Khác biệt giữa bản sửa đổi của “Nhiên liệu hạt nhân”
Thẻ: Trình soạn thảo mã nguồn 2017 |
AlphamaEditor, thêm thể loại, Executed time: 00:00:06.6761111 |
||
| Dòng 3: | Dòng 3: | ||
'''Nhiên liệu hạt nhân''' là chất được sử dụng trong các nhà máy năng lượng hạt nhân để tạo ra nhiệt cung cấp cho các [[tua bin]]. Nhiệt lượng được tạo thành khi nhiên liệu hạt nhân trải qua [[phản ứng phân hạch]]. |
'''Nhiên liệu hạt nhân''' là chất được sử dụng trong các nhà máy năng lượng hạt nhân để tạo ra nhiệt cung cấp cho các [[tua bin]]. Nhiệt lượng được tạo thành khi nhiên liệu hạt nhân trải qua [[phản ứng phân hạch]]. |
||
Hầu hết nhiên liệu hạt nhân đều chứa các nguyên tố nặng có khả năng xảy ra quá trình phản ứng phân hạch ví dụ như [[urani-235]] hoặc [[plutoni-239]]. Khi các hạt nhân không ổn định của những nguyên tố này va chạm nhau bởi sự chuyển động chậm của nơtron, rồi phân chia tạo thành hai hạt nhân con và hai hoặc nhiều hơn ba [[neutron]]. Sau đó những nơtron này tiếp tục phân chia ra nhiều hạt nhân. Điều này giúp duy trì [[phản ứng dây chuyền]] được kiểm soát trong [[lò phản ứng hạt nhân]] hoặc không bị hạn chế trong [[vũ khí hạt nhân]]. |
Hầu hết nhiên liệu hạt nhân đều chứa các nguyên tố nặng có khả năng xảy ra quá trình phản ứng phân hạch ví dụ như [[urani-235]] hoặc [[plutoni-239]]. Khi các hạt nhân không ổn định của những nguyên tố này va chạm nhau bởi sự chuyển động chậm của nơtron, rồi phân chia tạo thành hai hạt nhân con và hai hoặc nhiều hơn ba [[neutron]]. Sau đó những nơtron này tiếp tục phân chia ra nhiều hạt nhân. Điều này giúp duy trì [[phản ứng dây chuyền]] được kiểm soát trong [[lò phản ứng hạt nhân]] hoặc không bị hạn chế trong [[vũ khí hạt nhân]]. |
||
Quá trình này bao gồm sự khai khoáng, tinh luyện, tinh chế, sử dụng, sắp đặt nhiên liệu hạt nhân được biết với tên gọi chung là chu trình nhiên liệu hạt nhân. |
Quá trình này bao gồm sự khai khoáng, tinh luyện, tinh chế, sử dụng, sắp đặt nhiên liệu hạt nhân được biết với tên gọi chung là chu trình nhiên liệu hạt nhân. |
||
Không phải tất cả loại nhiên liệu hạt nhân đều tạo ra năng lượng từ phản ứng phân hạch; [[plutoni]]-238 và một vài nguyên tố khác thường được sử dụng để sản xuất một ít năng lượng hạt nhân bởi vì sự [[phân rã phóng xạ]] của nó trong máy phát điện đồng vị phóng xạ và trong các dạng khác của [[pin nguyên tử]]. |
Không phải tất cả loại nhiên liệu hạt nhân đều tạo ra năng lượng từ phản ứng phân hạch; [[plutoni]]-238 và một vài nguyên tố khác thường được sử dụng để sản xuất một ít năng lượng hạt nhân bởi vì sự [[phân rã phóng xạ]] của nó trong máy phát điện đồng vị phóng xạ và trong các dạng khác của [[pin nguyên tử]]. |
||
| Dòng 16: | Dòng 16: | ||
==== UOX ==== |
==== UOX ==== |
||
[[Urani]]um dioxide là một [[chất bán dẫn]] màu đen. Nó được sản xuất bởi phản ứng [[uranyl nitrat]] với ba-zơ ([[ammonia|ammonia)]] để hình thành chất rắn ([[ammonium]] uranate). Nó được làm nóng để hình thành U<sub>3</sub>O<sub>8</sub> và sau đó có thể bị biến đổi bởi sự nung nóng [[argon]]/hỗn hợp hydro (700 |
[[Urani]]um dioxide là một [[chất bán dẫn]] màu đen. Nó được sản xuất bởi phản ứng [[uranyl nitrat]] với ba-zơ ([[ammonia|ammonia)]] để hình thành chất rắn ([[ammonium]] uranate). Nó được làm nóng để hình thành U<sub>3</sub>O<sub>8</sub> và sau đó có thể bị biến đổi bởi sự nung nóng [[argon]]/hỗn hợp hydro (700 °C) tạo thành UO<sub>2</sub> . UO<sub>2</sub> sau đó trộn với chất kết dính hữu cơ và nén thành hạt nhỏ, những hạt nhỏ này được đốt cháy trong nhiệt độ cao (H<sub>2</sub>/Ar) rồi nung kết thành chất rắn. Mục đích là hình thành chất rắn đậm đặc có ít bọt. |
||
Độ dẫn điện của Uranium dioxit rất thấp so với Zirconi và điều đó giảm xuống khi nhiệt độ tăng lên. Sự ăn mòn của UO<sub>2</sub> trong [[nước]] được kiểm soát bởi các quá trình giống nhau [[điện hóa học]] cho tới sự ăn mòn của dòng điện trên bề mặt kim loại. |
Độ dẫn điện của Uranium dioxit rất thấp so với Zirconi và điều đó giảm xuống khi nhiệt độ tăng lên. Sự ăn mòn của UO<sub>2</sub> trong [[nước]] được kiểm soát bởi các quá trình giống nhau [[điện hóa học]] cho tới sự ăn mòn của dòng điện trên bề mặt kim loại. |
||
| Dòng 22: | Dòng 22: | ||
===== MOX ===== |
===== MOX ===== |
||
[[Hỗn hợp]] oxit hay nhiên liệu MOX là sự xáo trộn của [[plutoni]]um và tự nhiên hoặc làm thiếu hụt [[Uranium-234|urani]] khi vận hành giống nhau để làm giàu uranium cung cấp cho nhiều [[lò phản ứng hạt nhân]] |
