theo 1 số bước sau:

• Động năng của sản phẩm từ phản ứng phân hạch được chuyển đổi thành nhiệt năng khi những hạt nhân đó va chạm vào những nguyên tử gần đó.
• Một số tia gamma tạo ra từ phản ứng phân hạc dược lò phản ứng hấp thụ, và năng lượng đó được biến đổi thành nhiệt.
• Nhiệt năng tạo ra từ sự phân rã phóng xạ của sản phẩm và nguyên liệu cho phản ứng nhiệt hạch đó được kích hoạt bởi sự hấp thụ nơ-tron. nguồn nhiệt phóng xạ đó sẽ còn dư cho trường hợp lò phản ứng tạm ngưng hoạt động.

1 kilogram đồng vị urani-235 (U-235) chuyển đổi qua quá trình phản ứng hạt nhân giải phóng ra xấp xỉ 3 triệu lần lượng năng lượng mà 1 kilogram than đá được đốt cháy một cách thông thường (7.2 × 1013 jun/kilogram của uranium-235 so với 2.4 × 107 jun/kilogram của than đá).

Điện năng

Năng lượng giải phóng trong quá trình phân hạch tạo ra nhiệt, một phần trong đó có thể được chuyển đổi thành năng lượng sử dụng được. Một phương pháp phổ biến nhằm khai thác năng lượng nhiệt này là sử dụng nó đun sôi nước, tạo ra hơi nước áp suất cao mà sau đó sẽ quay một tua bin hơi nước và tạo ra điện.

Nhân viên trong nhà máy điện hạt nhân

Nhà máy điện hạt nhân thường sử dụng chỉ dưới một nghìn người mỗi lò phản ứng (bao gồm cả nhân viên bảo vệ và các kỹ sư )^{[cần dẫn nguồn]}.

Các loại nhà máy điện hạt nhân

Cách phân loại

Lò phản ứng hạt nhân được phân loại theo một số phương pháp như sau:

Nhiên liệu

Nhiên liệu phân hạch trong phần lớn các lò phản ứng là U235 hay Pu239. Để đảm bảo cho hệ số nhân nơtron k = 1, trong các lò phản ứng người ta dùng các thanh điều khiển có chứa Bo hay Cadmi, là các chất có tác dụng hấp thụ nơtron.

Khi số notron trong lò tăng lên quá nhiều (k > 1), người ta cho các thanh điều khiển ngập sâu vào khu vực chứa nhiên liệu phân hạch để hấp thụ số nơtron thừa. Năng lượng toả ra từ phản ứng không đổi theo thời gian.

Nhiên liệu hạt nhân thường được chế tạo dưới dạng các thanh dài và việc bố trí các thanh nhiên liệu trong lò phản ứng phải được tính toán cẩn thận. Thanh nhiên liệu và chất là chậm nơtron (nước nặng D₂O, nước thường, than chì, berili....) phài được sắp đặt sao cho mỗi lần phân hạch bao giờ cũng có ít nhất một nơtron tiếp tục gây ra một phân hạch khác.

Ngoài ra cũng phải có cách điều khiển tốc độ các phân hạch xảy ra. Yêu cầu đặt ra là nhất thiết phải có khả năng khởi động từ từ phản ứng dây chuyền, điều chỉnh nó trong quá trình tiến triển và làm cho phản ứng dừng lại khi cần. Việc điều khiển này được thực hiện với các thanh điều khiển chế tạo bằng vật liệu hấp thụ nơtron như cađimi. Khi các thanh điều khiển được thả xen hoàn toàn vào vùng các thanh nhiên liệu, thì rất nhiều nơtron bị hấp thụ và phản ứng dây chuyền sẽ dừng lại. Khi rút từ từ các thanh điều khiển ra khỏi vùng hoạt động của lò phản ứng(vùng tâm lò phản ứng), thì phản ứng phân hạch lại bắt đâù và tiến dần đến mức tạo nên phản ứng dây chuyền tự duy trì.

Động năng của các mảnh phân hạch và nơtron được biến đổi thành năng lượng nhiệt. Thành thử, lò phản ứng là một nguồn nhiệt khổng lồ có thể tạo ra những nhiệt độ rất cao. Nhiệt lượng tạo ra được một chất lỏng làm nguội (chất tải nhiệt) tải đi theo các ống dẫn chạy qua vùng trung tâm lò. Trong nhiều trường hợp người ta dùng nước để làm chậm, đồng thời làm chất tải nhiệt.