Lò phản ứng hạt nhân

Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Bước tới: menu, tìm kiếm

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[sửa | sửa mã nguồn]

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[sửa | sửa mã nguồn]

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 gammanơtron tự do; được gọi chung là sản phẩm phân hạch.[1] 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.[2]

Phát nhiệt[sửa | sửa mã nguồn]

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 hạch được 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 \times 10^{13} jun/kilogram của uranium-235 so với 2.4 \times 10^7 jun/kilogram của than đá).

Làm mát[sửa | sửa mã nguồn]

Kiểm soát phản ứng[sửa | sửa mã nguồn]

Điện năng[sửa | sửa mã nguồn]

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[sửa | sửa mã nguồn]

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[sửa | sửa mã nguồn]

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

  • Phân loại theo mục đích sử dụng
  • Phân loại theo chất làm chậm
  • Phân loại theo năng lượng của nơtron
  • Phân loại theo công suất
  • Phân loại theo thế hệ lò
  • Phân loại theo loại hình phản ứng hạt nhân
  • Phân loại theo chất điều tiết
  • Phân loại theo chất làm mát
  • Phân loại theo cấp bậc
  • Phân loại theo mục đích sử dụng

Điều khiển và vận hành[sửa | sửa mã nguồn]

Nhiên liệu phân hạch trong phần lớn các lò phản ứng là U235 hay Pu239.

Nhờ vào khả năng hấp thụ Neutron tốt nên Bo được ứng dụng vào điều khiển và vận hành lò phản ứng hạt nhân để đưa lò về trạng thái cân bằng (k =1)

Có 2 cách điều khiển lò phản ứng hạt nhân: Điều khiển bằng dung dịch (axit Bo) và điều khiển bằng cơ học (Bằng chuyển động của các thanh điều khiển)

Điều khiển bằng dung dịch axit Bo là quá trình điều khiển lâu dài, chậm . Khi lò bắt đầu hoạt động thì nồng độ của Bo ở mức 9g/kg và tới cuối thời gian vận hành của nhà máy, nồng độ này dần tới 0.

Điều khiển cơ học bằng việc cho thanh điều khiển trong đó có chứa Bo chuyển động lên hoặc xuống vùng hoạt của lò phản ứng. Điều khiển này thường nhằm thay đổi nhanh chóng trạng thái của lò.

Thanh nhiên liệu của lò phản ứng hạt nhân được làm ở dạng dài bên ngoài được bọc kín bằng kim loại có nhiệt độ nóng cháy cao, bên trong là là nhiên liệu. Nhiên liệu được làm thành các viên trụ rời nhau, ở giữa có 1 lỗ nhỏ. Ở đỉnh của thanh nhiên liệu có 1 khoang nhỏ nhằm chứa các sản phẩm khí sinh ra trong quá trình làm việc. Ở các lò thế hệ sau hiện đại hơn như lò PWR-1200 thì trong thanh nhiên liệu còn có chứa thêm thành phần Cd, nó giúp lò hoạt động hiệu quả và an toàn hơn.[3]

Chất làm mát (chất tản nhiệt) chạy xung quanh các thanh nhiên liệu lấy nhiệt và làm mát thanh nhiên liệu.

Chất làm chậm neutron cũng được sắp xếp xen kẽ thích hợp trong lò sao cho mỗi lần phân hạch bao giờ cũng có ít nhất một nơtron tiếp tục gây ra một phân hạch khác., trong lò PWR thì chất làm mát, chất làm chậm đều là nước. Ở 1 số lò khác là Grafit (than chì) ,nước nặng,berili...

Trong một số tình huống cần dừng lò khẩn cấp thì thanh điều khiển được sập xuống tối đa, dung dịch axit Bo được bơm vào vùng hoạt của lò.

Khi lò bắt đầu hoạt động,thì số neutron tự sinh ra là rất ít, nó không đủ để gây ra phản ứng dây truyền. Người ta đã dùng phản ứng của Heli để sinh ra những dòng Netron kích thích cho phản ứng dây truyền.

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 tải nhiệt tải đi theo các ống dẫn chạy qua vùng trung tâm lò (chất tải nhiệt có thể là nước, kim loại( Natri), hoặc khí(CO2), Chì, ). Trong nhiều trường hợp người ta dùng nước là chất làm chậm, đồng thời làm chất tải nhiệt.

Tham khảo[sửa | sửa mã nguồn]

  1. ^ “Neutrons and gammas from Cf-252”. Health Physics Society. Truy cập 24 tháng 9, 2008. 
  2. ^ “DOE Fundamentals Handbook: Nuclear Physics and Reactor Theory” (PDF). US Department of Energy. Truy cập 24 tháng 9, 2008. 
  3. ^ http://www.inst.gov.vn/index.php/bai-viet/23/76/522/Lo-VVER-1200-voi-cac-giai-phap-an-toan-tin-cay.html