[[Hỗn hợp]] oxit hay nhiên liệu MOX là sự xáo trộn của [[plutoni]]um và tự nhiên hoặc làm thiếu hụt [[Uranium-234|urani]] khi vận hành giống nhau để làm giàu uranium cung cấp cho nhiều [[lò phản ứng hạt nhân]]. Nhiên liệu MOX là sự thay thế việc làm giàu uranium ít đi cũng sử dụng trong [[lò phản ứng nước nhẹ]] vượt trội hơn so với sự hình thành [[năng lượng hạt nhân]]. |
||
Một số lo lắng đã được bày tỏ ra rằng sử dụng nhiều lõi MOX sẽ loại bỏ nhiều thách thức mới, mặc dù MOX chính là làm dư số plutonium do sự biến đổi. |
Một số lo lắng đã được bày tỏ ra rằng sử dụng nhiều lõi MOX sẽ loại bỏ nhiều thách thức mới, mặc dù MOX chính là làm dư số plutonium do sự biến đổi. |
||
| Dòng 30: | Dòng 30: | ||
Các công ty năng lượng hạt nhân trên toàn cầu thông qua một đề xuất ở Hoa Kỳ của chính quyền tổng thống [[George W. Bush]] hình thành quan hệ đối tác quốc tế xem nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng để tái chế [[plutoni]] điều đó tiện lợi cho nhiên liệu hạt nhân chứ không phải cho [[vũ khí hạt nhân]]. Việc tái xử lí nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng không được cấp phép ở Hoa Kỳ do những cân nhắc không phổ biến. |
Các công ty năng lượng hạt nhân trên toàn cầu thông qua một đề xuất ở Hoa Kỳ của chính quyền tổng thống [[George W. Bush]] hình thành quan hệ đối tác quốc tế xem nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng để tái chế [[plutoni]] điều đó tiện lợi cho nhiên liệu hạt nhân chứ không phải cho [[vũ khí hạt nhân]]. Việc tái xử lí nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng không được cấp phép ở Hoa Kỳ do những cân nhắc không phổ biến. |
||
Tất cả các quốc gia khác tái chế vũ khí hạt nhân đã có từ lâu rồi sử dụng nhiên liệu đó để nghiên cứu trong quân đội ngoại trừ Nhật Bản. Thông thường với nhiên liệu thay đổi cứ ba năm một lần, khoảng một nửa số Pu-239 bị đốt cháy trong lò phản ứng, cung cấp khoảng 1/3 tổng năng lượng. Nó hoạt động giống như là U-235 và sự phân hạch giải phóng ra một nguồn năng lượng tương tự. Đốt cháy càng lớn, càng tiêu tốn nhiều lượng plutoni |
Tất cả các quốc gia khác tái chế vũ khí hạt nhân đã có từ lâu rồi sử dụng nhiên liệu đó để nghiên cứu trong quân đội ngoại trừ Nhật Bản. Thông thường với nhiên liệu thay đổi cứ ba năm một lần, khoảng một nửa số Pu-239 bị đốt cháy trong lò phản ứng, cung cấp khoảng 1/3 tổng năng lượng. Nó hoạt động giống như là U-235 và sự phân hạch giải phóng ra một nguồn năng lượng tương tự. Đốt cháy càng lớn, càng tiêu tốn nhiều lượng plutoni, phần phân hạch của plutonium càng thấp. Thông thường khoảng 1% nhiên liệu sử dụng được thải ra từ lò phản ứng là plutonium và 2/3 trong chúng được phân hạch (50% Pu-239, 15% Pu-241). |
||
Toàn thế giới có khoảng 70 tấn plutonium chứa trong nhiên liệu đã qua sử dụng được loại bỏ khi các lò phản ứng tiếp nhiên liệu mỗi năm. |
Toàn thế giới có khoảng 70 tấn plutonium chứa trong nhiên liệu đã qua sử dụng được loại bỏ khi các lò phản ứng tiếp nhiên liệu mỗi năm. |
||
== Nhiên liệu kim loại == |
== Nhiên liệu kim loại == |
||
Nhiên liệu kim loại có lợi thế về độ dẫn nhiệt cao hơn nhiều so với nhiên liệu oxit nhưng không thể tồn tại ở nhiệt độ cao như nhau. Nhiên liệu kim loại có một lịch sử lâu dài, kéo dài từ lò phản ứng clementine<ref>{{Chú thích web|url=https://en.wikipedia.org/wiki/Clementine_(nuclear_reactor)|title=clementine}}</ref> vào năm 1946 với nhiều thí nghiệm và nghiên cứu lò phản ứng. |
Nhiên liệu kim loại có lợi thế về độ dẫn nhiệt cao hơn nhiều so với nhiên liệu oxit nhưng không thể tồn tại ở nhiệt độ cao như nhau. Nhiên liệu kim loại có một lịch sử lâu dài, kéo dài từ lò phản ứng clementine<ref>{{Chú thích web|url=https://en.wikipedia.org/wiki/Clementine_(nuclear_reactor)|title=clementine}}</ref> vào năm 1946 với nhiều thí nghiệm và nghiên cứu lò phản ứng. |
||
Nhiều nhiên liệu kim loại có tiềm năng lớn về mật độ phân rã của nguyên tử. Nhiên liệu kim loại thường dùng để làm hợp kim nhưng có một số được sản xuất với uranium nguyên chất. Các hợp kim Urani đã được sử dụng bao gồm nhôm uranium, uranium zirconi, uranium silic, urani molypden và urani zirconium hydride. Bất kỳ loại nhiên liệu nào nói trên đều có thể được chế tạo bằng plutonium và các actinides khác như là một phần của chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín. Nhiên liệu kim loại đã được sử dụng trong các lò phản ứng hơi nước và lò phản ứng với kim loại lỏng, chẳng hạn như (EBR-ll).<ref>{{Chú thích web|url=https://en.wikipedia.org/wiki/Experimental_Breeder_Reactor_II|title=EBR-ll}}</ref> |
Nhiều nhiên liệu kim loại có tiềm năng lớn về mật độ phân rã của nguyên tử. Nhiên liệu kim loại thường dùng để làm hợp kim nhưng có một số được sản xuất với uranium nguyên chất. Các hợp kim Urani đã được sử dụng bao gồm nhôm uranium, uranium zirconi, uranium silic, urani molypden và urani zirconium hydride. Bất kỳ loại nhiên liệu nào nói trên đều có thể được chế tạo bằng plutonium và các actinides khác như là một phần của chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín. Nhiên liệu kim loại đã được sử dụng trong các lò phản ứng hơi nước và lò phản ứng với kim loại lỏng, chẳng hạn như (EBR-ll).<ref>{{Chú thích web|url=https://en.wikipedia.org/wiki/Experimental_Breeder_Reactor_II|title=EBR-ll}}</ref> |
||
=== Nhiên liệu Actinide === |
=== Nhiên liệu Actinide === |
||
Trong một [[lò phản ứng nơtron nhanh]], các actinit nhỏ được tạo ra bằng cách thu nhận [[neutron]] của urani và plutoni có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Nhiên liệu actinide kim loại thường là một hợp kim của zirconium, urani, plutonium |
Trong một [[lò phản ứng nơtron nhanh]], các actinit nhỏ được tạo ra bằng cách thu nhận [[neutron]] của urani và plutoni có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Nhiên liệu actinide kim loại thường là một hợp kim của zirconium, urani, plutonium. Nó có thể được thực hiện an toàn bằng với việc mở rộng nhiệt hợp kim của kim loại sẽ làm tăng rò rỉ neutron. |
||
=== Plutonium nóng chảy === |
=== Plutonium nóng chảy === |
||
Plutoni nóng chảy, hợp kim với các kim loại khác để hạ thấp điểm nóng chảy của nó và kết vỏ trong tantali<ref>{{Chú thích web|url=https://fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/lib-www/la-pubs/00320959.pdf|title="Archived copy" (PDF). Archived (PDF) from the original on 2016-10-21. |
Plutoni nóng chảy, hợp kim với các kim loại khác để hạ thấp điểm nóng chảy của nó và kết vỏ trong tantali<ref>{{Chú thích web|url=https://fas.org/sgp/othergov/doe/lanl/lib-www/la-pubs/00320959.pdf|title="Archived copy" (PDF). Archived (PDF) from the original on 2016-10-21. Truy cập 2016-06-04.}}</ref>, đã được thử nghiệm trong hai lò phản ứng LAMPRE I và LAMPRE II tại LANL trong những năm 1960. LAMPRE đã trải qua ba lần thất bại khi phân tách nhiên liệu trong quá trình hoạt động<ref>{{Chú thích web|url=http://www.lahdra.org/pubs/reports/In%20Pieces/Chapters%205%20thru%209.pdf|title="Archived copy" (PDF). Archived (PDF) from the original on 2016-04-15. Truy cập 2013-11-11}}</ref>. |
||
===== Nhiên liệu TRIGA ===== |
===== Nhiên liệu TRIGA ===== |
||
| Dòng 61: | Dòng 61: | ||
Phần lớn những gì được biết về Uranium cacbua là ở dạng các nguyên tố nhiên liệu dạng pin cho các [[lò phản ứng kim loại lỏng]] trong quá trình nghiên cứu mãnh liệt trong những năm 1960 và 1970. Tuy nhiên, gần đây sự quan tâm về vấn đề hồi sinh uranium cacbua ở nhiên liệu tấm và nhiều chú ý hơn là hạt nhiên liệu vi mô (ví dụ Triso). |
Phần lớn những gì được biết về Uranium cacbua là ở dạng các nguyên tố nhiên liệu dạng pin cho các [[lò phản ứng kim loại lỏng]] trong quá trình nghiên cứu mãnh liệt trong những năm 1960 và 1970. Tuy nhiên, gần đây sự quan tâm về vấn đề hồi sinh uranium cacbua ở nhiên liệu tấm và nhiều chú ý hơn là hạt nhiên liệu vi mô (ví dụ Triso). |
||
Độ dẫn nhiệt và điểm nóng chảy cao khiến cho uranium cacbua là một nguyên liệu hấp dẫn. Ngoài ra, bởi vì sự thiếu [[Ôxy|oxy]] trong nhiên liệu (trong quá trình chiếu xạ, áp suất khí dư thừa có thể hình thành O<sub>2</sub> hoặc các khí khác) cũng như khả năng bổ sung lớp phủ gốm ( |
Độ dẫn nhiệt và điểm nóng chảy cao khiến cho uranium cacbua là một nguyên liệu hấp dẫn. Ngoài ra, bởi vì sự thiếu [[Ôxy|oxy]] trong nhiên liệu (trong quá trình chiếu xạ, áp suất khí dư thừa có thể hình thành O<sub>2</sub> hoặc các khí khác) cũng như khả năng bổ sung lớp phủ gốm (giao diện gốm sứ) có sự lợi thế về cấu trúc và hóa học), Urani cacbua có thể là ứng cử viên nhiên liệu lý tưởng cho một số [[lò phản ứng thế hệ thứ 4]] cũng như [[lò phản ứng nhanh làm mát bằng khí]]. |
||
== Nhiên liệu lỏng == |
== Nhiên liệu lỏng == |
||
| Dòng 68: | Dòng 68: | ||
Các lò phản ứng nhiên liệu lỏng cung cấp các lợi thế an toàn đáng kể do chế độ tự điều chỉnh của lò phản ứng luôn ổn định. Điều này cung cấp hai lợi ích chính: hầu như loại bỏ các khả năng nhanh chóng xảy ra sự cố trong lò phản ứng, cung cấp khả năng tải tự động phù hợp với việc phát điện và các ứng dụng nhiệt của công nghiệp ở nhiệt độ cao. |
Các lò phản ứng nhiên liệu lỏng cung cấp các lợi thế an toàn đáng kể do chế độ tự điều chỉnh của lò phản ứng luôn ổn định. Điều này cung cấp hai lợi ích chính: hầu như loại bỏ các khả năng nhanh chóng xảy ra sự cố trong lò phản ứng, cung cấp khả năng tải tự động phù hợp với việc phát điện và các ứng dụng nhiệt của công nghiệp ở nhiệt độ cao. |
||
Một ưu điểm lớn của lõi chất lỏng là khả năng thoát nước nhanh chóng an toàn vào bể chứa bị động. Lợi thế này đã được chứng minh một cách liên tục như là một phần của hoạt động chấm dứt hàng tuần của chương trình [[ORNL MSRE]] xuyên suốt trong 4 năm thành công. |
Một ưu điểm lớn của lõi chất lỏng là khả năng thoát nước nhanh chóng an toàn vào bể chứa bị động. Lợi thế này đã được chứng minh một cách liên tục như là một phần của hoạt động chấm dứt hàng tuần của chương trình [[ORNL MSRE]] xuyên suốt trong 4 năm thành công. |
||
Một ưu điểm nửa của lõi chất lỏng là khả năng giải phóng khí [[nexon]] thường hoạt động như một chất hấp thụ nơtron và gây ra sự biến dạng cấu trúc của các nguyên tố nhiên liệu rắn dẫn đến thay thế sớm các thanh nhiên liệu rắn với hơn 98% nhiên liệu hạt nhân không bị cháy bao gồm các actinit lâu dài. Ngược lại các lò phản ứng muối nóng chảy ([[MSR]] |
Một ưu điểm nửa của lõi chất lỏng là khả năng giải phóng khí [[nexon]] thường hoạt động như một chất hấp thụ nơtron và gây ra sự biến dạng cấu trúc của các nguyên tố nhiên liệu rắn dẫn đến thay thế sớm các thanh nhiên liệu rắn với hơn 98% nhiên liệu hạt nhân không bị cháy bao gồm các actinit lâu dài. Ngược lại các lò phản ứng muối nóng chảy ([[MSR]]) có khả năng giữ lại hỗn hợp nhiên liệu trong thời gian dài, không chỉ làm tăng hiệu suất nhiên liệu mà còn đốt cháy phần lớn chất thải như một phần hoạt động bình thường. |
||
=== Muối nóng chảy === |
=== Muối nóng chảy === |
||
Nhiên liệu muối nóng chảy có nhiên liệu hạt nhân hòa tan trực tiếp trong chất làm mát muối nóng chảy. [[Các lò phản ứng chứa muối nóng chảy]] (MSR) ví dụ như lò phản ứng LFTR đều không hòa tan nhiên liệu hạt nhân trong chất làm mát. |
Nhiên liệu muối nóng chảy có nhiên liệu hạt nhân hòa tan trực tiếp trong chất làm mát muối nóng chảy. [[Các lò phản ứng chứa muối nóng chảy]] (MSR) ví dụ như lò phản ứng LFTR đều không hòa tan nhiên liệu hạt nhân trong chất làm mát. |
||
Nhiên liệu muối nóng chảy được sử dụng trong [[LFTR]] được gọi là thí nghiệm phản ứng muối nóng chảy cũng như các thí nghiệm phản ứng lõi chất lỏng khác.Nhiên liệu lỏng của phản ứng muối nóng chảy là hỗn hợp của [[lithium]], [[beryllium]], [[thori]] và [[urani florua]]: LiF-BeF<sub>2</sub>-ThF<sub>4</sub>-UF<sub>4</sub> (72-16-12-0.4 |
Nhiên liệu muối nóng chảy được sử dụng trong [[LFTR]] được gọi là thí nghiệm phản ứng muối nóng chảy cũng như các thí nghiệm phản ứng lõi chất lỏng khác.Nhiên liệu lỏng của phản ứng muối nóng chảy là hỗn hợp của [[lithium]], [[beryllium]], [[thori]] và [[urani florua]]: LiF-BeF<sub>2</sub>-ThF<sub>4</sub>-UF<sub>4</sub> (72-16-12-0.4 mol%). Nó có nhiệt độ hoạt động cao nhất ở 705 °C trong phòng thí nghiệm và có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nữa vì nhiệt độ sôi của muối nóng chảy cao hơn 1400 °C. |
||
== Một số hình dạng vật lí của nhiên liệu hạt nhân == |
== Một số hình dạng vật lí của nhiên liệu hạt nhân == |
||
| Dòng 88: | Dòng 88: | ||
Lớp bên ngoài của thanh nhiên liệu tồn tại giữa chất làm mát và nhiên liệu hạt nhân. Nó được làm bằng [[vật liệu chống ăn mòn]] với tiết diện hấp thụ thấp nhiệt của các notron thường là [[zircaloy]] hay thép trong các công trình hiện đại hoặc [[magie]] với một lượng nhỏ [[nhôm]] và các kim loại khác của lò phản ứng [[magnox]] đã lỗi thời. Lớp phủ ngăn chặn các lớp phân hạch phóng xạ thoát khỏi nhiên liệu rồi vào trong chất làm mát và bị hấp thụ. |
Lớp bên ngoài của thanh nhiên liệu tồn tại giữa chất làm mát và nhiên liệu hạt nhân. Nó được làm bằng [[vật liệu chống ăn mòn]] với tiết diện hấp thụ thấp nhiệt của các notron thường là [[zircaloy]] hay thép trong các công trình hiện đại hoặc [[magie]] với một lượng nhỏ [[nhôm]] và các kim loại khác của lò phản ứng [[magnox]] đã lỗi thời. Lớp phủ ngăn chặn các lớp phân hạch phóng xạ thoát khỏi nhiên liệu rồi vào trong chất làm mát và bị hấp thụ. |
||
[[Tập_tin:Fuel_Pellet.jpg|trái|nhỏ|420x420px|Ảnh Ủy ban điều tiết hạt nhân (NRC)]] |
[[Tập_tin:Fuel_Pellet.jpg|trái|nhỏ|420x420px|Ảnh Ủy ban điều tiết hạt nhân (NRC)]] |
||
[[Tập_tin:Pellet_rod.jpg|giữa|nhỏ|420x420px|Viên nhiên liệu tươi đã sẵn sàng để lắp ráp |
[[Tập_tin:Pellet_rod.jpg|giữa|nhỏ|420x420px|Viên nhiên liệu tươi đã sẵn sàng để lắp ráp]] |
||
=== Nhiên liệu PWR === |
=== Nhiên liệu PWR === |
||
[[Nhiên liệu lò phản ứng của áp suất nước|Nhiên liệu lò phản ứng áp suất nước]] bao gồm các que hình trụ được đưa vào bó. Một viên gốm oxit urani tạo thành dạng viên và được đưa vào các ống hợp kim Zircaloy rồi gói lại với nhau. |
[[Nhiên liệu lò phản ứng của áp suất nước|Nhiên liệu lò phản ứng áp suất nước]] bao gồm các que hình trụ được đưa vào bó. Một viên gốm oxit urani tạo thành dạng viên và được đưa vào các ống hợp kim Zircaloy rồi gói lại với nhau. |
||
Các ống Zircaloy có đường kính khoảng |
Các ống Zircaloy có đường kính khoảng 1 cm và chứa đầy khí [[heli]] để cải thiện sự dẫn nhiệt từ nhiên liệu đến lớp phủ. Có khoảng 179-264 thanh nhiên liệu cho mỗi bó nhiên liệu và khoảng 129-193 được nạp vào lõi lò phản ứng. |
||
Nói chung các gói nhiên liệu bao gồm các thanh nhiên liệu đi kèm 14 *14 đến 17 *17 và gói nhiên liệu PWR dài khoảng 4 mét. Trong các bó nhiên liệu PWR, các thanh điều khiển được trực tiếp đưa thẳng qua đỉnh bên trong bó nhiên liệu. Các bó nhiên liệu thường được làm giàu vài phần trăm trong 235U. Ôxít urani được sấy khô trước khi đưa vào các ống để cố gắng loại bỏ độ ẩm trong nhiên liệu gốm có thể dẫn đến ăn mòn và làm mất hydro. |
Nói chung các gói nhiên liệu bao gồm các thanh nhiên liệu đi kèm 14 *14 đến 17 *17 và gói nhiên liệu PWR dài khoảng 4 mét. Trong các bó nhiên liệu PWR, các thanh điều khiển được trực tiếp đưa thẳng qua đỉnh bên trong bó nhiên liệu. Các bó nhiên liệu thường được làm giàu vài phần trăm trong 235U. Ôxít urani được sấy khô trước khi đưa vào các ống để cố gắng loại bỏ độ ẩm trong nhiên liệu gốm có thể dẫn đến ăn mòn và làm mất hydro. |
||
| Dòng 101: | Dòng 101: | ||
==== Nhiên liệu BWR ==== |
==== Nhiên liệu BWR ==== |
||
Trong [[phản ứng nước đun sôi]], nhiên liệu giống như nhiên liệu PWR ngoại trừ các bó được đóng hộp còn có một ống mỏng xung quanh mỗi bó. Điều này chủ yếu được thực hiện để ngăn chặn các biến thể mật độ cục bộ ảnh hưởng đến neutronics và thủy nhiệt của lõi lò phản ứng. Trong các gói nhiên liệu BWR hiện đại có 91, 92 hoặc 96 thanh nhiên liệu mỗi cụm tùy thuộc vào nhà sản xuất. Khoảng 368 cụm nhỏ nhất cho đến 800 cụm lớn nhất ở Hoa Kỳ để hình thành lõi của lò phản ứng. Mỗi thanh nhiên liệu BWR được lấp đầy với [[ |
Trong [[phản ứng nước đun sôi]], nhiên liệu giống như nhiên liệu PWR ngoại trừ các bó được đóng hộp còn có một ống mỏng xung quanh mỗi bó. Điều này chủ yếu được thực hiện để ngăn chặn các biến thể mật độ cục bộ ảnh hưởng đến neutronics và thủy nhiệt của lõi lò phản ứng. Trong các gói nhiên liệu BWR hiện đại có 91, 92 hoặc 96 thanh nhiên liệu mỗi cụm tùy thuộc vào nhà sản xuất. Khoảng 368 cụm nhỏ nhất cho đến 800 cụm lớn nhất ở Hoa Kỳ để hình thành lõi của lò phản ứng. Mỗi thanh nhiên liệu BWR được lấp đầy với [[heli]]um với áp suất khoảng 3 atm (300 kPa). |
||
=== Nhiên liệu CANDU === |
=== Nhiên liệu CANDU === |
||
Các bó nhiên liệu Candu dài khoảng nửa mét và có đường kính |
Các bó nhiên liệu Candu dài khoảng nửa mét và có đường kính 10 cm. Chúng bao gồm các hạt (UO<sub>2</sub>) được nung kết trong các ống hợp kim [[zirconi]] cũng như tiếp tục hàn gắn thành đoạn cuối của tấm phiến hợp kim zirconi. Mỗi bó nặng gần 20 kg, mỗi lõi điển hình chứa 4500-6500 bó theo thứ tự tùy thuộc vào bản thiết kế. Bó CANFLEX có 43 thành phần nhiên liệu với hai kích thước phần tử. Nó có đường kính khoảng 10 cm, dài 0,5 m và nặng khoảng 20 kg và được thay thế cho bó chuẩn 37 trục. Nó được thiết kế đặc biệt để tăng hiệu suất nhiên liệu bằng cách sử dụng hai đường kính pin khác nhau và các thiết kế hiện tại của CANDU không cần [[làm giàu urani]] để đạt được mức độ quan trọng (do điều tiết nước hiệu quả hơn), tuy nhiên, một số khái niệm mới hơn kêu gọi làm giàu urani ít hơn để giúp giảm kích thước của lò phản ứng. |
||
[[Tập_tin:CANDU_fuel_bundles.jpg|giữa|nhỏ|Bó nhiên liệu Candu]] |
[[Tập_tin:CANDU_fuel_bundles.jpg|giữa|nhỏ|Bó nhiên liệu Candu]] |
||
| Dòng 115: | Dòng 115: | ||
[[Thể loại:Nhiên liệu hạt nhân]] |
[[Thể loại:Nhiên liệu hạt nhân]] |
||
[[Thể loại:Công nghệ hạt nhân]] |
[[Thể loại:Công nghệ hạt nhân]] |
||
[[Thể loại:Họ Actini]] |
|||
Phiên bản lúc 08:53, ngày 24 tháng 5 năm 2018
Nhiên liệu hạt nhân là chất được sử dụng trong các nhà máy năng lượng hạt nhân để tạo ra nhiệt cung cấp cho các tua bin. Nhiệt lượng được tạo thành khi nhiên liệu hạt nhân trải qua phản ứng phân hạch.
Hầu hết nhiên liệu hạt nhân đều chứa các nguyên tố nặng có khả năng xảy ra quá trình phản ứng phân hạch ví dụ như urani-235 hoặc plutoni-239. Khi các hạt nhân không ổn định của những nguyên tố này va chạm nhau bởi sự chuyển động chậm của nơtron, rồi phân chia tạo thành hai hạt nhân con và hai hoặc nhiều hơn ba neutron. Sau đó những nơtron này tiếp tục phân chia ra nhiều hạt nhân. Điều này giúp duy trì phản ứng dây chuyền được kiểm soát trong lò phản ứng hạt nhân hoặc không bị hạn chế trong vũ khí hạt nhân.
Quá trình này bao gồm sự khai khoáng, tinh luyện, tinh chế, sử dụng, sắp đặt nhiên liệu hạt nhân được biết với tên gọi chung là chu trình nhiên liệu hạt nhân.
Không phải tất cả loại nhiên liệu hạt nhân đều tạo ra năng lượng từ phản ứng phân hạch; plutoni-238 và một vài nguyên tố khác thường được sử dụng để sản xuất một ít năng lượng hạt nhân bởi vì sự phân rã phóng xạ của nó trong máy phát điện đồng vị phóng xạ và trong các dạng khác của pin nguyên tử.
Nhiên liệu hạt nhân có mật độ năng lượng cao nhất trong tất cả các nguồn nhiên liệu thực tiễn.
Nhiên liệu oxit
Mục đích của phản ứng phân hạch, chất đốt (điển hình là uranium), thường được dựa trên oxit kim loại; những oxit này được sử dụng thay vì sử dụng chính kim loại đó bởi vì điểm nóng chảy của oxit cao hơn kim loại cũng như nó không thể bị đốt cháy và luôn ở trạng thái oxi hóa.
UOX
Uranium dioxide là một chất bán dẫn màu đen. Nó được sản xuất bởi phản ứng uranyl nitrat với ba-zơ (ammonia) để hình thành chất rắn (ammonium uranate). Nó được làm nóng để hình thành U3O8 và sau đó có thể bị biến đổi bởi sự nung nóng argon/hỗn hợp hydro (700 °C) tạo thành UO2 . UO2 sau đó trộn với chất kết dính hữu cơ và nén thành hạt nhỏ, những hạt nhỏ này được đốt cháy trong nhiệt độ cao (H2/Ar) rồi nung kết thành chất rắn. Mục đích là hình thành chất rắn đậm đặc có ít bọt.
Độ dẫn điện của Uranium dioxit rất thấp so với Zirconi và điều đó giảm xuống khi nhiệt độ tăng lên. Sự ăn mòn của UO2 trong nước được kiểm soát bởi các quá trình giống nhau điện hóa học cho tới sự ăn mòn của dòng điện trên bề mặt kim loại.
MOX
Hỗn hợp oxit hay nhiên liệu MOX là sự xáo trộn của plutonium và tự nhiên hoặc làm thiếu hụt urani khi vận hành giống nhau để làm giàu uranium cung cấp cho nhiều lò phản ứng hạt nhân. Nhiên liệu MOX là sự thay thế việc làm giàu uranium ít đi cũng sử dụng trong lò phản ứng nước nhẹ vượt trội hơn so với sự hình thành năng lượng hạt nhân.
Một số lo lắng đã được bày tỏ ra rằng sử dụng nhiều lõi MOX sẽ loại bỏ nhiều thách thức mới, mặc dù MOX chính là làm dư số plutonium do sự biến đổi.
Quá trình tái chế có giá trị thương mại của nhiên liệu hạt nhân đã được thực hiện để chế tạo MOX trong nhà máy ở Anh. Tính đến năm 2015, hỗn hợp oxit được sản xuất ở Pháp (xem ở trang web hạt nhân Marcoule) và ở một mức độ thấp hơn ở Nga, Ấn Độ và Nhật Bản. Trung Quốc có kế hoạch phát triển nhanh các lò phản ứng tái sinh và quá trình tái chế.
Các công ty năng lượng hạt nhân trên toàn cầu thông qua một đề xuất ở Hoa Kỳ của chính quyền tổng thống George W. Bush hình thành quan hệ đối tác quốc tế xem nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng để tái chế plutoni điều đó tiện lợi cho nhiên liệu hạt nhân chứ không phải cho vũ khí hạt nhân. Việc tái xử lí nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng không được cấp phép ở Hoa Kỳ do những cân nhắc không phổ biến.
Tất cả các quốc gia khác tái chế vũ khí hạt nhân đã có từ lâu rồi sử dụng nhiên liệu đó để nghiên cứu trong quân đội ngoại trừ Nhật Bản. Thông thường với nhiên liệu thay đổi cứ ba năm một lần, khoảng một nửa số Pu-239 bị đốt cháy trong lò phản ứng, cung cấp khoảng 1/3 tổng năng lượng. Nó hoạt động giống như là U-235 và sự phân hạch giải phóng ra một nguồn năng lượng tương tự. Đốt cháy càng lớn, càng tiêu tốn nhiều lượng plutoni, phần phân hạch của plutonium càng thấp. Thông thường khoảng 1% nhiên liệu sử dụng được thải ra từ lò phản ứng là plutonium và 2/3 trong chúng được phân hạch (50% Pu-239, 15% Pu-241).
Toàn thế giới có khoảng 70 tấn plutonium chứa trong nhiên liệu đã qua sử dụng được loại bỏ khi các lò phản ứng tiếp nhiên liệu mỗi năm.
Nhiên liệu kim loại
Nhiên liệu kim loại có lợi thế về độ dẫn nhiệt cao hơn nhiều so với nhiên liệu oxit nhưng không thể tồn tại ở nhiệt độ cao như nhau. Nhiên liệu kim loại có một lịch sử lâu dài, kéo dài từ lò phản ứng clementine[1] vào năm 1946 với nhiều thí nghiệm và nghiên cứu lò phản ứng.
Nhiều nhiên liệu kim loại có tiềm năng lớn về mật độ phân rã của nguyên tử. Nhiên liệu kim loại thường dùng để làm hợp kim nhưng có một số được sản xuất với uranium nguyên chất. Các hợp kim Urani đã được sử dụng bao gồm nhôm uranium, uranium zirconi, uranium silic, urani molypden và urani zirconium hydride. Bất kỳ loại nhiên liệu nào nói trên đều có thể được chế tạo bằng plutonium và các actinides khác như là một phần của chu trình nhiên liệu hạt nhân khép kín. Nhiên liệu kim loại đã được sử dụng trong các lò phản ứng hơi nước và lò phản ứng với kim loại lỏng, chẳng hạn như (EBR-ll).[2]
Nhiên liệu Actinide
Trong một lò phản ứng nơtron nhanh, các actinit nhỏ được tạo ra bằng cách thu nhận neutron của urani và plutoni có thể được sử dụng làm nhiên liệu. Nhiên liệu actinide kim loại thường là một hợp kim của zirconium, urani, plutonium. Nó có thể được thực hiện an toàn bằng với việc mở rộng nhiệt hợp kim của kim loại sẽ làm tăng rò rỉ neutron.
Plutonium nóng chảy
Plutoni nóng chảy, hợp kim với các kim loại khác để hạ thấp điểm nóng chảy của nó và kết vỏ trong tantali[3], đã được thử nghiệm trong hai lò phản ứng LAMPRE I và LAMPRE II tại LANL trong những năm 1960. LAMPRE đã trải qua ba lần thất bại khi phân tách nhiên liệu trong quá trình hoạt động[4].
Nhiên liệu TRIGA
TRIGA fuel là thuật ngữ được dùng trong TRIGA (sự đào tạo, nghiên cứu, đồng vị, tổng quát các nguyên tử) của các lò phản ứng. Sử dụng nhiên liệu UZrH, trong đó có sự thúc đẩy của hệ số nhiệt độ để nhiên liệu xảy ra theo chiều hướng tiêu cực, có nghĩa là khi nhiệt độ của lõi tăng thì sự phản ứng giảm vì vậy rất khó để cho năng lượng phóng xạ phát ra. Hầu hết các lõi sử dụng nhiên liệu này là các lõi rò rỉ cao, nơi các neutron bị rò rỉ dư thừa có thể sử dụng để nghiên cứu. Nhiên liệu TRIGA ban đầu được thiết kế để làm giàu uranium, tuy nhiên vào năm 1978 bộ năng lượng Hoa kỳ triển khai giảm cường độ nghiên cứu cho các lò phản ứng, thúc đẩy phản ứng chuyển hóa sang làm giàu uranium thấp. Tổng cộng có 35 nhà máy được lắp đặt tại các địa điểm xuyên suốt Hoa Kỳ. Xa hơn nữa 35 lò phản ứng cũng đã được lắp đặt ở nhiều các quốc gia khác nhau.
Nhiên liệu bằng gốm
Nhiên liệu bằng gốm thường có lợi thế so với nhiên liệu oxit về độ dẫn nhiệt cao và điểm nóng chảy, nhưng chúng dễ bị phình to so với nhiên liệu oxit và cũng không thể dễ dàng nắm bắt về nó.
Uranium nitride
Đây là nguyên liệu thường được lựa chọn để thiết kế lò phản ứng mà NASA sản xuất, một lợi ích của UN là độ dẫn nhiệt hơn UO2 và UN có điểm nóng chảy cao. Nhiên liệu này sử dụng rất bất lợi trừ khi 15N được thay thế 14N, một lượng lớn 14C được tạo thành từ phản ứng của nitơ (n,p). Khí nitơ cần thiết cho nhiên liệu thì quá tốn kém dẫn đến nhiên liệu có thể được tái chế qua quá trình pyro để lượng 15N được phục hồi. Nếu nhiên liệu hòa tan với axit nitric thì nitơ được làm giàu với 15N pha loãng với 14N thông thường.
Uranium carbide
Xem thêm thông tin tại: Uranium carbua
Phần lớn những gì được biết về Uranium cacbua là ở dạng các nguyên tố nhiên liệu dạng pin cho các lò phản ứng kim loại lỏng trong quá trình nghiên cứu mãnh liệt trong những năm 1960 và 1970. Tuy nhiên, gần đây sự quan tâm về vấn đề hồi sinh uranium cacbua ở nhiên liệu tấm và nhiều chú ý hơn là hạt nhiên liệu vi mô (ví dụ Triso).
Độ dẫn nhiệt và điểm nóng chảy cao khiến cho uranium cacbua là một nguyên liệu hấp dẫn. Ngoài ra, bởi vì sự thiếu oxy trong nhiên liệu (trong quá trình chiếu xạ, áp suất khí dư thừa có thể hình thành O2 hoặc các khí khác) cũng như khả năng bổ sung lớp phủ gốm (giao diện gốm sứ) có sự lợi thế về cấu trúc và hóa học), Urani cacbua có thể là ứng cử viên nhiên liệu lý tưởng cho một số lò phản ứng thế hệ thứ 4 cũng như lò phản ứng nhanh làm mát bằng khí.
Nhiên liệu lỏng
Nhiên liệu lỏng là các chất lỏng có chứa nhiên liệu hạt nhân hòa tan và được chứng minh là có nhiều ưu điểm vận hành so với các phương pháp sử dụng nhiên liệu rắn truyền thống.
Các lò phản ứng nhiên liệu lỏng cung cấp các lợi thế an toàn đáng kể do chế độ tự điều chỉnh của lò phản ứng luôn ổn định. Điều này cung cấp hai lợi ích chính: hầu như loại bỏ các khả năng nhanh chóng xảy ra sự cố trong lò phản ứng, cung cấp khả năng tải tự động phù hợp với việc phát điện và các ứng dụng nhiệt của công nghiệp ở nhiệt độ cao.
Một ưu điểm lớn của lõi chất lỏng là khả năng thoát nước nhanh chóng an toàn vào bể chứa bị động. Lợi thế này đã được chứng minh một cách liên tục như là một phần của hoạt động chấm dứt hàng tuần của chương trình ORNL MSRE xuyên suốt trong 4 năm thành công.
Một ưu điểm nửa của lõi chất lỏng là khả năng giải phóng khí nexon thường hoạt động như một chất hấp thụ nơtron và gây ra sự biến dạng cấu trúc của các nguyên tố nhiên liệu rắn dẫn đến thay thế sớm các thanh nhiên liệu rắn với hơn 98% nhiên liệu hạt nhân không bị cháy bao gồm các actinit lâu dài. Ngược lại các lò phản ứng muối nóng chảy (MSR) có khả năng giữ lại hỗn hợp nhiên liệu trong thời gian dài, không chỉ làm tăng hiệu suất nhiên liệu mà còn đốt cháy phần lớn chất thải như một phần hoạt động bình thường.
Muối nóng chảy
Nhiên liệu muối nóng chảy có nhiên liệu hạt nhân hòa tan trực tiếp trong chất làm mát muối nóng chảy. Các lò phản ứng chứa muối nóng chảy (MSR) ví dụ như lò phản ứng LFTR đều không hòa tan nhiên liệu hạt nhân trong chất làm mát.
Nhiên liệu muối nóng chảy được sử dụng trong LFTR được gọi là thí nghiệm phản ứng muối nóng chảy cũng như các thí nghiệm phản ứng lõi chất lỏng khác.Nhiên liệu lỏng của phản ứng muối nóng chảy là hỗn hợp của lithium, beryllium, thori và urani florua: LiF-BeF2-ThF4-UF4 (72-16-12-0.4 mol%). Nó có nhiệt độ hoạt động cao nhất ở 705 °C trong phòng thí nghiệm và có thể hoạt động ở nhiệt độ cao hơn nữa vì nhiệt độ sôi của muối nóng chảy cao hơn 1400 °C.
Một số hình dạng vật lí của nhiên liệu hạt nhân
Bột Uranium dioxide (UO2) được nén lại thành viên hình trụ và đốt cháy ở nhiệt độ cao để sản xuất viên nhiên liệu bằng gốm với mật độ cao được xác định rõ tính chất vật lí và thành phần hóa học.
Một quá trình mài giũa để đạt được hình trụ hình học với dung sai hẹp. Những viên nhiên liệu này được xếp chồng lên nhau và đổ đầy vào các ống kim loại. Kim loại sử dụng cho các ống phụ thuộc vào thiết kế của lò phản ứng.
Thép không gỉ đã được dùng trong quá khứ, nhưng hầu hết các lò phản ứng hiện nay đều dùng hợp kim zirconi, ngoài việc có khả năng chống ăn mòn cao còn có khả năng hấp thụ neutron thấp. Các ống chứa viên nhiên liệu được chứng thực và các thanh nhiên liệu được nhóm lại thành các cụm để xây cốt lõi của lò phản ứng năng lượng.
Lớp bên ngoài của thanh nhiên liệu tồn tại giữa chất làm mát và nhiên liệu hạt nhân. Nó được làm bằng vật liệu chống ăn mòn với tiết diện hấp thụ thấp nhiệt của các notron thường là zircaloy hay thép trong các công trình hiện đại hoặc magie với một lượng nhỏ nhôm và các kim loại khác của lò phản ứng magnox đã lỗi thời. Lớp phủ ngăn chặn các lớp phân hạch phóng xạ thoát khỏi nhiên liệu rồi vào trong chất làm mát và bị hấp thụ.
Nhiên liệu PWR
Nhiên liệu lò phản ứng áp suất nước bao gồm các que hình trụ được đưa vào bó. Một viên gốm oxit urani tạo thành dạng viên và được đưa vào các ống hợp kim Zircaloy rồi gói lại với nhau.
Các ống Zircaloy có đường kính khoảng 1 cm và chứa đầy khí heli để cải thiện sự dẫn nhiệt từ nhiên liệu đến lớp phủ. Có khoảng 179-264 thanh nhiên liệu cho mỗi bó nhiên liệu và khoảng 129-193 được nạp vào lõi lò phản ứng.
Nói chung các gói nhiên liệu bao gồm các thanh nhiên liệu đi kèm 14 *14 đến 17 *17 và gói nhiên liệu PWR dài khoảng 4 mét. Trong các bó nhiên liệu PWR, các thanh điều khiển được trực tiếp đưa thẳng qua đỉnh bên trong bó nhiên liệu. Các bó nhiên liệu thường được làm giàu vài phần trăm trong 235U. Ôxít urani được sấy khô trước khi đưa vào các ống để cố gắng loại bỏ độ ẩm trong nhiên liệu gốm có thể dẫn đến ăn mòn và làm mất hydro.
Các ống Zircaloy được điều áp với heli để cố gắng giảm thiểu sự tương tác giữa các hạt có thể dẫn đến thất bại của que nhiên liệu trong thời gian dài.
Nhiên liệu BWR
Trong phản ứng nước đun sôi, nhiên liệu giống như nhiên liệu PWR ngoại trừ các bó được đóng hộp còn có một ống mỏng xung quanh mỗi bó. Điều này chủ yếu được thực hiện để ngăn chặn các biến thể mật độ cục bộ ảnh hưởng đến neutronics và thủy nhiệt của lõi lò phản ứng. Trong các gói nhiên liệu BWR hiện đại có 91, 92 hoặc 96 thanh nhiên liệu mỗi cụm tùy thuộc vào nhà sản xuất. Khoảng 368 cụm nhỏ nhất cho đến 800 cụm lớn nhất ở Hoa Kỳ để hình thành lõi của lò phản ứng. Mỗi thanh nhiên liệu BWR được lấp đầy với helium với áp suất khoảng 3 atm (300 kPa).
Nhiên liệu CANDU
Các bó nhiên liệu Candu dài khoảng nửa mét và có đường kính 10 cm. Chúng bao gồm các hạt (UO2) được nung kết trong các ống hợp kim zirconi cũng như tiếp tục hàn gắn thành đoạn cuối của tấm phiến hợp kim zirconi. Mỗi bó nặng gần 20 kg, mỗi lõi điển hình chứa 4500-6500 bó theo thứ tự tùy thuộc vào bản thiết kế. Bó CANFLEX có 43 thành phần nhiên liệu với hai kích thước phần tử. Nó có đường kính khoảng 10 cm, dài 0,5 m và nặng khoảng 20 kg và được thay thế cho bó chuẩn 37 trục. Nó được thiết kế đặc biệt để tăng hiệu suất nhiên liệu bằng cách sử dụng hai đường kính pin khác nhau và các thiết kế hiện tại của CANDU không cần làm giàu urani để đạt được mức độ quan trọng (do điều tiết nước hiệu quả hơn), tuy nhiên, một số khái niệm mới hơn kêu gọi làm giàu urani ít hơn để giúp giảm kích thước của lò phản ứng.
